具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路及其控制方法

1.本发明涉及串联锂离子电池组或串联超级电容组的电压均衡技术领域，尤其是一种具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路及其控制方法。


背景技术：

2.串联锂离子电池组和串联超级电容组作为储能系统的重要组成部分，经常用于新能源电动汽车、新能源电动巴士和新能源发电等场合。因为锂离子电池或超级电容(为了便于说明，下文将锂离子电池和超级电容统称为电池)在生产制造时单体间存在差异，使得电池单体间的电压、容量和内阻等参数不一致。在串联电池组的使用过程中，电池间的参数差异会随着电池组的反复充放电逐渐加剧。而且，在串联电池组充放电时，电池间的参数差异会导致电池组内部的电池电压不一致。在电池电压不一致的情况下，为了保证电池组的安全工作，将无法对电池组进行完全的充放电，导致整个电池组可用容量的浪费。为了解决电池间电压不一致的问题，需要在串联电池组中加入电压均衡电路。
3.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主要包括电阻耗散型均衡电路和晶体管耗散型均衡电路。这种均衡电路使用电阻等耗能元件将高压电池中额外的能量以热能的形式消耗，实现电池组内的电池电压均衡。这种均衡电路具有成本低、体积小的优点，但是它也存在能量浪费严重、散热困难的问题。非耗散型均衡电路主要是利用电容、电感、变压器等非能元件作为中间能量传输元件，将能量从高压电池传输到低压电池，实现电池间的电压均衡。在这些非耗散型均衡电路中，以电容为中间能量传输元件的开关电容均衡电路具有电路结构简单、控制简单的优点。现有的开关电容均衡电路主要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。这些开关电容均衡电路通过在电池单体间传输能量来实现电池电压均衡。单层开关电容均衡电路可以实现相邻电池间的能量传输。双层开关电容均衡电路在实现相邻两个电池间的能量传输的基础上，还可以实现间隔一个电池的两个电池间的能量传输，提高了电路的均衡速度。然而，上述开关电容均衡电路的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。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供一种具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路及其控制方法。
5.实现本发明目的的技术方案是：
6.一种具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路，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-2个半桥型开关组、两个h型开关组和n+1个电容；
7.所述n-2个半桥型开关组中，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＝2,3,
…
,n-1；
8.所述两个h型开关组均包括四个mos管；其中，第一个h型开关组包括11号mos管、12号mos管、13号mos管和14号mos管，其具体连接方式为：11号mos管mos管的源极与1号电池的正极相连，12号mos管的源极与1号电池的负极相连，13号mos管的漏极与m号电池的正极相连，14号mos管的漏极与m号电池的负极相连；11号mos管的漏极与13号mos管的源极相连，12号mos管的漏极与14号mos管的源极相连；
9.第二个h型开关组包括n1号mos管、n2号mos管、n3号mos管和n4号mos管，其具体连接方式为：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，n3号mos管的源极与m号电池的正极相连，n4号mos管的源极与m号电池的负极相连；n1号mos管的源极与n3号mos管的漏极相连，n2号mos管的源极与n4号mos管的漏极相连；其中，m＝(n+1)/2；
10.所述n+1个电容中，j号电容的一端与j2号mos管2的漏极相连，另一端与m2号mos管的漏极相连；m1号mos管、m2号mos管、j1号mos管、j1号mos管和j号电容构成m号电池和j号电池之间的一个开关电容均衡单元，实现m2电池和j号电池之间的直接能量传输；其中，j＝2,3,
…
,m-1,m+1,
…
,n-1；
11.1号电容的一端与11号mos管1的漏极相连，另一端与12号mos管的漏极相连；11号mos管1、12号mos管、13号mos管、14号mos管和1号电容构成1号电池和m号电池之间的一个开关电容均衡单元，实现1号电池和m号电池之间的直接能量传输。n号电容的一端与n3号mos管的漏极相连，另一端与n4号mos管的漏极相连。n1号mos管、n2号mos管、n3号mos管、n4号mos管和n号电容构成n号电池和m号电池之间的一个开关电容均衡单元，实现n号电池和m号电池之间的直接能量传输；
12.s1号电容的一端与n3号mos管的漏极相连，另一端与13号mos管的源极相连。11号mos管、13号mos管、n1号mos管、n3号mos管和s1号电容构成2～m号电池子模块和m+1～n号电池子模块之间的一个开关电容均衡单元，实现2～m号电池子模块和m+1～n号电池子模块之间的能量传输。s2号电容的一端与n4号mos管的漏极相连，另一端与14号mos管的源极相连。12号mos管、14号mos管、n2号mos管、n4号mos管和s2号电容构成1～m-1号电池子模块和m～n-1号电池子模块之间的一个开关电容均衡单元，实现1～m-1号电池子模块和m～n-1号电池子模块之间的能量传输。
13.具有子模块均衡路径的开关电容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vg和pwm信号vg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vg和pwm信号v
gs4
控制所述h型开关组。
14.本发明提供了上述控制方法的一种实现方式：pwm信号vg和pwm信号vg相同且pwm信号vg和pwm信号v
gs4
相同，pwm信号vg控制半桥型开关组中的i1号mos管，pwm信号vg控制半桥型开关组中的i2号mos管；pwm信号vg控制h型开关组中的13号mos管、14号mos管、n1号mos管和n2号mos管，pwm信号v
gs4
控制h型开关组中的11号mos管、12号mos管、n3号mos管和n4号mos管。
15.本发明还提供了上述控制方法的另一种可选实现方式：pwm信号vg和pwm信号vg相同且pwm信号vg和pwm信号v
gs4
相同，pwm信号vg控制半桥型开关组中的i1号mos管1，pwm信号
vg控制半桥型开关组中的i2号mos管2；pwm信号vg控制h型开关组中的11号mos管、12号mos管、n3号mos管和n4号mos管，pwm信号v
gs4
控制h型开关组中的13号mos管、14号mos管、n1号mos管和n2号mos管。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、与现有的基于电阻的耗散型均衡技术相比，本发明使用电容作为中间能量传输元件，均衡过程能量效率高。
18.2、与基于电感的均衡技术相比，本发明中没有使用电感、变压器等磁性元件，降低了电路的体积、成本。
19.3、与现有的开关电容均衡技术相比，本发明提出了结合电池间均衡路径和电池子模块间均衡路径的均衡电路，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
20.图1为本发明的电路结构图；
21.图2为实施例的电路结构图；
22.图3a为实施例的工作状态i；
23.图3b为实施例的工作状态ⅱ；
24.图4a为实施例在电压不均衡情况1下2号电容c2的电压、电流仿真波形；
25.图4b为实施例在电压不均衡情况1下s1号电容c
s1
的电压、电流仿真波形；
26.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；
27.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。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
29.一种具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路，包括依次串联的1号电池b1,2号电池b2,
…
,n号电池bn，其中n为大于等于5的奇数；还包括n-2个半桥型开关组、两个h型开关组和n+1个电容；
30.图1所示为具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路的电路结构图。
31.如图1所示，与i号电池bi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i号电池bi并联；具体连接方式为：i1号mos管s
i1
的漏极与i号电池bi的正极相连，i2号mos管s
i2
的源极与i号电池bi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＝2,3,
…
,n-1。j号电容cj的一端与j2号mos管s
j2
的漏极相连，另一端与m2号mos管s
m2
的漏极相连；其中，j＝2,3,
…
,m-1,m+1,
…
,n-1，m＝(n+1)/2。m1号mos管s
m1
、m2号mos管s
m2
、j1号mos管s
j1
、j2号mos管s
j2
和j号电容cj构成m号电池bm和j号bj之间的一个开关电容均衡单元，实现m号电池bm和j号bj之间的直接能量传输。
32.两个h型开关组均包括四个mos管。其中，第一个h型开关组包括11号mos管s
11
、12号mos管s
12
、13号mos管s
13
和14号mos管s
14
，其具体连接方式为：11号mos管s
11
的源极与1号电池b1的正极相连，12号mos管s
12
的源极与1号电池b1的负极相连，13号mos管s
13
的漏极与m号电池bm的正极相连，14号mos管s
14
的漏极与m号电池bm的负极相连；11号mos管s
11
的漏极与13号
mos管s
13
的源极相连，12号mos管s
12
的漏极与14号mos管s
14
的源极相连。第二个h型开关组包括n1号mos管s
n1
、n2号mos管s
n2
、n3号mos管s
n3
和n4号mos管s
n4
，其具体连接方式为：n1号mos管s
n1
的漏极与n号电池bn的正极相连，n2号mos管s
n2
的漏极与n号电池bn的负极相连，n3号mos管s
n3
的源极与m号电池bm的正极相连，n4号mos管s
n4
的源极与m号电池bm的负极相连；n1号mos管s
n1
的源极与n3号mos管s
n3
的漏极相连，n2号mos管s
n2
的源极与m4号mos管s
m4
的漏极相连。
33.1号电容c1的一端与11号mos管s
11
的漏极相连，另一端与12号mos管s
12
的漏极相连。11号mos管s
11
、12号mos管s
12
、13号mos管s
13
、14号mos管s
14
和1号电容c1构成1号电池b1和m号电池bm之间的一个开关电容均衡单元，实现1号电池b1和m号电池bm之间的直接能量传输。n号电容cn的一端与n3号mos管s
n3
的漏极相连，另一端与n4号mos管s
n4
的漏极相连。n1号mos管s
n1
、n2号mos管s
n2
、n3号mos管s
n3
、n4号mos管s
n4
和n号电容cn构成n号电池bn和m号电池bm之间的一个开关电容均衡单元，实现n号电池bn和m号电池bm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。
34.s1号电容c
s1
的一端与n3号mos管s
n3
的漏极相连，另一端与13号mos管s
13
的源极相连。11号mos管s
11
、13号mos管s
13
、n1号mos管s
n1
、n3号mos管s
n3
和s1号电容c
s1
构成2～m号电池子模块(b
2-bm)和m+1～n号电池子模块(b
m+1-bn)之间的一个开关电容均衡单元，实现2～m号电池子模块(b
2-bm)和m+1～n号电池子模块(b
m+1-bn)之间的能量传输。s2号电容c
s2
的一端与n4号mos管s
n4
的漏极相连，另一端与14号mos管s
14
的源极相连。11号mos管s
12
、14号mos管s
14
、n2号mos管s
n2
、n4号mos管s
n4
和s2号电容c
s2
构成1～m-1号电池子模块(b
1-b
m-1
)和m～n-1电池子模块(b
m-b
n-1
)之间的一个开关电容均衡单元，实现1～m-1号电池子模块(b
1-b
m-1
)和m～n-1电池子模块(b
m-b
n-1
)之间的能量传输。电池子模块间的开关电容均衡单元形成了子模块均衡路径，提高了电路的均衡速度。
35.上述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。
36.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13号mos管s
13
、14号mos管s
14
、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11号mos管s
11
、12号mos管s
12
、n3号mos管s
n3
和n4号mos管s
n4
。
37.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11号mos管s
11
、12号mos管s
12
、n3号mos管s
n3
和n4号mos管s
n4
，pwm信号v
gs4
控制h型开关组中的13号mos管s
13
、14号mos管s
14
、n1号mos管s
n1
和n2号mos管s
n2
。
38.实施例
39.以5电池的具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路为实施例，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s
13
、14号mos管s
14
、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11号mos管s
11
、12号mos管s
12
、n3号mos管s
n3
和n4号mos管s
n4
。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3b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：
40.工作状态i：pwm信号v
gs1
和pwm信号v
gs3
为高电平，13号mos管s
13
、14号mos管s
14
、21号mos管s
21
、31号mos管s
31
、41号mos管s
41
、51号mos管s
51
和52号mos管s
52
导通。在该状态下，5号电池b5给5号电容c5充电，4号电池b4给电容4号c4充电，3号电池b3给1号电容c1、2号电容c2充电，电容电压上升；4～5号电池子模块(b
4-b5)给s1号电容c
s1
充电，3～4号电池子模块(b
3-b4)给s2号电容c
s2
充电，电容电压上升。
41.工作状态ⅱ：pwm信号v
gs2
和pwm信号v
gs4
为高电平，11号mos管s
11
、12号mos管s
12
、22号mos管s
22
、32号mos管s
32
、42号mos管s
42
、53号mos管s
53
和54号mos管s
54
导通。在该状态下，5号电容c5给3号电池b3充电，4号电容c4给3号电池b3充电，2号电容c2给2号电池b2充电，1号电容c1给1号电池b1充电，电容电压下降；s1号电容c
s1
给2～3号电池子模块(b
2-b3)充电，s2号电容c
s2
给1～2号电池子模块(b
1-b2)充电，电容电压下降。
42.图4a为实施例在电压不均衡情况1下2号电容c2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s1号电容c
s1
的电压、电流仿真波形；图5a和图5b分别为两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；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
＝2.2v、v
b2
＝2.1v、v
b3
＝2.29v、v
b4
＝1.989v、v
b5
＝2.393v；电压不均衡情况2：v
b1
＝2.199v、v
b2
＝2.103v、v
b3
＝1.999v、v
b4
＝2.384v、v
b5
＝2.289v。
43.由图4a可知，当v
gs1
为高电平时，流过2号电容c2的电流方向为正，能量从3号电池b3向2号电容c2传输，电容电压逐渐上升；当pwm信号v
gs2
为高电平时，流过2号电容c2的电流方向为负，能量从2号电容c2向2号电池b2传输，电容电压逐渐下降。
44.由图4b可知，当pwm信号v
gs3
为高电平时，流过s1号电容c
s1
的电流方向为正，能量从4～5号电池子模块(b
4-b5)向s1号电容c
s1
传输，电容电压逐渐上升；当pwm信号v
gs4
为高电平时，流过s1号电容c
s1
的电流方向为负，能量从s1号电容c
s1
向2～3号电池子模块(b
2-b3)传输，电容电压逐渐下降。
45.由图5a和图5b可知，在两种电压不均衡分布下，具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路都可以实现电池间的电压均衡。在这两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0.39s和0.23s。上述结果表明：当电池间的最大电压差相近时，电路的均衡时间随着电池子模块间电压差的增加而缩短，即电路的均衡速度随之变快。
46.综上，本发明所提出的具有子模块均衡路径的开关电容均衡电路使用了多个电池间的开关电容均衡单元，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，本发明使用开关电容均衡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，提高了电路的均衡速度。