CN216904379U - 一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于开关电容和Buck‑Boost单元的自动电压均衡电路，包括依次串联的1号电池,2号电池,…,n号电池，其中n为大于等于5的奇数；还包括n‑1个半桥型开关组、一个H型开关组、n‑1个电容和一个电感L；与i号电池并联的第i个半桥型开关组，包括i1号MOS管和i2号MOS管；i1号MOS管和i2号MOS管串联后再和电池i号电池并联；H型开关组包括n1号MOS管、n2号MOS管、13号MOS管和14号MOS管；电感L的一端与m号电池的正极相连，另一端与H型开关组中13号MOS管的漏极相连；其中，m等于(n+1)/2。本实用新型使用Buck‑Boost单元作为子模块间的均衡单元，增加了电池子模块间的均衡路径，进一步提高了电路的均衡速度。

Description

一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池组电压均衡技术领域，尤其是一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路。

背景技术

锂离子电池作为储能元件经常用于新能源电动汽车、航空航天和新能源发电等需要储能系统的应用场合。因为锂离子电池(为了便于说明，下文将锂离子电池简称为电池)的单体电压通常较低，所以需要将多个电池串联成电池组使用，以满足各种场合的大电压需求。电池在生产制造时单体间存在参数差异，而且这种差异会随着电池的使用逐渐加剧。在电池组充放电时，电池间的参数差异会导致电池电压不一致。这种电池间的电压不一致将导致电池组可用容量的浪费，并加速电池的老化、缩短电池的使用寿命。在电池组中加入电压均衡电路，是解决电池间电压不一致问题的常用方法。

现有的均衡电路主要包括能量耗散型均衡电路和非能量耗散型均衡电路。能量耗散型均衡电路是使用电阻等耗散型器件将高电压电池中的能量消耗，以实现电池组内电池间的电压均衡。该方式成本低、体积小，但是能量浪费严重，且容易产生散热问题。非耗散型均衡电路利用电容、电感、变压器等非耗散型器件作为能量传输器件，实现能量从高电压电池到低电压电池的传输。其中，以电容为能量传输器件的开关电容均衡电路由于电路结构简单、控制简单而被广泛研究。传统的开关电容均衡电路包括单层开关电容均衡电路、双层开关电容均衡电路以及链形开关均衡电路等。它们可以同时在多个电池间传输能量，但其均衡速度随电池的电压不均衡分布而变化，同时其均衡速度随着电池数量的增多而下降。以电感为能量传输器件的基于Buck-Boost单元的均衡电路均衡电流高，均衡速度快。但是，在基于Buck-Boost单元的均衡电路中电感的数量多，增加了电路的体积和成本。

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Buck-Boost单元的自动电压均衡电路。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路，包括依次串联的1号电池,2号电池,…,n号电池，其中n为大于等于5的奇数；还包括n-1个半桥型开关组、一个H型开关组、n-1个电容和一个电感L；

与i号电池并联的第i个半桥型开关组，包括i1号MOS管和i2号MOS管；i1号MOS管和i2号MOS管串联后再和电池i号电池并联；具体连接方式为：i1号MOS管的漏极与i号电池的正极相连，i2号MOS管的源极与i号电池的负极相连；i1号MOS管的源极与i2号MOS管的漏极相连；其中，i＝1,2,…,n-1；j号电容的一端与j2号MOS管的漏极相连，另一端与i2号MOS管的漏极相连；其中，j＝2,3,…,n-1；11号MOS管、12号MOS管、j1号MOS管、j2号MOS管和j号电容构成1号电池和j号电池之间的一个开关电容均衡单元，实现1号电池和j号电池之间的直接能量传输；

H型开关组包括n1号MOS管、n2号MOS管、13号MOS管和14号MOS管；H型开关组的具体连接方式为：n1号MOS管的漏极与n号电池的正极相连，n2号MOS管的漏极与n号电池的负极相连，13号MOS管的源极与1号电池的正极相连，14号MOS管的源极与1号电池的负极相连；n1号MOS管的源极与13号MOS管的漏极相连，n2号MOS管的源极与14号MOS管的漏极相连；1号电容的一端与13号MOS管的漏极相连，另一端与14号MOS管的漏极相连；n1号MOS管、n2号MOS管、13号MOS管、14号MOS管和1号电容构成1号电池和n号电池之间的一个开关电容均衡单元，实现1号电池和n号电池之间的直接能量传输；

电感L的一端与m号电池的正极相连，另一端与H型开关组中13号MOS管的漏极相连；其中，m等于(n+1)/2。

n1号MOS管、13号MOS管和电感L构成2～m号电池子模块(B₂-B_m)和m+1～n号电池子模块(B_m+1-B_n)之间的Buck-Boost均衡单元，实现2～m号电池子模块(B₂-B_m)和m+1～n号电池子模块(B_m+1-B_n)之间的能量传输。

本实用新型具有以下技术效果：

1、与现有的能量耗散型均衡技术相比，本实用新型使用电容和电感作为能量传输器件在电池间传输能量，具有能量效率高的优点。

2、与基于Buck-Boost电路的均衡技术相比，本实用新型可以实现任意电池到任意电池间的电压均衡，缩短了电路的均衡路径；同时，本实用新型可以减少电感的数量，降低了电路的体积、成本。

3、与开关电容均衡技术相比，本实用新型使用Buck-Boost单元实现电池子模块间的能量传输，增加了电池子模块间的均衡路径，提高了电路的均衡速度。

附图说明

图1为实用新型的电路结构图；

图2为实施例的电路结构图；

图3a为实施例的工作状态I；

图3b为实施例的工作状态Ⅱ；

图4a为实施例在电压不均衡情况1下电容C₄的电压、电流仿真波形；

图4b为实施例在电压不均衡情况1下电容C₁的电压、电流仿真波形；

图4c为实施例在电压不均衡情况1下电感L的电压、电流仿真波形；

图5a为实施例在电压不均衡情况1下电池电压的仿真波形；

图5b为实施例在电压不均衡情况2下电池电压的仿真波形；

图5c为实施例在电压不均衡情况3下电池电压的仿真波形。

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。

一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路，包括依次串联的1号电池B₁,2号电池B₂,…,n号电池B_n，其中n为大于等于5的奇数；还包括n-1个半桥型开关组、一个H型开关组、n-1个电容和一个电感L。

图1所示为基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路的电路结构图。

如图1所示，与i号电池B_i并联的第i个半桥型开关组，包括i1号MOS管S_i1和i2号MOS管S_i2。i1号MOS管S_i1和i2号MOS管S_i2串联后再和电池i号电池B_i并联；具体连接方式为：i1号MOS管S_i1的漏极与i号电池B_i的正极相连，i2号MOS管S_i2的源极与i号电池B_i的负极相连；i1号MOS管S_i1的源极与i2号MOS管S_i2的漏极相连；其中，i＝1,2,…,n-1。j号电容C_j的一端与j2号MOS管S_j2的漏极相连，另一端与i2号MOS管S₁₂的漏极相连；其中，j＝2,3,…,n-1。11号MOS管S₁₁、12号MOS管S₁₂、j1号MOS管S_j1、j2号MOS管S_j2和j号电容C_j构成1号电池B₁和j号电池B_j之间的一个开关电容均衡单元，实现1号电池B₁和j号电池B_j之间的直接能量传输。

H型开关组包括n1号MOS管S_n1、n2号MOS管S_n2、13号MOS管S₁₃和14号MOS管S₁₄。H型开关组的具体连接方式为：n1号MOS管S_n1的漏极与n号电池B_n的正极相连，n2号MOS管S_n2的漏极与n号电池B_n的负极相连，13号MOS管S₁₃的源极与1号电池B₁的正极相连，14号MOS管S₁₄的源极与1号电池B₁的负极相连；n1号MOS管S_n1的源极与13号MOS管S₁₃的漏极相连，n2号MOS管S_n2的源极与14号MOS管S₁₄的漏极相连。1号电容C₁的一端与13号MOS管S₁₃的漏极相连，另一端与14号MOS管S₁₄的漏极相连。n1号MOS管S_n1、n2号MOS管S_n2、13号MOS管S₁₃、14号MOS管S₁₄和1号电容C₁构成1号电池B₁和n号电池B_n之间的一个开关电容均衡单元，实现1号电池B₁和n号电池B_n之间的直接能量传输。只需要经过两个开关电容均衡单元，就可以在任意两个电池间传输能量，实现任意电池到任意电池间的能量传输，使得电池间均衡路径的长度不随电池数量的增加而增加，保证了电路的均衡速度。

电感L的一端与m号电池B_m的正极相连，另一端与H型开关组中13号MOS管S₁₃的漏极相连；其中，m等于(n+1)/2。n1号MOS管S_n1、13号MOS管S₁₃和电感L构成2～m号电池子模块(B₂-B_m)和m+1～n号电池子模块(B_m+1-B_n)之间的Buck-Boost均衡单元，实现2～m号电池子模块(B₂-B_m)和m+1～n号电池子模块(B_m+1-B_n)之间的能量传输。电池子模块间的Buck-Boost均衡单元可以提供额外的均衡路径，进一步提高电路的均衡速度。

上述电压均衡电路的控制方法为：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PWM信号V_GS2控制所述半桥型开关组，用另一对频率固定、占空比互补且带有死区时间的PWM信号V_GS3和PWM信号V_GS4控制所述H型开关组。

上述控制方法的一种实现方式为：PWM信号V_GS1和PWM信号V_GS3相同且PWM信号V_GS2和PWM信号V_GS4相同，PWM信号V_GS1控制半桥型开关组中的i1号MOS管S_i1，PWM信号V_GS2控制半桥型开关组中的i2号MOS管S_i2；PWM信号V_GS3控制H型开关组中的n1号MOS管S_n1和n2号MOS管S_n2，PWM信号V_GS4控制H型开关组中的13号MOS管S₁₃和14号MOS管S₁₄。

上述控制方法的另一种可选实现方式为：PWM信号V_GS1和PWM信号V_GS3相同且PWM信号V_GS2和PWM信号V_GS4相同，PWM信号V_GS1控制半桥型开关组中的i1号MOS管S_i1，PWM信号V_GS2控制半桥型开关组中的i2号MOS管S_i2；PWM信号V_GS3控制H型开关组中的13号MOS管S₁₃和14号MOS管S₁₄，PWM信号V_GS4控制H型开关组中的n1号MOS管S_n1和n2号MOS管S_n2。

在上述控制方法中，PWM信号的频率和占空比没有明确限制，可以根据需要设置，以满足不同的均衡速度需求。

实施例

以5电池的基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路为实施例，其电路结构图如图2所示。实施例中采用的控制方法为：PWM信号V_GS1和PWM信号V_GS3相同且PWM信号V_GS2和PWM信号V_GS4相同，PWM信号V_GS1控制半桥型开关组中的11号MOS管S₁₁、21号MOS管S₂₁、31号MOS管S₃₁、41号MOS管S₄₁，PWM信号V_GS2控制半桥型开关组中的12号MOS管S₁₂、22号MOS管S₂₂、32号MOS管S₃₂、42号MOS管S₄₂；PWM信号V_GS4控制H型开关组中的51号MOS管S₅₁和52号MOS管S₅₂，PWM信号V_GS3控制H型开关组中的13号MOS管S₁₃和14号MOS管S₁₄。此时，均衡电路有两个工作状态：工作状态I和工作状态Ⅱ，分别如图3a和3号电池B所示。当电池电压V_B5>V_B4>V_B3>V_B2>V_B1时，均衡电路的工作状态如下：

工作状态I：PWM信号V_GS1和PWM信号V_GS3为高电平，11号MOS管S₁₁、21号MOS管S₂₁、31号MOS管S₃₁、41号MOS管S₄₁、13号MOS管S₁₃和14号MOS管S₁₄导通。在该状态下，2号电池B₂、3号电池B₃、4号电池B₄给2号电容C₂、3号电容C₃、4号电容C₄充电，电容电压上升；1号电容C₁给电池1号电池B₁充电，电容电压下降；电感L给2～3号电池子模块(B₂-B₃)充电，电感电流下降。

工作状态Ⅱ：PWM信号V_GS2和PWM信号V_GS4为高电平，12号MOS管S₁₂、22号MOS管S₂₂、32号MOS管S₃₂、42号MOS管S₄₂、51号MOS管S₅₁和52号MOS管S₅₂导通。在该状态下，2号电容C₂、3号电容C₃和4号电容C₄给电池号电池B₁充电，电容电压下降；电池号电池B₅给1号电容C₁充电，电容电压上升；电4～5号池子模块(B₄-B₅)给电感L充电，电感电流上升。

图4a为实施例在电压不均衡情况1下4号电容C₄的电压、电流仿真波形；图4b为实施例在电压不均衡情况1下电容C₁的电压、电流仿真波形；图4c为实施例在电压不均衡情况1下电感L的电压、电流仿真波形；图5a、图5b、图5c分别为三种不同电压不均衡分布情况下的电池电压仿真波形。电路的仿真参数：电容为100μF，寄生电阻为50mΩ；电感为100μH，寄生电阻为100mΩ；用0.1F的电容代替电池；PWM信号的频率为10kHz。电压不均衡情况1：V_B1＝1.976V、V_B2＝2.079V、V_B3＝2.188V、V_B4＝2.299V、V_B5＝2.397V；电压不均衡情况2：V_B1＝1.975V、V_B2＝2.179V、V_B3＝2.197V、V_B4＝2.389V、V_B5＝2.397V；电压不均衡情况3：V_B1＝2.175V、V_B2＝1.980V、V_B3＝1.988V、V_B4＝2.399V、V_B5＝2.397V。

由图4a可知，当PWM信号V_GS1为高电平时，流过4号电容C₄的电流方向为正，能量从4号电池B₄向4号电容C₄传输，电容电压逐渐上升；当PWM信号V_GS2为高电平时，流过4号电容C₄的电流方向为负，能量从4号电容C₄向1号电池B₁传输，电容电压逐渐下降。

由图4b可知，当V_GS3为高电平时，流过电容C₁的电流方向为负，能量从1号电容C₁向1号电池B₁传输，电容电压逐渐下降；当PWM信号V_GS4为高电平时，流过1号电容C₁的电流方向为正，能量从5号电池B₅向1号电容C₁传输，电容电压逐渐上升。

由图4c可知，当PWM信号V_GS3为高电平时，能量从电感L向2～3号电池子模块(B₂-B₃)传输，电感电流逐渐下降；当PWM信号V_GS4为高电平时，能量从4～5号电池子模块(B₄-B₅)向电感L传输，电感电流逐渐上升。

由图5a、图5b和图5c可知，在三种电压不均衡分布下，基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路都可以实现电池间的电压均衡。在这三种电压不均衡分布下，电池间最大电压差下降到5mV的时间分别为0.31s、0.087s和0.05s。上述结果表明：当2～3号电池子模块(B₂-B₃)和4～5号电池子模块(B₄-B₅)间的电压差增加时，电路的均衡时间缩短，即电路的均衡速度变快。

综上，本实用新型所提出的基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路使用多个开关电容均衡单元，实现了任意电池到任意电池的能量传输，使得电池间均衡路径的长度不随电池数量的增加而增加，保证了电路的均衡速度。同时，本实用新型使用Buck-Boost单元作为电池子模块间的均衡单元，增加了电池子模块间的均衡路径，进一步提高了电路的均衡速度。

Claims (3)

1.一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路，其特征在于，包括依次串联的1号电池(B₁),2号电池(B₂),…,n号电池(B_n)，其中n为大于等于5的奇数；还包括n-1个半桥型开关组、一个H型开关组、n-1个电容和一个电感L；

与i号电池(B_i)并联的第i个半桥型开关组，包括i1号MOS管(S_i1)和i2号MOS管(S_i2)；i1号MOS管(S_i1)和i2号MOS管(S_i2)串联后再和电池i号电池(B_i)并联；

H型开关组包括n1号MOS管(S_n1)、n2号MOS管(S_n2)、13号MOS管(S₁₃)和14号MOS管(S₁₄)；

电感L的一端与m号电池(B_m)的正极相连，另一端与H型开关组中13号MOS管(S₁₃)的漏极相连；其中，m等于(n+1)/2。

2.根据权利要求1所述的一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路，其特征在于，第i个半桥型开关组的具体连接方式为：i1号MOS管(S_i1)的漏极与i号电池(B_i)的正极相连，i2号MOS管(S_i2)的源极与i号电池(B_i)的负极相连；i1号MOS管(S_i1)的源极与i2号MOS管(S_i2)的漏极相连；其中，i＝1,2,…,n-1；j号电容(C_j的一端与j2号MOS管(S_j2)的漏极相连，另一端与i2号MOS管(S₁₂)的漏极相连；其中，j＝2,3,…,n-1；11号MOS管(S₁₁)、12号MOS管(S₁₂)、j1号MOS管(S_j1)、j2号MOS管(S_j2)和j号电容(C_j)构成1号电池(B₁)和j号电池(B_j)之间的一个开关电容均衡单元，实现1号电池(B₁)和j号电池(B_j)之间的直接能量传输。

3.根据权利要求1所述的一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路，其特征在于，H型开关组的具体连接方式为：n1号MOS管(S_n1)的漏极与n号电池(B_n)的正极相连，n2号MOS管(S_n2)的漏极与n号电池(B_n)的负极相连，13号MOS管(S₁₃)的源极与1号电池(B₁)的正极相连，14号MOS管(S₁₄)的源极与1号电池(B₁)的负极相连；n1号MOS管(S_n1)的源极与13号MOS管(S₁₃)的漏极相连，n2号MOS管(S_n2)的源极与14号MOS管(S₁₄)的漏极相连；1号电容(C₁)的一端与13号MOS管(S₁₃)的漏极相连，另一端与14号MOS管(S₁₄)的漏极相连；n1号MOS管(S_n1)、n2号MOS管(S_n2)、13号MOS管(S₁₃)、14号MOS管(S₁₄)和1号电容(C₁)构成1号电池(B₁)和n号电池(B_n)之间的一个开关电容均衡单元，实现1号电池(B₁)和n号电池(B_n)之间的直接能量传输。

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