一种模块化均衡电路及其均衡方式的制作方法

本发明涉及电池领域，特别是涉及一种模块化均衡电路及其均衡方式。

背景技术：

随着空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏，新能源汽车，尤其是纯电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池组作为电动汽车的关键部件，对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。动力电池组在经过多个充放电循环后，各电池单体的剩余容量的分布大致将会出现高低不一的情况，若不加以均衡将容易出现过充和过放现象。如此一来，在实际使用中，将严重影响电池组使用寿命，甚至存在过热起火的安全隐患。

目前锂离子电池组均衡控制的方法，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类；耗散型即为在每节单体电池外并联分流电阻，通过控制相应的开关器件将剩余容量偏高的电池模块的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡过程中产生了大量的热，增加了电池热管理的负荷。非耗散型通过电池外部DC-DC电路实现能量的转移。按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，通过减小充电电流防止过充电；放电均衡是指在放电过程中的均衡，通过向剩余能量低的电池单体补充能量来防止过放电；动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，是指在整个充放电过程中对电池组进行的均衡。

现有技术中串联电池组均衡拓扑存在较高功率损耗，均衡器件多，均衡电路体积大成本高的问题。

技术实现要素：

针对现有技术缺点，提供一种模块化均衡电路，用于解决现有技术中串联电池组均衡拓扑存在较高功率损耗，均衡器件多，均衡电路体积大成本高的问题；可以实现开关在开通与关断瞬间，电流为零的均衡电路以及其均衡方式，能大大降低开关损耗，提高均衡效率，减少功率损耗，减少均衡器件。

一种模块化均衡电路，包括电池模块、均衡电路、控制器，控制器连接均衡电路，控制均衡电路对电池模块进行均衡；均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路；

底层均衡电路由N个底层均衡模块Qi(i＝1,2,3…N)串联组成，每个底层均衡模块Qi包括4个底层单刀双掷开关Si(i＝1,2,3,4)、3个底层LC串联电路、1个电池模块Mi，电池模块Mi由4个单体电池B1、B2、B3、B4串联组成；

底层均衡模块Qi包括4个电池B1、B2、B3、B4，4个串联的底层单刀双掷开关S1、S2、S3、S4，3个串联的底层LC串联电路C1-L1、C2-L2、C3-L3；其中每个单刀双掷开Si关包括三个端子Si_a、Si_b、Si_c(i＝1,2,3,4)；Si_a与Si_b分别为第一静态端子与第二静态端子，Si_c为选择端子；

Si_c根据控制信号，选择与Si_a或者Si_b接触；第一静态端子Si_a(i＝1,2,3,4)与电池Bi(i＝1,2,3,4)的正极相连，第二静态端子Si_b与电池Bi的负极相连；电容Ci一端连接选择端子Si_c，电容Ci另一端连接于电感Li；电感Li一端与Ci连接，电感Li另一端与电容C(i+1)、选择端子S(i+1)_c相连；

顶层均衡电路包括N个串联的顶层单刀双掷开关Smi(i＝1,2,3,…N)，(N-1)个串联的顶层LC串联电路，用于电池模块Mi之间的均衡，顶层LC串联电路采用串联连接，各个顶层LC串联电路设在顶层单刀双掷开关Smi之间；

顶层均衡电路包括N个串联的电池模块M1、M2、…、MN，N个串联的顶层单刀双掷开关Sm1、Sm2、…、SmN，(N-1)个串联的顶层LC串联电路Cm1-Lm1、…、Cm(N-1)-Lm(N-1)；其中每个顶层单刀双掷开关Smi包括三个端子Smi_a、Smi_b、Smi_c，其中i是大于等于1小于等于N的整数；Smi_a、Smi_b分别为第一静态端子与第二静态端子，Smi_c为选择端子；Smi_c根据控制信号选择与Smi_a或者Smi_b接触；Smi_a与电池模块Mi的正极相连，Smi_b与电池模块Mi的负极相连，电容Cmi一端与Smi_c相连，电容Cmi另一端与电感Lmi相连；电感Lmi一端与电容Cmi连接，电感Lmi另一端与电容Cm(i+1)、选择端子Sm(i+1)_c连接；Sm(i+1)_a与电池模块M(i+1)的正极相连，Sm(i+1)_b相连电池模块M(i+1)负极与Smi_a，电池模块M(i+1)负极连接电池模块Mi正极；

进一步，Smi_b连接底层均衡模块Qi的S1_b，Smi_a连接底层均衡模块Qi的S4_a；Sm(i+1)_b连接底层均衡模块Q(i+1)的S1_b，Sm(i+1)_a连接底层均衡模块Q(i+1)的S4_a；底层均衡模块Qi的S4_a连接底层均衡模块Q(i+1)的S1_b。

进一步地，底层LC串联电路与顶层LC串联电路都由电感L和电容C串联组成；底层均衡电路的N个电池模块Mi(i＝1,2,3…N)串联连接，用于电池模块Mi内部电池单体之间的均衡；

底层均衡电路的电池模块Mi(i＝1,2,3…N)有N个，每个电池模块Mi由4个单体电池B1、B2、B3、B4串联组成，作为被均衡的主体，N个电池模块Mi串联后接入底层均衡电路中，构成底层均衡模块Qi(i＝1,2,3…N)，底层均衡模块Qi(i＝1,2,3…N)串联后接入顶层均衡电路中。

进一步地，底层单刀双掷开关Si与顶层单刀双掷开关Smi都为两个串联MOSFET管组成，第一MOSFET管的源极S与第二MOSFET管的漏极D连接，每个MOSFET管内有一个反并联二极管，第一MOSFET管的漏极D为单刀双掷开关Si的第一静态端子Si_a(第一接触端子)，第二MOSFET管的源极S为单刀双掷开关Si的第二静态端子Si_b(第二接触单子)，两个MOSFET管的连接点为单刀双掷开关Si的选择端子Si_c；第一MOSFET管的栅极G、第二MOSFET管的栅极G分别连接控制器，控制器控制Si_c连接Si_a或Si_b；

顶层单刀双掷开关Smi与底层单刀双掷开关Si连接方式相同，顶层单刀双掷开关Smi具有第一静态端子Smi_a(第一接触端子)、第二静态端子Smi_b(第二接触单子)与选择端子Smi_c。

进一步地，底层均衡电路、顶层均衡电路均采用相同的基于LC串联电路(LC串联准谐振电路)的均衡电路；

LC串联电路(LC串联准谐振电路)由一个电容C与一个电感L串联组成，工作在准谐振状态下；均衡电路的开关频率fs应该根据均衡电路中的集总参数R、L、C确定，确保LC串联电路工作在准谐振状态，在每个开关时刻LC串联电路的电流降低为零，减小开关损耗，提高均衡效率，减少均衡时间；

单刀双掷开关的控制信号的占空比应该为50％，以保证电感电流在每个开关时刻都降低为零；控制器连接均衡电路中所有的单刀双掷开关，通过控制单刀双掷开关(开关器件)的通断，来控制能量的转移，实现电池模块Mi的均衡，控制器控制单刀双掷开关(开关器件)的通断频率fs由均衡电路中的集总参数R、L、C确定，确保LC串联电路工作在准谐振状态。

文中标记(i+1)为数字编号，(i+1)表示数值i加1；标记(N-1)为数字编号，(N-1)表示数值N减1。

一种模块化均衡电路的均衡方法，其方法如下：

底层均衡模块Qi的4个底层单刀双掷开关Si全被控制器控制掷高，即任意开关的Si_c与Si_a相连，3个底层LC串联电路Ci-Li被耦合到上位对应的电池B(i+1)相并联，各个底层LC串联电路Ci-Li和与之并联的电池B(i+1)进行能量交换，底层LC串联电路Ci-Li被充电，或放电给电池B(i+1)；

底层均衡模块Qi的4个底层单刀双掷开关Si全被控制器控制掷低，即任意开关的Si_c与Si_b相连，3个底层LC串联电路Ci-Li被耦合到与本位对应的电池Bi相并联，各个LC串联电路Ci-Li和与之并联的电池Bi进行能量交换，LC串联电路Ci-Li被充电，或放电给电池Bi；

反复将所有的开关掷高、掷低，且每次时间间隔相同，实现所有电池Bi电压趋于一致，电池模块Mi内部均衡的效果，底层均衡模块Qi实现电池模块Mi内部电池均衡；

当电池模块Mi之间出现电压不一致性时，在顶层均衡电路中，控制器控制N个顶层单刀双掷开关Smi(i＝1,2,3…N)反复掷高或掷低，且每次时间间隔相同，实现所有电池模块Mi电压趋于一致，具体工作方法与上述底层电池Bi之间的均衡方法相同，实现电池模块Mi之间电压均衡。

本发明的有益效果为：通过使用工作在准协调状态下的LC串联电路，对电池进行均衡，使得开关在切换时电路电流为0，解决现有技术中串联电池组均衡拓扑存在较高功率损耗的问题，减少均衡器件，降低了均衡电路体积和成本。

本发明实现了开关器件的零点流切换，降低了开关器件的开关损耗，且通过模块化均衡，增加了均衡路径，易于扩展。本发明改善串联电池组不均衡的现象，适用于电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。

附图说明

图1是传统电池组均衡电路结构示意图；

图2是本发明实施例的电路原理图；

图3是本发明实施例顶层均衡电路的原理图；

图4是本发明实施例底层均衡模块Qi的原理图；

图5是本发明实施例单刀双掷开关的原理图；

图6是本发明实施例均衡过程中底层均衡模块开关掷高的原理图；

图7是本发明实施例均衡过程中底层均衡模块开关掷低的原理图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步详细描述。

请参阅图1至图7，结合本发明一个具体实施例，在本实施例中，包括电池模块、均衡电路、控制器，控制器连接均衡电路，控制均衡电路对电池模块进行均衡；均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路。

底层均衡模块Qi包括4个底层单刀双掷开关Si(i＝1,2,3,4)、3个底层LC串联电路，用于电池模块Mi内部电池单体之间的均衡；顶层均衡电路包括N个顶层单刀双掷开关Smi(i＝1,2,3,…N)，(N-1)个顶层LC串联电路，用于电池模块Mi之间的均衡，LC串联电路相互串联，各个LC串联电路设在单刀双掷开关之间；具体实施过程中，中间均衡电路的设置与否主要是看实际需要，具体的是根据需要均衡的电池数量来确定，如果需要均衡电池的数量较少，可以不设置中间均衡电路。在具体实施中，才有的M＝4，M＝4是一个比较切合实际需要的数量，若M的值过小，则总的需要LC串联电路过多，M过大则单体电池数量大，均衡时间过长。

图1中介绍的传统电池组均衡电路，采用电容进行能量的传递，没有LC串联电路在准谐振状态下，开关电路电流为0的优点。

本发明中，控制器连接均衡电路中所有的开关，可通过控制开关器件的通断，来控制能量的转移，实现电池组的均衡，控制器控制开关的通断频率fs由均衡电路中的集总参数R、L、C确定，确保LC串联电路工作在准谐振状态。具体的，控制器发出PWM信号，当开关掷高后，半个PWM周期后控制开关掷低，在这一个PWM周期内完成开关器件的通断，实现LC串联电路工作在准谐振状态。

进一步，在一个实施例中，均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路组成，包括N个串联电池模块Mi，N个底层均衡模块Qi，1个顶层均衡电路，1个控制器。每个电池模块Mi包含4个单体电池。每个底层均衡模块Qi包括4个底层单刀双掷开关Si，3个底层LC串联电路。顶层均衡电路包括N个顶层单刀双掷开关Smi，(N-1)个顶层LC串联电路。每个LC串联电路工作在准谐振状态下，降低开关噪声和电磁干扰(EMI，Electro Magnetic Interference)。

本均衡电路实现了开关器件的零点流切换，降低了开关器件的开关损耗，且通过模块化均衡，增加了均衡路径，易于扩展。本发明改善串联电池组不均衡的现象，适用于电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。

均衡电路由底层均衡电路、顶层均衡电路组成，底层均衡电路由N个底层均衡模块Qi(i＝1,2,3…N)串联组成，N个底层均衡模块Qi负责电池模块Mi内部电池单体之间的均衡，1个顶层均衡电路负责电池模块Mi之间的均衡，当电池组电池(电池模块Mi)差异达到均衡电路工作要求时，各均衡电路开始工作。所有均衡电路中的开关器件均与控制器相连，控制器通过控制开关器件的通断，控制能量的转移，从而实现电池组的均衡。

底层均衡电路、顶层均衡电路均采用相同的基于LC串联电路(LC串联准谐振电路)的均衡电路。

底层均衡模块Qi包括4个电池B1、B2、B3、B4，4个底层单刀双掷开关S1、S2、S3、S4，3个底层LC串联电路C1-L1、C2-L2、C3-L3。其中每个底层单刀双掷开关Si包括三个端子Si_a、Si_b、Si_c(i＝1,2,3,4)。Si_a与Si_b为第一静态端子与第二静态端子，Si_c为选择端子。Si_c根据控制信号，选择与Si_a或者Si_b接触。Si_a与电池Bi的正极相连，Si_b与电池Bi的负极相连。电容Ci一端连接于Si_c，电容Ci另一端连接于电感Li；电感Li一端与Ci连接，电感Li另一端与C(i+1)、S(i+1)_c相连。

如图3所示，顶层均衡电路中包括N个电池模块M1、M2、…、MN，N个顶层单刀双掷开关Sm1、Sm2、…、SmN，(N-1)个顶层LC串联电路Cm1-Lm1、…、Cm(N-1)-Lm(N-1)。其中每个顶层单刀双掷开关Smi包括三个端子Smi_a，Smi_b，Smi_c，其中i是大于等于1小于等于N的整数。Smi_a，Smi_b，分别为第一静态端子与第二静态端子，Smi_c选择端子。Smi_c根据控制信号选择与Smi_a或者Smi_b接触。Smi_a与电池模块Mi的正极相连，Smi_b与电池模块Mi的负极相连。电容Cmi一端与Smi_c相连，另一端与电感Lmi相连。电感Lmi一端与电容Cmi连接，另一端与电容Cm(i+1)、Sm(i+1)_c连接。

文中标记(i+1)为数字编号，(i+1)表示数值i加1；标记(N-1)为数字编号，(N-1)表示数值N减1。

LC串联电路(LC串联准谐振电路)，由一个电容C与一个电感L串联组成，工作在准谐振状态下。均衡电路的开关频率fs应该根据均衡电路中的集总参数R、L、C确定，确保LC串联电路工作在准谐振状态，在每个开关时刻LC串联电路的电流降低为零，减小开关损耗，提高均衡效率，减少均衡时间。单刀双掷开关的控制信号的占空比应该为50％，以保证电感电流在每个开关时刻都降低为零。

串联电池模块Mi(电池组)中电池，可以是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池中任意一种。

在一个具体实施过程中，所述的单刀双掷开关，请参考图5：第i个单刀双掷开关Si，包括：第一MOSFET管和第二MOSFET管，以两个MOSFET管均为N沟道器件为例；第一MOSFET管的源极S与第二MOSFET管的漏极D相连，每个MOSFET管有一个反并联二极管。第一MOSFET管的漏极D为单刀双掷开关Si的第一接触端子Si_a，第二MOSFET管的源极S为Si的第二接触单子Si_b，两个MOSFET管的连接点为Si的选择端子Si_c。两个MOSFET管的栅极G分别连接控制器。

进一步，在一个具体实施过程中，如图4所示，每个底层均衡模块Qi包括：1个电池模块Mi，电池模块Mi(电池组)由串联的4个电池B1、B2、B3、B4组成，串联的4个底层单刀双掷开关S1、S2、S3、S4，串联的3个底层LC串联电路C1-L1、C2-L2、C3-L3，每个底层单刀双掷开关Si关包括三个端子Si_a、Si_b、Si_c(i＝1,2,3,4)；Si_a与Si_b分别为第一静态端子与第二静态端子，Si_c为选择端子；

底层均衡模块Qi的第一单元由电容C1与电感L1(C1-L1)串联组成，电容C1一端与底层单刀双掷开关S1的选择端子S1_c连接，电容C1另一端与电感L1相连；电感L1远离电容C1的另一端连接电容C2与底层单刀双掷开关S2的选择端子S2_c；底层单刀双掷开关S1的第二静态接触单子S1_b连接电池B1负极，底层单刀双掷开关S1的第一静态接触端子S1_a连接电池B1正极与底层单刀双掷开关S2的第二静态接触单子S2_b；

底层均衡模块Qi的第二单元由电容C2与电感L2(C2-L2)串联组成，电容C2一端与选择端子S2_c、电感L1连接，电容C2另一端与电感L2相连；电感L2远离电容C2的另一端连接选择端子S3_c与电容C3；底层单刀双掷开关S2的第二静态接触单子S2_b连接电池B2负极，底层单刀双掷开关S2的第一静态接触端子S2_a连接电池B2正极与底层单刀双掷开关S3的第二静态接触单子S3_b；

底层均衡模块Qi的第三单元由电容C3与电感L3(C3-L3)串联组成，电容C3一端与选择端子S3_c、电感L2连接，电容C3另一端与电感L3相连；电感L3远离电容C3的另一端连接选择端子S4_c；底层单刀双掷开关S4的第二静态接触单子S4_b连接电池B4负极，第一静态接触端子S4_a连接电池B4正极；第二静态接触单子S3_b连接电池B3负极，第一静态接触端子S3_a连接电池B3正极；

所有底层单刀双掷开关Si的选择端子Sic分别连接控制器。

控制器向单刀双掷开关Si发送控制信号，用于控制Si_c与Si_a或者Si_b的连接。其中两个MOSFET管的驱动信号为一对互补的单极性矩形波信号。

当MOSFET管选用不同沟道的器件时，也可以组成单刀双掷开关的效果，这里不再赘述。本发明研发中得到东莞市引进创新科研团队计划资助(项目编号：2014607119)，Supported by DongGuan Innovative Research team(NO.2014607119)。

下面介绍LC串联电路在均衡过程中的储能优势与原理。

LC串联电路(LC串联均衡电路)在工作的过程中呈现出准谐振的的特性。通过这种电路设计，流入或流出电容的电流，将在单刀双掷开关行开关状态切换的瞬间从零开始改变，从而有助于降低开关噪声和EMI，以提供电路的工作质量。另外，在具体实施过程中，所选用的电感106可以为常规的小体积电感，不会造成均衡电路体积过大。

下面介绍电路电压均衡过程。以第一电池模块M1与底层均衡模块Q1为例。

首先，请参考图6，当4个底层单刀双掷开关Si全被控制器进行控制掷高(即任意开关的Si_c与Si_a相连)时，3个底层LC串联电路Ci-Li被耦合到与上一位对应的电池B(i+1)相并联，具体的，底层LC串联电路C1-L1与电池B2并联，C2-L2与电池B3并联，C3-L3与电池B4并联，进而每个底层LC串联电路Ci-Li和与之并联的电池B(i+1)进行能量交换，底层LC串联电路Ci-Li或被充电，或放电给上一位电池B(i+1)。

然后，请参考图7，4个底层单刀双掷开关Si被控制器进行控制掷低(即任意开关的Si_c与Si_b相连)时，3个底层LC串联电路Ci-Li被耦合到与本位对应的电池Bi相并联，具体的，底层LC串联电路C1-L1与电池B1并联，C2-L2与电池B2并联，C3-L3与电池B3并联，进而每个LC串联电路Ci-Li和与之并联的电池Bi进行能量交换，LC串联电路Ci-Li或被充电，或放电给电池Bi。

反复将所有的开关掷高、掷低，且每次时间间隔相同。可实现，所有电池电压趋于一致，实现电池均衡的效果。

在所述两种工作状态交替切换的过程中，高电压电池的能量可以传递到低电压的电池上。例如，当电池B3的电压高于电池B1的电压时，在如图6所示的工作状态下，电荷将从电池组B2-B3流向电容C1和C2；进一步，均衡电路切换到如图7所示的工作状态下，等量的电荷从电容C1和C2释放到电池组B1-B2上。在电荷转移的整个过程中，流入、流出电池B2的电荷量是相同的，也就是说，电荷实际上是从电池B3直接转移到电池B1；同样的，当电池B1的电压高于电池B3的电压时，在图6和图7所示的两种工作状态交替进行时，电荷会通过电容C1和C2从电池B1转移到电池B3。这实际意味着两个电容C1和C2在电池B1和B3之间提供了一条可用于直接转移电荷的路径。同理，电容C1在电池B1与B2之间提供了一条直接电荷转移路径。电容C2在电池B2与B3之间提供了一条直接电荷转移路径。电容C4在电池B3与B4之间提供了一条直接电荷转移路径。等等。也就是说，在每两个电池之间都有一条直接转移电荷的路径。

当电池模块Mi之间出现电压不一致性时，其具体工作原理与方法与底层电池Bi之间的均衡方法相同，通过底层电池Bi之间的均衡方法已知。不在赘述。

串联电池组由N个电池模块Mi串联组成，每个电池模块Mi由4个单体电池串联组成。N个底层均衡模块Qi负责电池模块Mi内部电池单体之间的均衡，1个顶层均衡电路负责电池模块Mi之间的均衡，当电池模块Mi(电池组)电池差异达到均衡电路工作要求时，各均衡电路开始工作。所有均衡电路中的开关器件均与控制器(控制电路)相连，通过控制开关器件的通断，控制能量的转移，从而实现电池组的均衡。底层均衡电路、顶层均衡电路均采用相同的基于LC串联准谐振电路的均衡电路。

在具体实施过程中，由于本发明电路的特点，能够很容易得实现对均衡电路的拓展，可以通过增加底层均衡模块的数量，或者直接增加电池模块中单体电池的数量。也可以测量电池单体的电压，而后有针对的控制相应开关的通断，提升均衡效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。