CN103066667B - 基于独立变压器的电池平衡***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于独立变压器的电池平衡***及方法，所述***包括：单片机、串联电池组和平衡单元，单电池通过平衡单元与单片机连接；每个单电池分别对应一个平衡单元，平衡单元并联连接在所对应的单电池的正、负两极；还包括电压采集电路和驱动电路，平衡单元通过电压采集电路、驱动电路分别与单片机的电压采集输入接口、驱动信号输出接口连接；平衡单元包括驱动变压器T1、反激功率变压器T2和功率开关器件。本发明能够简化电路结构，减少能量消耗，节省成本。

Description

基于独立变压器的电池平衡***及方法

技术领域

本发明涉及一种基于独立变压器的电池平衡***及方法，属于电池平衡技术领域。

背景技术

目前，电池平衡技术主要有以下几种模式：

1、被动平衡模式，如图5所示，其属于最简易的实现方式，仅仅是消耗放电模式，仅适用于满电平衡，不能解决放电容量充分利用的问题。

2、电感传递模式，如图6所示，借助电感使得一个电池的电量传递到相邻的电池中，可以实现电池的双向平衡，但是仅对相邻电池之间的传递比较有效，相距较远的电池很难有效地传递能量，因此不适用于较多数量的电池连接。

3、飞渡电容模式，借助电容传递能量，利用电子或机械开关将一个电容分时连接到不同的电池上，对能量传递起作用的仅仅是电池间的电压差，因此该模式的传递效率偏低。

4、变压器传递模式，如图7所示，借助变压器的双向模式进行能量传递，可以同时进行电压的采集；现有的结构需要一个多绕组的变压器，需要电池数+1的绕组，每个绕组需要2个引出端子，当电池数量增加到一定数量后，该变压器的加工工艺将会非常复杂、困难、耗费成本。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于独立变压器的电池平衡***及方法，能够简化电路结构，减少能量消耗，节省成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种基于独立变压器的电池平衡***，包括单片机、串联电池组和平衡单元，单电池通过平衡单元与单片机连接；每个单电池分别对应一个平衡单元，平衡单元并联连接在所对应的单电池的正、负两极；还包括电压采集电路和驱动电路，平衡单元通过电压采集电路、驱动电路分别与单片机的电压采集输入接口、驱动信号输出接口连接；平衡单元包括驱动变压器T1、反激功率变压器T2和功率开关器件。

前述的基于独立变压器的电池平衡***中，驱动变压器T1的输入端分别连接至驱动信号输出接口和电池组负极，驱动变压器T1的输出端分别连接至功率开关器件和单电池负极；反激功率变压器T2的正输入端连接至单电池正极，反激功率变压器T2的负输入端与功率开关器件连接，反激功率变压器T2的正输出端通过二极管分时隔离分别连接至电压采集电路和电池组正极。

前述的基于独立变压器的电池平衡***中，平衡单元还包括并联连接在反激功率变压器T2的输入端的保护吸收电路。

前述的基于独立变压器的电池平衡***中，驱动变压器T1的正输入端与驱动电路之间设有驱动整形电路A，驱动变压器T1的正输出端与功率开关器件之间设有驱动整形电路B。驱动变压器T1的正输入端与驱动电路之间、驱动变压器T1的正输出端与功率开关器件之间均可根据需要增加驱动整形电路。

前述的基于独立变压器的电池平衡***中，功率开关器件采用N沟道场效应晶体管Q1或者双极性三极管。

前述的基于独立变压器的电池平衡***中，功率开关器件优选采用性价比较高的N沟道场效应晶体管Q1，简写NMOSFET。

前述的基于独立变压器的电池平衡***中，单片机包括控制器，控制器上设有：

电压排序单元，用于对采集的电池电压进行排序；

电池容量转换单元，用于将电池电压换算成电池容量；

脉冲计算单元，用于计算电池容量对应的平衡所需的脉冲数；

其中，电压排序单元、电池容量转换单元和脉冲计算单元顺次连接，脉冲计算单元与驱动信号输出接口连接。

一种实现前述***的基于独立变压器的电池平衡方法，包括以下步骤：

S1，单片机控制器依次通过驱动变压器T1驱动每一个单电池的平衡单元，在功率开关器件开通后延迟一定时间进行后端电压的采集并记录；由于此时反激功率变压器T2工作于正激阶段，输出电压近似正比电池电压，从而获取到各个电池的电压，实现电池电压的采集；之后驱动电路关闭场功率开关器件，反激功率变压器T2中存储的能量反激模式输送到电池组母线。

S2，单片机控制器根据采集的电池电压的不同，在时间段内给予每一个电池不同的驱动信号脉冲个数，驱动脉冲数多的单元将向母线转移更多的能量，从而达到电池的平衡。

前述的基于独立变压器的电池平衡方法中，所述步骤S2具体包括：

S21，电压排序单元对采集的电池电压进行排序；

S22，电池容量转换单元将电池电压换算成电池容量；

S23，脉冲计算单元计算电池容量对应的平衡所需的脉冲数；

S24，驱动信号输出接口根据计算得出的平衡所需脉冲数来发送驱动信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、使得电池组内部的每个电池各自使用独立的变压器，平衡电流仅从电池流向电池组，大幅度简化了电路结构。

2、功率开关器件独立，因为在电池侧无需控制逻辑，同时电池侧的不同电路单元之间也完全没有相互的连接，所以便于组建任意电流规模的平衡电路。

3、驱动部分使用变压器驱动，电池侧功率开关器件的驱动使用磁隔离，这样可以保证当***停止工作后，即单片机控制器没有控制需求的时候，***处于仅仅只有功率开关器件和电容的漏电流的消耗水平，该消耗低于ua等级。

4、将电压采集电路和功率转移电路合并，电压采样环节处于反激功率变压器T2的次级端，检测的是经过变压器后的正激时段的感应电压，反激功率变压器T2同时完成了采样电压的隔离，相比于常见的通过分压电阻差分电压采样和专用高压电池采样芯片，电路更简单，成本也更低。

附图说明

图1是本发明的一种实施例中电池平衡单元的结构示意图；

图2是本发明的一种实施例的电池平衡***的结构示意图；

图3是本发明的一种实施例的电压采集阶段的脉冲图；

图4是本发明的一种实施例的电池均衡阶段的脉冲图；

图5是被动平衡模式的电路图；

图6是电感传递模式的电路图；

图7是变压器传递模式的电路图；

图8是本发明的一种实施例中电压采集电路的示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例：一种基于独立变压器的电池平衡***，如图2所示，包括单片机、串联电池组（BATT01、BATT02……BATT-N）和平衡单元，单电池通过平衡单元与单片机连接；每个单电池分别对应一个平衡单元，平衡单元并联连接在所对应的单电池的正、负两极；还包括电压采集电路和驱动电路，平衡单元通过电压采集电路、驱动电路分别与单片机的电压采集输入接口、驱动信号输出接口连接。电压采集电路如图8所示。

如图1所示，平衡单元包括驱动变压器T1、反激功率变压器T2和功率开关器件；驱动变压器T1的输入端分别连接至驱动信号输出接口和电池组负极，驱动变压器T1的输出端分别连接至功率开关器件和单电池负极；反激功率变压器T2的正输入端连接至单电池正极，反激功率变压器T2的负输入端与功率开关器件连接，反激功率变压器T2的正输出端通过二极管分时隔离分别连接至电压采集电路和电池组正极；平衡单元还包括并联连接在反激功率变压器T2的输入端的保护吸收电路；驱动变压器T1的正输入端与驱动电路之间设有驱动整形电路A，驱动变压器T1的正输出端与功率开关器件之间设有驱动整形电路B；功率开关器件采用N沟道场效应晶体管Q1。

单片机包括控制器，控制器上设有：电压排序单元，用于对采集的电池电压进行排序；电池容量转换单元，用于将电池电压换算成电池容量；脉冲计算单元，用于计算电池容量对应的平衡所需的脉冲数。其中，电压排序单元、电池容量转换单元和脉冲计算单元顺次连接，脉冲计算单元与驱动信号输出接口连接。

一种基于独立变压器的电池平衡方法，包括以下步骤：

S1，如图3所示，单片机控制器依次通过驱动变压器T1驱动每一个单电池的平衡单元，在功率开关器件开通后延迟一定时间进行后端电压的采集并记录；由于此时反激功率变压器T2工作于正激阶段，输出电压近似正比电池电压，从而获取到各个电池的电压；之后驱动电路关闭场效应晶体管Q1，功率变压器里面存储的能量反激模式输送到电池组母线。

S2，单片机控制器根据采集的电池电压的不同，在时间段内给予每一个电池不同的驱动信号脉冲个数，驱动脉冲数多的单元将向母线转移更多的能量，从而达到电池的平衡。如图4所示，第三路是电压最低的电池单元的驱动，此单元不参与放电平衡；第二路、第一路、第N路是电池电压从高到低排列的，对应的放电时长也是从高到低排列的，因此最终达到电池电量的平衡。

所述步骤S2具体包括：

S21，电压排序单元对采集的电池电压进行排序；

S22，电池容量转换单元将电池电压换算成电池容量；

S23，脉冲计算单元计算电池容量对应的平衡所需的脉冲数；

S24，驱动信号输出接口根据计算得出的平衡所需脉冲数来发送驱动信号。

工作原理：当驱动电路发出驱动信号时，场效应晶体管Q1导通电池向反激功率变压器T2初级充电，此时反激功率变压器T2次级将感应出一个和单电池电压成正比的信号（即正激模式），该信号通过二极管D2传输到电压采集电路，控制电池依次导通就可以获得每一个电池的电压；单片机控制器上的电压排序单元对采集的电池电压进行排序，电池容量转换单元将电池电压换算成电池容量，脉冲计算单元计算电池容量对应的平衡所需的脉冲数，驱动信号输出接口根据计算得出的平衡所需脉冲数来发送驱动信号；在场效应晶体管Q1关闭时，反激功率变压器T2将产生一个续流的需要，此时初级因为被场效应晶体管Q1截止，反激功率变压器T2储存的能量将通过二极管D1，向电池组进行释放（即反激模式）；通过控制每个平衡单元的驱动脉冲数量，可以让不同的单电池向电池组转移不同的电量，从而利用同一套平衡单元电路实现了电压采样和能量转移的工作。

Claims (6)

1.一种基于独立变压器的电池平衡***，其特征在于：包括单片机、串联电池组和平衡单元，单电池通过平衡单元与单片机连接；每个单电池分别对应一个平衡单元，平衡单元并联连接在所对应的单电池的正、负两极；还包括电压采集电路和驱动电路，平衡单元通过电压采集电路、驱动电路分别与单片机的电压采集输入接口、驱动信号输出接口连接；平衡单元包括驱动变压器T1、反激功率变压器T2和功率开关器件；驱动变压器T1的输入端分别连接至驱动信号输出接口和电池组负极，驱动变压器T1的输出端分别连接至功率开关器件和单电池负极；反激功率变压器T2的正输入端连接至单电池正极，反激功率变压器T2的负输入端与功率开关器件连接，反激功率变压器T2的正输出端通过二极管分时隔离分别连接至电压采集电路和电池组正极；

单片机包括控制器，控制器上设有：

电压排序单元，用于对采集的电池电压进行排序；

电池容量转换单元，用于将电池电压换算成电池容量；

脉冲计算单元，用于计算电池容量对应的平衡所需的脉冲数；

其中，电压排序单元、电池容量转换单元和脉冲计算单元顺次连接，脉冲计算单元与驱动信号输出接口连接。

2.根据权利要求1所述的基于独立变压器的电池平衡***，其特征在于：平衡单元还包括并联连接在反激功率变压器T2的输入端的保护吸收电路。

3.根据权利要求2所述的基于独立变压器的电池平衡***，其特征在于：驱动变压器T1的正输入端与驱动电路之间设有驱动整形电路A，驱动变压器T1的正输出端与功率开关器件之间设有驱动整形电路B。

4.根据权利要求3所述的基于独立变压器的电池平衡***，其特征在于：功率开关器件采用N沟道场效应晶体管Q1或者双极性三极管。

5.根据权利要求4所述的基于独立变压器的电池平衡***，其特征在于：功率开关器件优选采用N沟道场效应晶体管Q1。

6.一种实现权利要求1～5任一项所述***的基于独立变压器的电池平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，单片机控制器依次通过驱动变压器T1驱动每一个单电池的平衡单元，在功率开关器件开通后延迟一定时间进行后端电压的采集并记录；

S2，单片机控制器根据采集的电池电压的不同，给予每一个电池不同的驱动信号脉冲个数，从而达到电池的平衡；

所述步骤S2具体包括：

S21，电压排序单元对采集的电池电压进行排序；

S22，电池容量转换单元将电池电压换算成电池容量；

S23，脉冲计算单元计算电池容量对应的平衡所需的脉冲数；

S24，驱动信号输出接口根据计算得出的平衡所需脉冲数来发送驱动信号。