一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路及控制方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路及控制方法。均衡電路包括四個以上結(jié)構(gòu)相同的開關(guān)單元，每個開關(guān)單元配置一個電池；開關(guān)單元包括兩個MOS管，電池的正極連接到第一MOS管的漏極，第一MOS管的源極連接到第二MOS管的漏極，第二MOS管的源極連接到電池的負極；所有開關(guān)單元所配置的電池串聯(lián)；任意兩個開關(guān)單元的第一MOS管的源極之間均連接有一條均衡支路；每個開關(guān)單元的第一MOS管的源極還分別連接有一條均衡支路，這些均衡支路的另一端相互連接。本發(fā)明專利技術(shù)可實現(xiàn)電池組內(nèi)所有電池間的能量傳輸，快速地均衡電池電壓。在結(jié)構(gòu)上具有對稱性，均衡速度與電池電壓的不均衡分布無關(guān)，且均衡速度不隨電池數(shù)量的增加而變慢。

A voltage equalization circuit with complete equalization branch and its control method

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路及控制方法
本專利技術(shù)涉及鋰電池/超級電容電壓均衡
，尤其是一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路及控制方法。
技術(shù)介紹
鋰電池和超級電容常被作為儲能元件用于純電動汽車和新能源發(fā)電等場合。但是，因為單個鋰電池/超級電容(為了便于說明，下文將鋰電池和超級電容統(tǒng)稱為電池)的電壓通常很低，所以常需要將大量的電池單體串聯(lián)使用，以滿足負載的大電壓需求。由于生產(chǎn)制造的原因，各電池單體的內(nèi)阻、電壓、自放電率等參數(shù)有差異，這種差異會造成電池在充放電時產(chǎn)生電壓的不一致。電池間電壓的不一致會浪費電池組的可用容量，加速電池的老化、縮短電池的使用壽命。為了解決電池單體的不一致性問題，需要在電池組中加入均衡電路。現(xiàn)有的均衡電路主要包括能量耗散型和非能量耗散型。能量耗散型均衡電路是使用電阻等耗能元件將高壓電池中的能量消耗，以實現(xiàn)電池組中電池電壓的均衡。該方式成本低、體積小，但能量浪費嚴(yán)重。非耗散型均衡電路利用電容、電感等非耗能元件作為傳能媒介，實現(xiàn)能量從高壓電池到低壓電池的傳輸。其中，以電容為傳能媒介的均衡電路由于電路結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單而被廣泛研究。單電容均衡電路是其中結(jié)構(gòu)最簡單的，但該均衡電路只能同時實現(xiàn)兩個電池間的能量傳輸，均衡速度慢。傳統(tǒng)的開關(guān)電容均衡電路，包括單層開關(guān)電容均衡電路、雙層開關(guān)電容均衡電路以及鏈形開關(guān)均衡電路等，可以同時在多個電池間傳輸能量，但其均衡速度隨電池的電壓不均衡分布而變化，同時其均衡速度隨著電池數(shù)量的增多而下降。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路及控制方法。實現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)方案是：一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路，包括四個以上結(jié)構(gòu)相同的開關(guān)單元，每個開關(guān)單元配置一個電池；所述開關(guān)單元包括兩個MOS管，電池的正極連接到第一MOS管的漏極，第一MOS管的源極連接到第二MOS管的漏極，第二MOS管的源極連接到電池的負極；所有開關(guān)單元所配置的電池串聯(lián)；任意兩個開關(guān)單元的第一MOS管的源極之間均連接有一條均衡支路；每個開關(guān)單元的第一MOS管的源極還分別連接有一條均衡支路，這些均衡支路的另一端相互連接。進一步地，所述均衡支路為單電容支路。進一步地，所述均衡支路為電容與電感串聯(lián)支路。進一步地，所述任意兩個開關(guān)單元的第一MOS管的源極之間均連接有一條均衡支路，其均衡支路為單電容支路；所述每個開關(guān)單元的第一MOS管的源極還分別連接有一條均衡支路，這些均衡支路的另一端相互連接，其均衡支路為電容與電感串聯(lián)支路。進一步地，所述任意兩個開關(guān)單元的第一MOS管的源極之間均連接有一條均衡支路，其均衡支路為電容與電感串聯(lián)支路；所述每個開關(guān)單元的第一MOS管的源極還分別連接有一條均衡支路，這些均衡支路的另一端相互連接，其均衡支路為單電容支路。均衡支路為單電容支路的電路，其控制方法為：令VGS1控制每個開關(guān)單元的第一MOS管，VGS2控制每個開關(guān)單元的第二MOS管；所述VGS1和VGS2為一對頻率固定、占空比互補且?guī)в兴绤^(qū)時間的PWM信號。均衡支路包括電容與電感串聯(lián)支路，其控制方法為：令VGS1控制每個開關(guān)單元的第一MOS管，VGS2控制每個開關(guān)單元的第二MOS管；所述VGS1和VGS2為一對頻率固定、占空比互補且?guī)в兴绤^(qū)時間的PWM信號，其頻率為電容與電感串聯(lián)支路的諧振頻率。本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)為任意兩個電池提供了所有可能的直接和間接均衡路徑，即均衡路徑具有完備性。其中直接均衡路徑由單條均衡支路組成，間接均衡路徑由兩條均衡支路串聯(lián)組成。基于完備的均衡路徑，本專利技術(shù)可實現(xiàn)電池組內(nèi)所有電池間的能量傳輸，快速地均衡電池電壓。同時本專利技術(shù)在結(jié)構(gòu)上具有對稱性，每個電池具有相同數(shù)量的均衡路徑，且均衡路徑的數(shù)量隨著電池數(shù)量的增加而增加。因此本專利技術(shù)的均衡速度與電池電壓的不均衡分布無關(guān)，且均衡速度不隨電池數(shù)量的增加而變慢。附圖說明圖1為本專利技術(shù)均衡支路為單電容支路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖2為實施例1的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3a為實施例1的工作狀態(tài)I；圖3b為實施例1的工作狀態(tài)Ⅱ；圖4為實施例1在電壓不均衡情況1下電容C2,1的電壓、電流仿真波形；圖5a為實施例1在電壓不均衡情況1下電池電壓的仿真波形；圖5b為實施例1在電壓不均衡情況2下電池電壓的仿真波形；圖5c為實施例1在電壓不均衡情況3下電池電壓的仿真波形；圖6為實施例2的電路結(jié)構(gòu)圖；圖7為實施例2電容C2,1的電壓、電流仿真波形；圖8為實施例2電池電壓的仿真波形。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的具體實施方式作進一步詳細的描述。一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路，包括依次串聯(lián)的電池B1,B2,…,Bn，其中n為大于等于4的正整數(shù)；還包括n組MOS管和n(n+1)/2條均衡支路。依次串聯(lián)的電池B1,B2,…,Bn，可以為鋰電池(模塊)或超級電容(模塊)。均衡支路可以為單電容支路，也可以為電容與電感串聯(lián)支路，或者其它結(jié)構(gòu)的均衡支路。圖1所示為均衡支路為單電容支路的具有完備均衡支路的電壓均衡電路的電路結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，與電池Bi并聯(lián)的第i組MOS管，包括兩個MOS管Si1和Si2。第一個MOS管Si1和第二個MOS管Si2串聯(lián)后再和電池Bi并聯(lián)；具體連接方式為：第一個MOS管Si1的漏極與電池Bi的正極相連，第二個MOS管Si2的源極與電池Bi的負極相連；第一個MOS管Si1的源極與第二個MOS管Si2的漏極相連，其連接點為均衡支路連接點bi；每個電池Bi對應(yīng)一個均衡支路連接點bi；其中，i＝1,2,…,n。n(n+1)/2條單電容支路可以分為兩種類型：第一種：每條單電容支路連接任意兩個電池對應(yīng)的均衡支路連接點；共n(n-1)/2條。詳細的連接方式為：電容Cj,k(j＝2,3,…,n；k＝1,2,…,n-1；j>k)所構(gòu)成均衡支路的一端連接電池Bj對應(yīng)的均衡支路連接點bj，另一端連接電池Bk對應(yīng)的均衡支路連接點bk；該均衡支路為電池Bj和Bk間的單支路均衡路徑；第二種：每條單電容支路的一端連接一個電池對應(yīng)的均衡支路連接點，另一端連接輔助連接點b0；共n條；詳細的連接方式為：電容C0,i(i＝1,2,…,n)所構(gòu)成均衡支路的一端連接電池Bi對應(yīng)的均衡支路連接點bi，另一端連接到輔助連接點b0；其中，電容C0,j(j＝2,3,…,n)所構(gòu)成的均衡支路和電容C0,k(k＝1,2,…,n-1；j>k)所構(gòu)成的均衡支路相連，構(gòu)成電池Bj和Bk間包含兩條均衡支路的均衡路徑；每個電池對應(yīng)的均衡支路連接點都與n條均衡支路相連。均衡支路為電容與電感串聯(lián)支路的具有完備均衡支路的電壓均衡電路，其結(jié)構(gòu)與均衡支路為單電容支路的結(jié)構(gòu)相似，可以構(gòu)成多種電路。第一，上述結(jié)構(gòu)中所有單電容支路替換為電容與電感串聯(lián)支路；第二，上述第一種類型的單電容支路替換為電容與電感串聯(lián)支路，其它仍為單電容支路；第三，上述第二種類本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路，其特征在于，包括四個以上結(jié)構(gòu)相同的開關(guān)單元，每個開關(guān)單元配置一個電池；所述開關(guān)單元包括兩個MOS管，電池的正極連接到第一MOS管的漏極，第一MOS管的源極連接到第二MOS管的漏極，第二MOS管的源極連接到電池的負極；所有開關(guān)單元所配置的電池串聯(lián)；/n任意兩個開關(guān)單元的第一MOS管的源極之間均連接有一條均衡支路；/n每個開關(guān)單元的第一MOS管的源極還分別連接有一條均衡支路，這些均衡支路的另一端相互連接。/n

【技術(shù)特征摘要】
1.一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路，其特征在于，包括四個以上結(jié)構(gòu)相同的開關(guān)單元，每個開關(guān)單元配置一個電池；所述開關(guān)單元包括兩個MOS管，電池的正極連接到第一MOS管的漏極，第一MOS管的源極連接到第二MOS管的漏極，第二MOS管的源極連接到電池的負極；所有開關(guān)單元所配置的電池串聯(lián)；
任意兩個開關(guān)單元的第一MOS管的源極之間均連接有一條均衡支路；
每個開關(guān)單元的第一MOS管的源極還分別連接有一條均衡支路，這些均衡支路的另一端相互連接。


2.如權(quán)利要求1所述的一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路，其特征在于，所述均衡支路為單電容支路。


3.如權(quán)利要求1所述的一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路，其特征在于，所述均衡支路為電容與電感串聯(lián)支路。


4.如權(quán)利要求1所述的一種具有完備均衡支路的電壓均衡電路，其特征在于，所述任意兩個開關(guān)單元的第一MOS管的源極之間均連接有一條均衡支路，其均衡支路為單電容支路；所述每個開關(guān)單元的第一MOS管的源極還分別連接有一條均衡支路...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張小兵，周國華，冷敏瑞，田慶新，徐順剛，
申請(專利權(quán))人：西南交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51