(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010862238.0
(22)申请日 2020.08.25
(71)申请人 南通大学
地址 226019 江苏省南通市崇川区啬园路9
号
(72)发明人 陈海进 刘明瑞
(74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限
公司 32200
代理人 朱小兵
(51)Int.Cl.
H02J 7/00(2006.01)
B60L 58/22(2019.01)
(54)发明名称一种用于电池主动均衡的双电容电路设计及其均衡方法(57)摘要本发明公开了一种用于电池主动均衡的双电容电路设计及其均衡方法，包含以下步骤：S1利用电容器并联充电时电路的等效电阻R 1及电容器串联放电时电路的等效电阻R 2满足R 2＝2R 1及两个电容器满足电气特性相同，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I max 及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I ch_p1的表达式；S2利用峰值电流I max 满足I 0＜I max ＜I N 确定各电路元器件的电阻取值；S3限定 电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t实现非重复脉冲式最大电流I ch_p1满足I ch_p1＜k 0I N ，本发明利用通过对I max 及I ch_p1需要满足的条件反推电路中各元器件的参数值及电容器串联初始化时长，从而解决了双电容电路均衡过程中容易出现均
衡电流过大损坏电路元器件的问题。权利要求书2页 说明书9页 附图5页CN 112072731 A 2020.12.11
C N 112072731
A
1.一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：利用电容器并联充电时电路的等效电阻R1及电容器串联放电时电路的等效电阻R2满足R2＝2R1及两个电容器满足电气特性相同，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I ch_p1的表达式；
S2：利用峰值电流I max满足I0＜I max＜I N确定各电路元器件的电阻取值，其中I N为电路中所有电路元器件最小的额定电流，I0为期望平均电流所对应的最大电流；
S3：限定电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t实现非重复脉冲式最大电流
I ch_p1满足I ch_p1＜k0I N，其中k0为电路中所有电路元器件过流系数的最小值。
2.根据权利要求1所述的用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，步骤
S1中，峰值电流I max的表达式为非重复脉冲式最大电流I ch_p1的表达式为
其中V H是荷电状态高的电芯电压，V L是荷电状态低的电
芯电压，V Cini是电容器串联初始化后单个电容器的电压值，ξ为电路周期因子，时间常数τ2＝R2C/2，C为电容器的电容值。
3.根据权利要求2所述的用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，步骤S3中电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t满足t＞τ2ln(0.5k0-1)-1。
4.根据权利要求3所述的用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，所述双电容电路设计方法应用于一种电池主动均衡的双电容电路，电容器并联充电时电路的等效电阻R1＝4.5R sw+R b+0.5R c+R reg1，电容器串联放电时电路的等效电阻R2＝5R sw+R b+2R c+R reg1 +R reg2，其中R b为单节电芯的内阻、R c为电容器等效串联电阻、R sw为开关电阻、R reg1及R reg2为电阻；
步骤S2包含如下步骤：
S21：根据电池对平均均衡电流的要求及初步选定的电路周期因子ξ，计算期望平均电流所对应的最大电流
S22：根据实际峰值电流满足I0＜I max＜I N，确定R c、R sw、R reg1及R1；
S23：根据R2＝2R1确定R reg2。
5.根据权利要求4所述的用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，步骤S22包括如下步骤：
S221：根据初步选定的电容器等效电阻R c、开关电阻R sw、R reg1＝0及已知的单个电芯内阻R b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R1及峰值电流I max，判断峰值电流I max是否满足I max＞I0，若不满足I max＞I0，减少R c或者R sw即选择阻值更小的电容器或开关，进入S221；若满足I max＞I0，
进入S222；
S222：判断峰值电流是否满足I max＜I N，若不满足I max＜I N，增加R reg1，进入S222；若满足I0＜I max＜I N，进入S23；若满足I max≤I0，减小R reg1，进入S222。
6.根据权利要求4所述的用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，其特征在于，步骤
S22包括如下步骤：
S221：根据初步选定电容器等效电阻R c、开关电阻R sw、R reg1＝0及已知的单个电芯内阻R b 计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R1及峰值电流I max，判断峰值电流I max是否满足I max＜I N，若不满足I max＜I N，增加R c或者R sw或者R reg1即选择阻值更大的电容器或开关或电阻进入S221；若满足I max＜I N，进入S222；
S222：判断峰值电流是否满足I m a x＞I0，若不满足I m a x＞I0，判断R1是否满足
若满足减小ξ进入S222，若不满足退出；若满足
I0＜I max＜I N，进入S23。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的用于电池主动均衡的双电容器电路的均衡方法，其特征在于，包含以下步骤：
S10：电容器串联初始化：通过切换电路中的开关形成电容器串联初始化模式，利用荷电状态高的电芯对串联的双电容器进行充电，保持时间大于τ2ln(0.5k0-1)-1；
S20：电容器并联充电：通过切换电路中的开关形成电容器并联充电模式，利用荷电状态高的电芯对且对并联的双电容器进行充电，保持时间ξτ1；
S30：电容器串联放电：通过切换电路中的开关形成电容器串联放电模式，利用串联的双电容器放电至荷电状态低的电芯，保持时间ξτ2；
重复步骤S20和S30，直到待均衡电芯的荷电状态满足要求；
其中，时间常数τ2＝R2C/2，τ1＝2R1C，ξ为电路周期因子，k0为电路中所有电路元器件过流系数的最小值。
一种用于电池主动均衡的双电容电路设计及其均衡方法
技术领域
[0001]本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种用于电池主动均衡的双电容电路设计及其均衡方法。
背景技术
[0002]在新能源汽车、电力系统储能等新兴领域，储能电池是其中的关键部件，离不开电池管理系统(BMS)对其进行管理。电池均衡电路实现电池内部电芯之间电量的均衡，承担了十分重要的功能。已有的均衡电路结构，可分为被动均衡方式和主动均衡方式两大类。被动均衡方式通过电阻对电量高的电芯放电实现均衡，不利于节能。主动均衡方式使用电感(变压器)、电容器等储能元器件实现电芯间的能量转移，有利于节能。
[0003]经文献检索发现，中国专利公开号为CN 103187754 A，专利名为一种电动汽车用电池组新型电容均衡方法，申请日期为2012年12月24日，能量转移电容和辅助充电电容串联的办法，使得转移能量的速度大大提高，缩短了电池组均衡的时间，解决了传统的飞度电容器技术均衡电流小均衡时间长的
问题，但是在双电容均衡电路在均衡过程中电流表达式非常复杂无法准确获取到最大电流，因此在均衡过程中容易出现均衡电流过大损坏电路元器件的情况。
发明内容
[0004]为了解决上述问题，本发明公开了一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法及其均衡方法，通过限定电容器并联充电时电路的等效电阻R1及电容器串联放电路的等效电阻R2的关系及两个电容器满足电气特性相同的特性，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I ch_p1的表达式，通过对I max及I ch_p1需要满足的条件反推电路中各元器件的参数值及电容器串联初始化时长，从而解决了双电容电路均衡过程中容易出现均衡电流过大损坏电路元器件的问题。[0005]为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
[0006]一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法，包含以下步骤：
[0007]S1：利用电容器并联充电时电路的等效电阻R1及电容器串联放电时电路的等效电阻R2满足R2＝2R1及两个电容器满足电气特性相同，获取在电路均衡进入稳态后电容器充放电的峰值电流I max及电路整个均衡过程中非重复脉冲式最大电流I ch_p1的表达式；[0008]S2：利用峰值电流I max满足I0＜I max＜I N确定各电路元器件的电阻取值，其中I N为电路中所有电路元器件最小的额定电流，I0为期望平均电流所对应的最大电流；
[0009]S3：限定电路进入均衡周期前电容器串联初始化时间t实现非重复脉冲式最大电流I ch_p1满足I ch_p1＜k0I N，其中k0为电路中所有电路元器件过流系数的最小值。
[0010]进一步地，步骤S1中，峰值电流I max的表达式为非重复脉冲式最大
电流I ch_p1的表达式为其中V H是荷电状态高的电芯电压，
V L是荷电状态低的电芯电压，V Cini是电容器串联初始化后单个电容器的电压值，ξ为电路周期因子，时间常数τ2＝R2C/2，C为电容器的电容值。
[0011]进一步地，步骤S3中电路第一均衡周期内的电容器串联初始化时间t满足t＞τ2ln (0.5k0-1)-1。
[0012]进一步地，本发明提供的一种用于电池主动均衡的双电容电路设计方法应用于一种电池主动均衡的双电容电路，电容器并联充电时电路的等效电阻R1＝4.5R sw+R b+0.5R c+ R reg1、电容器串联放电路的等效电阻R2＝5R sw+R b+2R c+R reg1+R reg2，其中R b为单节电芯的内阻、R c为电容器等效串联电阻、R sw为开关电阻、R reg1及R reg2为电阻；
[0013]步骤S2包含如下步骤：
[0014]S21：根据电池对平均均衡电流的要求，及初步选定的电路周期因子ξ，计算期望
平均电流所对应的最大电流
[0015]S22：根据实际峰值电流满足I0＜I max＜I N，确定R c、R sw、R reg1及R1；
[0016]S23：根据R2＝2R1确定R reg2。
[0017]进一步地，步骤S22包括如下步骤：
[0018]S221：根据初步选定的电容器等效电阻R c、开关电阻R sw、R reg1＝0及已知的单个电芯内阻R b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R1及峰值电流I max，判断峰值电流I max是否满足I max＞I0，若不满足I max＞I0，减少R c或者R sw即选择阻值更小的电容器或开关，进入S221；若满足I max＞I0，进入S222；
[0019]S222：判断峰值电流是否满足I max＜I N，若不满足I max＜I N，增加R reg1，进入S222；若满足I0＜I max＜I N，进入S23；若满足I max≤I0，减小R reg1，进入S222。
[0020]进一步地，步骤S22包括如下步骤：
[0021]S221：根据初步选定电容器等效电阻R c、开关电阻R sw、R reg1＝0及已知的单个电芯内阻R b计算出电容器并联充电时电路的等效电阻R1及峰值电流I max，判断峰值电流I max是否满足I max＜I N，若不满足I max＜I N，增加R c或者R sw或者R reg1即选择阻值更大的电容器或开关或电阻进入S221；若满足I max＜I N，进入S222；
[0022]S222：判断峰值电流是否满足I m a x＞I0，若不满足I m a x＞I0，判断R1是否满足
若满足减小ξ进入S222，若不满足退出；若满足I0
＜I max＜I N，进入S23。
[0023]另外，本发明还提供了一种用于电池主动均衡的双电容器电路的均衡方法，包含以下步骤：
[0024]S10：电容器串联初始化：通过切换电路中的开关形成电容器串联初始化模式，利用荷电状态高的电芯对串联的双电容器进行充电，保持时间大于τ2ln(0.5k0-1)-1；[0025]S20：电容器并联充电：通过切换电路中的开关形成电容器并联充电模式，利用荷电状态高的电芯对且对并联的双电容器进行充电，保持时间ξτ1；
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