[发明专利]一种网格结构开关电容的电池组均衡器及其实现方法

说明书

本发明公开了一种网格结构开关电容的电池组均衡器及其实现方法，包括微控制器以及N个电池单体、2N个开关电容和N个半桥电路，每个半桥电路对应并联在一个电池单体上，每个半桥电路由微控制器驱动；2N个开关电容以网格结构连接，形成N个开关电容围绕同一个节点中心圆周分布，另外N个开关电容依次与围绕同一个节点中心圆周分布的N个开关电容中两个连接，形成正多边形网状结构，正多边形网状结构的每个顶点处分别连接于所述N个半桥电路的中点。本发明可以通过使用较少的组件，在电池单体之间以更短的均衡路径传输能量，在电池充电、放电或休息的情况下，所提出的均衡器可以有效均衡电池电压。

技术领域

本发明涉及一种网格结构开关电容的电池组均衡器及其实现方法。

背景技术

电动汽车是未来汽车发展的主方向。锂离子电池具有能量密度高，记忆效应低，电池电压高，使用寿命长等优点，被广泛应用于电动汽车中。为了满足负载电压和功率的要求，需要将众多的锂离子电池单体串、并联成组使用。然而，由于制造工艺的限制，各电池单体间的内阻、容量等存在差异，并随着电池组老化程度的增加而增大，这种差异会引起电池单体电压的不平衡，进而导致某节电池单体的过充或过放，而任意一节电池不在允许的工作范围之内时，都必须终止整个电池组的使用，这一“水桶效应”极大地减小了电池组的可用容量和循环寿命，而如果没有均衡加以控制和调节，甚至会引起爆炸、起火等安全事故。因此，对于串联电池组来说，电池均衡器是平衡电池电压以最大化电池组的可用工作范围并延长电池循环寿命所必需的。此外，电池均衡器对于电池组的成本降低也是有益的，因为当引入电池均衡器时，电池一致性的严格要求可能降低，进而降低电池采购成本。

目前，电池均衡电路主要有耗散均衡和非耗散均衡两大类。耗散均衡是通过给电池组中每个电池单体并联一个电阻，将电压高的电池单体进行放电分流，从而实现电池单体电压的均衡。耗散均衡具有成本低、体积小和控制简单等优点，但是电池单体多余的能量是通过电阻放电消耗掉，存在效率低和热管理等问题。非耗散均衡方法，根据均衡方式可以分为基于电容的均衡方法、基于电感的均衡方法和基于变压器的均衡方法。这些方法分别采用电容、电感和变压器等作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的均衡方案。

根据能量流，非耗散均衡方法能够分为以下四类：(1)电池单体对电池单体；(2)电池单体对电池组；(3)电池组对电池单体；(4)任意电池单体对任意电池单体。电池单体对电池单体均衡方法只能实现能量从一个电池单体到其相邻电池单体传递，特别是当电压高和电压低的电池单体分别处在电池组的两端时，其均衡速度和均衡效率会极大降低。对于电池单体对电池组的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体传递到整个电池组。这种方法只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压高于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况；不适于某一或若干节电池单体电压低于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。对于电池组对电池单体的均衡方法，能量能够直接从整个电池组传递到电压最低的电池单体，能够实现较大的均衡电流，但是这种方法只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压低于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况；不适于某一或若干节电池单体电压高于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。

任意电池单体对任意电池单体的均衡方法能够实现能量从任意电池单体到任意电池单体的直接传递，具有较高的均衡效率和均衡速度。在这些主动平衡方法中，开关电容均衡器由于体积小，成本低，易于实现而广泛用于电池均衡中。然而，在经典开关电容均衡器中，该方法仅实现了相邻的单元到单元均衡，并且对于长的电池串，其平衡速度和效率将变得非常低。

例如，中国发明专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种开关电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，经过电容的充、放电循环，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体的数量较多、电压最高和最低的电池单体间相邻多个电池单体时，这种均衡方式的均衡效率和速度会大大降低，不适用于电池单体串联较多的大电池组中。

发明内容