CN108448676A

CN108448676A - 一种网格结构开关电容的电池组均衡器及其实现方法

Info

Publication number: CN108448676A
Application number: CN201810298036.0A
Authority: CN
Inventors: 张承慧; 商云龙; 张奇; 段彬; 崔纳新
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Hubei Techpow Electric Co ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: CN108448676B

Abstract

本发明公开了一种网格结构开关电容的电池组均衡器及其实现方法，包括微控制器以及N个电池单体、2N个开关电容和N个半桥电路，每个半桥电路对应并联在一个电池单体上，每个半桥电路由微控制器驱动；2N个开关电容以网格结构连接，形成N个开关电容围绕同一个节点中心圆周分布，另外N个开关电容依次与围绕同一个节点中心圆周分布的N个开关电容中两个连接，形成正多边形网状结构，正多边形网状结构的每个顶点处分别连接于所述N个半桥电路的中点。本发明可以通过使用较少的组件，在电池单体之间以更短的均衡路径传输能量，在电池充电、放电或休息的情况下，所提出的均衡器可以有效均衡电池电压。

Description

一种网格结构开关电容的电池组均衡器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种网格结构开关电容的电池组均衡器及其实现方法。

背景技术

电动汽车是未来汽车发展的主方向。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，被广泛应用于电动汽车中。为了满足负载电压和功率的要求，需要将众多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，各电池单体间的内阻、容量等存在差异，并随着电池组老化程度的增加而增大，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，而任意一节电池不在允许的工作范围之内时，都必须终止整个电池组的使用，这一“水桶效应”极大地减小了电池组的可用容量和循环寿命，而如果没有均衡加以控制和调节，甚至会引起爆炸、起火等安全事故。因此，对于串联电池组来说，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和非耗散均衡两大类。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。非耗散均衡方法，根据均衡方式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。这些方法分别采用电容、电感和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，提出了一种网格结构开关电容的电池组均衡器及其实现方法，本发明实现更快的均衡速度和更高的均衡效率，且不局限于串联的电池单体数量和单体电压分布情况，在电池充电、放电或休息的情况下，所提出的均衡器可以有效均衡电池电压。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种网格结构开关电容的电池组均衡器，包括微控制器以及N个电池单体、2N个开关电容和N个半桥电路，其中，每个半桥电路对应并联在一个电池单体上，每个半桥电路由微控制器驱动；

2N个开关电容以网格结构连接，形成N个开关电容围绕同一个节点中心圆周分布，另外N个开关电容依次与围绕同一个节点中心圆周分布的N个开关电容中两个连接，形成正多边形网状结构，正多边形网状结构的每个顶点处分别连接于所述N个半桥电路的中点。

所述N个半桥电路之间通过2N开关电容组成的网格结构分支两两相互连接。

所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端；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-。

所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中各MOS管开关的控制驱动信号；

所述半桥电路由两个串联连接的MOSFET组成，其中第一MOS管的漏极连接于一节电池单体的正极，第二MOS管的源极连接于该电池单体的负极。

应用上述基于网格结构开关电容的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信控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，工作于两个状态：

工作状态I：当所述N个半桥电路上端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；

工作状态II：当所述N个半桥电路下端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；

经过这两个状态的交替工作，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、直接和自动传递。

工作状态I中，电压较高的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压较低的电池单体充电。

工作状态II中，电压较高的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压较低的电池单体充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)基于网格结构开关电容的电池组均衡器实现了对大串联电池组的自动和同时均衡，且不需要对经典开关电容均衡器的硬件和控制做重大修改，不仅实现了高均衡速度和均衡，而且获得了较小的尺寸和低成本；

2)通过连接网状结构电容器的公共节点，可以轻松获得全局均衡，而不需要使用附加电路来实现模块之间的均衡，从而减小尺寸，降低成本，减少损耗；

3)所提出的均衡器具有很强的鲁棒性，可以在任意不均衡情况下执行精确的电压均衡，无需匹配MOSFET和电容，此外，均衡性能与电池串联数量和初始电池电压分布无关；

4)实现了MOSFET上较低的电压应力，从而提高了可靠性，在均衡速度、均衡效率、尺寸和成本等方面均具有优势；

5)无论电池工作状态，如在电池充电、放电或休息的情况下，均衡器均可良好执行。

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为本发明的基于网格结构开关电容的串联电池组均衡器的电路组成示意图(N节电池单体)；

图2(a)-(c)为本发明的工作状态I的原理图；

图3(a)-(c)为本发明的工作状态II的原理图；

图4为本发明的均衡电流i_C和电容电压V_C的实验波形图；

图5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。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术中所述的，目前的电池组均衡器，有的实现了小尺寸和低成本，但均衡速度和均衡效率较低；有的实现了快速均衡和高效均衡，但尺寸较大、成本较高，因此电池组均衡器未能广泛应用于电动汽车上。本发明的目的是为克服上述现有技术中的不足，实现更快的均衡速度和更高的均衡效率，且不局限于串联的电池单体数量和单体电压分布情况，公开了一种基于网格结构开关电容的串联电池组均衡器及其实现方法，该均衡器与传统开关电容均衡器相比，不需要在硬件和控制方面做很多更改，实现了任意电池单体之间的直接均衡，显着提高了均衡性能。提出的网格结构开关电容的电池组均衡器，可以通过使用较少的组件，在电池单体之间以更短的均衡路径传输能量，在均衡速度、均衡效率、可靠性、尺寸和成本等方面均具有优势。此外，在电池充电、放电或休息的情况下，所提出的均衡器可以有效均衡电池电压。

如图1所示，一种基于网格结构开关电容的串联电池组均衡器，包括N节电池单体、微控制器、2N个开关电容和N个半桥电路；

所述半桥电路连接于微控制器、开关电容和电池单体；

所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端；

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-；

所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中MOS管开关的控制驱动信号；

所述半桥电路由两个串联连接的MOSFET组成，其中上端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；每个电池单元与半桥电路并联连接。

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2N个开关电容以网格结构连接，网状结构开关电容的每个角分别连接于所述N个半桥电路的中点，即两个串联MOS管相连接的点；

所述N个半桥电路之间通过2N开关电容组成的网格结构分支两两相互连接；

应用上述基于网格结构开关电容的电池组均衡器的实现方法，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(PWM+和PWM-)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。其中，电压较高的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压较低的电池单体充电；

(3)工作状态II：当所述N个半桥电路下端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。其中，电压较高的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压较低的电池单体充电；

(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。

实施例一：

以4节电池单体为例，并假设V_B11>V_B12>V_B13>V_B14，且每个电容和MOSFET具有相同的特性，每个电路分支中的等效电阻也相同。

如图2(a)所示，应用于四节电池单体串的基于网格结构开关电容均衡器的电路示意图。每个电池单元与半桥电路连接，半桥电路由两个串联的MOSFET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。八个开关电容(C₁₁-C₁₈)构成网状结构开关电容的每个角分别连接于四个半桥电路的中点。提出的均衡器由具有互补状态的两个PWM信号驱动，即PWM+和PWM-。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。该网格结构提供了串联电池组中任何单元之间的所有直接均衡路径，实现独立于电池单元数量和初始单元电压的任意单体到任意单体的有效平衡。

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)所示和图3(a)-图3(c)所示表示出了所提出的均衡器的两个稳定工作状态。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与相应的较高电压的电池单体(B₁₁-B₁₃)连接，从图中可以看出，构成了开关电容的10个充电路径，在此状态下，实现了电池单体(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与相应的较低电压的电池单体(B₁₂-B₁₄)连接。由于电容器电压高于下电池电压，从图中可以看出，构成了开关电容的10个放电路径，，实现了开关电容对电池单体(B₁₂-B₁₄)的同时充电。

如图2(a)-图2(c)所示和图3(a)-图3(c)所示的10个充电路径和10个放电路径，可以得出结论，提出的基于网格结构开关电容均衡器可以在电池串中任何位置的任意两个电池之间直接传输能量，而不需要电池感应电路和闭环控制器。此外，电池单体之间的10条均衡路径是同步进行的。因此，所提出的均衡器可以独立于电池数量和初始电池电压分布而实现更高的均衡速度，均衡效率和可靠性。

图4给出了本发明在控制频率为10kHz时的均衡电流i_C和电容电压V_C的实验波形图。表明本发明均衡电路控制简单。

图5给出了本发明在控制频率为10kHz时的均衡电路对四个电池单体的均衡实验效果图。初始电池单体电压分别为3.220V，3.157V，3.115V和2.644V，可以看出，所提出的均衡器在均衡时间7000s内达到稳定的均衡性能，所有的电池单体电压都能收敛到相同的均衡电压附近，最大电压差约8mV。实验结果表明本发明均衡电路均衡速度快，均衡效率高。

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

1.一种网格结构开关电容的电池组均衡器，其特征是：包括微控制器以及N个电池单体、2N个开关电容和N个半桥电路，其中，每个半桥电路对应并联在一个电池单体上，每个半桥电路由微控制器驱动；

2.如权利要求1所述的一种网格结构开关电容的电池组均衡器，其特征是：所述N个半桥电路之间通过2N开关电容组成的网格结构分支两两相互连接。

3.如权利要求1所述的一种网格结构开关电容的电池组均衡器，其特征是：所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端；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所述的一种网格结构开关电容的电池组均衡器，其特征是：所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中各MOS管开关的控制驱动信号。

5.如权利要求1所述的一种网格结构开关电容的电池组均衡器，其特征是：所述半桥电路由两个串联连接的MOSFET组成，其中第一MOS管的漏极连接于一节电池单体的正极，第二MOS管的源极连接于该电池单体的负极。

6.应用如权利要求1-5中任一项所述的基于网格结构开关电容的电池组均衡器的实现方法，其特征是：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信控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，工作于两个状态：

7.如权利要求6中所述的实现方法，其特征是：工作状态I中，电压较高的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压较低的电池单体充电。

8.如权利要求6中所述的实现方法，其特征是：工作状态II中，电压较高的电池单体给开关电容充电，同时开关电容给电压较低的电池单体充电。