一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单体‑单体型均衡单元的分层均衡电路及控制方法。均衡电路由n个电池和n(n‑1)/2个单体‑单体型均衡单元构成，任意两个电池共用一个均衡单元，即将所有均衡单元分为n‑1层，第1层为相邻两个电池共用的均衡单元，第2层为中间间隔一个电池的两个电池共用的均衡单元，以此类推，第n‑1层为中间间隔n‑2个电池的两个电池共用的均衡单元。本发明专利技术的有益效果在于，可同时对所有电池进行均衡，缩短了均衡过程；为任意两个电池提供了直接均衡通路，缩短了均衡路径，消除了电压不均衡分布对均衡速度的影响等。

A Hierarchical Equalization Circuit and Control Method Based on Monomer-Monomer Equalization Unit

The invention discloses a hierarchical equalization circuit and a control method based on a monomer-type equalization unit. The equalization circuit is composed of N batteries and n(n_1)/2 monomer equalization units. Any two batteries share one equalization unit. That is to say, all equalization units are divided into n_1 layer, the first layer is the equalization unit shared by two adjacent batteries, and the second layer is the equalization unit shared by two batteries with one battery in the middle. By analogy, the n_1 layer is the equalization unit shared by two batteries with one battery in the middle. An equalization unit shared by two batteries. The beneficial effect of the present invention is that all batteries can be equalized at the same time, the equalization process can be shortened, the direct equalization path can be provided for any two batteries, the equalization path can be shortened, and the influence of unbalanced voltage distribution on the equalization speed can be eliminated.

【技术实现步骤摘要】
一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路及控制方法
本专利技术涉及电池/超级电容电压均衡
，尤其是一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路及控制方法。
技术介绍
随着全球变暖和能源危机，电动汽车和新能源发电等领域受到了广泛的关注，与之相对应的储能系统、储能元件也被大量研究。锂电池和超级电容由于分别具有能量密度高和功率密度高的优点，常被作为储能元件用于电动汽车和智能微电网等大电压、高功率场合。锂电池/超级电容(为便于说明，下文将锂电池和超级电容统称为电池)单体的电压很低，在应用时需要将大量的电池单体串、并联组成电池组，以满足负载的电压和功率需求。然而，由于制造的原因，电池单体在内阻、电压、容量等方面具有不一致性，而且随着电池组的使用以及电池单体工作温度的不同，这种单体间的不一致性会逐渐加重，造成电池单体的过充和过放，浪费电池组的可用容量，加速电池的老化、缩短电池的使用寿命，甚至产生火灾、爆炸等安全问题。为了解决电池单体的不一致性问题，需要在电池组中加入电池均衡电路。现有的均衡电路主要分为能量耗散型和非能量耗散型。能量耗散型均衡电路是使用电阻等耗能元件将高压电池中的能量消耗，以实现电池组中电池电压的均衡。非耗散型均衡电路是利用电容、电感等非耗能元件作为传能媒介，实现能量从高压电池到低压电池的传输。根据均衡能量的传输路径，非耗散型均衡电路可以分为单体-单体型、单体-组型和组-单体型。单体-单体型均衡电路可分为直接单体-单体型和间接(相邻)单体-单体型，均衡原理是通过开关电容单元或开关变换器将高压电池的能量传输到低压电池中，实现电池组各电池的电压均衡。现有的直接单体-单体型均衡电路，如飞渡电容均衡电路，只有一个均衡单元，只能同时均衡两个电池，均衡过程长；间接单体-单体型均衡电路，如传统开关电容均衡电路，非相邻电池间均衡路径长，均衡速度慢，且在均衡过程中部分电池作为能量传输媒介，能量有无效流动，降低了均衡效率。单体-组型均衡电路通过开关变换器将高压电池的能量传输到整个电池组，实现电池组各电池的电压均衡，但在均衡过程中高压电池放电后会与电池组一起充电，能量有无效流动，降低了均衡效率。组-单体型均衡电路通过开关变换器将电池组的能量传输到低压电池，实现电池组各电池的电压均衡，但均衡过程中低压电池充电前会与电池组一起放电，能量有无效流动，降低了均衡效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路及控制方法。实现本专利技术目的的技术方案是：一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路，包括依次串联的电池B1,B2,…,Bn，其中n等于或大于3；还包括n-1层均衡电路，每一层均衡电路包括至少一个连接到两个电池之间的均衡单元；所有均衡单元结构相同；当n＝3，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间；当n＝4，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间，均衡单元E1,3连接到B3和B4之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间，均衡单元E2,2连接到B2和B4之间；第3层均衡电路：均衡单元E3,1连接到B1和B4之间；当n>4，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间；以此类推，直到均衡单元E1,n-1连接到Bn-1和Bn之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间，均衡单元E2,2连接到B2和B4之间；以此类推，直到均衡单元E2,n-2连接到Bn-2和Bn之间；第3层均衡电路：均衡单元E3,1连接到B1和B4之间，均衡单元E3,2连接到B2和B5之间；以此类推，直到均衡单元E3,n-3连接到Bn-3和Bn之间；其它层均衡电路以此类推，直到第n-1层均衡电路：均衡单元En-1,1连接到B1和Bn之间；所述均衡单元连接到两个电池之间，具体为：均衡单元的第一端口的正端和负端分别连接到第一个电池的正极和负极，均衡单元的第二端口的正端和负端分别连接到第二个电池的正极和负极。进一步的技术方案，所述均衡单元包括4个MOS管和1个电容；第一个MOS管的漏极连接到第三个MOS管的源极后再连接到电容的正端，第二个MOS管的漏极连接到第四个MOS管的源极后再连接到电容的负端；第一个MOS管的源极构成第一端口的正端，第二个MOS管的源极构成第一端口的负端；第三个MOS管的漏极构成第二端口的正端，第四个MOS管的漏极构成第二端口的负端。进一步的技术方案，所述均衡单元为双向隔离型DC/DC变换器。本专利技术还提供了上述均衡单元包括4个MOS管和1个电容的分层均衡电路的控制方法：用一对频率固定、占空比互补且带有死区时间的PWM信号VGS1和VGS2分别控制所述均衡单元，其中：VGS1控制每个均衡单元中的第三个MOS管和第四个MOS管，VGS2控制每个均衡单元中的第一个MOS管和第二个MOS管。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、与现有的直接单体-单体型均衡技术相比，本专利技术采用多个直接单体-单体型均衡单元作为能量传输结构，可同时对所有电池进行均衡，缩短了均衡过程。2、与传统的开关电容均衡技术相比，本专利技术为任意两个电池提供了直接均衡通路，缩短了均衡路径，消除了电压不均衡分布对均衡速度的影响；同时消除了部分电池作为能量传输媒介，能量有无效流动的问题。3、与单体-组型和组-单体型均衡技术相比，本专利技术均衡过程中没有电池组同时充放电的过程，消除了高压/低压电池在进行均衡放电/充电同时进行均衡充电/放电的能量无效流动问题，提高了均衡效率。附图说明图1a为本专利技术的结构图；图1b为采用MOS管和均衡电容的单体-单体型均衡单元结构图；图1c为采用双向隔离型DC/DC变换器作为单体-单体型均衡单元的连接图；图2为实施例的分层结构图；图3为实施例的详细电路结构图；图4a为实施例的工作状态A；图4b为实施例的工作状态B；图5为实施例在电压不均衡情况1下均衡电容C1,1的电压、电流仿真波形；图6a为实施例在电压不均衡情况1下电池电压的均衡仿真波形；图6b为实施例在电压不均衡情况2下电池电压的均衡仿真波形；图6c为实施例在电压不均衡情况3下电池电压的均衡仿真波形。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的描述。如图1a所示，一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路，包括n个电池、n(n-1)/2个单体-单体型均衡单元；其中，n个电池构成电池组，从电池组的负极到正极，各个电池的编号依次为B1,B2,…,Bn；任意两个电池共用一个单体-单体型均衡单元；将n(n-1)/2个单体-单体型均衡单元分为n-1层；第1层为相邻两个电池共用的均衡单元，共n-1个；第2层为中间间隔一个电池的两个电池共用的均衡单元，共n-2个；以此类推，第n-1层为中间间隔n-2个电池的两个电池共用的均衡单元，共1个。如图1b所示，单体-单体型均衡单元E1,1，包括开关管Q11a、Q11b、Q11c、Q11d和均衡电容C1,1，其两端分别连接电池B1和电池B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单体‑单体型均衡单元的分层均衡电路，其特征在于，包括依次串联的电池B1,B2,…,Bn，其中n等于或大于3；还包括n‑1层均衡电路，每一层均衡电路包括至少一个连接到两个电池之间的均衡单元；所有均衡单元结构相同；当n＝3，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间；当n＝4，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间，均衡单元E1,3连接到B3和B4之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间，均衡单元E2,2连接到B2和B4之间；第3层均衡电路：均衡单元E3,1连接到B1和B4之间；当n>4，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间；以此类推，直到均衡单元E1,n‑1连接到Bn‑1和Bn之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间，均衡单元E2,2连接到B2和B4之间；以此类推，直到均衡单元E2,n‑2连接到Bn‑2和Bn之间；第3层均衡电路：均衡单元E3,1连接到B1和B4之间，均衡单元E3,2连接到B2和B5之间；以此类推，直到均衡单元E3,n‑3连接到Bn‑3和Bn之间；其它层均衡电路以此类推，直到第n‑1层均衡电路：均衡单元En‑1,1连接到B1和Bn之间；所述均衡单元连接到两个电池之间，具体为：均衡单元的第一端口的正端和负端分别连接到第一个电池的正极和负极，均衡单元的第二端口的正端和负端分别连接到第二个电池的正极和负极。...

【技术特征摘要】
1.一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路，其特征在于，包括依次串联的电池B1,B2,…,Bn，其中n等于或大于3；还包括n-1层均衡电路，每一层均衡电路包括至少一个连接到两个电池之间的均衡单元；所有均衡单元结构相同；当n＝3，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间；当n＝4，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间，均衡单元E1,3连接到B3和B4之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间，均衡单元E2,2连接到B2和B4之间；第3层均衡电路：均衡单元E3,1连接到B1和B4之间；当n>4，则所述分层均衡电路包括第1层均衡电路：均衡单元E1,1连接到B1和B2之间，均衡单元E1,2连接到B2和B3之间；以此类推，直到均衡单元E1,n-1连接到Bn-1和Bn之间；第2层均衡电路：均衡单元E2,1连接到B1和B3之间，均衡单元E2,2连接到B2和B4之间；以此类推，直到均衡单元E2,n-2连接到Bn-2和Bn之间；第3层均衡电路：均衡单元E3,1连接到B1和B4之间，均衡单元E3,2连接到B2和B5之间；以...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小兵，周国华，冷敏瑞，田庆新，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51