CN115663973A - 用于电池组的主动均衡电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电池组的主动均衡电路和方法。其中，该主动均衡电路的均衡模块包括：多个均衡单元，每个均衡单元与电池组中的相应一组相邻电池相连接，该均衡单元用于在前述相邻电池之间的能量失衡情形下，通过开关控制信号选通该均衡单元的能量传输路径，在前述相邻电池之间进行能量转移，以达到该相邻电池之间的能量均衡。由此可利用开关控制信号控制下均衡拓扑结构，实现能量路径的切换，可直接将能量从能量较高的电池转移到能量较低的电池中去，实现相邻电池之间能量转移，保证每个单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，提高均衡效率和电池组工作电压上限。

Description

用于电池组的主动均衡电路和方法

技术领域

本公开涉及电池管理技术领域，具体涉及一种用于电池组的主动均衡电路和方法。

背景技术

随着新能源行业的发展，电池***在汽车、储能领域得到了更广泛的应用。为了提升电池容量，电池串并联数目不断增加，但电池***中单体电压的不一致性会严重影响到电池容量，同时也会影响到电池组的使用寿命。依据“木桶效应”，电池组在循环寿命和容量利用率等方面明显劣于单体性能。随着电池组的循环使用，单体不一致性将加剧，进一步恶化锂离子电池的成组特性，极易发生少数单体过充过放情况，从而导致电池组性能大幅衰减，极端情况下甚至可能燃烧、***等恶性事故，给锂离子电池的应用推广造成极大的阻碍。

对电池组进行均衡控制，即在循环使用过程中，以能量消耗或者转移的方式对电池组内的单体能量适时进行平衡，从而降低单体发生过充过放的概率，消除放电深度差异对电池组的不利影响。具体的，当某节电池电压过低时，将所接电源的能量转移到该节电池上，反之，将电池电压过高的能量转移到电源，完整地实现在充电和放电时的实时均衡，发挥出每节电池的潜力。保证充电时每节电池都能够充满，放电时每节电池都能放至最低的极限，使电池组的每个节电池的能力能得到最充分的发挥。因而，提高了电池组的整体能量利用率，还可以延长电池循环寿命。

如图1所示为传统的电池管理***工作示意图，其中每一个均衡模块可控制相邻两节电池，具体的如：均衡模块A1控制电池BAT1与电池BAT2，均衡模块A2控制电池BAT3与电池BAT2，均衡模块A3控制电池BAT4与电池BAT3…以此类推，均衡模块An-1控制电池BATn与电池BATn-1，通过微控制单元（Micro Control Unit，MCU）控制均衡模块A1，A2，，，An-1的开启和关闭，由主动均衡芯片控制内部开关管实现能量转移，由于该特征，故n节电池需要n-1个均衡模块，每个模块需要1个电感和2个开关MOS管，因此，n节电池就需要n-1个电感和2(n-1)个开关MOS管，成本较高。

发明内容

本公开提供的一种用于电池组的主动均衡电路和方法，可以改善现有技术中串联电池组均衡拓扑存在均衡器件多和成本高的问题。

一方面本发明提供了一种用于电池组的主动均衡电路，所述电池组包括串联连接的多个电池，所述主动均衡电路包括：

多个均衡单元，每个均衡单元与所述多个电池中的相应一组相邻电池相连接，

所述均衡单元用于在所述相邻电池之间的能量失衡情形下，通过开关控制信号选通所述均衡单元的能量传输路径，在所述相邻电池之间进行能量转移，以达到所述相邻电池之间的能量均衡。

优选地，所述多个均衡单元分别包括：

多个储能元件，以及采用所述多个储能元件的充电和放电过程在所述相邻电池之间进行能量转移。

优选地，所述主动均衡电路工作在半桥模式下，至少可完成第n位电池及第(n+1)位电池之间的能量转移；

所述主动均衡电路工作在CUK模式下，至少可完成第(2*n)位电池及第(2*n+3)位电池之间的能量转移，其中，n为正奇数。

优选地，所述多个储能元件包括：

第一电感、第一电容、第二电容和第三电感，依次串联连接在第一电池与第二电池的中间节点和第五电池与第六电池的中间节点之间；以及

第二电感，连接在第三电池和第四电池的中间节点与所述第一电容与所述第二电容的中间节点之间。

优选地，所述多个均衡单元分别包括依次串联连接在所述第一电池与所述第六电池之间的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，

所述第一开关管与所述第二开关管的中间节点与所述第一电感和所述第一电容的中间节点连接，所述第二开关管和所述第三开关管的中间节点与所述第二电池和所述第三电池的中间节点连接，所述第三开关管与所述第四开关管的中间节点与所述第二电感和所述第一电容的中间节点连接，所述第四开关管和所述第五开关管的中间节点与所述第四电池和所述第五电池的中间节点连接，所述第五开关管和所述第六开关管的中间节点与所述第二电容和所述第三电感的中间节点连接。

优选地，所述主动均衡电路工作在半桥模式下，根据所述第一电池的电池电压控制所述第一开关管和所述第二开关管的导通状态。

优选地，在所述第一电池的电池电压大于所述第二电池的电压阈值时，在连续的第一时间段和第二时间段中控制所述第一开关管和所述第二开关管的导通状态，所述第一电池对所述第二电池进行充电。

优选地，在所述第一时间段中，所述第一开关管导通且所述第二开关管关断，所述第一电池对所述第一电感进行充电，

在所述第二时间段中，所述第一开关管关断且所述第二开关管导通，所述第一电感对所述第二电池进行充电。

优选地，在所述第一电池的电池电压小于所述第二电池的电压阈值时，在连续的第三时间段和第四时间段中控制所述第一开关管和所述第二开关管的导通状态，所述第二电池对所述第一电池进行充电。

优选地，在所述第三时间段中，所述第一开关管关断且所述第二开关管导通，所述第二电池对所述第一电感进行充电，

在所述第四时间段中，所述第一开关管导通且所述第二开关管关断，所述第一电感对所述第一电池进行充电。

优选地，所述第三电池、所述第四电池和所述第五电池的能量在所述第二电感、所述第三电感、所述第一电容和所述第二电容中做无功循环。

优选地，所述主动均衡电路工作在CUK模式下，根据所述第二电池的电池电压控制所述第二开关管和所述第五开关管的导通状态。

优选地，在所述第二电池的电池电压大于所述第五电池的电压阈值时，在连续的第一时间段和第二时间段中控制所述第二开关管和所述第五开关管的导通状态，所述第二电池对所述第五电池进行充电。

优选地，在所述第一时间段中，所述第二开关管导通且所述第五开关管关断，所述第二电池对所述第一电感进行充电，且所述第一电容和所述第二电容对所述第三电感进行充电，

在所述第二时间段中，所述第二开关管关断且所述第五开关管导通，所述第三电感对所述第五电池进行充电，且所述第一电感对所述第一电容和所述第二电容进行充电。

优选地，在所述第二电池的电池电压小于所述第五电池的电压阈值时，在连续的第三时间段和第四时间段中控制所述第二开关管和所述第五开关管的导通状态，所述第五电池对所述第二电池进行充电。

优选地，在所述第三时间段中，所述第二开关管关断且所述第五开关管导通，所述第五电池对所述第三电感进行充电，且所述第一电容和所述第二电容对所述第一电感进行充电，

在所述第四时间段中，所述第二开关管导通且所述第五开关管关断，所述第一电感对所述第二电池进行充电，且所述第三电感对所述第一电容和所述第二电容进行充电。

另一方面本发明还提供了一种用于电池组的主动均衡方法，所述电池组包括串联连接的多个电池，所述多个电池中的相邻电池与相应的均衡单元相连接，所述主动均衡方法包括：

检测所述相邻电池中的目标电池的电池电压；

根据所述电池电压判断所述相邻电池的能量失衡情形；以及

在所述相邻电池之间的能量失衡情形下，通过开关控制信号选通所述均衡单元的能量传输路径，在所述相邻电池之间进行能量转移，以达到所述相邻电池之间的能量均衡。

优选地，根据所述电池电压判断所述相邻电池的能量失衡情形的步骤包括：

将所述目标电池的电池电压与所述相邻电池中的其余电池的电压阈值进行比较；以及

在所述目标电池的电池电压大于或小于所述电压阈值时确认存在能量失衡情形。

优选地，在根据所述电池电压判断所述相邻电池的能量失衡情形的步骤后，所述主动均衡方法还包括：

选择主动均衡电路工作在半桥模式或CUK模式，

其中，选择主动均衡电路工作在半桥模式，则在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

采用储能元件的充电和放电过程在相邻两个电池之间进行能量转移，所述储能元件包括连接在所述相邻两个电池之间的第一电感，

选择主动均衡电路工作在CUK模式，则在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

采用多个储能元件的充电和放电过程在所述相邻电池之间进行能量转移，所述多个储能元件包括依次串联连接在第一电池与第二电池的中间节点和第五电池与第六电池的中间节点之间的第一电感、第一电容、第二电容和第三电感。

优选地，所述目标电池为第一电池，选择主动均衡电路工作在半桥模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在所述第一电池的电池电压大于所述第二电池的电压阈值时，

在第一时间段中，控制所述第一电池对所述第一电感进行充电，在第二时间段中，控制所述第一电感对所述第二电池进行充电。

优选地，所述目标电池为第一电池，选择主动均衡电路工作在半桥模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在所述第一电池的电池电压小于所述第二电池的电压阈值时，

在第三时间段中，控制所述第二电池对所述第一电感进行充电，在第四时间段中，控制所述第一电感对所述第一电池进行充电。

优选地，所述目标电池为第二电池，选择主动均衡电路工作在CUK模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在所述第二电池的电池电压大于所述第五电池的电压阈值时，

在第一时间段中，控制所述第二电池对所述第一电感进行充电，且控制所述第一电容和所述第二电容对所述第三电感进行充电，

在第二时间段中，控制所述第三电感对所述第五电池进行充电，且控制所述第一电感对所述第一电容和所述第二电容进行充电。

优选地，所述目标电池为第二电池，选择主动均衡电路工作在CUK模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在所述第二电池的电池电压小于所述第五电池的电压阈值时，

在第三时间段中，控制所述第五电池对所述第三电感进行充电，且控制所述第一电容和所述第二电容对所述第一电感进行充电，

在第四时间段中，控制所述第一电感对所述第二电池进行充电，且控制所述第三电感对所述第一电容和所述第二电容进行充电。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种用于电池组的主动均衡电路和方法，所述电池组包括串联连接的多个电池，所述主动均衡电路包括：多个均衡单元，每个均衡单元与所述多个电池中的相应一组相邻电池相连接，所述均衡单元用于在所述相邻电池之间的能量失衡情形下，通过开关控制信号选通所述均衡单元的能量传输路径，在所述相邻电池之间进行能量转移，以达到所述相邻电池之间的能量均衡。由此可在不同工作模式下，利用开关控制信号控制下均衡拓扑结构，实现能量路径的切换，可直接将能量从能量较高的电池转移到能量较低的电池中去。

半桥模式，适用于基于最小均衡单元（连接两节电池）拓扑结构的能量转移，可实现相邻电池之间能量转移；CUK模式，适用于其他任意偶数位（2*n）电池与奇数位(2*n+3)电池之间的能量转移，基于相邻的最小均衡单元的共元件连接设计，可实现不相邻电池之间能量转移，保证每个单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，延长电池组的使用寿命。

进一步的，可通过控制开关控制信号的频率与占空比，使电感电容电路工作在准谐振状态下，保证每次开关导通或关闭时，电感电容串联电路的电流都为零，实现零电流切换，大大减小均衡电路的开关损耗。

同时，本公开提供的主动均衡电路对电池串数没有限制，能极大地提高了电池组的工作电压上限，且拓扑结构简单，模块工作数量少，能有效提高均衡效率。

此外，基于最小均衡单元（连接两节电池）的拓扑结构，及相邻的最小均衡单元的共电感连接设计，本公开提供的主动均衡电路中模块高度集成化，均衡器件少，成本低。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出传统的电池***中均衡电路的部分结构示意图；

图2示出本公开实施例提供的主动均衡电路的拓扑结构示意图；

图3a和图3b分别示出图2所示主动均衡电路在半桥模式下能量上传的第一时间段内和第二时间段内的工作示意图；

图3c和图3d分别示出图2所示主动均衡电路在半桥模式下能量下传的第三时间段内和第四时间段内的工作示意图；

图4a和图4b分别示出图2所示主动均衡电路在CUK模式能量上传的第一时间段内和第二时间段内的工作示意图；

图4c和图4d分别示出图2所示主动均衡电路在CUK模式能量下传的第三时间段内和第四时间段内的工作示意图；

图5示出本公开实施例提供的电池管理***的结构示意图；

图6示出本公开实施例提供的电池管理***中主动均衡方法的流程示意图；

图7示出图6所示主动均衡方法应用在图2所示主动均衡电路中的模型应用示意图。

具体实施方式

为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的较佳实施例。但是，本公开可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。

为了改善现有技术中电池组的不一致性问题，提高电池组的整体性能，则需要采用均衡控制。目前锂离子电池组均衡控制的方法，根据均 衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类；耗散型即为在每节单体电池外并联分流电阻，通过控制相应的开关器件将剩余容量偏高的电池模块的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡过程中产生了大量的热，增加了电池热管理的负荷。非耗散型通过电池外部DC-DC电路实现能量的转移。

按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，通过减小充电电流防止过充电；放电均衡是指在放电过程中的均衡，通过向剩余能量低的电池单体补充能量来防止过放电；动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，是指在整个充放电过程中对电池组进行的均衡。按照均衡器件不同可分为开关电容型，开关电感型，变压器型，DC-DC变化器型等拓扑。

传统开关电容均衡电路结构简单，控制方法简单。但是存在开关均为硬开关，损耗大，均衡效率较低，均衡速度慢等问题。且均衡器件多，均衡电路体积较大，成本高。而基于LC准谐振的均衡电路，其均衡电流受限于LC两端的电池压差，随着电池压差的减小，LC准谐振电路的均衡电流将急剧减小，均衡速度大幅降低。

基于此，本发明实施例提供一种用于电池组的主动均衡电路和方法，以改善现有技术中串联电池组均衡拓扑存在较高功率损耗，均衡器件多，均衡效率低和成本高的问题。

下面，参照附图对本公开进行详细说明。

图2示出本公开实施例提供的主动均衡电路的拓扑结构示意图。

参考图2，一方面本公开提供了一种用于电池组200的主动均衡电路100，该主动均衡电路100包括：多个均衡单元（未示出），每个均衡单元与电池组200中的相应一组相邻电池相连接，其中，该电池组200包括多个串联连接的电池，如图2所示，以六串电池示意为例，如；从下往上顺次连接的电池BAT1，BAT2，BAT3，BAT4，BAT5，BAT6。所述多个均衡单元分别包括：多个储能元件，以及所述均衡单元采用所述多个储能元件的充电和放电过程在所述相邻电池之间进行能量转移。参考图2该主动均衡电路100包括开关管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6，以及前述的多个储能元件，该多个储能元件包括功率电感L1，L2和L3，以及储能电容C1和C2，当需要对电池组200进行均衡维护时，微控制单元（Micro Control Unit，MCU）在本实施例中由电池管理***（未示出）提供）将会执行均衡运算策略，并将开关控制信号发送给需要运行的驱动器（未示出），由对应的驱动器控制与之连接的开关管的通断以进行能量转移，从而实现了整个电池管理***的能量转移。

在本实施例中，主动均衡是一种动态均衡，由均衡单元与相邻均衡单元的连接设计配合完成，同时在均衡单元中又可根据工作需求选择相应的工作模式，如：主动均衡电路100工作在半桥模式下，至少可完成第n位电池及第(n+1)位电池之间（如：电池BAT1和BAT2）的能量转移；主动均衡电路100工作在CUK模式下，至少可完成第(2*n)位电池及第(2*n+3)位电池之间（如：电池BAT2和BAT5）的能量转移，以完成均衡单元连接的相邻单体电池之间的能量均衡，其中，n为正奇数。当电池组200中电池电量差异大到主动均衡电路工作要求时，各均衡单元开始工作。当电池组200中电池差异小于设定值时，主动均衡电路100停止工作，均衡工作结束。所有主动均衡电路100中的开关器件响应于开关控制信号（如：EN1~EN6，由电池管理***提供，在本实施例中其电路未提供），通过控制开关器件Q1~Q6的通断，来控制能量的转移，从而实现电池组200的均衡。

在本实施例中，该***拓扑结构原则上对单体电池的串联连接数量没有限制，向上可无限级联，能极大地提高了电池组200的工作电压上限。

在本实施例中，主动均衡电路100包括多个顺次串联的均衡单元，每个均衡单元管理其连接的至少两节相邻的电池，有别于图1所示现有技术的均衡电路，其拓扑结构简单，模块高度集成化，均衡效率高，且均衡器件少，电路体积小，能极大的节约成本。

均衡单元可用于在一组相邻电池之间的能量失衡情形下，选择在不同工作模式下，利用开关控制信号控制下均衡拓扑结构，实现能量路径的切换，通过开关控制信号选通该均衡单元的能量传输路径，使能量从能量较高的电池转移到能量较低的电池中去，达到该至少两节相邻的电池之间的电池电压均衡。

在本实施例中，选择图2示出的主动均衡电路100中连接一组相邻电池BAT1~BAT6的一个均衡单元为例，该均衡单元中包括依次串联连接在电池BAT1与电池BAT6之间的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6，且该开关管Q1~开关管Q6的控制端依次接入开关控制信号EN1~EN6。

该均衡单元中的多个储能元件包括电感L1、电感L2、电容C1、电容C2和电感L3，电感L1、电容C1、电容C2和电感L3依次串联连接在电池BAT1与电池BAT2的中间节点和电池BAT5与电池BAT6的中间节点之间，电感L2连接在电池BAT3和电池BAT4的中间节点与电容C1与电容C2的中间节点之间。

其中，开关管Q1与开关管Q2的中间节点与电感L1和电容C1的中间节点连接，开关管Q2和开关管Q3的中间节点与电池BAT2和电池BAT3的中间节点连接，开关管Q3与开关管Q4的中间节点与电感L2和电容C1的中间节点连接，开关管Q4和开关管Q5的中间节点与电池BAT4和电池BAT5的中间节点连接，开关管Q5和开关管Q6的中间节点与电容C2和电感L3的中间节点连接。

主动均衡电路100可选择其均衡单元工作在不同的工作模式：半桥模式，适用于基于最小均衡单元（连接两节电池）拓扑结构的能量转移，可实现相邻电池之间能量转移；CUK模式，适用于其他任意偶数位（2*n）电池与奇数位(2*n+3)电池之间的能量转移，基于相邻的最小均衡单元的共元件连接设计，可实现不相邻电池之间能量转移，以保证每个单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，延长电池组的使用寿命。

图3a和图3b分别示出图2所示主动均衡电路在半桥模式下能量上传的第一时间段内和第二时间段内的工作示意图，图3c和图3d分别示出图2所示主动均衡电路在半桥模式下能量下传的第三时间段内和第四时间段内的工作示意图，图4a和图4b分别示出图2所示主动均衡电路在CUK模式能量上传的第一时间段内和第二时间段内的工作示意图，图4c和图4d分别示出图2所示主动均衡电路在CUK模式能量下传的第三时间段内和第四时间段内的工作示意图。

在本实施例中，主动均衡电路100工作在半桥模式下，可根据电池BAT1的电池电压控制开关管Q1和开关管Q2的导通状态。

具体的，在一个实施例中，电池BAT1的电池电压高于电池BAT2的电池电压的状态下，主动均衡工作进行能量上传，响应于开关控制信号EN1~EN6，在连续的第一时间段和第二时间段中控制开关管Q1和开关管Q2的导通状态，使电池BAT1的能量向电池BAT2进行充电，达到第一电池电压与第二电池电压的均衡。

如图3a所示，在第一时间段内，开关管Q1处于导通状态，开关管Q2处于断开状态，且开关管Q3~开关管Q6均处于断开状态，电池BAT1能量通过回路储存到电感L1中；如图3b所示，在第二时间段内，断开开关管Q1使其处于断开状态，且闭合开关管Q2使其处于导通状态，电感L1中的能量对电池BAT2充电，完成电池BAT1对电池BAT2的充电，且在该过程中，电池BAT3、电池BAT4、电池BAT5的能量在电感L2、电感L3和电容C1、电容C2中做无功循环。

在另一个实施例中，电池BAT1的电池电压低于电池BAT2的电池电压的状态下，响应于开关控制信号EN1~EN6，在连续的第三时间段和第四时间段中控制开关管Q1和开关管Q2的导通状态，使电池BAT2的能量向电池BAT1进行转移，达到第一电池电压与第二电池电压的均衡。

如图3c所示，在第三时间段内，开关管Q1处于断开状态，开关管Q2处于导通状态，且开关管Q3~开关管Q6均处于断开状态，电池BAT2能量通过回路储存到电感L1中；如图3d所示，在第四时间段内，闭合开关管Q1使其处于到导通状态，且断开开关管Q2使其处于断开状态，电感L1中的能量对电池BAT1充电，完成电池BAT2对电池BAT1的充电，且在该过程中，电池BAT3、电池BAT4、电池BAT5的能量在电感L2、电感L3和电容C1、电容C2中做无功循环。

在本实施例中，主动均衡电路100还可选择工作在CUK模式下，并可根据电池BAT2的电池电压控制开关管Q2和开关管Q5的导通状态。

具体的，在一个实施例中，电池BAT2的电压高于电池BAT5的第五电池电压的状态下，主动均衡工作进行能量上传，响应于开关控制信号EN1~EN6，在连续的第一时间段和第二时间段中控制开关管Q2和开关管Q5的导通状态，使电池BAT2的能量向电池BAT5进行充电，达到不相邻电池之间的能量均衡。

如图4a所示，在第一时间段内，开关管Q2处于导通状态，开关管Q5处于断开状态，且其他开关管Q1、Q3、Q4和Q6均处于断开状态，电池BAT2能量通过回路储存到电感L1中，且电容C1和电容C2通过电池BAT5、电池BAT4、电池BAT3和开关管Q2组成的连通通路将能量存储在电感L3中；如图4b所示，在第二时间段内，断开开关管Q2使其处于断开状态，且闭合开关管Q5使其处于导通状态，电感L3的能量通过开关管Q5给电池BAT5进行充电，同时电感L1存储的能量通过电池BAT2、电池BAT3、电池BAT4和开关管Q5组成的连通通路给储能电容C1、C2进行充电。

在另一个实施例中，电池BAT2的电池电压低于电池BAT5的电池电压的状态下，响应于开关控制信号EN1~EN6，在连续的第三时间段和第四时间段中控制开关管Q2和开关管Q5的导通状态，使电池BAT5的能量向电池BAT2进行充电，达到不相邻电池之间的能量均衡。

如图4c所示，在第三时间段内，开关管Q2处于断开状态，开关管Q5处于导通状态，且其他开关管Q1、Q3、Q4和Q6均处于断开状态，电池BAT5的能量通过开关管Q5存储在电感L3中，同时储能电容C1、C2通过开关管Q5、电池BAT4、电池BAT3和电池BAT2组成的连通通路将能量存储在电感L1中；如图4d所示，在第四时间段内，闭合开关管Q2使其处于导通状态，且断开开关管Q5使其处于断开状态，电感L1的能量通过开关管Q2给电池BAT2进行充电，同时电感L3存储的能量给储能电容C1和电容C2充电，进而完成电池BAT5到电池BAT2的能量转移。

在一些实施例中，响应于前述的开关控制信号，开关管Q1和开关管Q2均表征为高电平处于导通状态，低电平处于断开状态，或者，开关管Q1和开关管Q2均表征为低电平处于导通状态，高电平处于断开状态。

由此，本公开实施例提供的主动均衡电路100可实现一组相邻电池之间的能量转移，具体表现为上述中的相邻电池之间通过半桥模式实现能量转移，不相邻电池之间通过CUK模式实现能量转移，以保证每个单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，延长电池组的使用寿命。

进一步的，以图2所示主动均衡电路100中连接电池BAT1~电池BAT6的均衡单元为例，在上述实施例中，通过新的拓扑结构设计，采用远少于现有技术中的均衡拓扑结构的元件，实现上述一组电池之间的能量均衡，并以此串接在一起形成上述的主动均衡电路100，其独特的连接设计相比于图1所示结构，其拓扑结构简单，模块高度集成化，能有效提高均衡效率，且其均衡器件少，电路体积小，能极大的节约成本。

在本实施例中，上述单体电池BAT1~BAT6是二次电池，可选自以下锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池中的任意一种。

在本实施例中，主动均衡电路100中的均衡单元采用电感电容储能均衡拓扑，其物理模型为buck-boost拓扑结构，可采用单体电池电压不一致指标或者SOC不一致指标作为均衡变量，在本实施例中，是以电压不一致指标作为均衡变量的，当然并不以此作为限制，在可替代的其他实施例中，也可采用本领域普通技术人员易于想到的参数作为检测指标来实现主动能量均衡，以减小均衡电路的开关损耗，提高均衡速度，延长电池组的使用寿命。

本公开实施例通过对串联电池组采用一种新的主动均衡拓扑电路来保证电池组中的单体电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，以改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小串联电池组的维修和更换周期，延长电池组的使用寿命，降低其在混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站等应用场景下的运行成本。

进一步的，在其他一些实施例中，前述主动均衡电路100管理其连接的m节顺次串联的电池，BAT1~BATm，其中，m为可以被2整除的正整数，该均衡单元用于实现m节相邻电池之间的电池电压均衡。

进一步的，本公开中的主动均衡电路的拓扑结构，可通过控制开关控制信号的频率与占空比，使电感电容电路工作在准谐振状态下，保证每次开关导通或关闭时，电感电容串联电路的电流都为零，实现零点流切换，大大减小均衡电路的开关损耗，且储能器件少，电路体积小，均衡速度快，适用于电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理***。

图5示出本公开实施例提供的电池管理***的结构示意图。

参考图5，另一方面本公开实施例还提供了一种电池管理***300，其中至少包括：电池组200，如前所述的主动均衡电路100，驱动器1~驱动器6，以及微控制单元（MicroControl Unit，MCU）。主动均衡电路100中的均衡单元与前述实施例相同，在此以图2所示6个单体电池串联组成电池组200为例进行说明，其结构及工作原理不做赘述。该主动均衡电路100中的各开关管Q1~Q6的控制引脚分别连接在对应的驱动器1~6上，而各驱动器的输入引脚则与MCU的对应I/O引脚连接。

当需要对电池组200进行均衡维护时，MCU将会执行均衡运算策略，并将开关控制信号EN1~EN6发送给需要运行的驱动器1~驱动器6，由对应的驱动器控制开关管（如：驱动器1提供开关控制信号EN1到开关管Q1，以控制开关管Q1的通断，其他与之类似）的通断以进行能量转移，从而实现了整个电池管理***的能量转移。

均衡单元在相邻电池之间的能量失衡情形下，可通过选择相应的工作模式，利用开关控制信号选通均衡单元的能量传输路径，使前述至少两节相邻的电池之间进行能量转移，达到相邻电池之间的电池电压均衡。

在本实施例中的主动均衡电路100中，利用Buck-Boost均衡拓扑结构的均衡单元与相邻均衡单元的连接设计配合完成主动均衡电路100的主动均衡工作，通过控制主动均衡电路100工作在BUK模式可实现不相邻偶数位（2*n）电池与奇数位(2*n+3)电池之间的能量转移，通过控制主动均衡电路100工作在半桥模式可实现相邻第n位电池及第(n+1)位电池之间的能量转移，当电池组中电池电量差异大到均衡电路工作要求时，各均衡单元开始工作。当电池组200中电池差异小于设定值时，主动均衡电路停止工作，均衡工作结束。所有主动均衡电路100中的开关管受控于开关控制信号，通过控制各开关管的通断，来控制能量的转移，从而实现电池组的均衡。以保证每个单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题。

这种结构即可以实现相邻单体电池/不相邻单体电池之间进行均衡，还能和相隔“较远”的电池进行能量交换，均衡时间显著缩短，且其拓扑结构简单，模块工作数量少，能极大地效提高均衡效率。

同时，本公开提供的电池管理***300对电池串数没有限制，能极大地提高了电池组的工作电压上限。

需要理解的是，上述电池管理***300还存在其他模块结构，如用于检测电池组200各节电池的电池电压的检测电路，基于MCU芯片控制指令生成具有逻辑时序的开关控制信号的控制电路，以及连接在高压区域与低压区域之间的隔离变压器等，因其模块结构及电路原理为现有公开技术中所熟知的，故在此并未示出亦不做赘述，但并不作为对本公开的限制。

图6示出本公开实施例提供的电池管理***中主动均衡方法的流程示意图，图7示出图6所示主动均衡方法应用在图2所示主动均衡电路中的模型应用示意图。例如，在图2所示的主动均衡电路中执行下文描述的主动均衡方法，具体为：

在步骤S01中，检测所述相邻电池中的目标电池的电池电压。

如上所述，电池组包括串联连接的多个电池BAT1~BAT6，多个电池中的相邻电池与相应的均衡单元相连接。在该步骤中，检测所述相邻电池中的目标电池的电池电压。

在步骤S02中，根据所述电池电压判断所述相邻电池的能量失衡情形。

在该步骤中，将所述目标电池的电池电压与所述相邻电池中的其余电池的电压阈值进行比较；以及在所述目标电池的电池电压大于或小于所述电压阈值时确认存在能量失衡情形。

在步骤S03中，在所述相邻电池之间的能量失衡情形下，通过开关控制信号选通所述均衡单元的能量传输路径，在所述相邻电池之间进行能量转移，以达到所述相邻电池之间的能量均衡。

参考图7，本实施例中，在根据所述电池电压判断所述相邻电池的能量失衡情形的步骤后，所述主动均衡方法还包括：

选择主动均衡电路工作在半桥模式或CUK模式，

其中，选择主动均衡电路工作在半桥模式，则在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

采用储能元件的充电和放电过程在所述相邻两个电池之间进行能量转移，所述储能元件包括连接在所述相邻两个电池之间的第一电感，

选择主动均衡电路工作在CUK模式，则在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

采用多个储能元件的充电和放电过程在所述相邻电池之间进行能量转移，所述多个储能元件包括依次串联连接在第一电池与第二电池的中间节点和第五电池与第六电池的中间节点之间的第一电感、第一电容、第二电容和第三电感。

在一些实施例中，所述目标电池为电池BAT1，选择主动均衡电路工作在半桥模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在电池BAT1的电池电压大于电池BAT2的电压阈值时，

在第一时间段中，控制电池BAT1对电感L1进行充电，在第二时间段中，控制电感L1对所述电池BAT2进行充电。

在另一些实施例中，所述目标电池为电池BAT1，选择主动均衡电路工作在半桥模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在电池BAT1的电池电压小于电池BAT2的电压阈值时，

在第三时间段中，控制电池BAT2对所述电感L1进行充电，在第四时间段中，控制电感L1对电池BAT1进行充电。

在一些实施例中，所述目标电池为电池BAT2，选择主动均衡电路工作在CUK模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在电池BAT2的电池电压大于电池BAT5的电压阈值时，

在第一时间段中，控制电池BAT2对电感L1进行充电，且控制电容C1和电容C2对电感L3进行充电，

在第二时间段中，控制电感L3对电池BAT5进行充电，且控制电感L1对电容C1和电容C2进行充电。

在另一些实施例中，所述目标电池为电池BAT2，选择主动均衡电路工作在CUK模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在电池BAT2的电池电压小于电池BAT5的电压阈值时，

在第三时间段中，控制电池BAT5对电感L3进行充电，且控制电容C1和电容C2对电感L1进行充电，

在第四时间段中，控制电感L1对电池BAT2进行充电，且控制电感L3对电容C1和电容C2进行充电。

在本实施例中，前述的主动均衡方法应用在图2所示的主动均衡电路100中，利用其均衡单元的拓扑结构，及相邻均衡单元的共元件连接设计，可以在相邻电池/不相邻电池之间的能量失衡情形下，选择对应的工作模式，并通过开关控制信号控制下均衡拓扑结构，实现能量路径的切换，可直接将能量从能量较高的电池转移到能量较低的电池中去，使相邻电池/不相邻电池之间进行能量转移，达到该相邻电池/不相邻电池之间的电池电压均衡。减小主动均衡电路的开关损耗，改善串联电池组不均衡的现象，提高均衡效率，延长电池组的使用寿命。

在本实施例中，半桥模式适用于基于最小均衡单元（连接两节电池）拓扑结构的能量转移，可实现相邻电池之间能量转移；CUK模式适用于其他任意偶数位（2*n）电池与奇数位(2*n+3)电池之间的能量转移，其中n为正奇数，基于均衡单元的拓扑结构及相邻均衡单元的连接设计，可实现多个相邻电池之间能量转移，保证每个单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题。

应当说明的是，在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本公开所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本公开的保护范围之中。

Claims (23)

1.一种用于电池组的主动均衡电路，所述电池组包括串联连接的多个电池，所述主动均衡电路包括：

多个均衡单元，每个均衡单元与所述多个电池中的相应一组相邻电池相连接，

所述均衡单元用于在所述相邻电池之间的能量失衡情形下，通过开关控制信号选通所述均衡单元的能量传输路径，在所述相邻电池之间进行能量转移，以达到所述相邻电池之间的能量均衡。

2.根据权利要求1所述的主动均衡电路，其中，所述多个均衡单元分别包括：

多个储能元件，以及采用所述多个储能元件的充电和放电过程在所述相邻电池之间进行能量转移。

3.根据权利要求2所述的主动均衡电路，其中，所述主动均衡电路工作在半桥模式下，至少可完成第n位电池及第(n+1)位电池之间的能量转移；

所述主动均衡电路工作在CUK模式下，至少可完成第(2*n)位电池及第(2*n+3)位电池之间的能量转移，其中，n为正奇数。

4.根据权利要求3所述的主动均衡电路，其中，所述多个储能元件包括：

第一电感、第一电容、第二电容和第三电感，依次串联连接在第一电池与第二电池的中间节点和第五电池与第六电池的中间节点之间；以及

第二电感，连接在第三电池和第四电池的中间节点与所述第一电容与所述第二电容的中间节点之间。

5.根据权利要求4所述的主动均衡电路，其中，所述多个均衡单元分别包括依次串联连接在所述第一电池与所述第六电池之间的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，

所述第一开关管与所述第二开关管的中间节点与所述第一电感和所述第一电容的中间节点连接，所述第二开关管和所述第三开关管的中间节点与所述第二电池和所述第三电池的中间节点连接，所述第三开关管与所述第四开关管的中间节点与所述第二电感和所述第一电容的中间节点连接，所述第四开关管和所述第五开关管的中间节点与所述第四电池和所述第五电池的中间节点连接，所述第五开关管和所述第六开关管的中间节点与所述第二电容和所述第三电感的中间节点连接。

6.根据权利要求5所述的主动均衡电路，其中，所述主动均衡电路工作在半桥模式下，根据所述第一电池的电池电压控制所述第一开关管和所述第二开关管的导通状态。

7.根据权利要求6所述的主动均衡电路，其中，在所述第一电池的电池电压大于所述第二电池的电压阈值时，在连续的第一时间段和第二时间段中控制所述第一开关管和所述第二开关管的导通状态，所述第一电池对所述第二电池进行充电。

8.根据权利要求7所述的主动均衡电路，其中，在所述第一时间段中，所述第一开关管导通且所述第二开关管关断，所述第一电池对所述第一电感进行充电，

在所述第二时间段中，所述第一开关管关断且所述第二开关管导通，所述第一电感对所述第二电池进行充电。

9.根据权利要求6所述的主动均衡电路，其中，在所述第一电池的电池电压小于所述第二电池的电压阈值时，在连续的第三时间段和第四时间段中控制所述第一开关管和所述第二开关管的导通状态，所述第二电池对所述第一电池进行充电。

10.根据权利要求9所述的主动均衡电路，其中，在所述第三时间段中，所述第一开关管关断且所述第二开关管导通，所述第二电池对所述第一电感进行充电，

在所述第四时间段中，所述第一开关管导通且所述第二开关管关断，所述第一电感对所述第一电池进行充电。

11.根据权利要求8或10所述的主动均衡电路，其中，所述第三电池、所述第四电池和所述第五电池的能量在所述第二电感、所述第三电感、所述第一电容和所述第二电容中做无功循环。

12.根据权利要求5所述的主动均衡电路，其中，所述主动均衡电路工作在CUK模式下，根据所述第二电池的电池电压控制所述第二开关管和所述第五开关管的导通状态。

13.根据权利要求12所述的主动均衡电路，其中，在所述第二电池的电池电压大于所述第五电池的电压阈值时，在连续的第一时间段和第二时间段中控制所述第二开关管和所述第五开关管的导通状态，所述第二电池对所述第五电池进行充电。

14.根据权利要求13所述的主动均衡电路，其中，在所述第一时间段中，所述第二开关管导通且所述第五开关管关断，所述第二电池对所述第一电感进行充电，且所述第一电容和所述第二电容对所述第三电感进行充电，

在所述第二时间段中，所述第二开关管关断且所述第五开关管导通，所述第三电感对所述第五电池进行充电，且所述第一电感对所述第一电容和所述第二电容进行充电。

15.根据权利要求12所述的主动均衡电路，其中，在所述第二电池的电池电压小于所述第五电池的电压阈值时，在连续的第三时间段和第四时间段中控制所述第二开关管和所述第五开关管的导通状态，所述第五电池对所述第二电池进行充电。

16.根据权利要求15所述的主动均衡电路，其中，在所述第三时间段中，所述第二开关管关断且所述第五开关管导通，所述第五电池对所述第三电感进行充电，且所述第一电容和所述第二电容对所述第一电感进行充电，

在所述第四时间段中，所述第二开关管导通且所述第五开关管关断，所述第一电感对所述第二电池进行充电，且所述第三电感对所述第一电容和所述第二电容进行充电。

17.一种用于电池组的主动均衡方法，所述电池组包括串联连接的多个电池，所述多个电池中的相邻电池与相应的均衡单元相连接，所述主动均衡方法包括：

检测所述相邻电池中的目标电池的电池电压；

根据所述电池电压判断所述相邻电池的能量失衡情形；以及

在所述相邻电池之间的能量失衡情形下，通过开关控制信号选通所述均衡单元的能量传输路径，在所述相邻电池之间进行能量转移，以达到所述相邻电池之间的能量均衡。

18.根据权利要求17所述的主动均衡方法，其中，根据所述电池电压判断所述相邻电池的能量失衡情形的步骤包括：

将所述目标电池的电池电压与所述相邻电池中的其余电池的电压阈值进行比较；以及

在所述目标电池的电池电压大于或小于所述电压阈值时确认存在能量失衡情形。

19.据权利要求18所述的主动均衡方法，其中，在根据所述电池电压判断所述相邻电池的能量失衡情形的步骤后，所述主动均衡方法还包括：

选择主动均衡电路工作在半桥模式或CUK模式，

其中，选择主动均衡电路工作在半桥模式，则在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

采用储能元件的充电和放电过程在相邻两个电池之间进行能量转移，所述储能元件包括连接在所述相邻两个电池之间的第一电感，

选择主动均衡电路工作在CUK模式，则在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

采用多个储能元件的充电和放电过程在所述相邻电池之间进行能量转移，所述多个储能元件包括依次串联连接在第一电池与第二电池的中间节点和第五电池与第六电池的中间节点之间的第一电感、第一电容、第二电容和第三电感。

20.根据权利要求19所述的主动均衡方法，其中，所述目标电池为第一电池，选择主动均衡电路工作在半桥模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在所述第一电池的电池电压大于所述第二电池的电压阈值时，

在第一时间段中，控制所述第一电池对所述第一电感进行充电，在第二时间段中，控制所述第一电感对所述第二电池进行充电。

21.根据权利要求19所述的主动均衡方法，其中，所述目标电池为第一电池，选择主动均衡电路工作在半桥模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在所述第一电池的电池电压小于所述第二电池的电压阈值时，

在第三时间段中，控制所述第二电池对所述第一电感进行充电，在第四时间段中，控制所述第一电感对所述第一电池进行充电。

22.根据权利要求19所述的主动均衡方法，其中，所述目标电池为第二电池，选择主动均衡电路工作在CUK模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在所述第二电池的电池电压大于所述第五电池的电压阈值时，

在第一时间段中，控制所述第二电池对所述第一电感进行充电，且控制所述第一电容和所述第二电容对所述第三电感进行充电，

在第二时间段中，控制所述第三电感对所述第五电池进行充电，且控制所述第一电感对所述第一电容和所述第二电容进行充电。

23.根据权利要求19所述的主动均衡方法，其中，所述目标电池为第二电池，选择主动均衡电路工作在CUK模式，在所述相邻电池之间进行能量转移的步骤包括：

在所述第二电池的电池电压小于所述第五电池的电压阈值时，

在第三时间段中，控制所述第五电池对所述第三电感进行充电，且控制所述第一电容和所述第二电容对所述第一电感进行充电，

在第四时间段中，控制所述第一电感对所述第二电池进行充电，且控制所述第三电感对所述第一电容和所述第二电容进行充电。

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