CN116207831B - 功率均衡电路及电源装置 - Google Patents

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Abstract

本申请适用于电力电子技术领域，提供了一种功率均衡电路及电源装置。上述功率均衡电路包括第一储能模块、第二储能模块、第一变换模块、第二变换模块、谐振模块和控制模块。第一储能模块、第一变换模块、谐振模块、第二变换模块和第二储能模块依次电连接，第一储能模块用于与电池模块并联，第二变换模块和第二储能模块均用于与均衡母线电连接。第一储能模块两端的电压等于电池模块两端的电压，第二储能模块两端的电压等于均衡母线上的电压，控制模块用于输出预设控制信号。本申请实施例提供的功率均衡电路简化了控制方式，提高功率均衡效率。

Description

功率均衡电路及电源装置
技术领域
本申请属于电力电子技术领域，尤其涉及一种功率均衡电路及电源装置。
背景技术
由于工艺条件的限制及电池本身的特性差异，每个电池往往会存在电量或电压的差异，如果将每个电池通过串并联的方式组成电池模块进行使用，就会造成电池模块的不均衡，影响电池模块的使用寿命。这就需要对电池模块进行功率均衡控制，但是，现有的功率均衡电路中的控制模块通常采用闭环控制，且需要增设反馈单元和补偿单元，在对电池模块进行功率均衡控制时，会提高控制的复杂性。
发明内容
本申请实施例提供了一种功率均衡电路及电源装置，可以解决现有的功率均衡电路中控制模块的控制方式复杂的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种电功率均衡电路，包括第一储能模块、第二储能模块、第一变换模块、第二变换模块、谐振模块和控制模块；
所述第一储能模块、所述第一变换模块、所述谐振模块、所述第二变换模块和所述第二储能模块依次电连接，所述第一储能模块用于与电池模块并联，所述第二变换模块和所述第二储能模块均用于与均衡母线电连接；所述第一储能模块两端的电压等于所述电池模块两端的电压，所述第二储能模块两端的电压等于所述均衡母线上的电压，所述控制模块用于输出预设控制信号；
当所述电池模块两端的电压大于所述均衡母线上的电压时，所述第一储能模块用于释放能量，所述第一变换模块用于根据所述预设控制信号和所述第一储能模块释放的电能输出第一变换电压信号，所述谐振模块用于根据所述第一变换电压信号输出第一谐振电压信号，所述第二变换模块用于根据所述预设控制信号和所述第一谐振电压信号输出第二变换电压信号，所述第二储能模块用于根据所述第二变换电压信号进行储能，使所述均衡母线上的电压等于所述电池模块两端的电压；
当所述电池模块两端的电压小于所述均衡母线上的电压时，所述第二储能模块用于释放能量，所述第二变换模块用于根据所述预设控制信号和所述第二储能模块释放的电能输出第三变换电压信号，所述谐振模块用于根据所述第三变换电压信号输出第二谐振电压信号，所述第一变换模块用于根据所述预设控制信号和所述第二谐振电压信号输出第四变换电压信号，所述第一储能模块用于根据所述第四变换电压信号进行储能，使所述电池模块两端的电压等于所述均衡母线上的电压。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述控制模块包括：
锯齿波产生单元，用于输出预设锯齿波信号；
PWM发波单元，用于分别与所述锯齿波产生单元和基准单元电连接，用于根据所述预设锯齿波信号和所述基准单元输出的预设电平信号输出PWM信号；
信号隔离单元，与所述PWM发波单元电连接，用于对所述PWM信号进行隔离；
第一驱动单元，分别与所述PWM发波单元和所述第一变换模块电连接，用于根据所述PWM信号向所述第一变换模块输出所述预设控制信号；
第二驱动单元，分别与所述信号隔离单元和所述第二变换模块电连接，用于根据所述PWM信号向所述第二变换模块输出所述预设控制信号。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述PWM发波单元包括运算放大器，所述运算放大器的正向输入端与所述锯齿波产生单元电连接，所述运算放大器的负向输入端用于与所述基准单元电连接，所述运算放大器的输出端分别与所述第一驱动单元和所述信号隔离单元电连接；
所述运算放大器用于根据所述预设锯齿波信号和所述预设电平信号向所述第一驱动单元和所述信号隔离单元输出所述PWM信号。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一变换模块包括全桥电路单元、半桥电路单元或推挽电路单元。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二变换模块包括全桥电路单元、半桥电路单元或推挽电路单元。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述谐振模块包括第一电容和第一电感，所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均与所述第一变换模块电连接，所述第一电容的第二端和所述第一电感的第二端均与所述第二变换模块电连接。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述谐振模块还包括变压器，所述变压器的初级线圈的第一端与所述第一电感的第二端电连接，所述变压器的初级线圈的第二端与所述第一电容的第二端电连接，所述变压器的次级线圈的第一端和所述变压器的次级线圈的第二端均与所述第二变换模块电连接。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一储能模块包括第二电容，所述第二电容的第一端与所述电池模块的第一端电连接，所述第二电容的第二端与所述电池模块的第二端电连接。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二储能模块包括第三电容，所述第三电容的第一端与所述均衡母线的正极电连接，所述第三电容的第二端与所述均衡母线的负极电连接。
第二方面，本申请实施例提供了一种电源装置，包括多个依次串联的电池模块和多个第一方面中任一项所述的功率均衡电路。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本申请实施例提供的功率均衡电路，包括第一储能模块、第二储能模块、第一变换模块、第二变换模块、谐振模块和控制模块。其中，第一储能模块、第一变换模块、谐振模块、第二变换模块和第二储能模块依次电连接，第一储能模块用于与电池模块并联，第二变换模块和第二储能模块均用于与均衡母线电连接。第一储能模块两端的电压等于电池模块两端的电压，第二储能模块两端的电压等于均衡母线上的电压，控制模块用于输出预设控制信号。
当电池模块两端的电压大于均衡母线上的电压时，第一储能模块用于释放能量，第一变换模块用于根据预设控制信号和第一储能模块释放的电能输出第一变换电压信号，谐振模块用于根据第一变换电压信号输出第一谐振电压信号，第二变换模块用于根据预设控制信号和第一谐振电压信号输出第二变换电压信号，第二储能模块用于根据第二变换电压信号进行储能，使均衡母线上的电压等于电池模块两端的电压。
当电池模块两端的电压小于均衡母线上的电压时，第二储能模块用于释放能量，第二变换模块用于根据预设控制信号和第二储能模块释放的电能输出第三变换电压信号，谐振模块用于根据第三变换电压信号输出第二谐振电压信号，第一变换模块用于根据预设控制信号和第二谐振电压信号输出第四变换电压信号，第一储能模块用于根据第四变换电压信号进行储能，使电池模块两端的电压等于均衡母线上的电压。
由上可知，本申请实施例提供的功率均衡电路中控制模块不需要采集电路中的其他参数（如电压或电流），减少了参数采集模块（如电压采集模块或电流采集模块）的使用，从而简化了功率均衡电路的结构，降低了功率均衡电路的成本。与此同时，由于控制模块不需要对电路中的其他参数进行采集和处理，因此，控制模块中无需增设反馈单元和补偿单元，简化了控制方式，提高功率均衡效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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是本申请一实施例提供的功率均衡电路的原理框图；
图2是本申请一实施例提供的功率均衡电路的电路连接示意图；
图3是本申请另一实施例提供的功率均衡电路的电路连接示意图；
图4是本申请一实施例提供的电池模块放电时的波形示意图；
图5是本申请另一实施例提供的功率均衡电路的电路连接示意图；
图6是本申请一实施例提供的电源装置的原理框图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当…时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
传统的功率均衡电路中的控制模块通常采用闭环控制，且需要增设反馈单元和补偿单元，在对电池模块进行功率均衡控制时，会提高控制的复杂性。
基于上述问题，本申请实施例提供的功率均衡电路，包括第一储能模块、第二储能模块、第一变换模块、第二变换模块、谐振模块和控制模块。其中，第一储能模块、第一变换模块、谐振模块、第二变换模块和第二储能模块依次电连接，第一储能模块用于与电池模块并联，第二变换模块和第二储能模块均用于与均衡母线电连接。第一储能模块两端的电压等于电池模块两端的电压，第二储能模块两端的电压等于均衡母线上的电压，控制模块用于输出预设控制信号。
当电池模块两端的电压大于均衡母线上的电压时，第一储能模块用于释放能量，第一变换模块用于根据预设控制信号和第一储能模块释放的电能输出第一变换电压信号，谐振模块用于根据第一变换电压信号输出第一谐振电压信号，第二变换模块用于根据预设控制信号和第一谐振电压信号输出第二变换电压信号，第二储能模块用于根据第二变换电压信号进行储能，使均衡母线上的电压等于电池模块两端的电压。
当电池模块两端的电压小于均衡母线上的电压时，第二储能模块用于释放能量，第二变换模块用于根据预设控制信号和第二储能模块释放的电能输出第三变换电压信号，谐振模块用于根据第三变换电压信号输出第二谐振电压信号，第一变换模块用于根据预设控制信号和第二谐振电压信号输出第四变换电压信号，第一储能模块用于根据第四变换电压信号进行储能，使电池模块两端的电压等于均衡母线上的电压。
由上可知，本申请实施例提供的功率均衡电路中控制模块不需要采集电路中的其他参数（如电压或电流），减少了参数采集模块（如电压采集模块或电流采集模块）的使用，从而简化了功率均衡电路的结构，降低了功率均衡电路的成本。与此同时，由于控制模块不需要对电路中的其他参数进行采集和处理，因此，控制模块中无需增设反馈单元和补偿单元，简化了控制方式，提高功率均衡效率。
为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1示出了本申请一实施例提供的功率均衡电路10的原理框图。参见图1所示，功率均衡电路10包括第一储能模块101、第二储能模块102、第一变换模块103、第二变换模块104、谐振模块105和控制模块106。
第一储能模块101、第一变换模块103、谐振模块105、第二变换模块104和第二储能模块102依次电连接，第一储能模块101用于与电池模块20并联，第二变换模块104和第二储能模块102均用于与均衡母线电连接。第一储能模块101两端的电压等于电池模块20两端的电压，第二储能模块102两端的电压等于均衡母线上的电压，控制模块106用于输出预设控制信号。
具体的，在电池模块20放电时，第一储能模块101用于释放能量，第一变换模块103用于根据预设控制信号和第一储能模块101释放的电能输出第一变换电压信号，谐振模块105用于根据第一变换电压信号输出第一谐振电压信号，第二变换模块104用于根据预设控制信号和第一谐振电压信号输出第二变换电压信号，第二储能模块102用于根据第二变换电压信号进行储能，使均衡母线上的电压等于电池模块20两端的电压。
在电池模块20充电时，第二储能模块102用于释放能量，第二变换模块104用于根据预设控制信号和第二储能模块102释放的电能输出第三变换电压信号，谐振模块105用于根据第三变换电压信号输出第二谐振电压信号，第一变换模块103用于根据预设控制信号和第二谐振电压信号输出第四变换电压信号，第一储能模块101用于根据第四变换电压信号进行储能，使电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压。
本申请实施例提供的功率均衡电路10中的控制模块106用于输出预设控制信号，不需要控制模块106采集电路中其他参数（如电压或电流）即可对功率均衡电路10进行控制，不需要复杂的程序设计和复杂的控制方法，降低了功率均衡电路10的设计成本。与此同时，由于控制模块106不需要采集电路中其他参数，可以减少参数采集模块（如电压采集模块或电流采集模块）的使用，简化了功率均衡电路10的结构，降低了功率均衡电路10的生产成本。
当电池模块20两端的电压大于均衡母线上的电压时，第一储能模块101用于释放能量，第一变换模块103用于根据预设控制信号和第一储能模块101释放的电能输出第一变换电压信号，谐振模块105用于根据第一变换电压信号输出第一谐振电压信号，第二变换模块104用于根据预设控制信号和第一谐振电压信号输出第二变换电压信号，第二储能模块102用于根据第二变换电压信号进行储能，使均衡母线上的电压等于电池模块20两端的电压。
当电池模块20两端的电压小于均衡母线上的电压时，第二储能模块102用于释放能量，第二变换模块104用于根据预设控制信号和第二储能模块102释放的电能输出第三变换电压信号，谐振模块105用于根据第三变换电压信号输出第二谐振电压信号，第一变换模块103用于根据预设控制信号和第二谐振电压信号输出第四变换电压信号，第一储能模块101用于根据第四变换电压信号进行储能，使电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压。
本申请中的控制模块106通过向第一变换模块103和第二变换模块104输出预设控制信号即可对功率均衡电路10进行控制，无需对电路中其他参数进行采集和处理。因此，控制模块106中无需增设反馈单元和补偿单元，简化了控制方式，进而提高功率均衡效率。
需要说明的是，本申请实施例提供的电池模块20可以为电芯、电池包或电池簇，即本申请提供的功率均衡电路10可以实现对电芯的功率均衡，也可以实现对电池包或电池簇的功率均衡。其中，电芯通过串并联增大电压和电流构成电池包，电池包通过串联增大电压构成电池簇。在对电池模块20进行功率均衡控制时，需要将多个电池模块20串联，每个功率均衡电路10与其相对应的电池模块20并联。所有电池模块20依次串联构成直流母线，所有功率均衡电路10的输出端的正极均连接，所有功率均衡电路10的输出端的负极均连接。此时，所有功率均衡电路10的输出端的正极和负极并联，构成均衡母线。实际上均衡母线上会产生一个独立直流电压，即均衡电压，用于向外部设备供电。
示例性的，设计人员可以根据实际情况对均衡电压进行设定，例如，可以选取所有电池模块20串联电压的平均值为均衡电压。
需要说明的是，控制模块106通过向第一变换模块103和第二变换模块104输出预设控制信号后，电池模块20和均衡母线之间可以实现功率主动均衡。当电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压时，电池模块20和均衡母线之间无需进行功率均衡，第一储能模块101和第二储能模块102均不进行储能和释放能量。
在本申请的一个实施例中，如图2所示，控制模块106包括锯齿波产生单元1061、PWM发波单元1062、信号隔离单元1063、第一驱动单元1064和第二驱动单元1065。
具体的，锯齿波产生单元1061，用于输出预设锯齿波信号。PWM发波单元1062，用于分别与锯齿波产生单元1061和基准单元30电连接，用于根据预设锯齿波信号和基准单元30输出的预设电平信号输出PWM信号。信号隔离单元1063，与PWM发波单元1062电连接，用于对PWM信号进行隔离。第一驱动单元1064，分别与PWM发波单元1062和第一变换模块103电连接，用于根据PWM信号向第一变换模块103输出预设控制信号。第二驱动单元1065，分别与信号隔离单元1063和第二变换模块104电连接，用于根据PWM信号向第二变换模块104输出预设控制信号。
需要说明的是，基准单元30用于输出预设电平信号，PWM发波单元1062用于根据预设电平信号和预设锯齿波信号输出PWM信号。其中，PWM信号为固定开关频率、固定50%占空比信号。
示例性的，预设电平信号可以为任一直流偏置电压信号，也可以为零电平信号。
在本申请的一个实施例中，如图2所示，PWM发波单元1062包括运算放大器U1，运算放大器U1的正向输入端与锯齿波产生单元1061电连接，运算放大器U1的负向输入端用于与基准单元30电连接，运算放大器U1的输出端分别与第一驱动单元1064和信号隔离单元1063电连接。运算放大器U1用于根据预设锯齿波信号和预设电平信号向第一驱动单元1064和信号隔离单元1063输出PWM信号。
具体的，运算放大器U1将正向输入端的预设锯齿波信号和负向输入端的预设电平信号进行比较，并根据预设锯齿波信号和预设电平信号之间的差异生成PWM信号。
在本申请的一个实施例中，第一变换模块103包括全桥电路单元、半桥电路单元或推挽电路单元，第二变换模块104包括全桥电路单元、半桥电路单元或推挽电路单元。
示例性的，如图2所示，第一变换模块103为全桥电路单元且第二变换模块104为全桥电路单元。第一变换模块103包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4。第一开关管Q1的漏极用于分别与第三开关管Q3的漏极和电池模块20的第一端电连接，第一开关管Q1的源极分别与第四开关管Q4的漏极和谐振模块105电连接，第二开关管Q2的漏极分别与第三开关管Q3的源极和谐振模块105电连接，第二开关管Q2的源极用于分别与第四开关管Q4的源极和电池模块20的第二端电连接，第一开关管Q1的栅极、第二开关管Q2的栅极、第三开关管Q3的栅极和第四开关管Q4的栅极均与控制模块106电连接。
第二变换模块104包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8。第五开关管Q5的漏极用于分别与第七开关管Q7的漏极和均衡母线的正极电连接，第五开关管Q5的源极分别与第八开关管Q8的漏极和谐振模块105电连接，第六开关管Q6的漏极分别与第七开关管Q7的源极和谐振模块105电连接，第六开关管Q6的源极用于分别与第八开关管Q8的源极和均衡母线的负极电连接，第五开关管Q5的栅极、第六开关管Q6的栅极、第七开关管Q7的栅极和第八开关管Q8的栅极均与控制模块106电连接。
需要说明的是，当电池模块20两端的电压大于均衡母线上的电压时，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第五开关管Q5和第六开关管Q6均处于导通状态，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第七开关管Q7和第八开关管Q8均处于断开状态，第一储能模块101用于释放能量，第二储能模块102用于储能，从而使均衡母线上的电压等于电池模块20两端的电压。当电池模块20两端的电压小于均衡母线上的电压时，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第七开关管Q7和第八开关管Q8均处于导通状态，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第五开关管Q5和第六开关管Q6均处于断开状态，第二储能模块102用于释放能量，第一储能模块101用于储能，使电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压。
需要说明的是，第一开关管Q1、第二开关管Q2与第五开关管Q5、第六开关管Q6的驱动信号完全相同，第三开关管Q3、第四开关管Q4与第七开关管Q7、第八开关管Q8的驱动信号完全相同。
第一变换模块103还包括第一开关管Q1的体二极管、第二开关管Q2的体二极管、第三开关管Q3的体二极管和第四开关管Q4的体二极管，第二变换模块104还包括第五开关管Q5的体二极管、第六开关管Q6的体二极管、第七开关管Q7的体二极管和第八开关管Q8的体二极管。第一变换模块103和第二变换模块104中的开关管均在各自的体二极管导通稍后再开通，能够实现零电压开通（ZVS）软开关工作和近似零电流开通（ZCS）软开关工作。
示例性的，设计人员可以根据实际情况对第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8的类型进行选取，即均可以采用金属氧化物场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管等全控型功率器件。例如，选取第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8均为NMOS管。
在本申请的一个实施例中，如图2所示，谐振模块105包括第一电容C1和第一电感L1，第一电容C1的第一端和第一电感L1的第一端均与第一变换模块103电连接，第一电容C1的第二端和第一电感L1的第二端均与第二变换模块104电连接。
具体的，第一电容C1和第一电感L1均用于充放电，谐振模块105仅由第一电容C1和第一电感L1组成，此时，功率均衡电路10为非隔离拓扑类型。设置谐振模块105可以减少第一变换模块103和第二变换模块104中开关管的开关损耗，使电流和电压的反向和充放电过程更加平稳，提高功率均衡电路10的转换效率。
在本申请的一个实施例中，如图3所示，谐振模块105还包括变压器TX，变压器TX的初级线圈的第一端与第一电感L1的第二端电连接，变压器TX的初级线圈的第二端与第一电容C1的第二端电连接，变压器TX的次级线圈的第一端和变压器TX的次级线圈的第二端均与第二变换模块104电连接。
具体的，变压器TX用于将输入电压转换为预设电压，谐振模块105由第一电容C1、第一电感L1和变压器TX组成，此时，功率均衡电路10为隔离拓扑类型。增设变压器TX可以使功率均衡电路10具有更高的转换效率。
需要说明的是，变压器TX的耦合系数和第一电感L1、第一电容C1的数值都将对谐振过程产生影响。如果变压器TX的耦合系数设置不合理，会导致谐振频率偏离所需的值，从而降低系统效率；如果第一电感L1或第一电容C1的数值选择不当，可能会引起谐振峰值电压过高或波形失真等问题，影响稳定性和可靠性。因此，设计人员可以根据实际情况对谐振模块105中每个组件的参数进行选取，以使系统能够正常工作并实现高转换效率。
在本申请的一个实施例中，如图2所示，第一储能模块101包括第二电容C2，第二电容C2的第一端用于与电池模块20的第一端电连接，第二电容C2的第二端用于与电池模块20的第二端电连接。
具体的，第二电容C2用于充放电，当电池模块20两端的电压大于均衡母线上的电压时，第二电容C2用于向第二储能模块102放电，使均衡母线上的电压等于电池模块20两端的电压。当电池模块20两端的电压小于均衡母线上的电压时，第二储能模块102向第二电容C2放电，第二电容C2处于充电状态，使电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压。
在本申请的一个实施例中，如图2所示，第二储能模块102包括第三电容C3，第三电容C3的第一端用于与均衡母线的正极电连接，第三电容C3的第二端用于与均衡母线的负极电连接。
具体的，第三电容C3用于充放电，当电池模块20两端的电压大于均衡母线上的电压时，第二电容C2用于向第三电容C3放电，第三电容C3处于充电状态，使均衡母线上的电压等于电池模块20两端的电压。当电池模块20两端的电压小于均衡母线上的电压时，第三电容C3向第二电容C2放电，使电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压。
为了清楚说明上述功率均衡电路10的工作原理，下面结合图2进行详细描述。
当电池模块20两端的电压大于均衡母线上的电压时，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第五开关管Q5和第六开关管Q6均处于导通状态，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第七开关管Q7和第八开关管Q8均处于断开状态，第二电容C2处于放电状态，第三电容C3处于充电状态。在此过程中，电流流向路径为：由第二电容C2的正极流出，流经第一开关管Q1、第一电感L1、第五开关管Q5、第三电容C3、第六开关管Q6、第一电容C1和第二开关管Q2，流回第二电容C2的负极，形成第二电容C2的放电回路和第三电容C3的充电回路，进而使均衡母线上的电压等于电池模块20两端的电压。
当电池模块20两端的电压小于均衡母线上的电压时，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第七开关管Q7和第八开关管Q8均处于导通状态，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第五开关管Q5和第六开关管Q6均处于断开状态，第二电容C2处于充电状态，第三电容C3处于放电状态。在此过程中，电流流向路径为：由第三电容C3的正极流出，流经第七开关管Q7、第一电容C1、第三开关管Q3、第二电容C2、第四开关管Q4、第一电感L1和第八开关管Q8，流回第三电容C3的负极，形成第三电容C3的放电回路和第二电容C2的充电回路，进而使电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压。
当电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压时，电池模块20和均衡母线之间无需进行功率均衡，第二电容C2和第三电容C3均不进行充放电。
图4示出了电池模块20放电时的波形示意图。参见图4所示，由上到下依次为第一开关管Q1、第二开关管Q2、第五开关管Q5和第六开关管Q6的驱动信号波形图，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第七开关管Q7和第八开关管Q8的驱动信号波形图，第一开关管Q1和第四开关管Q4中点电压波形图，流经第一电感L1的电流波形图。
具体的，虽然第一开关管Q1和第二开关管Q2，第三开关管Q3和第四开关管Q4分别与第五开关管Q5和第六开关管Q6，第七开关管Q7和第八开关管Q8显示为同相工作，但是，由波形图可以看出所有开关管的驱动信号均存在一定的延时，因此，第二变换模块104中的所有开关管均可以实现零电压开通（ZVS）软开关工作。由第一开关管Q1和第四开关管Q4中点电压波形图以及流经第一电感L1的电流波形图可以得知，流经第一电感L1的电流ir相位滞后于第一开关管Q1和第四开关管Q4中点电压Vp，此时，第一变换模块103中的所有开关管均能实现零电压开通（ZVS）软开关工作和近似零电流开通（ZCS）软开关工作。
在本申请的一个实施例中，如图5所示，在图2的基础上，去掉第二开关管Q2、第三开关管Q3、第五开关管Q5和第八开关管Q8，并将第二电容C2更换为第四电容C4和第五电容C5，将第三电容C3更换为第六电容C6和第七电容C7，第一变换模块103为半桥电路单元且第二变换模块104为半桥电路单元。
具体的，第一变换模块103包括第一开关管Q1和第四开关管Q4。第一开关管Q1的漏极用于与电池模块20的第一端电连接，第一开关管Q1的源极分别与第四开关管Q4的漏极和谐振模块105电连接，第四开关管Q4的源极用于与电池模块20的第二端电连接，第一开关管Q1的栅极和第四开关管Q4的栅极均与控制模块106电连接。
第二变换模块104包括第六开关管Q6和第七开关管Q7。第七开关管Q7的漏极用于与均衡母线的正极电连接，第七开关管Q7的源极分别与第六开关管Q6的漏极和谐振模块105电连接，第六开关管Q6的源极用于与均衡母线的负极电连接，第六开关管Q6的栅极和第七开关管Q7的栅极均与控制模块106电连接。
需要说明的是，当电池模块20两端的电压大于均衡母线上的电压时，第一开关管Q1和第六开关管Q6均处于导通状态，第四开关管Q4和第七开关管Q7均处于断开状态，第一储能模块101用于向第二储能模块102释放能量，使均衡母线上的电压等于电池模块20两端的电压。当电池模块20两端的电压小于均衡母线上的电压时，第四开关管Q4和第七开关管Q7均处于导通状态，第一开关管Q1和第六开关管Q6均处于断开状态，第二储能模块102用于向第一储能模块101释放能量，使电池模块20两端的电压等于均衡母线上的电压。
需要说明的是，第一开关管Q1和第六开关管Q6的驱动信号完全相同，第四开关管Q4和第七开关管Q7的驱动信号完全相同。
需要说明的是，图2和图5仅示出了两个实施例，但是本申请并不仅限于这两个实施例。可选的，第一变换模块103和第二变换模块104也可以选用其他类型组合，如，第一变换模块103为全桥电路单元，第二变换模块104为半桥电路单元；第一变换模块103为全桥电路单元，第二变换模块104为推挽电路单元；第一变换模块103为半桥电路单元，第二变换模块104为全桥电路单元；第一变换模块103为半桥电路单元，第二变换模块104为推挽电路单元；第一变换模块103为推挽电路单元，第二变换模块104为全桥电路单元；第一变换模块103为推挽电路单元，第二变换模块104为半桥电路单元；第一变换模块103为推挽电路单元，第二变换模块104为推挽电路单元。上述类型电路与图2和图3中控制模块106的控制原理基本类似，且工作原理基本相同，在此不再赘述。
需要说明的是，本申请中的控制模块106既可使用分立电子元器件搭建，也可设计和使用专用集成电路，如模拟控制芯片、通过软件编程的单片机（MCU）、数字信号处理器（DSP）或可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）等。本申请中的功率均衡电路10既可采用分立器件方式或集成方式，也可统一集成进控制模块106中而构成大规模混合集成电路，这种高集成度控制器设计能够进一步减小电源装置的体积。
需要说明的是，以上各实施例均针对单一功率均衡电路10，实际上功率均衡电路10还可以交错并联或串联形式工作，从而达到更高功率等级或更高电压等级。
本申请还公开了一种电源装置，如图6所示，电源装置多个依次串联的电池模块20和多个上述的功率均衡电路10。其中，所有电池模块20串联构成直流母线，所有功率均衡电路10的第一输出端电连接并与均衡母线的正极连接，所有功率均衡电路10的第二输出端电连接并与均衡母线的负极电连接。当电池模块20之间功率不均衡时，采用上述功率均衡电路10可以实现主动均衡，控制方式简单，功率均衡效率高。
由于本实施例中的电源装置所实现的处理及功能基本相应于前述功率均衡电路的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种功率均衡电路，其特征在于，包括第一储能模块、第二储能模块、第一变换模块、第二变换模块、谐振模块和控制模块；
所述第一储能模块、所述第一变换模块、所述谐振模块、所述第二变换模块和所述第二储能模块依次电连接，所述第一储能模块用于与电池模块并联，所述第二变换模块和所述第二储能模块均用于与均衡母线电连接；所述第一储能模块两端的电压等于所述电池模块两端的电压，所述第二储能模块两端的电压等于所述均衡母线上的电压，所述控制模块用于输出预设控制信号；
当所述电池模块两端的电压大于所述均衡母线上的电压时，所述第一储能模块用于释放能量，所述第一变换模块用于根据所述预设控制信号和所述第一储能模块释放的电能输出第一变换电压信号，所述谐振模块用于根据所述第一变换电压信号输出第一谐振电压信号，所述第二变换模块用于根据所述预设控制信号和所述第一谐振电压信号输出第二变换电压信号，所述第二储能模块用于根据所述第二变换电压信号进行储能，使所述均衡母线上的电压等于所述电池模块两端的电压；
当所述电池模块两端的电压小于所述均衡母线上的电压时，所述第二储能模块用于释放能量，所述第二变换模块用于根据所述预设控制信号和所述第二储能模块释放的电能输出第三变换电压信号，所述谐振模块用于根据所述第三变换电压信号输出第二谐振电压信号，所述第一变换模块用于根据所述预设控制信号和所述第二谐振电压信号输出第四变换电压信号，所述第一储能模块用于根据所述第四变换电压信号进行储能，使所述电池模块两端的电压等于所述均衡母线上的电压；
所述控制模块包括：
锯齿波产生单元，用于输出预设锯齿波信号；
PWM发波单元，用于分别与所述锯齿波产生单元和基准单元电连接，用于根据所述预设锯齿波信号和所述基准单元输出的预设电平信号输出PWM信号；
信号隔离单元，与所述PWM发波单元电连接，用于对所述PWM信号进行隔离；
第一驱动单元，分别与所述PWM发波单元和所述第一变换模块电连接，用于根据所述PWM信号向所述第一变换模块输出所述预设控制信号；
第二驱动单元，分别与所述信号隔离单元和所述第二变换模块电连接，用于根据所述PWM信号向所述第二变换模块输出所述预设控制信号。
2.根据权利要求1所述的功率均衡电路，其特征在于，所述PWM发波单元包括运算放大器，所述运算放大器的正向输入端与所述锯齿波产生单元电连接，所述运算放大器的负向输入端用于与所述基准单元电连接，所述运算放大器的输出端分别与所述第一驱动单元和所述信号隔离单元电连接；
所述运算放大器用于根据所述预设锯齿波信号和所述预设电平信号向所述第一驱动单元和所述信号隔离单元输出所述PWM信号。
3.根据权利要求1所述的功率均衡电路，其特征在于，所述第一变换模块包括全桥电路单元、半桥电路单元或推挽电路单元。
4.根据权利要求1所述的功率均衡电路，其特征在于，所述第二变换模块包括全桥电路单元、半桥电路单元或推挽电路单元。
5.根据权利要求1所述的功率均衡电路，其特征在于，所述谐振模块包括第一电容和第一电感，所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均与所述第一变换模块电连接，所述第一电容的第二端和所述第一电感的第二端均与所述第二变换模块电连接。
6.根据权利要求5所述的功率均衡电路，其特征在于，所述谐振模块还包括变压器，所述变压器的初级线圈的第一端与所述第一电感的第二端电连接，所述变压器的初级线圈的第二端与所述第一电容的第二端电连接，所述变压器的次级线圈的第一端和所述变压器的次级线圈的第二端均与所述第二变换模块电连接。
7.根据权利要求1所述的功率均衡电路，其特征在于，所述第一储能模块包括第二电容，所述第二电容的第一端与所述电池模块的第一端电连接，所述第二电容的第二端与所述电池模块的第二端电连接。
8.根据权利要求1所述的功率均衡电路，其特征在于，所述第二储能模块包括第三电容，所述第三电容的第一端与所述均衡母线的正极电连接，所述第三电容的第二端与所述均衡母线的负极电连接。
9.一种电源装置，其特征在于，包括多个依次串联的电池模块和多个权利要求1-8任一项所述的功率均衡电路。
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