本發(fā)明涉及電力電子控制，特別是涉及一種電池組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、由于鋰電池在大量生產(chǎn)時(shí)的品質(zhì)不易掌握，出廠時(shí)電池單體間會不可避免的存在不一致性，尤其是當(dāng)電池單體串聯(lián)成組使用時(shí)，不一致性會被進(jìn)一步放大，導(dǎo)致電池組可用容量下降、壽命加速衰減、安全性降低，嚴(yán)重影響電池能量的安全高效利用。由此，實(shí)施電池組均衡是改善這種不一致性的重要手段。

2、目前，電池管理系統(tǒng)普遍采用被動均衡方法，即將電池單體通過均衡電阻放電，存在能量浪費(fèi)、速度慢等問題。采用主動均衡方法可以解決以上問題。

3、在相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)中，專利cn2019105611377公開一種基于反激變換器的均衡電路，但電路中開關(guān)管數(shù)量眾多，且每節(jié)電池均需配備一個(gè)變壓器繞組，存在結(jié)構(gòu)龐雜、成本高、控制困難等問題。

4、專利cn2020112091331基于半橋結(jié)構(gòu)和陷波器實(shí)現(xiàn)電池均衡，顯著減少開關(guān)管數(shù)量，但仍存在與電池單體一一對應(yīng)的變壓器繞組，其體積、成本、均衡效率有待考量。

5、另外，現(xiàn)有主動均衡大多均衡模式單一，無法根據(jù)電池組電壓分布調(diào)整均衡模式，導(dǎo)致靈活性差、速度慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種電池組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，電池單體共享開關(guān)陣列，相鄰電池單體充放電過程實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的雙向勵(lì)磁，在顯著降低成本的同時(shí)提高均衡效率，同時(shí)自動識別電池組電壓分布，自適應(yīng)切換放電均衡、充電均衡和自動均衡工作模式，從而提高均衡速度和靈活性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種電池組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括：

4、電池組，包括n個(gè)電池單體，n為大于1的正整數(shù)；

5、變壓器，所述變壓器的原邊依次通過第一開關(guān)管組件和開關(guān)陣列連接到每個(gè)電池單體，副邊通過第二開關(guān)管組件連接電池組；

6、開關(guān)陣列，包括n+1組開關(guān)管組件，每個(gè)電池單體的正負(fù)極分別通過一個(gè)開關(guān)管組件連接到變壓器的原邊，且相鄰電池單體間共享一組開關(guān)管組件；

7、監(jiān)控電路，用于采集電池單體電壓；

8、控制單元，獲取電池單體電壓，被配置為：

9、對電池單體電壓進(jìn)行聚類，以同一類的電池單體電壓為一簇，根據(jù)各簇中的電壓數(shù)和電壓均值得到簇-個(gè)體數(shù)-均值矩陣，對簇-個(gè)體數(shù)-均值矩陣確定最大電壓均值所在簇中的第一電壓數(shù)和最小電壓均值所在簇中的第二電壓數(shù)；

10、若簇個(gè)數(shù)為1或第一電壓數(shù)與第二電壓數(shù)相等，則對最小電池單體電壓和最大電池單體電壓所對應(yīng)的電池單體進(jìn)行輪循充電和放電；

11、否則，若第一電壓數(shù)大于第二電壓數(shù)，則對最小電池單體電壓所對應(yīng)的電池單體充電，若第一電壓數(shù)小于第二電壓數(shù)，則對最大電池單體電壓所對應(yīng)的電池單體放電。

12、作為可選擇的實(shí)施方式，所述開關(guān)陣列中每組開關(guān)管組件包括兩個(gè)反向串聯(lián)的開關(guān)管；

13、所述第一開關(guān)管組件包括兩個(gè)反向串聯(lián)的開關(guān)管，第一開關(guān)管連接奇數(shù)電池單體的正極以及偶數(shù)電池單體的負(fù)極；

14、所述第二開關(guān)管組件包括四組開關(guān)管組件，變壓器的副邊的兩端均通過一組開關(guān)管組件連接到電池組的正極，變壓器的副邊的兩端均通過一組開關(guān)管組件連接到電池組的負(fù)極。

15、作為可選擇的實(shí)施方式，對電池單體電壓進(jìn)行聚類的過程包括：設(shè)定電壓距離，將電壓差小于或等于電壓距離的電池單體聚為一類。

16、作為可選擇的實(shí)施方式，電池單體放電過程包括三種模態(tài)，具體為：

17、模態(tài)i：導(dǎo)通電池單體與變壓器的原邊連接的開關(guān)管組件和第一開關(guān)管組件，關(guān)斷第二開關(guān)管組件；奇數(shù)電池單體放電時(shí)，奇數(shù)電池單體給變壓器的原邊線圈充電，磁通量正向增大，原邊線圈產(chǎn)生正電勢；偶數(shù)電池單體放電時(shí)，偶數(shù)電池單體給原邊線圈充電，磁通量負(fù)向增大，原邊線圈產(chǎn)生負(fù)電勢；電池單體放電電流從零開始增大；

18、模態(tài)ii：導(dǎo)通第二開關(guān)管組件中，副邊兩端分別連接電池組正負(fù)極的一組開關(guān)管，其余開關(guān)管關(guān)斷；模態(tài)i切換至模態(tài)ii的瞬間在副邊線圈產(chǎn)生正電動勢，原邊線圈的電流通過副邊線圈續(xù)流，電流由副邊線圈流向電池組，電池組充電電流最大值開始減小，經(jīng)過時(shí)間間隔減小到零；

19、模態(tài)iii：開關(guān)管狀態(tài)與模態(tài)ii相同，直至電池組充電電流下降到零后，處于靜置狀態(tài)。

20、作為可選擇的實(shí)施方式，時(shí)間間隔為：

21、；

22、其中， ls是副邊線圈的勵(lì)磁電感； vpack為電池組兩端電壓， rs是副邊線圈側(cè)的等效電阻， is為原邊線圈折射到副邊線圈的初始電流；

23、在一個(gè)均衡周期內(nèi)，變壓器副邊線圈側(cè)的導(dǎo)通時(shí)間范圍設(shè)定為1.05-1.25。

24、作為可選擇的實(shí)施方式，模態(tài)i中，t時(shí)刻的電池單體放電電流為：

25、；

26、模態(tài)ii中，t時(shí)刻的電池組充電電流為：

27、；

28、其中， vb1為電池單體兩端電壓， rp是原邊線圈側(cè)的等效電阻； lp是原邊線圈的勵(lì)磁電感； vpack為電池組兩端電壓， rs是副邊線圈側(cè)的等效電阻， is為原邊線圈折射到副邊線圈的初始電流； ls是副邊線圈的勵(lì)磁電感。

29、作為可選擇的實(shí)施方式，電池單體充電過程包括三種模態(tài)，具體為：

30、模態(tài)i：導(dǎo)通第二開關(guān)管組件中，副邊兩端分別連接電池組正負(fù)極的一組開關(guān)管，其余開關(guān)管關(guān)斷；奇數(shù)電池單體充電時(shí)，電池組給變壓器的副邊線圈充電，磁通量正向增大，副邊線圈產(chǎn)生正電動勢；偶數(shù)電池單體充電時(shí)，副邊線圈磁通量為負(fù)；電池組放電電流從零開始增大；

31、模態(tài)ii：導(dǎo)通電池單體與變壓器的原邊連接的開關(guān)管組件和第一開關(guān)管組件，其余開關(guān)管關(guān)斷；模態(tài)i切換至模態(tài)ii的瞬間在原邊線圈產(chǎn)生正電動勢，副邊線圈的電流通過原邊線圈續(xù)流，電流由原邊線圈流向電池單體，電池單體充電電流最大值開始減小，經(jīng)過時(shí)間間隔減小到零；

32、模態(tài)iii：開關(guān)管狀態(tài)與模態(tài)ii相同，直至電池單體充電電流下降到零后，處于靜置狀態(tài)。

33、作為可選擇的實(shí)施方式，時(shí)間間隔為：

34、；

35、其中， ip為副邊線圈折射到原邊線圈的初始電流， rp是原邊線圈側(cè)的等效電阻， lp是原邊線圈的勵(lì)磁電感， vb1為電池單體兩端電壓；

36、在一個(gè)均衡周期內(nèi)，變壓器副邊線圈側(cè)的導(dǎo)通時(shí)間范圍設(shè)定為1.05-1.25。

37、作為可選擇的實(shí)施方式，模態(tài)i中，t時(shí)刻的電池組放電電流為：

38、；

39、模態(tài)ii中，t時(shí)刻的電池單體充電電流為：

40、；

41、其中， vpack為電池組兩端電壓， rs是副邊線圈側(cè)的等效電阻； ls是副邊線圈的勵(lì)磁電感； ip為副邊線圈折射到原邊線圈的初始電流， rp是原邊線圈側(cè)的等效電阻， lp是原邊線圈的勵(lì)磁電感， vb1為電池單體兩端電壓。

42、第二方面，本發(fā)明提供一種如第一方面所述的電池組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，包括：

43、采集電池單體電壓；

44、對電池單體電壓進(jìn)行聚類，以同一類的電池單體電壓為一簇，根據(jù)各簇中的電壓數(shù)和電壓均值得到簇-個(gè)體數(shù)-均值矩陣；

45、對簇-個(gè)體數(shù)-均值矩陣確定最大電壓均值所在簇中的第一電壓數(shù)和最小電壓均值所在簇中的第二電壓數(shù)；

46、若簇個(gè)數(shù)為1或第一電壓數(shù)與第二電壓數(shù)相等，則對最小電池單體電壓和最大電池單體電壓所對應(yīng)的電池單體進(jìn)行輪循充電和放電；

47、否則，若第一電壓數(shù)大于第二電壓數(shù)，則對最小電池單體電壓所對應(yīng)的電池單體充電，若第一電壓數(shù)小于第二電壓數(shù)，則對最大電池單體電壓所對應(yīng)的電池單體放電。

48、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

49、本發(fā)明提出一種電池組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，電池單體共享開關(guān)陣列，電池單體和變壓器之間通過開關(guān)陣列連接，那么當(dāng)電池組單體的數(shù)量增加時(shí)，無需增加額外的變壓器繞組；同時(shí)，相鄰電池單體之間共享一組反向串聯(lián)的開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管共享，減少傳統(tǒng)雙向反激變換中約50%的開關(guān)器件數(shù)量；對于 n個(gè)電池單體構(gòu)成的電池組，電池組均衡拓?fù)渲恍瑁? n+12）個(gè)開關(guān)管和一個(gè)變壓器繞組，顯著減少器件數(shù)量，不僅降低均衡拓?fù)潴w積、提高均衡效率，還大幅降低器件總失效概率，從而提高拓?fù)浞€(wěn)定性和可靠性。

50、本發(fā)明提出一種電池組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，奇數(shù)電池單體放電時(shí)，變壓器初級側(cè)磁通量為正，偶數(shù)電池單體放電時(shí)，變壓器初級側(cè)磁通量為負(fù)；奇數(shù)電池單體充電時(shí)，變壓器初級側(cè)磁通量為正，偶數(shù)電池單體充電時(shí)，變壓器初級側(cè)磁通量為負(fù)。由此相鄰電池單體的放電過程和充電過程均實(shí)現(xiàn)了變壓器磁芯的雙向勵(lì)磁，對于任意規(guī)模的電池組都只需一個(gè)單繞組反激式變壓器即可完成所有電池單體的放電和充電，顯著降低成本的同時(shí)提高了均衡效率。

51、本發(fā)明提出一種電池組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，通過對電池單體電壓進(jìn)行聚類以及簇劃分，得到簇-個(gè)體數(shù)-均值矩陣，對簇-個(gè)體數(shù)-均值矩陣確定最大電壓均值所在簇中的第一電壓數(shù)和最小電壓均值所在簇中的第二電壓數(shù)；根據(jù)簇個(gè)數(shù)以及第一電壓數(shù)與第二電壓數(shù)的比較結(jié)果，自動識別電池組電壓分布，進(jìn)而自適應(yīng)切換放電均衡、充電均衡和自動均衡三種工作模式，從而提高均衡速度和靈活性。

52、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。