开关网络改进型的主动均衡电路及其均衡控制方法

技术领域

本申请涉及电池均衡技术领域，特别是涉及一种开关网络改进型的主动均衡电路及其均衡控制方法。

背景技术

电池均衡的意义就是利用电力电子技术，使电池单体电压或电池组电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态，以避免过充、过放的发生。电池均衡一般分为主动均衡、被动均衡两种。主动均衡是一种复杂的均衡技术，在充电和放电循环期间，使得电池单元内的电荷得到重新分配，从而缩短充电时间，延长放电使用时间。

主动均衡带来的好处显而易见：效率高，能量被转移，损耗只是转移过程的损耗，占比小。但主动均衡仍具有一个固有问题——结构复杂，几十串甚至上百串电池需要的开关矩阵，为电池电路的整体产品设计带来较大的体积和能耗，同时，也不便于电池尤其是串联电池组的拓展或改变。目前串联电池组主动均衡电路的设计中，如公开号为“CN103051029A”的申请名称为《电容式电池均衡电路》，公开了一种基于单电容的主动均衡电路，但其核心主要是依赖单刀双掷开关，能量只能在相邻的电池间转移，均衡速度较慢，不便于后续电池组的串联拓展。申请公开号为“CN107195993A”的申请名称为《用于电池组的主动均衡装置》公开了一种电池间的主动均衡电路，但其开关数量和元器件数量过多，在串联电池组数量较多时，控制成本和损耗较高。申请公开号为“CN113746174A”的申请名称为《单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法》，公开了基于单电容的主动均衡控制电路，但其开关为对称设计，开关数量仍然较多。

以上的主动均衡电路例子，可见在基于单电容的主动均衡电路中，开关数量与串联电池组的电池数量呈正相关关系，且开关数量一般大于电池数量的两倍，而开关数量小于电池数量的两倍以上的主动均衡电路，其电池的拓展性又比较有限。综上所述，可见传统的主动均衡电路还存在以上局限。

发明内容

基于此，有必要针对传统的主动均衡电路还存在的局限，提供一种开关网络改进型的主动均衡电路及其均衡控制方法。

本公开至少一个实施例还提供一种开关网络改进型的主动均衡电路及其均衡控制方法

一种开关网络改进型的主动均衡电路，包括：

电池正极开关，一端用于连接对应电池的正极，另一端用于连接电容；

电池负极开关，一端用于连接对应电池的负极，另一端用于连接电容；

其中，电池用于构成串联电池组，电池、电池正极开关、电池负极开关一一对应。

上述的开关网络改进型的主动均衡电路，包括电池正极开关和电池负极开关。电池正极开关，一端用于连接对应电池的正极，另一端用于连接电容；电池负极开关，一端用于连接对应电池的负极，另一端用于连接电容。其中，电池用于构成串联电池组，电池、电池正极开关、电池负极开关一一对应。基于此，改进主动均衡电路的开关网络，降低对串联电池组进行主动均衡所需的开关数量，同时，保留串联电池组的良好可拓展性。

在其中一个实施例中，还包括：

连接调整单元，一端用于连接电池正极开关的另一端与电池负极开关的另一端，另一端用于连接电容，用于调整电容与电池正极开关的另一端的连接端，以及调整电容与电池负极开关的另一端的连接端。

在其中一个实施例中，连接调整单元包括开关阵列；

开关阵列用于分别连接电池正极开关的另一端、电池负极开关的另一端以及电容的两连接端，并用于调整电池正极开关的另一端、电池负极开关的另一端以及电容的两连接端间的连接关系。

在其中一个实施例中，开关阵列包括：

第一单刀双掷开关，第一单刀双掷开关的第一动端用于连接电池正极开关的另一端，第二动端用于连接电池负极开关的另一端，不动端连接电容的一连接端；

第二单刀双掷开关，第二单刀双掷开关的第一动端用于连接电池正极开关的另一端，第二动端用于连接电池负极开关的另一端，不动端连接电容的另一连接端。

在其中一个实施例中，第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关包括继电器。

在其中一个实施例中，连接调整单元包括开关芯片；

开关芯片用于分别连接电池正极开关的另一端、电池负极开关的另一端以及电容的两连接端，并用于调整电池正极开关的另一端、电池负极开关的另一端以及电容的两连接端间的连接关系。

在其中一个实施例中，电池的数量、电池正极开关的数量、电池负极开关的数量相同。

在其中一个实施例中，还包括：

开关控制系统，用于检测电池的电压与电容的电压，并根据电池的电压与电容的电压调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以调整电容与电池构成的电路关系。

在其中一个实施例中，开关控制系统包括：

电压检测单元，用于检测电池的电压与电容的电压；

开关控制单元，用于根据电池的电压与电容的电压调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以调整电容与电池构成的电路关系。

本公开至少一个实施例还提供一种开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法。

一种开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法，包括步骤：

获取各电池的电压；

调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以使电压大于第一设定电压的电池为电容充电；

调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以使电容为电压小于第二设定电压的电池放电。

上述的开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法，在获取到各电池的电压后，调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以使电压大于第一设定电压的电池为电容充电，调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以使电容为电压小于第二设定电压的电池放电。基于此，实现开关网络改进型的主动均衡电路对串联电池组的主动均衡控制。

附图说明

图1为一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图；

图2为一设计方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图；

图3为另一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图；

图4为另一设计方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图；

图5为又一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图；

图6为一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法流程图。

具体实施方式

为了使得本公开的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开的实施例的附图，对本公开的实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开的实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了部分已知功能和已知部件的详细说明。

其中，电池构成电池组的形式，包括串联电池组和并联电池组。本公开的实施例主要应用于串联电池组。串联电池组由多个电池串联构成。在串联的电池组组成形式中，各电池容易出现内阻不一致的问题。这容易导致电池电压差异，造成电池容量下降或缩短电池寿命。其中，电池运行在一个相对固定的电压范围内，在电池的电压过高时，需要通过主动均衡进行放电降压。而电压过低的电池，需要通过主动均衡进行充电升压。

图1为一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图，如图1所示，一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路包括：

电池正极开关100，一端用于连接对应电池的正极，另一端用于连接电容；

电池负极开关101，一端用于连接对应电池的负极，另一端用于连接电容；

其中，电池用于构成串联电池组，电池、电池正极开关100、电池负极开关101一一对应。

如图1所示，电池正极开关100导通时，电池的正极连接至电容，电池负极开关导通时，电池的负极连接至电容。其中，电池的正极连接至电容的一连接端，电池的负极连接电容的另一连接端。以此，构成电池与电容的回路，在电池电压高于电容电压时，由电池为电容充电；在电池电压低于电容电压时，由电容为电池充电。

根据对电池正极开关100和电池负极开关101的导通和关断控制，可以在串联电池组中建立任一电池与电容的回路，以此将电容作为主动均衡的中介，完成不同电池间的能量转换。相比通过电阻等器件泄放高压电池的能量，可降低不必要的损耗。

假设串联电池组中的电池数量为n(n为正整数)个，目前主动均衡电路的开关网络中，最低的开关数量为2n+2个。由图1可见，本公开的实施例理论上，最多只需要2n个开关(包括电池正极开关100和电池负极开关101，电池正极开关100与电池负极开关101的比例为1:1)，即可完成主动均衡。即，本公开的实施例，开关数量≤2n个，相比传统的设计降低了开关数量。

图2为一设计方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图，基于本公开的实施例的思路，图2公开了一种开关数量最多的设计。如图2所示，串联电池组包括电池1-电池n，电池正极开关包括S11，S21，S31，…，Sn1，电池负极开关包括S21，S22，S32，…，Sn2。由11～Sn1，S12～Sn2等2n个开关构成基础的桥式电路。此时，电池的数量、电池正极开关的数量、电池负极开关的数量相同。

在上述公开的实施例的基础上，本申请通过进一步的设计，降低开关数量。

图3为另一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图，如图3所示，另一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路还包括：

连接调整单元200，一端用于连接电池正极开关的另一端与电池负极开关的另一端，另一端用于连接电容，用于调整电容与电池正极开关的另一端的连接端，以及调整电容与电池负极开关的另一端的连接端。

通过图3的连接调整单元200的设计基础上，串联电池组中相邻的电池可同享同一开关。例如，电池A的负极连接电池B的正极，则电池A的电池负极开关，同时又可作为电池B的电池正极开关。在这个设计的基础上，主动均衡网络的开关网络理论上仅需要n个开关，极大地降低了开关网络所需的开关数量。

其中，电池与电容构成回路的部分，由连接调整单元、电池负极开关和电池正极开关三部分来实现。在一电池的电池负极开关和电池正极开关导通后，连接调整单元200通过与电池负极开关和电池正极开关的连接，建立电容量连接端的连接，实现电池与电容间的回路。

在其中一个实施例中，连接调整单元200包括开关阵列或开关芯片。

将电池正极开关的另一端、电池负极开关的另一端作为开关阵列的输入端引入，由开关阵列的输出端分别连接电容，通过开关阵列的开关关系，建立不同输入端输出端的导通关系，调整电池正极开关的另一端、电池负极开关的另一端以及电容的两连接端间的连接关系。

将电池正极开关的另一端、电池负极开关的另一端作为开关芯片的输入端引入，由开关芯片的输出端分别连接电容，通过开关芯片的开关关系，建立不同输入端输出端的导通关系，调整电池正极开关的另一端、电池负极开关的另一端以及电容的两连接端间的连接关系。

图4为另一设计方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图，如图4所示，串联电池组包括电池1-电池n，开关包括S1，S2，S3，S4，…，Sn。其中，开关可作为电池正极开关或电池负极开关。

开关阵列包括：

第一单刀双掷开关，第一单刀双掷开关的第一动端用于连接电池正极开关的另一端，第二动端用于连接电池负极开关的另一端，不动端连接电容的一连接端；

第二单刀双掷开关，第二单刀双掷开关的第一动端用于连接电池正极开关的另一端，第二动端用于连接电池负极开关的另一端，不动端连接电容的另一连接端。

如图4所示，开关阵列以单刀双掷开关(第一单刀双掷开关Sa1-Sa2和第二单刀双掷开关Sb1-Sb2)的设计，满足任一电池与电容建立回路的同时，还可灵活调整电池正负极与电容的连接方向。基于此，除电池与电容间的充放电以外，还可通过电容进行其它类型的电压调整，包括快速升压或快速降压等，丰富了主动均衡电路的对外工作形式，提高主动均衡电路的工作效率。在光伏储能等相关储能领域，图4的设计，可灵活改变单个储能电池的对外形式，配合光伏并网与管理的算法执行，丰富并网过程中的工作形式(如买电和卖电)。

其中，单刀双掷开关(第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关)可通过继电器或半导体器件实现。优选采用继电器完成单刀双掷开关的设计，以适应不同电压大小的串联电池组类型，保证电路的稳定性。半导体器件可适应弱电形式的串联电池组，包括IGBT器件或开关管等。

在其中一个实施例中，图5为又一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构示意图，如图5所示，又一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路结构还包括：

开关控制系统300，用于检测电池的电压与电容的电压，并根据电池的电压与电容的电压调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以调整电容与电池构成的电路关系。

其中，开关控制系统300作为主动均衡电路的控制中心，通过电压检测，实时监测各电池的电压状态，根据各电池的电压状态，执行预设算法调整各开关(电池正极开关、电池负极开关或连接调整单元)的导通或关断状态。

在其中一个实施例中，开关控制系统300包括：

电压检测单元，用于检测电池的电压与电容的电压；

开关控制单元，用于根据电池的电压与电容的电压调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以调整电容与电池构成的电路关系。

其中，电压检测单元可采用电压采集电路或电压检测芯片。通过一路或多路设置，分别检测电池的电压与电容的电压，将检测的信号输出至开关控制单元。

其中，开关控制单元包括单片机、PLC控制器或PWM控制器。通过获取电压检测单元检测的信号，进行信号处理，输出控制信号至对应的开关，控制开关的导通或关断状态。

其中，将开关控制系统作为硬件执行主体，其算法层所执行的方法表征为开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法。

图6为一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法流程图，如图6所示，一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法包括步骤S100至步骤S102：

S100，获取各电池的电压；

S101，调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以使电压大于第一设定电压的电池为电容充电；

S102，调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以使电容为电压小于第二设定电压的电池放电。

在一公开的实施例中，如图2所示，步骤S100至步骤S102表征为：

假定电池1电压大于第一设定电压；电池3电池电压小于第二设定电压；则先把开关S11和S12打开，给电容C充电；等到电容C充满电后，关闭S11和S12，再打开S31和S32；这个时候，电容C的电压比电池3高，电容C给电池3充电；等到电容C的电压接近电池3时，断开S31和S32，又一次接通S11和S12，给电容C充电。然后重复上述步骤，使得电池1通过电容C给电池3充电，直到电池1和电池3的电压恢复正常值。

在一公开的实施例中，如图4所示，步骤S100至步骤S102表征为：假定电池1电压大于第一设定电压，电池3电池电压小于第二设定电压；则先把开关S1和S2打开，电容接通Sa1和Sb1，开始充电；等到电容C充满电后，关闭S1和S2，再打开S3和S4；这个时候，电容C的电压比电池3高，电容C给电池3充电；等到电容C的电压接近电池3时，断开S3和S4，又一次接通S1和S2，给电容C充电。然后重复上述步骤，使得电池1通过电容C给电池3充电，直到电池1和电池3的电压恢复正常值。

如图4所示，假定电池1电压大于第一设定电压，电池2电池电压小于第二设定电压；则先把开关S1和S2打开，电容接通Sa1和Sb1，开始充电；等到电容C充满电后，关闭S1和S2，电容C切换到Sa2和Sb2，再打开S3和S4；这个时候，电容C的电压比电池3高，电容C给电池3充电；等到电容C的电压接近电池3时，断开S3和S4，电容C切换到Sa1和Sb1，又一次接通S1和S2，给电容C充电。然后重复上述步骤，使得电池1通过电容C给电池3充电，直到电池1和电池3的电压恢复正常值。

参考上述公开的实施例可见，本公开的实施例提供的开关网络改进型的主动均衡电路取消了各电阻或电感的元件，开关响应速度快。基于这一特性，在其中一个实施例中，一实施方式的开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法通过快速扫描各电池的电压进行快速的充放电，提高整体均衡的速度。同时，以较低的电压变化，降低整体的能耗和元器件损耗。需要注意的是，这一快速扫描的实现，是基于开关网络改进型的主动均衡电路的实现，传统多开关或多元器件，实现存在延迟或高损耗。

上述任一实施例的开关网络改进型的主动均衡电路，包括电池正极开关和电池负极开关。电池正极开关，一端用于连接对应电池的正极，另一端用于连接电容；电池负极开关，一端用于连接对应电池的负极，另一端用于连接电容。其中，电池用于构成串联电池组，电池、电池正极开关、电池负极开关一一对应。基于此，改进主动均衡电路的开关网络，降低对串联电池组进行主动均衡所需的开关数量，同时，保留串联电池组的良好可拓展性。

上述任一实施例的开关网络改进型的主动均衡电路的均衡控制方法，在获取到各电池的电压后，调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以使电压大于第一设定电压的电池为电容充电，调整电池正极开关与电池负极开关的开关关系，以使电容为电压小于第二设定电压的电池放电。基于此，实现开关网络改进型的主动均衡电路对串联电池组的主动均衡控制。

对于本公开，还有以下几点需要说明：

(1)本公开的实施例附图只涉及到与本公开的实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

(2)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或结构的厚度和尺寸被放大。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。以上仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。