CN116131417A - 均衡电路、均衡控制方法与充电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种均衡电路、均衡控制方法与充电机，涉及汽车零部件技术领域。本发明所述的均衡电路，包括三个滤波电容；与三个滤波电容一一对应设置的三个电池组内开关阵列；第一路开关；第二路开关；第三路开关；第四路开关；第一双向变换器，包括第一端口和第二端口，第一双向变换器的第一端口的两端与第三滤波电容连接，第一双向变换器的第二端口的两端与第一滤波电容连接；第二双向变换器，包括第一端口和第二端口，第二双向变换器的第一端口的两端与第三滤波电容连接，第二双向变换器的第二端口的两端与第二滤波电容连接。应用本发明实施例所提供的技术方案，能够提高电池均衡速度。

Description

均衡电路、均衡控制方法与充电机

技术领域

本发明涉及汽车零部件技术领域，具体而言，涉及一种均衡电路、均衡控制方法与充电机。

背景技术

锂离子电池由于其优异的性能，已成为电动汽车等储能系统的最佳选择。由于制造和使用环境的差异，同一电池组中的不同电池之间存在不一致，随着时间的推移，电池之间的不一致性会增加，导致电池组容量损失，最终导致电池寿命缩短。在电池管理技术中，电池均衡技术用于减小电池之间的不一致性以降低电池衰减率。电池均衡速度作为电池均衡技术的重要指标，是影响锂离子电池寿命的关键因素之一。

传统均衡技术通常采用一个单元将能量传递给相邻单元的方式，为提高电池均衡速度，一种用于实现电池单元和电池组之间能量传递的主动均衡技术被提出，但是该技术存在其他问题：随着快充技术的发展，电池组电压会越来越高，单颗电芯的电压与电池组之间电压差值较大，需要具有高电压增益且隔离型均衡拓扑才能满足需求，而通过增大匝比可提高电压增益，具有可控的自由度，但会对变压器设计、器件选型提出更高要求，可靠性不能得到保证。

发明内容

本发明实施例提供一种均衡电路、均衡控制方法与充电机，能够提高电池均衡速度。

第一方面，本发明实施例提供一种均衡电路，该电路包括：

三个滤波电容，包括第一滤波电容、第二滤波电容和第三滤波电容；

与三个所述滤波电容一一对应设置的三个电池组内开关阵列，包括第一电池组内开关阵列、第二电池组内开关阵列和第三电池组内开关阵列；每个所述电池组内开关阵列包括两端；所述电池组内开关阵列的两端分别与对应的所述滤波电容连接；

第一路开关，包括第一端和第二端；所述第一路开关的第一端与所述第一滤波电容的第二端连接；所述第一路开关的第二端与所述第二滤波电容的第一端连接；

第二路开关，包括第一端和第二端；所述第二路开关的第一端与所述第一电池组内开关阵列的一端连接；所述第二路开关的第二端与所述第二电池组内开关阵列连接；

第三路开关，包括第一端和第二端；所述第三路开关的第一端与所述第一路开关的第一端连接；所述第三路开关的第二端与所述第二路开关的第一端连接；

第四路开关，包括第一端和第二端；所述第四路开关的第一端与所述第一路开关的第二端连接；所述第四路开关的第二端与所述第二路开关的第二端连接；

第一双向变换器，包括第一端口和第二端口，所述第一双向变换器的第一端口的两端与所述第三滤波电容连接，所述第一双向变换器的第二端口的两端与所述第一滤波电容连接；

第二双向变换器，包括第一端口和第二端口，所述第二双向变换器的第一端口的两端与所述第三滤波电容连接，所述第二双向变换器的第二端口的两端与所述第二滤波电容连接。

在其中一个实施例中，所述第一双向变换器包括第一变压器、第一功率开关管和第二功率开关管；所述第一变压器包括第一原边绕组和第一副边绕组；

所述第一原边绕组的第一端与所述第一副边绕组的第二端互为同名端；所述第一原边绕组的第一端与所述第三滤波电容的第一端连接；所述第一原边绕组的第二端与所述第一功率开关管的漏极连接；所述第一功率开关管的源极与第一负极连接端连接；所述第一副边绕组的第一端与所述第一滤波电容的第一端连接；所述第一副边绕组的第二端与所述第二功率开关管的漏级连接；所述第二功率开关管的源级与所述第一滤波电容的第二端连接；所述第三滤波电容的第二端与所述第一功率开关管的源极连接。

在其中一个实施例中，所述第一原边绕组包括励磁电感；所述第二双向变换器复用所述励磁电感和所述第一功率开关管；所述第二双向变换器还包括第一电容、第二变压器、第二电容、第一电感、第三功率开关管和第二滤波电容；

所述第二变压器包括第二原边绕组和第二副边绕组；所述第一电容的第一端与所述第一功率开关管的漏极连接；所述第一电容的第二端与所述第二原边绕组的第一端连接；所述第二原边绕组的第二端与所述第一功率开关管的源极连接；所述第二副边绕组的第一端与所述第二电容的第一端连接；所述第二电容的第二端与所述第一电感的第一端连接；所述第二原边绕组的第一端与所述第二副边绕组的第一端互为同名端，所述第一电感的第二端与所述第二副边绕组的第二端连接，所述第三功率开关管的源极与所述第一电感的第一端连接，所述第三功率开关管的漏极与所述第二滤波电容的第一端连接；所述第二滤波电容的第二端与所述第二副边绕组的第二端连接；所述第二滤波电容的第一端与所述第一路开关的第二端连接。

在其中一个实施例中，所述第一路开关和所述第二路开关分别对应第一双刀单掷开关的两路开关；和/或，所述第三路开关和所述第四路开关分别对应第二双刀单掷开关的两路开关。

本发明实施例所提供的均衡电路，能够实现三个电池组之间的均衡，使得均衡速度得到提升。

第二方面，本申请实施例还提供一种均衡控制方法，基于上述均衡电路。所述均衡控制方法包括：

判断各个电池组之间的组间压差是否大于第一预设值；

响应于判定各个电池组之间的组间压差大于所述第一预设值，控制所述均衡电路工作在组间主动均衡模态，直至所述组间压差小于或等于所述第一预设值；

对各个电池组，将组内每个电芯电压与对应电池组内的电芯电压平均值之间的压差的绝对值，分别确定为每个电芯对应的组内压差；

对各个电池组，判断每个电芯对应的组内压差是否大于第二预设值；

响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，控制所述均衡电路工作在组内主动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差小于或等于所述第二预设值；

判断每个电芯对应的组内压差是否大于第三预设值；

响应于判定每个电芯对应的组内压差大于所述第三预设值，控制所述均衡电路工作在组内被动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差的平均值小于或等于所述第三预设值。

在其中一个实施例中，所述响应于判定各个电池组之间的组间压差大于所述第一预设值，控制所述均衡电路工作在组间主动均衡模态，直至所述组间压差小于或等于所述第一预设值，包括：

响应于判定各个所述电池组的组内压差大于第二预设值，对各个所述电池组的电压值进行排序，得到排序结果；

根据排序结果控制所述均衡电路的第一双向变换器和第二双向变换器的工作方向，以及控制所述均衡电路的第一路开关、第二路开关、第三路开关和第四路开关的通断；

判断各个电池组之间的组间压差是否小于或等于第一预设值；

响应于判定各个所述电池组之间的组间压差小于或等于所述第一预设值，控制所述均衡电路停止工作在组间主动均衡模态。

在其中一个实施例中，所述根据排序结果控制所述均衡电路的第一双向变换器和第二双向变换器的工作方向，以及控制所述均衡电路的第一路开关、第二路开关、第三路开关和第四路开关的通断，包括：

当第三电池组的电压大于第一电池组的电压，且第一电池组的电压大于第二电池组的电压时，控制所述第一路开关和所述第二路开关断开，控制所述第三路开关和所述第四路开关闭合，将所述第一双向变换器和所述第二双向变换器的工作方向控制为正向；

当第三电池组的电压大于第一电池组的电压，且第一电池组的电压等于第二电池组的电压时，控制所述第一路开关和所述第二路开关闭合，控制所述第三路开关和所述第四路开关断开，将所述第一双向变换器和所述第二双向变换器的工作方向控制为正向；

当第三电池组的电压小于第二电池组的电压，且第二电池组的电压小于第一电池组的电压时，控制所述第一路开关和所述第二路开关闭合，控制所述第三路开关和所述第四路开关断开，将所述第一双向变换器和所述第二双向变换器的工作方向控制为反向。

在其中一个实施例中，所述均衡电路的各个所述电池组内开关阵列包括2M个双N型MOSFET；M为电池组内电芯的数量；每个电池组内的每个电芯的正负极分别通过一个双N型MOSFET连接至对应所述电池组内开关阵列的两端所接滤波电容；

则所述响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，控制所述均衡电路工作在组内主动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差小于或等于所述第二预设值，包括：

响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，根据各个电池组内的每个电芯电压与电芯电压平均值之间的压差确定待补能电芯和待放能电芯；在组内主动均衡模态下，所述第一路开关和所述第二路开关为断开状态，所述第三路开关和所述第四路开关为闭合状态；

根据预设控制策略控制相应电芯的正负极所连接的两个双N型MOSFET的通断，以使待放能电芯的正负极与对应的电池组内开关阵列的两端所接滤波电容在一个开关信号的一半周期形成放电回路，以及待补能电芯的正负极与对应的电池组内开关阵列的两端所接滤波电容在所述开关信号的另一半周期形成补电回路；

判断每个电芯对应的组内压差是否小于或等于所述第二预设值；

响应于判定每个电芯对应的组内压差小于或等于所述第二预设值，控制所述均衡电路停止工作在组内主动均衡模态。

在其中一个实施例中，所述均衡电路的各个所述电池组内开关阵列包括2M个双N型MOSFET；M为电池组内电芯的数量；每个电池组内的每个电芯的正负极分别通过一个双N型MOSFET连接至对应所述电池组内开关阵列的两端所接滤波电容；

则所述响应于判定每个电芯对应的组内压差大于所述第三预设值，控制所述均衡电路工作在组内被动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差的平均值小于或等于所述第三预设值，包括：

响应于判定每个电芯对应的组内压差大于所述第三预设值，根据每个电芯的电压值分别控制相应电芯的正极所连接的双N型MOSFET和相邻电芯的正极所连接的双N型MOSFET的驱动电压，以使所述相应电芯的正极、所述相应电芯的正极所连接的双N型MOSFET、所述相邻电芯的正极所连接的双N型MOSFET和所述相应电芯的负极形成能量吸收回路；

判断每个电芯对应的组内压差是否小于或等于所述第三预设值；

响应于判定每个电芯对应的组内压差小于或等于所述第三预设值，控制所述均衡电路停止工作在组内被动均衡模态。

本发明实施例提供的均衡控制方法，组间均衡能够提高均衡速度，组内主动均衡能够快速缩小电芯之间的压差，组内被动均衡进一步缩短电芯之间的压差，使得电池组内电芯水平高度一致，提高电池寿命。可实现主动、被动混合均衡效果，当主动均衡使得电池组电芯水平快速平衡，由于压差很小主动均衡无法触发后，被动均衡介入，提高电池组电芯SOC水平一致性。

第三方面，本发明实施例还提供一种充电机，该充电机包括上述任一实施例所述的均衡电路。所述充电机与上述均衡电路相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的均衡电路的示意图；

图2为本发明实施例提供的K1闭合且K2断开时的均衡电路的示意图；

图3为本发明实施例提供的K1断开且K2闭合时的均衡电路的示意图；

图4为本发明实施例提供的单电容均衡模式示意图；

图5为本发明实施例提供的被动均衡模式示意图；

图6为本发明实施例提供的双向变换单元与滤波电容的连接示意图；

图7为本发明实施例提供的双向变换单元与滤波电容的连接示意图；

图8为本发明实施例提供的电池组开关结构示意图；

图9为本发明实施例提供的电芯放电时开关管工作状态示意图；

图10为本发明实施例提供的电芯充电时开关管工作状态示意图；

图11为本发明实施例提供的均衡控制方法的流程示意图；

图12为本发明实施例提供的多模态均衡方法的策略框图；

图13为本发明实施例提供的组间主动均衡控制策略框图；

图14为本发明实施例提供的组内主动均衡控制策略框图；

图15为本发明实施例提供的组内被动均衡控制策略框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，本实施例提供一种均衡电路，该均衡电路可对第一电池组BT1_1~BT1_N、第二电池组BT2_1~ BT2_N、第三电池组BT3_1~ BT3_N进行电池均衡。

该均衡电路包括第一滤波电容CE2，第二滤波电容CE3、第三滤波电容CE1、与第一滤波电容CE2对应设置的第一电池组内开关阵列、与第二滤波电容CE3对应设置的第二电池组内开关阵列、与第三滤波电容CE1对应设置的第三电池组内开关阵列、第一双刀单掷开关K1、第二双刀单掷开关K2和双向变换单元。

第一双刀单掷开关K1包括第一路开关和第二路开关。第二双刀单掷开关K2包括第三路开关和第四路开关。第一路开关的第一端与第一滤波电容CE2的第二端连接，第二端与第二滤波电容CE3的第一端连接；第二路开关的第一端与第一电池组内开关阵列的一端连接，第二端与第二电池组内开关阵列连接；第三路开关的第一端与第一路开关的第一端连接，第二端与第二路开关的第一端连接；第四路开关的第一端与第一路开关的第二端连接，第四路开关的第二端与第二路开关的第二端连接。

结合图6和图7所示，双向变换单元包括第一双向变换器F1和第二双向变换器F2。第一双向变换器F1的第一端口的两端与第三滤波电容CE1连接，第二端口的两端与第一滤波电容CE2连接。第二双向变换器F2的第一端口的两端与第三滤波电容CE1连接，第二端口的两端与第二滤波电容CE3连接。

具体地，第一双向变换器F1包括第一变压器T1、第一功率开关管S1和第二功率开关管S2，其中，第一变压器T1包括第一原边绕组和第一副边绕组，第一原边绕组的第一端与第一副边绕组的第二端互为同名端，第一原边绕组的第一端与第三滤波电容CE1的第一端连接，第二端与第一功率开关管S1的漏极连接；第一功率开关管S1的源极与第一负极连接端连接；第一副边绕组的第一端与第一滤波电容CE2的第一端连接；第一副边绕组的第二端与第二功率开关管S2的漏级连接；第二功率开关管S2的源级与第一滤波电容CE2的第二端连接；第三滤波电容CE1的第二端与第一功率开关管S1的源极连接。

具体地，第一原边绕组包括励磁电感L1；励磁电感L1的一端与第一原边绕组的第一端连接，另一端与第一原边绕组的第二端连接。第二双向变换器F2复用励磁电感L1和第一功率开关管S1。第二双向变换器F2还包括第一电容C1、第二变压器T2、第二电容C2、第一电感L3、第三功率开关管S3和第二滤波电容CE3。第二变压器包括第二原边绕组和第二副边绕组，第二原边绕组包括励磁电感L2；第一电容C1的第一端与第一功率开关管S1的漏极连接；第一电容C1的第二端与第二原边绕组的第一端连接；第二原边绕组的第二端与第一功率开关管S1的源极连接；第二副边绕组的第一端与第二电容C2的第一端连接；第二电容C2的第二端与第一电感L3的第一端连接；第二原边绕组的第一端与第二副边绕组的第一端互为同名端，第一电感L3的第二端与第二副边绕组的第二端连接，第三功率开关管S3的源极与第一电感L3的第一端连接，第三功率开关管S3的漏极与第二滤波电容CE3的第一端连接；第二滤波电容CE3的第二端与第二副边绕组的第二端连接；第二滤波电容CE3的第一端与第一路开关的第二端连接。

任一电池组内开关阵列的两端分别与对应的滤波电容连接，如图1所示，第一电池组内开关阵列的一端与第一滤波电容CE2的第一端连接，第一电池组内开关阵列的另一端与第一滤波电容CE2的第二端连接；第二电池组内开关阵列的一端与第二滤波电容CE3的第一端连接，第二电池组内开关阵列的另一端与第二滤波电容CE3的第二端连接；第三电池组内开关阵列的一端与第三滤波电容CE1的第一端连接，第三电池组内开关阵列的另一端与第三滤波电容CE1的第二端连接。

具体地，任一电池组内开关阵列包括2M个双N型MOSFET，M为对应的电池组内电芯的数量，一个电芯与2个双N型MOSFET对应设置。需要说明的是，不同电池组的电芯数量M可以相同，也可以不同。

结合图8至图10所示，电芯或电池组充放电时，可以通过控制双N沟道MOSFET Qn_j（n为串联电芯数，j为开关编号1或2）的导通或关断，选择需要充电或放电的电芯，或者串联电池组的电芯个数。其中，在图8中，V+表示电池组的正极，V-表示电池组的负极，结合图1至图3所示，将各电池组正极和电池组负极连接在第三滤波电容CE1、第二滤波电容CE3以及第三滤波电容CE1的两端，进而能够通过双向变换单元实现电池组之间的电池均衡。

双N型MOSFET内部为反接的两个N型MOSFET。每个电池组内的每个电芯的正负极各通过一个双N型MOSFET连接至对应所述电池组内开关阵列的两端所接滤波电容。

双N型MOSFET可通过内部N型MOSFET漏极与双N型MOSFET外部连接，也可以通过部N型MOSFET源极与双N型MOSFET外部连接，则电芯须根据放电或充电需求相应地调整对双N型MOSFET内部N型MOSFET的控制。

示例性地，如图4、图9所示，在第一电池组内开关阵列中，双N型MOSFET Qx_1的M1_1的漏极与第一电池组的电芯BT1_x的正极连接，M1_2的漏极与第一滤波电容CE2的第一端连接，其中，1≤x≤n。双N型MOSFET Qx_2 的M2_1的源极与第一电池组的电芯BT1_x的负极连接，M2_2的源极通过第三路开关与第一滤波电容CE2的第二端连接。当电芯BT1_x需要放电时，对应的双N型MOSFET Qx_1中的M1_1导通、M1_2关闭，放电电流从M1_2的体二极管D1_2流出；双N型MOSFET Qx_2中的M2_1导通、M2_2关闭，放电电流从M2_2的体二极管D2_2流入。结合图10所示，当电芯BT1_y充电时，对应的双N型MOSFETQy_1中的M1_1关闭、M1_2导通，充电电流从M1_1的体二极管D1_1流入；双N型MOSFET Qy_2中的M2_1关闭、M2_2导通，充电电流从M2_1的体二极管D2_1流出，其中，1≤y≤n。

组内电芯的均衡模式可以是单电容均衡模式，也可以是被动模式。

结合图4所示，在单电容均衡模式下，开关将电容器交替连接到一个单元及其相邻单元，或连接到整个电池组。开关的脉宽调制 (PWM) 信号会对电池能量进行分配管理。在方波的一半周期内，电压较高的电池将能量传递给电容器。在循环的另一半周期内，电池从电容器接收能量。电容均衡模式可在不需要用到双向变换单元或双向变换单元发生故障等情况下被启用。

结合图5所示，在被动均衡模式下，通过控制MOSFET栅极驱动电压值使其工作在电阻区域，不同的驱动电压对应不同的导通电阻，能量从每个电池中提取并转化为热量，直到所有电池都等于最低 SOC 电池。由于MOSFET的封装形式，相较于传统电阻式被动均衡来说，其不需要大型热管理系统。

以第三电池组BT3向第一电池组BT1和第二电池组BT2充电为例，结合图3所示，当第一功率开关管S1导通，K2闭合时，第三电池组BT3、电感L1、第一功率开关管S1组成回路1，第三电池组BT3为电感L1充电；第一电容C1、第一功率开关管S1、第二变压器T2原边V3组成回路2，第一电容C1放电，同时第二变压器T2副边V4、第二电容C2、电感L3组成回路3，为电感L3充电；第一滤波电容CE2和第二滤波电容CE3分别为第一电池组BT1和第二电池组BT2充电；当第一功率开关管S1截止、开关K2闭合时，第三电池组BT3为电感L1和第一电容C1充电，第二电容C2充电，电感L3开始放电给第二滤波电容CE3充电；当第一功率开关管S1依旧保持截止、开关K2闭合时，电感L1释放能量传输到第一变压器T1副边，此时给第一滤波电容CE2充电；第二功率开关管S2和第三功率开关管S3配合第一功率开关管S1实现双向变换，即正向均衡和反向均衡的切换。

由于第二双向变换器F2复用第一双向变换器F1的励磁电感L1和第一功率开关管S1，使得第二双向变换器F2与第一双向变换器F1形成三端口双向变换器，利于实现三个电池组之间的均衡，能够有效提高均衡速度。结合上述均衡电路，可以实现包括组间主动均衡、组内主动均衡和组内被动均衡的控制策略，从而使得电池组内电芯水平高度一致，有利于提高电池使用寿命。

本发明另一实施例提供一种均衡控制方法，基于上述均衡电路。如图11所示，该均衡控制方法包括：

步骤S100，判断各个电池组之间的组间压差是否大于第一预设值。

步骤S102，响应于判定各个电池组之间的组间压差大于第一预设值，控制均衡电路工作在组间主动均衡模态，直至组间压差小于或等于第一预设值。

步骤S104，对各个电池组，将组内每个电芯电压与对应电池组内的电芯电压平均值之间的压差的绝对值，分别确定为每个电芯对应的组内压差。

步骤S106，对各个电池组，判断每个电芯对应的组内压差是否大于第二预设值。

步骤S108，响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，控制均衡电路工作在组内主动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差小于或等于第二预设值。

步骤S110，判断每个电芯对应的组内压差是否大于第三预设值。

步骤S112，响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第三预设值，控制均衡电路工作在组内被动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差的平均值小于或等于第三预设值。

具体地，结合图12所示，BMS系统会开始检测电池组中每颗电芯的电压，然后根据每组串联电芯数量计算出该电池组的电压值，将各电池组之间的差值（组间压差）与第一预设值（组间误差电压给定值V1_ref）进行比较，若电池组之差大于V1_ref，则进入组间主动均衡，且响应于判定各个电池组之间的组间压差大于第一预设值，控制均衡电路工作在组间主动均衡模态。当检测到每个电池组之间误差小于或等于V1_ref后，程序将自动跳出组间主动均衡控制系统，当检测各电池组内电芯电压之间误差大于V3_ref（第三预设值）时，进入组内主动均衡，且响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，控制均衡电路工作在组内主动均衡模态。当检测电池组内电芯电压处于V2_ref<Vi<V3_ref时，程序将自动跳出组内主动均衡，随即进入组内被动均衡，且响应于判定每个电芯对应的组内压差大于所述第三预设值，控制均衡电路工作在组内被动均衡模态，直到电池组内电芯之间电压误差小于或等于V2_ref（第二预设值）时停止被动均衡，至此均衡结束。

需要说明的是，在其他实施例中，双N型MOSFET可采用N型MOSFET替代。在组内被动均衡模式下，双N型MOSFET相对于单N型MOSFET来说，导通电阻的可调范围更大。

在本实施例中，由于第二双向变换器F2复用第一双向变换器F1的励磁电感L1和第一功率开关管S1，使得第二双向变换器F2与第一双向变换器F1形成三端口双向变换器，利于实现三个电池组之间的均衡，能够有效提高均衡速度。结合上述均衡电路，组间均衡能够提高均衡速度，组内主动均衡能够快速缩小电芯之间的压差，组内被动均衡进一步缩短电芯之间的压差，使得电池组内电芯水平高度一致，提高电池寿命。可实现主动、被动混合均衡效果，当主动均衡使得电池组电芯水平快速平衡，由于压差很小主动均衡无法触发后，被动均衡介入，提高电池组电芯SOC水平一致性，有利于提高电池使用寿命。

具体地，该均衡控制方法还包括：

步骤S101，在步骤S102之前，响应于判定各个所述电池组之间的组间压差小于或等于所述第一预设值，跳转到步骤S104。

步骤S107,在步骤S108之前，响应于判定每个电芯对应的组内压差小于或等于第二预设值,跳转到步骤S110。

步骤S111,在步骤S112之前，响应于判定每个电芯对应的组内压差小于或等于第三预设值，控制均衡电路停止均衡。

具体地，结合图13所示，步骤S102包括：响应于判定各个电池组的组内压差大于第二预设值，对各个电池组的电压值进行排序，得到排序结果；根据排序结果控制均衡电路的第一双向变换器F1和第二双向变换器F2的工作方向，以及控制均衡电路的第一路开关、第二路开关、第三路开关和第四路开关的通断；判断各个电池组之间的组间压差是否小于或等于第一预设值；响应于判定各个电池组之间的组间压差小于或等于第一预设值，控制均衡电路停止工作在组间主动均衡模态。

在步骤S102中，当第三电池组的电压大于第一电池组的电压，且第一电池组的电压大于第二电池组的电压时，控制第一路开关和第二路开关断开，控制第三路开关和第四路开关闭合，将第一双向变换器F1和第二双向变换器F2的工作方向控制为正向；即当检测到Vbat3>Vbat1>Vbat2，则进行正向均衡，同时，如图3所示，调整开关K1断开、K2闭合，分别给Vbat1、Vbat2充电。

当第三电池组的电压大于第一电池组的电压，且第一电池组的电压等于第二电池组的电压时，控制第一路开关和第二路开关闭合，控制第三路开关和第四路开关断开，将第一双向变换器F1和第二双向变换器F2的工作方向控制为正向；即当检测到Vbat3>Vbat1=Vbat2时，则进行正向均衡，同时，如图2所示，调整开关K1闭合、K2断开，使得Vbat1与Vbat2串联，Vbat3经过升压给Vbat1和Vbat2充电，可提高均衡速度。

当第三电池组的电压小于第二电池组的电压，且第二电池组的电压小于第一电池组的电压时，控制第一路开关和第二路开关闭合，控制第三路开关和第四路开关断开，将第一双向变换器F1和第二双向变换器F2的工作方向控制为反向；即当检测到Vbat1>Vbat2>Vbat3时，则需要开启反向均衡，同时，如图2所示，调整开关K1闭合，K2断开；其中，Vbat1表示第一电池组BT1的电压，Vbat2表示第二电池组BT2的电压，Vbat3表示第三电池组BT3的电压。

具体地，步骤S108包括：响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，根据各个电池组内的每个电芯电压与电芯电压平均值之间的压差确定待补能电芯和待放能电芯；在组内主动均衡模态下，第一路开关和第二路开关为断开状态，第三路开关和第四路开关为闭合状态；根据预设控制策略控制相应电芯的正负极所连接的两个双N型MOSFET的通断，以使待放能电芯的正负极与对应的电池组内开关阵列的两端所接滤波电容在一个开关信号的一半周期形成放电回路，以及待补能电芯的正负极与对应的电池组内开关阵列的两端所接滤波电容在开关信号的另一半周期形成补电回路；判断每个电芯对应的组内压差是否小于或等于第二预设值；响应于判定每个电芯对应的组内压差小于或等于第二预设值，控制均衡电路停止工作在组内主动均衡模态。

可选的，结合图14所示，首先检测各电池组内电芯电压Vi（i=n，n为电芯编号）与电池组内串联电芯平均值之差Vdi大于给定值Vc_ref，程序会根据电芯电压的差值对待转移能量的电芯进行编号，将电压高的电芯通过电容给电压低的电芯充电，经过循环，检测各电芯电压水平是否一致。

预设控制策略用于确定电芯的充放时序。可选的，预设控制策略可以是：根据电芯待转移能量的大小对待转移能量的电芯进行排序；根据电芯待转移能量的大小和滤波电容的容值确定待放能电芯的放能顺序和待补能电芯的补能顺序；根据放能顺序和补能顺序确定充放时序。

在其他实施例中，预设控制策略也可以是：按照待补能电芯的编号顺序和待放能电芯的编号顺序确定充放时序。

在确定充放时序时，可以考虑一充一放、两充两放、两充一放、一充两放或其他方式，本实施例不做限定。如图4所示，组内主动均衡模态对应上述单电容均衡模式，开关将电容器交替连接到一个单元及其相邻单元，或连接到整个电池组。开关的脉宽调制 (PWM) 信号会对电池能量进行分配管理。在方波的一半周期内，电压较高的电池将能量传递给电容器。在循环的另一半周期内，电池从电容器接收能量。

示例性地，结合图9和图10所示，在对电池组BT1进行组内主动均衡时，在一个开关信号的一半周期内，控制待放能电芯BT1_x对应的双N型MOSFET Qx_1中的M1_1导通、M1_2关闭，放电电流从M1_2的体二极管D1_2流出；控制双N型MOSFET Qx_2中的M2_1导通、M2_2关闭，放电电流经过滤波电容从M2_2的体二极管D2_2流入，形成待放能电芯BT1_x的放电回路。在该开关信号的另一半周期内，控制待补能电芯BT1_y对应的双N型MOSFET Qy_1中的M1_1关闭、M1_2导通，充电电流从M1_1的体二极管D1_1流入；控制双N型MOSFETQn_2中的M2_1关闭、M2_2导通，充电电流经过滤波电容从M2_1的体二极管D2_1流出，形成待补能电芯BT1_y的补电回路。

具体地，步骤S112包括：响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第三预设值，根据每个电芯的电压值分别控制相应电芯的正极所连接的双N型MOSFET和相邻电芯的正极所连接的双N型MOSFET的驱动电压，以使相应电芯的正极、相应电芯的正极所连接的双N型MOSFET、相邻电芯的正极所连接的双N型MOSFET和相应电芯的负极形成能量吸收回路； 判断每个电芯对应的组内压差是否小于或等于第三预设值；响应于判定每个电芯对应的组内压差小于或等于第三预设值，控制均衡电路停止工作在组内被动均衡模态；其中，在组内被动均衡模态下，对四路开关的开关状态无要求。

具体地，结合图15所示，由于组内电芯与电芯之间的压差很小，主动均衡比较难以控制，因此通过对MOSFET开关管进行控制，改变MOSFET的栅极驱动电压Vgs使其工作在电阻区，检测流过电池的电流Ieq与给定值Iref进行比较，改变MOSFET栅极驱动电压Vgs的步进值Vstep，直到电池组内电芯之间电压误差小于V2_ref停止被动均衡，至此均衡结束。

如图5所示，在组内被动均衡模式下，通过控制MOSFET栅极驱动电压值使其工作在电阻区域，不同的驱动电压对应不同的导通电阻，能量从每个电池中提取并转化为热量，直到所有电池都等于最低SOC电池。示例性地，图5中，对于电池组BT1，可通过控制电芯BT1_1的正极所连接的双N型MOSFET Q1_1和相邻电芯BT1_2的正极所连接的双N型MOSFET Q1_3的驱动电压，使电芯BT1_1的正极 、Q1_1、Q1_3和电芯BT1_1的负极之间形成能量吸收回路，即电芯BT1_1的能量被MOSFET吸收。

本发明又一实施例提供一种充电机，包括上述均衡电路。

本发明又一实施例提供一种充电机，包括上述均衡电路、存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于当执行所述计算机程序时，实现如上述任一项所述的均衡控制方法。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种均衡电路，其特征在于，包括：

三个滤波电容，包括第一滤波电容、第二滤波电容和第三滤波电容；

与三个所述滤波电容一一对应设置的三个电池组内开关阵列，包括第一电池组内开关阵列、第二电池组内开关阵列和第三电池组内开关阵列；每个所述电池组内开关阵列包括两端；所述电池组内开关阵列的两端分别与对应的所述滤波电容连接；

第一路开关，包括第一端和第二端；所述第一路开关的第一端与所述第一滤波电容的第二端连接；所述第一路开关的第二端与所述第二滤波电容的第一端连接；

第二路开关，包括第一端和第二端；所述第二路开关的第一端与所述第一电池组内开关阵列的一端连接；所述第二路开关的第二端与所述第二电池组内开关阵列连接；

第三路开关，包括第一端和第二端；所述第三路开关的第一端与所述第一路开关的第一端连接；所述第三路开关的第二端与所述第二路开关的第一端连接；

第四路开关，包括第一端和第二端；所述第四路开关的第一端与所述第一路开关的第二端连接；所述第四路开关的第二端与所述第二路开关的第二端连接；

第一双向变换器，包括第一端口和第二端口，所述第一双向变换器的第一端口的两端与所述第三滤波电容连接，所述第一双向变换器的第二端口的两端与所述第一滤波电容连接；

第二双向变换器，包括第一端口和第二端口，所述第二双向变换器的第一端口的两端与所述第三滤波电容连接，所述第二双向变换器的第二端口的两端与所述第二滤波电容连接。

2.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，所述第一双向变换器包括第一变压器、第一功率开关管和第二功率开关管；所述第一变压器包括第一原边绕组和第一副边绕组；

所述第一原边绕组的第一端与所述第一副边绕组的第二端互为同名端；所述第一原边绕组的第一端与所述第三滤波电容的第一端连接；所述第一原边绕组的第二端与所述第一功率开关管的漏极连接；所述第一功率开关管的源极与第一负极连接端连接；所述第一副边绕组的第一端与所述第一滤波电容的第一端连接；所述第一副边绕组的第二端与所述第二功率开关管的漏级连接；所述第二功率开关管的源级与所述第一滤波电容的第二端连接；所述第三滤波电容的第二端与所述第一功率开关管的源极连接。

3.根据权利要求2所述的均衡电路，其特征在于，所述第一原边绕组包括励磁电感；所述第二双向变换器复用所述励磁电感和所述第一功率开关管；所述第二双向变换器还包括第一电容、第二变压器、第二电容、第一电感、第三功率开关管和第二滤波电容；

所述第二变压器包括第二原边绕组和第二副边绕组；所述第一电容的第一端与所述第一功率开关管的漏极连接；所述第一电容的第二端与所述第二原边绕组的第一端连接；所述第二原边绕组的第二端与所述第一功率开关管的源极连接；所述第二副边绕组的第一端与所述第二电容的第一端连接；所述第二电容的第二端与所述第一电感的第一端连接；所述第二原边绕组的第一端与所述第二副边绕组的第一端互为同名端，所述第一电感的第二端与所述第二副边绕组的第二端连接，所述第三功率开关管的源极与所述第一电感的第一端连接，所述第三功率开关管的漏极与所述第二滤波电容的第一端连接；所述第二滤波电容的第二端与所述第二副边绕组的第二端连接；所述第二滤波电容的第一端与所述第一路开关的第二端连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的均衡电路，其特征在于，所述第一路开关和所述第二路开关分别对应第一双刀单掷开关的两路开关；和/或，所述第三路开关和所述第四路开关分别对应第二双刀单掷开关的两路开关。

5.一种均衡控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-4任一项所述的均衡电路，所述方法包括：

判断各个电池组之间的组间压差是否大于第一预设值；

响应于判定各个电池组之间的组间压差大于所述第一预设值，控制所述均衡电路工作在组间主动均衡模态，直至所述组间压差小于或等于所述第一预设值；

对各个电池组，将组内每个电芯电压与对应电池组内的电芯电压平均值之间的压差的绝对值，分别确定为每个电芯对应的组内压差；

对各个电池组，判断每个电芯对应的组内压差是否大于第二预设值；

响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，控制所述均衡电路工作在组内主动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差小于或等于所述第二预设值；

判断每个电芯对应的组内压差是否大于第三预设值；

响应于判定每个电芯对应的组内压差大于所述第三预设值，控制所述均衡电路工作在组内被动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差的平均值小于或等于所述第三预设值。

6.根据权利要求5所述的均衡控制方法，其特征在于，所述响应于判定各个电池组之间的组间压差大于所述第一预设值，控制所述均衡电路工作在组间主动均衡模态，直至所述组间压差小于或等于所述第一预设值，包括：

响应于判定各个所述电池组的组内压差大于第二预设值，对各个所述电池组的电压值进行排序，得到排序结果；

根据排序结果控制所述均衡电路的第一双向变换器和第二双向变换器的工作方向，以及控制所述均衡电路的第一路开关、第二路开关、第三路开关和第四路开关的通断；

判断各个电池组之间的组间压差是否小于或等于第一预设值；

响应于判定各个所述电池组之间的组间压差小于或等于所述第一预设值，控制所述均衡电路停止工作在组间主动均衡模态。

7.根据权利要求6所述的均衡控制方法，其特征在于，所述根据排序结果控制所述均衡电路的第一双向变换器和第二双向变换器的工作方向，以及控制所述均衡电路的第一路开关、第二路开关、第三路开关和第四路开关的通断，包括：

当第三电池组的电压大于第一电池组的电压，且第一电池组的电压大于第二电池组的电压时，控制所述第一路开关和所述第二路开关断开，控制所述第三路开关和所述第四路开关闭合，将所述第一双向变换器和所述第二双向变换器的工作方向控制为正向；

当第三电池组的电压大于第一电池组的电压，且第一电池组的电压等于第二电池组的电压时，控制所述第一路开关和所述第二路开关闭合，控制所述第三路开关和所述第四路开关断开，将所述第一双向变换器和所述第二双向变换器的工作方向控制为正向；

当第三电池组的电压小于第二电池组的电压，且第二电池组的电压小于第一电池组的电压时，控制所述第一路开关和所述第二路开关闭合，控制所述第三路开关和所述第四路开关断开，将所述第一双向变换器和所述第二双向变换器的工作方向控制为反向。

8.根据权利要求5所述的均衡控制方法，其特征在于，所述均衡电路的各个所述电池组内开关阵列包括2M个双N型MOSFET；M为电池组内电芯的数量；每个电池组内的每个电芯的正负极分别通过一个双N型MOSFET连接至对应所述电池组内开关阵列的两端所接滤波电容；

则所述响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，控制所述均衡电路工作在组内主动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差小于或等于所述第二预设值，包括：

响应于判定每个电芯对应的组内压差大于第二预设值，根据各个电池组内的每个电芯电压与电芯电压平均值之间的压差确定待补能电芯和待放能电芯；在组内主动均衡模态下，所述第一路开关和所述第二路开关为断开状态，所述第三路开关和所述第四路开关为闭合状态；

根据预设控制策略控制相应电芯的正负极所连接的两个双N型MOSFET的通断，以使待放能电芯的正负极与对应的电池组内开关阵列的两端所接滤波电容在一个开关信号的一半周期形成放电回路，以及待补能电芯的正负极与对应的电池组内开关阵列的两端所接滤波电容在所述开关信号的另一半周期形成补电回路；

判断每个电芯对应的组内压差是否小于或等于所述第二预设值；

响应于判定每个电芯对应的组内压差小于或等于所述第二预设值，控制所述均衡电路停止工作在组内主动均衡模态。

9.根据权利要求5所述的均衡控制方法，其特征在于，所述均衡电路的各个所述电池组内开关阵列包括2M个双N型MOSFET；M为电池组内电芯的数量；每个电池组内的每个电芯的正负极分别通过一个双N型MOSFET连接至对应所述电池组内开关阵列的两端所接滤波电容；

则所述响应于判定每个电芯对应的组内压差大于所述第三预设值，控制所述均衡电路工作在组内被动均衡模态，直至每个电芯对应的组内压差的平均值小于或等于所述第三预设值，包括：

响应于判定每个电芯对应的组内压差大于所述第三预设值，根据每个电芯的电压值分别控制相应电芯的正极所连接的双N型MOSFET和相邻电芯的正极所连接的双N型MOSFET的驱动电压，以使所述相应电芯的正极、所述相应电芯的正极所连接的双N型MOSFET、所述相邻电芯的正极所连接的双N型MOSFET和所述相应电芯的负极形成能量吸收回路；

判断每个电芯对应的组内压差是否小于或等于所述第三预设值；

响应于判定每个电芯对应的组内压差小于或等于所述第三预设值，控制所述均衡电路停止工作在组内被动均衡模态。

10.一种充电机，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的均衡电路。

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