[发明专利]基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法。

背景技术

能源、环境和资源是人类赖以生存和发展的基本条件，但当今世界石油资源日趋枯竭、生态环境严重恶化已成不争事实，严重制约经济社会可持续发展，是世界各国必须面对的严峻问题。锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、性价比高和单体电压高等突出优点，在解决能源环境危机中起着不可替代的作用。在实际应用中，锂离子电池的使用往往采用串并联组合的形式，但由于制作工艺和材料使用的不一致，使得电池初始性能参数(如内阻、容量等)存在差异，这些差异在电池使用过程中形成累积并放大，将严重减小电池的可用容量和循环寿命。因此，电池均衡技术显得格外重要。

电池均衡方法主要分为三类：电池选择，被动均衡和主动均衡方法。

电池选择即选择电化学特性相似的电池组成电池包，这样各电池单体的不一致性问题将得到解决。电池的筛选分两步进行，首先通过不同电流放电得到容量相似的电池单体；然后对获得的电池单体进行脉冲电流充放电实验，挑选出在不同SOC处电压变化量相似的电池。由于在电池的生命周期中电池单体的自放电率各不相同，所以该方法并不能实现串联电池组的均衡问题。

被动均衡方法事先预设充电电压的“上限阈值电压”，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。其目的就是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。被动方法虽然电路结构简单，但存在能量浪费和热管理的问题。

主动均衡方法使用外部电路主动地转移电池之间的能量，主要原理是将高电压电池的一部分电量通过转换装置回送到电池组或直接转送到低电压电池中，用到的储能元件主要为电容或电抗器，通过电容或电抗器的反复充放电实现电池组内各电池电压的平衡。这种电路的能量损耗很小，但是达到均衡必须有多次传输，所以速度较慢，不适于串联较多的电池组。根据能量流，主动均衡能够分为以下五种：(1)CelltoCell；(2)CelltoPack；(3)PacktoCell；(4)PacktoCelltoPack；(5)AnyCellstoAnyCells。对于CelltoCell的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体转移到电压最低的电池单体，具有较高的均衡效率，并且适用于高电压应用，但是由于电池单体之间的电压差较小再加之电力电子器件存在导通压降，这种方法的均衡电流很小，因此该方法不适合于大容量的动力电池。对于CelltoPack的均衡方法，如中国实用新型(专利号ZL201420815315.7)，能量从电压较低的电池单体转移到电压较高的电池组，均衡电流和效率都较低，不适用于大容量的动力电池。对于AnyCellstoAnyCells的均衡方法，如中国实用新型(专利号ZL201420265656.1)提出了一种基于开关矩阵和LC谐振变换的AnyCellstoAnyCells均衡电路，其均衡能量能够从任意电池单体组合传递到任意电池单体组合，均衡效率很高，但是需要大量的切换开关，导致电路体积庞大，且均衡控制也非常复杂。而对于PacktoCell的均衡方法，每一次均衡都是通过电池组对电压最低的电池单体进行能量补给，能够实现较大的均衡电流，适合于大容量的动力电池。中国实用新型(专利号ZL201420264864.X)提出一种基于LC谐振变换的PacktoCell均衡电路，该均衡电路通过使用一个LC谐振变换，实现了能量从电池组到电压最低的电池单体的零电流开关传递，减少了能量浪费，提高了均衡效率。但是，该均衡电路的主要问题是：当电池组对电压最低的电池单体充电均衡时，也会同时对该电池单体放电，其均衡净电流较小，也造成了不必要的能量浪费。

传统均衡电路不适合锂离子动力电池的主要原因如下：

(1)锂离子电池的开路电压在SOC为30％-70％之间时较为平坦，即使SOC相差很大，其对应的电压差也很小，此外由于电力电子器件存在导通压降，使得均衡电流很小，甚至可能导致电力电子器件不能正常导通；

(2)由于电力电子器件存在导通压降，电池单体间很难实现零电压差均衡。

(3)传统的均衡电路要么需要很多开关进行切换，要么需要很多电抗器、电容和变压器等储能器件，导致均衡电路体积庞大，控制复杂，实用性很差。

发明内容