CN109921485A - 一种集中-分散并联型开关电容均衡电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中‑分散并联型开关电容均衡电路及其控制方法。均衡电路包括n个依次串联的电池，其中有且仅有一个电池为集中并联电池；n‑1个均衡电容通过分散并联开关组中的开关管分别与n‑1个电池并联，再通过集中并联开关组中的开关管与剩余的1个集中并联电池并联，且各均衡电容通过集中并联开关组相互并联。集中并联开关组和分散并联开关组的控制信号为一对频率固定、占空比互补且设置有死区时间的PWM信号。本发明的有益效果是：以电容作为能量传输媒介，均衡电路原理简单、控制简单；与传统的开关电容均衡技术相比，为任意两个电池提供了直接均衡通路，缩短了均衡路径，消除了电池电压不均衡分布对均衡速度的影响。

Description

一种集中-分散并联型开关电容均衡电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及串联电池组电压均衡技术领域，尤其是一种集中-分散并联型开关电容均衡电路及其控制方法。

背景技术

串联锂电池组常被作为储能单元或备用电源用于便携式电子设备、电动汽车、光电系统和风电系统等场合。电池组通常作为一个整体进行充放电，但是电池单体的内阻、电压、容量等性能具有不一致性，会造成电池单体的过充和过放。电池过充会使电池发热严重，加速电池的老化，降低电池的使用寿命，甚至可能会引起电池爆炸；电池过放会严重损害电池的性能，减小电池的可用容量。在电池状态不一致状况下对电池组进行充放电，还会造成电池容量的浪费。为了解决这种不一致性问题，延长电池的使用寿命，需要在电池组中加入电池均衡电路。

现有的均衡电路主要分为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。非能量耗散型均衡电路是利用电容、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。根据使用均衡器件的不同，非耗散型均衡电路可以分为基于电感型、基于变压器型和基于电容型等。基于电感型和基于变压器型的均衡电路采用电感和变压器等磁性元件作为能量传输器件，均衡速度快，但是控制复杂，且因为大量使用磁性元件，有增加均衡电路的体积、均衡损耗等缺点。基于电容型的均衡电路均衡原理简单、体积小，常见的有开关电容均衡电路、飞渡电容均衡电路等。飞渡电容均衡电路和开关电容均衡电路都是以电容作为能量传输器件，利用电池间的电压差进行均衡，均衡原理简单。飞渡电容均衡电路只能同时对两个电池进行均衡，在不均衡电池数量较多时均衡过程长，且控制较复杂。开关电容均衡电路控制简单，但其均衡原理是相邻单体-单体间均衡，均衡电路的均衡速度与电池电压的不均衡分布有关，尤其当电池组两端的电池电压不均衡时，均衡速度缓慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种集中-分散并联型开关电容均衡电路及其控制方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种集中-分散并联型开关电容均衡电路，包括依次串联的电池B₁,B₂,…,B_n，n≥3，其中有且仅有一个电池为集中并联电池B_j；

当j＝n，还包括

电池B_i的正极连接到MOS管S_i1的源极，S_i1的漏极连接到MOS管S_ij1的源极，S_ij1的漏极连接到B_j的正极；电池B_i的负极连接到MOS管S_i2的源极，S_i2的漏极连接到MOS管S_ij2的源极，S_ij2的漏极连接到B_j的负极；均衡电容C_i的一端连接到S_i1的漏极，另一端连接到S_i2的漏极；其中，i<j；

当1<j<n，还包括

电池B_i的正极连接到MOS管S_i1的源极，S_i1的漏极连接到MOS管S_ij1的源极，S_ij1的漏极连接到B_j的正极；电池B_i的负极连接到MOS管S_i2的源极，S_i2的漏极连接到MOS管S_ij2的源极，S_ij2的漏极连接到B_j的负极；均衡电容C_i的一端连接到S_i1的漏极，另一端连接到S_i2的漏极；其中，i<j；

电池B_k的正极连接到MOS管S_k1的漏极，S_k1的源极连接到MOS管S_kj1的漏极，S_kj1的源极连接到B_j的正极；电池B_k的负极连接到MOS管S_k2的漏极，S_k2的源极连接到MOS管S_kj2的漏极，S_kj2的源极连接到B_j的负极；均衡电容C_k的一端连接到S_k1的源极，另一端连接到S_k2的源极；其中，k>j；

当j＝1，还包括

电池B_k的正极连接到MOS管S_k1的漏极，S_k1的源极连接到MOS管S_kj1的漏极，S_kj1的源极连接到B_j的正极；电池B_k的负极连接到MOS管S_k2的漏极，S_k2的源极连接到MOS管S_kj2的漏极，S_kj2的源极连接到B_j的负极；均衡电容C_k的一端连接到S_k1的源极，另一端连接到S_k2的源极；其中，k>j。

上述均衡电路的控制方法为：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分别控制所述MOS管，其中：V_GS1控制S_i1、S_i2和S_k1、S_k2，V_GS2控制S_ij1、S_ij2和S_kj1、S_kj2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与基于电感和变压器的均衡技术相比，本发明以电容作为能量传输媒介，均衡电路原理简单、控制简单。

2、与现有的飞渡电容均衡技术相比，本发明在不增加MOS管的情况下，只增加均衡电容，未明显增加电路的成本、体积，便可在一个周期内实现所有电池间的能量传输，缩短了均衡过程。

3、与传统的开关电容均衡技术相比，本发明为任意两个电池提供了直接均衡通路，缩短了均衡路径，消除了电池电压不均衡分布对均衡速度的影响。

附图说明

图1a为本发明以第n个电池作为集中并联电池的结构图；

图1b为本发明以中间电池作为集中并联电池的结构图；

图1c为本发明以第1个电池作为集中并联电池的结构图；

图1a、图1b和图1c中，虚线框1-均衡电容，虚线框2-集中并联开关组，虚线框3-分散并联开关组。

图2为实施例的电路结构图；

图3a为实施例的工作状态Ⅰ；

图3b为实施例的工作状态Ⅱ；

图4为实施例在电压不均衡情况1下均衡电容C₁的电压、电流仿真波形；

图5a为实施例在电压不均衡情况1下电池电压的均衡仿真波形；

图5b为实施例在电压不均衡情况2下电池电压的均衡仿真波形；

图5c为实施例在电压不均衡情况3下电池电压的均衡仿真波形。

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。

一种集中-分散并联型开关电容均衡电路，包括电池组、均衡电容、集中并联开关组和分散并联开关组；其中，电池组包含n个电池，从电池组的负极到正极，电池按照B₁,B₂,…,B_n的顺序排列；均衡电容的数量为n-1个；集中并联开关组和分散并联开关组均由2(n-1)个开关管组成。

n-1个均衡电容通过分散并联开关组中的开关管分别与n-1个电池并联，再通过集中并联开关组中的开关管与剩余的1个电池(称为集中并联电池)并联，且各均衡电容通过集中并联开关组相互并联；对于由n个电池构成的电池组，可以有n种均衡电路结构，每一个电池都可以作为均衡电容的集中并联电池。

图1a、图1b、图1c所示为三种典型的均衡电路结构。

图1a为以第n个电池作为集中并联电池的均衡电路结构。如图所示，电池B_n作为集中并联电池，均衡电容C₁和C_n-1分别通过开关管S_1n1、S_1n2和S_(n-1)n1、S_(n-1)n2并联到电池B_n的两端；同时，均衡电容C₁通过开关管S₁₁、S₁₂并联到电池B₁的两端，均衡电容C_n-1通过开关管S_(n-1)1、S_(n-1)2并联到电池B_n-1的两端；其中，均衡电容的编号依次为C₁,…,C_n-1；

图1b为以中间电池作为集中并联电池的均衡电路结构。电池B_m作为集中并联电池，均衡电容C₁和C_n分别通过开关管S_1m1、S_1m2和S_nm1、S_nm2并联到电池B_m的两端；同时，均衡电容C₁通过开关管S₁₁、S₁₂并联到电池B₁的两端，均衡电容C_n通过开关管S_n1、S_n2并联到电池B_n的两端；其中，m＝2,…,n-1；均衡电容的编号依次为C₁,…,C_m-1,C_m+1,…,C_n；

图1c为以第1个电池作为集中并联电池的均衡电路结构。如图所示，电池B₁作为集中并联电池，均衡电容C₂和C_n分别通过开关管S₂₁₁、S₂₁₂和S_n11、S_n12并联到电池B₁的两端；同时，均衡电容C₂通过开关管S₂₁、S₂₂并联到电池B₂的两端，均衡电容C_n通过开关管S_n1、S_n2并联到电池B_n的两端；其中，均衡电容的编号依次为C₂,…,C_n；

集中并联开关组和分散并联开关组中所有的开关管都采用单个MOS管；当均衡电容C_k通过分散并联开关组并联的电池B_k的编号大于其通过集中并联开关组并联的电池B_j的编号，即k>j时，分散并联开关组中连接电池B_k的MOS管漏极连接电池B_k，源极连接均衡电容C_k，集中并联开关组中连接电池B_j的MOS管漏极连接均衡电容C_k，源极连接电池B_j；反之，即k<j，则MOS管的连接方式相反；其中，j＝1,2,…,n；k＝1,2,…,n；j≠k。

根据上述规则，图1a所示的均衡电路中，电池B_n作为集中并联电池，其编号最大，故集中并联开关组中所有MOS管的漏极连接电池B_n，源极连接均衡电容，而分散并联开关组中所有MOS管的源极连接电池，漏极连接均衡电容；同理，可得到图1b和图1c所示均衡电路中MOS管的连接方式。

本发明均衡电路的控制方法为：集中并联开关组中开关管的控制信号相同，分散并联开关组中开关管的控制信号相同；集中并联开关组和分散并联开关组的控制信号为一对频率固定、占空比互补的PWM信号；同时为了防止电池短路，在两个控制信号中设置有死区时间。

实施例

以3电池的均衡电路为实施例，其电路结构图如图2所示。均衡电路两个工作状态的电路图分别如图3a和3b所示。当电池电压V_B1>V_B2>V_B3时，均衡电路的工作状态如下：

工作状态Ⅰ：控制信号V_GS1控制开关管S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂导通，均衡电容C₁和电池B₁并联，电池B₁向均衡电容C₁充电，均衡电容C₂和电池B₂并联，电池B₂向均衡电容C₂充电(当电压关系变为V_B2≤V_B3后，变为均衡电容C₂向电池B₂充电)；

工作状态Ⅱ：控制信号V_GS2控制开关管S₁₃₁、S₁₃₂、S₂₃₁、S₂₃₂导通，均衡电容C₁、C₂和电池B₃并联，均衡电容C₁、C₂同时向电池B₃充电(当电压关系变为V_B2≤V_B3后，变为均衡电容C₁向均衡电容C₂和电池B₂充电)；

工作状态Ⅰ和工作状态Ⅱ交替进行，即可实现电池组内电池电压的自动均衡。

图4为实施例在电压不均衡情况1下均衡电容C₁的电压、电流的仿真波形；图5a、图5b、图5c分别为三种不同电压不均衡情况下电池电压的均衡仿真波形。电路的仿真参数：均衡电容为110μF，每个均衡单元设置30mΩ的电阻作为电路寄生电阻，用0.5F的电容代替电池，开关频率为100kHz。电压不均衡情况1：V_B1＝3.6V、V_B2＝3.5V、V_B3＝3.4V；电压不均衡情况2：V_B1＝3.5V、V_B2＝3.6V、V_B3＝3.4V；电压不均衡情况3：V_B1＝3.4V、V_B2＝3.5V、V_B3＝3.6V。

由图4可知，当控制信号V_GS1为高电平时，流过均衡电容C₁的电流方向为正，能量从电池B₁向均衡电容C₁传输，均衡电容电压逐渐升高；当控制信号V_GS2为高电平时，流过均衡电容C₁的电流方向为负，能量从均衡电容C₁向电池B₃传输，均衡电容电压逐渐降低；仿真结果与理论分析一致。

由图5a、图5b、图5c可知，在三种不同的电池电压不均衡分布情况下，均衡电路的均衡时间分别为0.337s、0.355s、0.337s，均衡速度基本一致，表明本发明的均衡速度不受电压不均衡分布的影响；仿真结果与理论分析一致。

综上，本发明所提出的集中-分散并联型开关电容均衡电路，在不增加MOS管的情况下，可以在一个周期内实现所有电池间的能量传输，均衡路径短，改进了飞渡电容均衡电路只能同时均衡两个电池的缺点；本发明采用一对频率固定、占空比互补的PWM信号驱动MOS管，控制简单；本发明为任意两个电池提供了直接均衡通路，缩短了均衡路径，使电路的均衡速度不受电池电压不均衡分布的影响，改进了传统开关电容均衡电路均衡速度慢的问题。

Claims (2)

1.一种集中-分散并联型开关电容均衡电路，其特征在于，包括依次串联的电池B₁,B₂,…,B_n，n≥3，其中有且仅有一个电池为集中并联电池B_j；

当j＝n，还包括

电池B_i的正极连接到MOS管S_i1的源极，S_i1的漏极连接到MOS管S_ij1的源极，S_ij1的漏极连接到B_j的正极；电池B_i的负极连接到MOS管S_i2的源极，S_i2的漏极连接到MOS管S_ij2的源极，S_ij2的漏极连接到B_j的负极；均衡电容C_i的一端连接到S_i1的漏极，另一端连接到S_i2的漏极；其中，i<j；

当1<j<n，还包括

电池B_i的正极连接到MOS管S_i1的源极，S_i1的漏极连接到MOS管S_ij1的源极，S_ij1的漏极连接到B_j的正极；电池B_i的负极连接到MOS管S_i2的源极，S_i2的漏极连接到MOS管S_ij2的源极，S_ij2的漏极连接到B_j的负极；均衡电容C_i的一端连接到S_i1的漏极，另一端连接到S_i2的漏极；其中，i<j；

电池B_k的正极连接到MOS管S_k1的漏极，S_k1的源极连接到MOS管S_kj1的漏极，S_kj1的源极连接到B_j的正极；电池B_k的负极连接到MOS管S_k2的漏极，S_k2的源极连接到MOS管S_kj2的漏极，S_kj2的源极连接到B_j的负极；均衡电容C_k的一端连接到S_k1的源极，另一端连接到S_k2的源极；其中，k>j；

当j＝1，还包括

电池B_k的正极连接到MOS管S_k1的漏极，S_k1的源极连接到MOS管S_kj1的漏极，S_kj1的源极连接到B_j的正极；电池B_k的负极连接到MOS管S_k2的漏极，S_k2的源极连接到MOS管S_kj2的漏极，S_kj2的源极连接到B_j的负极；均衡电容C_k的一端连接到S_k1的源极，另一端连接到S_k2的源极；其中，k>j。

2.如权利要求1上所述的一种集中-分散并联型开关电容均衡电路的控制方法，其特征在于，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分别控制所述MOS管，其中：V_GS1控制S_i1、S_i2和S_k1、S_k2，V_GS2控制S_ij1、S_ij2和S_kj1、S_kj2。