一种准谐振交错开关电容电池均衡电路及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种准谐振交错开关电容电池均衡电路及其控制方法。均衡电路包括电池组1、电池组2、均衡子电路1、均衡子电路2和均衡子电路3；将2n个电池构成的串联电池组分为电池组1和电池组2；均衡子电路1与电池组1相连，均衡子电路2与电池组2相连，均衡子电路3与电池组1、电池组2相连。用一对频率固定、占空比互补且带有死区时间的驱动信号分别控制均衡子电路1中均衡子电路2中和均衡子电路3中开关管的导通与关断，使高压电池的能量通过均衡电容向低压电池传输，实现各电池电压的自动均衡。本发明专利技术缩短了任意两个电池间的均衡路径，而且为不能直接均衡的任意两个电池提供两条均衡通路，消除了电池数量对均衡速度的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种准谐振交错开关电容电池均衡电路及其控制方法
本专利技术涉及锂电池电压均衡
，尤其是一种准谐振交错开关电容电池均衡电路及其控制方法。
技术介绍
由于具有能量密度高、自放电率低、无记忆效应等优势，锂电池作为储能器件，被广泛应用于电动汽车、分布式发电、智能微电网等大电压场合。然而，单个锂电池的电压很低，在应用时需要将大量的锂电池串、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，电池在内阻、电压、容量等方面具有不一致性，而且随着电池的使用以及工作温度的不同，这种不一致性会逐渐加重，造成电池的过充和过放，浪费电池的可用容量、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。为了延长电池的使用寿命，需要在电池组中加入电池均衡电路。近年来，多种电池均衡电路拓扑被提出，根据电路的拓扑结构，可以将均衡电路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。非耗散型均衡电路又可以分为基于电容型、基于电感型和基于变压器型的电路。其中基于电感和基于变压器的均衡电路具有均衡速度快的优点，但是由于使用电感和变压器作为传能器件，使得电路的体积大、重量大、成本高，且电感及变压器中的磁化能量会使得开关管两端的电压应力增加，降低了系统的可靠性。基于电容的传统开关电容均衡电路虽然具有结构简单、控制简单、体积小等优点，但是存在均衡速度慢的问题。
技术实现思路
为解决传统开关电容电池均衡电路均衡速度慢的问题并提高均衡电路的效率，本专利技术提供了一种准谐振交错开关电容电池均衡电路及其控制方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种准谐振交错开关电容电池均衡电路，包括电池组1、电池组2、均衡子电路1、均衡子电路2和均衡子电路3；所述电池组1包括依次串联的电池Bi，电池组2包括依次串联的电池Bn+i；所述均衡子电路1，包括开关管Sia、开关管Sib、均衡电容C1j和谐振电感L1j；开关管S1a与S1b串联后和电池组1中的B1并联，均衡电容C11与谐振电感L11串联后一端连接到开关管S1a与S1b串联的中点，另一端连接到开关管Sna与Snb串联的中点；开关管S2a与S2b串联后和电池组1中的B2并联，均衡电容C12与谐振电感L12串联后一端连接到开关管S2a与S2b串联的中点，另一端连接到开关管Sna与Snb串联的中点；以此类推；所述均衡子电路2，包括开关管S(n+i)a、开关管S(n+i)b、均衡电容C2j和谐振电感L2j；开关管S(n+1)a与S(n+1)b串联后和电池组2中的Bn+1并联，均衡电容C21与谐振电感L21串联后一端连接到S(n+1)a与S(n+1)b串联的中点，另一端连接到开关管S(2n)a与S(2n)b串联的中点；开关管S(n+2)a与S(n+2)b串联后和电池组2中的Bn+2并联，均衡电容C22与谐振电感L22串联后一端连接到S(n+2)a与S(n+2)b串联的中点，另一端连接到开关管S(2n)a与S(2n)b串联的中点；以此类推；所述均衡子电路3，包括开关管Sak、开关管Sbk、均衡电容C3i和谐振电感L3i；均衡电容C31与谐振电感L31串联后的两端，分别通过开关管Sa1和Sa2并联到电池组1中的电池B1的两端，同时分别通过开关管Sb1和Sb2并联到电池组2中的电池Bn+1的两端；均衡电容C32与谐振电感L32串联后的两端，分别通过开关管Sa2和Sa3并联到电池组1中的电池B2的两端，同时分别通过开关管Sb2和Sb3并联到电池组2中的电池Bn+2的两端；以此类推；其中，i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,n-1；k＝1,2,…,n+1。上述电路的控制方法为，用一对频率固定、占空比互补且带有死区时间的驱动信号VGSa和VGSb分别控制均衡子电路1中、均衡子电路2中和均衡子电路3中相应编号开关管的导通与关断，即驱动信号VGSa控制开关管Sia、开关管S(n+i)a和开关管Sak，驱动信号VGSb控制开关管Sib、开关管S(n+i)b和开关管Sbk，使高压电池的能量通过均衡电容向低压电池传输，实现各电池电压的自动均衡。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、与现有的基于电感和变压器的均衡技术相比，本专利技术具有均衡电路原理简单、控制简单、体积较小的优点；2、与现有的基于电容的均衡技术相比，本专利技术缩短了任意两个电池间的均衡路径，而且为不能直接均衡的任意两个电池提供两条均衡通路，消除了电池数量对均衡速度的影响。同时通过均衡电容与谐振电感谐振，增大了均衡电流，提高了均衡速度；实现了均衡电路中所有开关管的零电流关断，提高了均衡效率。3、与现有的串并联开关电容均衡技术相比，本专利技术开关管的最大电压应力为串并联开关电容均衡电路的一半，减小了器件承受的电压应力。附图说明图1a为本专利技术电路结构图；图1b为本专利技术的均衡子电路1结构图；图1c为本专利技术的均衡子电路2结构图；图1d为本专利技术的均衡子电路3结构图；图2为实施例1的电路结构图；图3a为实施例1的工作状态A；图3b为实施例1的工作状态B；图4为本专利技术均衡电路对应的等效模型；图5为实施例1均衡子电路1的均衡电容电压、谐振电感电流的仿真波形；图6为实施例1均衡子电路3的均衡电容电压、谐振电感电流的仿真波形；图7为实施例1的电池电压均衡仿真波形；图8为实施例2的电路结构图；图9为实施例2的电池电压均衡仿真波形。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，一种准谐振交错开关电容电池均衡电路，包括电池组1、电池组2、均衡子电路1、均衡子电路2和均衡子电路3；将2n个电池构成的串联电池组分为电池组1和电池组2；均衡子电路1与电池组1相连，均衡子电路2与电池组2相连，均衡子电路3与电池组1、电池组2相连。如图1b所示，均衡子电路1包括开关管Sia(i＝1,2,…,n)、Sib(i＝1,2,…,n)，均衡电容C1j(j＝1,2,…,n-1)和谐振电感L1j(j＝1,2,…,n-1)。开关管Sia(i＝1,2,…,n)与Sib(i＝1,2,…,n)串联后和电池Bi(i＝1,2,…,n)并联，组成电池能量的传输通路；均衡电容C1j(j＝1,2,…,n-1)和谐振电感L1j(j＝1,2,…,n-1)串联支路的一端与开关管Sna、Snb的中点连接，另一端与开关管Sia(i＝1,2,…,n-1)、Sib(i＝1,2,…,n-1)的中点连接，构成电池组1内部任意2个电池间的能量传输通路。如图1c所示，均衡子电路2包括开关管S(n+i)a(i＝1,2,…,n)、S(n+i)b(i＝1,2,…,n)，均衡电容C2j(j＝1,2,…,n-1)和谐振电感L2j(j＝1,2,…,n-1)。开关管S(n+i)a(i＝1,2,…,n)与S(n+i)b(i＝1,2,…,n)串联后和电池B(n+i)(i＝1,2,…,n)并联，组成电池能量的传输通路；均衡电容C2j(j＝1,2,…,n-1)和谐振电感L2j(j＝1,2,…,n-1)串联支路的一端与开关管S(2n)a、S(2n)b的中点连接，另一端与开关管S(n+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种准谐振交错开关电容电池均衡电路，其特征在于，包括电池组1、电池组2、均衡子电路1、均衡子电路2和均衡子电路3；所述电池组1包括依次串联的电池Bi，电池组2包括依次串联的电池Bn+i；所述均衡子电路1，包括开关管Sia、开关管Sib、均衡电容C1j和谐振电感L1j；开关管S1a与S1b串联后和电池组1中的B1并联，均衡电容C11与谐振电感L11串联后一端连接到开关管S1a与S1b串联的中点，另一端连接到开关管Sna与Snb串联的中点；开关管S2a与S2b串联后和电池组1中的B2并联，均衡电容C12与谐振电感L12串联后一端连接到开关管S2a与S2b串联的中点，另一端连接到开关管Sna与Snb串联的中点；以此类推；所述均衡子电路2，包括开关管S(n+i)a、开关管S(n+i)b、均衡电容C2j和谐振电感L2j；开关管S(n+1)a与S(n+1)b串联后和电池组2中的Bn+1并联，均衡电容C21与谐振电感L21串联后一端连接到S(n+1)a与S(n+1)b串联的中点，另一端连接到开关管S(2n)a与S(2n)b串联的中点；开关管S(n+2)a与S(n+2)b串联后和电池组2中的Bn+2并联，均衡电容C22与谐振电感L22串联后一端连接到S(n+2)a与S(n+2)b串联的中点，另一端连接到开关管S(2n)a与S(2n)b串联的中点；以此类推；所述均衡子电路3，包括开关管Sak、开关管Sbk、均衡电容C3i和谐振电感L3i；均衡电容C31与谐振电感L31串联后的两端，分别通过开关管Sa1和Sa2并联到电池组1中的电池B1的两端，同时分别通过开关管Sb1和Sb2并联到电池组2中的电池Bn+1的两端；均衡电容C32与谐振电感L32串联后的两端，分别通过开关管Sa2和Sa3并联到电池组1中的电池B2的两端，同时分别通过开关管Sb2和Sb3并联到电池组2中的电池Bn+2的两端；以此类推；其中，i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,n‑1；k＝1,2,…,n+1。...

【技术特征摘要】
1.一种准谐振交错开关电容电池均衡电路，其特征在于，包括电池组1、电池组2、均衡子电路1、均衡子电路2和均衡子电路3；所述电池组1包括依次串联的电池Bi，电池组2包括依次串联的电池Bn+i；所述均衡子电路1，包括开关管Sia、开关管Sib、均衡电容C1j和谐振电感L1j；开关管S1a与S1b串联后和电池组1中的B1并联，均衡电容C11与谐振电感L11串联后一端连接到开关管S1a与S1b串联的中点，另一端连接到开关管Sna与Snb串联的中点；开关管S2a与S2b串联后和电池组1中的B2并联，均衡电容C12与谐振电感L12串联后一端连接到开关管S2a与S2b串联的中点，另一端连接到开关管Sna与Snb串联的中点；以此类推；所述均衡子电路2，包括开关管S(n+i)a、开关管S(n+i)b、均衡电容C2j和谐振电感L2j；开关管S(n+1)a与S(n+1)b串联后和电池组2中的Bn+1并联，均衡电容C21与谐振电感L21串联后一端连接到S(n+1)a与S(n+1)b串联的中点，另一端连接到开关管S(2n)a与S(2n)b串联的中点；开关管S(n+2)a与S(n+2)b串联后和电池组2中的Bn+2并联，均衡电容C22与谐振电感L22串联后一端连接到S(n...

【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