一种电池主动均衡系统及其通信方法

1.本发明属于电力电子及电池均衡技术领域，具体涉及一种电池主动均衡系统及其通信方法。


背景技术：

2.在面临世界性能源危机的当下，电能作为清洁二次能源，具有低碳、零排放的优点。电池作为电能的主要储存载体，应用前景广阔；由于单节电池能够提供的功率和电压有限，往往将多节电池串联成电池组进行使用。然而，受生产制造或工作环境影响，在某个时刻电池的容量以及剩余电量不一致，导致电池组内存在无法充满电和能量用不完的电池，使电池组整体容量减小；电池均衡电路可以利用电感、电容等元件的储能特性，实现对电池能量的控制，进而提升电池组整体容量和使用寿命。
3.通信是电池主动均衡系统中实现电池均衡的基础，通过将电池组内电池的状态(如电压、soc等)上传至控制模块，再将均衡方案传输至每个均衡单元，进而实现电池组整体的能量均衡。
4.常用的通信技术有rs485、can等，公开号为cn217656458u的中国专利申请即提出了一种采用rs485通信的微型多节蓄电池管理模块，可以对电池组进行均衡和状态管理，并将电池组状态进行直观展示；但rs485通信需要独立的通信线和信号调制电路，设备体积较大。
5.电力电子电路中具有高频开关纹波，将其作为载波进行调制，可以实现不需要额外通信线和信号调制电路的通信，文献[k.liu,k.chen,j.chen,l.li,j.wu and x.he,"smart distributed equalizer for series-connected battery strings based on power and signal dual modulation,"2022ieee international power electronics and application conference and exposition(peac),guangzhou,guangdong,china,2022,pp.139-143]提出了一种基于功率信息融合调控技术的分布式电池均衡系统，但能量均衡与通信局限于串联的相邻电池间，能量均衡速度较慢，通信效率较低。


技术实现要素：

[0006]
鉴于上述，本发明提供了一种电池主动均衡系统及其通信方法，在电池均衡的同时进行数据的传输，实现功率与信息的同步传输。
[0007]
一种电池主动均衡系统，包括多个均衡单元，所述均衡单元包括一个电池、一个双向dc/dc变换器和一个能量储蓄单元，双向dc/dc变换器的一侧连接电池，另一侧连接能量储蓄单元，各均衡单元通过电池串联后连接至负载两端；所述双向dc/dc变换器用于实现电池与能量储蓄单元之间的能量转移，通过对某一个双向dc/dc变换器进行功率信息融合调控，可实现信息从该双向dc/dc变换器所在均衡单元发送至其他均衡单元，接收信息的均衡单元则通过检测单元内部电池电压或电流实现数据的接收。
[0008]
进一步地，所述电池主动均衡系统中每个均衡单元在任意时刻均可利用能量储蓄
单元对电池充放电，并通过控制双向dc/dc变换器对能量传输速度及方向进行控制，实现系统内部各电池间的能量均衡。
[0009]
本发明中通过对一个变换器进行功率信息融合调控，电池的带有数字信息的电压或电流纹波会传递到系统中其它均衡单元的电池中，从而实现信息从一个均衡单元到其它均衡单元的发送；接收信息的均衡单元通过对单元内部电池的电压或电流进行检测与解调，可以得到信息，实现数据的接收。值得注意的是，任意时刻可以有多个均衡单元发送数据，也可以有多个均衡单元接收数据，但任一均衡单元不能同时发送和接收数据。
[0010]
进一步地，所述双向dc/dc变换器可采用包括buck、boost、buck/boost、cllc(charge linked current limiting load)在内的电路拓扑结构，所述能量储蓄单元可采用超级电容或蓄电池。
[0011]
进一步地，每个均衡单元通过检测单元内部电池的电压电流以及能量储蓄单元的电压，从而对电池和能量储蓄单元的电量进行估计；系统则统筹全部电池的电量并计算出各均衡单元电池的目标电量，若电池电量低于或高于目标电量一定值时，则开启均衡模式即通过调节双向dc/dc变换器开关器件的pwm驱动信号控制能量转移的速度和方向，利用能量储蓄单元对电池进行充放电，实现系统内部各电池间的能量均衡，提升电池组整体容量和使用寿命。一般情况下，能量储蓄单元的电量小于电池电量，由电池进行充电；若一个均衡单元内电池电量低，而能量储蓄单元的电量低于一定值，不足以给电池充电，则该均衡单元停止均衡，直到外部给电池充电，同时给能量储蓄单元充电。
[0012]
上述电池主动均衡系统的通信方法，具体地：将数字信息调制到双向dc/dc变换器开关器件的pwm驱动信号中，不同频率、占空比和相位的pwm驱动信号控制开关器件的导通与关断，并在电池的端电压上产生对应频率、幅值和相位的高频开关纹波，利用该纹波可实现数字信息传输。
[0013]
进一步地，对数字信息调制可采用功率载波调制方法或功率调制波调制方法；在功率载波调制过程中，数字信息被直接调制到功率载波上，功率载波与功率调制波比较后得到pwm信号，从而实现pwm信号频率或相位的数字调制；在功率调制波调制过程中，数字信息被调制到独立载波上，进而将独立载波叠加到功率调制波上，叠加后的功率调制波与功率载波比较后得到pwm信号，从而实现pwm信号占空比的数字调制。
[0014]
进一步地，所述独立载波的频率fd与功率载波的频率f
p
满足独立载波的幅度积分平均值为零。
[0015]
进一步地，所述将数字信息调制到功率载波上，具体实现可采用fsk(frequency shift keying，频移键控)、psk(phase shift keying，相移键控)或fh-dpsk(frequency hopping-differential phase shift keying跳频差分相移键控)的数字调制技术；将数字信息调制到独立载波上，具体实现可采用fsk、psk或ask(amplitude shift keying，幅移键控)的数字调制技术。
[0016]
本发明电池主动均衡系统及其通信方法能够在系统中实现每节电池的独立均衡，并且在保持电池能量均衡的同时进行数据的收发，不仅省去额外的通信线和信号调制电路，简化电路结构，促进设备小型化，而且可实现任意两个主动均衡单元间的通信，具有通讯成本低、设备体积小、通信效率高的特点。相对现有技术，本发明具有以下有益技术效果：
[0017]
1.本发明可以使电池均衡系统实现系统内任意两个均衡单元间的高速率数字通信。
[0018]
2.本发明不需要额外的通信线和信号调制电路，电路结构简单可靠。
[0019]
3.本发明的电池均衡系统的功率传输和通信可独立进行。
[0020]
4.本发明的电池均衡系统可根据需要增减均衡单元个数，拓展性强。
附图说明
[0021]
图1为本发明电池主动均衡系统的拓扑结构示意图。
[0022]
图2为本发明功率载波调制的原理示意图。
[0023]
图3为本发明功率调制波调制原理示意图。
[0024]
图4为本发明实施例基于buck/boost双向直流变换器的电池主动均衡系统结构示意图。
[0025]
图5为本发明电池主动均衡系统数据收发的波形示意图。
具体实施方式
[0026]
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
[0027]
如图1所示，本发明电池主动均衡系统由n个电池均衡单元组成，均衡单元相互串联，首尾两端作为输出端，与外接负载相连，负载中有母线电容，提供交流信号通路。每个均衡单元包括一个电池、一个双向dc/dc变换器和一个能量储蓄单元，通过双向dc/dc变换器实现电池与能量储蓄单元间的能量转移。本发明通过对一个变换器进行功率信息融合调控，实现信息从一个均衡单元到其它n-1个均衡单元的发送，接收信息的均衡单元通过检测单元内部电池的电压或电流实现数据的接收。
[0028]
本发明系统中所用的能量储蓄单元可以是蓄电池、超级电容，双向dc/dc变换器可采用buck、boost、buck/boost、cllc等电路拓扑。
[0029]
本发明中每个均衡单元通过检测单元内部电池的电压、电流以及能量储蓄单元的电压等数据，对电池和能量储蓄单元的电量进行估计。系统统筹全部电池的电量并计算出各单元电池的目标电量，若电池电量低于或高于目标电量一定值，则开启均衡，通过调节dc/dc变换器中开关器件的驱动信号，控制能量转移的速度和方向，利用能量储蓄单元对电池进行充电或放电，实现系统内部各电池间的能量均衡，提升电池组整体容量和使用寿命。一般情况下，能量储蓄单元的电量小于电池电量，由电池进行充电；若一个均衡单元内电池电量低，而能量储蓄单元的电量低于一定值，不足以给电池充电，则该均衡单元停止均衡，直到外部给电池充电，同时给能量储蓄单元充电。
[0030]
双向dc/dc变换器中具有高频开关纹波，利用该纹波可以实现数据传输，具体而言，双向dc/dc变换器中开关器件的驱动信号采用pwm调制，不同频率、占空比和相位的pwm驱动信号控制开关器件的导通与关断，在电池的端电压上产生相应频率、幅值与相位的纹波，利用此高频开关纹波可实现信息的传输。pwm波由功率载波和功率调制波比较而得，数字信号可以直接调制到功率载波或叠加到功率调制波上，前者称为功率载波调制，后者称为功率调制波调制。
[0031]
如图2所示，在功率载波调制过程中，数字信息直接调制到功率载波上，功率载波与功率调制波比较得到pwm信号，实现pwm信号频率或相位的数字调制；pwm波的频率和相位是两个独立可控的自由度，数字信息通过fsk、psk、fh-dpsk等方式调制到功率载波上，功率载波和功率调制波比较得到pwm波，pwm波的频率或相位携带有数字信息。
[0032]
如图3所示，在功率调制波调制过程中，数字信息被调制在独立载波上，将独立载波叠加到功率调制波上，叠加载波后的功率调制波与功率载波比较得到pwm信号，实现pwm信号占空比的数字调制；pwm调制中，占空比的微小扰动对整体功率控制影响很小，因此数字信息被调制在独立载波上，再将独立载波叠加到功率调制波上，叠加载波后的功率调制波和功率载波比较得到pwm波，pwm波的占空比携带有数字信息，数据载波的频率fd与功率载波的频率f
p
满足载波信号的幅度积分平均值为零。而正弦波扰动的幅值、相位、频率都是独立可控的，所以数据调制的具体方法有fsk、psk、ask等。
[0033]
功率载波调制的通信速率较快，但信号强度不可控；功率调制波调制的信号强度可控，但通信速率较慢。因此，可以根据实际通信需求(如通信距离、通信速率等)选择具体的调制方法。
[0034]
本发明通过对一个变换器进行功率信息融合调控，电池的带有数字信息的电压或电流纹波会传递到系统中其它n-1个电池中，从而实现信息从一个均衡单元到其它n-1个均衡单元的发送；接收信息的均衡单元通过对单元内部电池的电压或电流进行检测与解调，可以得到信息，实现数据的接收。值得注意的是，任意时刻可以有多个均衡单元发送数据，也可以有多个均衡单元接收数据，但一个均衡单元不能同时发送和接收数据。
[0035]
实施例
[0036]
以下为根据本发明实施的一个具体案例，电路结构如图4所示，图中b1、b2为锂电池，c1、c2为超级电容，电容c为负载，具体拓扑为两个串联的电池均衡单元与负载并联，电池所连接的双向dc/dc变换器选用buck/boost型，调制方法选用单载波fh-dpsk调制。由于每个均衡单元的结构一致，两个均衡单元的实验结果可以拓展到多个均衡单元。
[0037]
本实施方式通过检测电池b1、b2两端的电压v1、v2，电感电流i
l1
、i
l2
，可以对电池进行状态估计并按需充放电，从而保持电池组内电池电量的一致性。以均衡单元u1为例，当检测到电池b1的电压较小时，均衡开启；第一阶段，开启s2，超级电容c1给电感l1充电，l1储能，l1中有自下而上的电流i
l1
；第二阶段，关闭s2，由于电感电流不突变，l1中电流i
l1
通过s1中包含的二极管流向电池b1，l1放能给b1充电。同时，通过控制开关器件的开断时间可以控制电感电流i
l1
的大小，进而调节能量转移的速度。
[0038]
如图5所示为电池主动均衡系统具体案例中的数据收发波形，自上而下分别为电池b2的电压纹波、均衡单元u2接收和发送的数据、均衡单元u1发送和接收的数据。u1先发送数据，b1上的电压纹波通过电力线路传递到b2，u2通过检测b2的电压，解调得到数据。图5中解调数据与发送数据一致，解调正确，说明两个均衡单元都具有数据发送和接收的能力。
[0039]
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围
之内。

技术特征：
1.一种电池主动均衡系统，其特征在于：包括多个均衡单元，所述均衡单元包括一个电池、一个双向dc/dc变换器和一个能量储蓄单元，双向dc/dc变换器的一侧连接电池，另一侧连接能量储蓄单元，各均衡单元通过电池串联后连接至负载两端；所述双向dc/dc变换器用于实现电池与能量储蓄单元之间的能量转移，通过对某一个双向dc/dc变换器进行功率信息融合调控，可实现信息从该双向dc/dc变换器所在均衡单元发送至其他均衡单元，接收信息的均衡单元则通过检测单元内部电池电压或电流实现数据的接收。2.根据权利要求1所述的电池主动均衡系统，其特征在于：该系统中每个均衡单元在任意时刻均可利用能量储蓄单元对电池充放电，并通过控制双向dc/dc变换器对能量传输速度及方向进行控制，实现系统内部各电池间的能量均衡。3.根据权利要求1所述的电池主动均衡系统，其特征在于：该系统中任一均衡单元不能同时发送和接收数据。4.根据权利要求1所述的电池主动均衡系统，其特征在于：所述双向dc/dc变换器可采用包括buck、boost、buck/boost、cllc在内的电路拓扑结构，所述能量储蓄单元可采用超级电容或蓄电池。5.根据权利要求1所述的电池主动均衡系统，其特征在于：该系统中每个均衡单元通过检测单元内部电池的电压电流以及能量储蓄单元的电压，从而对电池和能量储蓄单元的电量进行估计；系统则统筹全部电池的电量并计算出各均衡单元电池的目标电量，若电池电量低于或高于目标电量一定值时，则开启均衡模式即通过调节双向dc/dc变换器开关器件的pwm驱动信号控制能量转移的速度和方向，利用能量储蓄单元对电池进行充放电，实现系统内部各电池间的能量均衡，提升电池组整体容量和使用寿命。6.如权利要求1～5任一权利要求所述电池主动均衡系统的通信方法，其特征在于：将数字信息调制到双向dc/dc变换器开关器件的pwm驱动信号中，不同频率、占空比和相位的pwm驱动信号控制开关器件的导通与关断，并在电池的端电压上产生对应频率、幅值和相位的高频开关纹波，利用该纹波可实现数字信息传输。7.根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于：对数字信息调制可采用功率载波调制方法或功率调制波调制方法；在功率载波调制过程中，数字信息被直接调制到功率载波上，功率载波与功率调制波比较后得到pwm信号，从而实现pwm信号频率或相位的数字调制；在功率调制波调制过程中，数字信息被调制到独立载波上，进而将独立载波叠加到功率调制波上，叠加后的功率调制波与功率载波比较后得到pwm信号，从而实现pwm信号占空比的数字调制。8.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于：所述独立载波的频率f
d
与功率载波的频率f
p
满足独立载波的幅度积分平均值为零。9.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于：所述将数字信息调制到功率载波上，具体实现可采用fsk、psk或fh-dpsk的数字调制技术；将数字信息调制到独立载波上，具体实现可采用fsk、psk或ask的数字调制技术。

技术总结
本发明公开了一种电池主动均衡系统及其通信方法，通过对开关器件驱动信号频率、相位与占空比的调节，可以在对电池能量转移的方向和速度进行控制的同时，利用开关纹波作为载波，实现系统内部各均衡单元间数据的传输。本发明能够在系统中实现每节电池的独立均衡，并且在保持电池能量均衡的同时进行数据的收发，不仅省去额外的通信线和信号调制电路，简化电路结构，促进设备小型化，而且可实现任意两个主动均衡单元间的通信，具有通讯成本低、设备体积小、通信效率高的特点。通信效率高的特点。通信效率高的特点。


技术研发人员：何湘宁 陈珂 刘科明 吴建德
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/7/27