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改进反激式开关电源的电池双向均衡系统
2018-09-17 18:53:39·
图3 电池放电脉冲
当电池1被判断为弱电池并采取“补偿弱电池”均衡方法时，MOS管M1和Q2的脉冲信号情况如图4所示。
图4 电池充电脉冲
2 均衡策略设计
如图5给出的控制策略的整体流程图，控制策略接收状态监测模块信息流中传来的电池性能参数的实时监测数据，控制策略模块以此为据判定电池组的性能情况，若判定需要进行均衡则给出均衡指令对电池组进行调控，直到电池组性能情况达到系统要求为止。因此，控制策略的功能在于两部分：第一，合理评价电池组的健康状态；第二，做出正确均衡指令。下面，将从如何实现这两部分功能介绍控制策略的整体设计。
图5 均衡系统整体工作流程图
控制策略制定的目标在于提供给信号执行模块具体的执行指令，以改变均衡电路运行方式，从而改善电池组的不一致性。而由于电池所处的状态不同，所选取的能代表单体电池均衡变量不同，并且均衡后应达到的状态需求也不同，故而，应针对电池组所处的三种不同的状态制定不同的均衡指令。
2.1 充电状态
电池组处于充电状态时，若某一节单体电池达到充电截止电压，则无论其它单体电池的容量如何，整个电池组都将会中断。因此，充电状态时电池组充电时间的长短及电池组的整体容量将由电池组中强电池决定。故充电状态时，均衡指令制定的目标在于控制强电池的充电电压与剩余容量，即需要采取“削弱强电池”的均衡方法。
本系统设计将充电电压Uin作为电池组充电状态时的均衡变量，因此，充电状态时均衡指令的制定也将基于各单体电池的充电电压，均衡的起止决定于组内各单体充电电压的极差值rset。
根据5的流程图，均衡策略模块首先接收来自状态监测模块信息流中各电池的充电电压值V1、V2…Vn（n为样本容量，即电池组内的电池数量），计算其极差值r，当极差值超过所设定的界限值时，即r＞rset时开始“削弱强电池”均衡方法的指令制定：另充电电压最高的电池所在回路中的主控MOS管的控制端口通入PWM控制信号，并使转换器初级回路中的辅控MOS管的控制端口通入与其相反的PWM控制信号，使两个MOS管的开关管交替闭合与断开，从而使充电电压最高的单体电池释放电能分给整个电池组，直到此单体电池的充电电压与电池组中最小充电电压的差值不高于界限值时，则完成了一次均衡。而后，均衡策略模块重新对电池组健康状况进行分析评价，决定是否开始制定均衡指令，进行下一次的均衡。这样，经过多次均衡，将会有效调控电池组中出现的最大充电电压，延长充电时间并增加电池组充入的总能量，从而提高充电效率。
基于以上分析，在充电状态时，控制策略模块的具体工作流程如图6所示。
图6 充电状态下控制策略模块工作流程
2.2 放电状态
电池组放电状态时，采用放电电压Uout作为均衡变量，状态监测模块信息流中提供的是各电池的放电电压值V1、V2…Vn（n为样本容量，即电池组内的电池数量），同样以放电电压的极差值r＞rset作为开始均衡指令指定的标志。
但不同的是，电池组处于放电状态时，电池组放电时间的终止将由电池组中弱电池决定，故充电状态时，均衡指令制定的目标在于控制弱电池的放电电压与剩余容量，即需要采取“补偿弱电池”的均衡方法。“补偿电池”均衡方法的指令制定：另转换器初级回路中的主控MOS管的控制端口通入PWM控制信号，放电电压最高的电池所在回路中的辅控MOS管的控制端口通入与初级回路中相反的PWM控制信号，使两个MOS管的开关管交替闭合与断开，从而使整个电池组释放电能补偿给弱电池，直到此单体电池的放电电压与电池组中最大充电电压的差值不高于界限值时，则完成了一次均衡。而后，均衡策略模块重新进行均衡判断和新一轮均衡，多次均衡后，将会有效调控电池组中出现的最小放电电压，延长电池使用时间。因此，放电状态下控制策略模块的工作流程如图7所示。
图7 放电状态下控制策略模块工作流程
2.3 搁置状态
电池组处于搁置状态下与放电状态下的均衡控制模块工作流程与工作需求类似。搁置状态下，同样以采样电压的极差值r＞rset作为开始均衡指令指定的标志，同样以控制弱电池（电压最低、剩余容量最少）的放电电压与剩余容量作为均衡指令制定的目标，即同样采取“补偿弱电池”的均衡方法。不同的是，电池搁置状态下的均衡变量采用开路电压Uoc，因此状态监测模块信息流中提供的是各电池的开路电压值。
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