[發明專利]一種鋰電池組分布式動態均衡充電系統及方法

在審

• 申請號: 202310556255.5
• 申請日: 2023-05-17
• 公開（公告）號: CN116505615A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 陳艷;敖川;鄭永;王玉菡;柏科
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 廖曦

1.一種鋰電池組分布式動態均衡充電系統，其特征在于：該充電系統包括鋰電池組、能量轉移電路、隔離控制器、控制系統、驅動電路和充電雙向開關；

所述鋰電池組由n個分別標記為Cell₁、Cell₂、…、Cell_n的單體電池串聯組成；每個單體電池兩端均連接能量轉移模塊，共n個，記為能量轉移模塊1、能量轉移模塊2、…、能量轉移模塊n；n個能量轉移模塊組成能量轉移電路；

所述能量轉移模塊的輸入側連接到單體電池的正負端，輸出端連接至鋰電池組的正負端；

所述控制系統通過隔離控制器對每個能量轉移模塊進行控制，使得單體電池能量往鋰電池組轉移；

所述鋰電池組充電回路中設置有充電雙向開關，控制系統配合驅動電路對其進行調制，控制鋰電池組的充入能量。

2.根據權利要求1所述的一種鋰電池組分布式動態均衡充電系統，其特征在于：所述充電系統未開啟均衡功能時，充電器按照預先設定對鋰電池組充電，能量轉移電路不工作，充電雙向開關處于全開狀態；

當鋰電池組內單體電池達到均衡開啟閾值時，對應單體電池通過能量轉移電路轉移至鋰電池組中，同時通過控制充電雙向開關占空比的方式調整輸入能量與單體電池能量轉移電路配合，使得鋰電池組中達到閾值的單體電池在開啟能量轉移電路以后，均衡變量保持不變，均衡結束時，所有單體電池均衡變量趨近一致；

所述鋰電池組在充電過程中，充電過程中單體電池端壓反應能量，設定單體電池電壓達到最大電壓即為電池充滿，選用電池端壓均衡變量；在動力鋰電池組充電末期，控制鋰電池組的輸入能量配合單體電池轉移能量，使得端壓達到均衡閾值的單體電池能量不再增加，端壓維持不變，其余單體電池能量繼續增加，端壓上升直至達到均衡閾值，最終所有單體電池端壓均達到均衡閾值，實現充電結束時所有單體電池端壓一致的均衡目標；

設鋰電池組中單體電池Cell₁的端壓首先達到均衡閾值，開啟均衡，單體電池Cell₁能量轉移電路啟動，能量通過能量轉移電路從單體電池Cell₁向整組電池流動，記所有能量轉移電路效率均為η，則有：

ΔE′₁＝η·ΔE₁?????(1)

在串聯鋰電池組中，由于充電電流相同，且單體電池端壓相差不大的情況下，單體電池Cell₁輸入的能量為E₁：

設單體電池Cell₁的能量流出與能量輸入相等，單體電池Cell1保有能量不變，得：

ΔE₁＝E₁????(3)

聯立式(1)、(2)、(3)得：

E_in＝E-ΔE'₁＝nE₁-ηΔE₁＝(n-η)ΔE₁????(4)

通過測量均衡器輸入能量ΔE₁，得到充電器需要輸入的能量E_in；調整輸入能量E_in使開啟均衡的單體電池在整個剩余充電過程中能量保持不變；輸入能量平均值E_in的計算公式為：

式中E_in為一段時間內不變的輸入能量，T為一個PWM周期，t_on為一個開關周期內充電雙向開關的開通時間，D為一個周期內充電雙向開關開通占空比；通過調節充電開關導通時間，控制輸入能量的平均值大小；導通時間越長，輸入能量平均值越大，反之輸入能量平均值越小；

通過控制能量轉移電路使能開關，讓單體電池Cell₁的端壓在V_ON與V_OFF之間波動，能量在E_ON與E_OFF間波動，保證輸入單體電池Cell1中的能量E_{1_in}滿足：

E_{1_in}≤ΔE₁?????(6)

在式(6)條件下單體電池Cell1能量轉移電路開啟時，單體電池Cell1能量減少，端壓下降；當單體電池Cell₁的能量轉移電路關閉時，單體電池Cell₁的能量增加，端壓升高；通過改變能量轉移電路使能信號使單體電池Cell₁的端壓在V_ON與V_OFF之間波動，能量在E_ON與E_OFF間波動；

V_ON-V_OFF＜V_σ????(7)

E_ON-E_OFF＜E_σ????(8)

當式(7)、(8)中的V_σ、E_σ為一個極小值時，認為單體電池Cell₁的在均衡過程t₀～t_m過程中端電壓不變，能量不變，實現單體電池Cell₁的能量在均衡過程中相對不變；

E_{n_in}≤ΔE_n????(9)

在滿足式(9)的條件下，使所有單體電池均達到該能量，完成對所有單體電池的均衡；

所述能量轉移電路由DC-DC變換器組成，是由前級Boost電路與后級反激電路組成兩級式結構；前級Boost電路將單體電池初步升壓至10V，作為后級反激電路的輸入；后級反激電路進行電路隔離并將輸入電壓升高到鋰電池組電壓，結合斷續工作反激增益公式，做恒功率輸出控制，其輸出最大額定功率5W。

3.基于權利要求1所述系統的鋰電池組分布式動態均衡充電方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

S1：判斷鋰電池組當前是否處于保護狀態；

充電器接通鋰電池組前，充電雙向開關斷開，充電回路處于開路狀態；控制系統檢測組內各單體電池端壓，任一電池處于欠壓或過壓狀態時，充電雙向開關一直斷開，不對鋰電池組充電，同時能量轉移電路不工作；

S2：鋰電池組開啟充電

判斷鋰電池組未進入保護狀態后，打開充電雙向開關按照預設充電倍率對鋰電池組充電；

S3：判斷是否開啟均衡充電

鋰電池組充電過程中控制系統檢測是否有單體電池端壓達到均衡開啟閾值，若存在某單體電池端壓達到均衡開啟閾值，則執行S4；否則，保持當前充電狀態繼續充電，直到檢測到某電池端壓達到均衡開啟閾值；

S4：均衡充電

開啟均衡充電功能；控制系統查詢并篩選出達到均衡閾值的單體電池，開啟能量轉移電路，然后查詢開啟能量轉移電路的單體電池端壓，計算當前單體電池端壓和上一采樣時刻該單體電池端壓差值，即均衡單體電池端壓增量；如果所有均衡單體電池端壓增量不為正，則加大充電開關占空比，增大輸入能量功率；如果存在均衡單體電池端壓增量為正，則減小充電開關占空比，減小輸入能量功率；

S5：判斷均衡充電完成

重復S4的查詢和控制方式，直至所有單體電池均達到均衡閾值后關閉充電開關和所有能量轉移電路，鋰電池組中所有單體電池端壓在此時處于均衡開啟閾值與均衡關閉閾值之間，均衡充電完成；

S6：充電完成

上報充電完成信號，記錄下完整充電過程中電壓變化數據，結束充電。