阅读说明：本技术 基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路及控制方法 (Novel lithium ion battery Cell-to-Cell modular equalization circuit based on single inductor and control method ) 是由 康龙云 林鸿业 罗璇 卢楚生 令狐金卿 张健彬 赵子先 周海兰 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路及控制方法,该均衡电路包括1个储能电感、1个串联电池组、1个开关网络、1个续流单元SX、1个电压采样电路、1个控制器、1个开关驱动电路。根据均衡电路的结构,将开关与电池组成均衡模块,将多个均衡模块的端口相接组成大电池组的均衡电路。该电路具有结构简单、开关器件少、易于模块化的优点,可以实现锂离子电池组Cell-to-Cell均衡,减少能量损失,改善锂离子电池组不一致性,有效提高电池组可用容量。(The invention discloses a novel lithium ion battery Cell-to-Cell modular equalization circuit based on a single inductor and a control method thereof, wherein the equalization circuit comprises 1 energy storage inductor, 1 series battery pack, 1 switch network, 1 follow current unit SX, 1 voltage sampling circuit, 1 controller and 1 switch driving circuit. According to the structure of the equalizing circuit, the switch and the battery form an equalizing module, and the ports of the equalizing modules are connected to form the equalizing circuit of the large battery pack. The circuit has the advantages of simple structure, few switching devices and easiness in modularization, can realize Cell-to-Cell balance of the lithium ion battery pack, reduces energy loss, improves the inconsistency of the lithium ion battery pack, and effectively improves the available capacity of the battery pack.)

基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路 及控制方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池组均衡技术领域，具体涉及一种基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路及控制方法。

背景技术

目前，大规模串联锂离子电池组作为蓄能设备在发展新能源发电和新能源电动汽车中起关键作用。在电池组串联使用的过程中，受制造工艺、工作条件的影响，电池组内各电池单体通常存在不一致性。电池单体不一致性是指同一规格类型的蓄电池组成电池组后，随着电池的使用次数不断增加，各单体的电池电压、容量及其衰退率、SOC、SOH、自放电率及其变化率、内阻及其变化率等参数不完全相同。无论是电池组的充电或放电，电池单体不一致性都将导致电池组可用容量减少。

电池均衡管理可以消除上述串联电池组电池单体不一致性导致的电池组可用容量减少的问题。目前，电池均衡技术主要分为被动均衡技术(passive balancing method)和主动均衡技术(active balancing method)。被动均衡技术又称为能量耗散型均衡，技术路线是通过给串联电池组中每个电池单体两端并联一个电阻进行放电分流控制，将电量最高的电池单体的能量通过并联电阻转化为热能耗散掉。由于这种方法将多余的能量转化为热能，会给电池的热管理带来新的挑战，均衡效率为零，且当各电池单体的一致性差异较大时，会导致能量的大量浪费。主动均衡技术又称为能量非耗散型均衡，其基本思路是利用外部电路的储能元件(如电感、电容、变压器等)实现电池单体间的主动能量传输，将电量高的电池单体的能量传输给电量低的电池单体以达到整个电池组的电量均衡。主动均衡技术按储能元件可分为电容型、电感型、谐振型和变压器型四种，根据能量传输路径可以分为A-C2C(Adjacent Cell-to-Cell，即相邻单元间传递)、D-C2C(Direct Cell-to-Cell，即直接单元间传递)、C2P(Cell-to-Pack，即单元-电池组传递)和P2C(Pack-to-Cell，即电池组-单元传递)等。

中国实用新型专利(申请号201520710324.4)公开一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路，将串联电池组均分为上、下两部分，利用储能电感实现能量在上下电池组之间的转移，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组可用容量。但是，其只能实现Cell-to-Pack，不能实现任意两节电池单体之间的能量转移，均衡目标不灵活。

中国发明专利(申请号CN201611154167.9)公开一种基于电容储能的并联电池组双向无损均衡电路，通过控制双向可控硅TRIAC的通断，利用储能电容改善电池组不均衡的现象。但是其在实现Cell-to-Cell均衡时，均衡速度会随着电池单体间电压差的减小而降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路及控制方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路，该均衡电路包括1个储能电感、1个串联电池组、1个开关网络、1个续流单元SX、1个电压采样电路、1个控制器和1个开关驱动电路；其中，串联电池组、电压采样电路、控制器、开关驱动电路、续流单元SX、储能电感、开关网络依次顺序连接；

所述串联电池组由2N个锂离子电池串联组成，所有电池单体由右至左依次编号为B₁、B₂、B₃、……B_2N，2N个锂离子电池分为N个电池模块，每个电池模块包括两个锂离子电池单体，电池B₁、B₂构成电池模块P₁，电池B₃、B₄构成电池模块P₂，...，电池B_2k-1、B_2k构成电池模块P_k，...，电池B_2N-1、B_2N构成电池模块P_N，k＝1、2、……N。

所述开关网络由N个单刀双掷开关和N个双向选通开关组成，单刀双掷开关依次编号为S₁、S₃、S₅、……S_2N-1，双向选通开关依次编号为S₂、S₄、S₆、……S_2N，单刀双掷开关S_2k-1由四个N沟道MOSFET组成，依次编号为Q_(2k-1)1、Q_(2k-1)2、Q_(2k-1)3、Q_(2k-1)4，其中Q_(2k-1)1的S极与Q_(2k-1)2的S极相连，Q_(2k-1)2的D极与Q_(2k-1)3的D级、Q_(2k-1)4的S极相连；双向选通开关S_2k由两个N沟道MOSFET组成，依次编号为Q_(2k)1、Q_(2k)2，k＝1、2、……N，其中Q_(2k)1的S极与Q_(2k)2的S极相连。

所述续流单元SX由两个MOSFET反向串联构成，分别编号为QX₁、QX₂，其中QX₁的S极与QX₂的S极相连。QX₁的D极和QX₂的D极分别与储能电感的1端和2端连接。

所述控制器用于实现电压采集和逻辑判断功能，输出PWM信号至驱动电路。控制器将来自电压采样电路的电压模拟信号转换为数字信号，根据电压数字信号判断需要充电与放电的电池编号，输出PWM信号至开关驱动电路，控制开关网络中N个单刀双掷开关与N个双向选通开关的导通与关断，控制电池的充电与放电。

进一步地，电池模块P_k与单刀双掷开关S_2k-1、双向选通开关S_2k组成一个均衡模块M_k，其中Q_(2k-1)1的D极为均衡模块M_k的端口a；Q_(2k-1)3的S极为端口b，与电池B_2k-1的负极相连；Q_(2k)2的D极为端口c；Q_(2k-1)4的D极为端口d，与电池B_2k的正极相连；Q_(2k)1的D极与电池B_2k-1的正极、电池B_2k的负极相连。均衡模块M_k的端口a与储能电感的1端相连，端口b与均衡模块M_k-1的端口d相连，端口c与储能电感的2端相连，端口d与均衡模块M_k+1的端口b相连，k＝1、2、……N。

本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路的控制方法，所述控制方法包含以下步骤：

S1、所述电压采样电路通过电压传感器采集各电池电压并将电压信息传入控制器；

S2、控制器对比所有电池单体电压，记录电压最高的电池单体编号为B_x，奇数号电池B₁、B₃、B₅、……B_2N-1中电压最低的电池单体编号为B_y，偶数号电池B₂、B₄、B₆、……B_2N中电压最低的电池单体编号为B_z；

S3、分别计算电池B_x与B_y和电池B_x与B_z的电压差，若电压差小于均衡阈值，则结束均衡，若电压差大于均衡阈值，则继续进行均衡；

S4、若x为奇数，则电池B_x放电，电池B_z充电；若x为偶数，则电池B_x放电，电池B_y充电；

S5、均衡指定时间后，采集各电池电压，判断所有电池最大电压差是否小于均衡阈值，若最大电压差小于均衡阈值，则结束均衡，否则返回步骤S1。

进一步地，所述均衡电路可以实现任意奇数号电池B₁、B₃、B₅、……B_2N-1与任意偶数号电池B₂、B₄、B₆、……B_2N之间的能量传输。

进一步地，所述步骤S4中各电池充放电时开关序列为：

若x为奇数，在一个开关周期内，先导通单刀双掷开关S_x中的Q_(x)1、Q_(x)2、Q_(x)3与双向选通开关S_x+1中的Q_(x+1)1、Q_(x+1)2，电池B_x放电，储能电感充电；随后导通续流单元SX中的QX₁，关断开关S_x与开关S_x+1，进入电感续流阶段；随后导通单刀双掷开关S_z-1中的Q_(z-1)1、Q_(z-1)2与双向选通开关S_z中的Q_(z)1、Q_(z)2，关断QX₁，储能电感放电，电池B_z充电；一个开关周期结束时关断所有开关；

若x为偶数，在一个开关周期内，先导通单刀双掷开关S_x-1中的Q_(x-1)1、Q_(x-1)2、Q_(x-1)4与双向选通开关S_x中的Q_(x)1、Q_(x)2，电池B_x放电，储能电感充电；随后导通续流单元SX中的QX₂，关断开关S_x-1与开关S_x，进入电感续流阶段；随后导通单刀双掷开关S_y中的Q_(y)1、Q_(y)2与双向选通开关S_y+1中的Q_(y+1)1、Q_(y+1)2，关断QX₂，储能电感放电，电池B_y充电；一个开关周期结束时关断所有开关。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明公开的均衡电路结构简单，通过对开关网络的巧妙设计，减少MOSFET与储能电感的使用数量；易于模块化，将电池与相应开关组成一个均衡模块，将多个均衡模块串联可进行大电池组均衡；实现锂离子电池组Cell-to-Cell均衡，减少能量损失，改善锂离子电池组不一致性，提高电池组可用容量。

附图说明

图1是基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路的原理图；

图2是均衡电路中各开关结构图；

图3是以4节电池为例的基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路的原理图；

图4是以4节电池为例的基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路的工作原理图，其中，图4(a)是电池放电，电感充电示意图，图4(b)是电感续流阶段示意图，图4(c)是电感放电，电池充电示意图；

图5是本发明均衡电路的控制方法流程图；

图6是本发明以4节电池为例进行均衡时的驱动信号和储能电感电流理论波形图；

图7是本发明以4节电池为例进行均衡实验的波形图；

图8是本发明以4节电池为例进行均衡实验的电池电压轨迹。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路，该均衡电路包括1个储能电感、1个串联电池组、1个开关网络、1个续流单元SX、1个电压采样电路、1个控制器和1个开关驱动电路；其中，串联电池组、电压采样电路、控制器、开关驱动电路、续流单元SX、储能电感、开关网络依次顺序连接。

图1是基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路的原理图，包含1个储能电感，1个串联电池组，1个开关网络，1个续流单元SX，1个电压采样电路，1个控制器，1个开关驱动电路。

串联电池组由2N个锂离子电池串联组成，所有电池单体由右至左依次编号为B₁、B₂、B₃、……B_2N。2N个锂离子电池分为N个电池模块，每个电池模块包括两个锂离子电池单体。电池B₁、B₂构成电池模块P₁，电池B₃、B₄构成电池模块P₂，……，电池B_2N-1、B_2N构成电池模块P_N。

图2是开关网络的结构图。开关网络由N个单刀双掷开关和N个双向选通开关组成，单刀双掷开关依次编号为S₁、S₃、S₅、……S_2N-1，双向选通开关依次编号为S₂、S₄、S₆、……S_2N。单刀双掷开关S_2k-1由四个N沟道MOSFET组成，依次编号为Q_(2k-1)1、Q_(2k-1)2、Q_(2k-1)3、Q_(2k-1)4，其中Q_(2k-1)1的S极与Q_(2k-1)2的S极相连，Q_(2k-1)2的D极与Q_(2k-1)3的D级、Q_(2k-1)4的S极相连；双向选通开关S_2k由两个N沟道MOSFET组成，依次编号为Q_(2k)1、Q_(2k)2(k＝1、2、……N)，其中Q_(2k)1的S极与Q_(2k)2的S极相连。在2N节电池串联的情况下，开关网络只需使用3N个N沟道MOSFET，减小开关网络的体积与器件数量。

电池模块P_k与单刀双掷开关S_2k-1、双向选通开关S_2k组成一个均衡模块M_k，其中Q_(2k-1)1的D极为均衡模块M_k的端口a；Q_(2k-1)3的S极为端口b，与电池B_2k-1的负极相连；Q_(2k)2的D极为端口c；Q_(2k-1)4的D极为端口d，与电池B_2k的正极相连；Q_(2k)1的D极与电池B_2k-1的正极、电池B_2k的负极相连。均衡模块M_k的端口a与储能电感的1端相连，端口b与均衡模块M_k-1的端口d相连，端口c与储能电感的2端相连，端口d与均衡模块M_k+1的端口b相连(k＝1、2、……N)。

续流单元SX由两个MOSFET反向串联构成，分别编号为QX₁、QX₂，其中QX₁的S极与QX₂的S极相连。QX₁的D极和QX₂的D极分别与储能电感的1端和2端连接。续流单元保证了在开关网络的死区时间内电感电流维持不变，QX₁和QX₂不同时导通，电感电流在续流单元中只能单向流通，防止电池组在开关网络与续流单元同时导通时刻短路。

控制器用于实现电压采集和逻辑判断功能，输出PWM信号至驱动电路。控制器将来自电压采样电路的电压模拟信号转换为数字信号，根据电压数字信号判断需要充电与放电的电池编号，输出PWM信号至开关驱动电路，控制开关网络N个单刀双掷开关与N个双向选通开关的导通与关断，控制电池的充电与放电。

仅作为实例，图3是以4节电池为例的基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路的原理图。电池总数2N＝4，从右至左依次编号为B₁、B₂、B₃、B₄，其中B₁与B₂构成电池模块P₁，B₃与B₄构成电池模块P₂。电池模块P₁与单刀双掷开关S₁、双向选通开关S₂构成一个均衡模块M₁，电池模块P₁与单刀双掷开关S₁、双向选通开关S₂构成一个均衡模块M₂。均衡模块M₁的端口a与储能电感的1端相连，端口c与储能电感的2端相连，端口d与均衡模块M₂的端口b相连；均衡模块M₂的端口a与储能电感的1端相连，端口c与储能电感的2端相连。续流单元SX中QX₁的S极与QX₂的S极相连。QX₁的D极和QX₂的D极分别与储能电感的1端和2端连接。在4节电池的情况下，开关网络只需使用12个MOSFET。

仅作为实例，图4是本发明电池总数为4节时均衡过程的工作原理图。若电池B₁的端电压为所有单体最高，电池B₄的端电压为所有偶数号电池单体最低，电池B₁需要放电，电池B₄需要充电。在一个开关周期中，如图4(a)所示，先导通单刀双掷开关S₁中的Q₍₁₎₁、Q₍₁₎₂、Q₍₁₎₃与双向选通开关S₂中的Q₍₂₎₁、Q₍₂₎₂，电池B₁放电，储能电感充电；如图4(b)所示，随后导通续流单元SX中的QX₁，关断开关S₁与开关S₂，进入电感续流阶段；如图4(c)所示，随后导通单刀双掷开关S₃中的Q₍₃₎₁、Q₍₃₎₂与双向选通开关S₄中的Q₍₄₎₁、Q₍₄₎₂，关断QX₁，储能电感放电，电池B₄充电；一个开关周期结束时关断所有开关。

实施例二

一种基于单电感的新型锂离子电池Cell-to-Cell模块化均衡电路的控制方法，如图5所示，所述控制方法包含以下步骤：

S1、所述电压采样电路通过电压传感器采集各电池电压并将电压信息传入控制器；

S2、控制器对比所有电池单体电压，记录电压最高的电池单体编号为B_x，奇数号电池B₁、B₃、B₅、……B_2N-1中电压最低的电池单体编号为B_y，偶数号电池B₂、B₄、B₆、……B_2N中电压最低的电池单体编号为B_z；

S3、分别计算电池B_x与B_y和电池B_x与B_z的电压差，若电压差小于均衡阈值，则结束均衡，若电压差大于均衡阈值，则继续进行均衡；

S4、若x为奇数，则电池B_x放电，电池B_z充电；若x为偶数，则电池B_x放电，电池B_y充电；

该步骤S4中各电池充放电时开关序列为：

若x为奇数，在一个开关周期内，先导通单刀双掷开关S_x中的Q_(x)1、Q_(x)2、Q_(x)3与双向选通开关S_x+1中的Q_(x+1)1、Q_(x+1)2，电池B_x放电，储能电感充电；随后导通续流单元SX中的QX₁，关断开关S_x与开关S_x+1，进入电感续流阶段；随后导通单刀双掷开关S_z-1中的Q_(z-1)1、Q_(z-1)2与双向选通开关S_z中的Q_(z)1、Q_(z)2，关断QX₁，储能电感放电，电池B_z充电；一个开关周期结束时关断所有开关；

若x为偶数，在一个开关周期内，先导通单刀双掷开关S_x-1中的Q_(x-1)1、Q_(x-1)2、Q_(x-1)4与双向选通开关S_x中的Q_(x)1、Q_(x)2，电池B_x放电，储能电感充电；随后导通续流单元SX中的QX₂，关断开关S_x-1与开关S_x，进入电感续流阶段；随后导通单刀双掷开关S_y中的Q_(y)1、Q_(y)2与双向选通开关S_y+1中的Q_(y+1)1、Q_(y+1)2，关断QX₂，储能电感放电，电池B_y充电；一个开关周期结束时关断所有开关。

S5、均衡指定时间后，采集各电池电压，判断所有电池最大电压差是否小于均衡阈值，若最大电压差小于均衡阈值，则结束均衡，否则返回步骤S1。

其中，所述均衡电路可以实现任意奇数号电池B₁、B₃、B₅、……、B_2N-1与任意偶数号电池B₂、B₄、B₆、……B_2N之间的能量传输。

图6是本发明以4节电池为例进行均衡时的驱动信号和储能电感电流理论波形图。S_1r表示单刀双掷开关S₁置于右边，S_3l表示单刀双掷开关S₃置于左边。0～t₀时刻为电池B₁放电、电感充电阶段；t₀～t₁时刻为电感续流阶段；t₁～t_d时刻为电池B₄充电、电感放电阶段。T表示开关周期。i_L、i_B1、i_B4分别表示电感、电池B₁和电池B₄的电流，I_p表示电流峰值。在20kHz的开关频率下，开关周期为50μs，为保证电感工作在DCM模式，将电池放电阶段时长设置为20μs，电池充电阶段时长设置为30μs，即可使电感电流在电池充电阶段结束前降至0，依靠电池充电回路的二极管实现电流单向流通，在电感电流降至0后防止电池反向给电感充电。

图7是本发明以4节电池为例进行实物实验的波形图。PWM1表示电池放电、电感充电阶段对应的开关信号；PWM2表示电池充电、电感放电阶段的开关信号。从图中可以看出，在电池放电阶段，电感电流线性上升，在电池放电阶段结束时电流达到最大值；在电池充电阶段，电感电流线性下降，在充电阶段结束前，电感电流降至0。实现了电池能量从电量高的电池到电量低的电池的转移。在20kHz的开关频率下，电感电流峰值约为0.9A。

图8为本发明以4节串联电池组为例进行均衡实验的电池电压轨迹。各电池单体的初始电压分别为VB₁＝4.011V，VB₂＝4.006V，VB₃＝4.005V，VB₄＝3.928V，初始最大电压差ΔV＝0.083V；经过约65分钟的均衡，结束时刻各电池单体电压分别为VB₁＝3.982V，VB₂＝3.982V，VB₃＝3.980V，VB₄＝3.965V，最大电压差ΔV＝0.017V。最大电压差降低了0.066V。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。