[发明专利]基于LCL谐振变换的Adjacent-Cell-to-Cell均衡电路及实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于LCL谐振变换的Adjacent-Cell-to-Cell均衡电路及实现方法。

背景技术

全球正面临着前所未有的能源和环境危机，备受世界关注。然而，机遇与挑战往往并存。以可再生能源与互联网结合为特征的能源互联网将催生第三次工业革命。作为第三次工业革命的五大支柱之一，电动汽车以节能、环保而广受人们的欢迎，已成为未来汽车发展的必然趋势。锂离子电池因其能量密度高、自放电率低和没有记忆效应，作为动力源广泛应用在电动汽车和混合电动汽车中。在实际应用中，为了获得较高的电压等级，电池组多以串联形式使用。然而，串联锂电池组带来了一个严峻问题：由于制作工艺的限制，电池组中电池单体的容量和内阻存在微小差异，在电池组使用一段时间后，这种微小差异会导致电池单体电压和SOC的不平衡，极大地减小了电池组的可用容量和循环寿命。因此，电池均衡就显得十分必要。显而易见，作为电池管理系统的关键技术之一，串联电池组的有效均衡已经成为一个研究热点。目前，均衡主要分为耗散均衡、非耗散均衡和电池选择三大类。

耗散均衡是通过给电池组中每个单体电池并联一个电阻进行放电分流，从而实现均衡。这种电路结构简单，只将电压高的单体电池的能量消耗，存在能量浪费和热管理的问题。

非耗散均衡电路的耗能比耗散均衡要小，但电路结构相对复杂，可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种。能量转换式均衡是通过开关信号，由锂离子电池组整体向单体电池进行补充，或者由单体电池向电池组通过同轴线圈进行能量转换。从成本和均衡效率考虑，能量转换式可应用于中小功率场合，但不适合大电池组。能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件，把锂离子电池组中容量高的单体电池中的能量转移到容量比较低的电池单体上。该电路通过切换电容开关，由电容传递相邻电池的能量，将电荷从电压高的电池单体传送到电压低的电池单体上，从而达到均衡的目的。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。

电池选择均衡是指通过实验选择性能一致的电池单体构建电池组，一般有两步筛选过程。第一步，在不同的放电电流下，选择电池平均容量相近的电池单体；第二步，在第一步筛选的电池单体中，通过脉冲充、放电实验在不同SOC下选择具有相近电池电压变化量的电池单体。由于电池单体的自放电率不尽相同，电池选择均衡在电池整个生命周期内不足以保持电池组一直均衡。它只能作为其他均衡方法的一种补充均衡方法。

传统均衡方法不适合锂离子电池的主要原因如下：

(1)锂离子电池的开路电压在SOC为20％-80％之间时较为平坦，即使SOC相差很大，其对应的电压差也很小，因此传统均衡电路的均衡电流很小。

(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。

中国发明专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池单体给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池单体充电。经过电容的充、放电，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而实现电池组电压均衡。但是该方法开关损耗大、效率低、均衡电流小，且不能实现零电压差均衡。

发明内容

本发明为了解决上述问题，公开了一种基于LCL谐振变换的Adjacent-Cell-to-Cell均衡电路及实现方法，均衡电路包括微控制器、若干个LCL谐振变换模块和电池单体，其中，每两个相邻的电池单体共用一个LCL谐振变换模块，每个LCL谐振变换模块与电池单体连接微控制器；微控制器根据相邻的两个电池单体的高电压者和低电压者，将一对状态互补的PWM信号发送给LCL谐振变换的相应MOS管，使其交替工作在充电和放电状态，从而实现能量从电压高的电池单体传递给电压低的电池单体，当PWM的频率等于LCL的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡。本发明的均衡电路效率高、均衡电流大且控制简单，并且克服了传统Cell-to-Cell均衡电路开关损耗大且不能实现零电压差均衡的难题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于LCL谐振变换的Adjacent-Cell-to-Cell均衡电路，包括微控制器、若干个LCL谐振变换模块和电池单体，其中，每两个相邻的电池单体共用一个LCL谐振变换模块，每个LCL谐振变换模块与电池单体连接微控制器；