半橋zvs電池串均衡電路及其控制方法
2023-10-07 03:45:14 2
半橋zvs電池串均衡電路及其控制方法
【專利摘要】本發明提供半橋ZVS電池串均衡電路及其控制方法。所述半橋ZVS電池串均衡電路包括n個電流型半橋和n繞組變壓器；每個電流型半橋各自連接有一個電池單體，所有電池單體串聯連接形成電池串，電池單體的個數為n；n繞組變壓器的每一繞組各自與一個所述電流型半橋連接；n是大於或等於2。所述控制方法採用1/2脈寬的方波信號對每個電流型半橋電路進行移相控制，以固定相位的1/2脈寬的方波為參考信號。本發明提供半橋ZVS電池串均衡電路，與能量消耗均衡技術相比，具有能耗低的優勢；與現在能量轉移均衡技術相比，控制簡單，損耗低，效率高。
【專利說明】半橋ZVS電池串均衡電路及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電池均衡【技術領域】，具體涉及半橋ZVS電池串均衡電路及其控制方法，本發明同樣適用於超級電容的均衡。
【背景技術】
[0002]隨著電力系統儲能及電動汽車行業的發展，串聯電池組得到廣泛的使用，特別是動力電池組，串聯的電池單體個數越來越多，容量越來越大。由於工藝條件限制，在經過多次充、放電循環之後，電池單體的容量差異會愈來愈明顯，電池之間會產生較大的電壓差，使串聯電池組總的有效容量減小，影響電池組的使用性能和壽命。
[0003]電池均衡方法分為兩類，一是能量消耗法，通過耗能電路使電壓高的單體電池電壓下降，直到和電壓最低的單體電池一致。該方法結構簡單，但能耗較大，均衡速度慢，效率低。二是能量轉移法，通過電感或電容儲能元件把電壓高的單體電池電能轉移到電壓低的單體電池中，最終使兩者電壓趨於一致。目前，能量轉移法主要應用DC-DC變換技術，控制電感、電容實現能量過渡，達到對電池單體補電或放電的目的。現有的基於DC-DC變換技術的電池均衡電路主要有兩點不足，一是軟開關較難實現，導致開關損耗很大；二是均採用PWM控制，對於數量龐大的開關管的控制非常複雜。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提出半橋ZVS電池串均衡電路及其控制方法。
[0005]本發明採用的技術方案是:所述半橋ZVS電池串均衡電路包括η個電流型半橋和η繞組變壓器，稱為第I種電池串均衡電路。每個電流型半橋各自連接有一個電池單體，所有電池單體串聯連接形成電池串，電池單體的個數為η，η繞組變壓器的每一繞組各自與一個所述電流型半橋連接；η個電流型半橋的元件參數相同，η繞組變壓器的每個繞組的匝數和漏感相同。
[0006]所述半橋ZVS電池串均衡電路還包括第η+1個電流型半橋和第η+1個繞組，第2種電池串均衡電路。所述第η+1個電流型半橋與所述電池串的兩端連接，第η+1個繞組與所述第η+1個電流型半橋連接；連接所述電池串的第η+1個電流型半橋的元件參數歸算到每個所述電池單體側後的元件參數與每個電池單體所連接的電流型半橋的元件參數相同；所述第η+1個繞組的匝數和漏感是每個所述電池單體側的繞組的匝數和漏感的η倍。
[0007]每個電流型半橋由第一開關管、第二開關管、第一二極體、第二二極體、第一電容、第二電容和電感組成；其中，第一二極體和第二二極體分別反並聯在第一開關管和第二開關管上，第一開關管的源極與第二開關管的漏極相連；第一電容的陰極與第二電容的陽極相連，第一電容的陽極與第一開關管的漏極相連，第二電容的陰極與第二開關管的源極相連；電感的一端與第一開關管的源極相連，另一端與第二開關管的源極構成電流型半橋的一個埠 ；第一開關管的源極與第一電容的陰極構成電流型半橋的另一個埠電感Ldc連接所述電池單體或電池串，實現電流型的輸入輸出。
[0008]每個電流型半橋中開關管的結電容與該電流型半橋所連接的繞組的漏感構成諧振電路，實現該電流型半橋中各開關管的ZVS開通。
[0009]所述第I種電池串均衡電路中，採用1/2脈寬的方波信號對每個電流型半橋電路進行移相控制，以固定相位的1/2脈寬的方波為參考信號，對電壓大於電池串平均電壓的電池單體所連接的電流型半橋進行超前控制，對電壓小於電池串平均電壓的電池單體所連接的電流型半橋進行滯後控制，超前與滯後相位均採用固定值。
[0010]所述第2種電池串均衡電路中，採用1/2脈寬的方波信號對每個電流型半橋電路進行移相控制，以固定相位的1/2脈寬的方波為參考信號，對電壓大於電池串平均電壓的電池單體所連接的電流型半橋進行超前控制，對電壓小於電池串平均電壓的電池單體所連接的電流型半橋進行滯後控制，超前與滯後相位均採用固定值；同時使用所述參考信號控制與電池串連接的電流型半橋的橋臂。
[0011]與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果:本發明提供半橋ZVS電池串均衡電路，與能量消耗均衡技術相比，具有能耗低的優勢；與現在能量轉移均衡技術相比，控制簡單，同時實現各開關管的ZVS開通，損耗低，效率高。所述第2種電池串均衡電路，可以同時實現電池單體-電池單體、電池單體-電池串和電池串-電池單體的能量轉移，縮短了均衡時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖la、圖1b分別是本發明的半橋ZVS電池串均衡電路中的第I種電池串均衡電路和第2種電池串均衡電路；
[0013]圖2a、圖2b分別是圖1a或圖1b所示半橋ZVS電池串均衡電路的電流型半橋與多繞組變壓器；
[0014]圖3是圖1a或圖1b所示半橋ZVS電池串均衡電路中等效的雙半橋雙向DC-DC變換器；
[0015]圖4是圖1a或圖1b所示半橋ZVS電池串均衡電路中各電流型半橋的控制信號發
生原理；
[0016]圖5a、圖5b分別是圖la、圖1b所示半橋ZVS電池串均衡電路的功率流圖；【具體實施方式】
[0017]為進一步闡述本發明的內容和特點，以下結合附圖對本發明的具體實施方案進行具體說明。但本發明的實施不限於此。
[0018]參考圖la，本發明的半橋ZVS電池串均衡電路中的第I種電池串均衡電路包括η個電流型半橋和η繞組變壓器。每個電流型半橋各自連接有一個電池單體，所有電池單體串聯連接形成電池串，電池單體的個數為η，η繞組變壓器的每一繞組各自與一個所述電流型半橋連接；η個電流型半橋的元件參數相同，η繞組變壓器的每個繞組的匝數和漏感相同。
[0019]參考圖1b，本發明的半橋ZVS電池串均衡電路中的第2種電池串均衡電路，還包括第η+1個電流型半橋和第η+1個繞組。所述第η+1個電流型半橋與所述電池串的兩端連接，第η+1個繞組與所述第η+1個電流型半橋連接；連接所述電池串的第η+1個電流型半橋的元件參數歸算到每個所述電池單體側後的元件參數與每個電池單體所連接的電流型半橋的元件參數相同；所述第η+1個繞組的匝數和漏感是每個所述電池單體側的繞組的匝數和漏感的η倍。
[0020]參考圖2a，每個電流型半橋由第一開關管S1、第二開關管S2、第一二極體D1、第二二極體D2、第一電容C1、第二電容C2和電感Ld。組成。其中，第一二極體D1和第二二極體D2分別反並聯在第一開關管S1和第二開關管S2上，第一開關管S1的源極與第二開關管S2的漏極相連；第一電容仏的陰極與第二電容C2的陽極相連，第一電容C1的陽極與第一開關管S1的漏極相連,第二電容C2的陰極與第二開關管S2的源極相連；電感Ld。的一端與第一開關管S1的源極相連，另一端與第二開關管S2的源極構成電流型半橋的埠 Portl ;第一開關管S1的源極與第一電容C1的陰極構成電流型半橋的埠 Port2。電感Ldc連接所述電池單體或電池串，實現電流型的輸入輸出。通過對橋臂的控制，可以實現電流型半橋中功率流雙向流動。
[0021]參考圖2b，所述第I種電池串均衡電路中η繞組變壓器的埠 Portl至埠 Portη各自與一個與所述電池單體相連的電流型半橋連接；所述第2種電池串均衡電路中η+1繞組變壓器的埠 Portl至埠 Port η各自與一個與所述電池單體相連的電流型半橋連接，埠 Port η+1與一個與所述電池串相連的電流型半橋連接。多繞組變壓器的每個埠連接電流型半橋，等效地與存在相位差的1/2脈寬的各方波電壓源相連，多繞組變壓器的漏感是傳遞功率的元件，功率從方波電壓相位超前的埠傳遞到方波電壓滯後的埠，即通過移相控制可以實現功率在多繞組變壓器各埠間的相互流動。
[0022]參考圖3，多繞組變壓器任兩個埠的電流型半橋等效為雙半橋雙向DC-DC變換器，通過控制兩個半橋橋臂的超前與滯後，實現功率的雙向流動。開關管S1、S2的結電容Cs1, Cs2和開關管S3、S4的結電容Cs3、Cs4分別與變壓器漏感Lsl+Ls2構成諧振電路，實現開關管Sp S2, S3> S4的ZVS開通。
[0023]參考圖4，所述第I種電池串均衡電路，以1/2脈寬的方波信號Vgb作為參考信號，以開關周期為採用周期採樣每個電池單體的電壓Vbl、vb2、？vbn，求其平均電壓
【權利要求】
1.半橋ZVS電池串均衡電路，其特徵在於:包括η個電流型半橋和η繞組變壓器；每個電流型半橋各自連接有一個電池單體，所有電池單體串聯連接形成電池串，電池單體的個數為η ；η繞組變壓器的每一繞組各自與一個所述電流型半橋連接；η是大於或等於2。
2.根據權利要求1所述的半橋ZVS電池串均衡電路，其特徵在於:還包括第η+1個電流型半橋和第η+1個繞組，所述第η+1個電流型半橋與所述電池串的兩端連接，第η+1個繞組與所述第η+1個電流型半橋連接。
3.根據權利要求1或2所述的半橋ZVS電池串均衡電路，其特徵在於:每個電流型半橋由第一開關管(SI)、第二開關管(S2)、第一二極體(D1X第二二極體(D2)、第一電容(C1)、第二電容(C2)和電感(Ld。)組成；其中，第一二極體(D1)和第二二極體(D2)分別反並聯在第一開關管(S1)和第二開關管(S2)上，第一開關管(S1)的源極與第二開關管(S2)的漏極相連；第一電容(C1)的陰極與第二電容(C2)的陽極相連，第一電容(C1)的陽極與第一開關管(S1)的漏極相連，第二電容(C2)的陰極與第二開關管(S2)的源極相連；電感(Ld。)的一端與第一開關管(S1)的源極相連，另一端與第二開關管(S2)的源極構成電流型半橋的一個埠 ；第一開關管(S1)的源極與第一電容(C1)的陰極構成電流型半橋的另一個埠。
4.根據權利要求1所述的半橋ZVS電池串均衡電路，其特徵在於:n個電流型半橋的元件參數相同。
5.根據權利要求2所述的半橋ZVS電池串均衡電路，其特徵在於:連接所述電池串的第η+1個電流型半橋的元件參數歸算到每個所述電池單體側後的元件參數與每個電池單體所連接的電流型半橋的元件參數相同。
6.根據權利要求1所述的半橋ZVS電池串均衡電路，其特徵在於:η繞組變壓器的每個繞組的匝數和漏感相同。
7.根據權利要求2所述的半橋ZVS電池串均衡電路，其特徵在於:所述第η+1個繞組的匝數和漏感是每個所述電池單體側的繞組的匝數和漏感的η倍。
8.根據權利要求1或2所述的半橋ZVS電池串均衡電路，其特徵在於:每個電流型半橋中開關管的結電容與該電流型半橋所連接的繞組的漏感構成諧振電路，實現該電流型半橋中各開關管的ZVS開通。
9.用於權利要求1所述的半橋ZVS電池串均衡電路的控制方法，其特徵在於採用1/2脈寬的方波信號對每個電流型半橋電路進行移相控制，以固定相位的1/2脈寬的方波為參考信號，對電壓大於電池串平均電壓的電池單體所連接的電流型半橋進行超前控制，對電壓小於電池串平均電壓的電池單體所連接的電流型半橋進行滯後控制，超前與滯後相位均米用固定值。
10.用於權利要求2所述的半橋ZVS電池串均衡電路的控制方法，其特徵在於採用1/2脈寬的方波信號對每個電流型半橋電路進行移相控制，以固定相位的1/2脈寬的方波為參考信號，對電壓大於電池串平均電壓的電池單體所連接的電流型半橋進行超前控制，對電壓小於電池串平均電壓的電池單體所連接的電流型半橋進行滯後控制，超前與滯後相位均採用固定值；同時使用所述參考信號控制與電池串連接的電流型半橋的橋臂。
【文檔編號】H02J7/00GK103633691SQ201310567211
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】張波, 付堅, 丘東元, 肖文勳 申請人:華南理工大學