本发明涉及锂电池领域，特别是涉及一种改进的飞跨电容均衡电路及其均衡方法。
背景技术：
锂电池作为一种广泛使用的能量源，日益广泛地用于日常生活中，但是单个电池储能有限，或者充电时间过长，所以通常会将多个电池组合为电池组使用，除了方便更换，更加可靠外，大大节省了充电时间，延长电池使用寿命。但是其问题也很明显，动力电池组在经过多个充放电循环后，各电池单体的剩余容量的分布大致将会出现高低不一的情况，若不加以均衡电池组由于内阻不同等原因，在使用时会出现充电不均匀的问题将容易出现过充和过放现象继而使得电池发热，能量损耗，影响使用寿命甚至引发火灾，为了改善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，
现有的均衡充电方法中，采用电容中转能量，但在该飞跨电容均衡拓扑中，存在均衡过程中开关开通与关断瞬间电流较大，开关损耗比较高的问题，单个脉冲宽度调制周期内，电容可传递能量较少，电容均衡拓扑普遍存在均衡时间较长的缺点，又因为在均衡过程中，传统飞跨电容均衡电路中存在较高的开关损耗，所以单个脉冲宽度调制周期内，电容传递的能量将有相当一部分消耗在开关上，因此实际均衡时间比理论均衡时间更长。
技术实现要素：
针对现有技术缺点，提供一种可以实现开关在开通与关断瞬间，电流为零的均衡电路以及均衡方式，能大大降低开关损耗，提高均衡效率。
一种改进的飞跨电容均衡电路，包括串联电池组，单刀双掷开关组，若干lc串联储能电路，1个开关控制器(主控单元、主控制器)，若干路开关驱动电路；串联电池组由若干电池bi(i＝1,2,3,……,n)串联组成，串联电池组中的电池bi(i＝1,2,3,……,n)可以是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池中任意一种，是接受均衡的主体；
单刀双掷开关组由若干单刀双掷开关si串联组成；单刀双掷开关si由两个n沟道mosfet管同向串联组成，第一mosfet管的漏极d为单刀双掷开关si的第一静态接触端子sia，第二mosfet管的源极s为si的第二静态接触单子sib，两个mosfet管的连接点为si的选择端子sic；
单刀双掷开关si由两个n沟道mosfet管同向串联组成，有三个接触端子，包括开关第一静态接触端子sia，第二静态接触单子sib，选择端子sic。
lc串联储能电路工作在准谐振状态下，均衡电路的开关频率fs，根据均衡电路中的集总参数r、l、c确定，确保lc串联电路工作在准谐振状态，在每个开关时刻lc串联电路的电流降低为零。
串联电池组，由若干电池bi串联组成。
单刀双掷开关组，共有若干单刀双掷开关si，其中单刀双掷开关si有三个接触端子开关第一静态接触端子sia，第二静态接触单子sib，选择端子sic。单刀双掷开关si由两个n沟道mosfet管同向串联组成，第一mosfet管的源极s与第二mosfet管的漏极d相连，单刀双掷开关si的第一静态接触端子sia连接第一mosfet管的漏极d，单刀双掷开关si的第二静态接触单子sib连接第二mosfet管的源极s，单刀双掷开关si的选择端子sic为两个mosfet管的连接点(第一mosfet管的源极s与第二mosfet管的漏极d连接处)。开关第一静态接触端子sia与电池bi的正极相连，第二静态接触单子sib与电池bi的负极相连。选择端子sic与lc串联储能电路相连。选择端子sic与电容ci、以及电感li-1连接。
lc串联储能电路由一个电容ci与一个电感li串联组成。电容ci一端与选择端子sic、电感li-1连接，电容ci另一端与电感li相连。
第一mosfet管的栅极g、第二mosfet管的栅极g分别通过开关驱动电路与开关控制器(主控单元、主控制器)连接。
进一步，在一些实施例中，所述串联电池组由串联的4个电池b1、b2、b3、b4组成，单刀双掷开关组由串联的4个单刀双掷开关s1、s2、s3、s4组成，lc串联储能电路由串联的3个串联的lc电路c1+l1、c2+l2、c3+l3组成(电容c串联电感l)，1个开关控制器，4路开关驱动电路；
lc串联储能电路的第一单元由电容c1与电感l1(c1+l1)串联组成，电容c1一端与单刀双掷开关s1的选择端子s1c连接，电容c1另一端与电感l1相连；电感l1远离电容c1的另一端连接电容c2与单刀双掷开关s2的选择端子s2c；单刀双掷开关s1的第二静态接触单子s1b连接电池b1负极，单刀双掷开关s1的第一静态接触端子s1a连接电池b1正极与单刀双掷开关s2的第二静态接触单子s2b；
lc串联储能电路的第二单元由电容c2与电感l2(c2+l2)串联组成，电容c2一端与选择端子s2c、电感l1连接，电容c2另一端与电感l2相连；电感l2远离电容c2的另一端连接选择端子s3c与电容c3；单刀双掷开关s2的第二静态接触单子s2b连接电池b2负极，单刀双掷开关s2的第一静态接触端子s2a连接电池b2正极与单刀双掷开关s3的第二静态接触单子s3b；
lc串联储能电路的第三单元由电容c3与电感l3串联组成，电容c3一端与选择端子s3c、电感l2连接，电容c3另一端与电感l3相连；电感l3远离电容c3的另一端连接选择端子s4c；单刀双掷开关s4的第二静态接触单子s4b连接电池b4负极，第一静态接触端子s4a连接电池b4正极；第二静态接触单子s3b连接电池b3负极，第一静态接触端子s3a连接电池b3正极；
所有单刀双掷开关si的栅极g分别通过开关驱动电路连接开关控制器，开关控制器上设有独立的控制模块104-a、104-b等。
开关控制器可采集各电池电压，发出pwm信号，驱动单刀双掷开关的导通与闭合，控制选择端子sic与开关的第一静态接触端子sia、第二静态接触单子sib的接触。
通过控制单刀双掷开关组不同开关的导通与关断，可以实现任意两节电池之间能量交换。
一种改进的飞跨电容均衡电路的均衡方法，方法如下：
测量电池电压，在n节电池中，当bj电压最高，电池bi能量最低时(假设n>＝j>i>＝1)，单刀双掷开关sj与si(控制开关)掷其高接触端子(即sjc与sja闭合，选择端子sic与开关第一静态接触端子sia闭合)，lc串联储能电路中电路(ci+li，……cj-1+lj-1)与串联电池组中电池(bi+1，..bj)并联，lc串联储能电路电路储能；
在半个pwm周期后，将sj与si掷低接触端子(即sjc与sjb闭合，选择端子sic与第二静态接触单子sib闭合)，lc串联储能电路中电路(ci+li，……cj-1+lj-1)与串联电池组中电池(bi，…bj-1)并联，lc串联储能电路释放能量；在这一个pwm周期内，电池bj将能量传递给lc串联储能电路，然后lc串联储能电路将能量传递给电池bi，实现能量从电压最高的bj传递给电压最低的电池bi。
反复重复上述步骤，达到电池均衡的效果。
标记bi(i＝1,2,3,……,n)、si(i＝1,2,3,……,n)表示若干电池、单刀双掷开关，标记bi、si表示第i个电池、单刀双掷开关，标记bj、sj表示第j个电池、单刀双掷开关；
标记i+1、j-1分别为数字编号，i+1表示数值i加1，j-1表示数值j减1。
本发明通过采用lc串联电路，并根据实际情形控制均衡电路开关频率，实现开关闭合和断开瞬间电路电流为零，大大降低开关损耗，提高均衡效率。将串联电池置于充电电压下，由主控开关控制单刀双掷开关，在lc串联电路的充放电过程中实现对电池的均衡。适用于锂电池领域，安全且效率高。
附图说明
图1是传统飞跨电容电路示意图；
图2是本发明的电路示意图；
图3是本发明电路的单刀双掷开关结构示意图；
图4是本发明电路的lc电路结构示意图；
图5是本发明电路充电时电流路线图；
图6是本发明电路的lc储能电路均衡过程的电流路线图；
图7是传统飞跨电容电路的电压电流变化图；
图8是本发明电路的电压电流变化图；
图9是传统飞跨电容电路电池的电压变化图；
图10是本发明电路电池的电压变化图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步详细描述。
请参阅图1、图2、图3、图4，本实施例包括串联电池组101，单刀双掷开关组102，若干lc串联储能电路103，1个开关控制器104(主控单元)，若干路开关驱动电路105。
串联电池组101中电池bi(i＝1,2,3,……,n)，可以是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池中任意一种。
单刀双掷开关组102由若干单刀双掷开关si(i＝1,2,3,……,n)组成，单刀双掷开关si由两个mosfet管同向串联组成，有三个接触端子，包括开关第一静态接触端子sia，第二静态接触单子sib，选择端子sic。第一mosfet管的漏极d为单刀双掷开关si的第一静态接触端子sia，第二mosfet管的源极s为si的第二静态接触单子sib，两个mosfet管的连接点为si的选择端子sic。开关控制器104上设有独立的控制模块104-a、104-b等，第一mosfet管的栅极g连接控制模块104-a，第二mosfet管的栅极g连接控制模块104-b。
lc串联储能电路103工作在准谐振状态下，均衡电路的开关频率fs，根据均衡电路中的集总参数r、l、c确定，确保lc串联储能电路103工作在准谐振状态，在每个开关时刻lc串联储能电路103的电流降低为零。
串联电池组101，由若干电池串联组成。
单刀双掷开关组102共有若干开关。其中单刀双掷开关si有三个接触端子：第一静态接触端子sia，第二静态接触单子sib，选择端子sic。单刀双掷开关si由两个n沟道mosfet管串联组成，第一mosfet管的源极s与第二mosfet管的漏极d相连，开关第一静态接触端子sia连接第一mosfet管的漏极d，第二静态接触单子sib连接第二mosfet管的源极s，选择端子sic为两个mosfet管的链接点。开关的第一静态接触端子sia与电池bi的正极相连，第二静态接触单子sib与电池bi的负极相连。选择端子sic与lc串联储能电路103相连。
选择端子sic与电容ci、以及电感li-1连接。
lc串联储能电路103由一个电容ci与一个电感li串联组成。电容ci一端与选择端子sic、电感li-1连接，电容ci另一端与电感li相连。
开关控制器104包含电池电压采集装置，和pwm信号发生器，用于控制选择端子sic与开关第一静态接触端子sia、第二静态接触单子sib的接触，从而驱动单刀双掷开关si的导通与闭合。
通过控制单刀双掷开关组102不同开关的导通与关断，可以实现任意两节电池之间能量交换。
为了解发明的均衡方式，请参照图5、图6：
第一步，测量电池电压，在n节电池中，当bj电压最高，电池bi能量最低时(假设n>＝j>i>＝1)，单刀双掷开关sj与si(控制开关)掷其高接触端子(即sjc与sja闭合，选择端子sic与开关第一静态接触端子sia闭合)，lc串联储能电路103中的电路(ci+li，……cj-1+lj-1)与串联电池组101中电池(bi+1，..bj)并联，lc串联储能电路103电路储能。
第二步，在半个pwm周期后，将sj与si掷低接触端子(即sjc与sjb闭合，选择端子sic与第二静态接触单子sib闭合)。lc串联储能电路103中的电路(ci+li，……cj-1+lj-1)与串联电池组101中电池(bi，…bj-1)并联，lc串联储能电路103释放能量。在这一个pwm周期内，电池bj将能量传递给lc串联储能电路103，然后lc串联储能电路103将能量传递给电池bi，实现能量从电压最高的bj传递给电压最低的电池bi。
反复重复上述步骤，达到电池均衡的效果。
为表明本发明的具体效果，请参照图7、图8、图9、图10：
原有的飞跨电容电路在电路通断时，其电路电流大小突然变化，在图7中可以看出，其电流大小直接达到0.15安培，电路电流大小随后也是快速降低；在图8中，同样的均衡条件下，采用本发明电路，其电路通断时电流大小为0，发电曲线相对光滑，电路电流大小变化较小。
本发明通过采用lc储能电路，并根据实际情形控制均衡电路开关频率，实现开关闭合和断开瞬间电路电流为零，大大降低开关损耗，提高均衡效率。本发明研发中得到东莞市引进创新科研团队计划资助(项目编号:2014607119)supportedbydongguaninnovativeresearchteam(no.2014607119)。
在其中一个具体实施例中，串联电池组101由串联的4个电池b1、b2、b3、b4组成，单刀双掷开关组102由串联的4个单刀双掷开关s1、s2、s3、s4组成，lc串联储能电路103由串联的3个串联的lc电路c1+l1、c2+l2、c3+l3组成(电容c串联电感l)，1个开关控制器104，4路开关驱动电路105；
lc串联储能电路103的第一单元由电容c1与电感l1(c1+l1)串联组成，电容c1一端与单刀双掷开关s1的选择端子s1c连接，电容c1另一端与电感l1相连；电感l1远离电容c1的另一端连接电容c2与单刀双掷开关s2的选择端子s2c；单刀双掷开关s1的第二静态接触单子s1b连接电池b1负极，单刀双掷开关s1的第一静态接触端子s1a连接电池b1正极与单刀双掷开关s2的第二静态接触单子s2b；
lc串联储能电路103的第二单元由电容c2与电感l2(c2+l2)串联组成，电容c2一端与选择端子s2c、电感l1连接，电容c2另一端与电感l2相连；电感l2远离电容c2的另一端连接选择端子s3c与电容c3；单刀双掷开关s2的第二静态接触单子s2b连接电池b2负极，单刀双掷开关s2的第一静态接触端子s2a连接电池b2正极与单刀双掷开关s3的第二静态接触单子s3b；
lc串联储能电路103的第三单元由电容c3与电感l3串联组成，电容c3一端与选择端子s3c、电感l2连接，电容c3另一端与电感l3相连；电感l3远离电容c3的另一端连接选择端子s4c；单刀双掷开关s4的第二静态接触单子s4b连接电池b4负极，第一静态接触端子s4a连接电池b4正极；第二静态接触单子s3b连接电池b3负极，第一静态接触端子s3a连接电池b3正极；
所有单刀双掷开关si的栅极g分别通过开关驱动电路105连接开关控制器104。
此外，在图9中采用传统飞跨电容电路对二电池进行均衡，其均衡时间为0.995s，在图10中，采用同样的条件，但是使用本发明的均衡电路和均衡方法，其均衡时间减少为0.735s，较原来的提升了26％的效率。
本发明通过采用lc串联电路，并根据实际情形控制均衡电路开关频率，实现开关闭合和断开瞬间电路电流为零，大大降低开关损耗，提高均衡效率。包括串联电池组，单刀双掷开关组，若干lc串联电路，1个开关控制器，若干路开关驱动电路，将串联电池置于充电电压下，由主控开关控制单刀双掷开关，在lc串联电路的充放电过程中实现对电池的均衡。
由此看出，本发明更加安全，且均衡效率高。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。