[發明專利]一種串聯鋰電池組均衡容錯電路結構與均衡容錯方法

在審

• 申請號: 201811523343.0
• 申請日: 2018-12-13
• 公開（公告）號: CN109713744A
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 張凱;王友仁;徐智童
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;B60L58/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種串聯鋰電池組均衡容錯電路結構與均衡容錯方法。均衡容錯電路包括重構容錯環路、電池選擇網絡和反激變換器橋式網絡，每一節鋰電池串聯一組雙向MOSFET斷路開關，并聯一個單向MOSFET旁路開關和二極管構成重構容錯環路。電池選擇網絡由雙向MOSFET選擇開關組成，每一節鋰電池連接兩組雙向MOSFET選擇開關，相鄰兩節鋰電池共用一組雙向MOSFET選擇開關。反激變換器橋式網絡由反激變換器、MOSFET開關和二極管組成。均衡容錯方法為：估算每一節鋰電池的荷電狀態和健康狀態，當某節鋰電池健康狀態低于失效閾值時重構隔離該電池；計算得到剩余容量最多與最少鋰電池間的容量差，當容量差大于設定閾值時啟動均衡。本發明提高了鋰電池組的能量使用效率、可靠性和安全性。

技術領域

本發明涉及鋰電池能量均衡與可重構技術領域，尤其涉及一種串聯鋰電池組均衡容錯電路結構與均衡容錯方法。

背景技術

面對日益緊迫的能源枯竭和環境污染問題，開發新能源汽車成為了各國普遍的選擇。由于單體鋰電池標稱電壓較低，需將多個鋰電池單體串聯使用以滿足新能源汽車的供電需求。鋰電池組內單體鋰電池之間存在不一致性，鋰電池組在使用過程中隨時間反復充電和放電，每個鋰電池單體顯示出不同退化特性，尤其是一個或多個性能指標較差的鋰電池比其他鋰電池更快完成充電或放電。因此，性能指標較差的鋰電池會降低鋰電池組容量利用率、制約整個鋰電池組的工作循環壽命，甚至引起起火爆炸等嚴重安全事故。為了改善鋰電池不一致性，提高鋰電池組容量利用率和剩余使用壽命，實現鋰電池組穩定、安全的長期運行，需要對其實施狀態監測及能量均衡和重構容錯控制。

目前，國內外相關研究機構對考慮容錯性的鋰電池能量均衡研究相對較少，研究多集中在只采用能量轉移的均衡方式來解決單體鋰電池不一致性，沒有考慮到鋰電池組長期運行的可靠性和安全性，當鋰電池組中某一節鋰電池退化嚴重失效時，短時間內會導致整個鋰電池組失效甚至發生嚴重安全事故。因此如何對鋰電池進行有效能量均衡以及如何對失效鋰電池進行重構隔離成為亟需解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種串聯鋰電池組均衡容錯電路結構與均衡容錯方法，把開關旁路型重構電路與反激變換器型均衡電路結合起來，可實現任意一節單體鋰電池與鋰電池組間能量轉移，實現單體鋰電池能量均衡，也可對失效鋰電池進行重構隔離，保證鋰電池組長期穩定、安全工作。該均衡電路結構僅需一個反激變換器且相鄰單體鋰電池間共用一組雙向MOSFET選擇開關，電路結構簡單，從而有效的降低該電路成本；而且均衡效率較高。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種串聯鋰電池組均衡容錯電路結構包括重構容錯環路、電池選擇網絡和反激變換器橋式網絡。重構容錯環路和反激變換器橋式網絡中的MOSFET均為單向MOSFET，電池選擇網絡中的MOSFET均為雙向MOSFET，所述的MOSFET均為N溝道MOSFET。每節鋰電池串聯一組雙向MOSFET斷路開關，并聯一個單向MOSFET旁路開關和二極管構成重構容錯環路，可對串聯鋰電池組進行重構隔離。電池選擇網絡由雙向MOSFET選擇開關組成，每節鋰電池連接兩組雙向MOSFET選擇開關，相鄰兩節鋰電池共用一組雙向MOSFET選擇開關，可任意選擇需要均衡的單體鋰電池接入均衡電路。反激變換器橋式網絡由反激變換器、四個MOSFET開關和二極管組成，可將單體鋰電池的能量通過反激變換器轉移到鋰電池組中。

一種串聯鋰電池組均衡容錯方法，包括以下步驟：

步驟1、利用電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器對鋰電池的電壓、電流和溫度進行監測，可采用雙擴展卡爾曼濾波算法估算每節鋰電池的荷電狀態SOC和健康狀態SOH；

步驟2、當監測到鋰電池溫度突然過高或健康狀態低于失效閾值時啟動重構容錯環路，斷開雙向MOSFET斷路開關，導通單向MOSFET旁路開關，對失效鋰電池進行重構隔離；

步驟3、根據鋰電池的荷電狀態計算每節鋰電池的剩余容量并據此得到剩余容量最多與最少鋰電池間的容量差，當容量差大于設定閾值時啟動均衡，利用反激變換器橋式網絡實現能量轉移。