CN210912093U - 一种基于开关电容和lc谐振单元的均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路，包括两个以上结构相同的开关电容单元，每个开关电容单元配置一个电池；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。本实用新型的有益效果在于，可以工作在两种均衡模式，解决了传统开关电容均衡电路在电池间电压差较小时均衡速度慢的问题，同时解决了基于单个变换器和开关组的均衡电路同时只能均衡两个电池、均衡速度慢的问题。

Description

一种基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路

技术领域

本实用新型涉及锂电池电压均衡技术领域，尤其是一种基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路。

背景技术

纯电动汽车作为一种环境友好型的交通工具，得到了大量的研究及应用。其中，锂电池由于其能量密度高、自放电率低、无记忆效应等优势，是纯电动汽车动力系统的理想动力源之一。但是，因为单个锂电池的额定电压较低，通常不超过4.2V，所以通常将大量的锂电池串联使用，为负载提供足够大的电压。由于生产制造的原因，电池单体在内阻、电压、容量等性能方面具有不一致性，同时在电池使用的过程中由于环境温度的差异及电池的老化，会使得这种不一致性加剧，导致电池容量的浪费、降低电池的使用寿命。为了解决这种不一致性问题，延长电池的使用寿命，需要在电池组中加入均衡电路。

为了解决电池的不一致性问题，多种均衡电路及其控制策略被提出。现有的均衡电路主要分为能量耗散型和非能量耗散型。其中，能量耗散型均衡电路体积小、成本低，但是其均衡能量通过热能的形式消耗，均衡效率低。非能量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。其中，基于单个变换器和开关组的均衡电路可以实现电池组中任意两个电池的快速均衡，但是无法同时均衡多个电池。因此随着不均衡电池数量的增多，电路的均衡速度会大幅下降。传统开关电容均衡电路可以同时均衡多个电池，在电池间电压差较大时均衡速度较快，但是当电池间电压差较小时均衡速度慢；而且，传统开关电容均衡电路只由一对占空比互补的控制信号控制，均衡效果受电池间参数的不一致及电路参数的影响较大，均衡后的电池间电压差不可控，无法实现满意的均衡效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

一种基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路，包括两个以上结构相同的开关电容单元，每个开关电容单元配置一个电池；所述开关电容单元，包括电容和四个MOS管；第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极连接后再连接到电容的一端，第二MOS管的漏极和第四MOS管的漏极连接后再连接到电容的另一端；第一MOS管的源极连接到电池的正极，第二MOS管的源极连接到电池的负极；还包括LC谐振单元，LC谐振单元也配置一个电池；所述LC谐振单元，包括谐振电容、谐振电感和三个MOS管；谐振电容和谐振电感串联构成谐振支路；一号MOS管的源极和三号MOS管的漏极连接后再连接到谐振支路的一端，二号MOS管的源极和三号MOS管的源极连接后再连接到谐振支路的另一端；一号MOS管的漏极连接到电池的正极，二号MOS管的漏极连接到电池的负极；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；所有开关电容单元的第三MOS管的源极均连接到LC谐振单元的三号MOS管的漏极，所有开关电容单元的第四MOS管的源极均连接到LC谐振单元的三号MOS管的源极。

本实用新型的有益效果在于，可以工作在两种均衡模式，解决了传统开关电容均衡电路在电池间电压差较小时均衡速度慢的问题，同时解决了基于单个变换器和开关组的均衡电路同时只能均衡两个电池、均衡速度慢的问题。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构图；

图2为本实用新型的控制流程图；

图3为实施例的电路结构图；

图4a为实施例的工作状态Ⅰ；

图4b为实施例的工作状态Ⅱ；

图4c为实施例的工作状态Ⅲ；

图4d为实施例的工作状态Ⅳ；

图4e为实施例的工作状态Ⅴ；

图5为实施例在均衡模式1下电容C₁的电压、电流仿真波形；

图6为实施例在均衡模式2下谐振电容C_r的电压、电流仿真波形；

图7为实施例在模式切换阈值电压ΔV₁＝0.6V时电池电压的仿真波形；

图8为实施例在模式切换阈值电压ΔV₁＝0.4V时电池电压的仿真波形；

图9为实施例在模式切换阈值电压ΔV₁＝0.1V时电池电压的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图作进一步详细说明。

一种基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路，如图1所示，包括依次串联的电池B₁,B₂,…,B_n，其中n为大于或等于3的正整数；还包括n-1个开关电容单元和1个LC谐振单元，其中每个开关电容单元结构相同。电池B₁,B₂,…,B_n-1，每个电池都与1个开关电容单元相连接；电池B_n与LC谐振单元相连接。

与电池B_i(i＝1,2,…,n-1)连接的第i个开关电容单元：包括4个MOS管Q_i1、Q_i2、Q_i3、Q_i4和1个电容C_i；MOS管Q_i1的漏极和MOS管Q_i3的漏极连接后再连接到电容C_i的一端，MOS管Q_i2的漏极和MOS管Q_i4的漏极连接后再连接到电容C_i的另一端；MOS管Q_i1的源极与电池B_i的正极相连接，MOS管Q_i2的源极与电池B_i的负极相连接；MOS管Q_i3的源极连接到公共连接点a，MOS管Q_i4的源极连接到公共连接点b。

与电池B_n连接的LC谐振单元：包括1个谐振电容C_r、1个谐振电感L_r、3个MOS管Q_n3、Q_n4和Q_r；MOS管Q_n3的漏极和电池B_n的正极相连接，源极连接到公共连接点a；MOS管Q_n4的漏极和电池B_n的负极相连接，源极连接到公共连接点b；谐振电容C_r和谐振电感L_r串联后，一端连接到公共连接点a，另一端连接到公共连接点b；MOS管Q_r的漏极连接到公共连接点a，源极连接到公共连接点b。

上述基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路具有两种均衡模式：均衡模式1和均衡模式2。

其中，在均衡模式1中，LC谐振单元中的MOS管Q_n3、Q_n4和开关电容单元工作，实现所有电池间的能量传输，减小电池间的最大电压差；均衡模式1有两种工作状态，包括

(1)工作状态I：能量在电池B_i(i＝1,2,…,n-1)和电容C_i(i＝1,2,…,n-1)之间传输；

(2)工作状态Ⅱ：能量在电池B_n和电容C₁,C₂,…,C_n-1之间传输；

在均衡模式2中，所有开关电容单元中的MOS管和LC谐振单元工作，电压最高的电池向电压最低的电池传输能量，实现电池电压的快速均衡；均衡模式2有三种工作状态，包括

(1)工作状态Ⅲ：谐振电容C_r和谐振电感L_r向电压最低的电池B_j(j＝1,2,…,n)传输能量；

(2)工作状态Ⅵ：谐振电容C_r和谐振电感L_r产生谐振，谐振电容C_r的电压方向由正变负；

(3)工作状态Ⅴ：电压最高的电池B_k(k＝1,2,…,n,k≠j)向谐振电容C_r和谐振电感L_r传输能量。

图2为上述基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路的控制方法流程图，其详细控制步骤为

(1)系统初始化；

(2)实时检测所有电池的电压；

(3)根据对所有电池电压的检测结果，计算电池电压的最大值V_Bmax、最小值V_Bmin和电池间的最大电压差ΔV_Bmax；

(4)判断电池间的最大电压差ΔV_Bmax是否大于均衡终止阈值电压ΔV₂，如果是，则进行均衡，否则均衡过程结束；

(5)当ΔV_Bmax>ΔV₂时，判断ΔV_Bmax是否小于模式切换阈值电压ΔV₁，如果是，则进入均衡模式2，否则进入均衡模式1；

(6)当均衡模式2或均衡模式1结束后返回步骤(2)，直至步骤(4)中电池间的最大电压差ΔV_Bmax小于或等于阈值电压ΔV₂，达到均衡过程结束的条件；

(7)均衡过程结束。

具体实施例如下：

以4电池的均衡电路为实施例，其电路结构图如图3所示。假设初始电池电压V_B4>V_B3>V_B2>V_B1，且ΔV_Bmax>ΔV₁。此时，均衡电路工作于均衡模式1，该均衡模式下的控制信号为一对频率固定占空比互补的PWM信号V_GSa和V_GSb。此时，均衡电路的工作状态如下：

(1)工作状态I：PWM信号V_GSa为高电平，控制MOS管Q₁₁、Q₁₂、Q₂₁、Q₂₂、Q₃₁、Q₃₂导通；其余MOS管关断；如图4a所示。电容C₁、C₂、C₃分别向电池B₁、B₂、B₃传输能量。

(2)工作状态Ⅱ：PWM信号V_GSb为高电平，控制MOS管Q₁₃、Q₁₄、Q₂₃、Q₂₄、Q₃₃、Q₃₄、Q₄₃、Q₄₄导通；其余MOS管关断；如图4b所示。能量在电池B₄和电容C₁、C₂、C₃之间传输。

当电池间的最大电压差变为ΔV_Bmax≤ΔV₁时，均衡电路工作于均衡模式2。该均衡模式下的控制信号为三个频率相同的PWM信号V_GSc、V_GSd和V_GSr；三个PWM信号的周期为LC电路谐振周期的3/2，导通时间均为LC电路谐振周期的1/2，且导通时间按照V_GSc、V_GSr、V_GSd的顺序分布。此时，均衡电路的工作状态如下：

(1)工作状态Ⅲ：根据检测的电池电压，电压最低的电池为B_j(j＝1,2,3,4)；PWM信号V_GSc为高电平，控制MOS管Q_j1、Q_j2、Q_j3、Q_j4(当j＝1,2,3时)导通或MOS管Q_j3、Q_j4(当j＝4时)导通；其余MOS管关断；谐振电容C_r和谐振电感L_r向电池B_j传输能量。图4c所示，是电池B₁电压最低时的均衡电路工作状态，其中MOS管Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄导通，其余MOS管关断；谐振电容C_r和谐振电感L_r向电池B₁传输能量。

(2)工作状态Ⅵ：PWM信号V_GSr为高电平，控制MOS管Q_r导通；其余MOS管关断；如图4d所示；谐振电容C_r和谐振电感L_r产生谐振，谐振电容C_r的电压方向由正变负。

(3)工作状态Ⅴ：根据检测的电池电压，电压最高的电池为B_k(k＝1,2,3,4,k≠j)；PWM信号V_GSd为高电平，控制MOS管Q_k1、Q_k2、Q_k3、Q_k4(当k＝1,2,3时)导通或MOS管Q_k3、Q_k4(当k＝4时)导通；其余MOS管关断；电池B_k向谐振电容C_r和谐振电感L_r传输能量。图4e所示，是电池B₄电压最高时的均衡电路工作状态，其中MOS管Q₄₃、Q₄₄导通，其余MOS管关断；电池B₄向谐振电容C_r和谐振电感L_r传输能量。

图5为实施例在均衡模式1下电容C₁的电压、电流仿真波形；图6为实施例在均衡模式2下均衡电容C_r的电压、电流仿真波形；图7为实施例在模式切换阈值电压ΔV₁＝0.6V时电池电压的仿真波形；图8为实施例在模式切换阈值电压ΔV₁＝0.4V时电池电压的仿真波形；图9为实施例在模式切换阈值电压ΔV₁＝0.1V时电池电压的仿真波形。其中，图5、图6的波形是在模式切换阈值电压ΔV₁＝0.4V的情况下获得的。电路的仿真参数：电容C₁、C₂、C₃都为200μF，每个电容支路的寄生电阻为120mΩ；谐振电容为10F，谐振电感为4.7H，每个谐振支路的寄生电阻为120mΩ；均衡模式1的开关频率为50kHz，均衡模式2的开关频率为15.5kHz；均衡终止阈值电压ΔV₂＝1mV；以0.2F的电容代替电池；初始电压为V_B1＝3.0V、V_B2＝3.2V、V_B3＝3.4V、V_B4＝3.6V。

如图5所示，当均衡电路工作在均衡模式1时，电路有两个工作状态，工作状态I和Ⅱ。在工作状态I，电流方向为负，即电流流出电容C₁，能量从电容C₁传输到电池B₁，电容C₁的电压下降；在工作状态Ⅱ，电流方向为正，即电流流入电容C₁，能量从电池B₄传输到电容C₁，电容C₁的电压上升。

如图6所示，当均衡电路工作在均衡模式2时，电路有三个工作状态，工作状态Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ。在工作状态Ⅲ，流过谐振电容C_r的电流从零下降到最小值再变为零，能量从均衡电容C_r传输到电池B₁，谐振电容C_r的电压下降；在工作状态Ⅳ，谐振电容C_r与谐振电感L_r发生谐振，流过谐振电容C_r的电流为负，谐振电容C_r的电压方向反向；在工作状态Ⅴ，流过谐振电容C_r的电流从零上升到最大值再变为零，能量从电池B₄传输到均衡电容C_r，谐振电容C_r的电压上升。

如图7所示，当阈值电压ΔV₁＝0.6V时，对于给定的电压分布，均衡电路只工作于均衡模式2，电路的均衡时间为0.081s，均衡后的电池平均电压为3.277V；如图8所示，当阈值电压ΔV₁＝0.4V时，对于给定的电压分布，均衡电路先工作于均衡模式1，当电池间的最大电压差小于0.4V后工作于均衡模式2，电路的均衡时间为0.072s，均衡后的电池平均电压为3.282V；如图9所示，当阈值电压ΔV₁＝0.1V时，对于给定的电压分布，均衡电路先工作于均衡模式1，当电池间的最大电压差小于0.4V后工作于均衡模式2，电路的均衡时间为0.146s，均衡后的电池平均电压为3.294V。对比上述三种仿真结果，可以知道：均衡模式1在电池间电压差较大时均衡速度快，而在电池电压差较小时均衡速度慢；均衡模式2在电池间电压差较小时速度优势明显，而在电池间电压差较大时速度慢于均衡模式1；且阈值电压ΔV₁越大，即均衡模式2的工作范围越大，电路均衡后的平均电压越低，电路的均衡效率越低；通过调节阈值电压ΔV₁的大小，可以根据需要调节电路的均衡速度及均衡效率。

Claims (1)

1.一种基于开关电容和LC谐振单元的均衡电路，其特征在于，包括两个以上结构相同的开关电容单元，每个开关电容单元配置一个电池；所述开关电容单元，包括电容和四个MOS管；第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极连接后再连接到电容的一端，第二MOS管的漏极和第四MOS管的漏极连接后再连接到电容的另一端；第一MOS管的源极连接到电池的正极，第二MOS管的源极连接到电池的负极；

还包括LC谐振单元，LC谐振单元也配置一个电池；所述LC谐振单元，包括谐振电容、谐振电感和三个MOS管；谐振电容和谐振电感串联构成谐振支路；一号MOS管的源极和三号MOS管的漏极连接后再连接到谐振支路的一端，二号MOS管的源极和三号MOS管的源极连接后再连接到谐振支路的另一端；一号MOS管的漏极连接到电池的正极，二号MOS管的漏极连接到电池的负极；

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；所有开关电容单元的第三MOS管的源极均连接到LC谐振单元的三号MOS管的漏极，所有开关电容单元的第四MOS管的源极均连接到LC谐振单元的三号MOS管的源极。

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