CN115133614A - 一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路及控制方法 - Google Patents

一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Buck‑Boost变换器的模块化均衡电路及控制方法，该均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路、控制器、开关驱动电路、电压采样电路。本发明通过三个相邻电池单体或相邻底层均衡模块共用一个Buck‑Boost变换器，减少电感和开关的数量，从而减小电路体积并降低成本。该均衡电路控制方法不仅可以实现底层均衡模块内部同时均衡，还可以实现底层均衡模块之间的均衡，提升均衡速度。

Description

一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路及控制方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池组均衡技术领域，具体涉及一种基于Buck- Boost变换器的模块化均衡电路及控制方法。
背景技术
锂电池被广泛应用于电动汽车和储能电站中。但是，单节锂电池的电压通常很低，无法满足电动汽车和储能电站的使用要求，通常需要将多节锂电池进行串联。例如，磷酸铁锂电池单体标称电压是3.2V，充电电压是 3.65V；而三元锂电池单体标称电压是3.7V，充电电压是4.2V。如果需要达到12V电压，需要三节三元锂电池单体串联；如果需要达到48V电压，需要十五节磷酸铁锂电池单体串联。由于串联电池单体之间存在温差、物理体积的制造差异、自放电率的差异等，容易造成电池不均衡问题，减损电池寿命，造成安全隐患，因此必须利用均衡电路对电池组的SOC进行管理。
中国发明专利(申请号CN202010240916.X)公开一种电动汽车动力电池主动均衡装置及方法，该装置包括分层Buck-Boost均衡电路结构和模糊控制器。其中两个相邻电池单体或相邻底层均衡模块共用一个Buck-Boost 变换器，可在相邻电池单体、不相邻电池单体之间同时实现能量转移，提高均衡速度，但使用的电感数量较多。
中国发明专利(申请号CN201710762136.X)公开一种单电感双向电池均衡电路及其控制方法，包含电池组、开关矩阵和电荷保持器。其中每个电池单体的正极和负极都要通过开关管或二极管连接到电感两端，从而实现电池组中单体与单体之间的能量转移，提高均衡速度，但使用的开关管和二极管数量较多。
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 Buck-Boost变换器的模块化均衡电路及控制方法。本发明通过三个相邻电池单体或相邻底层均衡模块共用一个Buck-Boost变换器，减少电感和开关的数量。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路，所述均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路、控制器、开关驱动电路、电压采样电路；
所述均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路、控制器、开关驱动电路、电压采样电路；
所述底层均衡电路由n个底层均衡模块组成，依次命名为M1、M2、… Mi、…、Mn，i＝1、2、…、n；
其中每个底层均衡电路Mi包括三节电池单体、一个电感、四个开关，三节电池单体串联，依次命名为Bi1、Bi2、Bi3，电感命名为Li1，电感Li1有两个端口，命名为Ai端和Bi端；四个开关依次命名为Si1、Si2、Si3、Si4，每个开关由一个N沟道MOSFET组成，MOSFET上并联的二极管为电感 Li1的电流提供续流通道，开关Si1源极接电感Ai端，开关Si1漏极接电池单体Bi1正极；开关Si2源极接电感Bi端，开关Si2漏极接电池单体Bi2正极；开关Si3源极接电池单体Bi3正极，开关Si3漏极接电感Li1的Ai端；开关Si4源极接电池单体Bi4负极，开关Si4漏极接电感Li1的Bi端；
所述顶层均衡电路由
Figure RE-GDA0003825456240000021
个顶层均衡模块组成，依次命名为
Figure RE-GDA0003825456240000022
Figure RE-GDA0003825456240000031
符号
Figure RE-GDA0003825456240000032
表示向上取整操作；
其中每个顶层均衡模块Tj包括一个电感、四个开关，电感命名为Lja，电感Lja有两个端口，命名为aj端和bj端；四个开关依次命名为Sja、Sjb、 Sjc、Sjd，每个开关由一个N沟道MOSFET组成，MOSFET上并联的二极管为电感Lja的电流提供续流通道，开关Sja源极接电感aj端，开关Sja漏极接底层均衡模块Mi的正极；开关Sjb源极接电感bj端，开关Sjb漏极接底层均衡模块Mi+1的正极；开关Sjc源极接底层均衡模块Mi+2的正极，开关 Sjc漏极接电感Lja的aj端；开关Sjd源极接底层均衡模块Mi+2的负极，开关 Sjd漏极接电感Lja的bj端；
所述电压采样电路采集各电池单体的电压值，并传入控制器，控制器输出开关信号，经过开关驱动电路而放大信号，控制开关模块的通断。
进一步地，所述底层均衡模块存在四种均衡模式，其中，均衡模式一为电池单体Bi1放电，电池单体Bi2充电；均衡模式二为电池单体Bi3放电，电池单体Bi2充电；均衡模式三为电池单体Bi2放电，电池单体Bi1充电；均衡模式四为电池单体Bi2放电，电池单体Bi3充电；底层均衡电路的四种均衡模式可以实现相邻电池单体之间的能量转移；
所有均衡模式都有两个工作模态，且两个模态交替工作，一个周期中，电路在时间T1工作于工作模态一，在时间T2工作于工作模态二；模态一可以实现电池单体的放电，模态二可以实现电池单体的充电。
进一步地，所述均衡模式一下，开关Si2在一个周期中保持导通，开关 Si1在时间T1导通，电池单体Bi1放电，电感Li1充电，设置时间T1实现对峰值电流ipeak的控制，开关Si1在时间T2闭合，电流通过开关Si3的二极管续流，电池单体Bi2充电，电感Li1放电，设置时间T2将电感Li1设置成断续工作模式；在均衡模式一下，能量从电池单体Bi1转移到电池单体Bi2中；
所述均衡模式二下，开关Si3在一个周期中保持导通，开关Si4在时间T1导通，电池单体Bi3放电，电感Li1充电，设置时间T1,实现对峰值电流 ipeak的控制，开关Si4在时间T2闭合，电流通过开关Si2的二极管续流，电池单体Bi2充电，电感Li1放电，设置时间T2将电感Li1设置成断续工作模式；在均衡模式二下，能量从电池单体Bi3转移到电池单体Bi2中；
所述均衡模式三下，开关Si2在一个周期中保持导通，开关Si3在时间 T1导通，电池单体Bi2放电，电感Li1充电，设置时间T1实现对峰值电流 ipeak的控制，开关Si3在时间T2闭合，电流通过开关Si1的二极管续流，电池单体Bi1充电，电感Li1放电，设置时间T2将电感Li1设置成断续工作模式；在均衡模式三下，能量从电池单体Bi2转移到电池单体Bi1中；
所述均衡模式四下，开关Si3在一个周期中保持导通，开关Si2在时间 T1导通，电池单体Bi2放电，电感Li1充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制，开关Si2在时间T2闭合，电流通过开关Si4的二极管续流，电池单体Bi3充电，电感Li1放电，设置时间T2将电感Li1设置成断续工作模式；在均衡模式四下，能量从电池单体Bi2转移到电池单体Bi3中。
进一步地，所述顶层均衡模块包括四种均衡模式，其中，均衡模式一为底层均衡模块Mi放电，底层均衡模块Mi+1充电；均衡模式二为底层均衡模块Mi+2放电，底层均衡模块Mi+1充电；均衡模式三为底层均衡模块 Mi+1放电，底层均衡模块Mi充电；均衡模式四为底层均衡模块Mi+1放电，底层均衡模块Mi+2充电；底层均衡电路的四种均衡模式可以实现相邻底层均衡模块之间的能量转移；
所有均衡模式都有两个工作模态，且两个模态交替工作，一个周期中，电路在时间T1工作于工作模态一，在时间T2工作于工作模态二；模态一可以实现底层均衡模块的放电，模态二可以实现底层均衡模块的充电。
进一步地，所述均衡模式一下，开关Sjb在一个周期中保持导通，开关 Sja在时间T1导通，底层均衡模块Mi放电，电感Lia充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制，开关Sja在时间T2闭合，电流通过开关Sjc的二极管续流，底层均衡模块Mi+1充电，电感Lia放电，设置时间T2将电感Lia设置成断续工作模式；在均衡模式一下，能量从底层均衡模块Mi转移到底层均衡模块Mi+1中；
所述均衡模式二下，开关Sjc在一个周期中保持导通，开关Sjd在时间 T1导通，底层均衡模块Mi+2放电，电感Lia充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制。开关Sjd在时间T2闭合，电流通过开关Sjb的二极管续流，底层均衡模块Mi+1充电，电感Lia放电，设置时间T2将电感Lia设置成断续工作模式；在均衡模式二下，能量从底层均衡模块Mi+2转移到底层均衡模块Mi+1中；所述均衡模式三下，开关Sjb在一个周期中保持导通，开关Sjc在时间T1导通，底层均衡模块Mi+1放电，电感Lia充电，设置时间 T1实现对电感峰值电流ipeak的控制，开关Sjc在时间T2闭合，电流通过开关Sja的二极管续流，底层均衡模块Mi充电，电感Lia放电，设置时间T2将电感Lia设置成断续工作模式；在均衡模式三下，能量从底层均衡模块 Mi+1转移到底层均衡模块Mi中；
所述均衡模式四下，开关Sjc在一个周期中保持导通，开关Sjb在时间 T1导通，底层均衡模块Mi+1放电，电感Lia充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制，开关Sjb在时间T2闭合，电流通过开关Sjd的二极管续流，底层均衡模块Mi+2充电，电感Lia放电，设置时间T2将电感Lia设置成断续工作模式；在均衡模式四下，能量从底层均衡模块Mi+1转移到底层均衡模块Mi+2中。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路的控制方法，包括以下步骤：
S1、电压采样电路采集所有电池单体的电压值，并将电压值传入控制器；
S2、控制器根据所有电池单体的电压值，由电压值从高至低给每个底层均衡模块Mi的电池单体排序，序号分别为Bimax、Bimid、Bimin；由底层均衡模块的电压值从高至低给所有底层均衡模块排序，序号分别为Mimax、 Mimid、Mimin；
S3、若Bimax-Bimin大于预先设置的均衡阈值，则通过控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路而放大，驱动相应的开关，开启相应的底层均衡模块Mi；
S4、若Mimax-Mimin大于预先设置的均衡阈值，则通过控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路而放大，驱动相应的开关，开启相应的顶层均衡模块Ti；
S5、均衡一段时间teq后，停止均衡，返回步骤S1；
通过该控制方法，可以实现电压较高的电池单体放电，电压较低的电池单体充电的效果，并使电池单体之间的电压差在均衡阈值内。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)现有技术通过两个相邻电池单体或相邻底层均衡模块共用一个 Buck-Boost变换器均衡，N个电池单体需要
Figure RE-GDA0003825456240000061
个底层均衡模块，
Figure RE-GDA0003825456240000062
个顶层均衡模块；而本发明通过三个相邻电池单体或相邻底层均衡模块共用一个Buck-Boost变换器，N个电池单体仅需
Figure RE-GDA0003825456240000063
个底层均衡模块，
Figure RE-GDA0003825456240000064
个顶层均衡模块，减少了所需均衡模块的数量，从而减少了电感和开关的数量，减小了电路的体积，降低了成本；
(2)现有技术的开关常使用两个MOSFET组成的双向开关，以便控制电流双向流通；而本发明通过设计MOSFET上并联的二极管与电池单体的连接方式，每个开关仅需一个MOSFET即可控制电流双向流通，减少了开关器件的数量；
(3)本发明提出的均衡电路的控制方法不仅让所有底层均衡电路内部都完成均衡，而且也实现所有底层均衡模块之间完成均衡，提高了均衡速度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例中提出的基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路的原理图；
图2是适用于3节电池的基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路图；
图3是本发明实施例1中均衡模式一的模态一电流流动方向图；
图4是本发明实施例1中均衡模式一的模态二电流流动方向图；
图5是本发明实施例1中均衡模式一对应的理论波形图；
图6是3节初始电压分布为ABC的串联电池在PSIM9.1软件上进行均衡仿真的电压轨迹图；
图7是3节初始电压分布为ACB的串联电池在PSIM9.1软件上进行均衡仿真的电压轨迹图；
图8是适用于9节电池的基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路图；
图9是本发明实施例2中9节串联电池在PSIM9.1软件上进行均衡仿真的电压轨迹图；
图10是本发明实施例2中适用于15节电池的基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路图；
图11是本发明实施例3中15节串联电池在PSIM9.1软件上进行均衡仿真的电压轨迹图。
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1
图2是适用于3节电池的基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路。如图所示，由于电池数较少，本实施例公开的分层均衡电路仅包括一个底层均衡模块。
底层均衡电路M1包括三节串联电池单体B11、B12、B13，四个N沟道 MOSFET开关S11、S12、S13、S14，一个电感L11，电感L11有两个端口，命名为A1端和B1端；MOSFET上并联的二极管为电感电流提供续流通道；开关S11源极接电感A1端，漏极接电池单体B11正极；开关S12源极接电感 B1端，漏极接电池单体B12正极；开关源极S13接电池单体B13正极，漏极接电感A1端；开关源极S14接电池单体B13负极，漏极接电感B1端。
假设底层均衡模块的电池单体电压分别为VB11、VB12、VB13，电压采样电路将采集到的电池单体的电压最大值V1max和电池单体的电压最小值 V1min送入控制器，控制器判断它们之间的差值，若大于均衡阈值，则底层均衡模块进入均衡状态。
若电压最大电池单体为VB11，电压最小电池单体为VB13，底层均衡模块先进入均衡模式一，再进入均衡模式四。首先，底层均衡模块进入均衡模式一，导通开关S11、S12，如图3所示，使得电压最高的电池单体B11给电感L11充电。在均衡模式一的工作模态二，关断开关S11，使电流经过开关S13的二极管续流，如图4所示，使得电感L11给电池单体B12充电。均衡模式一对应的电感电流仿真波形如图5所示。接着，底层均衡模块进入均衡模式四。在均衡模式四的工作模态一，导通开关S12、S13，使得电池单体B12给电感L11充电。在均衡模式四的工作模态二，关断开关S12，使电流经过开关S14的二极管续流，使得电感L11给电压最低的电池单体B13充电。
若电压最大电池单体为VB13，电压最小电池单体为VB11，底层均衡模块先进入均衡模式二，再进入均衡模式三。首先，底层均衡模块进入均衡模式二。在均衡模式二的工作模态一，导通开关S13、S14，使得电压最高的电池单体B13给电感L11充电。在均衡模式二的工作模态二，关断开关S14，使电流经过开关S12的二极管续流，使得电感L11给电池单体B12充电。接着，底层均衡模块进入均衡模式三。在均衡模式三的工作模态一，导通开关S11、S12，使得电池单体B12给电感L11充电。在均衡模式三的工作模态二，关断开关S12，使电流经过开关S11的二极管续流，使得电感L11给电压最低的电池单体B11充电。
若电压最大电池单体为VB11，电压最小电池单体为VB12，底层均衡模块进入均衡模式一。在均衡模式一的工作模态一，导通开关S11、S12，使得电压最高的电池单体B11给电感L11充电。在均衡模式一的工作模态二，关断开关S11，使电流经过开关S13的二极管续流，使得电感L11给电池单体 B12充电。
若电压最大电池单体为VB12，电压最小电池单体为VB11，底层均衡模块进入均衡模式三。在均衡模式三的工作模态一，导通开关S12、S13，使得电压最高的电池单体B12给电感L11充电。在均衡模式三的工作模态二，关断开关S13，使电流经过开关S11的二极管续流，使得电感L11给电池单体 B11充电。
若电压最大电池单体为VB12，电压最小电池单体为VB13，底层均衡模块进入均衡模式四。在均衡模式四的工作模态一，导通开关S12、S13，使得电压最高的电池单体B12给电感L11充电。在均衡模式四的工作模态二，关断开关S12，使电流经过开关S14的二极管续流，使得电感L11给电池单体 B13充电。
若电压最大电池单体为VB13，电压最小电池单体为VB12，底层均衡模块进入均衡模式二。在均衡模式二的工作模态一，导通开关S13、S14，使得电压最高的电池单体B13给电感L11充电。在均衡模式二的工作模态二，关断开关S14，使电流经过开关S12的二极管续流，使得电感L11给电池单体 B12充电。
将3节串联电池单体在PSIM9.1软件上进行仿真。其中，电池单体以 0.1F的电容进行模拟，电感值设置为17.5uH，占空比设置为0.49，开关频率为20kHz。底层均衡模块M1中电池单体的初始电压分布分别设置为ABC (VB11＝4.00V、VB12＝3.98V、VB13＝3.96V)、ACB(VB11＝4.00V、VB12＝ 3.96V、VB13＝3.98V)、BAC(VB11＝3.98V、VB12＝4.00V、VB13＝3.96V)， BCA(VB11＝3.98V、VB12＝4.00V、VB13＝3.96V)、CAB(VB11＝3.98V、VB12＝4.00V、VB13＝3.96V)、CBA(VB11＝3.98V、VB12＝4.00V、VB13＝3.96V)。均衡结果如表1所示。电池单体初始电压为ABC与ACB时仿真的电压轨迹图分别如图6和图7所示。
表1.三节串联电池单体的仿真均衡结果
电池单体初始电压分布 ABC ACB BAC BCA CAB CBA
均衡前最大电压差(mv) 40 40 40 40 40 40
均衡后最大电压差(mv) 5 5 5 5 5 5
均衡时间(ms) 2.58 1.29 1.29 1.29 1.29 2.58
仿真结果表明本发明的底层均衡模块对于任意的电池单体初始电压分布都可以进行电池单体的均衡，验证了本发明的有效性和快速性。
实施例2
图8是适用于9节电池的基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路。如图所示，本实施例公开的分层均衡电路包括：三个底层均衡模块，一个顶层均衡模块。
底层均衡电路Mt(t＝1,2,3)包括三节串联电池单体Bt1、Bt2、Bt3，四个N沟道MOSFET开关St1、St2、St3、St4，一个电感Lt1，电感Lt1有两个端口，命名为At端和Bt端；MOSFET上并联的二极管为电感电流提供续流通道；开关St1源极接电感At端，漏极接电池单体Bt1正极；开关St2源极接电感Bt端，漏极接电池单体Bt2正极；开关源极St3接电池单体Bt3正极，漏极接电感At端；开关源极St4接电池单体Bt3负极，漏极接电感Bt端。
顶层均衡电路T1包括四个N沟道MOSFET开关S1a、S1b、S1c、S1d，一个电感L1a，电感L1a有两个端口，命名为a1端和b1端；其中MOSFET上并联的二极管为电感电流提供续流通道；开关S1a源极接电感a1端，漏极接底层均衡模块M1的正极；开关S1b源极接电感b1端，漏极接底层均衡模块M2的正极；开关S1c源极接底层均衡模块M3的正极，漏极接电感a1端；开关S1d源极接底层均衡模块M3的负极，漏极接电感b1端。
假设底层均衡模块的电池单体电压分别为VBt1、VBt2、VBt3，电压采样电路将采集到的电池单体的电压最大值Vtmax和电池单体的电压最小值 Vtmin送入控制器，控制器判断它们之间的差值，若大于均衡阈值，则底层均衡模块进入均衡状态。若电压最大电池单体为Bt1，电压最小电池单体为 Bt3，底层均衡模块先进入均衡模式一，再进入均衡模式四。首先，底层均衡模块进入均衡模式一，导通开关St1、St2，使得电压最高的电池单体Bt1给电感Lt1充电。在均衡模式一的工作模态二，关断开关St1，使电流经过开关St3的二极管续流，使得电感Lt1给电池单体Bt2充电。接着，底层均衡模块进入均衡模式四。在均衡模式四的工作模态一，导通开关St2、St3，使得电池单体Bt2给电感Lt1充电。在均衡模式四的工作模态二，关断开关 St2，使电流经过开关St4的二极管续流，使得电感Lt1给电压最低的电池单体Bt3充电。
若电压最大电池单体为Bt3，电压最小电池单体为Bt1，底层均衡模块先进入均衡模式二，再进入均衡模式三。首先，底层均衡模块进入均衡模式二。在均衡模式二的工作模态一，导通开关St3、St4，使得电压最高的电池单体Bt3给电感Lt1充电。在均衡模式二的工作模态二，关断开关St4，使电流经过开关St2的二极管续流，使得电感Lt1给电池单体Bt2充电。接着，底层均衡模块进入均衡模式三。在均衡模式三的工作模态一，导通开关St1、 St2，使得电池单体Bt2给电感Lt1充电。在均衡模式三的工作模态二，关断开关St2，使电流经过开关St1的二极管续流，使得电感Lt1给电压最低的电池单体Bt1充电。
若电压最大电池单体为Bt1，电压最小电池单体为Bt2，底层均衡模块进入均衡模式一。在均衡模式一的工作模态一，导通开关St1、St2，使得电压最高的电池单体Bt1给电感Lt1充电。在均衡模式一的工作模态二，关断开关St1，使电流经过开关St3的二极管续流，使得电感Lt1给电池单体Bt2充电。
若电压最大电池单体为Bt2，电压最小电池单体为Bt1，底层均衡模块进入均衡模式三。在均衡模式三的工作模态一，导通开关St2、St3，使得电压最高的电池单体Bt2给电感Lt1充电。在均衡模式三的工作模态二，关断开关St3，使电流经过开关St1的二极管续流，使得电感Lt1给电池单体Bt1充电。
若电压最大电池单体为Bt2，电压最小电池单体为Bt3，底层均衡模块进入均衡模式四。在均衡模式四的工作模态一，导通开关St2、St3，使得电压最高的电池单体Bt2给电感Lt1充电。在均衡模式四的工作模态二，关断开关St2，使电流经过开关St4的二极管续流，使得电感Lt1给电池单体Bt3充电。
若电压最大电池单体为Bt3，电压最小电池单体为Bt2，底层均衡模块进入均衡模式二。在均衡模式二的工作模态一，导通开关St3、St4，使得电压最高的电池单体Bt3给电感Lt1充电。在均衡模式二的工作模态二，关断开关St4，使电流经过开关St2的二极管续流，使得电感Lt1给电池单体Bt2充电。
假设底层均衡模块的电压分别为VM1、VM2、VM3，电压采样电路将采集到的底层均衡模块的电压最大值Vmmax和底层均衡模块的电压最小值 Vmmin送入控制器，控制器判断它们之间的差值，若大于均衡阈值，则顶层均衡模块进入均衡状态。
若电压最大底层均衡模块为M1，电压最小底层均衡模块为M3，顶层均衡模块先进入均衡模式一，再进入均衡模式四。首先，顶层均衡模块进入均衡模式一，导通开关S1a、S1b，使得电压最高的底层均衡模块M1给电感L1a充电。在均衡模式一的工作模态二，关断开关S1a，使电流经过开关 S1c的二极管续流，使得电感L1a给底层均衡模块M2充电。接着，顶层均衡模块进入均衡模式四。在均衡模式四的工作模态一，导通开关S1b、S1c，使得底层均衡模块M2给电感L1a充电。在均衡模式四的工作模态二，关断开关S1b，使电流经过开关S1d的二极管续流，使得电感L1a给电压最低的底层均衡模块M3充电。
若电压最大底层均衡模块为M3，电压最小底层均衡模块为M1，顶层均衡模块先进入均衡模式二，再进入均衡模式三。首先，顶层均衡模块进入均衡模式二。在均衡模式二的工作模态一，导通开关S1c、S1d，使得电压最高的底层均衡模块M3给电感L1a充电。在均衡模式二的工作模态二，关断开关S1d，使电流经过开关S1b的二极管续流，使得电感L1a给底层均衡模块M2充电。接着，顶层均衡模块进入均衡模式三。在均衡模式三的工作模态一，导通开关S1a、S1b，使得底层均衡模块M2给电感L1a充电。在均衡模式三的工作模态二，关断开关S1b，使电流经过开关S1a的二极管续流，使得电感L1a给电压最低的底层均衡模块M1充电。
若电压最大底层均衡模块为M1，电压最小底层均衡模块为M2，顶层均衡模块进入均衡模式一。在均衡模式一的工作模态一，导通开关S1a、S1b，使得电压最高的底层均衡模块M1给电感L1a充电。在均衡模式一的工作模态二，关断开关S1a，使电流经过开关S1c的二极管续流，使得电感L1a给底层均衡模块M2充电。
若电压最大底层均衡模块为M2，电压最小底层均衡模块为M1，顶层均衡模块进入均衡模式三。在均衡模式三的工作模态一，导通开关S1b、S1c，使得电压最高的底层均衡模块M2给电感L1a充电。在均衡模式三的工作模态二，关断开关S1c，使电流经过开关S1a的二极管续流，使得电感L1a给底层均衡模块M1充电。
若电压最大底层均衡模块为M2，电压最小底层均衡模块为M3，顶层均衡模块进入均衡模式四。在均衡模式四的工作模态一，导通开关S1b、S1c，使得电压最高的底层均衡模块M2给电感L1a充电。在均衡模式四的工作模态二，关断开关S1b，使电流经过开关S1d的二极管续流，使得电感L1a给底层均衡模块M3充电。
若电压最大底层均衡模块为M3，电压最小底层均衡模块为M2，顶层均衡模块进入均衡模式二。在均衡模式二的工作模态一，导通开关S1c、S1d，使得电压最高的底层均衡模块M3给电感L1a充电。在均衡模式二的工作模态二，关断开关S1d，使电流经过开关S1b的二极管续流，使得电感L1a给底层均衡模块M2充电。
图9为9节串联电池单体在PSIM9.1软件上进行仿真的电压轨迹图。其中，电池单体以0.1F的电容进行模拟，电感值设置为17.5uH，占空比设置为0.49，开关频率为20kHz。底层均衡模块M1中电池单体的初始电压分别设置为VB11＝4.0V、VB12＝3.98V、VB13＝3.96V，底层均衡模块M2中电池单体的初始电压分别设置为VB21＝3.94V、VB22＝3.92V、VB23＝3.9V，底层均衡模块M3中电池单体的初始电压分别设置为VB31＝3.88V、VB32＝3.86V、VB33＝3.84V。均衡时间为3ms。底层均衡模块M1中的电池单体的最大电压差从40mV降低至5mV，底层均衡模块M2中的电池单体的最大电压差从40mV降低至5mV，底层均衡模块M3中的电池单体的最大电压差从40mV降低至4mV。三个顶层均衡模块之间的最大压差从160mV降低至5mV。
仿真结果表明本发明不仅实现了底层均衡模块内电池单体的均衡，也通过顶层均衡模块实现了底层模块间的均衡。仿真结果验证了本发明的有效性和快速性。
实施例3
图10是适用于15节电池的基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路。如图所示，本实施例公开的分层均衡电路包括：三个底层均衡模块，两个顶层均衡模块。
底层均衡电路Mp(p＝1,2,3,4,5)包括三节串联电池单体Bp1、Bp2、Bp3，四个N沟道MOSFET开关Sp1、Sp2、Sp3、Sp4，一个电感Lp1，电感Lp1有两个端口，命名为Ap端和Bp端；MOSFET上并联的二极管为电感电流提供续流通道；开关Sp1源极接电感Ap端，漏极接电池单体Bp1正极；开关 Sp2源极接电感Bp端，漏极接电池单体Bp2正极；开关源极Sp3接电池单体 Bp3正极，漏极接电感Ap端；开关源极Sp4接电池单体Bp3负极，漏极接电感Bp端。
顶层均衡电路Tq(q＝1,2)包括四个N沟道MOSFET开关Sqa、Sqb、 Sqc、Sqd，一个电感Lqa，电感Lqa有两个端口，命名为aq端和bq端；其中 MOSFET上并联的二极管为电感电流提供续流通道；开关Sqa源极接电感 aq端，漏极接底层均衡模块M2q-1的正极；开关Sqb源极接电感bq端，漏极接底层均衡模块M2q的正极；开关Sqc源极接底层均衡模块M2q+1的正极，漏极接电感aq端；开关Sqd源极接底层均衡模块M2q+1的负极，漏极接电感 bq端。
假设底层均衡模块的电池单体电压分别为VBq1、VBq2、VBq3，电压采样电路将采集到的电池单体的电压最大值Vqmax和电池单体的电压最小值 Vqmin送入控制器，控制器判断它们之间的差值，若大于均衡阈值，则底层均衡模块进入均衡状态。
若电压最大电池单体为Bp1，电压最小电池单体为Bp3，底层均衡模块 Mp先进入均衡模式一，再进入均衡模式四；若电压最大电池单体为Bp3，电压最小电池单体为Bp1，底层均衡模块Mp先进入均衡模式二，再进入均衡模式三；若电压最大电池单体为Bp1，电压最小电池单体为Bp2，底层均衡模块Mp进入均衡模式一；若电压最大电池单体为Bp2，电压最小电池单体为Bp1，底层均衡模块Mp进入均衡模式三；若电压最大电池单体为Bp2，电压最小电池单体为Bp3，底层均衡模块Mp进入均衡模式四；若电压最大电池单体为Bp3，电压最小电池单体为Bp2，底层均衡模块Mp进入均衡模式二。
假设底层均衡模块的电压分别为VM2p-1、VM2p、VM2p+1，电压采样电路将采集到的底层均衡模块的电压最大值Vmmax和底层均衡模块的电压最小值Vmmin送入控制器，控制器判断它们之间的差值，若大于均衡阈值，则顶层均衡模块进入均衡状态。
若电压最大底层均衡模块为M2q-1，电压最小底层均衡模块为M2q+1，顶层均衡模块Tq先进入均衡模式一，再进入均衡模式四；若电压最大底层均衡模块为M2q+1，电压最小底层均衡模块为M2q-1，顶层均衡模块Tq先进入均衡模式二，再进入均衡模式三；若电压最大底层均衡模块为M2q-1，电压最小底层均衡模块为M2q，顶层均衡模块Tq进入均衡模式一；若电压最大底层均衡模块为M2q，电压最小底层均衡模块为M2q-1，顶层均衡模块Tq进入均衡模式三；若电压最大底层均衡模块为M2q，电压最小底层均衡模块为M2q+1，顶层均衡模块Tq进入均衡模式四；若电压最大底层均衡模块为M2q+1，电压最小底层均衡模块为M2q，顶层均衡模块Tq进入均衡模式二。
图11为15节串联电池单体在PSIM9.1软件上进行仿真的电压轨迹图。电池单体以0.1F的电容进行模拟，电感值设置为17.5uH，占空比设置为0.49，开关频率为20kHz。底层均衡模块M1中电池单体的初始电压分别设置为VB11＝3.93V、VB12＝3.89V、VB13＝3.91V，底层均衡模块M2中电池单体的初始电压分别设置为VB21＝3.88V、VB22＝4.00V、VB23＝3.87V，底层均衡模块M3中电池单体的初始电压分别设置为VB31＝3.86V、VB32＝ 3.85V、VB33＝3.95V，底层均衡模块M4中电池单体的初始电压分别设置为 VB41＝3.97V、VB42＝3.94V、VB43＝3.99V，底层均衡模块M5中电池单体的初始电压分别设置为VB51＝3.92V、VB52＝3.90V、VB53＝3.96V。均衡时间为6.35ms。电底层均衡模块M1中的电池单体的最大电压差从40mV降低至4mV，底层均衡模块M2中的电池单体的最大电压差从30mV降低至 3mV，底层均衡模块M3中的电池单体的最大电压差从100mV降低至3mV，底层均衡模块M4中的电池单体的最大电压差从50mV降低至4mV，底层均衡模块M5中的电池单体的最大电压差从60mV降低至4mV。三个顶层均衡模块之间的最大压差从150mV降低至8mV。仿真结果表明本发明在电池单体数量与均衡模块较多的情况下依旧能够实现均衡，仿真结果进一步验证了本发明的有效性和快速性。
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 (6)

1.一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路、控制器、开关驱动电路、电压采样电路；
所述底层均衡电路由n个底层均衡模块组成，依次命名为M1、M2、…Mi、…、Mn，i＝1、2、…、n；
其中每个底层均衡电路Mi包括三节电池单体、一个电感、四个开关，三节电池单体串联，依次命名为Bi1、Bi2、Bi3，电感命名为Li1，电感Li1有两个端口，命名为Ai端和Bi端；四个开关依次命名为Si1、Si2、Si3、Si4，每个开关由一个N沟道MOSFET组成，MOSFET上并联的二极管为电感Li1的电流提供续流通道，开关Si1源极接电感Ai端，开关Si1漏极接电池单体Bi1正极；开关Si2源极接电感Bi端，开关Si2漏极接电池单体Bi2正极；开关Si3源极接电池单体Bi3正极，开关Si3漏极接电感Li1的Ai端；开关Si4源极接电池单体Bi4负极，开关Si4漏极接电感Li1的Bi端；
所述顶层均衡电路由
Figure FDA0003704821920000011
个顶层均衡模块组成，依次命名为T1、
Figure FDA0003704821920000012
符号
Figure FDA0003704821920000013
表示向上取整操作；
其中每个顶层均衡模块Tj包括一个电感、四个开关，电感命名为Lja，电感Lja有两个端口，命名为aj端和bj端；四个开关依次命名为Sja、Sjb、Sjc、Sjd，每个开关由一个N沟道MOSFET组成，MOSFET上并联的二极管为电感Lja的电流提供续流通道，开关Sja源极接电感aj端，开关Sja漏极接底层均衡模块Mi的正极；开关Sjb源极接电感bj端，开关Sjb漏极接底层均衡模块Mi+1的正极；开关Sjc源极接底层均衡模块Mi+2的正极，开关Sjc漏极接电感Lja的aj端；开关Sjd源极接底层均衡模块Mi+2的负极，开关Sjd漏极接电感Lja的bj端；
所述电压采样电路采集各电池单体的电压值，并传入控制器，控制器输出开关信号，经过开关驱动电路而放大信号，控制开关模块的通断。
2.根据权利要求1所述的一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路，其特征在于，所述底层均衡模块存在四种均衡模式，其中，均衡模式一为电池单体Bi1放电，电池单体Bi2充电；均衡模式二为电池单体Bi3放电，电池单体Bi2充电；均衡模式三为电池单体Bi2放电，电池单体Bi1充电；均衡模式四为电池单体Bi2放电，电池单体Bi3充电；
所有均衡模式都有两个工作模态，且两个模态交替工作，一个周期中，电路在时间T1工作于工作模态一，在时间T2工作于工作模态二。
3.根据权利要求2所述的一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路，其特征在于，所述均衡模式一下，开关Si2在一个周期中保持导通，开关Si1在时间T1导通，电池单体Bi1放电，电感Li1充电，设置时间T1实现对峰值电流ipeak的控制，开关Si1在时间T2闭合，电流通过开关Si3的二极管续流，电池单体Bi2充电，电感Li1放电，设置时间T2将电感Li1设置成断续工作模式；
所述均衡模式二下，开关Si3在一个周期中保持导通，开关Si4在时间T1导通，电池单体Bi3放电，电感Li1充电，设置时间T1,实现对峰值电流ipeak的控制，开关Si4在时间T2闭合，电流通过开关Si2的二极管续流，电池单体Bi2充电，电感Li1放电，设置时间T2将电感Li1设置成断续工作模式；
所述均衡模式三下，开关Si2在一个周期中保持导通，开关Si3在时间T1导通，电池单体Bi2放电，电感Li1充电，设置时间T1实现对峰值电流ipeak的控制，开关Si3在时间T2闭合，电流通过开关Si1的二极管续流，电池单体Bi1充电，电感Li1放电，设置时间T2将电感Li1设置成断续工作模式；
所述均衡模式四下，开关Si3在一个周期中保持导通，开关Si2在时间T1导通，电池单体Bi2放电，电感Li1充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制，开关Si2在时间T2闭合，电流通过开关Si4的二极管续流，电池单体Bi3充电，电感Li1放电，设置时间T2将电感Li1设置成断续工作模式。
4.根据权利要求1所述的一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路，其特征在于，所述顶层均衡模块包括四种均衡模式，其中，均衡模式一为底层均衡模块Mi放电，底层均衡模块Mi+1充电；均衡模式二为底层均衡模块Mi+2放电，底层均衡模块Mi+1充电；均衡模式三为底层均衡模块Mi+1放电，底层均衡模块Mi充电；均衡模式四为底层均衡模块Mi+1放电，底层均衡模块Mi+2充电；
所有均衡模式都有两个工作模态，且两个模态交替工作，一个周期中，电路在时间T1工作于工作模态一，在时间T2工作于工作模态二。
5.根据权利要求4所述的一种基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路，其特征在于，所述均衡模式一下，开关Sjb在一个周期中保持导通，开关Sja在时间T1导通，底层均衡模块Mi放电，电感Lia充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制，开关Sja在时间T2闭合，电流通过开关Sjc的二极管续流，底层均衡模块Mi+1充电，电感Lia放电，设置时间T2将电感Lia设置成断续工作模式；
所述均衡模式二下，开关Sjc在一个周期中保持导通，开关Sjd在时间T1导通，底层均衡模块Mi+2放电，电感Lia充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制。开关Sjd在时间T2闭合，电流通过开关Sjb的二极管续流，底层均衡模块Mi+1充电，电感Lia放电，设置时间T2将电感Lia设置成断续工作模式；
所述均衡模式三下，开关Sjb在一个周期中保持导通，开关Sjc在时间T1导通，底层均衡模块Mi+1放电，电感Lia充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制，开关Sjc在时间T2闭合，电流通过开关Sja的二极管续流，底层均衡模块Mi充电，电感Lia放电，设置时间T2将电感Lia设置成断续工作模式；
所述均衡模式四下，开关Sjc在一个周期中保持导通，开关Sjb在时间T1导通，底层均衡模块Mi+1放电，电感Lia充电，设置时间T1实现对电感峰值电流ipeak的控制，开关Sjb在时间T2闭合，电流通过开关Sjd的二极管续流，底层均衡模块Mi+2充电，电感Lia放电，设置时间T2将电感Lia设置成断续工作模式。
6.一种根据权利要求1至5任一所述的基于Buck-Boost变换器的模块化均衡电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1、电压采样电路采集所有电池单体的电压值，并将电压值传入控制器；
S2、控制器根据所有电池单体的电压值，由电压值从高至低给每个底层均衡模块Mi的电池单体排序，序号分别为Bimax、Bimid、Bimin；由底层均衡模块的电压值从高至低给所有底层均衡模块排序，序号分别为Mimax、Mimid、Mimin；
S3、若Bimax-Bimin大于预先设置的均衡阈值，则通过控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路而放大，驱动相应的开关，开启相应的底层均衡模块Mi；
S4、若Mimax-Mimin大于预先设置的均衡阈值，则通过控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路而放大，驱动相应的开关，开启相应的底层均衡模块Ti；
S5、均衡一段时间teq后，停止均衡，返回步骤S1。
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