CN112688374A - 基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，该均衡系统均包括：两个串联电池组、一个控制器、两组开关阵列、一个串联超级电容组。其中，控制器产生两个占空比相同的PWM信号分别控制两组开关阵列中所有开关桥的上桥臂和下桥臂导通和关断，实现串联的电池组中电量高的电池向超级电容组充电，超级电容组存储电量之后，一方面向外部输出，另一面向电量低的电池放电。本发明通过串联超级电容组转移电量和输出电量，能够在实现对锂电池的主动均衡的同时有效地缓冲大功率输出时电流对锂电池的冲击，对延长锂电池的使用寿命方面的贡献突出。

Description

基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统

技术领域

本发明涉及电池能量的主动均衡技术领域，具体涉及一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统。

背景技术

目前，可充电电池作为一种储能元件，广泛应用于不间断电源、人造卫星、电动汽车等领域，锂离子电池因其能量密度高、自放电率低、无记忆效应等优点，被认为是最具吸引力的可充电电池之一。

在高功率的应用，如电动汽车，锂离子电池必须串联起来以提高供电能力，但是由于单个电池由于制造工艺等原因会导致单节电池的内阻、电池容量、端电压等不同，当电池组作为一个单元进行充电和放电时，单个电池的温度和内部化学特性不同会导致电池之间的荷电状态不平衡，从而导致电池的端电压不平衡。电池之间的不平衡会威胁到电池串的长期可靠性，因为若使总容量达到充电的上限，不平衡的电池电压会导致电池过充和过放电，降低电池的总存储容量和使用寿命。

不同的电池均衡技术在许多相关文献已经有描述。这些技术可以分为被动均衡方式和主动均衡方式。被动均衡方式通常有一个电阻并联于每个电池单元，通过电阻器消耗过充电池的多余能量，这类方法易于实现，具有成本低、体积小的特点，但由于功耗大，降低了效率，给电池管理系统带来了热问题，与被动均衡方式相比，主动均衡方式将能量在电池单元间进行再分配，具有效率高、均衡速度快的优点。

所有可再生能源和电力移动的主要因素是包括电池和超级电容器在内的储能设备。它们与电池管理系统和功率转换技术的研究和开发密切相关。开关电容(SC)功率转换电路具有体积小、成本低、易于控制等优点，长期以来成功地应用于串接电池组的主动电压均衡。

目前的均衡方式都是在实现对电池均衡的同时让电池对外部负载供电，没有考虑到可能会有冲击电流对电池的安全和使用寿命产生影响，应该考虑让均衡电路实现对电池实现均衡的同时实现对外部供电的功能，从而达到缓冲的目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，该主动均衡系统利用超级电容对电池组实现均衡的同时向外部负载供电。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，所述主动均衡系统包括两个串联电池组、一个控制器、两组开关阵列、一个串联超级电容组，其中，所述串联超级电容组由n个超级电容C₁、C₂、…C_i、…C_n依次串联组成，i＝1、2、…、n；

所述两个串联电池组分别位于串联超级电容的两侧，每组串联电池组分别由n-1个电池单体B_1”、B_2”、…B_i”、…B_(n-1)”和B_1”’、B_2”’、…B_i”’、…B_(n-1)”’依次串联组成，i”＝1、2、…、n-1，i”’＝1、2、…、n-1；

所述两组开关阵列分别由n个开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’构成，i’＝1、2、…、n，每个开关桥由两个MOSFET管串联构成用来实现单刀双掷开关的功能，开关阵列中的所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’在同一时刻导通不同的桥臂，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n导通上桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’导通下桥臂，或者，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n导通下桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’导通上桥臂；

电池B_i”正极与开关桥SQ_i＝i”的中点相连，电池B_i”负极与开关桥SQ_i＝i”+1的中点相连，开关桥SQ_i的两端分别与超级电容C_i两端相连，开关桥SQ_i+1的两端分别与超级电容C_i+1相连；电池B_i”’正极与开关桥SQ_{i’＝i”’}的中点相连，电池B_i”’负极与开关桥SQ_{i’＝i”’+1}的中点相连，开关桥SQ_i’的两端分别与超级电容C_i＝i’两端相连，开关桥SQ_(i+1)’的两端分别与超级电容C_i＝(i+1)’相连；

所述控制器不需要考虑初始电压的分布情况，直接产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，分别控制两组开关阵列中所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’在同一时刻导通不同的桥臂,在每个开关周期可分为两个模态，分别命名为模态A和模态B，模态A对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’下桥臂导通；模态B对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’上桥臂导通。

进一步地，所述均衡系统中两侧开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’均由两个正向串联N沟道MOSFET构成，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n上桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’下桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n下桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’上桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；

每个开关周期分为两个模态，当处于模态A时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’下桥臂导通，电池B_i”与超级电容C_i＝i”并联，电池B_i”’与超级电容C_{i＝i”’+1}并联；当处于模态B时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’上桥臂导通，电池B_i”与超级电容C_i＝i”+1并联，电池B_i”’与超级电容C_i＝i”’并联。

进一步地，在两个模态下，除了处于串联超级电容组首末位置的超级电容C₁和超级电容C_n始终只有一节电池与其并联，其余的超级电容在两个模态下均有两节电池与其并联，当所述均衡系统以恒定开关频率工作，并且当串联超级电容组向外部负载供电时，两个串联电池组给串联超级电容组供电并对串联超级电容组实现均衡。

传统的基于电容的储能转移主动均衡方式是利用电容作为储能元件，通过所设计出的均衡拓扑结构可以实现对电池能量的均衡，并且使用串联电池组对外部供能，本发明中对电池组实现均衡的思路来自于此，但是考虑到某些场合电池可能会受到大电流的冲击，所以本发明中利用串联超级电容组对外部输出，这样一来，串联超级电容在实现对串联电池组实现均衡的同时可以作为串联电池组有效缓冲层实现对外部输出的功能；同时，在串联超级电容的两侧有两个串联电池组，通过控制两组开关桥的开通和闭合，两侧的两个串联电池组都会给中间的串联超级电容组供电，减少了在传统模式下串联电池向外供电时每节电池单体的压力。利用以上的技术优点，可以明显提高电池的使用寿命和可靠性。

本发明的目的还可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，所述主动均衡系统包括两个串联电池组、一个控制器、两组开关阵列、一个串联超级电容组；

所述串联超级电容组由n个超级电容C₁、C₂、…C_i、…C_n依次串联组成，i＝1、2、…、n；

所述两个串联电池组分别处于串联超级电容的两侧，每组串联电池组均由n+1个电池单体B₁、B₂、…B_p、…B_n+1和B_1’、B_2’、…B_p’、…B_(n+1)’依次串联组成，p＝1、2、…、n+1，p’＝1、2、…、n+1；

所述两组开关阵列分别由n+1个开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’构成，每个开关桥由两个MOSFET管串联构成用来实现单刀双掷开关的功能，开关阵列中的所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’在同一时刻导通不同的桥臂，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1导通上桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’导通下桥臂，或者，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1导通下桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’导通上桥臂；

电池B_p正极与开关桥SQ_p的一端相连，电池B_p负极与开关桥SQ_p的另一端相连，电池B_p+1正极与开关桥SQ_p+1的一端相连，电池B_p+1负极与开关桥SQ_p+1的另一端相连，超级电容C_i＝p一端与开关桥SQ_p开关桥的中点相连，超级电容C_i＝p的另一端与开关桥SQ_p+1的中点相连；电池B_p’正极与开关桥SQ_p’的一端相连，电池B_p’负极与开关桥SQ_p’的另一端相连，电池B_(p+1)’正极与开关桥SQ_(p+1)’开关桥的一端相连，电池B_(p+1)’负极与开关桥SQ_(p+1)’的另一端相连，超级电容C_i＝p’一端与开关桥SQ_p’的中点相连，超级电容C_i＝p’的另一端与开关桥SQ_(p+1)’的中点相连；

所述控制器不需要考虑初始电压的分布情况，直接产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，分别控制两组开关阵列中所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’在同一时刻导通不同的桥臂,在每个开关周期可分为两个模态，分别命名为模态A和模态B,模态A对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’下桥臂导通；模态B对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’上桥臂导通。

进一步地，所述均衡系统中两侧开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’均由两个正向串联N沟道MOSFET构成，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1上桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’下桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1下桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’上桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；

每个开关周期分为两个模态，当处于模态A时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’下桥臂导通，电池B_p与超级电容C_i＝p并联，电池B_(p+1)’与超级电容C_i＝p’并联；当处于模态B时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’上桥臂导通，电池B_p+1与超级电容C_i＝p并联，电池B_p’与超级电容C_i＝p’并联。

进一步地，在两个模态下，所有的超级电容在两个模态下均有两节电池与其并联，当所述均衡系统以恒定开关频率工作，并且当串联超级电容组向外部负载供电时，两个串联电池组给串联超级电容组供电并对串联超级电容组实现均衡。

传统的基于电容的储能转移主动均衡方式是利用电容作为储能元件，通过所设计出的均衡拓扑结构可以实现对电池能量的均衡，并且使用串联电池组对外部供能，本发明中对电池组实现均衡的思路来自于此，但是考虑到某些场合电池可能会受到大电流的冲击，所以本发明中利用串联超级电容组对外部输出，这样一来，串联超级电容在实现对串联电池组实现均衡的同时可以作为串联电池组有效缓冲层实现对外部输出的功能；同时，在串联超级电容的两侧有两个串联电池组，通过控制两组开关桥的开通和闭合，两侧的两个串联电池组都会给中间的串联超级电容组供电，减少了在传统模式下串联电池向外供电时每节电池单体的压力。利用以上的技术优点，可以明显提高电池的使用寿命和可靠性。

本发明的目的也可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，所述主动均衡系统包括两个串联电池组、一个控制器、两组开关阵列、一个串联超级电容组；

所述串联超级电容组由n个超级电容C₁、C₂、…C_i、…C_n依次串联组成，i＝1、2、…、n；

所述两个串联电池组分别处于串联超级电容的两侧，每组串联电池组均分别由n+1个电池单体B₁、B₂、…B_m、…B_n+1和n-1个电池单体B_1’、B_2’、…B_m’、…B_(n-1)’依次串联组成，m＝1、2、…、n+1，m’＝1、2、…、n-1；

所述两组开关阵列分别由n+1个开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1和n个SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’构成，r’＝1、2、…、n，每个开关桥由两个MOSFET管串联构成用来实现单刀双掷开关的功能，开关阵列中的所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1和SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’在同一时刻导通不同的桥臂，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1导通上桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’导通下桥臂，或者，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1导通下桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’导通上桥臂；

电池B_m正极与开关桥SQ_m的一端相连，电池B_m负极与开关桥SQ_m的另一端相连，电池B_m+1正极与开关桥SQ_m+1的一端相连，电池B_m+1负极与开关桥SQ_m+1的另一端相连，超级电容C_i＝m一端与开关桥SQ_m的中点相连，超级电容C_i＝m的另一端与开关桥SQ_m+1的中点相连；电池B_m’＝r’正极与开关桥SQ_r’的中点相连，电池B_m’＝r’负极与开关桥SQ_(r+1)’的中点相连，开关桥SQ_r’的两端分别与超级电容C_i＝r’的两端相连，开关桥SQ_(r+1)’的两端分别与超级电容C_i＝r’+1的两端相连；

所述控制器不需要考虑初始电压的分布情况，直接产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，分别控制两组开关阵列中所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1和SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’在同一时刻导通不同的桥臂,在每个开关周期可分为两个模态，分别命名为模态A和模态B，模态A对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’下桥臂导通；模态B对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’上桥臂导通。

进一步地，所述的均衡系统中两侧开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1和SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’均由两个正向串联N沟道MOSFET构成，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1上桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’下桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1下桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’上桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；所述的均衡系统每个开关周期可分为两个模态，当处于模态A时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’下桥臂导通，电池B_m与超级电容C_i＝m并联，电池B_m’与超级电容C_i＝m’+1并联；当处于模态B时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’上桥臂导通，电池B_m+1与超级电容C_i＝m并联，电池B_m’与超级电容C_i＝m’并联。

进一步地，在A模态下，串联超级电容组第一个超级电容C₁只有一节电池与其并联，其他所有的超级电容均有两节电池与其并联；在B模态下，串联超级电容组最后一个超级电容C_n只有一节电池与其并联，其他所有的超级电容均有两节电池与其并联，当所述均衡系统以恒定开关频率工作，并且当串联超级电容组向外部负载供电时，两个串联电池组给串联超级电容组供电并对串联超级电容组实现均衡。

传统的基于电容的储能转移主动均衡方式是利用电容作为储能元件，通过所设计出的均衡拓扑结构可以实现对电池能量的均衡，并且使用串联电池组对外部供能，本发明中对电池组实现均衡的思路来自于此，但是考虑到某些场合电池可能会受到大电流的冲击，所以本发明中利用串联超级电容组对外部输出，这样一来，串联超级电容在实现对串联电池组实现均衡的同时可以作为串联电池组有效缓冲层实现对外部输出的功能；同时，在串联超级电容的两侧有两个串联电池组，通过控制两组开关桥的开通和闭合，两侧的两个串联电池组都会给中间的串联超级电容组供电，减少了在传统模式下串联电池向外供电时每节电池单体的压力。利用以上的技术优点，可以明显提高电池的使用寿命和可靠性。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明公开的三种均衡系统结构和控制方式简单，不需要电压传感器，只需要用到两组固定占空比的PWM信号来控制MOSFET开关管，用到更少的MOSFE开关管便可以实现电池组之间的主动均衡，减小能量损失，改善了锂离子电池组不一致性，提高了电池组的可用容量；利用超级电容对串联电池组实现均衡的同时，利用超级电容对外部负载供电，将超级电容作为缓冲，减小了大电流情况下串联电池组的损伤，进一步提高了电池的可靠性和电池的寿命。

附图说明

图1是本发明实施例一中公开的一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统结构图；

图2是本发明实施例二中公开的一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统结构图；

图3是本发明实施例三中公开的一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统结构图；

图4是当超级电容的个数为3个时实施例一中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的电路图；

图5是当超级电容的个数为3个时实施例二中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的电路图；

图6是当超级电容的个数为3个时实施例三中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的电路图；

图7是电池电压分布为V_B1>V_B1’>V_B2’>V_B2时,带负载情况下，当超级电容的个数为3个时实施例一中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统在PSIM9.0中仿真时的电压轨迹图；

图8是电池电压分布为V_B4>V_B4’>V_B1>V_B1’>V_B2’>V_B2>V_B3’>V_B3时,带负载情况下，当超级电容的个数为3个时实施例二中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统在PSIM9.0中仿真时的电压轨迹图；

图9是电池电压分布为V_B4>V_B2’>V_B1>V_B1’>V_B2>V_B3时,带负载情况下，当超级电容的个数为3个时实施例三中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统在PSIM9.0中仿真时的电压轨迹图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的结构图，图4所示的是当超级电容的个数为3个时，本实施例中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的电路图。

控制器产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，一组控制开关桥SQ₁、SQ₂、SQ₃上桥臂的MOSFET和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’下桥臂的MOSFET；另一组控制开关桥SQ₁、SQ₂、SQ₃下桥臂的MOSFET和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’上桥臂的MOSFET。因此，将每个开关周期分为两个模态，分别命名为模态A和模态B,模态A对应SQ₁、SQ₂、SQ₃上桥臂导通和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’下桥臂导通；模态B对应SQ₁、SQ₂、SQ₃下桥臂导通和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’上桥臂导通。

当处于模态A时，电池B₁与超级电容C₁并联，电池B₂与超级电容C₂并联，电池B_1’与超级电容C₂并联，电池B_2’与超级电容C₃并联；当处于模态B时，电池B₁与超级电容C₂并联，电池B₂与超级电容C₃并联，电池B_1’与超级电容C₁并联，电池B_2’与超级电容C₂并联。

在两个模态下，除了处于串联超级电容组首末位置的超级电容C₁和超级电容C₃始终只有一节电池与其并联，剩余的超级电容C₂在两个模态下均有两节电池与其并联，当该均衡系统以恒定开关频率工作时，串联超级电容组将电量高的电池中的电量转移到电量低的电池中，同时，使用超级电容对外部负载供电。

当电池电压分布为V_B1>V_B1’>V_B2’>V_B2时,在带负载情况下，利用超级电容对外输出，当超级电容的个数为3个时，本实施例中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统在PSIM9.0中仿真时的电压轨迹如图7所示，超级电容在实现对串联电池组实现均衡的同时实现了对外部负载供电。

实施例二

如图2所示，本实施例公开了一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的结构图，图5所示的是当超级电容的个数为3个时，本实施例中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的电路图。

控制器产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，一组控制开关桥SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄上桥臂的MOSFET和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’、SQ_4’下桥臂的MOSFET；另一组控制开关桥SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄下桥臂的MOSFET和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’、SQ_4’上桥臂的MOSFET。因此，将每个开关周期分为两个模态，分别命名为模态A和模态B,模态A对应SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄上桥臂导通和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’、SQ_4’下桥臂导通；模态B对应SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄下桥臂导通和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’、SQ_4’上桥臂导通。

当处于模态A时，电池B₁与超级电容C₁并联，电池B₂与超级电容C₂并联，电池B₃与超级电容C₃并联，电池B_2’与超级电容C₁并联，电池B_3’与超级电容C₂并联，电池B_4’与超级电容C₃并联；当处于模态B时，电池B₂与超级电容C₁并联，电池B₃与超级电容C₂并联，电池B₄与超级电容C₃并联，电池B_1’与超级电容C₁并联，电池B_2’与超级电容C₂并联，电池B_3’与超级电容C₃并联。

在两个模态下，所有的超级电容在两个模态下均有两节电池与其并联，当该均衡系统以恒定开关频率工作时，串联超级电容组将电量高的电池中的电量转移到电量低的电池中，同时，使用超级电容对外部负载供电。

当电池电压分布为V_B4>V_B4’>V_B1>V_B1’>V_B2’>V_B2>V_B3’>V_B3时,在带负载情况下，利用超级电容对外输出，当超级电容的个数为3个时，本实施例中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统在PSIM9.0中仿真时的电压轨迹如图8所示，超级电容在实现对串联电池组实现均衡的同时实现了对外部负载供电。

实施例三

如图3所示，本实施例公开了一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的结构图，图6所示的是当超级电容的个数为3个时，本实施例中基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统的电路图。

控制器产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，一组控制开关桥SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄上桥臂的MOSFET和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’下桥臂的MOSFET；另一组控制开关桥SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄下桥臂的MOSFET和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’上桥臂的MOSFET。因此，将每个开关周期分为两个模态，分别命名为模态A和模态B,模态A对应SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄上桥臂导通和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’下桥臂导通；模态B对应SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄下桥臂导通和SQ_1’、SQ_2’、SQ_3’上桥臂导通。

当处于模态A时，电池B₁与超级电容C₁并联，电池B₂与超级电容C₂并联，电池B₃与超级电容C₃并联，电池B_1’与超级电容C₂并联，电池B_2’与超级电容C₃并联；当处于模态B时，电池B₂与超级电容C₁并联，电池B₃与超级电容C₂并联，电池B₄与超级电容C₃并联，电池B_1’与超级电容C₁并联，电池B_2’与超级电容C₂并联。

在A模态下，串联超级电容组第一个超级电容C₁只有一节电池与其并联，剩余的超级电容C₂、C₃均有两节电池与其并联；在B模态下，串联超级电容组最后一个超级电容C₃只有一节电池与其并联，剩余的超级电容C₁、C₂均有两节电池与其并联，当该均衡系统以恒定开关频率工作时，串联超级电容组将电量高的电池中的电量转移到电量低的电池中，同时，使用超级电容对外部负载供电。

当电池电压分布为V_B4>V_B2’>V_B1>V_B1’>V_B2>V_B3时,在带负载情况下，利用超级电容对外输出，当超级电容的个数为3个时第三种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统在PSIM9.0中仿真时的电压轨迹如图9所示，超级电容在实现对串联电池组实现均衡的同时实现了对外部负载供电。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，所述主动均衡系统包括两个串联电池组、一个控制器、两组开关阵列、一个串联超级电容组，其中，

所述串联超级电容组由n个超级电容C₁、C₂、…C_i、…C_n依次串联组成，i＝1、2、…、n；

所述两个串联电池组分别位于串联超级电容的两侧，每组串联电池组分别由n-1个电池单体B_1”、B_2”、…B_i”、…B_(n-1)”和B_1”’、B_2”’、…B_i”’、…B_(n-1)”’依次串联组成，i”＝1、2、…、n-1，i”’＝1、2、…、n-1；

所述两组开关阵列分别由n个开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’构成，i’＝1、2、…、n，每个开关桥由两个MOSFET管串联构成用来实现单刀双掷开关的功能，开关阵列中的所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’在同一时刻导通不同的桥臂，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n导通上桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’导通下桥臂，或者，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n导通下桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’导通上桥臂；

电池B_i”正极与开关桥SQ_i＝i”的中点相连，电池B_i”负极与开关桥SQ_i＝i”+1的中点相连，开关桥SQ_i的两端分别与超级电容C_i两端相连，开关桥SQ_i+1的两端分别与超级电容C_i+1相连；电池B_i”’正极与开关桥SQ_{i’＝i”’}的中点相连，电池B_i”’负极与开关桥SQ_{i’＝i”’+1}的中点相连，开关桥SQ_i’的两端分别与超级电容C_i＝i’两端相连，开关桥SQ_(i+1)’的两端分别与超级电容C_i＝(i+1)’相连；

所述控制器不需要考虑初始电压的分布情况，直接产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，分别控制两组开关阵列中所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’在同一时刻导通不同的桥臂,在每个开关周期可分为两个模态，分别命名为模态A和模态B，模态A对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’下桥臂导通；模态B对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’上桥臂导通。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，所述均衡系统中两侧开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’均由两个正向串联N沟道MOSFET构成，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n上桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’下桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n下桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’上桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；

每个开关周期分为两个模态，当处于模态A时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’下桥臂导通，电池B_i”与超级电容C_i＝i”并联，电池B_i”’与超级电容C_{i＝i”’+1}并联；当处于模态B时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_i、…SQ_n下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_i’、…SQ_n’上桥臂导通，电池B_i”与超级电容C_i＝i”+1并联，电池B_i”’与超级电容C_i＝i”’并联。

3.根据权利要求2所述的基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，在两个模态下，除了处于串联超级电容组首末位置的超级电容C₁和超级电容C_n始终只有一节电池与其并联，其余的超级电容在两个模态下均有两节电池与其并联，当所述均衡系统以恒定开关频率工作，并且当串联超级电容组向外部负载供电时，两个串联电池组给串联超级电容组供电并对串联超级电容组实现均衡。

4.一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，所述主动均衡系统包括两个串联电池组、一个控制器、两组开关阵列、一个串联超级电容组；

所述串联超级电容组由n个超级电容C₁、C₂、…C_i、…C_n依次串联组成，i＝1、2、…、n；

所述两个串联电池组分别处于串联超级电容的两侧，每组串联电池组均由n+1个电池单体B₁、B₂、…B_p、…B_n+1和B_1’、B_2’、…B_p’、…B_(n+1)’依次串联组成，p＝1、2、…、n+1，p’＝1、2、…、n+1；

所述两组开关阵列分别由n+1个开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’构成，每个开关桥由两个MOSFET管串联构成用来实现单刀双掷开关的功能，开关阵列中的所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’在同一时刻导通不同的桥臂，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1导通上桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’导通下桥臂，或者，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1导通下桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’导通上桥臂；

电池B_p正极与开关桥SQ_p的一端相连，电池B_p负极与开关桥SQ_p的另一端相连，电池B_p+1正极与开关桥SQ_p+1的一端相连，电池B_p+1负极与开关桥SQ_p+1的另一端相连，超级电容C_i＝p一端与开关桥SQ_p开关桥的中点相连，超级电容C_i＝p的另一端与开关桥SQ_p+1的中点相连；电池B_p’正极与开关桥SQ_p’的一端相连，电池B_p’负极与开关桥SQ_p’的另一端相连，电池B_(p+1)’正极与开关桥SQ_(p+1)’开关桥的一端相连，电池B_(p+1)’负极与开关桥SQ_(p+1)’的另一端相连，超级电容C_i＝p’一端与开关桥SQ_p’的中点相连，超级电容C_i＝p’的另一端与开关桥SQ_(p+1)’的中点相连；

所述控制器不需要考虑初始电压的分布情况，直接产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，分别控制两组开关阵列中所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’在同一时刻导通不同的桥臂,在每个开关周期可分为两个模态，分别命名为模态A和模态B,模态A对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’下桥臂导通；模态B对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’上桥臂导通。

5.根据权利要求4所述的基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，所述均衡系统中两侧开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’均由两个正向串联N沟道MOSFET构成，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1上桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’下桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1下桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’上桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；

每个开关周期分为两个模态，当处于模态A时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’下桥臂导通，电池B_p与超级电容C_i＝p并联，电池B_(p+1)’与超级电容C_i＝p’并联；当处于模态B时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_p、…、SQ_n+1下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_p’、…、SQ_(n+1)’上桥臂导通，电池B_p+1与超级电容C_i＝p并联，电池B_p’与超级电容C_i＝p’并联。

6.根据权利要求5所述的基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，在两个模态下，所有的超级电容在两个模态下均有两节电池与其并联，当所述均衡系统以恒定开关频率工作，并且当串联超级电容组向外部负载供电时，两个串联电池组给串联超级电容组供电并对串联超级电容组实现均衡。

7.一种基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，所述主动均衡系统包括两个串联电池组、一个控制器、两组开关阵列、一个串联超级电容组；

所述串联超级电容组由n个超级电容C₁、C₂、…C_i、…C_n依次串联组成，i＝1、2、…、n；

所述两个串联电池组分别处于串联超级电容的两侧，每组串联电池组均分别由n+1个电池单体B₁、B₂、…B_m、…B_n+1和n-1个电池单体B_1’、B_2’、…B_m’、…B_(n-1)’依次串联组成，m＝1、2、…、n+1，m’＝1、2、…、n-1；

所述两组开关阵列分别由n+1个开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1和n个SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’构成，r’＝1、2、…、n，每个开关桥由两个MOSFET管串联构成用来实现单刀双掷开关的功能，开关阵列中的所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1和SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’在同一时刻导通不同的桥臂，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1导通上桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’导通下桥臂，或者，当一组开关阵列中所有的开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1导通下桥臂时，另一组开关阵列中所有的开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’导通上桥臂；

电池B_m正极与开关桥SQ_m的一端相连，电池B_m负极与开关桥SQ_m的另一端相连，电池B_m+1正极与开关桥SQ_m+1的一端相连，电池B_m+1负极与开关桥SQ_m+1的另一端相连，超级电容C_i＝m一端与开关桥SQ_m的中点相连，超级电容C_i＝m的另一端与开关桥SQ_m+1的中点相连；电池B_m’＝r’正极与开关桥SQ_r’的中点相连，电池B_m’＝r’负极与开关桥SQ_(r+1)’的中点相连，开关桥SQ_r’的两端分别与超级电容C_i＝r’的两端相连，开关桥SQ_(r+1)’的两端分别与超级电容C_i＝r’+1的两端相连；

所述控制器不需要考虑初始电压的分布情况，直接产生两组占空比均为50％的PWM控制信号，分别控制两组开关阵列中所有开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1和SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’在同一时刻导通不同的桥臂,在每个开关周期可分为两个模态，分别命名为模态A和模态B，模态A对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’下桥臂导通；模态B对应开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’上桥臂导通。

8.根据权利要求7所述的基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，

所述的均衡系统中两侧开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1和SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’均由两个正向串联N沟道MOSFET构成，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1上桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’下桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1下桥臂的MOSFET和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’上桥臂的MOSFET共用一个驱动信号；所述的均衡系统每个开关周期可分为两个模态，当处于模态A时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1上桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’下桥臂导通，电池B_m与超级电容C_i＝m并联，电池B_m’与超级电容C_i＝m’+1并联；当处于模态B时，开关桥SQ₁、SQ₂、…SQ_m、…SQ_n+1下桥臂导通和开关桥SQ_1’、SQ_2’、…SQ_r’、…SQ_n’上桥臂导通，电池B_m+1与超级电容C_i＝m并联，电池B_m’与超级电容C_i＝m’并联。

9.根据权利要求8所述的基于超级电容储能转移的锂电池组主动均衡系统，其特征在于，在A模态下，串联超级电容组第一个超级电容C₁只有一节电池与其并联，其他所有的超级电容均有两节电池与其并联；在B模态下，串联超级电容组最后一个超级电容C_n只有一节电池与其并联，其他所有的超级电容均有两节电池与其并联，当所述均衡系统以恒定开关频率工作，并且当串联超级电容组向外部负载供电时，两个串联电池组给串联超级电容组供电并对串联超级电容组实现均衡。

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