本發(fā)明涉及一種基于星型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡器及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

電動(dòng)汽車具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，是解決能源和環(huán)境危機(jī)的關(guān)鍵途徑，已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于能量密度高，自放電率低，無記憶效應(yīng)和單體電壓高等優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池被認(rèn)為是最具吸引力的可充電電池之一。但是，單個(gè)鋰離子電池單元的端電壓通常較低，只有2-4.2v。為了滿足負(fù)載電壓和功率的要求，需要將眾多鋰離子電池單體串、并聯(lián)成組使用。然而，由于制造工藝的限制，各個(gè)電池單體的內(nèi)阻、容量等存在微小差異，并隨著電池組老化而增大，這種差異會(huì)引起電池單體電壓的不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致某節(jié)電池單體的過充或過放，極大地減小了電池組的可用容量和循環(huán)壽命，甚至?xí)鸨?、起火等安全事故。因此，串?lián)電池組需要電池均衡器來平衡電池單體電壓，一方面，對(duì)于串聯(lián)電池組來說，電池均衡是必須的，提高了電池組的可用容量和循環(huán)壽命；另一方面，電池均衡也有益于降低電池組的成本，因?yàn)殡姵鼐馄鹘档土藢?duì)電池一致性的嚴(yán)格要求。

目前，電池均衡電路主要有耗散均衡和非耗散均衡兩大類。耗散均衡是通過給電池組中每個(gè)電池單體并聯(lián)一個(gè)電阻，將電壓高的電池單體進(jìn)行放電分流，從而實(shí)現(xiàn)電池單體電壓的均衡。耗散均衡具有成本低、體積小和控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是電池單體多余的能量是通過電阻放電消耗掉，存在效率低和熱管理等問題。

非耗散均衡采用電容、電感或變壓器等作為儲(chǔ)能元件，利用常見的電源變換電路作為拓?fù)浠A(chǔ)，采取分散或集中的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單向或雙向的均衡方案。根據(jù)能量流，非耗散均衡方法能夠分為以下四類：(1)電池單體對(duì)電池單體；(2)電池單體對(duì)電池組；(3)電池組對(duì)電池單體；(4)任意電池單體對(duì)任意電池單體。電池單體對(duì)電池單體均衡方法只能實(shí)現(xiàn)能量從一個(gè)電池單體到其相鄰電池單體傳遞，特別是當(dāng)電壓高和電壓低的電池單體分別處在電池組的兩端時(shí)，其均衡速度和均衡效率會(huì)極大降低。對(duì)于電池單體對(duì)電池組的均衡方法，能量能夠直接從電壓最高的電池單體傳遞到整個(gè)電池組。這種方法只適合于電池組中某一或若干節(jié)電池單體電壓高于其他節(jié)電池單體電壓，而其他節(jié)電池單體電壓處于平衡狀態(tài)的情況；不適合于某一或若干節(jié)電池單體電壓低于其他節(jié)電池單體電壓，而其他節(jié)電池單體電壓處于平衡狀態(tài)的情況。對(duì)于電池組對(duì)電池單體的均衡方法，能量能夠直接從整個(gè)電池組傳遞到電壓最低的電池單體，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的均衡電流，但是這種方法只適合于電池組中某一或若干節(jié)電池單體電壓低于其他節(jié)電池單體電壓，而其他節(jié)電池單體電壓處于平衡狀態(tài)的情況；不適合于某一或若干節(jié)電池單體電壓高于其他節(jié)電池單體電壓，而其他節(jié)電池單體電壓處于平衡狀態(tài)的情況。任意電池單體對(duì)任意電池單體的均衡方法能夠?qū)崿F(xiàn)能量從任意電池單體到任意電池單體的直接傳遞，具有較高的均衡效率和均衡速度。

中國發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01010572115.x)公開了一種利用均衡電阻對(duì)電池組中電池單體進(jìn)行均衡的電路，實(shí)質(zhì)上該電路是通過能量消耗的方式限制電池單體電壓過高，存在能量浪費(fèi)和熱管理等問題；中國發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01210595724.6)提出了一種電容式電池均衡電路，該電路每相鄰的兩節(jié)電池共用一個(gè)電容，經(jīng)過電容的充、放電循環(huán)，能量從電壓較高的電池單體轉(zhuǎn)移到電壓較低的電池單體，從而使得其電壓相等。但是當(dāng)串聯(lián)電池單體的數(shù)量較多，并且電壓最高和最低的電池單體間相鄰多個(gè)電池單體時(shí)，這種“擊鼓傳花”的均衡方式，使得均衡效率和速度會(huì)大大降低，不適用于電池單體串聯(lián)較多的大電池組中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于星型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡器及其實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中無法有效消除大電池組內(nèi)電池單體之間不一致性的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于星型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡器，包括與n節(jié)電池單體連接的微控制器、n-1開關(guān)電容和n個(gè)半橋電路，每個(gè)電池單體對(duì)應(yīng)連接有一個(gè)半橋電路，其中：

所述半橋電路由兩個(gè)串聯(lián)的mos管組成，上端mos管的漏極連接于一節(jié)電池單體的正極，下端mos管的源極連接于該電池單體的負(fù)極；

所述半橋電路連接微控制器，所述微控制器包括脈沖寬度調(diào)制pwm信號(hào)輸出端，以控制各半橋電路的mos管的導(dǎo)通與關(guān)斷；

n-1個(gè)半橋電路的中點(diǎn)分別通過一個(gè)開關(guān)電容連接在一起，形成星型結(jié)構(gòu)。

所述n-1個(gè)開關(guān)電容分別連接于所述n-1個(gè)半橋電路的中點(diǎn)，即兩個(gè)串聯(lián)mos管相連接的點(diǎn)，另一端連接于開關(guān)電容總線。

所述脈沖寬度調(diào)制pwm信號(hào)輸出端發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的高頻pwm信號(hào)，pwm+和pwm-，所述半橋電路的上端mos管由所述pwm+控制，下端mos管由所述pwm-控制。

所述的星型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的每個(gè)開關(guān)電容分支和總線都連接到半橋電路的中點(diǎn)?？偩€可以連接到任意半橋電路，顯示出所提出的均衡器的良好的靈活性和魯棒性。

應(yīng)用基于開關(guān)電容的電池均衡電路的實(shí)現(xiàn)方法，微控制器的脈沖寬度調(diào)制pwm信號(hào)輸出端發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的pwm信號(hào)控制n個(gè)半橋電路中上端和下端mos管交替導(dǎo)通，使得電壓大于平均值的電池單體給開關(guān)電容充電，同時(shí)開關(guān)電容給電壓小于平均值的電池單體充電，實(shí)現(xiàn)能量的實(shí)時(shí)與自動(dòng)均衡。

具體的，包括以下步驟：

(1)微控制器的脈沖寬度調(diào)制pwm信號(hào)輸出端發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的pwm信號(hào)控制n個(gè)半橋電路中上端和下端mos管交替導(dǎo)通，即工作狀態(tài)i和工作狀態(tài)ii；

(2)工作狀態(tài)i：當(dāng)n個(gè)半橋電路中上端mos管導(dǎo)通、下端mos管關(guān)閉時(shí)，開關(guān)電容與串聯(lián)電池組中上端的n-1節(jié)電池單體并聯(lián)，電壓大于平均值的電池單體給開關(guān)電容充電，同時(shí)開關(guān)電容給電壓小于平均值的電池單體充電；

(3)工作狀態(tài)ii：當(dāng)所述n個(gè)半橋電路中下端mos管導(dǎo)通、上端mos管關(guān)閉時(shí)，所述開關(guān)電容與串聯(lián)電池組中下端的n-1節(jié)電池單體并聯(lián)，電壓大于平均值的電池單體給開關(guān)電容充電，同時(shí)開關(guān)電容給電壓小于平均值的電池單體充電；

(4)經(jīng)過這兩個(gè)狀態(tài)的交替工作，實(shí)現(xiàn)了能量從任意電壓大于平均值的電池單體到任意電壓小于平均值的電池單體的實(shí)時(shí)、直接和自動(dòng)傳遞。

一種電池組，包括n節(jié)串聯(lián)的電池單體和上述均衡器。

一種電池組，使用上述均衡方法。

本發(fā)明的工作原理為：

微控制器發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的pwm信號(hào)控制所述半橋電路，使其交替工作在狀態(tài)i和狀態(tài)ii，從而實(shí)現(xiàn)了能量從任意電壓較高的電池單體到任意電壓較低的電池單體的同時(shí)、直接、自動(dòng)傳遞。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)電池組中任意電池單體到任意電池單體的自動(dòng)、直接、同時(shí)均衡；

(2)本發(fā)明與傳統(tǒng)的開關(guān)電容均衡方法相同，每個(gè)電池只需要兩個(gè)mosfet開關(guān)和一個(gè)電容器，且無需電壓檢測(cè)電路，確保減小電路體積，降低使用成本。

(3)由于開關(guān)電容以星形連接，任何單元都可以彼此相鄰，只需要一個(gè)開關(guān)周期將能量從源單元傳輸?shù)侥繕?biāo)單元，極大提高了均衡效率和均衡速度；

(4)通過連接星型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的總線，可以輕松實(shí)現(xiàn)全局均衡，從而減小規(guī)模，降低成本，減少能量損失；

(5)所提出的均衡器具有很強(qiáng)的魯棒性?？梢栽谌魏尾黄胶鈼l件下執(zhí)行精確的電壓均衡，而不需要電容器和mosfet的匹配。

(6)實(shí)現(xiàn)功率器件的低電壓應(yīng)力，高可靠性。

(7)與傳統(tǒng)的開關(guān)電容方法相比具有相同的控制方法。僅使用一對(duì)互補(bǔ)的pwm信號(hào)，即pwm+和pwm-來驅(qū)動(dòng)所有mosfet開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電壓均衡而不需要電池監(jiān)控，控制簡(jiǎn)單、可靠性高；

(8)該均衡電路適用于鋰離子、鎳氫、鉛酸等電池，無需改變電路中器件的參數(shù)。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1(a)-圖1(d)為本發(fā)明的基于開關(guān)電容的電池均衡電路的組成示意圖；

圖2(a)-圖2(c)為本發(fā)明的工作狀態(tài)i的原理圖；

圖3(a)-圖3(c)為本發(fā)明的工作狀態(tài)ii的原理圖；

圖4(a)相鄰電池單體間的能量傳遞；圖4(b)每相隔一個(gè)電池單體的能量傳遞；圖4(c)第一節(jié)電池單體到最后一節(jié)電池單體的能量傳遞。

圖5為本發(fā)明的均衡電流ic和電容電壓vc的實(shí)驗(yàn)波形圖；

圖6為本發(fā)明的均衡實(shí)驗(yàn)圖；

圖7(a)、圖7(b)為本發(fā)明的均衡電路模塊化圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在無法有效消除大電池組內(nèi)電池單體之間不一致性的不足，為了解決如上的技術(shù)問題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于星型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡器及其實(shí)現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的開關(guān)電容均衡器相比，可以獨(dú)立于電池?cái)?shù)量和電池電壓的初始不匹配而實(shí)現(xiàn)高均衡速度和高效率，且不會(huì)對(duì)電路的尺寸、成本、控制和可靠性產(chǎn)生重大影響；所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用最少的mosfet和電容來實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)電池單體之間最直接的均衡路徑，從而實(shí)現(xiàn)最佳的開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，極大提高了均衡效率和速度，有效改善了電池單體間的不一致性。所提出均衡器的固有優(yōu)點(diǎn)是體積小，成本低，控制簡(jiǎn)單，效率高，速度快，模塊化容易，可靠性高且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)的任意電池單體對(duì)任意電池單體的同時(shí)均衡。

作為本發(fā)明的一種典型實(shí)施例，以4節(jié)電池單體為例，并假設(shè)vb11>vb12>vb13>vb14。

如圖1(a)-圖1(c)星型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)由三個(gè)開關(guān)電容構(gòu)成。半橋電路由兩個(gè)串聯(lián)的mos管組成，分別是q11-q12,q13-q14,q15-q16,q17-q18。半橋電路的上端連接于電池單體的正極，下端連接于該電池單體的負(fù)極。三個(gè)開關(guān)電容(c11-c13)分別連接于半橋電路的中點(diǎn)?？刂菩盘?hào)pwm+通過驅(qū)動(dòng)電路連接于半橋電路中上端mos管的柵極，即q11,q13,q15,q17的柵極?？刂菩盘?hào)pwm-通過驅(qū)動(dòng)電路連接于半橋電路中下端mos管的柵極，即q12,q14,q16,q18的柵極。因此，本實(shí)例中，四個(gè)單元的方法就會(huì)有有四種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1(a)-(d)所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是等價(jià)的，具有相同的均衡性能。

所提出的均衡器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)具有兩個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖2(a)-圖2(c)和圖3(a)-圖3(c)所示給出了所提出的均衡器的工作狀態(tài)。

如圖2(a)-圖2(c)所示，為本發(fā)明的工作狀態(tài)i的原理圖。mos管q11,q13,q15,q17導(dǎo)通，q12,q14,q16,q18關(guān)斷，開關(guān)電容與上端電池單體(b11-b13)并聯(lián)。從圖中可以看出有6個(gè)充電均衡路徑(i1a,i2a,i3a,i4a,i5a,i6a)，實(shí)現(xiàn)了上端電池單體(b11-b13)對(duì)開關(guān)電容的同時(shí)充電。

如圖3(a)-圖3(c)所示，為本發(fā)明的工作狀態(tài)ii的原理圖。mos管q12,q14,q16,q18導(dǎo)通，q11,q13,q15,q17關(guān)斷，開關(guān)電容與下端電池單體(b12-b14)并聯(lián)。從圖3中可以看出有6個(gè)放電均衡路徑(i1b,i2b,i3b,i4b,i5b,i6b)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電容對(duì)下端電池單體(b12-b14)的同時(shí)充電。

如圖4(a)-圖4(c)所示，為均衡電路的所有均衡路徑。圖4(a)表明本發(fā)明均衡電路能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰電池單體間的能量傳遞；圖4(b)表明本發(fā)明均衡電路能夠?qū)崿F(xiàn)每相隔一個(gè)電池單體的直接能量傳遞；圖4(c)表明本發(fā)明均衡電路能夠?qū)崿F(xiàn)第一節(jié)電池單體到最后一節(jié)電池單體的直接能量傳遞。

基于以上分析，本發(fā)明均衡電路能夠?qū)崿F(xiàn)任意電池單體對(duì)任意電池單體的同時(shí)、直接、自動(dòng)均衡，具有較高的均衡效率和均衡速度。

圖5給出了本發(fā)明的均衡電流ic和電容電壓vc的實(shí)驗(yàn)波形圖。表明本發(fā)明均衡電路控制簡(jiǎn)單。

圖6給出了本發(fā)明的均衡電路模塊化8個(gè)電池的均衡實(shí)驗(yàn)圖。初始電池單體電壓分別為3.204v，3.158v，3.120v，3.069v，3.027v，2.977v，2.915v和2.638v，最大初始電壓差為566mv。在13000s后，所有的電池單體電壓同時(shí)收斂到3.020附近，其最大電壓差為14mv。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明均衡電路能夠獲得任意電池單體對(duì)任意電池單體的同時(shí)均衡，且均衡速度快，均衡效率高。

圖7給出了本發(fā)明的均衡電路模塊化圖?？梢钥闯?，只需再增加一個(gè)開關(guān)電容，即可獲得電池組之間的自動(dòng)均衡，而不需要其他的外層均衡電路，有效減小了均衡電路體積，降低了使用成本。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。