一种高效二阶均衡电路结构的制作方法

本发明属于电子电路技术领域，具体为一种高效二阶均衡电路结构，如电动汽车蓄电池组中采用的二阶均衡电路结构。

背景技术：

随着传统化石能源的日益枯竭和使用化石能源造成的污染问题不断加重，各国逐渐重视电能的发展与使用。而蓄电池作为目前主要的电能存储工具，在新能源及电动汽车等领域已获得越来越广泛的应用，但蓄电池单体电压低、容量小，应用范围较窄。为了满足高压大容量的应用要求，一般将蓄电池单体串并联使用。但由于蓄电池单体自身制作工艺等原因，不同单体之间诸如电解液密度、电极等效电阻等都存在着差异，这些差异都可能会导致在使用过程中电池单元充电与放电速率的不同，使得电池组在经过多个充放电循环后，各单体电池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，进而导致电池的实际容量与标定容量出现差别。日积月累，可能会明显地减低整个电池组的表现。长时间的不均衡会导致整个蓄电池组寿命缩短，严重影响整个系统的正常工作，甚至存在过热起火的安全隐患。因此采用电路均衡技术可显著提高蓄电池整体性能，也对维护整个电池组安全运转具有重要意义。

电池均衡的主要思路是利用电力电子变换器对电池的能量进行转移或消耗，从而达到均衡的目的，所以根据对电池能量处理方式的不同，均衡电路可以分为被动均衡和主动均衡。被动均衡一般将能量较高电池单体通过控制开关利用旁路电阻消耗能量，虽然拓扑结构简单且易实现，但能量效率极低，研究价值不高。主动均衡主要是利用储能元件对电池的能量进行转移，以期达到电池组能量状态的一致，效率高。目前基于电感的buck-boost主动均衡电路拓扑较为经典，应用也较多，对数目小的串联电池组容易实现，均衡精度高、速度快，但不适用于数目较大，能量需要大范围转移的串联电池组。为了解决这一情况，发明设计了一种高效二阶均衡电路结构，使能量需要大范围转移情况下的均衡时间有效减少，且相对于相同效率的均衡电路结构所用的电感、mosfet等元器件数量较少，从而提高能量转移效率，降低了成本。适用于数目较大，能量需要大范围转移的串联电池组，如电动汽车的蓄电池组等。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种高效二阶均衡电路结构，使能量需要大范围转移情况下的均衡时间有效减少，且相对于相同效率的均衡电路结构所用的电感、mosfet等元器件数量较少，从而提高能量转移效率，适用于数目较大，能量需要大范围转移的串联电池组，如电动汽车的蓄电池组等。

为实现上述发明目的，设计了一种高效二阶均衡电路结构。一种高效二阶均衡电路结构，所述二阶均衡电路结构组成包括：三个电路结构完全相同的一阶均衡电路结构(m1,m2,m3)、第一电感(lm1)、第二电感(lm2)、四个mosfet开关(qm1,qm2,qm3,qm4)与四个反并联二极管(dm1,dm2,dm3,dm4)；其中，三个一阶均衡电路结构(m1,m2,m3)分别为第一一阶均衡电路结构(m1)、第二一阶均衡电路结构(m2)、第三一阶均衡电路结构(m3)；四个mosfet开关分别为：mosfet开关a(qm1)、mosfet开关b(qm2)、mosfet开关c(qm3)和mosfet开关d(qm4)；四个反并联二极管(dm1,dm2,dm3,dm4)分别为：反并联二极管a(dm1)、反并联二极管b(dm2)、反并联二极管c(dm3)和反并联二极管d(dm4)；上述每个一阶均衡电路(m1,m2,m3)均包括：三个电池单体(c1，c2，c3)、第三电感(l1)、第四电感(l2)、四个mosfet开关(q1,q2,q3,q4)、四个反并联二极管(d1,d2,d3,d4)；三个电池单体(c1，c2，c3)分别为：第一电池单体(c1)、第二电池单体(c2)和第三电池单体(c3)；一阶均衡电路(m1,m2,m3)中的四个mosfet开关分别为：第一mosfet开关(q1)、第二mosfet开关(q2)、第三mosfet开关(q3)和第四mosfet开关(q4)；一阶均衡电路(m1,m2,m3)中的四个反并联二极管(d1,d2,d3,d4)分别为：第一反并联二极管(d1)、第二反并联二极管(d2)、第三反并联二极管(d3)和第四反并联二极管(d4)；上述每个一阶均衡电路(m1,m2,m3)的具体电路连接方式为：三个电池单体(c1，c2，c3)串联，四个mosfet开关(q1,q2,q3,q4)分别与四个反并联二极管(d1,d2,d3,d4)并联，每个反并联二极管(d1,d2,d3,d4)的正极与每个相应mosfet开关(q1,q2,q3,q4)的源极连接，其负极与每个相应mosfet开关(q1,q2,q3,q4)的漏极连接；第三电感(l1)一端连接在第一电池单体(c1)的负极，也即第二电池单体(c2)的正极，另一端连接在第一mosfet开关(q1)的源极、也即第二mosfet开关(q2)的漏极；第四电感(l2)一端连接在第二单体电池(c2)的负极，也即第三电池单体(c3)的正极，另一端连接在第三mosfet开关(q3)的源极、也即第四mosfet开关(q4)的漏极；而第一mosfet开关(q1)的漏极连接在第一单体电池(c1)的正极，源极连接在第二mosfet开关(q2)的漏极，第二mosfet开关(q2)的源极连接在第三单体电池(c3)的负极；第三mosfet开关(q3)的漏极连接在第一单体电池(c1)的正极，源极连接在第四mosfet开关(q4)的漏极，第四mosfet开关(q4)的源极连接在第三单体电池(c3)的负极；

其中，第一一阶均衡电路结构(m1)中相互串联的第一电池单体(c1)、第二电池单体(c2)和第三电池单体(c3)构成第一电池组；第二一阶均衡电路结构(m2)中相互串联的第一电池单体(c4)、第二电池单体(c5)和第三电池单体(c6)构成第二电池组；第三一阶均衡电路结构(m3)中相互串联的第一电池单体(c7)、第二电池单体(c8)和第三电池单体(c9)构成第三电池组；

上述二阶均衡电路结构的具体电路连接方式为：三个一阶均衡电路结构(m1,m2,m3)串联，四个所述mosfet开关(qm1,qm2,qm3,qm4)分别与四个反并联二极管(dm1,dm2,dm3,dm4)并联，每个反并联二极管(dmi,i＝1,2,3,4)的正极与相应mosfet开关(qmi,i＝1,2,3,4)的源极连接，负极与相应mosfet开关(qmi,i＝1,2,3,4)的漏极连接；第一电感(lm1)一端连接在第一一阶均衡电路(m1)中的第三电池单体(c3)的负极，也即第二一阶均衡电路(m2)中的第一电池单体(c4)的正极，另一端连接在mosfet开关a(qm1)的源极、也即mosfet开关b(qm2)的漏极；第二电感(lm2)一端连接在第二一阶均衡电路(m2)中的第三电池单体(c6)的负极，也即第三一阶均衡电路(m3)中的第一电池单体(c7)的正极，另一端连接在mosfet开关c(qm3)的源极、也即mosfet开关d(qm4)的漏极；mosfet开关a(qm1)的漏极连接在第一一阶均衡电路(m1)中的第一电池单体(c1)的正极，源极连接在mosfet开关b(qm2)的漏极，mosfet开关b(qm2)的源极连接第二一阶均衡电路(m2)中的第三单体电池(c6)的负极；mosfet开关c(qm3)的漏极连接在第二一阶均衡电路(m2)中的第一单体电池(c4)的正极，源极连接在mosfet开关d(qm4)的漏极；mosfet开关d(qm4)的源极连接在第三一阶均衡电路(m3)中的第三单体电池(c9)的负极。

优选的，所述mosfet开关均为n沟道mosfet，分别包括源极、漏极、栅极。

优选的，所述的单体电池(ci，i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9)是二次电池。

优选的，所述的单体电池(ci，i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9)包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。

优选的，所述电感均为储能电感，其储能电感值由mosfet管的开关频率、电池单体电压、电池组模块电压以及期望的均衡电路的均衡时间决定。

本发明还公开了一种采用上述高效二阶均衡电路结构的电路均衡工作方式，二阶均衡电路作为外阶均衡电路，一阶均衡电路作为内阶均衡电路，外阶均衡电路与内阶均衡电路具有不同的动作方式：对于内阶均衡电路，首先导通第一mosfet开关(q1)，第一电池单体(c1)、第三电感(l1)与第一mosfet开关(q1)形成闭合回路，此时第一电池单体(c1)作为电源放电，第三电感(l1)作为储能电感，电流从零开始增大，第一电池单体(c1)的电量大小和第一mosfet开关(q1)的导通时间决定了电流变化量的大小，电能转化为磁能存储于第三电感(l1)；关断第一mosfet开关(q1)时，由于第三电感(l1)中存储的能量需要释放，第三电感(l1)、第二电池单体(c2)、第三电池单体(c3)、第二反并联二极管(d2)形成闭合回路，能量由第三电感(l1)转移给第二电池单体(c2)、第三电池单体(c3)，对其充电，电流逐渐减小至零，之后依次打开和关闭第二mosfet开关(q2)，第三mosfet开关(q3)和第四mosfet开关(q4)，电路动作方式原理与上述相同，完成一次循环；之后重复这一循环动作，直到第一-第三这三个电池单体(c1，c2，c3)电量相等，从而实现电池单体之间的能量转移；

对于外阶均衡电路，判断相邻两一阶均衡电路电量的大小，当第一电池组(c1，c2，c3)的电量较大时，导通mosfet开关a(qm1)，使第一电池组(c1，c2，c3)沿回路放电，第一电感(lm1)作为储能电感，将电能转化为磁能存储于第一电感(lm1)，然后闭合mosfet开关a(qm1)，使存储在第一电感(lm1)中的能量转化为电能，并对第二电池组(c4，c5，c6)充电，重复以上动作逐渐使得第一电池组(c1，c2，c3)与第二电池组(c4，c5，c6)达到均衡；若第二电池组(c4，c5，c6)的电量较大，则通过闭合与断开mosfet开关b(qm2)进行均衡；第二电池组(c4，c5，c6)与第三电池组(c7，c8，c9)动作方式与上述动作方式原理相同，实现电池组之间的能量转移。

优选的，所述二阶均衡电路采用电感储能均衡拓扑，工作原理为判断相邻两个电池单体或相邻电池组的电量的大小来实现电路均衡。

本发明的有益效果：

与现有的均衡电路相比，本发明所提出的二阶均衡电路结构高效且简单可靠，可以使能量需要大范围转移情况下的均衡时间有效减少，且相对于相同效率的均衡电路结构所用的电感、mosfet等元器件数量较少，有效提高电路的工作效率且降低了成本，可适用于数目较大，能量需要大范围转移的串联电池组，如电动汽车蓄电池组等，在现实应用中有着积极的意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种二阶均衡电路整体电路结构图；

图2为本发明提供的一阶均衡模块电路结构图；

图3为本发明提供的内阶均衡电路的第一mosfet开关q1动作时的工作原理示意图；

图4为本发明提供的内阶均衡电路的第二mosfet开关q2动作时的工作原理示意图；

图5为本发明提供的内阶均衡电路的第三mosfet开关q3动作时的工作原理示意图；

图6为本发明提供的内阶均衡电路的第四mosfet开关q4动作时的工作原理示意图；

图7为本发明提供的外阶均衡电路中第一电池组电量大于第二电池组电量时的工作原理示意图。

图8为本发明提供的外阶均衡电路中第一电池组电量小于第二电池组电量时的工作原理示意图。

其中，附图标记说明如下：第一～第三一阶均衡电路结构分别为：m1,m2,m3；第一电感：lm1；第二电感：lm2；mosfet开关a～d分别为：qm1,qm2,qm3,qm4；反并联二极管a～d分别为：dm1,dm2,dm3,dm4；第一～第三电池单体分别为：c1，c2，c3；c4，c5，c6；c7，c8，c9；第三电感：l1；第四电感：l2；第一～第四mosfet开关分别为：q1,q2,q3,q4；第一～第四反并联二极管分别为：d1,d2,d3,d4；第一电池组：c1，c2，c3；第二电池组：c4，c5，c6；第三电池组：c7，c8，c9。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的电路工作方式进行进一步的说明。

如图1，本发明设计的一种高效二阶均衡电路结构。二阶均衡电路结构组成包括：三个电路结构完全相同的一阶均衡电路结构m1,m2,m3、第一电感lm1、第二电感lm2、四个mosfet开关qm1,qm2,qm3,qm4与四个反并联二极管dm1,dm2,dm3,dm4；上述每个一阶均衡电路m1,m2,m3均包括：三个电池单体c1，c2，c3、第三电感l1、第四电感l2、四个mosfet开关q1,q2,q3,q4、四个反并联二极管d1,d2,d3,d4；上述每个一阶均衡电路m1,m2,m3的具体电路连接方式为：三个电池单体c1，c2，c3串联，四个mosfet开关q1,q2,q3,q4分别与四个反并联二极管d1,d2,d3,d4并联，每个反并联二极管d1,d2,d3,d4的正极与每个相应mosfet开关q1,q2,q3,q4的源极连接，其负极与每个相应mosfet开关q1,q2,q3,q4的漏极连接；第三电感l1一端连接在第一电池单体c1的负极，也即第二电池单体c2的正极，另一端连接在第一mosfet开关q1的源极、也即第二mosfet开关q2的漏极；第四电感l2一端连接在第二单体电池c2的负极，也即第三电池单体c3的正极，另一端连接在第三mosfet开关q3的源极、也即第四mosfet开关q4的漏极；而第一mosfet开关q1的漏极连接在第一单体电池c1的正极，源极连接在第二mosfet开关q2的漏极，第二mosfet开关q2的源极连接在第三单体电池c3的负极；第三mosfet开关q3的漏极连接在第一单体电池c1的正极，源极连接在第四mosfet开关q4的漏极，第四mosfet开关q4的源极连接在第三单体电池c3的负极；

其中，第一一阶均衡电路结构中相互串联的第一电池单体c1、第二电池单体c2和第三电池单体c3构成第一电池组；第二一阶均衡电路结构中相互串联的第一电池单体c4、第二电池单体c5和第三电池单体c6构成第二电池组；第三一阶均衡电路结构中相互串联的第一电池单体c7、第二电池单体c8和第三电池单体c9构成第三电池组；

上述二阶均衡电路结构的具体电路连接方式为：三个一阶均衡电路结构m1,m2,m3串联，四个所述mosfet开关qm1,qm2,qm3,qm4分别与四个反并联二极管dm1,dm2,dm3,dm4并联，每个反并联二极管的正极与相应mosfet开关的源极连接，负极与相应mosfet开关的漏极连接；第一电感lm1一端连接在第一一阶均衡电路m1中的第三电池单体c3的负极，也即第二一阶均衡电路m2中的第一电池单体c4的正极，另一端连接在mosfet开关qm1的源极、也即mosfet开关qm2的漏极；第二电感lm2一端连接在第二一阶均衡电路中的第三电池单体c6的负极，也即第三一阶均衡电路中的第一电池单体c7的正极，另一端连接在mosfet开关qm3的源极、也即mosfet开关qm4的漏极；mosfet开关qm1的漏极连接在第一一阶均衡电路中的第一电池单体c1的正极，源极连接在mosfet开关qm2的漏极，mosfet开关qm2的源极连接第二一阶均衡电路中的第三单体电池c6的负极；mosfet开关qm3的漏极连接在第二一阶均衡电路m2中的第一单体电池c4的正极，源极连接在mosfet开关qm4的漏极；mosfet开关qm4的源极连接在第三一阶均衡电路m3中的第三单体电池c9的负极。

mosfet开关均为n沟道mosfet，分别包括源极、漏极、栅极。

一阶均衡电路结构构成内阶均衡电路，二阶均衡电路构成外阶均衡电路。

当电路进行工作时，首先进行内阶电路均衡，导通mosfet开关q1，电源c1、储能电感l1、mosfet开关q1形成闭合回路，此时电源c1放电，电流从零开始增大，电源c1的电量大小和mosfet开关q1的导通时间决定了电流变化量的大小，电能转化为磁能存储于储能电感l1；之后关断q1，由于电感l1中存储的能量需要释放，电感l1、电源c2、电源c3、二极管d2形成闭合回路，能量由电感l1转移给电源c2、c3，对其充电，电流逐渐减小至零，之后依次打开和关闭mosfet开关q2，q3和q4，电路动作方式原理相同，完成一次循环；之后重复这一循环动作，直到三个电源电量相等，从而实现内阶电路电池之间的能量转移(如图3)。

之后转到外阶电路，外阶电路工作方式与内阶有所不同。首先判断相邻两个或两组电池的电量的大小，若第一电池组(c1，c2，c3)的电量较大，导通mosfet开关qm1，使第一电池组(c1，c2，c3)沿回路放电，将电能转化为磁能存储于储能电感lm1，然后闭合mosfet开关qm1，使存储在储能电感lm1中的能量转化为电能，并对第二电池组(c4，c5，c6)充电，重复以上动作逐渐使得第一电池组(c1，c2，c3)与第二电池组(c4，c5，c6)达到均衡；若第二电池组(c4，c5，c6)的电量较大，则通过闭合与断开mosfet开关qm2进行均衡。第二电池组(c4，c5，c6)与第三电池组(c7，c8，c9)动作方式与上述动作方式原理相同(如图4)，最终实现整个电池组能量的转移与均衡。

与现有的均衡电路相比，本发明所提出的二阶均衡电路结构简单可靠，可以使能量需要大范围转移情况下的均衡时间有效减少，且相对于相同效率的均衡电路结构所用的电感、mosfet等元器件数量较少,有效提高电路的工作效率且降低了成本，可适用于数目较大，能量需要大范围转移的串联电池组，如电动汽车蓄电池组等。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。