CN209593028U - 一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种基于单体‑单体型均衡单元的分层均衡电路，包括依次串联的电池B₁,B₂,…,B_n，其中n等于或大于3；还包括n‑1层均衡电路，每一层均衡电路包括至少一个连接到两个电池之间的均衡单元；所有均衡单元结构相同。例如当n＝3，分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E_1,1连接到B₁和B₂之间，均衡单元E_1,2连接到B₂和B₃之间；第2层均衡电路：均衡单元E_2,1连接到B₁和B₃之间；均衡单元的第一端口、第二端口的正端和负端分别连接到第一个电池、第二个电池的正极和负极。本实用新型可同时对所有电池进行均衡，缩短了均衡过程。

Description

一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路

技术领域

本实用新型涉及电池/超级电容电压均衡技术领域，尤其是一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路。

背景技术

随着全球变暖和能源危机，电动汽车和新能源发电等领域受到了广泛的关注，与之相对应的储能系统、储能元件也被大量研究。锂电池和超级电容由于分别具有能量密度高和功率密度高的优点，常被作为储能元件用于电动汽车和智能微电网等大电压、高功率场合。锂电池/超级电容(为便于说明，下文将锂电池和超级电容统称为电池)单体的电压很低，在应用时需要将大量的电池单体串、并联组成电池组，以满足负载的电压和功率需求。然而，由于制造的原因，电池单体在内阻、电压、容量等方面具有不一致性，而且随着电池组的使用以及电池单体工作温度的不同，这种单体间的不一致性会逐渐加重，造成电池单体的过充和过放，浪费电池组的可用容量，加速电池的老化、缩短电池的使用寿命，甚至产生火灾、爆炸等安全问题。为了解决电池单体的不一致性问题，需要在电池组中加入电池均衡电路。

现有的均衡电路主要分为能量耗散型和非能量耗散型。能量耗散型均衡电路是使用电阻等耗能元件将高压电池中的能量消耗，以实现电池组中电池电压的均衡。非耗散型均衡电路是利用电容、电感等非耗能元件作为传能媒介，实现能量从高压电池到低压电池的传输。根据均衡能量的传输路径，非耗散型均衡电路可以分为单体-单体型、单体-组型和组-单体型。单体-单体型均衡电路可分为直接单体-单体型和间接(相邻)单体-单体型，均衡原理是通过开关电容单元或开关变换器将高压电池的能量传输到低压电池中，实现电池组各电池的电压均衡。现有的直接单体-单体型均衡电路，如飞渡电容均衡电路，只有一个均衡单元，只能同时均衡两个电池，均衡过程长；间接单体-单体型均衡电路，如传统开关电容均衡电路，非相邻电池间均衡路径长，均衡速度慢，且在均衡过程中部分电池作为能量传输媒介，能量有无效流动，降低了均衡效率。单体-组型均衡电路通过开关变换器将高压电池的能量传输到整个电池组，实现电池组各电池的电压均衡，但在均衡过程中高压电池放电后会与电池组一起充电，能量有无效流动，降低了均衡效率。组-单体型均衡电路通过开关变换器将电池组的能量传输到低压电池，实现电池组各电池的电压均衡，但均衡过程中低压电池充电前会与电池组一起放电，能量有无效流动，降低了均衡效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路，包括依次串联的电池B₁,B₂,…,B_n，其中n等于或大于3；还包括n-1层均衡电路，每一层均衡电路包括至少一个连接到两个电池之间的均衡单元；所有均衡单元结构相同；

当n＝3，则所述分层均衡电路包括

第1层均衡电路：均衡单元E_1,1连接到B₁和B₂之间，均衡单元E_1,2连接到B₂和B₃之间；

第2层均衡电路：均衡单元E_2,1连接到B₁和B₃之间；

当n＝4，则所述分层均衡电路包括

第1层均衡电路：均衡单元E_1,1连接到B₁和B₂之间，均衡单元E_1,2连接到B₂和B₃之间，均衡单元E_1,3连接到B₃和B₄之间；

第2层均衡电路：均衡单元E_2,1连接到B₁和B₃之间，均衡单元E_2,2连接到B₂和B₄之间；

第3层均衡电路：均衡单元E_3,1连接到B₁和B₄之间；

当n>4，则所述分层均衡电路包括

第1层均衡电路：均衡单元E_1,1连接到B₁和B₂之间，均衡单元E_1,2连接到B₂和B₃之间；

以此类推，直到均衡单元E_1,n-1连接到B_n-1和B_n之间；

第2层均衡电路：均衡单元E_2,1连接到B₁和B₃之间，均衡单元E_2,2连接到B₂和B₄之间；

以此类推，直到均衡单元E_2,n-2连接到B_n-2和B_n之间；

第3层均衡电路：均衡单元E_3,1连接到B₁和B₄之间，均衡单元E_3,2连接到B₂和B₅之间；

以此类推，直到均衡单元E_3,n-3连接到B_n-3和B_n之间；

其它层均衡电路以此类推，直到

第n-1层均衡电路：均衡单元E_n-1,1连接到B₁和B_n之间；

所述均衡单元连接到两个电池之间，具体为：均衡单元的第一端口的正端和负端分别连接到第一个电池的正极和负极，均衡单元的第二端口的正端和负端分别连接到第二个电池的正极和负极。

进一步的技术方案，所述均衡单元包括4个MOS管和1个电容；第一个MOS管的漏极连接到第三个MOS管的源极后再连接到电容的正端，第二个MOS管的漏极连接到第四个 MOS管的源极后再连接到电容的负端；第一个MOS管的源极构成第一端口的正端，第二个 MOS管的源极构成第一端口的负端；第三个MOS管的漏极构成第二端口的正端，第四个 MOS管的漏极构成第二端口的负端。

进一步的技术方案，所述均衡单元为双向隔离型DC/DC变换器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、与现有的直接单体-单体型均衡技术相比，本实用新型采用多个直接单体-单体型均衡单元作为能量传输结构，可同时对所有电池进行均衡，缩短了均衡过程。

2、与传统的开关电容均衡技术相比，本实用新型为任意两个电池提供了直接均衡通路，缩短了均衡路径，消除了电压不均衡分布对均衡速度的影响；同时消除了部分电池作为能量传输媒介，能量有无效流动的问题。

3、与单体-组型和组-单体型均衡技术相比，本实用新型均衡过程中没有电池组同时充放电的过程，消除了高压/低压电池在进行均衡放电/充电同时进行均衡充电/放电的能量无效流动问题，提高了均衡效率。

附图说明

图1a为本实用新型的结构图；

图1b为采用MOS管和均衡电容的单体-单体型均衡单元结构图；

图1c为采用双向隔离型DC/DC变换器作为单体-单体型均衡单元的连接图；

图2为实施例的分层结构图；

图3为实施例的详细电路结构图；

图4a为实施例的工作状态A；

图4b为实施例的工作状态B；

图5为实施例在电压不均衡情况1下均衡电容C_1,1的电压、电流仿真波形；

图6a为实施例在电压不均衡情况1下电池电压的均衡仿真波形；

图6b为实施例在电压不均衡情况2下电池电压的均衡仿真波形；

图6c为实施例在电压不均衡情况3下电池电压的均衡仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1a所示，一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路，包括n个电池、n(n-1)/2 个单体-单体型均衡单元；其中，n个电池构成电池组，从电池组的负极到正极，各个电池的编号依次为B₁,B₂,…,B_n；任意两个电池共用一个单体-单体型均衡单元；将n(n-1)/2个单体 -单体型均衡单元分为n-1层；第1层为相邻两个电池共用的均衡单元，共n-1个；第2层为中间间隔一个电池的两个电池共用的均衡单元，共n-2个；以此类推，第n-1层为中间间隔n-2个电池的两个电池共用的均衡单元，共1个。

如图1b所示，单体-单体型均衡单元E_1,1，包括开关管Q_11a、Q_11b、Q_11c、Q_11d和均衡电容C_1,1，其两端分别连接电池B₁和电池B₂。均衡单元中的开关管采用MOS管，开关管Q_11c、 Q_11d的漏极分别与电池B₂的正、负极相连，源极分别与均衡电容C_1,1的正、负极相连；开关管Q_11a、Q_11b的漏极分别与均衡电容C_1,1的正、负极相连，源极分别与电池B₁的正、负极相连。相似的，对于每个均衡单元E_i,j，包括开关管Q_ija、Q_ijb、Q_ijc、Q_ijd和均衡电容C _i,j，其两端分别连接电池B_j和电池B_j+i。开关管Q_ijc、Q_ijd的漏极分别与电池B_j+i的正、负极相连，源极分别与均衡电容C_i,j的正、负极相连；开关管Q_ija、Q_ijb的漏极分别与均衡电容C _i,j的正、负极相连，源极分别与电池B_j的正、负极相连。其中，i＝1,2,…,n-1，为单体-单体型均衡单元E_i,j所在层的编号；j＝1,2,…,n-i，为单体-单体型均衡单元E_i,j在第i层内的编号。

上述采用MOS管和均衡电容的基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路的控制方法：用一对频率固定、占空比互补且带有死区时间的PWM信号V_GS1和V_GS2控制单体-单体型均衡单元：PWM信号V_GS1控制每个均衡单元中的开关管Q_ijc、Q_ijd；PWM信号V_GS2控制每个均衡单元中的开关管Q_ija、Q_ijb。

上述采用MOS管和均衡电容的单体-单体型均衡单元的具体工作原理：用一对互补的 PWM信号控制开关管Q_ijc、Q_ijd和Q_ija、Q_ijb交替导通，使得高压电池给均衡电容充电，均衡电容再给低压电池充电，实现高压电池和低压电池间的能量自动均衡。

假设电池电压V_Bj+i>V_Bj，在不考虑PWM信号死区时间的情况下，均衡单元的均衡过程有两个工作状态：

工作状态A：PWM信号V_GS1为高电平，开关管Q_ijc、Q_ijd导通，电池B_j+i向均衡电容C_i,j充电，均衡电容电压V_Cij升高至V_Bj+i，待V_GS1变为低电平，该工作状态结束；

工作状态B：PWM信号V_GS2为高电平，开关管Q_ija、Q_ijb导通，均衡电容C_i,j向电池B_j充电，均衡电容电压V_Cij降低至V_Bj，待V_GS2变为低电平，该工作状态结束。

如图1c所示，单体-单体型均衡单元也可以采用双向隔离型DC/DC变换器。该单体-单体型均衡单元的控制方法：通过对比均衡单元两端连接的两个电池的电压大小，产生双向隔离型DC/DC变换器的控制信号，使得能量从高压电池向低压电池传输，保证均衡单元两端的电池电压相同，实现高压电池和低压电池间的能量均衡。以图1c中均衡单元E_1,1为例，详细的工作原理为：

当电池电压V_B2>V_B1，控制双向隔离型DC/DC变换器从电池B₂向电池B₁传输能量；当电池电压V_B1>V_B2，控制双向隔离型DC/DC变换器从电池B₁向电池B₂传输能量。

实施例

以3电池的均衡电路为实施例，其分层结构图、详细电路结构图分别如图2、图3所示。如图2所示，3电池均衡电路包含3个单体-单体型均衡单元，其中E_1,1和E_1,2属于第1层均衡单元，E_2,1和属于第2层均衡单元。均衡电路两个工作状态的电路图分别如图4a和4b所示。当电池电压V_B3>V_B2>V_B1时，均衡电路的工作状态如下：

工作状态A：PWM信号V_GS1为高电平，开关管Q_11c、Q_11d、Q_12c、Q_12d、Q_21c、Q_21d导通，电池B₃向均衡电容C_1,2、C_2,1充电，电池B₂向均衡电容C_1,1充电，均衡电容电压V_C12、V_C21升高至V_B3，V_C11升高至V_B2；待V_GS1变为低电平，该工作状态结束；

工作状态B：PWM信号V_GS2为高电平，开关管Q_11a、Q_11b、Q_12a、Q_12b、Q_21a、Q_21b导通，均衡电容C_1,1、C_2,1向电池B₁充电，均衡电容C_1,2向电池B₂充电，均衡电容电压V_C11、V_C21降低至V_B1，V_C12降低至V_B2；待V_GS2变为低电平，该工作状态结束。

图5为实施例在电压不均衡情况1下均衡电容C_1,1的电压、电流仿真波形；图6a、图6b、图6c分别为三种不同电压不均衡情况下的电池电压均衡仿真波形。电路的仿真参数：均衡电容为47μF，每个均衡单元设置30mΩ的电阻作为电路寄生电阻，用0.5F的电容代替电池，开关频率为60kHz。电压不均衡情况1：V_B1＝3.8V、V_B2＝3.6V、V_B3＝3.5V；电压不均衡情况2：V_B1＝3.6V、V_B2＝3.8V、V_B3＝3.5V；电压不均衡情况3：V_B1＝3.5V、V_B2＝3.6V、V_B3＝3.8V。

由图5可知，当V_GS1为高电平时，流过均衡电容C_1,1的电流方向为正，能量从电池B₂向均衡电容传输，均衡电容电压逐渐升高到3.6V，与电池B₂的电压相同；当V_GS2为高电平时，流过均衡电容C_1,1的电流方向为负，能量从均衡电容向电池B₁传输，均衡电容电压逐渐降低到3.6V，与电池B₁的电压相同；仿真结果与理论分析一致。

由图6a、图6b、图6c可知，在不同的电池电压不均衡分布情况下，电池电压达到均衡的时间都为0.338s，均衡速度一致，表明本实用新型的均衡速度不受电压不均衡分布的影响；且在不同的电池电压不均衡分布情况下，各电池电压均单调变化，无能量的无效流动；仿真结果与理论分析一致。

综上，本实用新型所提出的基于单体-单体型均衡单元的多层开关电容均衡电路，为任意两个电池提供了直接均衡通路，缩短了均衡路径，使电路的均衡速度不受电池电压不均衡分布的影响，改进了传统开关电容均衡电路均衡速度慢的问题；而且消除了均衡能量的无效流动，提高了均衡效率。

Claims (3)

1.一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路，其特征在于，包括依次串联的电池B₁,B₂,…,B_n，其中n等于或大于3；还包括n-1层均衡电路，每一层均衡电路包括至少一个连接到两个电池之间的均衡单元；所有均衡单元结构相同；

当n＝3，则所述分层均衡电路包括

第1层均衡电路：均衡单元E_1,1连接到B₁和B₂之间，均衡单元E_1,2连接到B₂和B₃之间；

第2层均衡电路：均衡单元E_2,1连接到B₁和B₃之间；

当n＝4，则所述分层均衡电路包括

第1层均衡电路：均衡单元E_1,1连接到B₁和B₂之间，均衡单元E_1,2连接到B₂和B₃之间，均衡单元E_1,3连接到B₃和B₄之间；

第2层均衡电路：均衡单元E_2,1连接到B₁和B₃之间，均衡单元E_2,2连接到B₂和B₄之间；

第3层均衡电路：均衡单元E_3,1连接到B₁和B₄之间；

当n>4，则所述分层均衡电路包括

第1层均衡电路：均衡单元E_1,1连接到B₁和B₂之间，均衡单元E_1,2连接到B₂和B₃之间；以此类推，直到均衡单元E_1,n-1连接到B_n-1和B_n之间；

第2层均衡电路：均衡单元E_2,1连接到B₁和B₃之间，均衡单元E_2,2连接到B₂和B₄之间；以此类推，直到均衡单元E_2,n-2连接到B_n-2和B_n之间；

第3层均衡电路：均衡单元E_3,1连接到B₁和B₄之间，均衡单元E_3,2连接到B₂和B₅之间；以此类推，直到均衡单元E_3,n-3连接到B_n-3和B_n之间；

其它层均衡电路以此类推，直到

第n-1层均衡电路：均衡单元E_n-1,1连接到B₁和B_n之间；

所述均衡单元连接到两个电池之间，具体为：均衡单元的第一端口的正端和负端分别连接到第一个电池的正极和负极，均衡单元的第二端口的正端和负端分别连接到第二个电池的正极和负极。

2.如权利要求1所述的基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路，其特征在于，所述均衡单元包括4个MOS管和1个电容；第一个MOS管的漏极连接到第三个MOS管的源极后再连接到电容的正端，第二个MOS管的漏极连接到第四个MOS管的源极后再连接到电容的负端；第一个MOS管的源极构成第一端口的正端，第二个MOS管的源极构成第一端口的负端；第三个MOS管的漏极构成第二端口的正端，第四个MOS管的漏极构成第二端口的负端。

3.如权利要求1所述的基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路，其特征在于，所述均衡单元为双向隔离型DC/DC变换器。