阅读说明：本技术 一种具有完备均衡支路的电压均衡电路及控制方法 (Voltage equalization circuit with complete equalization branch and control method ) 是由 张小兵 周国华 冷敏瑞 田庆新 徐顺刚 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有完备均衡支路的电压均衡电路及控制方法。均衡电路包括四个以上结构相同的开关单元,每个开关单元配置一个电池；开关单元包括两个MOS管,电池的正极连接到第一MOS管的漏极,第一MOS管的源极连接到第二MOS管的漏极,第二MOS管的源极连接到电池的负极；所有开关单元所配置的电池串联；任意两个开关单元的第一MOS管的源极之间均连接有一条均衡支路；每个开关单元的第一MOS管的源极还分别连接有一条均衡支路,这些均衡支路的另一端相互连接。本发明可实现电池组内所有电池间的能量传输,快速地均衡电池电压。在结构上具有对称性,均衡速度与电池电压的不均衡分布无关,且均衡速度不随电池数量的增加而变慢。(The invention discloses a voltage equalization circuit with a complete equalization branch circuit and a control method. The equalizing circuit comprises more than four switch units with the same structure, and each switch unit is provided with a battery; the switch unit comprises two MOS tubes, the anode of the battery is connected to the drain electrode of the first MOS tube, the source electrode of the first MOS tube is connected to the drain electrode of the second MOS tube, and the source electrode of the second MOS tube is connected to the cathode of the battery; the batteries configured by all the switch units are connected in series; a balance branch is connected between the source electrodes of the first MOS tubes of any two switch units; the source electrode of the first MOS tube of each switch unit is also respectively connected with a balance branch, and the other ends of the balance branches are mutually connected. The invention can realize the energy transmission among all the batteries in the battery pack and quickly balance the battery voltage. The structure has symmetry, the equalizing speed is independent of the unbalanced distribution of the battery voltage, and the equalizing speed does not become slow along with the increase of the number of the batteries.)

一种具有完备均衡支路的电压均衡电路及控制方法

技术领域

本发明涉及锂电池/超级电容电压均衡技术领域，尤其是一种具有完备均衡支路的电压均衡电路及控制方法。

背景技术

锂电池和超级电容常被作为储能元件用于纯电动汽车和新能源发电等场合。但是，因为单个锂电池/超级电容(为了便于说明，下文将锂电池和超级电容统称为电池)的电压通常很低，所以常需要将大量的电池单体串联使用，以满足负载的大电压需求。由于生产制造的原因，各电池单体的内阻、电压、自放电率等参数有差异，这种差异会造成电池在充放电时产生电压的不一致。电池间电压的不一致会浪费电池组的可用容量，加速电池的老化、缩短电池的使用寿命。为了解决电池单体的不一致性问题，需要在电池组中加入均衡电路。

现有的均衡电路主要包括能量耗散型和非能量耗散型。能量耗散型均衡电路是使用电阻等耗能元件将高压电池中的能量消耗，以实现电池组中电池电压的均衡。该方式成本低、体积小，但能量浪费严重。非耗散型均衡电路利用电容、电感等非耗能元件作为传能媒介，实现能量从高压电池到低压电池的传输。其中，以电容为传能媒介的均衡电路由于电路结构简单、控制简单而被广泛研究。单电容均衡电路是其中结构最简单的，但该均衡电路只能同时实现两个电池间的能量传输，均衡速度慢。传统的开关电容均衡电路，包括单层开关电容均衡电路、双层开关电容均衡电路以及链形开关均衡电路等，可以同时在多个电池间传输能量，但其均衡速度随电池的电压不均衡分布而变化，同时其均衡速度随着电池数量的增多而下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有完备均衡支路的电压均衡电路及控制方法。

实现本发明目的的技术方案是：

一种具有完备均衡支路的电压均衡电路，包括四个以上结构相同的开关单元，每个开关单元配置一个电池；所述开关单元包括两个MOS管，电池的正极连接到第一MOS管的漏极，第一MOS管的源极连接到第二MOS管的漏极，第二MOS管的源极连接到电池的负极；所有开关单元所配置的电池串联；任意两个开关单元的第一MOS管的源极之间均连接有一条均衡支路；每个开关单元的第一MOS管的源极还分别连接有一条均衡支路，这些均衡支路的另一端相互连接。

进一步地，所述均衡支路为单电容支路。

进一步地，所述均衡支路为电容与电感串联支路。

进一步地，所述任意两个开关单元的第一MOS管的源极之间均连接有一条均衡支路，其均衡支路为单电容支路；所述每个开关单元的第一MOS管的源极还分别连接有一条均衡支路，这些均衡支路的另一端相互连接，其均衡支路为电容与电感串联支路。

进一步地，所述任意两个开关单元的第一MOS管的源极之间均连接有一条均衡支路，其均衡支路为电容与电感串联支路；所述每个开关单元的第一MOS管的源极还分别连接有一条均衡支路，这些均衡支路的另一端相互连接，其均衡支路为单电容支路。

均衡支路为单电容支路的电路，其控制方法为：令V_GS1控制每个开关单元的第一MOS管，V_GS2控制每个开关单元的第二MOS管；所述V_GS1和V_GS2为一对频率固定、占空比互补且带有死区时间的PWM信号。

均衡支路包括电容与电感串联支路，其控制方法为：令V_GS1控制每个开关单元的第一MOS管，V_GS2控制每个开关单元的第二MOS管；所述V_GS1和V_GS2为一对频率固定、占空比互补且带有死区时间的PWM信号，其频率为电容与电感串联支路的谐振频率。

本发明的有益效果是：本发明为任意两个电池提供了所有可能的直接和间接均衡路径，即均衡路径具有完备性。其中直接均衡路径由单条均衡支路组成，间接均衡路径由两条均衡支路串联组成。基于完备的均衡路径，本发明可实现电池组内所有电池间的能量传输，快速地均衡电池电压。同时本发明在结构上具有对称性，每个电池具有相同数量的均衡路径，且均衡路径的数量随着电池数量的增加而增加。因此本发明的均衡速度与电池电压的不均衡分布无关，且均衡速度不随电池数量的增加而变慢。

附图说明

图1为本发明均衡支路为单电容支路的电路结构图；

图2为实施例1的电路结构图；

图3a为实施例1的工作状态I；

图3b为实施例1的工作状态Ⅱ；

图4为实施例1在电压不均衡情况1下电容C_2,1的电压、电流仿真波形；

图5a为实施例1在电压不均衡情况1下电池电压的仿真波形；

图5b为实施例1在电压不均衡情况2下电池电压的仿真波形；

图5c为实施例1在电压不均衡情况3下电池电压的仿真波形；

图6为实施例2的电路结构图；

图7为实施例2电容C_2,1的电压、电流仿真波形；

图8为实施例2电池电压的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

一种具有完备均衡支路的电压均衡电路，包括依次串联的电池B₁,B₂,…,B_n，其中n为大于等于4的正整数；还包括n组MOS管和n(n+1)/2条均衡支路。

依次串联的电池B₁,B₂,…,B_n，可以为锂电池(模块)或超级电容(模块)。

均衡支路可以为单电容支路，也可以为电容与电感串联支路，或者其它结构的均衡支路。

图1所示为均衡支路为单电容支路的具有完备均衡支路的电压均衡电路的电路结构图。

如图1所示，与电池B_i并联的第i组MOS管，包括两个MOS管S_i1和S_i2。第一个MOS管S_i1和第二个MOS管S_i2串联后再和电池B_i并联；具体连接方式为：第一个MOS管S_i1的漏极与电池B_i的正极相连，第二个MOS管S_i2的源极与电池B_i的负极相连；第一个MOS管S_i1的源极与第二个MOS管S_i2的漏极相连，其连接点为均衡支路连接点b_i；每个电池B_i对应一个均衡支路连接点b_i；其中，i＝1,2,…,n。

n(n+1)/2条单电容支路可以分为两种类型：

第一种：每条单电容支路连接任意两个电池对应的均衡支路连接点；共n(n-1)/2条。详细的连接方式为：电容C_j,k(j＝2,3,…,n；k＝1,2,…,n-1；j>k)所构成均衡支路的一端连接电池B_j对应的均衡支路连接点b_j，另一端连接电池B_k对应的均衡支路连接点b_k；该均衡支路为电池B_j和B_k间的单支路均衡路径；

第二种：每条单电容支路的一端连接一个电池对应的均衡支路连接点，另一端连接辅助连接点b₀；共n条；详细的连接方式为：电容C_0,i(i＝1,2,…,n)所构成均衡支路的一端连接电池B_i对应的均衡支路连接点b_i，另一端连接到辅助连接点b₀；其中，电容C_0,j(j＝2,3,…,n)所构成的均衡支路和电容C_0,k(k＝1,2,…,n-1；j>k)所构成的均衡支路相连，构成电池B_j和B_k间包含两条均衡支路的均衡路径；

每个电池对应的均衡支路连接点都与n条均衡支路相连。

均衡支路为电容与电感串联支路的具有完备均衡支路的电压均衡电路，其结构与均衡支路为单电容支路的结构相似，可以构成多种电路。第一，上述结构中所有单电容支路替换为电容与电感串联支路；第二，上述第一种类型的单电容支路替换为电容与电感串联支路，其它仍为单电容支路；第三，上述第二种类型的单电容支路替换为电容与电感串联支路，其它仍为单电容支路。均衡支路为电容与电感串联支路时，通过电容与电感的谐振，可以增加电池与电容间的电压差，从而增大均衡电流、提高均衡速度；同时，通过调节均衡电路的开关频率接近电容与电感串联支路的谐振频率，可以减小MOS管通断瞬间流过的电流，降低电路损耗、提高均衡效率。进一步地，当所有均衡支路均为电容与电感串联支路时，可以实现电路中所有MOS管的零电流开关，显著提高电路的均衡效率。

上述具有完备均衡支路的电压均衡电路的控制方法：用一对频率固定、占空比互补且带有死区时间的PWM信号V_GS1和V_GS2控制所述n组MOS管，其中：V_GS1控制每组MOS管中的第一个MOS管S_i1，V_GS2控制每组MOS管中的第二个MOS管S_i2。

在上述控制方法中，当均衡支路为单电容支路时，控制信号的开关频率没有明确限制，可以根据需要设置；而当均衡支路为电容与电感串联支路时，为了保证电路的均衡性能，控制信号的开关频率需要设置为电容与电感串联支路的谐振频率或与谐振频率相近的频率。

实施例1

以4电池、均衡支路为单电容支路的均衡电路为实施例1，其电路结构图如图2所示。根据PWM信号V_GS1和V_GS2，均衡电路有两个工作状态，工作状态I和Ⅱ，分别如图3a和3b所示。当电池电压V_B4>V_B3>V_B2>V_B1时，均衡电路的工作状态如下：

工作状态I：PWM信号V_GS1为高电平，MOS管S₁₁、S₂₁、S₃₁、S₄₁导通，电池B₄、B₃、B₂向所有电容充电，电容电压升高；

工作状态Ⅱ：PWM信号V_GS2为高电平，MOS管S₁₂、S₂₂、S₃₂、S₄₂导通，电容向电池B₃、B₂、B₁充电，电容电压降低。

图4为实施例1在电压不均衡情况1下电容C_2,1的电压、电流仿真波形；图5a、图5b、图5c分别为三种不同电压不均衡情况下的电池电压仿真波形。电路的仿真参数：电容为100μF，每个均衡单元设置20mΩ的电阻作为电路寄生电阻；用1F的电容代替电池；开关频率为50kHz，死区时间为1％。电压不均衡情况1：V_B1＝3.0V、V_B2＝3.2V、V_B3＝3.4V、V_B4＝3.6V；电压不均衡情况2：V_B1＝3.6V、V_B2＝3.4V、V_B3＝3.2V、V_B4＝3.0V；电压不均衡情况3：V_B1＝3.0V、V_B2＝3.4V、V_B3＝3.6V、V_B4＝3.2V。

由图4可知，当V_GS1为高电平时，流过电容C_2,1的电流方向为正，能量从电池B₂向电容C_2,1传输，电容电压逐渐升高；当V_GS2为高电平时，流过电容C_2,1的电流方向为负，能量从电容C_2,1向电池B₁传输，电容电压逐渐降低。

由图5a、图5b、图5c可知，在不同的电池电压不均衡分布情况下，电池间电压差均衡到4.3mV所需的时间都为0.2s，均衡速度一致，而且电池电压的变化趋势相似，表明本发明的均衡速度不受电池电压不均衡分布的影响。

实施例2

以4电池、均衡支路为电容与电感串联支路的均衡电路为实施例2，其电路结构图如图6所示。均衡电路的两个工作状态与均衡支路为单电容支路的情况相似，MOS管的导通顺序参照实施例1。

图7为实施例2电容C_2,1的电压、电流仿真波形；图8为实施例2电池电压的仿真波形。电路的仿真参数：电容为20μF，电感为4.7μH，每个谐振开关电容单元设置30mΩ的电阻作为电路寄生电阻；用1F的电容代替电池；开关频率为16.3kHz，死区时间为1％。电池的初始电压为：V_B1＝3.0V、V_B2＝3.2V、V_B3＝3.4V、V_B4＝3.6V。

如图7所示，当V_GS1为高电平时，流过电容C_2,1的电流从零上升到最大值再下降到零，能量从电池B₂向电容C_2,1传输，电容C_2,1的电压逐渐升高；当V_GS2为高电平时，流过电容C_2,1的电流从零下降到最小值再上升到零，能量从电容C_2,1向电池B₁传输，均衡电容C_2,1的电压逐渐降低。同时，可以看到流过电容的电流在状态切换瞬间都接近零，说明此时流过MOS管的电流也为零，即实现了MOS管的零电流开关。

如图8所示，均衡支路为电容与电感串联支路时，均衡电路也可以实现电池的电压均衡。电池间电压差均衡到4.2mV所需的时间为0.147s。与图7的结果相比较，可以知道均衡支路为电容与电感串联支路时，均衡电路的均衡速度快于均衡支路为单电容支路的情况。在均衡效果相近的情况下，均衡支路为电容与电感串联支路的均衡电路所用的电容及开关频率都相对较小，但是增加了与电容同样数量的电感。

综上，本发明所提出的具有完备均衡支路的电压均衡电路及控制方法，在任意两个电池间有多条均衡路径，可以同时实现所有电池间的能量传输，缩短了均衡步骤；且每个电池对应的均衡路径随着电池数量的增加而增加。同时，本发明在结构上具有对称性，不考虑电池组的内部连接时，每个电池在均衡电路内的连接方式是完全相同的，因此本发明的均衡速度与电池电压的不均衡分布无关，解决了传统开关电容均衡电路均衡速度随电池数量的增加而下降的问题。