一种电容型电池主动均衡电路及其方法与流程

本发明涉及电池管理，特别涉及一种电容型电池主动均衡电路及其方法。

背景技术：

1、在电池管理系统（battery management system, bms）领域，电池组的均衡技术是确保电池组长期稳定运行的关键。电池组通常由多个串联或并联的单体电池组成，由于制造差异、老化不一致以及使用过程中的温度和负载差异，这些单体电池的电压和荷电状态（state of charge, soc）可能会逐渐出现差异。如果不加以控制，这种差异会导致电池组性能下降，甚至可能引发电池过充或过放，从而影响电池寿命和安全性。

2、目前，市面上的主动均衡电路主要采用电感作为储能元件，其工作原理是通过电感器暂时存储多余能量，然后将其释放回电池组中电压较低的电池。然而，这种基于电感的均衡电路存在以下技术问题：

3、成本问题：电感元件的成本相对较高，尤其是对于需要大电流均衡的电池系统，需要使用大功率、高品质的电感器，这进一步增加了系统的成本。

4、体积和集成性问题：电感元件通常体积较大，这限制了均衡电路在紧凑空间中的应用，尤其是在便携式电子设备和电动汽车等领域。

5、安全风险：电感器在能量转移过程中可能会产生反充现象，即低电压电池向高电压电池释放能量，这不仅降低了均衡效率，还可能引发电池过充，增加安全风险。

6、效率问题：电感器在能量转移过程中会产生热量，导致能量损失，降低了系统的整体效率。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电容型电池主动均衡电路及其方法。

2、本发明提供一种电容型电池主动均衡电路，包括：多个单体电池、功率mos管电路、储能电路、控制环路；

3、所述控制环路包括adc模块、pid模块、恒流控制器和功率mos管驱动模块；所述adc模块对应端分别与多个单体电池、pid模块对应端电性连接；所述pid模块对应端经恒流控制器与功率mos管驱动模块对应端进行连接；所述功率mos管驱动模块对应端与功率mos管电路对应端电性连接，所述功率mos管电路对应端还分别与多个单体电池、储能电路对应端进行连接。

4、优选地，多个所述单体电池包括单体电池bat1和单体电池bat2；所述adc模块包括adc1和adc2，该adc1用于采集单体电池bat1的电压vbat1，adc2用于采集单体电池bat2的电压vbat2。

5、优选地，所述pid模块用于计算单体电池bat1和单体电池bat2电压之差的绝对值δv=|vbat2 - vbat1|，并输出控制信号以调节电量均衡过程。

6、优选地，所述恒流控制器根据pid模块的输出信号调整功率mos管电路的开关频率fsw或充电时间td，以控制储能电路向低电压电池单体转移能量的速率。

7、优选地，所述功率mos管驱动模块用于驱动mos管电路以控制单体电池bat1和单体电池bat2之间的能量转移。

8、优选地，所述功率mos管电路包括mos管q1、mos管q2、mos管q3、mos管q4；

9、所述mos管q1的源极与单体电池bat2的正极进行电性连接，mos管q1的漏极分别与储能电路的第一端、mos管q2的漏极进行电性连接，mos管q1的栅极对应与功率mos管驱动模块的对应端进行电性连接；

10、所述mos管q2的源极分别与单体电池bat2的负极、单体电池bat1的正极、mos管q3的源极进行电性连接，mos管q2的栅极对应与功率mos管驱动模块的对应端进行电性连接；

11、所述mos管q3的漏极分别与储能电路的第二端、mos管q4的漏极进行电性连接，mos管q3的栅极对应与功率mos管驱动模块的对应端进行电性连接；

12、所述mos管q4的源极与单体电池bat1的负极进行电性连接且接地，mos管q4的栅极对应与功率mos管驱动模块的对应端进行电性连接。

13、优选地，所述储能电路包括储能电容c1，用于暂时存储来自高电压电池单体的能量，并在需要时将这些能量转移到低电压电池单体。

14、本发明还提供一种电容型电池主动均衡方法，用于所述的电容型电池主动均衡电路，包括下列任一种方法：

15、方法一：

16、步骤a1：导通mos管q1、mos管q3，使单体电池bat2与储能电容c1并联，储能电容c1的电压为vbat2；

17、步骤a2：导通mos管q2、mos管q3，使单体电池bat1与储能电容c1并联，储能电容c1的电压为vbat1；

18、步骤a3、计算在一个均衡周期内储能电容c1搬运的电荷量q，q = |vbat2 - vbat1| * c1=δv * c1 ；

19、步骤a4：计算平均均衡电流iavg，iavg= q *fsw= δv * c1 *fsw，并控制fsw以维持iavg恒定，其中fsw为功率mos管的开关频率；

20、方法二：

21、步骤s1：测量体电池bat1、单体电池bat2的电压vbat1、vbat2；

22、步骤s2：根据vbat1、vbat2的大小，控制mos管电路对储能电路进行充电；

23、步骤s3：计算平均均衡电流iavg，并控制充电时间td以维持iavg恒定。

24、优选地，在步骤s2中，当vbat2>vbat1时，控制功率mos管q1的栅极g1使得mos管q1用电流ih对电容c1进行充电，功率mos管q3完全导通；

25、当vbat2<vbat1时控制功率mos管q4的栅极g4使得mos管q4用电流ih对电容c1进行充电，功率mos管q2完全导通。

26、优选地，在步骤s3中，平均均衡电流的公式为iavg= q / t = ih* td/ t，td= iavg*t /ih，其中q为储能电容c1转移的电荷量，ih为对电容的充电电流，td为对电容的充电时间，t为开关周期。

27、采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

28、本发明与目前市面的方案相比具有成本低、体积小，易集成、控制简单，安全性高等优势；能将电压高的电池能量存储到电容上，并将电容上存储的能量搬运到电压低的电池上，实现电池电量均衡的目的；

29、本发明降低系统成本：采用电容作为储能元件，相较于电感元件，可以显著降低均衡电路的成本，使得电池管理系统更加经济高效。

30、本发明减小系统体积：电容元件体积较小，使得整个均衡电路更加紧凑，便于集成到空间受限的设备中。

31、本发明能防止反充现象：本发明通过特定的控制策略，确保能量只能从高电压电池向低电压电池转移，有效避免了低电压电池向高电压电池释放能量的“反充现象”，提高了系统的安全性，通过避免反充现象，减少了电池过充的风险，从而降低了安全事故的发生率。

32、本发明能快速均衡：通过功率mos管的快速开关特性和精确控制，实现了电池单体间的快速均衡，提高了均衡效率。

33、本发明能进行精确控制：利用adc模块实时监测电池电压，pid模块精确计算电压差，并输出控制信号，实现了对电池均衡过程的精确控制；精确控制充电过程有助于减少因电流波动引起的热损耗，保持电池系统的温度稳定。

34、本发明的单体电池是能量存储和释放的主体，通过主动均衡，可以有效地延长电池组的使用寿命，防止因电池单体间电压不平衡而导致的性能下降或损坏。