CN112072731B - 一种用于电池主动均衡的双电容电路设计及其均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电池主动均衡的双电容电路设计及其均衡方法，包含以下步骤：S1利用电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及电容器串联放电时电路的等效电阻R₂满足R₂＝2R₁及两个电容器满足电气特性相同，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I_max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的表达式；S2利用峰值电流I_max满足I₀＜I_max＜I_N确定各电路元器件的电阻取值；S3限定电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t实现非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，本发明利用通过对I_max及I_{ch_p1}需要满足的条件反推电路中各元器件的参数值及电容器串联初始化时长，从而解决了双电容电路均衡过程中容易出现均衡电流过大损坏电路元器件的问题。

Description

一种用于电池主动均衡的双电容电路设计及其均衡方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种用于电池主动均衡的双电容电路设计及其均衡方法。

背景技术

在新能源汽车、电力系统储能等新兴领域，储能电池是其中的关键部件，离不开电池管理系统(BMS)对其进行管理。电池均衡电路实现电池内部电芯之间电量的均衡，承担了十分重要的功能。已有的均衡电路结构，可分为被动均衡方式和主动均衡方式两大类。被动均衡方式通过电阻对电量高的电芯放电实现均衡，不利于节能。主动均衡方式使用电感(变压器)、电容器等储能元器件实现电芯间的能量转移，有利于节能。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN 103187754 A，专利名为一种电动汽车用电池组新型电容均衡方法，申请日期为2012年12月24日，能量转移电容和辅助充电电容串联的办法，使得转移能量的速度大大提高，缩短了电池组均衡的时间，解决了传统的飞度电容器技术均衡电流小均衡时间长的问题，但是在双电容均衡电路在均衡过程中电流表达式非常复杂无法准确获取到最大电流，因此在均衡过程中容易出现均衡电流过大损坏电路元器件的情况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法及其均衡方法，通过限定电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及电容器串联放电路的等效电阻 R₂的关系及两个电容器满足电气特性相同的特性，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I_max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的表达式，通过对I_max及I_{ch_p1}需要满足的条件反推电路中各元器件的参数值及电容器串联初始化时长，从而解决了双电容电路均衡过程中容易出现均衡电流过大损坏电路元器件的问题。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，包含以下步骤：

S1：利用电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及电容器串联放电时电路的等效电阻R₂满足R₂＝2R₁及两个电容器满足电气特性相同，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I_max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的表达式；

S2：利用峰值电流I_max满足I₀＜I_max＜I_N确定各电路元器件的电阻取值，其中I_N为电路中所有电路元器件最小的额定电流，I₀为期望平均电流

所对应的最大电流；

S3：限定电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t实现非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，其中k₀为电路中所有电路元器件过流系数的最小值。

进一步地，步骤S1中，峰值电流I_max的表达式为

非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的表达式为

其中V_H是荷电状态高的电芯电压，V_L是荷电状态低的电芯电压，V_Cini是电容器串联初始化后单个电容器的电压值，ξ为电路周期因子，时间常数τ₂＝R₂C/2，C为电容器的电容值。

进一步地，步骤S3中电路第一均衡周期内的电容器串联初始化时间t满足 t＞τ₂ln(0.5k₀-1)^-1。

进一步地，本发明提供的一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法应用于一种电池主动均衡的双电容电路，电容器并联充电时电路的等效电阻R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1、电容器串联放电路的等效电阻R₂＝5R_sw+R_b+2R_c+R_reg1+R_reg2，其中R_b为单节电芯的内阻、R_c为电容器等效串联电阻、R_sw为开关电阻、R_reg1及R_reg2为电阻；

步骤S2包含如下步骤：

S21：根据电池对平均均衡电流

的要求，及初步选定的电路周期因子ξ，计算期望平均电流

所对应的最大电流

S22：根据实际峰值电流

满足I₀＜I_max＜I_N，确定R_c、R_sw、R_reg1及R₁；

S23：根据R₂＝2R₁确定R_reg2。

进一步地，步骤S22包括如下步骤：

S221：根据初步选定的电容器等效电阻R_c、开关电阻R_sw、R_reg1＝0及已知的单个电芯内阻R_b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及峰值电流I_max，判断峰值电流I_max是否满足I_max＞I₀，若不满足I_max＞I₀，减少R_c或者R_sw即选择阻值更小的电容器或开关，进入S221；若满足I_max＞I₀，进入S222；

S222：判断峰值电流是否满足I_max＜I_N，若不满足I_max＜I_N，增加R_reg1，进入S222；若满足I₀＜I_max＜I_N，进入S23；若满足I_max≤I₀，减小R_reg1，进入S222。

进一步地，步骤S22包括如下步骤：

S221：根据初步选定电容器等效电阻R_c、开关电阻R_sw、R_reg1＝0及已知的单个电芯内阻 R_b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及峰值电流I_max，判断峰值电流I_max是否满足 I_max＜I_N，若不满足I_max＜I_N，增加R_c或者R_sw或者R_reg1即选择阻值更大的电容器或开关或电阻进入S221；若满足I_max＜I_N，进入S222；

S222：判断峰值电流是否满足I_max＞I₀，若不满足I_max＞I₀，判断R₁是否满足

若满足

减小ξ进入S222，若不满足

退出；若满足I₀＜I_max＜I_N，进入S23。

另外，本发明还提供了一种用于电池主动均衡的双电容器电路的均衡方法，包含以下步骤：

S10：电容器串联初始化：通过切换电路中的开关形成电容器串联初始化模式，利用荷电状态高的电芯对串联的双电容器进行充电，保持时间大于τ₂ln(0.5k₀-1)^-1；

S20：电容器并联充电：通过切换电路中的开关形成电容器并联充电模式，利用荷电状态高的电芯对且对并联的双电容器进行充电，保持时间ξτ₁；

S30：电容器串联放电：通过切换电路中的开关形成电容器串联放电模式，利用串联的双电容器放电至荷电状态低的电芯，保持时间ξτ₂；

重复步骤S20和S30，直到待均衡电芯的荷电状态满足要求；

其中，时间常数τ₂＝R₂C/2，τ₁＝2R₁C，ξ为电路周期因子，k₀为电路中所有电路元器件过流系数的最小值。

本发明的有益效果在于：通过限定电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及电容器串联放电路的等效电阻R₂满足R₂＝2R₁的关系及两个电容器满足电气特性相同的特性，将电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I_max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流 I_{ch_p1}表达式的具体化，通过对I_max及I_{ch_p1}需要满足的条件反推电路中各元器件的参数值及电容器串联初始化时长，解决了双电容电路均衡过程中容易出现均衡电流过大损坏电路元器件的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例中提供的一种用于电池主动均衡的双电容器电路图；

图2为本发明一实施例中提供的双电容器串联初始化电路图；

图3为本发明一实施例中提供的双电容器并联充电电路图；

图4为本发明一实施例中提供的双电容器串联放电电路图；

图5及图6为本发明实施例一的两种不同初始化时长对应的电路均衡的电流及电容器电压仿真图；

图7为本发明实施例二的电路均衡的电流及电容器电压仿真图；

图8为本发明实施三的电路均衡的电流及电容器电压仿真图；

图9为本发明实施四的电路均衡的电流及电容器电压仿真图；

图10为本发明一实施例中提供的双电容电路设计方法结构图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，如图10所示包含以下步骤：

S1：利用电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及电容器串联放电时电路的等效电阻R₂满足R₂＝2R₁及两个电容器满足电气特性相同，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I_max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的表达式；

S2：利用峰值电流I_max满足I₀＜I_max＜I_N确定各电路元器件的电阻取值，其中I_N为电路中所有电路元器件最小的额定电流，I₀为期望平均电流

所对应的最大电流；

S3：限定电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t实现非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，其中k₀为电路中所有电路元器件过流系数的最小值。

步骤S1中，峰值电流I_max的表达式为

非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的表达式为

其中V_H是荷电状态高的电芯电压，V_L是荷电状态低的电芯电压，V_Cini是电容器串联初始化后单个电容器的电压值，ξ为电路周期因子，时间常数τ₂＝R₂C/2，C为电容器的电容值。ξ的大小影响了电路均衡时的工作频率及均衡电流的幅值，ξ取值大，电路均衡的工作频率低，均衡电流的幅值波动大；ξ取值小，电路均衡的工作频率高，均衡电流的幅值波动小。

步骤S3中，电路第一均衡周期内的电容器串联初始化时间t满足t＞τ₂ln(0.5k₀-1)^-1。

下面以原理形式说明I_{ch_p1}是电路均衡过程中非重复脉冲式最大电流是I_{ch_p1}原因，双电容电路在均衡过程中涉及3个峰值电流，第一个出现在电容器串联初始化阶段的初始时刻

第二个出现在第一个均衡周期内电容器并联充电的初始时刻

第三个是出现在稳态期间各个均衡周期内电容器充放电的初始时刻

I_max是一个重复脉冲式峰值电流；由于电容器的电容相等，因此初始化后的电容器的电压值

从而

因此I_{ch_p1}是均衡过程中非重复脉冲式最大电流，因此需要满足I_{ch_p1}＜k₀I_N；

再分析I_{ch_p1}和I_max的关系，

电容器初始化的时长趋近无穷大时，V_Cini趋近于V_H/2，因此

由于电池组电芯之间的差异不会很大，因此，V_H和V_L的值很接近。在常规的电容初始化时长下，可以认为V_Cini的值不超过V_L/2，因此I_{ch_p1}＞I_max。

在极端条件下a：V_L/2≤V_Cini＜V_H/2且b：ξ趋近无穷大，e^-ξ≈0，I_{ch_p1}＜I_max，但是I_{ch_p1}≈I_max，为保证各电路器件正常工作，稳态期间的峰值电流I_max需要满足I₀＜I_max＜I_N，与非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}满足I_{ch_p1}＜k₀I_N并不冲突。

在确定电路均衡中非重复式脉冲最大电流后，在步骤S3中，电容器串联初始化时长t影响

从而影响非重复式脉冲式最大电流I_{ch_p1}，因此采用调节电容器串联初始化时长t来确保I_{ch_p1}＜k₀I_N，由于V_L＜V_H及1+e^-ξ＜2，因此

调节电路元器件可以实现I₀＜I_max＜I_N，现规定

可以保证I_{ch_p1}＜k₀I_N，因此

从而得到初始化时长t＞τ₂ln(0.5k₀-1)^-1。

所述一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法应用于一种电池主动均衡的双电容电路，如图1所示，所述双电容电路由电池、开关网络及能量传输单元组成，在均衡过程中，首先通过开关网络将需要均衡的荷电状态高的电芯接入均衡电路、通过控制能量传输单元中开关形成双电容器串联及并联两种不同连接方式接入均衡电路。

现在以B₂为荷电状态高的电芯、B₁为荷电状态低的电芯为实施例介绍电路均衡的过程。电路均衡的第一个周期存在电容器串联初始化、电容器并联充电及电容器串联放电三个阶段，其他的均衡周期仅仅存在电容器并联充电及电容器串联放电两个阶段。如图2所示的电容器串联初始化，控制开关S₃和开关S₂闭合、开关S_a的一端接入奇数开关总线、开关S_b的一端接入偶数开关总线实现荷电状态高的电芯B₂接入均衡电路，控制开关S_s闭合，S_p1和S_p2断开实现电容器C₁及C₂串联接入均衡电路，此时均衡电路中的电流沿着顺时针方向，电芯B₂对电容器C₁和C₂初始化。如图3所示的电容器并联充电，控制开关S₃和开关S₂闭合、开关S_a的一端接入奇数开关总线，开关S_b的一端接入偶数开关总线实现荷电状态高的电芯B₂接入均衡电路，控制开关S_s断开，S_p1和S_p2闭合实现电容器C₁及C₂并联接入均衡电路，此时均衡电路中的电流沿着顺时针方向，电芯B₂对电容器C₁和C₂充电。如图4所示的电容器串联放电，控制开关S₂和开关S₁闭合、开关S_a的一端接入偶数开关总线、开关S_b的一端接入奇数开关总线实现荷电状态低的电芯B₁接入均衡电路，控制开关S_s闭合，S_p1和S_p2断开实现电容器 C₁及C₂串联接入均衡电路，此时均衡电路中的电流沿着逆时针方向，电容器C₁及C₂对电芯B₁充电。在电路均衡过程中，若需要均衡的电芯B_i的i为奇数，开关S_i+1和开关S_i闭合、开关S_a的一端选择接入的开关网络的偶数开关总线、开关S_b的一端选择接入的开关网络的基数开关总线；若需要均衡的电芯B_i的i为偶数，开关S_i+1和开关S_i闭合、开关S_a的一端选择接入的开关网络的奇数开关总线，S_b的一端选择接入的开关网络的偶数开关总线。

如图3及图4所示，电容器并联充电时电路的等效电阻R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1、电容器串联放电时电路的等效电阻R₂＝5R_sw+R_b+2R_c+R_reg1+R_reg2，R_b为单节电芯的内阻、R_c为电容器等效电阻、R_sw为开关电阻、R_reg1及R_reg2为电阻；电容器C₁及C₂具有完全相同的电气特性，各开关具有完全相同的电气特性。

进一步地，步骤S2包含如下步骤：

S21：根据期望的平均电流

及初步选定电路周期因子ξ计算平均电流对应的最大电流

S22：根据峰值电流

满足I₀＜I_max＜I_N，确定R_c、R_sw、R_reg1及R₁；

S23：根据R₂＝2R₁确定R_reg2。

设计方法一，步骤S22包括如下步骤：

S221：根据初步选定电容器等效电阻R_c、开关电阻R_sw、R_reg1＝0及已知的单个电芯内阻 R_b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及峰值电流I_max，判断峰值电流I_max是否满足 I_max＞I₀，若不满足I_max＞I₀，减少R_c或者R_sw即选择阻值更小的电容器或开关，进入S221；若满足I_max＞I₀，进入S222；

S222：判断峰值电流是否满足I_max＜I_N，若不满足I_max＜I_N，增加R_reg1，进入S222，；若满足I_max＜I_N，进入S23；若满足I_max≤I₀，减小R_reg1，进入S222。

设计方法二，步骤S22包括如下步骤：

S221：根据初步选定电容器等效电阻R_c、开关电阻R_sw、R_reg1＝0及已知的单个电芯内阻 R_b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及峰值电流I_max，判断峰值电流I_max是否满足 I_max＜I_N，若不满足I_max＜I_N，增加R_c或者R_sw或者R_reg1即选择阻值更大的电容器或开关或电阻进入S221；若满足I_max＜I_N，进入S222；

S222：判断峰值电流是否满足I_max＞I₀，若不满足I_max＞I₀，判断R₁是否满足

若满足

减小ξ进入S222，若不满足

退出；若满足I₀＜I_max＜I_N，进入S23。

在步骤S222中，当I_max≤I₀＜I_N时，根据

及

减少ξ时，I_max及I₀均会减少且I₀减少的速度大于I_max的减少速度，因此减少ξ时，I_max＜I_N一直成立，只需减少ξ使得I_max满足I_max＞I₀即可满足I₀＜I_max＜I_N。

另外，本发明还提供了一种用于电池主动均衡的双电容器电路的均衡方法，包含以下步骤：

S10：如图2所示电容器串联初始化：通过切换电路中的开关形成电容器串联初始化模式，利用荷电状态高的电芯对串联的双电容进行充电，保持时间大于τ₂ln(0.5k₀-1)^-1；

如图2所示，控制开关S₃和开关S₂闭合、开关S_a的一端接入奇数开关总线、开关S_b的一端接入偶数开关总线实现荷电状态高的电芯B₂接入均衡电路，控制开关S_s闭合，S_p1和S_p2断开实现电容器C₁及C₂串联接入均衡电路，此时均衡电路中的电流沿着顺时针方向，电芯B₂对电容器C₁和C₂初始化。

S20：如图3所示电容器并联充电：通过切换电路中的开关形成电容器并联充电模式，利用荷电状态高的电芯对并联的双电容进行充电，保持时间ξτ₁；

如图3所示，控制开关S₃和开关S₂闭合、开关S_a的一端接入奇数开关总线、开关S_b的一端接入偶数开关总线实现荷电状态高的电芯B₂接入均衡电路，控制开关S_s断开，S_p1和S_p2闭合实现电容器C₁及C₂并联接入均衡电路，此时均衡电路中的电流沿着顺时针方向，电芯B₂对电容器C₁和C₂充电。

S30：如图4所示电容器串联放电：通过切换电路中的开关形成电容器串联放电模式，利用串联的双电容器放电至荷电状态低的电芯，保持时间ξτ₂；

如图4所示，控制开关S₂和开关S₁闭合、开关S_a的一端接入偶数开关总线、开关S_b的一端接入奇数开关总线实现荷电状态低的电芯B₁接入均衡电路，控制开关S_s闭合，S_p1和S_p2断开实现电容器C₁及C₂并联接入均衡电路，此时均衡电路中的电流沿着逆时针方向，电容器C₁及C₂对电芯B₁充电。

重复步骤S20和S30，直到待均衡电芯的荷电状态满足要求；其中，时间常数τ₂＝R₂C/2，τ₁＝2R₁C，ξ为电路周期因子，k₀为电路中所有电路元器件过流系数的最小值。

在介绍具体实施例前，需要说明一下：更换电路中元器件时，保持电路中所有元器件最小的额定电流I_N及过流系数的最小值k₀不变。随着元器件的重新选择，电流I_max会随之变化。随着电路周期因子ξ的重新选择，电流I_max和I₀也会随之变化，但是不影响各元器件确定的过程。

本发明的电池主动均衡的双电容电路设计方法一对应的实施例一如下：设定期望的均衡电流平均值为

取ξ＝0.5，则最大电流

取电路中所有元器件最小的额定电流I_N＝3A，电芯内阻R_b＝0.004Ω，初选开关的电阻R_sw＝0.1Ω，电容器的C₁及C₂的等效电阻R_c＝0.2Ω，电容器的C₁及C₂的电容C＝47μF，电阻R_reg1＝0Ω，则 R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1＝0.554Ω，根据V_H＝3.738V，V_L＝3.547V计算

不满足I_max＞I₀的要求，下面以调整开关电阻R_sw实现双电容电路的设计：

重新选择更小内阻的开关R_sw＝0.08Ω，则R₁＝0.464Ω，I_max＝2.636A，满足I_max＞I₀的要求；

此时，I_max＜I_N的要求也满足；

根据R₂＝5R_sw+R_b+2R_c+R_reg1+R_reg2＝2R₁，计算R_reg2＝R_b+4R_sw-R_c+R_reg1＝0.124Ω，R₂＝0.928Ω；电容值C取为47μF，则

τ₁＝2R₁C＝43.6μs

τ₂＝R₂C/2＝21.8μs

所选元器件的最大过流系数的最小值k₀＝3；电容器串联初始化时间要求：t＞τ₂ln(0.5k₀-1)^-1＝0.693τ₂，此时非重复脉冲式最大电流即可满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，增加初始化时间可以降低整个电路均衡中非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的值；

选择初始化时间t＝0.7τ₂，此时I_{ch_p1}＝6.14A，k₀I_N＝9A满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，电路均衡的电流及电容器电压仿真图如5所示。

选择初始化时间t＝3τ₂，此时I_{ch_p1}＝4.43A，k₀I_N＝9A满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，电路均衡的电流及电容器电压仿真图如6所示。

本发明的电池主动均衡的双电容电路设计方法一对应的实施例二如下：实施例二和实施例一的电路元器件初始参数一致，区别在于实施例二采取调整开关电阻R_sw及电阻R_reg1实现电路设计。

设定期望的均衡电流平均值为

取ξ＝0.5，则最大电流

取电路中所有元器件最小的额定电流I_N＝3A，电芯内阻R_b＝0.004Ω，初选开关的电阻R_sw＝0.1Ω，电容器的C₁及C₂的等效电阻R_c＝0.2Ω，电容器的C₁及C₂的电容C＝47μF，电阻R_reg1＝0Ω，则R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1＝0.554Ω，根据V_H＝3.738V，V_L＝3.547V计算

不满足I_max＞I₀的要求，下面调整开关电阻R_sw及电阻R_reg1实现双电容电路的设计：

重新选择更小内阻的开关R_sw＝0.05Ω，则R₁＝0.329Ω，I_max＝3.718A，满足I_max＞I₀的要求，但是不满足I_max＜I_N的要求，增加R_reg1的值，取R_reg1＝0.1Ω，此时 R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1＝0.429Ω，对应的

满足I_max＜I_N的要求；

此时，R_reg2＝R_b+4R_sw-R_c+R_reg1＝0.104Ω，R₂＝0.858Ω；

电容值C取为47μF，则

τ₁＝2R₁C＝40.3μs

τ₂＝R₂C/2＝20.2μs

所选元器件的最大过流系数的最小值k₀＝3；电容器串联初始化时间要求： t＞τ₂ln(0.5k₀-1)^-1＝0.693τ₂，此时非重复脉冲式最大电流即可满足I_{ch_p1}＜k₀I_N；

选择初始化时间t＝3τ₂，此时I_{ch_p1}＝4.78A，k₀I_N＝9A满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，电路均衡的电流及电容器电压仿真图如7所示。

本发明的电池主动均衡的双电容电路设计方法一对应的实施例三如下：实施例三和实施例二的区别在于将定期望的均衡电流平均值

设置小些，其他电气元器件的初始参数不变，实施例三采取调整电容器的等效电阻实现电路设计。

设定期望的均衡电流平均值为

取ξ＝0.5，则最大电流

取电路中所有元器件最小的额定电流I_N＝3A，电芯内阻R_b＝0.004Ω，初选开关的电阻 R_sw＝0.1Ω，电容器的C₁及C₂的等效电阻R_c＝0.2Ω，电容器的C₁及C₂的电容C＝47μF，电阻R_reg1＝0Ω，则R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1＝0.554Ω，根据V_H＝3.738V，V_L＝3.547V计算

不满足I_max＞I₀的要求；

重新选择等效电阻更小的电容器R_c＝0.1Ω，其电容值也随之改变C＝680μF，此时，R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1＝0.504Ω，

满足I_max＞I₀的要求；

此时，I_max＜I_N的要求也满足；

根据R₂＝5R_sw+R_b+2R_c+R_reg1+R_reg2＝2R₁，计算R_reg2＝R_b+4R_sw-R_c+R_reg1＝0.304Ω，R₂＝1.008Ω；电容值C取为680μF，则

τ₁＝2R₁C＝685.4μs

τ₂＝R₂C/2＝342.7μs

所选元器件的最大过流系数的最小值k₀＝3；电容器串联初始化时间要求： t＞τ₂ln(0.5k₀-1)^-1＝0.693τ₂，此时非重复脉冲式最大电流即可满足I_{ch_p1}＜k₀I_N；

选择初始化时间t＝3τ₂，此时I_{ch_p1}＝4.08A，k₀I_N＝9A满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，电路均衡的电流及电容器电压仿真图如8所示。

本发明的电池主动均衡的双电容电路设计方法二对应的实施例四如下：设定期望的均衡电流平均值为

取ξ＝2，则最大电流

取电路中所有元器件最小的额定电流I_N＝4A，电芯内阻R_b＝0.004Ω，初选开关的电阻R_sw＝0.1Ω，电容器的C₁及C₂的等效电阻R_c＝0.2Ω，电容器的C₁及C₂的电容C＝47μF，电阻R_reg1＝0Ω，则 R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1＝0.554Ω，根据V_H＝3.738V，V_L＝3.547V计算

满足I_max＜I_N但不满足I_max＞I₀的要求，此时

因此可以通过减小ξ的方法来满足设计要求。

当ξ减小到1时，

满足I_max＞I₀的要求

此时，I_max＜I_N的要求也满足；

根据R₂＝5R_sw+R_b+2R_c+R_reg1+R_reg2＝2R₁，计算R_reg2＝R_b+4R_sw-R_c+R_reg1＝0.204Ω，R₂＝1.108Ω；电容值C取为680μF，则

τ₁＝2R₁C＝52.1μs

τ₂＝R₂C/2＝26.0μs

所选元器件的最大过流系数的最小值k₀＝3；电容器串联初始化时间要求： t＞τ₂ln(0.5k₀-1)^-1＝0.693τ₂，此时非重复脉冲式最大电流即可满足I_{ch_p1}＜k₀I_N；

选择初始化时间t＝3τ₂，此时I_{ch_p1}＝3.71A，k₀I_N＝12A满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，电路均衡的电流及电容器电压仿真图如9所示。

上述设计方法一和二均能实现双电容电路的设计，在满足I₀＜I_max＜I_N条件下不同的R₁及R₂能够保证所有元器件正常工作，仅会影响均衡周期内充电时长及均衡电路的峰值幅度。

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。

Claims (4)

1.一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：利用电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及电容器串联放电时电路的等效电阻R₂满足R₂＝2R₁及两个电容器满足电气特性相同，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I_max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的表达式；

S2：利用峰值电流I_max满足I₀＜I_max＜I_N确定各电路元器件的电阻取值，其中I_N为电路中所有电路元器件最小的额定电流，I₀为期望平均电流

所对应的最大电流；

S3：限定电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t实现非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}满足I_{ch_p1}＜k₀I_N，其中k₀为电路中所有电路元器件过流系数的最小值；

步骤S1中，峰值电流I_max的表达式为

非重复脉冲式最大电流I_{ch_p1}的表达式为

其中V_H是荷电状态高的电芯电压，V_L是荷电状态低的电芯电压，V_Cini是电容器串联初始化后单个电容器的电压值，ξ为电路周期因子，时间常数τ₂＝R₂C/2，C为电容器的电容值；

所述电容器并联充电时电路的等效电阻R₁＝4.5R_sw+R_b+0.5R_c+R_reg1，电容器串联放电时电路的等效电阻R₂＝5R_sw+R_b+2R_c+R_reg1+R_reg2，其中R_b为单节电芯的内阻、R_c为电容器等效串联电阻、R_sw为开关电阻、R_reg1及R_reg2为电阻；

步骤S2包含如下步骤：

S21：根据电池对平均均衡电流

的要求及初步选定的电路周期因子ξ，计算期望平均电流

所对应的最大电流

S22：根据实际峰值电流

满足I₀＜I_max＜I_N，确定R_c、R_sw、R_reg1及R₁；

S23：根据R₂＝2R₁确定R_reg2；

步骤S3中电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t满足t＞τ₂ln(0.5k₀-1)^-1。

2.根据权利要求1所述的用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，步骤S22包括如下步骤：

S221：根据初步选定的电容器等效电阻R_c、开关电阻R_sw、R_reg1＝0及已知的单个电芯内阻R_b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及峰值电流I_max，判断峰值电流I_max是否满足I_max＞I₀，若不满足I_max＞I₀，减少R_c或者R_sw即选择阻值更小的电容器或开关，进入S221；若满足I_max＞I₀，进入S222；

S222：判断峰值电流是否满足I_max＜I_N，若不满足I_max＜I_N，增加R_reg1，进入S222；若满足I₀＜I_max＜I_N，进入S23；若满足I_max≤I₀，减小R_reg1，进入S222。

3.根据权利要求1所述的用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，步骤S22包括如下步骤：

S221：根据初步选定电容器等效电阻R_c、开关电阻R_sw、R_reg1＝0及已知的单个电芯内阻R_b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R₁及峰值电流I_max，判断峰值电流I_max是否满足I_max＜I_N，若不满足I_max＜I_N，增加R_c或者R_sw或者R_reg1即选择阻值更大的电容器或开关或电阻进入S221；若满足I_max＜I_N，进入S222；

S222:判断峰值电流是否满足I_max＞I₀，若不满足I_max＞I₀，判断R₁是否满足

若满足

减小ξ进入S222，若不满足

退出；若满足I₀＜I_max＜I_N，进入S23。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于电池主动均衡的双电容器电路的均衡方法，其特征在于，包含以下步骤：

S10:电容器串联初始化：通过切换电路中的开关形成电容器串联初始化模式，利用荷电状态高的电芯对串联的双电容器进行充电，保持时间大于τ₂ln(0.5k₀-1)^-1；

S20:电容器并联充电：通过切换电路中的开关形成电容器并联充电模式，利用荷电状态高的电芯对且对并联的双电容器进行充电，保持时间ξτ₁；

S30:电容器串联放电：通过切换电路中的开关形成电容器串联放电模式，利用串联的双电容器放电至荷电状态低的电芯，保持时间ξτ₂；

重复步骤S20和S30，直到待均衡电芯的荷电状态满足要求；

其中，时间常数τ₂＝R₂C/2，τ₁＝2R₁C，ξ为电路周期因子，k₀为电路中所有电路元器件过流系数的最小值。

Images