CN111564886B - 基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法 - Google Patents

基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法，用于电池组均衡控制，电池组由n个电池单元串联连接组成；均衡电路包括：n个半桥电路，每一半桥电路并联连接于电池单元两端，每一所述半桥电路的中点并联连接一对应的开关电容，每一所述半桥电路包括串联连接的二开关管；一储能电容网络，包括由开关电容串联组成的基本储能电容网络；一链式驱动电容网络，一端电性连接所述半桥电路或储能电容网络，另一端电性连接一驱动脉冲发生器，驱动脉冲发生器电性连接链式驱动电容网络；一控制逻辑电路，电性连接电池组、驱动脉冲发生器及一主控板。采用上述方案本发明的均衡装置均衡效果突出，性能可靠，通用性强且可扩展性强。

Description

基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法
技术领域
本发明属于充电控制技术领域，尤其涉及一种基于电容网络的电池组均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法。
背景技术
目前电动设备，如电动汽车和汽车启动电瓶等，广泛应用于市场，电动设备基于可充放电的串联电池组，尤其是高低压、大电流动力铅酸电池组和锂电池组。电池供电的设备为获得一定输出电压和功率，通常由多个电池单元串并联而成，但是由于电池单元容量有差异，串联充电时不能同时充满电，放电时不能同时完全放电，造成电池组可使用容量下降，随着电池老化，单元不均衡现象更为突出。以往铅酸电池时代，电池组使用时充放电不频繁，电池单元不均衡对电池组影响不严重，需求不迫切，研究不多。而随着电动汽车的出现，使电池组用途发生变化，需要频繁、深度充放电，对均衡技术领域需求猛增。
在充电过程中，为了使每个单元电芯充满电，通常采用充电均衡电路，在电池单元接近充满电时，降低高电压单元充电电流或放电，减缓充电速度，延长充电时间，使低电压单元获得更多电量，直至同时充电至充电截止电压；在使用电池放电过程中，为了使每个电池单元完全放电，通常使用有源器件(active component，也称主动元件)均衡电路，用高电压电池单元或电池组能量为低电压电池单元充电，使所有电池单元同时完全放电，提高可使用容量。
已有技术中电池组一般采用无源器件(passive component，也称被动器件)，如功率电阻放电实现均衡。充电过程中，当每个电芯单元充电电压高于一定值时，通过电阻分流充电电压过高的电池单元，使充电电压较低的电池单元继续充电，直至同时充电至充电截止电压。这种电路一是发热，二是消耗能量，一般只用于充电均衡，同时由于电流不能过大，均衡能力有限，均衡充电时间长，效果不理想；也有采用有源器件充放电均衡电路，如开关电容法、开关电感法、多模块开关选择法、多绕组变压器均衡法、双向DC-DC变流器法等等，其中开关电容法体积小、重量轻、成本低，发热低，电磁兼容性好，性能可靠，尤其值得研究。但是，开关电容法均衡电路结构中储能电容的开关控制部分比较复杂，由于被驱动开关电路直流电平不一，有些专利技术仅仅停留在采用计算机软件模拟驱动，并没有实现实际电路应用。传统技术中，主要采用单片机输出控制信号，由光耦或脉冲变压器耦合应对电平移动驱动MOSFET开关，实现均衡功能；也有采用机械开关如继电器来实现电平移动和开关，却存在工作频率低、均衡效率低、体积大、成本高等缺点。
发明内容
为解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法，采用链式结构的驱动电容网络实现电平移动和驱动功能，实现并简化了储能电容网络和半桥电路的开关控制，同时具备级联均衡特性，适用于电池组内单元电压电芯单元间均衡，也适应于高电压电池组单元组成的长串电池组的电池组单元级间均衡。
为实现上述目的，一方面，本发明公开了一种用于电池组的基于电容网络的均衡装置，用于对电池组进行均衡控制，所述电池组包括n个串联连接的电池单元B1、B2、……、Bn，所述均衡电路包括：
n个半桥电路，每一半桥电路并联连接于所述电池单元两端，每一所述半桥电路包括串联连接的二开关管，所述开关管采用二极管、场效应管MOSFET或IGBT中任一项或其组合，组成储能电容的开关网络。
一储能电容网络，包括由n-1个开关电容C1、C2、……、Cn-1串联组成的基本储能电容网络，所述开关电容C1、C2、……、Cn-1依次并联连接于n个所述半桥电路中点之间；
一链式驱动电容网络，一端电性连接所述半桥电路或储能电容网络，另一端电性连接一驱动脉冲发生器，所述链式驱动电容网络包括n个依序串联或并联连接组成链式结构的驱动电容；
一控制逻辑电路，电性连接所述电池组、驱动脉冲发生器及一主控板，用于检测电池组、电池单元的电压，并控制驱动脉冲发生器的使能和频率及电源开关，以降低能耗；
其中，所述n为正整数，本发明的控制逻辑电路根据电池组、电池单元的电压信息判定均衡使能并产生使能和频率控制信号驱动脉冲发生器输出所需波形至链式驱动电容网络，通过所述链式驱动电容网络耦合至所述半桥电路，控制所述半桥电路的上下臂轮流导通，使储能电容网络与连接的电池单元轮流导通，所述电池组中电压高的电池单元为储能电容网络中的开关电容充电，降低其电压；电压低的电池单元从储能电容网络中取电，使电池单元电压升高，如此反复，实现所述电池组的电池单元之间的电压均衡。
进一步地，所述储能电容网络还包括一多层链式储能电容网络，所述多层链式储能电容网络包括n-2个开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n-2；其中，所述开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n-2与所述基本储能电容网络组成一金字塔形多层链式储能电容网络，所述金字塔形多层链式储能电容网络的第一层为基本储能电容网络；第二层的开关电容并联于两个或两个以上串联的基本储能电容网络的开关电容两端；第三层并联于两个或两个以上串联的第二层的开关电容两端；依次类推，形成金字塔形结构，所述金字塔形多层链式储能电容网络可以缩短电荷转移路径，增大均衡电路，提高均衡效率和速度。
进一步地，所述驱动脉冲发生器采用但不限于自振荡器、555定时器、PWM控制器、微处理器单片机或专用半桥驱动IC，所述驱动脉冲发生器具有使能控制端和/或频率控制端，以产生一驱动脉冲信号，所述驱动脉冲信号为一占空比为50％的方波脉冲或一对同极性或反极性占空比接近50％且存在死区时间的互补方波脉冲。
进一步地，所述控制逻辑电路在电池正常工作电压Vop范围内及放电过压状态，控制切断脉冲发生器电源或使能进入待机状态，降低电池静态能耗，本发明的控制逻辑电路采用微功耗电路并具有过放电休眠功能，进一步降低静态能耗，延长电池待机时间。
进一步地，所述控制逻辑电路集成有充放电保护电路，所述充放电保护电路包括：
至少一组包括充电过压检测器OC DET、放电过压检测器OD DET、充电均衡检测器BU DET及放电均衡检测器BL DET的输入电压检测器DET，用于获取电池单元和/或电池组的电压信息并输出至控制逻辑电路，以输出相应均衡控制信号；
所述充电过压检测器OC DET、放电过压检测器OD DET、充电均衡检测器BU DET、放电均衡检测器BL DET均采用微功耗高精密电压比较器。
另一方面，本发明公开了一种可级联均衡电池组，采用上述的基于电容网络的均衡装置，其中：
每一所述电池单元包括一具单元电压的电芯单元、一由电芯单元并联连接组成的复合电芯单元及由电芯单元串联连接组成的高电压电池组单元；
所述电池组通过一级联接口电路依次串接组成可级联均衡长串电池组，电池组在均衡装置工作时，将电量通过级联接口传递给上一级联电池组，同时通过级联使能控制电路启动上一级联电池组均衡装置，以形成带有源均衡装置的长串电池组，实现每一级联电池组间的电压均衡控制。
进一步地，所述级联接口电路包括一均衡控制使能EN端、一单元电压级联接口和/或一电池组电压级联接口；
所述均衡控制使能EN端包括由输入端EN/I、输出端EN/O组成的级联使能控制电路，用于在电池组或电芯单元进入充电过压状态OC或放电过压状态OD时，同时该电池组或电芯单元电压不低于放电均衡停止电压VBDL时，使能EN端强制启动均衡装置；
所述单元电压级联接口用于电池组内电芯单元间充电均衡和高电压电池组单元间充放电均衡；所述电池组电压级联接口用于所述长串电池组中级联电池组的级间电压均衡。
进一步地，所述单元电压级联接口包括：
一低压级联均衡电路，进一步包括一辅助储能电容CB；
一接口半桥电路，通过一开关电容Cn电性连接所述基本储能电容网络的开关电容Cn-1，所述接口半桥电路包括二开关管；
至少一低压级联驱动电容网络，电性连接所述接口半桥电路及所述半桥电路、链式驱动电容网络，每一低压级联驱动电容网络至少包括一驱动电阻Rnb、一驱动电容Cnb；
其中，所述单元电压级联接口的接口端Bn+1经所述辅助储能电容CB电性连接所述电池组正极B+，同时所述辅助储能电容CB两端还并联连接所述接口半桥电路；
所述电池组正极B+与上一级联的电池组负极B-连接，所述接口端Bn+1与上一级联的电池组的第一个电池单元的正极连接。
进一步地，所述电池组电压级联接口包括：
一高压级联均衡电路，进一步包括一高压辅助储能电容CB；
一高压组半桥电路，至少包括二开关管；
一低压组半桥电路，两端并联连接所述电池组，所述低压组半桥电路至少包括二开关管，并联连接于电池组正负极两端；
一高压级联驱动电阻电容网络，电性连接所述高压组半桥电路及所述半桥电路、链式驱动电容网络，每一所述高压级联驱动电阻电容网络至少包括一驱动电阻Rnb、一驱动电容Cnb；
所述电池组电压级联接口的接口端B2n经辅助储能电容CB电性连接电池组正极B+，同时经高压组半桥电路电性连接电池组正极B+；所述接口端B2n还与上一级联电池组正极连接。
另一方面，本发明还公开了一种基于电容网络的均衡控制方法，基于上述设有均衡装置的可级联均衡电池组，所述控制方法包括：
在电池组电压高于预设充电均衡启动电压VBCH和/或低于放电均衡启动电压VBDH时，所述控制逻辑电路为所述驱动脉冲发生器供电或使能使其输出驱动脉冲信号，启动所述均衡装置；
在电池组电压低于充电均衡停止电压VBCL、低于放电均衡停止电压VBDL或高于放电均衡启动电压VBDH时，所述控制逻辑电路关断驱动脉冲信号，关闭所述均衡装置。
进一步地，在所述电池组或电芯单元进入充电过压状态OC或放电过压OD状态同时该电池组或电芯单元电压不低于放电均衡停止电压VBDL时，启动所述均衡装置，反之，关闭所述均衡装置。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提出了一种基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法，采用链式结构的驱动电容网络实现电平移动和驱动功能，实现并简化了储能电容网络和半桥电路的开关控制，使用简单的方波脉冲驱动，性能稳定可靠；
同时本发明采用微功耗均衡控制电路实现对脉冲发生器的使能或开关控制，使正常电压放电时均衡电路休眠或关断，降低了电池静态功耗，延长了电池的待机时间，尤其是应用在电动汽车领域，这一特性尤为重要；
本发明的均衡装置具备级联均衡特性，适用于电池组内单元电压电芯单元间均衡，也适应于高电压电池组单元组成的长串电池组的电池组单元级间均衡，满足高电压电池组均衡需要；
本发明的均衡装置电路拓扑结构合理，均衡效果突出，性能可靠，通用性和可扩展性强，可以方便地实现产品化和模块通用化，广泛用于电池组电芯单元的均衡和电池组单元间的级间均衡，可适用于串联铅酸电池组和锂电池组。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)-(b)为本发明实施例基本储能电容网络工作原理示意图；
图2为本发明另一实施例采用二极管半桥开关的可级联电容均衡电路拓扑结构示意图；
图3(a)-(d)为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图；
图4为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图；
图5(a)-(b)为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图；
图6(a)-(c)为本发明实施例级联接口接线示意图；
图7为本发明实施例优选控制逻辑电路示意框图；
图8为本发明实施例优选控制逻辑电路示意框图。
其中：
1、电池组；2、储能电容网络；3、半桥电路；4、链式驱动电容网络；5、驱动脉冲发生器；6、控制逻辑电路；7、级联接口；71、均衡控制使能EN端；72、单元电压级联接口；73、电池组电压级联接口；8、可级联均衡电池组；9、充放电保护电路I；10、充放电保护电路II。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
具体实施例一：
一方面，本发明实施例公开了一种用于电池组的基于电容网络的均衡装置，用于对电池组1进行均衡控制，电池组1包括n个串联连接的电池单元B1、B2、……、Bn，n为正整数；均衡电路包括：
n个半桥电路3，每一半桥电路3并联连接于电池单元两端，每一半桥电路3的中点并联连接一对应的开关电容，每一半桥电路3包括串联连接的二开关管，开关管采用二极管、场效应管MOSFET或IGBT中任一项或其组合，组成储能电容的开关网络。
一储能电容网络2，包括由n-1个开关电容C1、C2、……、Cn-1串联组成的基本储能电容网络，开关电容C1、C2、……、Cn-1依次并联连接于n个半桥电路3中点之间；
一链式驱动电容网络4，一端电性连接半桥电路3或储能电容网络2，另一端电性连接一驱动脉冲发生器，链式驱动电容网络包括n个依序串联或并联连接组成链式结构的驱动电容；
一控制逻辑电路6，电性连接电池组1、驱动脉冲发生器及一主控板，用于检测电池组1或其电池单元的电压，并控制驱动脉冲发生器的使能、频率及电源开关，以降低能耗；
其中，控制逻辑电路6根据电池组、电池单元的电压信息判定均衡使能并产生使能和频率控制信号驱动脉冲发生器输出所需波形至链式驱动电容网络4，通过链式驱动电容网络4耦合至半桥电路3，控制半桥电路3的上下臂轮流导通，使储能电容网络2与连接的电池单元轮流导通，电池组1中电压高的电池单元为储能电容网络2中的电容充电，降低其电压；电压低的电池单元从储能电容网络2中取电，使电池单元电压升高，如此反复，实现电池组1的电池单元之间的电压均衡。
储能电容网络2还包括一多层链式储能电容网络，多层链式储能电容网络包括n-2个开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n-2；其中，开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n-2与基本储能电容网络组成一金字塔形多层链式储能电容网络，金字塔形多层链式储能电容网络的第一层为基本储能电容网络；第二层开关电容并联于两个或两个以上串联的基本储能电容网络的开关电容两端；第三层并联于两个或两个以上串联的第二层开关电容两端；依次类推，形成金字塔形结构，可以缩短电荷转移路径，增大均衡电路，提高均衡效率和速度。
驱动脉冲发生器采用但不限于自振荡器、555定时器、PWM控制器、微处理器单片机或专用半桥驱动IC，驱动脉冲发生器具有使能控制端和/或频率控制端，以产生一驱动半桥电路3的驱动脉冲信号，驱动脉冲信号为一占空比为50％的方波脉冲或一对同极性或反极性占空比接近50％且存在死区时间的互补方波脉冲。
控制逻辑电路6在电池正常工作电压Vop范围内及放电过压状态，控制切断脉冲发生器电源或使能进入待机状态，降低电池静态能耗，本发明实施例的控制逻辑电路6采用微功耗电路并具有过放电休眠功能，进一步降低静态能耗，延长电池待机时间。
控制逻辑电路6集成有充放电保护电路，充放电保护电路包括：
至少一组包括充电过压检测器OC DET、放电过压检测器OD DET、充电均衡检测器BU DET及放电均衡检测器BL DET的输入电压检测器DET，用于获取电池单元或电池组1的电压信息并输出至控制逻辑电路6，以输出相应均衡控制信号；
充电过压检测器OC DET、放电过压检测器OD DET、充电均衡检测器BU DET、放电均衡检测器BL DET均采用微功耗高精密电压比较器。
另一方面，本发明实施例公开了一种可级联均衡电池组8，采用上述的基于电容网络的均衡装置，其中：
每一电池单元包括一具单元电压的电芯单元、一由电芯单元并联连接组成的复合电芯单元及由电芯单元串联连接组成的高电压电池组单元；
电池组通过一级联接口电路依次串接组成可级联均衡长串电池组，电池组在均衡装置工作时，将电量通过级联接口传递给上一级联电池组，同时通过级联使能控制电路启动上一级联电池组均衡装置，以形成带有源均衡装置的长串电池组，实现每一级联电池组间的电压均衡控制。
级联接口电路包括均衡控制使能EN端71、单元电压级联接口72；均衡控制使能EN端71，包括由输入端EN/I、输出端EN/O组成的级联使能控制电路，用于在电池组或电芯单元进入充电过压状态OC或放电过压状态OD时，同时该电池组或电芯单元电压不低于放电均衡停止电压VBDL时，使能EN端强制启动均衡装置；单元电压级联接口72包括：一低压级联均衡电路，低压级联均衡电路包括：一辅助储能电容CB，一接口半桥电路，通过一开关电容Cn电性连接基本储能电容网络的开关电容Cn-1，该接口半桥电路包括二开关管；至少一低压级联驱动电容网络，电性连接接口半桥电路及半桥电路3、链式驱动电容网络4，每一低压级联驱动电容网络至少包括一驱动电阻Rnb、一驱动电容Cnb；
其中，单元电压级联接口72的接口端Bn+1经辅助储能电容CB电性连接电池组正极B+，同时辅助储能电容CB两端还并联连接接口半桥电路；
电池组正极B+与上一级联的电池组负极B-连接，接口端Bn+1与上一级联的电池组的第一个电池单元的正极连接；
接口电路级联接口端Bn+1与上一级联电池组正极连接。
另一方面，本发明实施例还公开了一种基于电容网络的均衡控制方法，基于上述设有均衡装置的可级联均衡电池组8，控制方法包括：
(1)在电池电压高于预设的充电均衡启动电压VBCH(低于过充保护电压VOC)和/或低于放电均衡启动电压VBDH时启动脉冲发生器，输出驱动脉冲，启动均衡电路；(2)在低于充电均衡停止电压VBCL(<VBCH)、低于放电均衡停止电压VBDL(不低于电芯过放保护电压VOD，低于放电均衡启动电压VBDH)、高于放电均衡启动电压VBDH(不低于过放保护释放电压VODR)时停止均衡；其中，
VOC≥VBCH≥VBCL≥VOP≥VBDH≥VODR≥VBDL≥VOD
(3)在电池组或电芯单元进入充电过压状态OC或放电过压OD状态同时该电池组或电芯单元电压不低于放电均衡停止电压VBDL时，启动均衡装置，反之，关闭均衡装置。
图1所示为本发明实施例的储能电容网络的基本结构示意图，参考图1所示为电池组的储能电容网络的基本结构，为简化说明，采用单刀双掷开关实现上述半桥电路的开关效果，每个电池单元两端与一个单刀双掷开关连接，单刀双掷开关的另一端连接一开关电容，其中，所述电池组包括四节串联的电池单元，参考图1(a)所示的储能电容网络由3个开关电容C1、C2、C3串联组成，其实现电压均衡的原理如下所述：(1)当单刀双掷开关的开关掷向电池单元正极，单刀双掷开关的上臂SWX-1接通时，其中X＝1、2、3、4，开关电容C1、C2、C3的电荷相应与电池单元B2、B3、B4交换，使开关电容C1、C2、C3两端电压与电池单元B2、B3、B4电压相等，即VC1＝VB2，VC2＝VB3，VC3＝VB4；(2)当开关掷向电池单元负极，单刀双掷开关的下臂SWX-2接通时，开关电容C1、C2、C3电荷与电池单元B1、B2、B3交换，如B1电池单元电压低于开关电容电压VB1<VC1＝VB2，开关电容C1向电池单元B1充电，使电容电压VC1降低，电池单元B1电压VB1升高，直至相等；如电池单元B1电压高于开关电容电压VB1>VC1＝VB2，则电池单元B1向开关电容C1充电，使开关电容电压VC1升高，电池单元B1电压VB1降低，直至相等。使上述单刀双掷开关的上臂SWX-1、下臂SWX-2轮流导通一次，C1搬移的电量为：Q＝C×ΔVC1＝C×(VB2-VB1)；经过C1的多次电荷搬移，使电池单元B1与B2电压趋近相等，电池单元电压差ΔVC1表示为：ΔVC1＝VB2-VB1＝0；相应的，均衡电流＝Q/t＝C×ΔVC1×f，其中，C为开关电容容量，f为开关频率。同理，实现VB2＝VB3＝VB4，最终实现相邻电池单元间电压均衡，均衡步长为1。
图1(b)为本发明实施例应用于四节电池单元串联的可级联电池组原理示意图。参考图1(b)所示，在图1(a)的基础上，还包括金字塔形多层链式储能电容网络及单元电压级联接口，金字塔形多层链式储能电容网络由步长为2的开关电容C5、C6及步长为4的开关电容C7组成，第一层为图1(a)中的基本储能电容网络，第二层开关电容C5、C6分别并联于开关电容C1和C2、C3和C4两端；第三层开关电容C7并联于第二层开关电容C5、C6两端；
图1(b)中的单元电压级联接口包括：辅助储能电容CB、单刀双掷开关SW5及其驱动、接口端Bn+1；单刀双掷开关SW5用于单元电压级联接口中接口半桥电路的开关效果；辅助储能电容CB一端与电池组正极B+连接，电池组正极B+与上一级联的电池组负极B-连接，辅助储能电容CB另一端，即接口端Bn+1，与上一级联的电池组负极的第1节电池单元B1正极连接，即辅助储能电容CB与上一级联电池组负极端的第1节电池单元两端并联，辅助储能电容CB用于优化电磁干扰；单刀双掷开关SW5的上臂SW5-1与接口端Bn+1连接，下臂SW5-2与电池组正极B+连接，单刀双掷开关SW5的中点与储能电容网络连接，单刀双掷开关SW5与链式驱动电容网络连接。不作级联使用时，该单元电压级联接口亦可作为第n+1个均衡单元接口，用于n+1个电池单元的电池组均衡使用。
此时的单刀双掷开关SW5上臂SW5-1接通时，相当于上述单元电压级联接口的接口半桥电路的上臂导通，储能网络电容与上臂SW5-1对应电池单元及辅助储能电容CB并联，完成电荷交换；下臂SW5-2导通时，储能电容网络与下臂对应电池单元并联，完成电荷交换；上臂下臂轮流导通，使电荷在储能电容网络与电池单元间流动，形成均衡电流；循环往复使电池单元间电压趋近相等，完成均衡。
ΔVC5＝(VB3+VB2)-(VB2+VB1)＝VB3-VB1，步长为2；
ΔVC7＝(VCB+VB4+VB3+VB2)-(VB4+VB3+VB2+VB1)＝VCB-VB1，步长为4，以实现电池单元B1与辅助储能电容CB间的电压均衡；
ΔVC6＝(VCB+VB4)-(VB3+VB4)＝VCB-VB3，步长为2，以实现电池单元B3与级联辅助储能电容CB间的电压均衡。
与基本储能电容网络相比，任意步长的多层链式储能电容网络提供了额外的均衡电流通道，可以有效地提高均衡效能，缩短均衡时间并实现级间均衡。步长可以选串联电池单元数的公约数、级数，如常用的由2n-1只电容组成的1、2、4、8、……的金字塔形结构，以提高均匀均衡的效果。
因此，本发明实施例提供的可级联均衡电池组能有效提高均衡效率，缩短均衡时间，均衡电流取决于开关电容容量和开关频率f。为满足均衡电流需要，在不显著增加开关电容容量(即成本)情况下，必须提高开关电容开关频率f。
图2为本发明实施例可级联均衡电池组的优选拓扑结构示意图，参考图2所示，该电池组1由n个规格相同的电池单元B1、B2、……、Bn串联而成、n-1个电容C1、C2、……、Cn-1组成的储能电容网络2、n个半桥电路、最多n个依序并联连接的驱动电容组成的链式驱动电容网络4、驱动脉冲发生器5及其控制逻辑电路6，组成可级联均衡电池组8，采用二极管作为半桥电路的开关管，每个电池单元对应连接一个半桥电路，其中：D1X为半桥下臂，D2X为半桥上臂，X＝1、2、……、n。
该电池组1的接口电路采用单元电压级联接口72，该接口电路包括：接口半桥电路，接口半桥电路由二极管D1b、D2b组成，半桥中点连接链式驱动电容网络4、储能电容网络2，链式驱动电容网络4包括驱动电容C11、C12；接口半桥电路的下臂D1b下端与电池组正极B+连接并与上一级联电池组负极连接，接口半桥电路的上臂D2b上端为接口端Bn+1，与上一级联电池组负极端第一节电池单元正极连接。
(1)电池单元B1电压VB1高于B2电压VB2情况下，当驱动输出为低电平时，半桥下臂D1X导通，若开关电容CX上电压VCX低于电池单元BX电压VBX，则BX为开关电容CX充电，VCX升高，VBX降低，直至相等；(2)当驱动输出为高电平时，半桥上臂D2X导通，若开关电容CX上电压VCX＝VBX高于电池单元B(X+1)电压VB(X+1)，则开关电容CX为B(X+1)充电，VCX降低，VB(X+1)升高，直至相等；如此反复，使VBX降低，VB(X+1)升高，直至相等。
(2)电池单元B1电压VB1低于B2电压VB2情况下，驱动输出脉冲为B1充电，使VB1升高，直至与上一级联相邻电池单元电压相等。上述采用二极管作为半桥电路的可级联均衡电池组的拓扑结构简单可靠，成本低，适用于均衡电流不大的小功率应用中。
图6(a)示出了单元电压级联接口接线示意图，用于Pack内部级联的电池单元均衡；B/BD1、B/BD2为本均衡装置，Pack为2n个电池单元组成的电池组1，即BAT。B/BD1与电池组内电池单元B1、B2、……、Bn+1一一对应连接，B/BD2的B-接电池单元Bn正极，B1接电池单元Bn+1正极，B2接电池单元Bn+2正极，……，Bn接电池单元B2n，实现内部电池单元均衡。
具体实施例二：
图3(a)为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图，参考图3(a)所示，以下仅描述两实施例的不同之处，相同之处不再赘述，本实施例与图2所示实施例方式的不同之处在于：
为满足大功率应用，提高均衡能耗比，解决驱动与均衡电流平衡问题，将半桥电路的二极管替换为场效应管MOSFET，实现同步开关，降低驱动功率及开关和导通损耗。
本实施例采用P+N沟道MOSFET作为半桥电路3的开关管，其中，开关管Q1X为半桥下臂，Q2X为半桥上臂，其中X＝1～n(下同)。相应的，脉冲发生器输出一50％占空比的方波脉冲驱动，半桥电路共用一个链式驱动电容网络传递该50％占空比方波驱动脉冲。每一半桥电路3栅极与链式驱动电容网络4依次连接。
链式驱动电容网络4由n个串联的驱动电容和电阻组成π型网络链式结构，对应电性连接电池单元传递接收到的正负对称幅度均匀的开关脉冲，实现对半桥电路的驱动控制；链式驱动电容网络4的n个串联驱动电容一端接驱动脉冲发生器5输出，另一端分别与上半桥MOSFET栅极和下半桥MOSFET栅极相连并经一电阻与电池单元连接，将驱动脉冲发生器5输出的开关信号耦合到MOSFET栅极；该电阻用于平衡MOSFET栅极的直流电平。
通过级联接口7进行级联，包括均衡控制使能EN端71及单元电压级联接口72；单元电压级联接口包括：开关管Q1b、Q2b为单元电压级联接口的接口半桥电路上臂、下臂，开关管Q1b、Q2b两端连接辅助储能电容CB，驱动电阻Rb及驱动电容C1b作为低压级联驱动电容网络，接口半桥电路还与电池单元Bn连接，接口半桥电路中点通过开关电容Cn与储能电容网络2的开关电容Cn-1连接。
本实施例的均衡装置工作时，当脉冲发生器输出为低电平时，半桥下臂Q1X导通，开关电容CX与电池单元BX并联。若开关电容CX上电压VCX低于电池单元BX电压VBX，则BX为电容充电，VCX升高，VBX降低；反之，若开关电容CX上电压VCX高于电池单元BX电压VBX，则电容为BX充电，VCX降低，VBX升高，直至VCX＝VBX；
情况二：当脉冲发生器输出为高电平时，半桥上臂Q2X导通，则开关电容CX与电池单元B(X+1)及辅助储能电容CB并联；若开关电容CX上电压VCX高于电池单元B(X+1)电压VB(X+1)，则电容CX为B(X+1)充电，VCX降低，VB(X+1)升高，反之亦然，直至VCX＝VB(X+1)；如此循环，开关电容CX充放电压ΔVC＝VB(X+1)-VBX，充放电量为Q＝CX.ΔVC；多次循环反复，直至VBX＝VB(X+1)。
同时，本实施例的均衡控制使能EN端71，包括由输入端EN/I、输出端EN/O组成的级联使能控制电路，用于在电池组或电芯单元进入充电过压状态OC或放电过压状态OD时，同时该电池组或电芯单元电压不低于放电均衡停止电压VBDL时，使能EN端强制启动均衡装置；EN/I输入来自主控板或电池组充放电保护板，EN/O输出用于控制上一级联电池组。
本实施例的单元电压级联接口72包含一只辅助储能电容CB、一接口半桥电路及低压级联驱动电容网络，接口半桥电路包括Q1b、Q2b，低压级联驱动电容网络包括C1b、Rb；所述单元电压级联接口的接口端Bn+1与辅助储能电容CB一端连接，辅助储能电容CB另一端与电池组正极B+连接，接口端Bn+1还与接口半桥电路上臂连接，接口半桥电路下臂与电池组正极B+连接；半桥中点与开关电容Cn连接；接口电路B+与上一级联的电池组负极连接，接口电路Bn+1与上一级联的第一个电池单元正极连接；可组成带有源均衡装置的长串电池组。
本实施例的MOSFET为电压型器件，栅极所需驱动电流很小，降低了驱动输出脉冲功率；另外，由于半桥电路3的开关管导通损耗极低，可以提供很大的均衡电流，优化了均衡能耗比，可以满足大功率均衡应用需要；本实施例的电池组，具有很好的均衡特性，可任意嵌套级联，级联电池组各均衡电路独立工作，互不干涉，尤其是采用多层链式储能电容网络的级联应用，因其效率高，特别适应于长串高压、高功率动力电池组，如电动汽车动力电池等场所。
具体实施例三：
图3(b)为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图，参考图3(b)所示，以下仅描述两实施例的不同之处，相同之处不再赘述，本实施例与图3(a)所示实施例方式的不同之处在于：
链式驱动电容网络4的驱动电容直接连接于半桥电路3的P+N沟道MOSFET栅极和脉冲发生器输出之间，增加了驱动电容的电压应力。
具体实施例四：
图3(c)为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图，参考图3(c)所示，以下仅描述两实施例的不同之处，相同之处不再赘述，本实施例与图3(a)所示实施例方式的不同之处在于：
图3(a)的半桥电路3上臂采用N沟道MOSFET，下臂采用P沟道MOSFET，而图3(c)上臂采用P沟道MOSFET，下臂采用N沟道MOSFET。为获得正确的直流偏置，链式驱动电容网络的电阻连接方式进行适应性变化。
具体实施例五：
图3(d)为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图，参考图3(d)所示，以下仅描述两实施例的不同之处，相同之处不再赘述，本实施例与图3(c)所示实施例方式的不同之处在于：
链式驱动电容网络4的驱动电容直接连接于半桥电路3的P+N沟道MOSFET栅极和脉冲发生器输出之间，增加了驱动电容的电压应力。
值得注意的是，对于电池组电压低于MOSFET栅极驱动最大电压(一般为20V)情况下，可以短接链式驱动电容网络4，由脉冲发生器输出直接连接驱动半桥电路3的MOSFET栅极，简化驱动，简化电路结构。
具体实施例六：
图4为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图，参考图4所示，以下仅描述两实施例的不同之处，相同之处不再赘述，本实施例与图3(a-d)所示实施例方式的不同之处在于：
其半桥电路3采用两个相同沟道类型的MOSFET，双N沟道MOSFET，相应的，脉冲发生器5输出正极性占空比接近50％的互补方波脉冲驱动半桥电路3。
其中，双N沟道MOSFET也可采用双P沟道MOSFET，拓扑结构相同，采用双P沟道MOSFET时，脉冲发生器5输出负极性的占空比接近50％的方波脉冲。
本实施例采用同类型MOSFET作半桥电路3开关管，具有更好的一致性，减小生产成本；同时本实施例的电池组具有很好的均衡特性，可任意嵌套级联，级联电池组各均衡电路独立工作，互不干涉，尤其是采用多层链式储能电容网络的级联应用，因其效率高，特别适应于长串高压、高功率动力电池组，如电动汽车动力电池等场所。
图4中的半桥电路3也可采用一对N+P沟道互补MOSFET，相应的，脉冲发生器输出一对反极性互补脉冲驱动，其中，正脉冲驱动NMOSFET，负脉冲驱动PMOSFET。
具体实施例七：
图5为本发明实施例可级联均衡电池组的另一优选拓扑结构示意图，参考图5所示，以下仅描述两实施例的不同之处，相同之处不再赘述，图5(a)所示实施例与图3(c)所示实施方式的不同之处在于：
级联接口采用电池组电压的高电压方案，包括均衡控制使能EN端71及电池组电压级联接口73：电池组电压级联接口73包括：
一高压级联均衡电路，进一步包括一高压辅助储能电容CB；
一高压组半桥电路，包括开关管Q12b、开关管Q22b；
一低压组半桥电路，两端并联连接电池组，低压组半桥电路包括开关管Q11b、开关管Q21b，并联连接于电池组正负极两端；
一高压级联驱动电阻电容网络，电性连接高压组半桥电路及半桥电路3、链式驱动电容网络4，每一高压级联驱动电阻电容网络至少包括一驱动电阻R1b、一驱动电容C1b；
电池组电压级联接口73的接口端B2n经辅助储能电容CB电性连接电池组正极B+，同时经高压组半桥电路电性连接电池组正极B+；接口端B2n还与上一级联电池组正极连接；高压组半桥电路中点与低压组半桥电路中点之间电性连接一开关电容Cb，该开关电容Cb表示开关电容Cn选用高压电容，栅极与相应驱动输出通过链式驱动电容网络连接；
图5(b)所示实施例与图4不同点在于级联接口采用电池组电压的高电压方案。
电池组电压级联接口工作原理与上述均衡半桥类似，只是开关电容Cb两端电压不是电池单元电压，而是电池组电压，其在半桥开关作用下，开关电容Cb往复并联连接于本电池组与上级级联电池组两端，实现电压均衡。
图6(b)本申请电池组电压级联接口接线示意图，用于内部级联电池单元均衡和Pack电池组间均衡；B/BD1、B/BD2为本均衡装置，Pack1、Pack2为电池组1。BBD1与电池组内电池单元一一对于连接，实现内部电池单元均衡；均衡接口B2n与上级级联Pack2的电池组正极连接，Pack1正极与Pack2负极连接，完成级间电池组均衡。
图6(c)本申请二次电池组电压级联接口接线示意图，用于Pack电池组间均衡；B/BD1为本均衡装置，Pack1、Pack2为电池组。Pack1接B/BD1电池单元B1，Pack2接B/BD1电池单元B2，……，Packn接B/BD1电池单元Bn，pack n+1接B/BD1电池单元Bn+1，可以实现n+1个Pack电池组间的均衡，特别适用于铅酸电池组为动力电池的的场合。
单元电压级联接口适应于电池组内均衡和组间电池单元均衡，高电压级联接口适用于已经组装Pack的串联单元；高电压电池组通常由几个电池组Pack串联而成，电池组Pack级间均衡除采用上述高电压级联接口方式外，也可以采用本实施例的均衡装置，将电池组Pack视为电池单元，实现二次级间均衡。
本装置扩展性好，组成电池组时多出的均衡端口可以悬空，端口不足则可以级联，既适用于电池单元内部均衡也适应于串联电池组外部均衡，通用性强。
具体实施例八：
为进一步简化应用电路设计，可以将本申请的部分电路集成化，如图7所示。进一步说明如下：
图7所示为本发明实施例优选控制逻辑电路示意框图，其中，控制逻辑电路6的充放电保护电路I9包含输入电压的充电均衡电压检测BU DET、放电均衡电压检测BL DET、充电过压保护检测OC DET、放电过压保护检测OD DET及延时逻辑电路(DELAY AND LOGICCIRCUIT)及休眠控制UVLO，具有放电均衡选择控制输入BL、过充保护输出OC、过放保护输出OD及均衡控制输出BO。单路输入方案可以采用6脚SOT 23-6封装或8脚TSSOP-8封装；多路(推荐选4或5路)输入方案可采用16脚小型封装；典型工作电流低于10μA。所述过充、过放及均衡3路输出均采用高压(如20V以上)开漏(OD，Open Drain)形式，可以链式级联组成多路输入应用；均衡输出可以驱动电阻耗能式均衡电路，也可以直接驱动电容法或电感法均衡电路使能或电源开关。均衡选择控制输入可以选择是否开启放电均衡。
具体实施例九：
图8所示为本发明实施例另一优选控制逻辑电路示意框图，参考图8所示，以下仅描述两实施例的不同之处，相同之处不再赘述，图8所示实施例与图7所示实施方式的不同之处在于：
图8所示的本发明实施例优选控制逻辑电路的充放电保护电路II10在充放电保护电路I9的基础上还集成了高频驱动脉冲发生器OSC2及一路或两路互补的输出级BH、BL，用于驱动电容均衡的半桥开关，单路输入方案可以采用SOP-8封装，多路可选4～5路方案可以采用TSSOP-16或TSSOP-20封装。
集成化能够有效提高产品质量，降低失效，还能加快产品上市速度，快速应对客户需求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于电容网络的均衡装置，应用于可级联均衡电池组，用于对电池组进行均衡控制，其特征在于，所述电池组包括n个串联连接的电池单元B1、B2、……、Bn，均衡电路包括：
n个半桥电路，每一半桥电路并联连接于所述电池单元两端，每一所述半桥电路包括串联连接的二开关管；
一储能电容网络，包括由n-1个开关电容C1、C2、……、Cn-1串联组成的基本储能电容网络，所述开关电容C1、C2、……、Cn-1依次并联连接于n个所述半桥电路中点之间；
一链式驱动电容网络，一端电性连接所述半桥电路或储能电容网络，另一端电性连接一驱动脉冲发生器，所述链式驱动电容网络包括n个依序串联或并联连接组成链式结构的驱动电容；
一控制逻辑电路，电性连接所述电池组、驱动脉冲发生器及一主控板，用于控制驱动脉冲发生器的使能、频率及电源开关；
其中，所述n为正整数，每一所述电池单元包括一具单元电压的电芯单元、一由电芯单元并联连接组成的复合电芯单元及由电芯单元串联连接组成的高电压电池组单元；
所述电池组通过一级联接口电路依次串接组成可级联均衡长串电池组，电池组在均衡装置工作时，将电量通过级联接口传递给上一级联电池组，同时通过级联使能控制电路启动上一级联电池组均衡装置，以形成带有源均衡装置的长串电池组，实现每一级联电池组的均衡控制；
其中，所述级联接口电路包括一均衡控制使能EN端、一单元电压级联接口和/或一电池组电压级联接口；
所述均衡控制使能EN端包括由输入端EN/I、输出端EN/O组成的级联使能控制电路，用于在电池组或电芯单元进入充电过压状态OC或放电过压状态OD时，同时该电池组或电芯单元电压不低于放电均衡停止电压VBDL时，使能EN端强制启动均衡装置；
所述单元电压级联接口用于可级联均衡电池组内电芯单元间充电均衡和高电压电池组单元间充放电均衡；所述电池组电压级联接口用于所述长串电池组中级联电池组的级间电压均衡，所述单元电压级联接口包括：
一低压级联均衡电路；
一接口半桥电路，通过一开关电容Cn电性连接所述基本储能电容网络的开关电容Cn-1；
至少一低压级联驱动电容网络，电性连接所述接口半桥电路及所述半桥电路、链式驱动电容网络。
2.如权利要求1所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于，所述储能电容网络还包括一多层链式储能电容网络，所述多层链式储能电容网络包括开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n-2；其中，所述开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n-2与所述基本储能电容网络组成一金字塔形多层链式储能电容网络。
3.如权利要求2所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于，所述驱动脉冲发生器采用但不限于自振荡器、555定时器、PWM控制器、微处理器单片机或专用半桥驱动IC，以产生一驱动脉冲信号，所述驱动脉冲信号为一占空比为50%的方波脉冲或一对同极性或反极性占空比接近50%且存在死区时间的互补方波脉冲。
4.如权利要求3所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于，所述控制逻辑电路在电池正常工作电压范围内及放电过压状态，控制切断脉冲发生器电源或使能进入待机状态。
5.如权利要求4所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于，所述控制逻辑电路集成有充放电保护电路，所述充放电保护电路包括：
至少一组包括充电过压检测器、放电过压检测器、充电均衡检测器及放电均衡检测器的输入电压检测器，用于获取电池单元和/或电池组的电压信息并输出至控制逻辑电路，以输出相应均衡控制信号；
所述充电过压检测器、放电过压检测器、充电均衡检测器、放电均衡检测器均采用微功耗高精密电压比较器。
6.一种可级联均衡电池组，采用如权利要求1-5中任一项所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于：
每一所述电池单元包括一具单元电压的电芯单元、一由电芯单元并联连接组成的复合电芯单元及由电芯单元串联连接组成的高电压电池组单元；
所述电池组通过一级联接口电路依次串接组成可级联均衡长串电池组，电池组在均衡装置工作时，将电量通过级联接口传递给上一级联电池组，同时通过级联使能控制电路启动上一级联电池组均衡装置，以形成带有源均衡装置的长串电池组，实现每一级联电池组的均衡控制；
其中，所述级联接口电路包括一均衡控制使能EN端、一单元电压级联接口和/或一电池组电压级联接口；
所述均衡控制使能EN端包括由输入端EN/I、输出端EN/O组成的级联使能控制电路，用于在电池组或电芯单元进入充电过压状态OC或放电过压状态OD时，同时该电池组或电芯单元电压不低于放电均衡停止电压VBDL时，使能EN端强制启动均衡装置；
所述单元电压级联接口用于可级联均衡电池组内电芯单元间充电均衡和高电压电池组单元间充放电均衡；所述电池组电压级联接口用于所述长串电池组中级联电池组的级间电压均衡，所述单元电压级联接口包括：
一低压级联均衡电路；
一接口半桥电路，通过一开关电容Cn电性连接所述基本储能电容网络的开关电容Cn-1；
至少一低压级联驱动电容网络，电性连接所述接口半桥电路及所述半桥电路、链式驱动电容网络。
7.如权利要求6所述的可级联均衡电池组，其特征在于，所述单元电压级联接口中，
所述低压级联均衡电路进一步包括一辅助储能电容CB；
所述接口半桥电路进一步包括二开关管；
每一低压级联驱动电容网络至少包括一驱动电阻Rnb、一驱动电容Cnb；
其中，所述单元电压级联接口的接口端Bn+1经所述辅助储能电容CB电性连接所述电池组正极B+，同时所述辅助储能电容两端还并联连接所述接口半桥电路；
所述电池组正极B+与上一级联的电池组负极B-连接，所述接口端Bn+1与上一级联的电池组的第一个电池单元的正极连接。
8.如权利要求7所述的电池组，其特征在于，所述电池组电压级联接口包括：
一高压级联均衡电路，进一步包括一高压辅助储能电容CB；
一高压组半桥电路，至少包括二开关管；
一低压组半桥电路，两端并联连接所述电池组，所述低压组半桥电路至少包括二开关管，并联连接于电池组正负极两端；
一高压级联驱动电阻电容网络，电性连接所述高压组半桥电路及所述半桥电路、链式驱动电容网络，每一所述高压级联驱动电阻电容网络至少包括一驱动电阻Rnb、一驱动电容Cnb；
所述电池组电压级联接口的接口端B2n经辅助储能电容CB电性连接电池组正极B+，同时经高压组半桥电路电性连接电池组正极B+；所述接口端B2n还与上一级联电池组正极连接。
9.一种基于电容网络的电池组均衡控制方法，基于如权利要求6-8中任一项所述的可级联均衡电池组，所述控制方法包括：
在电池组电压高于预设充电均衡启动电压VBCH和/或低于放电均衡启动电压VBDH时，所述控制逻辑电路为所述驱动脉冲发生器供电或使能使其输出驱动脉冲信号，启动所述均衡装置；
在电池组电压低于充电均衡停止电压VBCL、放电均衡停止电压VBDL或高于放电均衡启动电压VBDH时，所述控制逻辑电路关断输出驱动脉冲信号，关闭所述均衡装置。
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