CN103733466B - 具有公用ac母线的电容性耦合的电池均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明考虑了具有公用AC母线的电容性耦合的电池均衡器。其包括被连接至一组N个电池的每一个电池的半桥或全桥，所述电池要么是非固定要么是串联连接的。每一个半桥的中点和全桥的中点通过耦合电容器被耦合至公用AC母线。

Description

具有公用AC母线的电容性耦合的电池均衡器

参考文献

1.Pascual,Cesar and Krein,Phillip.Switched Capacitor system forAutomatic battery Equalization.美国专利5,710,504，1998年1月20日

2.Schmidt，Heribert.Apparatus for Charge exchange among a plurality ofseries connected Energy accumulators or Energy converters.美国专利5,814,970，1998年9月。

3.Lundquist,David.System and method to facilitate voltage balancing in amulti-cell battery.美国专利6,624,612，2003年9月。

4.Marten,Victor.Charge Balancing system.美国专利6,518,725，2003年2月11日。

5.Castelaz,Jim等,System and method for balancing charge within abattery pack.美国专利6,624,612，2010年9月。

6.Patel,Sanjay等.Cell Equalizing Circuit.美国专利7,061,207，2006年2月11日。

背景技术

有许多用于主动平衡串联堆叠的电池或超级电容器的方法。这些方法中存在常被描述为开关电容器平衡的子组。存在两种众所周知的使用开关电容器式平衡的方法，其中的第一种是Pascual[1]、Schmidt[2]、Lndquist[3]和其他人所使用的。该方法本质上是具有使用一组开关来可交替地跨接两个相邻的电池的电容器。电荷经由电容器被从一个电池移动（shuffle）到相邻电池。该系统的问题在于如果电荷不得不从高电荷状态（SOC）电池被转移到低SOC电池，该高SOC电池与低SOC电池被一个或多个电池分隔开，则电荷不得不通过它们之间的每个电池被移动。这意味着电荷必须流过高SOC电池和低SOC电池间的所有电池开关和电容器。对于电流来说从一个电池流至下一个电池，在这两个电池间必须有压差。如果该电流不得不流过多个电池，则压差将被乘以其不得不流过的电池的数目。例如，如果获得两个电池间流动的1A的电流需要100mV，则如果需要1A从堆叠中位置分离隔开的10个电池中流过，则每个电池间必须存在100mV的电压降，经过10个电池给出总计1V的电压降。因此在均衡期间，电池两端的电压梯度是非理想的。电压梯度会出现在高SOC电池和低SOC电池间的电池两端，实际上不均衡这两个电池间所有电池也不是理想的。电压梯度可显著地减小能在像个较远的电池间流动的均衡电流的量。此外，每一次能量从一个电池移动到与其相连的电池时，存在一些能量损耗并且因此通过所有互连电池的移动电荷增大了增量损耗。然而，该系统的优势是开关仅需要被额定在电池电压并且仅开关跨在其两端的一个电池的电压。

开关电容器均衡的第二种方法试图解决这些限制中的一些并被Marten[4]、Castelaz[5]和其他人所使用。该方法本质上是使单个电容器能够利用一排开关而被附加至任意电池。例如，电容器可先被附加至高SOC电池并且随后被直接附加至低SOC电池。该系统的缺陷是开关必须被额定在整个电池组的电压。此外，该系统将引起非常高的开关损耗，因为在开关两端存在平均非常高的电压，例如在对顶电池和底电池进行均衡的情况下，开关将开关跨在它们两端的整个组的电压。如果电容器被循环地连接至所有电容器之间，其均衡率显著低于第一种开关电容器方法（大约1/n，其中n=电池数量，小于第一种方法）。通过做出关于哪个电池连接至电容器的智能决策能明显提高均衡速度，但需要电池电压监测和计算能力。

发明内容

本发明包括被连接至一组N个电池中的每一个电池的半桥或全桥，N个电池要么是非固定的（floating）要么是串联连接的。然后，每个半桥的中点和全桥的中点每一个都通过耦合电容器被耦合至公用AC母线。

半桥具有从其中点至公用AC母线的第一导电轨的耦合电容器并且需要从每个电池的负极连接至公用AC母线的第二导电轨的返回电容器。被连接至每个电池的每个半桥的所有高侧开关应该通过公用高侧控制信号同步地接通和关闭。被连接至每个电池的每个半桥的所有低侧开关应该通过公用低侧控制信号同步地接通和关闭。高侧控制信号和低侧控制信号应该是彼此反相的并具有大约50%的占空比。

全桥具有两个中间点，两个中间点通过两个耦合电容器被耦合至公用AC母线的两个导电轨。每个全桥的第一桥臂（leg）的所有高侧开关和每个全桥的第二桥臂的所有低侧开关应该通过公用桥臂一控制信号同步地接通和关闭。每个全桥的第一桥臂的所有低侧开关和每个全桥的第二桥臂的所有高侧开关应该通过公用桥臂二控制信号同步地接通和关闭。桥臂一控制信号和桥臂二控制信号应该是彼此反相的并具有大约50%的占空比。

附图说明

现在将参考随附的附图仅以示例的方式对本发明进行更详细的描述：

图1.具有返回电容器的每个电池的半桥

图2.半桥的电流波形

图3.没有返回电容器的半桥每个电池

图4.全桥每个电池

图5.全桥的电流波形

图6.等价均衡电路

图7.实践布局配置

具体实施方式

半桥每个电池

图1所示的电路具有被连接在每个电池两端的半桥中的两个开关。对于电池1这些开关被标记为S-low-1和S-high-1，同样的对于电池N被标记为S-low-N和S-high-N。低侧开关S-low-（1至N）都应该通过低侧开关控制信号在同一时间被同步地接通和关闭。高侧开关S-high-（1至N）都应该通过高侧开关控制信号在同一时间被同步地接通和关闭。高侧开关和低侧开关应该以反相并具有大约50%占空比的方式被接通和关闭，即低侧开关应该被接通并持续大约50%的时间，同时高侧开关关闭，反之亦然。占空比不必恰好是50%，但与该值大的偏差将降低电路性能。实际中为减小交叉传导损耗，当两个开关都关闭时，在开关转变期间也可能有较小停滞时间。开关以被称为开关频率的速率被接通和关闭。

通过认识到开关半桥可有效地将电池DC电压转换为具有与电池DC电压相同的峰峰幅度的方波AC电压将能了解电路操作。AC电压与其他电池所产生的所有其他AC电压也是同步的。经由耦合电容器（C-mid-cell-x）和C-bot-cell-x（针对电池x），AC电压然后被耦合至包括Common-AC-bus-mid和Common-AC-bus-bot的公用AC母线。AC的峰峰母线电压将采用约等于连接至AC母线的所有电池的平均DC电压的值。半桥用于将DC转化为AC，但是如果AC的波形与其自身开关周期同步，半桥也会在其中点将AC转化回DC。因为所有电池的半桥是同步开关的，AC电压将是同步的并且半桥将支持流入从公用AC母线或从公用AC母线流出的双向电流。如果电池的DC电压高于/低于电池的平均值，则其AC电压也将高于/低于AC母线电压。因此电流将从较高电池流出或流入公用AC母线或者从公用AC母线流出而流入较低电池。

该电路的操作的优势是：

1.电流直接经由公用AC母线从较高电池流至较低电池，而不需流经它们之间互联的电池中的任意电池。

2.如果仅有一个电池高于剩余电池，则电流将从该电池流出而流入AC母线，并且随后在剩余电池间均匀分配，使等量的电流流入剩余电池中的每一者。

3.如果仅有一个电池低于剩余电池，则等量的电流将均匀地流出其他所有较高电池并流入AC母线，并且随后这些电流将合并都流入该较低电池。

4.如果电池是均衡的，则没有电流流入或流出该电池。

5.如果所有电池都是均衡的，则没有电流在均衡电路中流动，或者电池中没有任何电流。

该系统的另一个优势是半桥或全桥配置中的开关仅需要额定在电池电压。开关也仅开关跨在其两端的一个电池的电压，这有助于最小化开关损耗和EMI。

图1中所示的电池间的Rseries电阻主要是电池与电池的互连电阻。如果我们假设Rseries远大于返回耦合电容器C-bot-cell（1至N）的阻抗，则无论电池是非固定的或者电池通过大互联阻抗被串联连接，电路操作将是相同的。

也可通过认识到任意两个电池间流动的电流将是它们之间的电压差的线性函数来了解电路的操作。因此我们能将两个电池间的电流流动建立为它们具有其负极被连接在一起并且正极间有电阻。该电阻被称为有效均衡电阻。如果相同的电路被建立在所有电池间，则完整的结果电路在图6中示出并且被称为等效均衡电路。有效均衡电阻在图6中被示为R_balance。对于半桥每个电池的电路，该电阻的最小值可能是为了对电池充电电流不得不流过的所有阻抗的和。从图1中能看出电流先要流过C-mid-x、S-high-x和C-bot-x以对电池x充电，并且随后等量的电荷必须经过C-bot-x、S-low-x和C-mid-x流回。因此给所有这些的和

[jX_c(C-mid-x)+R_on(S-high-x)+jX_c(C-bot-x)+jX_c(C-bot-x)+R_on(S-low-x)+jX_c(C-mid-x)]

其中X_c是开关频率为f时电容器的阻抗。（这是简化形式，是在基本的方波开关波形是的仅仅电容器的阻抗）。如果我们假设高侧和低侧开关的阻抗都等于R_on并且C-mid和C-bot都等于C_couple，则其归纳如下：

然而，因为真实电流动仅持续流一半时间，其被视为有效地加倍电阻。因此对于半桥的有效均衡阻抗的最小值由下面的等式给出

$R_{\mathrm{balance}}\≅2\·\sqrt{4\·{R_{\mathrm{on}}}^2+16\·{\left(\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·C_{\mathrm{couple}}}\right)}^2}$

这是简化形式，但这是很有用的设计指导并且能被用于图6中的等效均衡电路中。实际仿真示出的真实值仅比计算出的值高大约10%。能看出电阻式阻抗和电容式阻抗具有相同贡献的点是当X_c是R_on的1/2时。这给出了非常好的设计出发点。实际电路也会有损耗，该损耗将表现为电池上增加的电流消耗和降低均衡电流。

该系统的效率与开关电容器转换器类似，并且在（V_电池输入/V_电池输出）的任意两个电池间具有最大的理论值，其中V_电池输出是能量所来自的电池的电压，并且V_电池输入是能量进入的电池的电压。

耦合电容器C-mid-cell（1至N）、C-bot-cell（1至N）、C1-cell（1至N）和C2-cell（1至N）应该具有尽可能高的值以降低电容器的阻抗并且因此降低电池间的有效均衡电阻。然而，增大电容器值相当于增大尺寸和成本。因此将在电容器的尺寸和成本与电路性能间进行权衡。增大开关频率也将降低电容器的阻抗，可允许更小的电容器值。然而，增大开关频率也将增大开关损耗并且仍将在电容器尺寸和成本、电路性能和开关损耗间进行权衡。耦合电容器也应该具有与另一个电池中其配对部分相等的值，即C-mid-cell（1至N）应该具有相等的值，C-bot-cell（1至N）应该具有相等的值，C1-cell（1至N）和C2-cell（1至N）应该都具有相等的值。如同粗略的设计准则，在开关频率处的电容器的阻抗应该小于开关的导通电阻。降低电容器阻抗的缺陷在于短路电流将增大。与此相反，该系统通过降低开关频率和因此增大电容器的阻抗并降低电流，也可将其本身用于提供短路电流保护的方法。

顶电池到底电池的耦合电容器能被额定的最小电压是总的电池组电压的一半。当两个公用AC母线相对于电池的负极总的电池组电压的中点处被偏置时可获得该最小化电压。因此在堆顶和堆底的电容器将具有跨在其两端的总电池组DC电压的一半。跨在耦合电容器的剩余部分的两端的电压将随着电池靠近组中心而降低。中心电池或中心的两个电池将具有跨在其两端的最小的DC电压（要么是零要么是一个电池的电压）。

对于图1的电路（半桥每个电池），电流波形能在图2中看到。第一幅图示出了进入Cell-x的电流，第二幅图示出了在中点耦合电容器（C-mid-cell-x）中的电流，以及第三幅图示出了在底耦合电容器（C-bot-cellx）中的电流。

该系统在任意电池化学型或超级电容器上同样能很好的运行。电池或电容器也不需要被串联连接，因为系统也无所谓将补偿（equalize）非固定的电池或电容器。因此该系统可用来提供能被用于校准其他系统（例如，差分放大器或电池电压测量电路）的相同的非固定电压源。然而，耦合电容器则应该被额定在参考任意两个电池间的公用点的最大的压差。

当串联连接时，如果电池间示出的串联电阻Rseries足够小，均衡电流中的一些将流过互连的电池，而不是流过底耦合电容C-not-cell-x。如果电池间的串联电阻非常小，地彻底省去底返回电容器可能很诱人，如图3所示。电路将工作并最终均衡这些电池。然而，如果Rseries相对地不是比其他均衡电路阻抗低得多（通常Rseries需要小于1毫欧姆），则流入或流出电池的均衡电流不是均匀分布的。因此其可导致对于不同电池均衡率不相等。此外，举例来说，高电池和低电池间的互连电池将运送这两个电池间的AC电流。因此，更优的方式是要增加返回底耦合电容器，即使串联电阻低。

全桥每个电池

图4示出的全桥每个电池的配置基于半桥以两倍多均衡电流的方式改善，但是仍仅使用了两个耦合电容器，因为其不需要返回电容器。全桥操作需要第一桥的所有低侧开关S1-low-（1至N）都应该通过S1低控制信号同步地接通，并且与此同时第二桥的所有高侧开关S2-high-（1至N）应该通过S2高控制而被接通。第一桥的高侧开关S1-high-（1至N）都应该通过S1高控制信号同步地接通，并且与此同时第二桥的所有低侧开关S2-low-（1至N）应该通过S2低控制信号而被接通。这意味着S1低控制信号和S2高控制信号是同相的，并且S1高控制信号和S2低控制信号是同相的。各自的低控制信号和高控制信号应该是彼此反相的并具有大约50%的占空比和较小停滞时间。

此时跨在耦合电容器两端的AC电压围绕其偏移偏置点（offset biaspoint）在正负两个方向摇摆。半桥每个电池系统中存在两倍的摇摆，因此可有效地减小电容器阻抗并且同时增大均衡电流。全桥的另一优势在于跨在电容器两端的AC电压围绕其偏移偏置点在正负两个方向摇摆，并且相等并反向的返回电流将流入第二AC母线。因此即使串联电阻（Resries）较低，也没有AC电流会流过互连电池。该事实的一大优势是所有的均衡电流将在全桥的接地线中，这将有利于进行电流感测。

全桥的有效均衡电阻也略小于半桥的有效均衡电阻的一半。使用和半桥相同的方式，可给出所有串联阻抗的和：

[jX_c(C2-cell-x)+R_on(S-high-x)+R_on(S-low-x)+jX_c(C1-cell-x)]

其中R_on是开关的电阻而X_c是电容器在切换频率为f时的阻抗。（这是又一简化形式，是在基本的方波开关波形时的仅仅电容器的阻抗）。如果我们假设两个桥的高侧开关和低侧开关的电阻等于R_on，并且C1-cellx和C2-cellx等于C_couple，则其归纳如下：

然而，与半桥不同，实际电流一直在流动，因此该电阻不需要被加倍。因此，对于全桥的有效均衡电阻的最小值由下式给出：

$R_{\mathrm{balance}}\≅2\·\sqrt{4\·{R_{\mathrm{on}}}^2+16\·{\left(\frac{1}{2\·\mathrm{\π}\·f\·C_{\mathrm{couple}}}\right)}^2}$

这仍是简化形式，但这是很有用的设计指导并且该电阻值可以被用于图6的等效均衡电路中。实际仿真示出对于全桥配置R_balance的真实值约比计算出的值略仅高6%。可以看出在电阻式阻抗和电容式阻抗具有相同贡献的点是当X_c等于R_on时，这也给出了一个非常好的设计出发点。实际的电容器选择包括如前所述的诸多权衡。图6的等效均衡电路对于提供将流动的均衡电流的快速计算也非常有用。它也示出了该均衡电路和方法将使电流仅均匀地流入（或流出）有需要的电池，以及均衡电流分配会被均匀的铺开通过所有相关电池。该类型的操作是接近于工作在电池极电压上的线性系统的理想状况。

全桥系统的效率和半桥相同。最后要提到的全桥的一个优势是流入或流出电池的均衡电流更为一致。在图2和图5之间能看出这种差别。对于图2第一幅图中示出的半桥配置，进入电池的电流看起来是如持续半周期脉冲的单个梯形。对于图5中的第一幅图中示出的全桥配置，进入电池的电流看起来是如彼此相邻脉冲的双梯形。因此对于全桥而言进入电池的电流更为一致，具有对于平均比率的更低的RMS并且对滤波的需求更少。

全桥每个电池的优势在于进入或流出AC母线1中的电池的电流将与AC母线2中的对应电流反向。因此AC母线1和AC母线2可以被当做一个向另一个提供返回路径的一对（或传输线）。

总结该电路：能量可以直接在任意两个电池间转移或者被均匀的分配至需要能量的所有电池；该电路不需要做任何校准，并且如果开关的物理特性是匹配的，则电路自然地在所有电池电压间具有非常小的偏移；每个电池上的开关仅需额定在电池电压；开关仅开关跨在其两端的电池电压；耦合电容器仅需要额定在电池组电压的一半；在已经均衡的电池间没有能量交换或电流流动，并且一旦所有的电池被均衡，则电流消耗将降低为操作静态电流。

实践实施和考虑

实际实施该电路有一些必须考虑和设计的额外的特殊性，尤其具有六个或更多串联电池的情况。如果AC母线是简单的长直路径，则因为其以相当高的频率（例如，1MHz）和非常低的阻抗（毫欧姆）来操作，它开始的行为类似于传输线，并且在其上具有一些振铃或驻波的形态。因为它是在不同点的每个电池连接的多点分支线（multi drop lin），振铃能导致静态（或稳定态）的电池电压互相偏离几个微伏，即在电池电压间将有一些偏移。任意两个电池间的AC阻抗也不相同。

该问题的第一部分解决方案是具有连接至圆环（circular loop）的AC母线，具有围绕圆环分布被均匀间隔的所有电池全桥。这将改进简单长直AC母线系统，但其仍不理想。解决该问题的理想解决方案是具有星状连接的AC母线。每个电池的桥和其连接也被以圆形形式排列，然而，此时每个电池的AC母线被送在朝向圆形状排列的中心的独立路径（例如，传输线）上，并且此处所有的AC母线导电轨在单个点处被连接在一起，该单个点被称为星点。这意味着此时任意两个电池间的AC母线距离（和AC阻抗）是一致的。对于单个母线的这种布局被图7所示出。对于具有两个AC母线的全桥每个电池，第二AC母线应该具有相同的布局并且在第一AC母线下运行。和之前的讨论一样，AC母线中的电流是反向的并且它们为彼此提供了返回路径。

具有围绕中心点以圆形形式排列的电池开关桥，也允许我们均匀地分配门驱动信号，通过在中心点开始并且随后以独立的扇形输出路径将其分配给每一个电池开关桥。这意味着此时对于每一个电池桥门的延时和阻抗是相等的，并且因此所有MOSFET应该同步地接通，这将有助于降低电池间的偏移电压并且保持相等的静态操作电流。

该电路中的静态功率损耗主要是每个半桥的电容开关损耗引起的。每个桥的输出电容主要是MOSFET的电容。因为在该拓扑结构中输出电压一旦改变一点，负载电流就被降低到零，所以由于开关负载电流引起的损耗（电阻式开关损耗）非常小。

假设半桥用50%占空比来驱动，则通过对于所有电池在两个AC公用母线间增加单个电感器，电容开关损耗能被部分地或彻底地降低（至零电压开关（ZVS）条件）。该单个电感器应该理想地被连接在两个公用的AC母线1和AC母线2的公用星点，星点在圆形排列的中心处。公用星点在对于每个电池桥的所有耦合电容器的“公共侧”。则电感器两端的电压将是具有（Vcell/2--Vcell/2=V_cell幅度，或者2V_cell峰峰）的对称方波。则通过电感器的电流将是均值为零的对称的三角波。如果在分别相反的开关的关闭和接通间存在小的停滞时间，电感器电流将驱动桥的两侧驱动电压朝向反向的导电轨。根据电池电压、总的桥输出电容和开关频率，通过选择合适值的电感器和停滞时间，可在所有桥上实现完全的ZVS。然而，这在实际中不一定是最有效的解决方案，因为要权衡电感器大小、电感器损耗、电流损耗和电感器成本。因此最佳整体系统效率和效果可通过部分地减小电容损耗中获益。有效地减小电容开关损耗意味着减小开关电压并且有益于减小电路的EMI。

虽然以上参考优选实施方式和实施例对本发明进行了描述，应该理解不偏离本发明主旨或范围的情况下可能存在多种修改和变型。

Claims (2)

1.一种用于对串联连接或非固定的两个或更多电池或电容器进行均衡的电路，该电路包括：

串联连接或非固定的N个电池；

包括第一导电轨和第二导电轨的公用AC母线；

连接至所述N个电池的第一电池的正极和负极的第一半桥；

也连接至所述第一电池的正极和负极的第二半桥；

所述第一半桥和所述第二半桥共同形成连接在所述第一电池两端的全桥；

所述第一半桥包括桥一高侧开关和桥一低侧开关；

所述第二半桥包括桥二高侧开关和桥二低侧开关；

桥一耦合电容器，该桥一耦合电容器的第一端连接至所述第一半桥的中点并且所述桥一耦合电容器的第二端连接至所述公用AC母线的所述第一导电轨；

桥二耦合电容器，该桥二耦合电容器的第一端连接至所述第二半桥的中点并且所述桥二耦合电容器的第二端连接至所述公用AC母线的所述第二导电轨；

所述第一半桥和桥一耦合电容器针对N个电池被重复N次，并且都以如针对所述第一电池所描述的相同方式被连接在每一个单独电池两端；

所有所述N个桥一耦合电容器的第二端被连接至所述公用AC母线的所述第一导电轨；

所述第二半桥和桥二耦合电容器针对N个电池被重复N次，并且都以如针对所述第一电池所描述的相同方式被连接在每一个单独电池两端；

所有所述N个桥二耦合电容器的第二端被连接至所述公用AC母线的所述第二导电轨；

所有所述N个桥一低侧开关通过公用桥一低侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭；

所有所述N个桥一高侧开关通过公用桥一高侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭；

所有所述N个桥二低侧开关通过公用桥二低侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭；

所有所述N个桥二高侧开关通过公用桥二高侧控制信号被同步地驱动来接通和关闭；

所述桥一低侧控制信号和所述桥一高侧控制信号是反相的并具有大约50％的占空比；

所述桥二低侧控制信号和所述桥二高侧控制信号是反相的并具有大约50％的占空比；

所述桥一低侧控制信号和所述桥二高侧控制信号是同相的并且同步地开关；

所述桥一高侧控制信号和所述桥二低侧控制信号是同相的并且同步地开关，

其特征在于，每一个电池的全桥被以所述N个电池的所述全桥以近似于围绕中央星点的圆形形式被构建，并具有近似相等的角度间隔，

每个电池具有对于所述公用AC母线的所述两个导电轨的其自己各自的路径，该路径朝向所述中央星点行进，

所述公用AC母线的所述第一导电轨从所述N个电池的每个电池中沿着所述N个电池的每个电池的各自的路径延伸，并且所述公用AC母线的所述第一导电轨在第一AC母线星点处被连接在一起，所述第一AC母线星点在所述中央星点处，

所述公用AC母线的所述第二导电轨从所述N个电池的每个电池中沿着所述N个电池的每个电池的各自的路径延伸，并且所述公用AC母线的所述第二导电轨在第二AC母线星点处被连接在一起，所述第二AC母线星点在所述中央星点处，空间上在所述第一AC母线星点之上或之下。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，单个电感器在耦合电容器的公用侧被连接在所述公用AC母线的两个导电轨之间。