基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法，均衡电路包括控制器、若干个半桥电路、若干个电抗器和若干个电池单体。半桥电路均并联在电池组两端，每个半桥电路的中点依次通过电抗器连接一个电池单体的负极。本发明电路通过判断电感上、下侧电池单体平均电压与电池组平均电压的大小来控制半桥电路的MOS管，实现了任意电池单体对任意电池单体的均衡。本发明具有均衡效率高、控制简单、电路体积小和易于模块化等优点，并且克服了传统Cell to Cell型均衡电路均衡电流小，且难以实现零电压差均衡的难题。

权利要求

1.一种基于多相交错变换器的电池均衡电路，其特征是：包括控制器、若干个半桥电路、若干个电抗器和若干个电池单体，其中：

所有电池单体依次串联，组成电池组，所述半桥电路均并联在电池组两端，每个半桥电路的中点依次通过电抗器连接一个电池单体的负极；所述半桥电路有三个端，上端即上桥臂MOS管的源极，中点即上桥臂MOS管与下桥臂MOS管相连端，与电池单体的负极相连，下端即下桥臂MOS管的漏极；所述电池组的每两个相邻串联电池单体之间连接一个电抗器的一端，电抗器的另一端与所述半桥电路的中点连接，所述半桥电路的上端连接电池组的正极，下端连接电池组的负极；

所述半桥电路包括带有反相二极管的串联的上桥臂MOS管和下桥臂MOS管，上桥臂MOS管的漏极与下桥臂MOS管的源极相连，控制器采集每个电池单体的电压，计算电池组平均电压，根据电抗器的上、下侧电池单体平均电压与电池组平均电压的大小，控制半桥电路的开、断。

2.如权利要求1所述的一种基于多相交错变换器的电池均衡电路，其特征是：所述控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，其中，所述模数转换模块，通过电压检测电路与每个电池单体连接，将电池单体的电压信号转换成数字信号，获取每个电池单体的电压；

所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中MOS管开关的控制驱动信号。

3.如权利要求1所述的一种基于多相交错变换器的电池均衡电路，其特征是：所述半桥电路在PWM信号驱动下，当电抗器上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，所述控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，同时给上桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；当电抗器上侧电池单体平均电压高于电池组平均电压时，所述控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，同时给下桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断。

4.如权利要求1所述的一种基于多相交错变换器的电池均衡电路，其特征是：所述控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，下桥臂MOS管导通，电抗器下侧电池单体给电抗器充电；当PWM信号是低电平时，下桥臂MOS管断开，电抗器通过上桥臂MOS管的续流二极管给电抗器上侧电池单体充电，这样就实现了能量从电抗器下侧电池单体到电抗器上侧电池单体的转移。

5.如权利要求1所述的一种基于多相交错变换器的电池均衡电路，其特征是：所述控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，上桥臂MOS管导通，电抗器上侧电池单体给电抗器充电；当PWM信号是低电平时，上桥臂MOS管断开，电抗器通过下桥臂MOS管的续流二极管给电抗器下侧电池单体充电，这样就实现了能量从电抗器上侧电池单体到电抗器下侧电池单体的转移。

6.一种应用如权利要求1-5中任一项所述的基于多相交错变换器的电池均衡电路的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)控制器借助模数转换模块，获取各个电池单体电压和电池组总电压，并计算每个电抗器上侧电池单体平均电压与电池组平均电压；

(2)控制器将获取的各电抗器上侧电池平均电压分别与电池组平均电压比较，当其差值大于电池均衡所设定的阈值时，则启动电池单体对应的半桥电路；

(3)当电抗器上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，控制器给所述半桥电路的下桥臂MOS管发送PWM信号，同时给所述半桥电路的上桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；当电抗器上侧电池单体平均电压高于电池组平均电压时，控制器给所述半桥电路的上桥臂MOS管发送PWM信号，同时给所述半桥电路的下桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；

(4)控制器通过PWM信号控制半桥电路，使其对应的电抗器交替工作在充电和放电两个状态，来维持各个电池单体电压的平衡。

说明书

基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法。

背景技术

[0002] 能源、环境和资源是人类赖以生存和发展的基本条件，但当今世界石油资源日趋枯竭、生态环境严重恶化已成不争事实，严重制约经济社会可持续发展，是世界各国必须面对的严峻问题。锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、性价比高和单体电压高等突出优点，在解决能源环境危机中起着不可替代的作用。在实际应用中，锂离子电池的使用往往采用串并联组合的形式，但由于制作工艺和材料使用的不一致，使得电池初始性能参数(如内阻、容量等)存在差异，这些差异在电池使用过程中形成累积并放大，将严重减小电池的可用容量和循环寿命。因此，电池均衡技术显得格外重要。

[0003] 电池均衡方法主要分为三类：电池选择，被动均衡和主动均衡方法。

[0004] 电池选择即选择电化学特性相似的电池组成电池包，这样各电池单体的不一致性问题将得到解决。电池的筛选分两步进行，首先通过不同电流放电得到容量相似的电池单体；然后对获得的电池单体进行脉冲电流充放电实验，挑选出在不同SOC处电压变化量相似的电池。由于在电池的生命周期中电池单体的自放电率各不相同，所以该方法并不能实现串联电池组的均衡问题。

[0005] 被动均衡方法事先预设充电电压的“上限阈值电压”，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。其目的就是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。被动方法虽然电路结构简单，但存在能量浪费和热管理的问题。

[0006] 主动均衡方法使用外部电路主动地转移电池之间的能量，主要原理是将高电压电池的一部分电量通过转换装置回送到电池组或直接转送到低电压电池中，用到的储能元件主要为电容或电抗器，通过电容或电抗器的反复充放电实现电池组内各电池电压的平衡。这种电路的能量损耗很小，但是达到均衡必须有多次传输，所以速度较慢，不适于串联较多的电池组。根据能量流，主动均衡能够分为以下五种：(1)Cell to Cell；(2)Cell to Pack；
(3)Pack to Cell；(4)Pack to Cell to Pack；(5)Any Cells to Any Cells。对于Cell to Cell的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体转移到电压最低的电池单体，具有较高的均衡效率，并且适用于高电压应用，但是由于电池单体之间的电压差较小再加之电力电子器件存在导通压降，这种方法的均衡电流很小，因此该方法不适合于大容量的动力电池。对于Cell to Pack的均衡方法，如中国实用新型(专利号ZL 201420815315.7)，能量从电压较低的电池单体转移到电压较高的电池组，均衡电流和效率都较低，不适用于大容量的动力电池。对于Any Cells to Any Cells的均衡方法，如中国实用新型(专利号ZL 
201420265656.1)提出了一种基于开关矩阵和LC谐振变换的Any Cells to Any Cells均衡电路，其均衡能量能够从任意电池单体组合传递到任意电池单体组合，均衡效率很高，但是需要大量的切换开关，导致电路体积庞大，且均衡控制也非常复杂。而对于Pack to Cell的均衡方法，每一次均衡都是通过电池组对电压最低的电池单体进行能量补给，能够实现较大的均衡电流，适合于大容量的动力电池。中国实用新型(专利号ZL 201420264864.X)提出一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路，该均衡电路通过使用一个LC谐振变换，实现了能量从电池组到电压最低的电池单体的零电流开关传递，减少了能量浪费，提高了均衡效率。但是，该均衡电路的主要问题是：当电池组对电压最低的电池单体充电均衡时，也会同时对该电池单体放电，其均衡净电流较小，也造成了不必要的能量浪费。

[0007] 传统均衡电路不适合锂离子动力电池的主要原因如下：

[0008] (1)锂离子电池的开路电压在SOC为30％-70％之间时较为平坦，即使SOC相差很大，其对应的电压差也很小，此外由于电力电子器件存在导通压降，使得均衡电流很小，甚至可能导致电力电子器件不能正常导通；

[0009] (2)由于电力电子器件存在导通压降，电池单体间很难实现零电压差均衡。

[0010] (3)传统的均衡电路要么需要很多开关进行切换，要么需要很多电抗器、电容和变压器等储能器件，导致均衡电路体积庞大，控制复杂，实用性很差。

发明内容

[0011] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法，该发明通过控制半桥电路的MOS管，可实现任意电池单体对任意电池单体(Any Cells to Any Cells)的均衡。本发明具有均衡效率高、控制简单、电路体积小和易于模块化等优点，并且克服了传统Cell to Cell型均衡电路均衡电流小，且难以实现零电压差均衡的难题。

[0012] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0013] 一种基于多相交错变换器的电池均衡电路，包括控制器、若干个半桥电路、若干个电抗器和若干个电池单体，其中：

[0014] 所有电池单体依次串联，组成电池组，所述半桥电路均并联在电池组两端，每个半桥电路的中点依次通过电抗器连接一个电池单体的负极；

[0015] 所述半桥电路包括带有反相二极管的串联的上桥臂MOS管和下桥臂MOS管，上桥臂MOS管的漏极与下桥臂MOS管的源极相连，控制器采集每个电池单体的电压，计算电池组平均电压，根据上、下侧电池单体平均电压与电池组平均电压的大小，控制半桥电路的开、断。

[0016] 所述控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，其中，所述模数转换模块，通过电压检测电路与每个电池单体连接，将电池单体的电压信号转换成数字信号，获取每个电池单体的电压；

[0017] 所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中MOS管开关的控制驱动信号；

[0018] 所述半桥电路有三个端，上端即上桥臂MOS管的源极，中端即上桥臂MOS管与下桥臂MOS管相连端，与电池单体的负极相连，下端即下桥臂MOS管的漏极。

[0019] 所述电池组的每两个相邻串联电池单体之间连接一个电抗器的一端，电抗器的另一端与所述半桥电路的中端连接，所述半桥电路的上端连接电池组的正极，下端连接电池组的负极。

[0020] 所述半桥电路在PWM信号驱动下，当电抗器上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，所述控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，同时给上桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；当电抗器上侧电池单体平均电压高于电池组平均电压时，所述控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，同时给下桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断。

[0021] 所述控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，下桥臂MOS管导通，电抗器下侧电池单体给电抗器充电；当PWM信号是低电平时，下桥臂MOS管断开，电抗器通过上桥臂MOS管的续流二极管给电抗器上侧电池单体充电。这样就实现了能量从电抗器下侧电池单体到电抗器上侧电池单体的转移。

[0022] 所述控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，上桥臂MOS管导通，电抗器上侧电池单体给电抗器充电；当PWM信号是低电平时，上桥臂MOS管断开，电抗器通过下桥臂MOS管的续流二极管给电抗器下侧电池单体充电。这样就实现了能量从电抗器上侧电池单体到电抗器下侧电池单体的转移。

[0023] 一种应用上述基于多相交错变换器的电池均衡电路控制方法，包括以下步骤：

[0024] (1)控制器借助模数转换模块，获取各个电池单体电压和电池组总电压，并计算每个电抗器上侧电池单体平均电压与电池组平均电压；

[0025] (2)控制器将获取的各电抗器上侧电池平均电压分别与电池组平均电压比较，当其差值大于电池均衡所设定的阈值时，则启动电池单体对应的半桥电路；

[0026] (3)当电抗器上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，控制器给所述半桥电路的下桥臂MOS管发送PWM信号，同时给所述半桥电路的上桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；当电抗器上侧电池单体平均电压高于电池组平均电压时，控制器给所述半桥电路的上桥臂MOS管发送PWM信号，同时给所述半桥电路的下桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；

[0027] (4)控制器通过PWM信号控制半桥电路，使其对应的电抗器交替工作在充电和放电两个状态，来维持各个电池单体电压的平衡。

[0028] 本发明的工作原理为：

[0029] 半桥电路在所述控制器的控制下，当电抗器上侧电池平均电压低于电池组的平均电压时，控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，同时给上桥臂MOS管发送低电平信号。当PWM信号是高电平时，下桥臂MOS管导通，电抗器下侧电池单体给电抗器充电；当PWM信号是低电平时，下桥臂MOS管断开，电抗器通过上桥臂MOS管的续流二极管给电抗器上侧电池单体充电。这样就实现了能量从电抗器下侧电池单体到电抗器上侧电池单体的转移。同样，当电抗器上侧电池平均电压高于电池组的平均电压时，控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，给下桥臂MOS管发送低电平信号。当PWM信号是高电平时，上桥臂MOS管导通，电抗器上侧电池单体给电抗器充电；当PWM信号是低电平时，上桥臂MOS管断开，电抗器通过下桥臂MOS管的续流二极管给电抗器下侧电池单体充电，这样就实现了能量从电抗器上侧电池单体到电抗器下侧电池单体的转移。

[0030] 本发明的有益效果为：

[0031] (1)能够实现电池组中任意节相邻的电池单体组合(cells)到任意节相邻的电池单体组合(cells)或任意电池单体(cell)的均衡，极大提高了均衡效率；

[0032] (2)多个均衡模块同时均衡，极大地缩短了均衡时间；

[0033] (3)可以实现多节电池单体对少节电池单体的均衡，提高了均衡电流，有效改善了电池单体间的不一致性；

[0034] (4)克服了传统Pack to Cell型均衡电路均衡时充电和放电并存导致效率低下的问题；

[0035] (5)解决了Cell to Cell型均衡电路均衡电流提高受限的难题；

[0036] (6)有效克服了由于电力电子器件存在导通压降造成的难以实现电池单体零电压差的问题；

[0037] (7)电路拓扑结构与控制方法简单，容易实现模块化。

附图说明

[0038] 图1为本发明包括6节电池单体的动态均衡电路示意图；

[0039] 图2(a)为本发明的动态均衡在V01

[0040] 图2(b)为本发明的动态均衡在V01

[0041] 图3(a)为本发明的动态均衡在V01>Vave时电感充电状态的工作原理图；

[0042] 图3(b)为本发明的动态均衡在V01>Vave时其他电池充电状态的工作原理图；

[0043] 图4为本发明的动态均衡在Q2、D3导通时通过电感L1的电流i0波形图；

[0044] 图5为本发明的6节电池单体同时工作时电压均衡波形图。具体实施方式：

[0045] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0046] 基于多相交错变换器的电池均衡电路包括微控制器、若干个半桥电路、若干个电感和若干个电池单体。

[0047] 所述微控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，其中，所述模数转换模块，通过电压检测电路与各个电池单体连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而获得电池组中电池单体的电压；

[0048] 所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中MOS管开关的控制驱动信号；

[0049] 所述半桥电路由两个MOS管串联组成，即上桥臂MOS管的漏极与下桥臂MOS管的源极相连。

[0050] 所述半桥电路有三个端，上端即第一个MOS管的源极，中端即第一个MOS管与第二个MOS管相连端，下端即第二个MOS管的漏极。

[0051] 所述若干个电池单体通过串联组成电池组。每两个相邻串联电池单体之间连接一个电感的一端，电感的另一端与所述半桥电路的中端连接，所述半桥电路的上端连接电池组的正极，下端连接电池组的负极。

[0052] 所述半桥电路在PWM信号驱动下，当电感上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，所述微控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，同时给上桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；当电感上侧电池单体平均电压高于电池组平均电压时，所述微控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，同时给下桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断。

[0053] 所述微控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，下桥臂MOS管导通，电感下侧电池单体给电感充电；当PWM信号是低电平时，下桥臂MOS管断开，电感通过上桥臂MOS管的续流二极管给电感上侧电池单体充电。这样就实现了能量从电感下侧电池单体到电感上侧电池单体的转移。

[0054] 所述微控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，上桥臂MOS管导通，电感上侧电池单体给电感充电；当PWM信号是低电平时，上桥臂MOS管断开，电感通过下桥臂MOS管的续流二极管给电感下侧电池单体充电，这样就实现了能量从电感上侧电池单体到电感下侧电池单体的转移。

[0055] 实施例一：

[0056] 如图1所示，一种基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法，包括微控制器、5个半桥电路、5个电感和6个电池单体。

[0057] 所述微控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，其中，所述模数转换模块，通过电压检测电路与各个电池单体连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而获得电池组中电池单体的电压；

[0058] 所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中MOS管开关的控制驱动信号；

[0059] 所述半桥电路由两个MOS管串联组成，即上桥臂MOS管的漏极与下桥臂MOS管的源极相连。

[0060] 所述半桥电路有三个端，上端即第一个MOS管的源极，中端即第一个MOS管与第二个MOS管相连端，下端即第二个MOS管的漏极。

[0061] 所述若干个电池单体通过串联组成电池组。每两个相邻串联电池单体之间连接一个电感的一端，电感的另一端与所述半桥电路的中端连接，所述半桥电路的上端连接电池组的正极，下端连接电池组的负极。

[0062] 所述半桥电路在PWM信号驱动下，当电感上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，所述微控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，同时给上桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；当电感上侧电池单体平均电压高于电池组平均电压时，所述微控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，同时给下桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断。

[0063] 所述微控制器给下桥臂MOS管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，下桥臂MOS管导通，电感下侧电池单体给电感充电；当PWM信号是低电平时，下桥臂MOS管断开，电感通过上桥臂MOS管的续流二极管给电感上侧电池单体充电。这样就实现了能量从电感下侧电池单体到电感上侧电池单体的转移。

[0064] 所述微控制器给上桥臂MOS管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，上桥臂MOS管导通，电感上侧电池单体给电感充电；当PWM信号是低电平时，上桥臂MOS管断开，电感通过下桥臂MOS管的续流二极管给电感下侧电池单体充电，这样就实现了能量从电感上侧电池单体到电感下侧电池单体的转移。

[0065] 一种应用上述基于多相交错变换器的电池均衡电路控制方法，包括以下步骤：

[0066] (1)获取电池单体和电池组总电压：微控制器借助模数转换模块，获取各个电池单体电压和电池组总电压，并计算每个电感上侧电池单体平均电压与电池组平均电压；

[0067] (2)启动均衡：微控制器将获取的各电感上侧电池平均电压分别与电池组平均电压比较，当其差值大于电池均衡所设定的阈值时，则启动电池单体对应的均衡电路；

[0068] (3)判断均衡方向：当电感上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，所述微控制器给所述半桥电路的下桥臂MOS管发送PWM信号，同时给所述半桥电路的上桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；当电感上侧电池单体平均电压高于电池组平均电压时，所述微控制器给所述半桥电路的上桥臂MOS管发送PWM信号，同时给所述半桥电路的下桥臂MOS管发送低电平，令其保持关断；

[0069] (4)能量传递：微控制器通过PWM信号控制半桥电路，使其对应的电感交替工作在充电和放电两个状态，来维持各个电池单体电压的平衡。

[0070] 均衡电路的微控制器选用数字信号处理芯片DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采样和PWM输出；电压检测电路采用凌特公司的LTC6802专用电压测量芯片实时测量电池电压。如图1所示，为基于半桥电路的锂离子电池动态均衡整体模型图，每相邻两节电池单体嵌入一个半桥电路和一个电感，对于一个6节电池单体构成的串联电池组，共用到5个半桥电路和5个电感。

[0071] 电路上电运行后，微控制器借助模数转换模块，获取电感上侧电池单体平均电压与整个电池组的平均电压，判断电感上侧电池单体平均电压与电池组平均电压的差值是否超过设定的阈值，若超过则启动对应的均衡模块。在均衡状态下，微控制器控制半桥电路使其连接的电感交替工作在充电和放电两个状态，从而实现能量的不断传递。

[0072] 图2(a)、图2(b)以电池B0、B1为例，为在B0和B1的平均电压V01低于B0、B1…B5电压和的平均值Vave(即V01

[0073] 图3(a)、图3(b)以电池B0、B1为例，为在V01>Vave时均衡电路的工作原理图。微控制器将PWM信号发送给上桥臂MOS管Q2，将低电平信号发送给下桥臂MOS管Q3。如图3(a)所示，当PWM信号为高电平时，电池单体B0、B1、MOS管Q2、电感L1构成回路，此过程电池单体B0、B1给电感L1充电；如图2(b)所示，当PWM信号为低电平时，电池B2、B3…B5、电感L1、续流二极管D3构成回路，此过程电感L1给电池单体B2、B3…B5充电。经过半桥电路的多个充、放电周期，将电池单体B0、B1的部分能量转移到电池单体B2、B3…B5，从而实现了电池单体B0、B1电压与整个电池组电压的均衡。

[0074] 如图4所示，为电流i0在Q2、D3导通时通过电感L1的波形图，由图可以看出，当PWM0为高电平时，Q2导通，电池单体B0、B1给电感L1充电，此时电感电流逐渐增大；当PWM0为低电平时，由于电感电流不能发生突变，此时通过D3续流，电感L1给电池单体B2、B3…B5充电，电感电流逐渐减小，以此类推，进行周期性的充放电。

[0075] 如图5所示为6节电池单体的5个均衡模块同时工作时电压均衡波形图，从图中可以看出，各电池单体初始电压各不相同，但经过0.054s后，各电池单体的电压趋于大致相同，从而验证了此方法对实现电池单体间电压均衡的可行性。

[0076] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。