[發明專利]基于多相交錯變換器的電池均衡電路及其控制方法

在審

• 申請號: 201510902586.5
• 申請日: 2015-12-08
• 公開（公告）號: CN105391130A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發明（設計）人: 張承慧;商云龍;周忠凱;李澤元
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種基于多相交錯變換器的電池均衡電路及其控制方法。

背景技術

能源、環境和資源是人類賴以生存和發展的基本條件，但當今世界石油資源日趨枯竭、生態環境嚴重惡化已成不爭事實，嚴重制約經濟社會可持續發展，是世界各國必須面對的嚴峻問題。鋰離子電池憑借其能量密度高、循環壽命長、無記憶效應、性價比高和單體電壓高等突出優點，在解決能源環境危機中起著不可替代的作用。在實際應用中，鋰離子電池的使用往往采用串并聯組合的形式，但由于制作工藝和材料使用的不一致，使得電池初始性能參數(如內阻、容量等)存在差異，這些差異在電池使用過程中形成累積并放大，將嚴重減小電池的可用容量和循環壽命。因此，電池均衡技術顯得格外重要。

電池均衡方法主要分為三類：電池選擇，被動均衡和主動均衡方法。

電池選擇即選擇電化學特性相似的電池組成電池包，這樣各電池單體的不一致性問題將得到解決。電池的篩選分兩步進行，首先通過不同電流放電得到容量相似的電池單體；然后對獲得的電池單體進行脈沖電流充放電實驗，挑選出在不同SOC處電壓變化量相似的電池。由于在電池的生命周期中電池單體的自放電率各不相同，所以該方法并不能實現串聯電池組的均衡問題。

被動均衡方法事先預設充電電壓的“上限閾值電壓”，任何一只單體電池只要在充電時最先達到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內電池差異時，即對組內單體電壓最高的那只電池，通過并聯在單體電池的能耗電阻進行放電電流，以此類推，一直到電壓最低的那只單體電池到達“上限閾值電壓”為一個平衡周期。其目的就是通過放電均衡的辦法讓電池組內的電池電壓趨于一致。被動方法雖然電路結構簡單，但存在能量浪費和熱管理的問題。

主動均衡方法使用外部電路主動地轉移電池之間的能量，主要原理是將高電壓電池的一部分電量通過轉換裝置回送到電池組或直接轉送到低電壓電池中，用到的儲能元件主要為電容或電抗器，通過電容或電抗器的反復充放電實現電池組內各電池電壓的平衡。這種電路的能量損耗很小，但是達到均衡必須有多次傳輸，所以速度較慢，不適于串聯較多的電池組。根據能量流，主動均衡能夠分為以下五種：(1)CelltoCell；(2)CelltoPack；(3)PacktoCell；(4)PacktoCelltoPack；(5)AnyCellstoAnyCells。對于CelltoCell的均衡方法，能量能夠直接從電壓最高的電池單體轉移到電壓最低的電池單體，具有較高的均衡效率，并且適用于高電壓應用，但是由于電池單體之間的電壓差較小再加之電力電子器件存在導通壓降，這種方法的均衡電流很小，因此該方法不適合于大容量的動力電池。對于CelltoPack的均衡方法，如中國實用新型(專利號ZL201420815315.7)，能量從電壓較低的電池單體轉移到電壓較高的電池組，均衡電流和效率都較低，不適用于大容量的動力電池。對于AnyCellstoAnyCells的均衡方法，如中國實用新型(專利號ZL201420265656.1)提出了一種基于開關矩陣和LC諧振變換的AnyCellstoAnyCells均衡電路，其均衡能量能夠從任意電池單體組合傳遞到任意電池單體組合，均衡效率很高，但是需要大量的切換開關，導致電路體積龐大，且均衡控制也非常復雜。而對于PacktoCell的均衡方法，每一次均衡都是通過電池組對電壓最低的電池單體進行能量補給，能夠實現較大的均衡電流，適合于大容量的動力電池。中國實用新型(專利號ZL201420264864.X)提出一種基于LC諧振變換的PacktoCell均衡電路，該均衡電路通過使用一個LC諧振變換，實現了能量從電池組到電壓最低的電池單體的零電流開關傳遞，減少了能量浪費，提高了均衡效率。但是，該均衡電路的主要問題是：當電池組對電壓最低的電池單體充電均衡時，也會同時對該電池單體放電，其均衡凈電流較小，也造成了不必要的能量浪費。

傳統均衡電路不適合鋰離子動力電池的主要原因如下：

(1)鋰離子電池的開路電壓在SOC為30％-70％之間時較為平坦，即使SOC相差很大，其對應的電壓差也很小，此外由于電力電子器件存在導通壓降，使得均衡電流很小，甚至可能導致電力電子器件不能正常導通；

(2)由于電力電子器件存在導通壓降，電池單體間很難實現零電壓差均衡。

(3)傳統的均衡電路要么需要很多開關進行切換，要么需要很多電抗器、電容和變壓器等儲能器件，導致均衡電路體積龐大，控制復雜，實用性很差。

發明內容