CN116169752A - 一种基于谐振开关电容电池组的均衡电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振开关电容电池组的均衡电路及其控制方法。该均衡电路包括N个锂离子单体电池构成的电池组模块、N个低频滤波电容构成的低频滤波模块、N个单体电池均衡模块构成的电压均衡模块和1个开关信号控制模块。控制方法为，通过低频滤波模块采集到电池组模块中单体电池的电压数据，开关信号控制模块电池组的体电压数据进行计算、判断，以电压差作为均衡电路开启和关闭的依据，产生一对互补的带死区控制的PWM信号，分别驱动电压均衡模块中的MOSFET交替导通，使得均衡电路在两种工作状态交替切换。据此，本发明利用电池组单体电压差作为均衡开启和关闭条件，从而仅使用简单的开环控制就可以实现锂离子电池组电压均衡。

Description

一种基于谐振开关电容电池组的均衡电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种基于谐振开关电容电池组的均衡电路及其控制方法。

背景技术

由于锂离子电池相比于铅酸电池和镍氢电池具有比能量高、标称工作电压高、寿命长、无记忆效应且自放电率低等优点，因此被广泛的应用于电动汽车、新能源电力系统等诸多场合。为满足应用中的电压和功率要求，需要由多个单体电池串并联形成电池组，多个电池组串联形成电池包。在电池实际充放电循环过程中会出现单体电池电压、容量不一致的情况，即电池的不均衡现象。电池的不均衡将影响电池可用容量和使用寿命，因此电池管理系统(Battery Management System，BMS)的均衡能力非常重要，BMS的均衡功能在改善单体电池一致性的同时，可大幅提升电池的充放电深度和循环寿命，从而可保证电池应用系统较好的经济收益。

电池均衡电路的分类如图1所示，主要分为被动均衡电路和主动均衡电路两类。虽然被动均衡技术（能量耗散型）仍是目前BMS所广泛采用的技术，但其带来的能量耗散浪费和均衡系统发热问题是这种技术的突出缺点。与被动均衡电路相比，主动均衡电路（非能量耗散型）在均衡过程中的能量损耗较少，均衡效率高，但均衡电路拓扑结构相比较被动均衡电路复杂。现有的主动均衡电路根据均衡效果可以大致分为单体和模组间均衡(Cell-Pack)、相邻单体间均衡(Cell-cell)、任意单体间均衡(Cell-cell)和混合结构四种类型；按照均衡电路拓扑可以大致分为隔离类和非隔离两大类，其中非隔离类包含单电感、多电感、非隔离DC-DC变换器、开关电容、LC谐振等均衡方法；隔离类包含单变压器、多变压器和多绕组单变压器等均衡方法。

为了减少均衡电路体积和元器件种类、数量，同时尽量简化均衡系统的控制方法，现有技术中有公开相应的技术方案，比如公开日为2019年02月15日，公开号为CN109347173A的中国发明专利文献，提出了基于开关电容实现的均衡电路。每个电池B_j通过开关S_ja，S_jd与对应的电容器C_j相连，电容器C₁， C₂，…， C_n通过开关S_jb与S_jc相互并联，编号j的取值范围为1到n。该均衡电路工作时，n节电池单体分时复用一个电压采集设备完成对所有电池的电压检测，之后通过微控制器单元控制的一对互补的PWM信号驱动MOSFET开关，控制电池组内最大电压V_max单体电池向其最小电压V_min单体电池放电。由于电池间的能量传输由开关电容作为传输路径，因此避免了隔离变压器、电感等磁性元件，从而减小均衡电路的成本、体积；另一方面这种均衡拓也可以实现多电池单体间同时进行电压均衡，大电压电池能量直接传递到小电压电池中，能量传递效率较高。这种开关电容均衡电路的缺点在于：第一、对包含n个单体电池的电池组需要4n个MOSFET，开关管消耗数量较多；第二、需要电池监控芯片配合进行电压采集和微控制器运算判断后才能决定开关管的通断和能量转移路径，控制较复杂；第三、均衡速度由在均衡路径上的单体电压差决定，对于电压差较小的单体电池对均衡速度也会较慢。

进一步，为了使得均衡电路在电池间电压差较小时仍然有较大的均衡电流，公开日为2020年01月10日，公开号为CN110667437A的中国发明专利文献，提出了一种基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路及控制方法。从该公开文献的附图图3可见，均衡电路包括两个以上结构相同且分别配置一个电池的开关电容单元；还包括LC谐振单元，也配置一个电池；所有开关电容单元所配置的电池串联后，正极连接到LC谐振单元所配置的电池负极。均衡电路具有两种工作模式：模式1，当电池间的最大电压差超过模式切换阈值时，开关电容单元工作，实现所有电池间的能量传输，使电池间的电压差快速减小至模式 切换阈值；模式2，当电池间的最大电压差小于等于模式切换阈值时，LC谐振单元工作，使得均衡电路在电池间电压差较小时仍然有较大的均衡电流，保证了均衡速度。此种均衡电路的缺点在于：第一，电路需要使用的MOSFET较多，系统成本较高；第二，均衡电路需要在两种工作模式下切换，控制系统的设计较为复杂。可见，现有基于开关电容实现的均衡技术存在MOSFET使用较多、均衡速度慢、控制策略复杂的问题，不适用于大数量电池串联的电压均衡应用。

发明内容

为解决电池组内单体电池之间电压不均衡问题，本发明提供了一种基于谐振开关电容电池组的均衡电路及其控制方法，该均衡电路的拓扑结构简单、功率元件数量少，只利用基本的电压检测芯片判断电池组的电压差作为均衡开启和关断的依据，通过简单的控制方法则可实现电池组锂离子单体电池的电压均衡，具有控制逻辑简单、均衡速度快、均衡效率高的特点。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种基于谐振开关电容电池组的均衡电路，包含电池组模块、低频滤波模块、电压均衡模块和开关信号控制模块；

所述电池组模块包括N个串联的锂离子单体电池，将第i个锂离子单体电池标记为B_i，其中，N为整数，N≥2，1≤i≤N；

所述低频滤波模块包含N个电容值相等的低频滤波电容，将第i个低频滤波电容标记为C_oi，低频滤波电容C_oi与对应的单体电池B_i并联；

所述电压均衡模块包含N个相同的单体电池均衡模块，将第i个单体电池均衡模块标记为M_i，单体电池均衡模块M_i与对应的锂离子单体电池B_i并联；

所述开关信号控制模块，用于在每个BMS（电池管理系统）从控制器采集时钟周期T2的开始时刻检测低频滤波电容C_oi两端的每个锂离子单体电池的电压V_Bi，并计算电池组模块中所有锂离子单体电池的最高单体电压V_Bmax、最低单体电压V_Bmin、电池组电池的平均单体电压V_Bavg、最高电压V_Bmax或最低电压V_Bmin与平均单体电压V_Bavg之间的最大电压差绝对值ΔV_B；然后判断电压差ΔV_B与均衡开启阈值V_BT-on或均衡关闭阈值V_BT-off的大小，若ΔV_B>V_BT-on且均衡电路处于关闭状态，产生一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，开启均衡电路工作；若ΔV_B<V_BT-off，停止输出PWM信号，使均衡电路关闭；其他判断情况（即除前两种判断情况之外的所有情况）维持上个周期T2的均衡电路工作状态；以此达到均衡目标，使得电池正常工作。

对于电池组模块，进一步地可以设计为：

N个锂离子单体电池中的每个锂离子单体电池均包括正极和负极，其中，第n个锂离子单体电池的正极与第n+1个锂离子单体电池的负极相连接，n为整数，1≤n＜N。根据这种连接关系，将锂离子单体电池B₁的负极作为电池组模块的负极，锂离子单体电池B_N的正极作为电池组模块的正极。

N个锂离子单体电池可以由m个标称电压和容量相同的锂离子电池并联组成，其中m为整数，m≥1。

对于低频滤波模块，其中，每个低频滤波电容C_oi的电容值均可以等于C_o。

对于电压均衡模块，进一步地可以设计为：

每个单体电池均衡模块均包含两个相同的N型MOSFET，即S_iA和S_iB，其中S_iA的源极与S_iB的漏极相连于公共连结端子A_i2，S_iA的漏极连结于静态端子A_i1，S_iB的源极连结于静态端子A_i3，静态端子A_i1与锂离子单体电池B_i的正极相连，静态端子A_i3与锂离子单体电池B_i的负极相连；S_iA和S_iB的栅极分别由开关信号控制模块产生的一对占空比固定的互补PWM信号V_gs1和V_gs2驱动；

每个单体电池均衡模块还包含由一个开关电容C_i、一个谐振电感L_i和谐振支路寄生电阻R_i串联组成的谐振支路TR_i，其中，开关电容C_i的电容值为C_s，谐振电感L_i的电感值为L_r；所述谐振支路TR_i的一端连接至公共连结端子A_i2，谐振支路TR_i的另一端和其他谐振支路TR_j连接至公共中性端子A_com，其中j≠i。

进一步地，所述低频滤波电容所述低频滤波电容C_oi的电容值C_oi≥10C_s。

对于开关信号控制模块，其输出的PWM信号V_gs1和V_gs2，其占空比为D，开关频率为f_s。

所述开关信号控制模块进行判断时：

若上一从控制器周期中均衡电路处于关闭状态，且电压差ΔV_B大于均衡开启电压阈值V_BT-on时，产生一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，开启均衡电路工作； 经过一段均衡时间后，电池组中N个锂离子单体电池的电压会趋于相等，达到均衡目标；

若上一从控制器周期中均衡电路处于开启状态，且电压差ΔV_B大于均衡关闭电压阈值V_BT-off时，产生一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，开启均衡电路工作； 经过一段均衡时间后，电池组中N个锂离子单体电池的电压会趋于相等，达到均衡目标；

当电压差ΔV_B小于均衡关闭阈值V_BT-off时，开关信号控制模块会停止输出PWM信号，电池组模块的所有单体电池均衡模块中的S_iA和S_iB均处于关断状态，电压均衡模块与电池组模块处于断开状态，不影响电池的正常工作。

将上述设计的均衡电路用于BMS中，可实现的均衡控制方法如下：

步骤1，BMS主控制器配置有定时器Timer1，定时器Timer1按照设置的周期T1触发BMS主控制器向BMS从控制器发出电压采集使能指令，BMS从控制器接收电压采集使能指令后开始采集电池组模块中所有锂离子单体电池的电压，采集电压时间为T2，其中T2＜T1；

BMS从控制器采集完所有锂离子单体电池的电压后，计算出最大电压差ΔV_B；BMS从控制器将得到的电压数据发送至BMS主控制器；BMS主控制器将接收到的电池状态信息、故障报警信息进行汇总、计算、判断；在同时满足BMS主控制器开启均衡指令所有条件的情况下，BMS主控制器下发开启均衡指令；

其中，BMS主控制器开启均衡指令条件为：

①有充电电流；

②从控制器个数大于0；

③上位机配置为均衡使能；

④至少有1路从控制器上报从控制器均衡开启条件满足；

⑤无充电高温告警&&无放电高温告警；

⑥无主从通讯异常故障；

⑦无电压排线脱落故障&&无温感排线脱落故障；

步骤2，当BMS从控制器接收到BMS主控制器下发的开启均衡指令后，在满足BMS从控制器开启均衡指令所有条件情况下，向开关信号控制模块发出导通信号；开关信号控制模块产生占空比为D、开关频率为f_s的一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，分别驱动电池组模块中的所有单体电池均衡模块中的S_iA和S_iB，使得S_iA和S_iB交替导通；此时，电池组模块中任意两个锂离子单体电池B_i和B_j之间，其中i≠j，1≤i≤12，1≤j≤12，均等效于通过C_i、C_j、L_i、L_j相串联，其中谐振支路TR_i-j中的等效寄生电阻R=2R_sc、等效电感L=2L_r、等效开关电容C=C_s/2发生谐振，谐振支路品质因数Q＞1，增大均衡电流，提高均衡速度，加快达到B_i和B_j间电压均衡的效果；

其中，BMS从控制器开启均衡指令条件为：

①收到主机下发的均衡使能指令；

②若上一周期均衡电路为关闭状态，电池组ΔV_B＞V_BT-on；若上一周期均衡电路为开启状态，电池组ΔV_B＞V_BT-off；

③从控制器采集到最高温度＜50℃；

④从控制器采集到最低单体电压V_Bmin＞2800mV；

⑤主从无通讯异常故障；

⑥从机无模拟前端故障；

⑦从机无EEPROM故障；

同时，由于开关控制模块输出的MOSFET开关频率f_s接近谐振支路TR_i-j的谐振频率f_r，实现电压均衡电路中所有MOSFET的零电流关断(Zero Current Switch, ZCS)，提高均衡效率；通过在锂离子单体电池B_i和开关电容C_i之间能量的交换，实现电池组内锂离子单体电池的高速高效电压均衡；

步骤3，当所述均衡电路处于开启状态时，若BMS主控制器定时器Timer1计时到周期T1，BMS从控制器向开关信号控制模块发出关闭信号，均衡模块中的MOSFET随之关断，此周期的均衡过程暂停；BMS主控制器的定时器Timer1随即重置计时，同时BMS主控制器向BMS从控制器发出电压采集使能指令；BMS从控制器采集电池组单体电池的电压后，计算出电压差ΔV_B；BMS从控制器将电池状态信息、故障报警信息发送至BMS主控制器；BMS主控制器将接收到的电池系统运行信息更新后进行汇总、计算、判断，在同时满足BMS主控制器开启均衡指令所有条件的情况下，BMS主控制器继续下发开启均衡指令；若不满足BMS主控制器开启均衡指令条件任意之一时，BMS主控制器下发关断均衡指令；

步骤4，当BMS从控制器收到BMS主控制器下发关断均衡指令或者不满足从BMS从控制器开启均衡指令条件任意条件之一时，随即向开关信号控制模块发出关闭信号，均衡模块中的MOSFET关断，均衡电路工作流程结束。

根据上述内容实施本发明，实现的有益效果如下：

1、均衡电路拓扑方面：与现有的隔离式和非隔离式主动均衡技术相比，本发明利用开关电容实现能量在单体电池之间的转移，避免了变压器、功率电感等大体积磁性器件的使用，因此具有电路拓扑结构简单、易于模块化拓展、开关器件数量少、体积小的优点；与基于开关电容的电池组均衡控制电路、基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路相比，由于优化了能量传输路径，明显减少了MOSFET的数量、减小了电路拓扑复杂度。

2、均衡效果：与基于开关电容的电池组均衡控制电路相比，利用LC谐振技术提高了均衡电流，提升了均衡速度；利用谐振技术实现ZCS，减小了MOSFET的开关损耗，提升了均衡效率；与基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路相比，由于本发明的均衡电路在工作所有单体都同时参与了谐振与能量传输过程，均衡并发率高，所以明显提升了均衡速度；同时由于能量传输路径优化，减少了MOSFET的数量、减小了电路拓扑复杂度。

3、均衡控制方面：与基于开关电容的电池组均衡控制电路相比，无需找出具有最大电压的单体电池B_x，并控制对应的开关来控制储能元器件的闭合；与基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路相比，无需根据单体电池电压情况区分不同的均衡模式并控制对应的开关来控制均衡电路模态；本发明只需要利用基本的电压检测芯片判断电池组的电压差作为均衡开启和关断的依据，仅使用简单的开环控制就可以实现电池组电压均衡。

附图说明

图1为均衡电路类型分类说明示意图。

图2为本发明的电路结构示意图。

图3为本发明的工作流程示意图。

图4(a)为实施例的电路的工作状态Ⅰ等效电路；

图4(b)为实施例的电路的工作状态Ⅱ等效电路；

图4(c)为实施例的简单等效电路；

图5为实施例电池组内单体电压V_B1~V_B12仿真波形；

图6为实施例中单体电电池B₁的开关电容C₁电流I_C1、功率管驱动信号V_gs1/V_gs2、功率管漏源电压V_S1A/V_S1B、开关电容C₁电压V_C1仿真波形；

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明设计的一种基于谐振开关电容电池组的均衡电路，包含电池组模块、低频滤波模块、电压均衡模块和开关信号控制模块，如图2所示，本实施例中，令N=12。

所述电池组模块包括12个串联的锂离子单体电池B₁~B₁₂，锂离子单体电池B₁的负极引出作为电池组的负极，锂离子单体电池B₁₂的正极引出作为电池组的正极。锂离子单体电池B_i的正极和B_i+1的负极相连接，其中1≤i＜12。

所述低频滤波模块包含12个容值相同的低频滤波电容C_o1~C_o2，分别与对应的锂离子单体电池B_i并联。

所述电压均衡模块包含12个相同的单体电池均衡模块M₁~ M₁₂，分别与单体电池B_i并联。每个单体电池均衡模块可设计包含：2个N型MOSFET(S_iA和S_iB)、1个开关电容C_i、1个谐振电感L_i；开关电容C_i、谐振电感L_i和谐振支路寄生电阻R_i串联构成了RLC型谐振支路TR_i，其中开关电容C_i值等于C_s，谐振电感L_i值等于L_r，谐振支路寄生电阻R_i值等于R_sc。MOSFET S_iA和S_iB的作用是在开关信号控制模块的控制下改变自身的导通-关断状态实现不同的单体电池之间的充放电回路。开关电容C_i的作用是储存在单体电池充放电回路间转移的能量。谐振电感L_i的作用是使得充放电回路中的谐振支路TR_i发送谐振，增大均衡电流，提高均衡速度。

其中，低频滤波电容的容值均为C_o，远小于开关电容C_i的容值C_s，其作用是对连接其两端的采集电池组内每个单体电池(B₁~B₁₂)的电压采集电路进行滤波。

所述开关信号控制模块，是在BMS的控制下，输出一对产生占空比为D、开关频率为f_s(开关周期T_s)的一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，分别驱动电池组中的所有12个单体电池均衡模块M_i中的MOSFET(S_iA和S_iB)，使得S_iA和S_iB交替导通。

将上述设计的均衡电路用于BMS中，如图3所示，其均衡控制方法如下：

步骤1，BMS主控制器配置有定时器Timer1，定时器Timer1按照设置的周期T1触发BMS主控制器向BMS从控制器发出电压采集使能指令，BMS从控制器接收电压采集使能指令后开始采集电池组模块中所有锂离子单体电池的电压，采集电压时间为T2，其中T2＜T1；

BMS从控制器采集完所有锂离子单体电池的电压后，计算出最大电压差ΔV_B；BMS从控制器将得到的电压数据发送至BMS主控制器；BMS主控制器将接收到的电池状态信息、故障报警信息进行汇总、计算、判断；在同时满足BMS主控制器开启均衡指令所有条件的情况下，BMS主控制器下发开启均衡指令；

其中，BMS主控制器开启均衡指令条件为：

①有充电电流；

②从控制器个数大于0；

③上位机配置为均衡使能；

④至少有1路从控制器上报从控制器均衡开启条件满足；

⑤无充电高温告警&&无放电高温告警；

⑥无主从通讯异常故障；

⑦无电压排线脱落故障&&无温感排线脱落故障；

步骤2，当BMS从控制器接收到BMS主控制器下发的开启均衡指令后，在满足BMS从控制器开启均衡指令所有条件情况下，向开关信号控制模块发出导通信号；开关信号控制模块产生占空比为D、开关频率为f_s的一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，分别驱动电池组模块中的所有单体电池均衡模块中的S_iA和S_iB，使得S_iA和S_iB交替导通；此时，电池组模块中任意两个锂离子单体电池B_i和B_j之间，其中i≠j，1≤i≤12，1≤j≤12，均等效于通过C_i、C_j、L_i、L_j相串联，其中谐振支路TR_i-j中的等效寄生电阻R=2R_sc、等效电感L=2L_r、等效开关电容C=C_s/2发生谐振，谐振支路品质因数Q＞1，增大均衡电流，提高均衡速度，加快达到B_i和B_j间电压均衡的效果；

其中，BMS从控制器开启均衡指令条件为：

①收到主机下发的均衡使能指令；

②若上一周期T2均衡电路为关闭状态，电池组ΔV_B＞V_BT-on；若上一周期T2均衡电路为开启状态，电池组ΔV_B＞V_BT-off；

③从控制器采集到最高温度＜50℃；

④从控制器采集到最低单体电压V_Bmin＞2800mV；

⑤主从无通讯异常故障；

⑥从机无模拟前端故障；

⑦从机无EEPROM故障；

同时，由于开关控制模块输出的MOSFET开关频率f_s接近谐振支路TR_i-j的谐振频率f_r，实现电压均衡电路中所有MOSFET的零电流关断(Zero Current Switch, ZCS)，提高均衡效率；通过在锂离子单体电池B_i和开关电容C_i之间能量的交换，实现电池组内锂离子单体电池的高速高效电压均衡；

步骤3，当所述均衡电路处于开启状态时，若BMS主控制器定时器Timer1计时到周期T1，BMS从控制器向开关信号控制模块发出关闭信号，均衡模块中的MOSFET随之关断，此周期的均衡过程暂停；BMS主控制器的定时器Timer1随即重置计时，同时BMS主控制器向BMS从控制器发出电压采集使能指令；BMS从控制器采集电池组单体电池的电压后，计算出电压差ΔV_B；BMS从控制器将电池状态信息、故障报警信息发送至BMS主控制器；BMS主控制器将接收到的电池系统运行信息更新后进行汇总、计算、判断，在同时满足BMS主控制器开启均衡指令所有条件的情况下，BMS主控制器继续下发开启均衡指令；若不满足BMS主控制器开启均衡指令条件任意之一时，BMS主控制器下发关断均衡指令；

步骤4，当BMS从控制器收到BMS主控制器下发关断均衡指令或者不满足从BMS从控制器开启均衡指令条件任意条件之一时，随即向开关信号控制模块发出关闭信号，均衡模块中的MOSFET关断，均衡电路工作流程结束。

如图4(a)所示，为本均衡电路工作处于0～1/2T_s周期时工作状态Ⅰ的等效电路。其中，S_iA全部导通、S_iB全部关断，形成B₂~B₁₂相串联的电池串；谐振支路TR_i和TR_i-1串联形成谐振支路TR_i-(i-1)，谐振支路TR_i-(i-1)与锂离子单体电池B_i相串联，其中2≤i≤12。任意两个单体电池B_i和B_j间，其中i≠j、2≤i≤12、2≤j≤12，均等效于通过C_i、C_j、L_i、L_j相串联，且谐振支路TR_i-j中的等效寄生电阻R=2R_sc、等效谐振电感L=2L_r、等效开关电容C=C_s/2。

如图4(b)所示，为本均衡电路工作处于1/2T_s～T_s周期时工作状态Ⅱ的等效电路。其中，S_iA全部关断、S_iB全部导通，形成B₁~B₁₁相串联的电池串；谐振支路TR_i和TR_i+1串联形成谐振支路TR_i-(i+1)，谐振支路TR_i-(i+1)与锂离子单体电池B_i相串联，其中1≤i≤11。任意两个锂离子单体电池B_i和B_j间，其中i≠j、1≤i≤11、1≤j≤11，均等效于通过C_i、C_j、L_i、L_j相串联，且谐振支路TR_i-j中的等效寄生电阻R=2R_sc、等效谐振电感L=2L_r、等效开关电容C=C_s/2。

由于本均衡电路的工作状态为工作状态Ⅰ和工作状态Ⅱ的交替切换，因此推导出的等效电路如图4(c)所示。从图4(c)可以看出，本实施例的均衡电路等效于任意锂离子单体电池B_i通过相同的等效电阻R_eq与其他锂离子单体电池B_j并联，其中i≠j、1≤i≤12、1≤j≤12。

如图5所示，为本均衡电路在工作状态下单体电池B₁~B₁₂电压(V_B1~V_B12)仿真波形。其中初始电压(t=0)为V_B1=2.8V、V_B2=2.9V、V_B1=2.8V、V_B3=3.95V、V_B4=3V、V_B5=3.1V、V_B6=3.2V、V_B7=3.3V、V_B8=3.4V、V_B9=3.5V、V_B10=3.6V、V_B11=4.2V、V_B12=3.7V；电路的其他仿真参数：低频滤波电容C_o=100nF，开关电容C_s=10μF，谐振电感L_r=1μH，谐振支路寄生电阻R_sc=50mΩ，开关频率f_s=49kHz。可以看出本实施例可以实现电池组单体电压均衡功能。

如图6所示，为本均衡电路在工作状态下单体电池B₁的开关电容C₁电流I_C1、MOSFET驱动信号V_gs1/V_gs2、MOSFET漏源电流I_S1A/I_S1B、开关电容C₁电压V_C1的仿真波形。功率管S_1A电流波形I_S1A和功率管S_1B电流波形I_S1B均实现了ZCS，说明本发明可以降低均衡电路中的MOSFET开关损耗；开关电容C₁电压V_C1远高于任意单体电池电压差说明本发明可以通过谐振技术增大均衡电流、提高均衡速度。

Claims (10)

1.一种基于谐振开关电容电池组的均衡电路，其特征在于：包含电池组模块、低频滤波模块、电压均衡模块和开关信号控制模块；

所述电池组模块包括N个串联的锂离子单体电池，将第i个锂离子单体电池标记为B_i，其中，N为整数，N≥2，1≤i≤N；

所述低频滤波模块包含N个电容值相等的低频滤波电容，将第i个低频滤波电容标记为C_oi，低频滤波电容C_oi与对应的单体电池B_i并联；

所述电压均衡模块包含N个相同的单体电池均衡模块，将第i个单体电池均衡模块标记为M_i，单体电池均衡模块M_i与对应的锂离子单体电池B_i并联；

所述开关信号控制模块，用于在每个BMS从控制器采集时钟周期T2的开始时刻检测低频滤波电容C_oi两端的每个锂离子单体电池的电压V_Bi，并计算电池组模块中所有锂离子单体电池的最高单体电压V_Bmax、最低单体电压V_Bmin、电池组电池的平均单体电压V_Bavg、最高电压V_Bmax或最低电压V_Bmin与平均单体电压V_Bavg之间的最大电压差绝对值ΔV_B；然后判断电压差ΔV_B与均衡开启阈值V_BT-on或均衡关闭阈值V_BT-off的大小，若ΔV_B>V_BT-on且均衡电路处于关闭状态，产生一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，开启均衡电路工作；若ΔV_B<V_BT-off，停止输出PWM信号，使均衡电路关闭；其他判断情况维持上个周期T2的均衡电路工作状态；以此达到均衡目标，使得电池正常工作。

2.根据权利要求1所述基于谐振开关电容电池组的均衡电路，其特征在于：N个锂离子单体电池中的每个锂离子单体电池均包括正极和负极，其中，第n个锂离子单体电池的正极与第n+1个锂离子单体电池的负极相连接，n为整数，1≤n＜N；将锂离子单体电池B₁的负极作为电池组模块的负极，锂离子单体电池B_N的正极作为电池组模块的正极。

3.根据权利要求1所述基于谐振开关电容电池组的均衡电路，其特征在于：N个锂离子单体电池可以由m个标称电压和容量相同的锂离子电池并联组成，其中m为整数，m≥1。

4.根据权利要求1所述基于谐振开关电容电池组的均衡电路，其特征在于：每个单体电池均衡模块均包含两个相同的N型MOSFET，即S_iA和S_iB，其中S_iA的源极与S_iB的漏极相连于公共连结端子A_i2，S_iA的漏极连结于静态端子A_i1，S_iB的源极连结于静态端子A_i3，静态端子A_i1与锂离子单体电池B_i的正极相连，静态端子A_i3与锂离子单体电池B_i的负极相连；S_iA和S_iB的栅极分别由开关信号控制模块产生的一对占空比固定的互补PWM信号V_gs1和V_gs2驱动；

每个单体电池均衡模块还包含由一个开关电容C_i、一个谐振电感L_i和谐振支路寄生电阻R_i串联组成的谐振支路TR_i，其中，开关电容C_i的电容值为C_s，谐振电感L_i的电感值为L_r；所述谐振支路TR_i的一端连接至公共连结端子A_i2，谐振支路TR_i的另一端和其他谐振支路TR_j连接至公共中性端子A_com，其中j≠i。

5.根据权利要求1所述基于谐振开关电容电池组的均衡电路，其特征在于：所述低频滤波电容C_oi的电容值C_oi≥10C_s。

6.根据权利要求1所述基于谐振开关电容电池组的均衡电路，其特征在于：所述开关信号控制模块输出的PWM信号V_gs1和V_gs2，其占空比为D，开关频率为f_s。

7.根据权利要求1所述基于谐振开关电容电池组的均衡电路，其特征在于，所述开关信号控制模块进行判断时：

当均衡电路处于关闭状态且电压差ΔV_B大于均衡开启阈值V_BT-on时，开关信号控制模块产生一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，分别驱动电池组模块的所有单体电池均衡模块中的S_iA和S_iB，使得S_iA和S_iB交替导通；经过一段均衡时间后，电池组中N个锂离子单体电池的电压会趋于相等，达到均衡目标；

当电压差ΔV_B小于均衡关闭阈值V_BT-off时，开关信号控制模块会停止输出PWM信号，电池组模块的所有单体电池均衡模块中的S_iA和S_iB均处于关断状态，电压均衡模块与电池组模块处于断开状态，不影响电池的正常工作。

8.根据权利要求1–7任意一项所述的均衡电路实现的控制方法，其特征在于，将所述均衡电路用于BMS中，具体的控制流程为：

步骤1，BMS主控制器配置有定时器Timer1，定时器Timer1按照设置的周期T1触发BMS主控制器向BMS从控制器发出电压采集使能指令，BMS从控制器接收电压采集使能指令后开始采集电池组模块中所有锂离子单体电池的电压，采集电压时间为T2，其中T2＜T1；

BMS从控制器采集完所有锂离子单体电池的电压后，计算出最大电压差ΔV_B；BMS从控制器将得到的电压数据发送至BMS主控制器；BMS主控制器将接收到的电池状态信息、故障报警信息进行汇总、计算、判断；在同时满足BMS主控制器开启均衡指令所有条件的情况下，BMS主控制器下发开启均衡指令；

步骤2，当BMS从控制器接收到BMS主控制器下发的开启均衡指令后，在满足BMS从控制器开启均衡指令所有条件情况下，向开关信号控制模块发出导通信号；开关信号控制模块产生占空比为D、开关频率为f_s的一对互补的带死区控制的PWM信号V_gs1和V_gs2，分别驱动电池组模块中的所有单体电池均衡模块中的S_iA和S_iB，使得S_iA和S_iB交替导通；此时，电池组模块中任意两个锂离子单体电池B_i和B_j之间，其中i≠j，1≤i≤12，1≤j≤12，均等效于通过C_i、C_j、L_i、L_j相串联，其中谐振支路TR_i-j中的等效寄生电阻R=2R_sc、等效电感L=2L_r、等效开关电容C=C_s/2发生谐振，谐振支路品质因数Q＞1，增大均衡电流，提高均衡速度，加快达到B_i和B_j间电压均衡的效果；

同时，由于开关控制模块输出的MOSFET开关频率f_s接近谐振支路TR_i-j的谐振频率f_r，实现电压均衡电路中所有MOSFET的零电流关断，提高均衡效率；通过在锂离子单体电池B_i和开关电容C_i之间能量的交换，实现电池组内锂离子单体电池的高速高效电压均衡；

步骤3，当所述均衡电路处于开启状态时，若BMS主控制器定时器Timer1计时到周期T1，BMS从控制器向开关信号控制模块发出关闭信号，均衡模块中的MOSFET随之关断，此周期的均衡过程暂停；BMS主控制器的定时器Timer1随即重置计时，同时BMS主控制器向BMS从控制器发出电压采集使能指令；BMS从控制器采集电池组单体电池的电压后，计算出电压差ΔV_B；BMS从控制器将电池状态信息、故障报警信息发送至BMS主控制器；BMS主控制器将接收到的电池系统运行信息更新后进行汇总、计算、判断，在同时满足BMS主控制器开启均衡指令所有条件的情况下，BMS主控制器继续下发开启均衡指令；若不满足BMS主控制器开启均衡指令条件任意之一时，BMS主控制器下发关断均衡指令；

步骤4，当BMS从控制器收到BMS主控制器下发关断均衡指令或者不满足从BMS从控制器开启均衡指令条件任意条件之一时，随即向开关信号控制模块发出关闭信号，均衡模块中的MOSFET关断，均衡电路工作流程结束。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，BMS主控制器开启均衡指令条件包括有：

①有充电电流；

②从控制器个数大于0；

③上位机配置为均衡使能；

④至少有1路从控制器上报从控制器均衡开启条件满足；

⑤无充电高温告警&&无放电高温告警；

⑥无主从通讯异常故障；

⑦无电压排线脱落故障&&无温感排线脱落故障。

10.据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，BMS从控制器开启均衡指令条件包括有：

①收到主机下发的均衡使能指令；

②若上一周期T2均衡电路为关闭状态，电池组ΔV_B＞V_BT-on；若上一周期T2均衡电路为开启状态，电池组ΔV_B＞V_BT-off；

③从控制器采集到最高温度＜50℃；

④从控制器采集到最低单体电压V_Bmin＞2800mV；

⑤主从无通讯异常故障；

⑥从机无模拟前端故障；

⑦从机无EEPROM故障。

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