一种电压主动均衡电路及蓄电系统的制作方法

本发明涉及电压均衡技术领域，特别是涉及一种电压主动均衡电路及蓄电系统。

背景技术：

基于电池或者超级电容等蓄电单体的储能装置已经广泛应用于电动汽车和新能源发电等领域中。由于单个蓄电单体所能提供的电压有限，如锂电池单体和超级电容单体的输出电压通常都低于5v，因此，通常将多个蓄电单体串联在一起来满足实际的高电压需求。但由于个体差异，串联在一起的蓄电池或者超级电容单体在充放电的过程中容易表现出电压不一致，并且随着使用次数的增多，这个电压差异会越来越明显。如果不采取措施解决这个问题，轻则影响蓄电单体的蓄电能力，重则导致蓄电单体损坏甚至引发爆照等安全事故。

为解决上述技术问题，现有技术中最为简单的解决方案是利用电阻给电压过高的电池或超级电容单体放电。但这种方案不仅造成了能量的浪费，也增加了蓄电系统的热管理负担。为了在确保蓄电单体电压一致性的同时实现能量的回收再利用，各种基于电力电子功率变换技术的电压主动均衡系统也相继被提出，比如利用buck-boost功率变化电路和开关电容功率电路，但基于buck-boost功率变换电路和开关电容功率电路的主动均衡系统中，这类系统用到的开关器件较多，结构复杂，成本高，且通常还需要配合复杂的控制算法。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

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，使用的开关器件少，结构简单，成本低，控制开关管导通和关断的算法也很简单；本发明的另一目的是提供一种包括上述电压主动均衡电路的蓄电系统。

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2n个依次串联的蓄电单元，n为正整数，该电路包括n个电感、2n个开关管及n-1个电容，其中，第一开关管、第三开关管直至第2n-1开关管同时导通或关断，第二开关管、第四开关管直至第2n开关管同时导通或关断，第2i-1开关管与第2i开关管互补导通，i为不大于n的正整数；

第i电感的第一端与第2i-1蓄电单元的正极连接，第i电感的第二端分别与第2i-1开关管的第二端及第2i开关管的第一端连接，所述第2i开关管的第二端与第2i蓄电单元的正极连接，第2i-1开关管的第一端与第2i-1蓄电单元的负极连接，第j-1电容的第一端与第2j-1开关管的第二端连接，第j-1电容的第二端与第2j-2开关管的第一端连接，j为不小于2不大于n的正整数。

优选地，该电路还包括：

n个电阻，其中，第i电阻与第i电感串联连接。

优选地，该电路还包括：

n-1个谐振电感器，其中，第j-1谐振电感器与第j-1电容串联连接。

优选地，所述开关管为nmos，其中，nmos的源极作为所述开关管的第一端，nmos的漏极作为所述开关管的第二端。

优选地，所述开关管为pmos，其中，pmos的漏极作为所述开关管的第一端，pmos的源极作为所述开关管的第二端。

优选地，所述蓄电单元为单一电池单体或者由多个单一电池单体串联构成的电池组或者单一超级电容单体或者由多个单一超级电容单体串联而成的超级电容组。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种蓄电系统，包括2n个依次串联的蓄电单元，n为正整数，还包括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，应用于蓄电系统，蓄电系统包括2n个依次串联的蓄电单元，n为正整数，该电路包括n个电感、2n个开关管及n-1个电容，其中，第一开关管、第三开关管直至第2n-1开关管同时导通或关断，第二开关管、第四开关管直至第2n开关管同时导通或关断，第2i-1开关管与第2i开关管互补导通，i为不大于n的正整数；第i电感的第一端与第2i-1蓄电单元的正极连接，第i电感的第二端分别与第2i-1开关管的第二端及第2i开关管的第一端连接，第2i开关管的第二端与第2i蓄电单元的正极连接，第2i-1开关管的第一端与第2i-1蓄电单元的负极连接，第j-1电容的第一端与第2j-1开关管的第二端连接，第j-1电容的第二端与第2j-2开关管的第一端连接，j为不小于2不大于n的正整数。

本发明利用电感及电容能够充放电的特性，通过控制开关管的导通和关断，实现将电压高的蓄电单元的能量转向电压低的蓄电单元，最终实现所有蓄电单元的能量均衡，也即实现所有蓄电单元的电压一致性，本发明使用的开关器件少，结构简单，成本低，控制开关管导通和关断的算法也很简单。

本发明提供的蓄电系统也具有如上有益效果。

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为本发明提供的一种具体地电压主动均衡电路的结构示意图；

图3为图2所示的电压主动均衡电路的一种工作模态示意图；

图4为图2所示的电压主动均衡电路的另一种工作模态示意图；

图5为图2所示的电压主动均衡电路的仿真测试波形图。

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，使用的开关器件少，结构简单，成本低，控制开关管导通和关断的算法也很简单；本发明的另一核心是提供一种包括上述电压主动均衡电路的蓄电系统。

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为本发明提供的一种电压主动均衡电路的结构示意图，该系统应用于蓄电系统，蓄电系统包括2n个依次串联的蓄电单元，n为正整数，该电路包括n个电感、2n个开关管及n-1个电容，其中，第一开关管s1、第三开关管s3直至第2n-1开关管同时导通或关断，第二开关管s2、第四开关管s4直至第2n开关管同时导通或关断，第2i-1开关管与第2i开关管互补导通，i为不大于n的正整数；

第i电感的第一端与第2i-1蓄电单元的正极连接，第i电感的第二端分别与第2i-1开关管的第二端及第2i开关管的第一端连接，第2i开关管的第二端与第2i蓄电单元的正极连接，第2i-1开关管的第一端与第2i-1蓄电单元的负极连接，第j-1电容的第一端与第2j-1开关管的第二端连接，第j-1电容的第二端与第2j-2开关管的第一端连接，j为不小于2不大于n的正整数。

首先需要说明的是，本申请所述的依次串联的蓄电单元指的是除去第一个蓄电单元与电源负极连接的一端和最后一个蓄电单元与电源正极连接的一端，任意相连两个蓄电单元中，一个蓄电单元的正极与另一个蓄电单元的负极连接。

本发明的工作原理为利用电感及电容能够充放电的特性，通过控制开关管的导通和关断，实现将电压高的蓄电单元的能量转向电压低的蓄电单元，最终实现所有蓄电单元的能量均衡。

另外，需要说明的是，第一开关管s1、第三开关管s3直至第2n-1开关管同时导通或关断，第二开关管s2、第四开关管s4直至第2n开关管同时导通或关断，第2i-1开关管与第2i开关管互补导通，这两组开关可以以固定频率或者可变频率、固定占空比或者可调占空比进行开关切换，具体根据实际情况来定。

作为一种优选地实施例，该电路还包括：

n个电阻，其中，第i电阻与第i电感串联连接。

可以理解的是，这里的电阻可以认为是电感的内阻，或者当电感的内阻非常小时额外串联的一个电阻，目的是为了限制电感的电流，提高电压主动均衡电路的安全性能。

为方便对本发明的理解，下面以n为2为例，对本发明提供的电压主动均衡电路的工作过程作介绍，请参照图2，图2为本发明提供的一种具体地电压主动均衡电路的结构示意图。此时，电源系统包括4个蓄电单元，电压主动均衡电路包括2个电感、4个开关管及1个电容。

具体地，请参照图3和图4，其中，图3为图2所示的电压主动均衡电路的一种工作模态示意图，图4为图2所示的电压主动均衡电路的另一种工作模态示意图。

这里假设4个蓄电单元的初始电压为依次从高到低，即v1>v2>v3>v4，其中，v1为第一个蓄电单元b1的电压，v2为第二个蓄电单元b2的电压，v3为第三个蓄电单元b3的电压，v4为第四个蓄电单元b4的电压。

关于图3：

当第一开关管s1和第三开关管s3导通而第二开关管s2和第四开关管s4关断时，第一个蓄电单元b1通过第一开关管s1给第一电感器l1充电；第三个蓄电单元b3通过第三开关管s3给第二电感器l2充电；第一个蓄电单元b1加第二个蓄电单元b2通过第一开关管s1和第三开关管s3给电容器c1充电。

关于图4：

当第一开关管s1和第三开关管s3关断而第二开关管s2和第四开关管s4导通时，第一电感器l1通过第二开关管s2向第二个蓄电单元b2放电；第二电感器l2通过第四开关管s4向第四个蓄电单元b4放电；电容器c1通过第二开关管s2和第四开关管s4向第三个蓄电单元b3加第四个蓄电单元b4放电。

随着图3和图4所示的电压主动均衡电路的两种工作状态的高频交替操作，可以发现：第一个蓄电单元b1给第一电感器l1充电使得第一个蓄电单元b1的电压v1逐渐下降，而第二个蓄电单元b2被第一电感器l1充电使得第二个蓄电单元b2的电压v2逐渐上升，最终两个电压v1和v2趋于一致；类似地：第三个蓄电单元b3给第二电感器l2充电使得第一个蓄电单元b3的电压v3逐渐下降，而第四个蓄电单元b4被第二电感器l2充电使得第四个蓄电单元b4的电压v4逐渐上升，最终两个电压v3和v4趋于一致；再有：第一个蓄电单元b1加第二个蓄电单元b2给电容器c1充电使得第一个蓄电单元b1和第二个蓄电单元b2的总电压v1+v2逐渐下降，而第三个蓄电单元b3加第四个蓄电单元b4被电容器c1充电使得第三个蓄电单元b3加第四个蓄电单元b4的总电压v3+v4逐渐上升，最终两个电压v1+v2和v3+v4趋于一致。

最终，当第一个蓄电单元b1的电压v1和第二个蓄电单元b2的电压v2均衡，当第三个蓄电单元b3的电压v3和第四个蓄电单元b4的电压v4均衡，且两个电压v1+v2和v3+v4趋于一致后，蓄电系统中四个蓄电单元的电压v1、v2、v3和v4全部实现均衡。

综上，4个蓄电单元中的第一个蓄电单元和第二个蓄电单元通过第一电感和4个开关管中第一开关管s1与第二开关管s2的互补导通实现电压主动均衡；4个蓄电单元中的第三个蓄电单元和第四个蓄电单元通过第二电感器和4个开关管中第三开关管s3与第四开关管s4的互补导通实现电压主动均衡；4个蓄电单元中的第一个蓄电单元加第二个蓄电单元和第三个蓄电单元加第四个蓄电单元通过电容和4个开关管中第一开关管s1和第三开关管s3与第二开关管s2和第四开关管s4的互补导通实现电压主动均衡。

另外，上述只是对n为2时的电压主动均衡电路的工作过程作介绍，但其原理对n为其他数值时的电压主动均衡电路同样适用，本发明在此不再赘述。

为了检验本申请一种电压主动均衡电路，下面针对图2所示的系统结构提供测试电路以测试其输配电特性。

请参照图5，图5为图2所示的电压主动均衡电路的仿真测试波形图，其采用的仿真测试参数如下：

4个10f的超级电容分别作为4个蓄电单元b1、b2、b3和b4，其初始电压v1、v2、v3和v4分别为2.7v、2.6v、2.5v和2.4v；

第一、第二电感l1＝l2＝50μh，及其内阻r1＝r2＝20mω；

电容c1＝50μf；

控制信号为频率50khz、占空比0.5的方波信号；

如图5所示，4个蓄电单元b1、b2、b3和b4的电压v1、v2、v3和v4随着电压主动均衡电路的运行逐渐均衡并最终实现四个电压的一致性。

作为一种优选地实施例，该电路还包括：

n-1个谐振电感器，其中，第j-1谐振电感器与第j-1电容串联连接。

具体地，这里的谐振电感器的作用为在电容进行充放电的过程中降低瞬间大电流对电容、电源及开关管等造成冲击，提高电压主动均衡电路的安全性能。

作为一种优选地实施例，开关管为nmos，其中，nmos的源极作为开关管的第一端，nmos的漏极作为开关管的第二端。

作为一种优选地实施例，开关管为pmos，其中，pmos的漏极作为开关管的第一端，pmos的源极作为开关管的第二端。

本申请对于开关管的具体类型不做特别的限定，根据实际情况来定。

作为一种优选地实施例，蓄电单元为单一电池单体或者由多个单一电池单体串联构成的电池组或者单一超级电容单体或者由多个单一超级电容单体串联而成的超级电容组。

本发明对于蓄电单元的构成不做特别的限定，根据实际情况来定。

本发明提供了一种电压主动均衡电路，应用于蓄电系统，蓄电系统包括2n个依次串联的蓄电单元，n为正整数，该电路包括n个电感、2n个开关管及n-1个电容，其中，第一开关管、第三开关管直至第2n-1开关管同时导通或关断，第二开关管、第四开关管直至第2n开关管同时导通或关断，第2i-1开关管与第2i开关管互补导通，i为不大于n的正整数；第i电感的第一端与第2i-1蓄电单元的正极连接，第i电感的第二端分别与第2i-1开关管的第二端及第2i开关管的第一端连接，第2i开关管的第二端与第2i蓄电单元的正极连接，第2i-1开关管的第一端与第2i-1蓄电单元的负极连接，第j-1电容的第一端与第2j-1开关管的第二端连接，第j-1电容的第二端与第2j-2开关管的第一端连接，j为不小于2不大于n的正整数。

本发明利用电感及电容能够充放电的特性，通过控制开关管的导通和关断，实现将电压高的蓄电单元的能量转向电压低的蓄电单元，最终实现所有蓄电单元的能量均衡，也即实现所有蓄电单元的电压一致性，本发明使用的开关器件少，结构简单，成本低，控制开关管导通和关断的算法也很简单。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种蓄电系统，包括2n个依次串联的蓄电单元，n为正整数，其特征在于，还包括上述的电压主动均衡电路。

对于本发明提供的蓄电系统中的电压主动均衡电路的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

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。