本發(fā)明涉及電池組管理，具體為一種鋰電池組充電均衡電路。
背景技術(shù)：
1、鋰離子電池作為電網(wǎng)、電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心儲(chǔ)能載體，在制造階段因生產(chǎn)工藝不一致與原材料分布不均，導(dǎo)致單體電池在初始容量、內(nèi)阻及自放電率等關(guān)鍵參數(shù)上存在固有偏差。隨著循環(huán)使用時(shí)間的增加，此類初始偏差在溫度波動(dòng)等外部工況影響下呈指數(shù)級(jí)放大，進(jìn)一步加劇電池組內(nèi)部能量狀態(tài)的分化，最終引發(fā)“短板效應(yīng)”——即單體電池的過(guò)充電或過(guò)放電現(xiàn)象。這不僅顯著降低電池組的整體可用容量與循環(huán)壽命，更可能因局部熱失控導(dǎo)致電池膨脹、電解液泄漏甚至熱蔓延爆炸等嚴(yán)重安全隱患；
2、由于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常包含大量單體電池，且具有復(fù)雜的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一旦均衡功能失效將導(dǎo)致電池組容量快速衰減，后期因一致性惡化而產(chǎn)生的電池更換成本將顯著增加。特別是在極端溫度工況下，電池內(nèi)阻和極化電壓的差異性進(jìn)一步擴(kuò)大，這不僅加劇了系統(tǒng)的均衡需求，同時(shí)對(duì)均衡電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、控制精度以及熱管理設(shè)計(jì)提出了更為嚴(yán)苛的要求，工程中常見的電池均衡技術(shù)主要分為兩種分別是被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。
3、現(xiàn)有不同電池單體之間存在不一致性問(wèn)題，會(huì)降低電池組容量利用率，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)充過(guò)放，加速電池老化，危及電池系統(tǒng)的安全，被動(dòng)均衡會(huì)導(dǎo)致電池能量損耗大，且因散熱處理不當(dāng)而引起的高溫環(huán)境會(huì)損壞電池性能；因此，不滿足現(xiàn)有的需求，對(duì)此我們提出了一種鋰電池組充電均衡電路。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種鋰電池組充電均衡電路，以解決上述背景技術(shù)中提出現(xiàn)有不同電池單體之間存在不一致性問(wèn)題，會(huì)降低電池組容量利用率，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)充過(guò)放，加速電池老化，危及電池系統(tǒng)的安全，被動(dòng)均衡會(huì)導(dǎo)致電池能量損耗大，且因散熱處理不當(dāng)而引起的高溫環(huán)境會(huì)損壞電池性能的問(wèn)題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種鋰電池組充電均衡電路，包括基本zeta變換器、n-1個(gè)級(jí)間電容cvb、n-1個(gè)輸出擴(kuò)展單元和n個(gè)鋰離子電池，所述基本zeta變換器包括電感l(wèi)1、電感l(wèi)in、電容c1、電容ci1、開關(guān)s1和二極管d1；
3、每個(gè)所述輸出擴(kuò)展單元均由電感l(wèi)2、電容c2、電容ci2和二極管d2組成，n-1個(gè)所述級(jí)間電容cvb和輸出擴(kuò)展單元一一對(duì)應(yīng)安裝，其中一個(gè)所述級(jí)間電容cvb的兩端分別與電容ci1和電容ci2連接，剩余n個(gè)所述級(jí)間電容cvb的兩端均與相鄰兩個(gè)輸出擴(kuò)展單元中的電容ci2連接；
4、n個(gè)所述鋰離子電池與電容c1和n-1個(gè)電容c2一一對(duì)應(yīng)安裝，其中一個(gè)所述鋰離子電池的正極和負(fù)極分別與電容c1的兩端連接，剩余n-1個(gè)所述鋰離子電池的正極和負(fù)極分別與n-1個(gè)電容c2的兩端連接，每相鄰兩個(gè)所述鋰離子電池的負(fù)極均與正極連接，n個(gè)所述鋰離子電池之間串聯(lián)。
5、優(yōu)選的，所述開關(guān)s1的柵極連接有控制器，所述開關(guān)s1的柵極占空比在0至1之間浮動(dòng)，所述開關(guān)s1漏極連接有直流輸入源uin正極，所述開關(guān)s1源極分別與電感l(wèi)in和電容ci1連接，所述電容ci1遠(yuǎn)離開關(guān)s1源極的一端分別與二極管d1陰極和電感l(wèi)1連接，所述電感l(wèi)1的一端與電容c1連接，所述電容c1遠(yuǎn)離電感l(wèi)1的一端分別與二極管d1陽(yáng)極、電感l(wèi)in和直流輸入源uin陰極連接。
6、優(yōu)選的，所述電容ci2的一端分別與二極管d2陰極和電感l(wèi)2連接，所述電感l(wèi)2的一端與電容c2連接，所述電容c2遠(yuǎn)離電感l(wèi)2的一端與二極管d2陽(yáng)極連接。
7、優(yōu)選的，當(dāng)n為4時(shí)，所述開關(guān)s1處于閉合狀態(tài)，所述電感l(wèi)in通過(guò)直流輸入源uin正極進(jìn)行充電，所述二極管d1和三個(gè)二極管d2承受反向電壓截止，所述直流輸入源uin通過(guò)直流輸入源uin、級(jí)間電容cvb、電容ci2和電感l(wèi)2組成的回路向其中一個(gè)級(jí)間電容cvb充電，另外兩個(gè)所述級(jí)間電容cvb通過(guò)電源進(jìn)行充電，四個(gè)所述鋰離子電池構(gòu)成鋰離子電池組。
8、優(yōu)選的，當(dāng)n為4時(shí)，所述開關(guān)s1處于斷開狀態(tài)，所述二極管d1和三個(gè)二極管d2導(dǎo)通，其中一個(gè)所述級(jí)間電容cvb通過(guò)級(jí)間電容cvb、電感l(wèi)in、電感l(wèi)2和電容ci2組成的回路進(jìn)行放電，兩個(gè)所述級(jí)間電容cvb均處于放電狀態(tài)。
9、優(yōu)選的，所述鋰離子電池組中的其中一個(gè)鋰離子電池soc高于平均值時(shí)初始電壓ub1＞ub2，開關(guān)s1處于斷開狀態(tài)時(shí)，所述二極管d1通過(guò)其中一個(gè)級(jí)間電容cvb處于未導(dǎo)通狀態(tài)并保持級(jí)間電容cvb放電，所述級(jí)間電容cvb的電壓ucvb上升至與輸出電壓ub相等時(shí)二極管d1進(jìn)行導(dǎo)通。
10、優(yōu)選的，所述級(jí)間電容cvb電壓紋波與均衡偏差關(guān)系為：
11、
12、其中δu為相鄰電池單元的電壓偏差，δvpp為級(jí)間電容cvb電壓紋波的峰值，vpeak為開關(guān)s1斷開階段級(jí)間電容cvb的峰值電壓，vavg為級(jí)間電容cvb的電壓平均值；
13、所述電容容值與紋波關(guān)系為：
14、
15、其中icharge為充電電流，toff為開關(guān)斷開時(shí)間，cvb為級(jí)間電容cvb的容值；
16、所述輸出電容c1的容值范圍處于100μf至1000μf內(nèi)時(shí)輸出電壓紋波滿足δvout＜0.02v。
17、優(yōu)選的，所述電容電壓紋波δuvb和級(jí)間電容cvb的關(guān)系為：
18、
19、所述電壓偏差δu為：
20、
21、三個(gè)所述級(jí)間電容cvb的容值范圍處于220μf至1000μf之間時(shí)電壓紋波峰峰值δvpp≤0.04v，四個(gè)所述鋰離子電池的電壓偏差δu≤0.02v。
22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
23、1、本發(fā)明通過(guò)固定占空比同相位控制策略，僅需低成本mcu驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路成本降低，級(jí)間電容直接復(fù)用zeta變換器拓?fù)渲械膬?chǔ)能電容，無(wú)需額外增加多個(gè)電感，物料清單成本減少，顯著優(yōu)化硬件成本與復(fù)雜度；
24、2、本發(fā)明通過(guò)單開關(guān)架構(gòu)規(guī)避了多開關(guān)時(shí)序沖突及器件失效風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)可靠性顯著提升；每擴(kuò)展一節(jié)電池僅需新增一個(gè)輸出擴(kuò)展單元和一個(gè)級(jí)間電容，硬件復(fù)雜度呈線性增長(zhǎng)，且級(jí)間電容通過(guò)電荷共享自動(dòng)均衡相鄰電池能量，無(wú)需閉環(huán)控制，支持新舊電池或不同容量電池混用，動(dòng)態(tài)電荷分配機(jī)制使soc均衡速度有效提升30％，適應(yīng)電池老化及不一致性場(chǎng)景。
1.一種鋰電池組充電均衡電路，包括基本zeta變換器、n-1個(gè)級(jí)間電容cvb、n-1個(gè)輸出擴(kuò)展單元和n個(gè)鋰離子電池，其特征在于：所述基本zeta變換器包括電感l(wèi)1、電感l(wèi)in、電容c1、電容ci1、開關(guān)s1和二極管d1；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰電池組充電均衡電路，其特征在于：所述開關(guān)s1的柵極連接有控制器，所述開關(guān)s1的柵極占空比在0至1之間浮動(dòng)，所述開關(guān)s1漏極連接有直流輸入源uin正極，所述開關(guān)s1源極分別與電感l(wèi)in和電容ci1連接，所述電容ci1遠(yuǎn)離開關(guān)s1源極的一端分別與二極管d1陰極和電感l(wèi)1連接，所述電感l(wèi)1的一端與電容c1連接，所述電容c1遠(yuǎn)離電感l(wèi)1的一端分別與二極管d1陽(yáng)極、電感l(wèi)in和直流輸入源uin陰極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰電池組充電均衡電路，其特征在于：所述電容ci2的一端分別與二極管d2陰極和電感l(wèi)2連接，所述電感l(wèi)2的一端與電容c2連接，所述電容c2遠(yuǎn)離電感l(wèi)2的一端與二極管d2陽(yáng)極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鋰電池組充電均衡電路，其特征在于：當(dāng)n為4時(shí)，所述開關(guān)s1處于閉合狀態(tài)，所述電感l(wèi)in通過(guò)直流輸入源uin正極進(jìn)行充電，所述二極管d1和三個(gè)二極管d2承受反向電壓截止，所述直流輸入源uin通過(guò)直流輸入源uin、級(jí)間電容cvb、電容ci2和電感l(wèi)2組成的回路向其中一個(gè)級(jí)間電容cvb充電，另外兩個(gè)所述級(jí)間電容cvb通過(guò)電源進(jìn)行充電，四個(gè)所述鋰離子電池構(gòu)成鋰離子電池組。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鋰電池組充電均衡電路，其特征在于：當(dāng)n為4時(shí)，所述開關(guān)s1處于斷開狀態(tài)，所述二極管d1和三個(gè)二極管d2導(dǎo)通，其中一個(gè)所述級(jí)間電容cvb通過(guò)級(jí)間電容cvb、電感l(wèi)in、電感l(wèi)2和電容ci2組成的回路進(jìn)行放電，兩個(gè)所述級(jí)間電容cvb均處于放電狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種鋰電池組充電均衡電路，其特征在于：所述鋰離子電池組中的其中一個(gè)鋰離子電池soc高于平均值時(shí)初始電壓ub1＞ub2，開關(guān)s1處于斷開狀態(tài)時(shí)，所述二極管d1通過(guò)其中一個(gè)級(jí)間電容cvb處于未導(dǎo)通狀態(tài)并保持級(jí)間電容cvb放電，所述級(jí)間電容cvb的電壓ucvb上升至與輸出電壓ub相等時(shí)二極管d1進(jìn)行導(dǎo)通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鋰電池組充電均衡電路，其特征在于：所述級(jí)間電容cvb電壓紋波與均衡偏差關(guān)系為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種鋰電池組充電均衡電路，其特征在于：所述電容電壓紋波δuvb和級(jí)間電容cvb的關(guān)系為：