一种电池组动态电压均衡电路及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种电池组动态电压均衡电路，所述电池组包含有n个顺序串联的电池模块；所述电压均衡电路包括n个半桥单元和n‑1个跨接电容，其中，n个半桥单元分别对应并联在n个电池模块的两端，其中，各半桥单元均包括上桥开关管和下桥开关管；所述n‑1个跨接电容与半桥单元的连接关系是：各跨接电容的两端分别连接相邻两个半桥单元的中点两个开关管之间。此种电路可实现电池之间电压均衡，具有高精度、高速率的特点。本发明专利技术还公开一种电池组动态电压均衡电路的控制方法。

【技术实现步骤摘要】
一种电池组动态电压均衡电路及其控制方法
本专利技术涉及一种电池组动态电压均衡电路及其控制方法。
技术介绍
大型设备(如医疗设备、电动汽车、军事国防设备)中的电池系统均为一系列电池单元，通过串联、并联组成。每个电池之间由于存在制造工艺上的差别，电池内部寄生电阻(ESR)会有所差别。当电池单元并联时，不会造成电池电压不平衡，而当电池单元串联工作时，由于ESR和容值的差异，会造成电池单元两端的电压不均衡，电压较低的单元会缩短电池使用寿命，加速老化，进而引起损坏，影响系统可靠性。目前电池的管理系统(BMS)中已经兼备最基础的电池电压均衡策略，即通过检测，将电池系统中较高电压的电池模块上的多余电压通过电阻等方式消耗掉。此种方法虽然可以实现电池电压均衡，但没有完全利用电池最大容量，同时也会带来额外的热损耗。通过有源控制策略将电池模块中多余的电荷转移到较少电荷的电池单元是一种更为有效的方式。现在已有技术通过采用双向直流变换器(如反激变换器等)实现此项功能。此项技术的局限性在于：一般只能处理小于10A的均衡电流，且一般需要在电池充完电之后再进行电荷的均衡。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种电池组动态电压均衡电路及其控制方法，其可提高电压精度，实现在充电过程中动态调节电池电压，提高均衡速率，具有高精度、高速率的特点。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种电池组动态电压均衡电路，所述电池组包含有n个顺序串联的电池模块；所述电压均衡电路包括n个半桥单元和n-1个跨接电容，其中，n个半桥单元分别对应并联在n个电池模块的两端，其中，各半桥单元均包括上桥开关管和下桥开关管；所述n-1个跨接电容与半桥单元的连接关系是：各跨接电容的两端分别连接相邻两个半桥单元的中点两个开关管之间。上述电池模块为单个电池，或由数个电池串联而成的电池串。上述电压均衡电路还包括n个基础电容，n个基础电容分别对应并联在n个电池模块的两端。上述基础电容是外界电容或电池模块本身电容。上述半桥单元的上桥和下桥均采用硅开关管、氮化镓或碳化硅开关管。上述电压均衡电路还包括单元均衡电容，所述单元均衡电容的两端并联在相串联的至少两个电池模块的两端。上述电池组包含有4i个顺序串联的电池模块，电压均衡电路包括4i个半桥单元和4i-1个跨接电容，其中，4i个半桥单元分别对应并联在4i个电池模块的两端，其中，各半桥单元均包括上桥开关管和下桥开关管；4i-1个跨接电容的两端分别连接相邻两个半桥单元的中点；所述电压均衡电路还包括一个组间均衡电容，组间均衡电容的一端连接第1至第2i个半桥单元的中点，组间均衡电容的另一端连接第2i+1至第4i个半桥单元的中点。如前所述的一种电池组动态电压均衡电路的控制方法，对n个半桥单元中的上桥和下桥的开关状态进行控制，从而实现电压均衡，具体是所有半桥单元中的上桥开关状态相同，所有半桥单元中的下桥开关状态相同，且上桥与下桥的开关状态互补。采用上述方案后，本专利技术通过采用基于开关电容的电压分压器，可实现：大电流下的电荷均衡、动态均衡(可与充电同时进行)、模块化设计提高集成度、可扩展化设计、可工作在大电流环境下。一组电压分压器是实现两个电池之间的分压，而扩展到三个电池可用两组分压器实现。如此类推，N个电池之间的分压可由N-1的分压器实现。由于分压器体积很小，可实现高度的集成化。附图说明图1是本专利技术中半桥单元的电路结构图；图2是本专利技术第一实施例两个电池串联的电路结构图；图3是图1中各开关管的开关时序示意图；图4是将两个串联电池，电压分别为14V和10V，通过图2所示电路，均衡为12V的仿真效果图；图5是本专利技术第二实施例三个电池串联的电路结构图；图6是本专利技术第三实施例四个电池串联的电路结构图；图7是本专利技术第四实施例四个电池串联且连接有均衡电容的电路结构图；图8是本专利技术中二个电池模块串联的拓扑图；图9是本专利技术中四个电池模块串联的拓扑图；图10是本专利技术中五个电池模块串联的拓扑图；图11是多级式电压均衡电路拓扑图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案及有益效果进行详细说明。本专利技术提供一种电池组动态电压均衡电路，所述电池组包含有若干顺序串联的电池BATT1-BATTn，所述电压均衡电路包括n个基础电容、n个半桥单元(如图1所示)和n-1个跨接电容，其中，n个基础电容分别并联在对应的n个电池两端，所述基础电容可以是外接电容，也可以是电池本身电容；n个半桥单元分别与n个基础电容相并联，其中，各半桥单元均包括两个相互串联的开关管，分别作为上桥和下桥，在同一电路结构中，该开关管的型号相同，可以采用硅开关管或碳化硅开关管，如MOSFET等；所述n-1个跨接电容与半桥单元的连接关系是：各跨接电容的两端分别连接相邻两个半桥单元的两个开关管之间(半桥单元的中点)，也就是说，第i个跨接电容的一端连接第i个半桥单元中两个开关管之间，另一端连接第i+1个半桥单元中两个开关管之间，i＝1,2，…，n-1。本专利技术提供的均衡电路，其基本单元可认为是包含跨接电容和两个如图1所示的半桥单元，其中，跨接电容可为相邻组间跨接电容，也可为相邻电池间跨接电容；电路设计的目标在于实现高速、高电流下可靠和高效率的开关工作。需要说明的是，其中的电池可以是传统意义上单个的电池，也可以是由多个电池串联而形成的电池串。基于以上电路结构，本专利技术还提供一种电池组电压均衡电路的控制方法，对n个半桥单元中的各开关管的开关状态进行控制，从而实现电压均衡，具体是所有半桥单元中的上桥开关状态相同，所有半桥单元中的下桥开关状态相同，且上桥与下桥的开关状态相反。作为本专利技术的一种具体实施例，如图2所示，所述电池组包含有2个顺序串联的电池BATT1、BATT2，所述电压均衡电路包含有2个基础电容CBATT1、CBATT2，2个半桥单元和1个跨接电容CB，其中，CBATT1的两端与电池BATT1并联，CBATT2的两端与电池BATT2并联；第一半桥单元包含上桥M0和下桥M1，M0、M1相互串联后，再并联在CBATT1的两端；第二半桥单元包含上桥M2和下桥M3，M2、M3相互串联后，再并联在CBATT2的两端；跨接电容CB的一端连接在M0、M1之间，跨接电容CB的另一端连接在M2、M3之间，用于电荷转移，实现电压分压的均衡。基于图2所示的电路，采用如图3所示的控制时序，开关管M0-M3的控制信号分别是S0-S3，当电池BATT1、BATT2之间不需要电压均衡时，M0-M3均关断；当电池BATT1、BATT2之间需要电压均衡时，则S1、S3和S0、S2为互补信号。设基于BATT1和BATT2的总电压为VIN，也即VIN＝VBATT1+VBATT2，那么，该拓扑的工作原理是：当S1、S3导通时，VIN＝VCB+VBATT2，于是：VCB＝VBATT2当S0、S2导通时，VCB＝VBATT1使得：VBATT2＝VBATT1＝VIN/2，完成电压均衡。通过以上分析，本专利技术仅需简单的拓扑和控制，即可实现电压均衡。需要说明的是，当本专利技术所提供的电路作为电压分压器使用时，以两个半桥单元的中点(也即M0、M1之间和M2、M3之间)作为输出端；在电压均衡应用中，半桥单元与跨接电容的连接结构将自动平衡两个相邻串联电池之间的电压，不需要额外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池组动态电压均衡电路，所述电池组包含有n个顺序串联的电池模块；其特征在于：所述电压均衡电路包括n个半桥单元和n‑1个跨接电容，其中，n个半桥单元分别对应并联在n个电池模块的两端，其中，各半桥单元均包括上桥开关管和下桥开关管；所述n‑1个跨接电容与半桥单元的连接关系是：各跨接电容的两端分别连接相邻两个半桥单元的中点两个开关管之间。

【技术特征摘要】
1.一种电池组动态电压均衡电路，所述电池组包含有n个顺序串联的电池模块；其特征在于：所述电压均衡电路包括n个半桥单元和n-1个跨接电容，其中，n个半桥单元分别对应并联在n个电池模块的两端，其中，各半桥单元均包括上桥开关管和下桥开关管；所述n-1个跨接电容与半桥单元的连接关系是：各跨接电容的两端分别连接相邻两个半桥单元的中点两个开关管之间。2.如权利要求1所述的一种电池组动态电压均衡电路，其特征在于：所述电池模块为单个电池，或由数个电池串联而成的电池串。3.如权利要求1所述的一种电池组动态电压均衡电路，其特征在于：所述电压均衡电路还包括n个基础电容，n个基础电容分别对应并联在n个电池模块的两端。4.如权利要求3所述的一种电池组动态电压均衡电路，其特征在于：所述基础电容是外界电容或电池模块本身电容。5.如权利要求1所述的一种电池组动态电压均衡电路，其特征在于：所述半桥单元的上桥和下桥均采用硅开关管、氮化镓或碳化硅开关管。6.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明，李晓庆，彭晗，沙衍，
申请(专利权)人：南京博兰得电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32