CN107482263A - 基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器及其实现方法，包括N节电池单体、微控制器、N*(N‑1)/2个开关电容和N个半桥电路，每个电池单体对应连接有一个半桥电路，半桥电路包括两个串联的MOS管，半桥电路连接微控制器，所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端，以控制各半桥电路的MOS管的导通与关断；N个半桥电路的中点两两分别通过一个开关电容连接在一起，形成Delta结构，本发明拓扑结构的均衡时间、均衡效果与电池电压的排列无关，具有很强的鲁棒性。

Description

基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器及其实现方法。
背景技术
电动汽车因节能环保，目前发展趋势迅猛，已成为未来汽车工业发展的主要方向。锂离子电池具有能量密度高，记忆效应低，电池电压高，使用寿命长等优点，被广泛应用于诸如能源储存系统和电动汽车等大功率应用中。为了满足负载电压和功率的要求，需要将上千的锂离子电池单体串、并联成组使用。然而，由于制造工艺的限制，各个电池单体的内阻、容量等存在微小差异，并随着电池组老化而增大，这种差异会引起电池单体电压的不平衡，进而导致某节电池单体的过充或过放，当电池组中的任何电池都在允许的范围之外时，必须终止使用电池组，极大地减小了电池组的可用容量和循环寿命，甚至会引起爆炸、起火等安全事故。因此，对于电池串来说，电池均衡器是平衡电池电压以最大化电池组的可用工作范围并延长电池循环寿命所必需的。此外，电池均衡器对于电池组的成本降低也是有益的，因为当引入电池均衡器时，电池一致性的严格要求可能降低，进而降低电池采购成本。
目前，电池均衡电路主要有耗散均衡(被动均衡)和非耗散均衡(主动均衡)两大类。耗散均衡是通过给电池组中每个电池单体并联一个电阻，将电压高的电池单体进行放电分流，从而实现电池单体电压的均衡。耗散均衡具有成本低、体积小和控制简单等优点，但是电池单体多余的能量是通过电阻放电消耗掉，存在效率低和热管理等问题。目前已经提出了许多种主动均衡方法，可以分为基于电容的均衡方法、基于电感的均衡方法和基于变压器的均衡方法。这些方法采用电容、电感或变压器等作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的均衡方案。根据能量流，非耗散均衡方法能够分为以下四类：(1)电池单体对电池单体；(2)电池单体对电池组；(3)电池组对电池单体；(4)任意电池单体对任意电池单体。电池单体对电池单体均衡方法只能实现能量从一个电池单体到其相邻电池单体传递，特别是当电压高和电压低的电池单体分别处在电池组的两端时，其均衡速度和均衡效率会极大降低。对于电池单体对电池组的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体传递到整个电池组。这种方法只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压高于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况；不适合于某一或若干节电池单体电压低于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。对于电池组对电池单体的均衡方法，能量能够直接从整个电池组传递到电压最低的电池单体，能够实现较大的均衡电流，但是这种方法只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压低于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况；不适合于某一或若干节电池单体电压高于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。任意电池单体对任意电池单体的均衡方法能够实现能量从任意电池单体到任意电池单体的直接传递，具有较高的均衡效率和均衡速度。在这些主动平衡方法中，开关电容均衡器由于体积小，成本低，易于实现而广泛用于电池均衡中。然而，在经典开关电容均衡器中，该方法仅实现了相邻的单元到单元均衡，并且对于长的电池串，其平衡速度和效率将变得非常低。
例如，中国发明专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种开关电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，经过电容的充、放电循环，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体的数量较多、电压最高和最低的电池单体间相邻多个电池单体时，这种均衡方式的均衡效率和速度会大大降低，不适用于电池单体串联较多的大电池组中。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器及其实现方法，本发明可以实现与电池数量和初始电池电压无关的高均衡速度和高均衡效率，而不需要显着提高硬件尺寸、成本和控制等。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器，包括与N节电池单体连接的微控制器、N*(N-1)/2个开关电容和N个半桥电路，每个电池单体对应连接有一个半桥电路，其中：
所述半桥电路包括两个串联的MOS管，所述半桥电路连接微控制器，所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端，以控制各半桥电路的MOS管的导通与关断；
N个半桥电路的中点两两分别通过一个开关电容连接在一起，形成Delta结构。
所述N*(N-1)/2个开关电容分别连接于所述N个半桥电路的中点，即两个串联MOS管相连接的点，另一端连接于另一个半桥电路的中点。
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，PWM+和PWM-，所述半桥电路的上端MOS管由所述PWM+控制，下端MOS管由所述PWM-控制。
所述半桥电路的上端MOS管的漏极连接于一节电池单体的正极，下端MOS管的源极连接于该电池单体的负极。
应用上述基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器的实现方法，微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，使得电压大于平均值的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压小于平均值的电池单体充电，实现能量的实时与自动均衡。
具体的，包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，即工作状态I和工作状态II；
(2)工作状态I：当所述N个半桥电路中上端MOS管导通、下端MOS管关闭时，所述开关电容与串联电池组中上端的N-1节电池单体并联，电压大于平均值的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压小于平均值的电池单体充电；
(3)工作状态II：当所述N个半桥电路中下端MOS管导通、上端MOS管关闭时，所述开关电容与串联电池组中下端的N-1节电池单体并联，电压大于平均值的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压小于平均值的电池单体充电；
(4)经过这两个状态的交替工作，实现了能量从任意电压大于平均值的电池单体到任意电压小于平均值的电池单体的实时、直接和自动传递。
一种电池组，包括N节串联的电池单体和上述均衡器。
一种电池组，使用上述均衡方法。
本发明的工作原理为：
微控制器发送一对状态互补的PWM信号控制所述半桥电路，使其交替工作在状态I和状态II，从而实现了能量从任意电压较高的电池单体到任意电压较低的电池单体的同时、直接、自动传递。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过在任何两个电池单体之间设置一个电容器，能量可以直接从任何位置的较高电压电池单体转移到任何位置的低电压电池单体，能够实现电池组中任意电池单体到任意电池单体的直接均衡；从而达到更高的均衡效率和速度；
(2)本发明与传统的开关电容均衡方法相同，每个电池只需要两个MOSFET开关和一个电容器，且无需电压检测电路，减小了电路体积，降低了使用成本；
(3)由于开关电容以Delta结构的方式两两相互连接，任何单元都可以彼此相邻，只需要一个开关周期将能量从源电池单体传输到目标电池单体，极大提高了均衡效率和均衡速度；
(4)本发明所提出的均衡器性能与电池数量和初始电池电压无关，具有很强的鲁棒性。可以在任何不平衡条件下执行精确的电压均衡；所提出的均衡器可以实现全电压均衡，而不需要对电容器和MOSFET进行匹配，从而使系统设计变得容易；
(5)与传统的开关电容方法相比具有相同的控制方法。仅使用一对互补的PWM信号，来驱动所有MOSFET开关，实现自动电压均衡而不需要电池监控，控制简单、可靠性高；
(6)所提出的均衡器实现了所有单元的同步均衡，从而实现了更快的平衡速度；
(7)能量只需要通过一个电容器从源单元到目标单元，从而提高均衡效率和容量；
(8)由于MOSFET和电容器的低电压应力，所提出的均衡器具有高可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1(a)四节电池单体时的均衡电路的组成示意图；
图1(b)N节电池单体时的均衡电路的组成示意图；
图2(a)-图2(c)为本发明的工作状态I的原理图；
图3(a)-图3(c)为本发明的工作状态II的原理图；
图4(a)相邻电池单体间的能量传递；图4(b)每相隔一个电池单体的能量传递；图4(c)第一节电池单体到最后一节电池单体的能量传递；
图5为本发明的均衡电流iC和电容电压VC的实验波形图；
图6为本发明的均衡实验效果图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在无法有效消除大电池组内电池单体之间不一致性的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器及其实现方法。与传统的开关电容均衡器相比，可以实现与电池数量和初始电池电压无关的高均衡速度和高均衡效率，而不需要显着提高硬件尺寸、成本和控制等；提出的均衡电路的固有优点是体积小，成本低，控制简单，效率高，速度快，实现了任何电池单体对任何电池单体的直接、同步均衡，显着提高了均衡性能；所提出的拓扑结构的均衡时间、均衡效果与电池电压的排列无关，具有很强的鲁棒性。
作为本发明的一种典型实施例，以4节电池单体为例，并假设VB11>VB12>VB13>VB14。
如图1所示，应用于四节电池单体串的基于Delta结构开关电容均衡电路的示意图。每个电池单元与两个串联连接的MOSFET连接，每个相邻的两个电池需要一个电容器，增加了两个分层电容与第一层电容器并联，以确保为任意两个电池设置一个电容器，实现了增量结构的开关电容器。半桥电路由两个串联的MOS管组成，分别是Q11-Q12,Q13-Q14,Q15-Q16,Q17-Q18。半桥电路的上端连接于电池单体的正极，下端连接于该电池单体的负极。六个开关电容(C11-C13)分别连接于四个半桥电路的中点。控制信号PWM+通过驱动电路连接于半桥电路中上端MOS管的栅极，即Q11,Q13,Q15,Q17的栅极。控制信号PWM-通过驱动电路连接于半桥电路中下端MOS管的栅极，即Q12,Q14,Q16,Q18的栅极。该结构还提供电池串中任何单元之间的所有直接平衡路径，实现独立于电池单元数量和初始单元电压的有效的任意单元到任意单元的平衡。图1(b)进一步提出了应用于n型电池串的均衡器。
所提出的均衡器在一个开关周期内具有两个稳定工作状态。
如图2(a)-图2(c)所示，为本发明的工作状态I的原理图。MOS管Q11,Q13,Q15,Q17导通，Q12,Q14,Q16,Q18关断，开关电容通过Q11,Q13,Q15,Q17与上端电池单体(B11-B13)并联。由于电池电压高于电容器电压，从图中可以看出有6个充电均衡路径(i11A,i12A,i13A,i14A,i15A,i16A)，在此状态下，实现了上端电池单体(B11-B13)对开关电容的同时充电。
如图3(a)-图3(c)所示，为本发明的工作状态II的原理图。MOS管Q12,Q14,Q16,Q18导通，Q11,Q13,Q15,Q17关断，开关电容通过Q12,Q14,Q16,Q18与下端电池单体(B12-B14)并联。由于电容器电压高于下电池电压，从图中可以看出有6个放电均衡路径(i11B,i12B,i13B,i14B,i15B,i16B)，实现了开关电容对下端电池单体(B12-B14)的同时充电。
如图4(a)-图4(c)所示，为均衡电路的所有均衡路径。图4(a)表明本发明均衡电路能够实现相邻电池单体间的能量传递；图4(b)表明本发明均衡电路能够实现每相隔一个电池单体的直接能量传递；图4(c)表明本发明均衡电路能够实现第一节电池单体到最后一节电池单体的直接能量传递。基于以上分析，本发明均衡电路能够实现任意电池单体对任意电池单体的同时、直接、自动均衡，具有较高的均衡效率和均衡速度。
图5给出了本发明在控制频率为25kHz时的均衡电流iC和电容电压VC的实验波形图。表明本发明均衡电路控制简单。
图6给出了本发明的均衡电路对四个电池单体的均衡实验图。初始电池单体电压分别为3.215V，3.160V，3.120V和2.653V，最大初始电压差为562mV。为了验证均衡电路与串联电池串中的电池单元位置无关，均具有良好的均衡性能，图6给出了在频率为25kHz下具有不同电池排列的四个磷酸铁锂电池的均衡结果。可以看出，所提出的均衡器在相同的均衡时间3500s内达到稳定的均衡性能，所有的电池单体电压在不同的排列组合下都能收敛到相同的均衡电压3.112V附近，和几乎相同的最大电压差约7mV，而不管串联电池串中的单元位置如何。实验结果表明本发明均衡电路能够获得任意电池单体对任意电池单体的同时均衡，且均衡速度快，均衡效率高。这表明所提出的方法对于电池电压排列具有良好的鲁棒性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器，其特征是：包括N节电池单体、微控制器、N*(N-1)/2个开关电容和N个半桥电路，每个电池单体对应连接有一个半桥电路，其中：
所述半桥电路包括两个串联的MOS管，所述半桥电路连接微控制器，所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端，以控制各半桥电路的MOS管的导通与关断；
N个半桥电路的中点两两分别通过一个开关电容连接在一起，形成Delta结构。
2.如权利要求1所述的一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器，其特征是：所述N*(N-1)/2个开关电容分别连接于所述N个半桥电路的中点，即两个串联MOS管相连接的点，另一端连接于另一个半桥电路的中点。
3.如权利要求1所述的一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器，其特征是：所述脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，PWM+和PWM-。
4.如权利要求3所述的一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器，其特征是：所述半桥电路的上端MOS管由所述PWM+控制，下端MOS管由所述PWM-控制。
5.如权利要求1所述的一种基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器，其特征是：所述半桥电路的上端MOS管的漏极连接于一节电池单体的正极，下端MOS管的源极连接于该电池单体的负极。
6.应用权利要求1-5中任一项所述的基于Delta结构开关电容的串联电池组均衡器的实现方法，微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，使得电压大于平均值的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压小于平均值的电池单体充电，实现能量的实时与自动均衡。
7.如权利要求6所述的实现方法，其特征是：具体的，包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，即工作状态I和工作状态II；
(2)工作状态I：当所述N个半桥电路中上端MOS管导通、下端MOS管关闭时，所述开关电容与串联电池组中上端的N-1节电池单体并联，电压大于平均值的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压小于平均值的电池单体充电；
(3)工作状态II：当所述N个半桥电路中下端MOS管导通、上端MOS管关闭时，所述开关电容与串联电池组中下端的N-1节电池单体并联，电压大于平均值的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压小于平均值的电池单体充电；
(4)经过这两个状态的交替工作，实现了能量从任意电压大于平均值的电池单体到任意电压小于平均值的电池单体的实时、直接和自动传递。
8.一种电池组，其特征是：包括N节串联的电池单体和如权利要求1-5中任一所述的均衡器。
9.一种电池组，其特征是：使用如权利要求6或7的均衡方法。
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