一种电压主动均衡电路及蓄电系统的制作方法

本发明涉及蓄电系统技术领域，特别是涉及一种电压主动均衡电路。本发明还涉及一种蓄电系统。

背景技术：

电动汽车蓄电系统中包括n个蓄电单元，其中n为不小于2的整数，蓄电单元通常包括电池单体、电池组、超级电容或者超级电容组中的至少一种，并且n个蓄电单元的正极和负极首尾依次连接进行串联，也就是多个电池单体进行串联、多个超级电容单体进行串联、多个电池组进行串联或者多个超级电容组进行串联，其中，电池组或者超级电容组又是由多个单体串联组成。由于生产工艺的局限性，电池单体之间或者超级电容单体之间存在着个体差异，于是串联在一起进行充放电的蓄电单元之间存在电压不一致的问题，就会导致蓄电单元过充或者过放，并且过充和过放都会造成具体的电池单体或者超级电容单体的损坏，进而影响到蓄电单元的正常运行，严重时甚至会引起爆炸等安全事故。

为解决上述问题，电动汽车蓄电系统必须要利用外电路来确保蓄电单元之间电压的一致性，主要采用电压主动均衡电路将电压过高的单体中的能量转移到电压过低的单体中，确保了单体之间电压的一致性。

现有技术中的电压主动均衡电路主要是基于直流(DC/DC)变换器，基于直流变换器的主动均衡电路中，对于串联的多个蓄电单元而言，每两个蓄电单元就需要一个直流变换器，蓄电单元越多需要的直流变换器的数量就越多，并且每一个直流变换器都需要一个复杂的闭环控制系统和一个单体电压检测电路，然后通过各个闭环控制系统和各个单体电压检测电路的协调配合才能使各个蓄电单元的电压最终保持一致。可见，现有技术中的电压主动均衡电路结构比较复杂，使得在对电路进行控制时也比较复杂。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的电压主动均衡电路及蓄电系统成为本领域的技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电压主动均衡电路及蓄电系统，具有结构简单、灵活、易于控制的优点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电压主动均衡电路，应用于蓄电系统，所述蓄电系统包括n个蓄电单元，各个所述蓄电单元的正极和负极依次首尾连接进行串联，所述电路包括DC/DC变换器、第一电容、第一可控开关以及n个开关电容单元，所述n为不小于2的整数，其中：

所述DC/DC变换器的正输入端与第1个所述蓄电单元的正极连接，所述DC/DC变换器的负输入端与第n个所述蓄电单元的负极连接；所述第一电容的第一端均与所述DC/DC变换器的正输出端和各个所述开关电容单元的第一输入端连接，所述第一电容的第二端均与所述DC/DC变换器的负输出端和所述第一可控开关的第一端连接；所述第一可控开关的第二端与各个所述开关电容单元的第二输入端连接；所述第一可控开关的控制端接第一脉冲信号；各个所述开关电容单元的第一输出端分别与各个所述蓄电单元的正极一一对应连接，各个所述开关电容单元的第二输出端分别与各个所述蓄电单元的负极一一对应连接，各个所述开关电容单元的控制端接第二脉冲信号；

当所述第一可控开关导通时，各个所述开关电容单元的控制端关断，所述第一电容为各个所述开关电容单元充电，各个所述开关电容单元均不为与其一一对应的各个所述蓄电单元充电；当所述第一可控开关关断时，各个所述开关电容单元的控制端导通，各个所述开关电容单元为与其一一对应的各个所述蓄电单元充电。

优选的，所述开关电容单元包括第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第二可控开关，其中：

所述第二电容的第一端分别与所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极连接，所述第二电容的第二端分别与所述第三二极管的阳极和所述第二可控开关的第一端连接；所述第二二极管的阳极作为所述开关电容单元的第一输入端，所述第三二极管的阴极作为所述开关电容单元的第二输入端，所述第一二极管的阴极作为所述开关电容单元的第一输出端，所述第二可控开关的第二端作为所述开关电容单元的第二输出端；所述第二可控开关的控制端作为所述开关电容单元的控制端。

优选的，所述第一电容为滤波电容。

优选的，所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号互补。

优选的，所述DC/DC变换器为Flyback变换器，所述Flyback变换器包括耦合电感、第三可控开关以及第四二极管，其中：

所述耦合电感的原边线圈的第一端作为所述DC/DC变换器的正输入端，所述原边线圈的第二端与所述第三可控开关的第一端连接，所述第三可控开关的第二端作为所述DC/DC变换器的负输入端，所述第三可控开关的控制端与所述第一脉冲信号连接；所述耦合电感的副边线圈的第一端与所述第四二极管的阳极连接，所述副边线圈的第二端作为所述DC/DC变换器的负输出端，所述第四二极管的阴极作为所述DC/DC变换器的正输出端；所述原边线圈的第二端与所述副边线圈的第一端为同名端。

优选的，所述第一可控开关为第一NMOS，所述第一NMOS的源极作为所述第一可控开关的第一端，所述第一NMOS的漏极作为所述第一可控开关的第二端，所述第一NMOS的栅极作为所述第一可控开关的控制端；

所述第二可控开关为第二NMOS，所述第二NMOS的源极作为所述第二可控开关的第一端，所述第二NMOS的漏极作为所述第二可控开关的第二端，所述第二NMOS的栅极作为所述第二可控开关的控制端；

所述第三可控开关为第三NMOS，所述第三NMOS的漏极作为所述第三可控开关的第一端，所述第三NMOS的源极作为所述第三可控开关的第二端，所述第三NMOS的栅极作为第三可控开关的控制端。

优选的，所述第一可控开关为第一PMOS，所述第一PMOS的漏极作为所述第一可控开关的第一端，所述第一PMOS的源极作为所述第一可控开关的第二端，所述第一PMOS的栅极作为所述第一可控开关的控制端；

所述第二可控开关为第二PMOS，所述第二PMOS的漏极作为所述第二可控开关的第一端，所述第二PMOS的源极作为所述第二可控开关的第二端，所述第二PMOS的栅极作为所述第二可控开关的控制端；

所述第三可控开关为第三PMOS，所述第三PMOS的源极作为所述第三可控开关的第一端，所述第三PMOS的漏极作为所述第三可控开关的第二端，所述第三PMOS的栅极作为第三可控开关的控制端。

优选的，如上述所述的电压主动均衡电路，所述蓄电单元包括充电电池，所述充电电池为单一电池单体或者由多个单一电池单体串联而成的电池组。

优选的，如上述所述的电压主动均衡电路，所述蓄电单元包括超级电容，所述超级电容为单一超级电容单体或者由多个单一超级电容单体组成的超级电容组。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种蓄电系统，包括如如上述所述的电压主动均衡电路。

本发明提供了一种电压主动均衡电路及蓄电系统，该蓄电系统包括n个蓄电单元，各个蓄电单元的正极和负极依次首尾连接进行串联，该电路包括DC/DC变换器、第一电容、第一可控开关以及n个开关电容单元，所述n为不小于2的整数。

本发明中的DC/DC变换器的输出端与第一电容并联，以便对第一电容的电压进行控制；由第一脉冲信号和第二脉冲信号分别对第一可控开关的控制端与各个开关电容单元的控制端进行控制，使第一可控开关的控制端与各个开关电容单元的控制端互补导通，即当第一可控开关的控制端导通时，各个开关电容单元的控制端关断，此时第一电容同时为各个所述开关电容单元充电，使充电后的各个所述开关电容单元的电压一致；当第一可控开关的控制端关断时，各个开关电容单元的控制端导通，此时各个所述开关电容单元充电完成，并同时向与各个开关电容单元一一对应的各个蓄电单元进行充电，经过多个周期后最终使各个蓄电单元之间的电压等于第一电容的电压，即最终各个蓄电单元之间的电压保持一致。本发明所提供的电压主动均衡电路及蓄电系统具有结构简单、灵活、易于控制的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种电压主动均衡电路的结构示意图；

图2为本发明本发明所提供的另一种电压主动均衡电路的结构示意图；

图3为本发明所提供的电压主动均衡电路中的各个信号的波形示意图；

图4为图3中t₀～t₁阶段电压主动均衡电路的工作模态；

图5为图3中t₁～t₂阶段电压主动均衡电路的工作模态。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电压主动均衡电路及蓄电系统，具有结构简单、灵活、易于控制的优点。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明所提供的一种电压主动均衡电路的结构示意图。

该电压主动均衡电路，应用于蓄电系统，蓄电系统包括n个蓄电单元(B₁～B_n)，各个蓄电单元的正极和负极依次首尾连接进行串联，电路包括DC/DC变换器1、第一电容2、第一可控开关3以及n个开关电容单元4，n为不小于2的整数，其中：

DC/DC变换器1的正输入端与第1个蓄电单元B₁的正极连接，DC/DC变换器1的负输入端与第n个蓄电单元B_n的负极连接；第一电容2的第一端分别与DC/DC变换器1的正输出端和各个开关电容单元4的第一输入端连接，第一电容2的第二端分别与DC/DC变换器1的负输出端和第一可控开关3的第一输入端连接；第一可控开关3的第二端与各个开关电容单元4的第二输入端连接；第一可控开关3的控制端接第一脉冲信号；各个开关电容单元4的第一输出端分别与各个蓄电单元的正极一一对应连接，各个开关电容单元4的第二输出端分别与各个蓄电单元的负极一一对应连接，各个开关电容单元4的控制端接第二脉冲信号；

当第一可控开关3导通时，各个开关电容单元4的控制端关断，第一电容2为各个开关电容单元4充电，各个所述开关电容单元4均不为与其一一对应的各个所述蓄电单元充电；当第一可控开关3关断时，各个开关电容单元4的控制端导通，各个开关电容单元4为与其一一对应的各个蓄电单元充电。

需要说明的是，DC/DC变换器1的正输入端接第1个蓄电单元B₁的正极，其负输入端接第n个蓄电单元B_n的负极，即各个蓄电单元串联后为该DC/DC变换器1提供电能。通过DC/DC变换器1可以对与其输出端并联的第一电容2两端电压的大小进行调节、控制，其中，第一电容2两端电压的具体数值可以根据实际需要而定。

具体的，第一可控开关3的控制端接第一脉冲信号，第一脉冲信号用来控制第一可控开关3的导通与关断；各个开关电容单元4的控制端同时接第二脉冲信号，第二脉冲信号用来控制各个开关电容单元4的控制端导通与关断。当各个开关电容单元4的控制端导通时，各个开关电容单元4将对与其分别一一对应的各个蓄电单元进行充电，当各个开关电容单元4的控制端关断时，各个开关电容单元4不对与其分别一一对应的各个蓄电单元进行充电。第一可控开关3和各个开关电容单元4是互补导通的，即当第一脉冲信号控制第一可控开关3导通时，第二脉冲信号控制各个开关电容的控制端关断，此时第一电容2与各个开关电容单元4之间是通路，第一电容2同时为各个开关电容单元4充电；当第一脉冲信号控制第一可控开关3关断时，第二脉冲信号控制各个开关电容的控制端导通，此时第一电容2与各个开关电容单元4之间是断路，各个开关电容单元4将同时为与其一一对应的各个蓄电单元进行充电；当第一脉冲信号和第二脉冲信号进入下一个周期是，第一可控开关3和各个开关电容单元4的控制端将上述过程，使n个蓄电单元(B₁～B_n)的电压朝着第一电容2的电压变比，最终使各个蓄电单元的电压之间保持一致，实现了电压均衡。

本发明提供了一种电压主动均衡电路，包括n个蓄电单元，各个蓄电单元的正极和负极依次首尾连接进行串联，DC/DC变换器、第一电容、第一可控开关以及n个开关电容单元，n为不小于2的整数。

本发明中的DC/DC变换器的输出端与第一电容并联，以便对第一电容的电压进行控制；由第一脉冲信号和第二脉冲信号分别对第一可控开关的控制端与各个开关电容单元的控制端进行控制，使第一可控开关的控制端与各个开关电容单元的控制端互补导通，即当第一可控开关的控制端导通时，各个开关电容单元的控制端关断，此时第一电容同时为各个开关电容单元充电，使充电后的各个开关电容单元的电压一致；当第一可控开关的控制端关断时，各个开关电容单元的控制端导通，此时各个开关电容单元充电完成，并同时向与各个开关电容单元一一对应的各个蓄电单元进行充电，经过多个周期后最终使各个蓄电单元之间的电压等于第一电容的电压，即最终各个蓄电单元之间的电压保持一致。本发明所提供的电压主动均衡电路具有结构简单、灵活、易于控制的优点。

请参照图2，图2为本发明所提供的另一种电压主动均衡电路的结构示意图。在上述实施例的基础上：

作为优选的，开关电容单元4包括第二电容41、第一二极管42、第二二极管43、第三二极管44以及第二可控开关，其中：

第二电容41的第一端分别与第一二极管42的阳极和第二二极管43的阴极连接，第二电容41的第二端分别与第三二极管44的阳极和第二可控开关的第一端连接；第二二极管43的阳极作为开关电容单元4的第一输入端，第三二极管44的阴极作为开关电容单元4的第二输入端，第一二极管42的阴极作为开关电容单元4的第一输出端，第二可控开关的第二端作为开关电容单元4的第二输出端；第二可控开关的控制端作为开关电容单元4的控制端。

需要说明的是，本发明所提供的实施例中优选的各个蓄电单元均为单一电池单体，如图2中所示的B₁₁～B_n1。

具体的，当第一脉冲信号控制第一可控开关3导通时，第二脉冲信号控制各个开关电容单元4中的第二可控开关关断，此时各个开关电容单元4中的第一二极管42截止，第二二极管43和第三二极管44导通，第一电容2通过各个第二二极管43和各个第三二极管44向各个开关电容单元4中的各个第二电容41充电；当第一脉冲信号控制第一可控开关3关断时，第二脉冲信号控制各个开关电容单元4中的第二可控开关导通，此时各个开关电容单元4中的第一二极管42导通，第二二极管43和第三二极管44截止，各个开关电容单元4中的各个第二电容41向与各个开关电容单元4一一对应的各个单一电池单体(即蓄电单元)充电，并随着第一脉冲信号和第二脉冲信号的周期变化重复上述过程。

需要说明的是，本发明中对开关电容单元4的具体结构形式不做任何限定，能实现本发明的目的即可。

作为优选的，所述第一电容2为滤波电容。

作为优选的，第一脉冲信号与第二脉冲信号互补。

需要说明的是，本申请中优选的第一脉冲信号与第二脉冲信号互补，当然第一脉冲信号和第二脉冲信号也可以是相同的脉冲信号，相应的选择合适的第一可控开关3和各个第二可控开关，使第一脉冲信号和第二脉冲信号控制第一可控开关3与各个第二可控开关互补导通即可。

作为优选的，DC/DC变换器1为Flyback变换器，Flyback变换器包括耦合电感11、第三可控开关以及第四二极管13，其中：

耦合电感11的原边线圈的第一端作为DC/DC变换器1的正输入端，原边线圈的第二端与第三可控开关的第一端连接，第三可控开关的第二端作为DC/DC变换器1的负输入端，第三可控开关的控制端与第二脉冲信号连接；耦合电感11的副边线圈的第一端与第四二极管13的阳极连接，副边线圈的第二端作为DC/DC变换器1的负输出端，第四二极管13的阴极作为DC/DC变换器1的正输出端；所述原边线圈的第二端与所述副边线圈的第一端为同名端。

需要说明的是，本申请中的DC/DC变换器1采用的是Flyback变换器，当然还可以采用其他结构形式的DC/DC变换器1，例如Forward变换器或谐振变换器，本发明在此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

作为优选的，第一可控开关3为第一NMOS 31，第一NMOS 31的源极作为第一可控开关3的第一端，第一NMOS 31的漏极作为第一可控开关3的第二端，第一NMOS 31的栅极作为第一可控开关3的控制端；

则，第二可控开关为第二NMOS 45，第二NMOS 45的源极作为第二可控开关的第一端，第二NMOS 45的漏极作为第二可控开关的第二端，第二NMOS45的栅极作为第二可控开关的控制端；

则，第三可控开关为第三NMOS 12，第三NMOS 12的漏极作为第三可控开关的第一端，第三NMOS 12的源极作为第三可控开关的第二端，第三NMOS12的栅极作为第三可控开关的控制端。

具体的，本发明中所采用的Flyback变换器工作在电流连续模式，其中，第一可控开关3、第二可控开关和第三可控开关优选的均为NMOS，即分别为第一NMOS 31、第二NMOS 45和第三NMOS 12。请参照图3，图3为本发明所提供的电压主动均衡电路中的各个信号的波形示意图。

如图3中的t₀～t₁阶段，此时第一可控开关3和第三可控开关的控制信号(v_GT1和v_GT2)即第一脉冲信号控制，在t₀～t₁阶段第一脉冲信号为高电平，控制第一NMOS 31和第二NMOS 45均导通；此时，各个第二可控开关的控制信号(v_GS1～n)即第二脉冲信号，在t₀～t₁阶段第二脉冲信号为低电平，故n个开关电容单元4中的各个第二NMOS 45均关断。由于，耦合电感11的原边线圈的第二端与其副边线圈的第一端为同名端，且原边线圈的第二端接第n个单一电池单体(即第n个蓄电单元)的负极，故此时阳极与副边线圈的第一端连接的第四二极管13截止，各个开关电容单元4中的各个第一二极管42均截止，各个开关电容单元4中的各个第二二极管43和第三二极管44均导通，故在t₀～t₁阶段，Flyback变换器的耦合电感11的原边线圈被各个串联的蓄电单元充电，从而使其电流I_{L_P}线性上升，此时的第一电容2为各个开关电容单元4中的各个第二电容41进行充电，请参照图4，图4为图3中t₀～t₁阶段电压主动均衡电路的工作模态。需要说明的是，图4中的实线表示通路，虚线表示不通。

如图3中的t₁～t₂阶段，此时第一脉冲信号为低电平，控制第一NMOS 31和第二NMOS 45均关断；第二脉冲信号为高电平，故n个开关电容单元4中的各个第二NMOS 45均导通，第四二极管13和各个开关电容单元4中的各个第一二极管42均导通，各个开关电容单元4中的各个第二二极管43和第三二极管44均截止。此时，Flyback变换器的耦合电感11的副边绕阻通过第四二极管13向第一电容2充电，使其电流I_{L_S}线性下降，同时，各个开关电容单元4中的各个第二电容41分别向与各个开关电容单元4一一对应的蓄电单元充电，请参照图5，图5为图3中t₁～t₂阶段电压主动均衡电路的工作模态。需要说明的是，图5中的实线表示通路，虚线表示不通。

由上述可知，首先，n个开关电容单元4中的各个第二电容41均被第一电容2充电至同一电压值；然后，各个开关电容单元4中的各个第二电容41向与其一一对应的各个蓄电单元充电，使各个蓄电单元的电压值与相应的第二电容41具有相同的电压值；最后，电压主动均衡电路在如图4和图5所示的两种工作模态下交替进行，使各个蓄电单元的电压朝着第一电容2的电压变化，最终使各个蓄电单元的电压与第一电容2的电压一致，即各个蓄电单元之间的电压一致，实现电压均衡。

作为优选的，第一可控开关3为第一PMOS，第一PMOS的漏极作为第一可控开关3的第一端，第一PMOS的源极作为第一可控开关3的第二端，第一PMOS的栅极作为第一可控开关3的控制端；

则，第二可控开关为第二PMOS，第二PMOS的漏极作为第二可控开关的第一端，第二PMOS的源极作为第二可控开关的第二端，第二PMOS的栅极作为第二可控开关的控制端；

则，第三可控开关为第三PMOS，第三PMOS的源极作为第三可控开关的第一端，第三PMOS的漏极作为第三可控开关的第二端，第三PMOS的栅极作为第三可控开关的控制端。

需要说明的是，当第一脉冲信号和第二脉冲信号互补时，第一可控开关3、第二可控开关和第三可控开关除了可以为NMOS之外还可以为PMOS，当然第一可控开关3、第二可控开关和第三可控开关还可以选用其他类型的可控开关，例如三极管和IGBT，具体选用什么类型的可控开关可以根据实际情况而定，本发明在此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

作为优选的，如上述的电压主动均衡电路，蓄电单元包括充电电池，充电电池为单一电池单体或者由多个单一电池单体串联而成的电池组。

需要说明的是，本发明所提供的实施例中优选的各个蓄电单元均为单一电池单体，当然还可以为电池组，具体采用哪种形式的充电电池可以根据实际需要而定。

作为优选的，如上述的电压主动均衡电路，蓄电单元包括超级电容，超级电容为单一超级电容单体或者由多个单一超级电容单体组成的超级电容组。

需要说明的是，本发明中所提的电压主动均衡电路中的DC/DC变换器1的正输入端和负输入端还可以直接接直流电压源的正极和负极，即采用直流电压源向本发明中的DC/DC变换器1提供电能。

显而易见的，本发明所提供的电压主动均衡电路中的比较容易扩展，即n的取值灵活，n的具体数值可以根据实际需要而定，本发明字在此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

还需要说明的是，本发明提供的电压主动均衡电路中的开关数量较少，易于控制，并且在实际应用中对电压的均衡速度较快、效率高，还适用于高电压、大容量的蓄电系统。

在上述实施例的基础上，本发明提供了一种蓄电系统，该蓄电系统包括如上述的电压主动均衡电路。

本发明所提供的蓄电系统结构简单、灵活，在使用的过程中易于控制。需要说明的是，对于本发明提供的蓄电系统中的电压主动均衡电路的具体介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。