CN107342442A - 一种基于反激电路的电池组无损均衡电路 - Google Patents

一种基于反激电路的电池组无损均衡电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反激电路的电池组无损均衡电路，包括由n个电池串联组成的电池组以及和电池组连接的均衡模块，均衡模块包括控制模块以及依次电连接的第一均衡单元、反激电路和第二均衡单元，第一均衡单元、第二均衡单元分别与电池组连接；反激电路包括一反激变压器，第一均衡单元电连接于反激变压器的初级线圈，第二均衡单元电连接于反激变压器的次级线圈；第一均衡单元、第二均衡单元均由n个开关组件并联组成，开关组件由两个反并联MOSFET开关组成。本发明只采用一个反激电路传递能量，就实现整个电池组任意两个电池之间的能量交换；通过控制反并联MOSFET开关通断与反激变压器作用，实现电池组电量均衡，减小电池的维修，延长电池组的使用寿命。

Description

一种基于反激电路的电池组无损均衡电路
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种基于反激电路的电池组无损均衡电路。
背景技术
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会出现三种情况：某些电池单体的剩余容量偏高；某些电池单体的剩余容量偏低；某些电池单体的剩余容量偏高和某些电池单体的剩余容量偏低。针对上述三种情况，国内外学者均提出了不同的锂离子电池组均衡控制的解决方案，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。
针对个别电池单体的剩余容量偏高的情况，有研究者提出的能量耗散型解决方案如并联电阻分流法，它通过控制相应的开关器件将剩余容量偏高的电池模块的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡过程中产生了大量的热，增加了电池热管理的负荷。也有研究者提出了双向DC-DC均衡法、同轴变压器均衡法等均衡电路，这些电路都采用了变压器，增加了均衡电路的成本。
而目前能量非耗散型均衡电路均采用过多的储能元件以达到能量交换的目的，基本储能元件的数量都大于等于电池数量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足提供一种能量非耗散型的基于反激电路的电池组无损均衡电路，其减少均衡电路中储能元件的数量，简化均衡电路。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种基于反激电路的电池组无损均衡电路，包括由n个电池串联组成的电池组以及和电池组连接的均衡模块，所述均衡模块包括控制模块以及依次电连接的第一均衡单元、反激电路和第二均衡单元，所述第一均衡单元、第二均衡单元分别与电池组连接；所述反激电路包括一反激变压器，所述第一均衡单元电连接于反激变压器的初级线圈，所述第二均衡单元电连接于反激变压器的次级线圈；所述第一均衡单元、第二均衡单元均由n个开关组件并联组成，所述开关组件由两个反并联MOSFET开关组成，反并联MOSFET开关由两个MOSFET开关采用反并联的方式连接，实现双向开关；反并联MOSFET开关的一端和电池的一极相连，另一端和反激变压器的一端相连；所述第一均衡单元的第k个开关组件的两个反并联MOSFET开关分别与第k个电池的正负极电连接并和初级线圈串联组成闭合回路；所述第二均衡单元的第k个开关组件的两个反并联MOSFET开关分别与第k个电池的正负极电连接并和次级线圈串联组成闭合回路；所述第一均衡单元、第二均衡单元的每个反并联MOSFET开关分别与控制模块电连接。
进一步阐述方案，所述控制模块包括微控制器和所有反并联MOSFET开关的驱动电路，所述微控制器检测电池组中各个电池的电量并决定均衡电池组的控制策略，所述微控制器通过驱动电路给反并联MOSFET开关的门极提供适当的驱动电压或者关断电压，让反并联MOSFET开关按照控制策略的需求开启或者关闭。
进一步阐述方案，所述控制策略具有以下步骤：
步骤一，根据微控制器检测电池组中各个电池的电量，计算出电池组的平均电量；
步骤二，通过微控制器实时检测电池组中各个电池的电量并按电量高低进行排序，选取电量高的电池作为供电电池，选取电量低的电池作为充电电池，
步骤三，通过驱动电路打开第一均衡单元中与供电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关，使得供电电池与反激变压器的初级线圈可以构成一个闭合回路，将供电电池的能量传递给反激变压器；
步骤四，当步骤三中供电电池的能量传递给反激变压器经过一定时间t后，关闭第一均衡单元中与供电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关；同时打开第二均衡单元中与充电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关，使得充电电池与反激变压器的次级线圈可以构成一个闭合回路，在t时间内将反激变压器从供电电池获得的能量传递给充电电池；
步骤五，重复步骤二、三、四，直到电池组中的各电池电量与平均电量之差的绝对值小于a，则停止电池组的均衡。
进一步阐述方案，所述时间t的范围为0.05-0.25s。
进一步阐述方案，所述a的范围为0.005-0.02。
本发明有益效果在于只采用一个反激电路传递能量，就实现整个电池组的任意两个电池之间的能量交换；电池组通过控制均衡模块中的反并联MOSFET开关的通断与反激变压器的作用，实现电池组的电量均衡，改善电池组电量不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小电池组的维修和更换周期，延长电池组的使用寿命。
附图说明
图1是电池组均衡电路原理图。
图2是某个电池Bk能量过高时给变压器储存能量的均衡电路原理图。
图3是某个电池Bk能量过高时变压器释放能量的均衡电路原理图。
图4是某个电池Bk能量过低时给变压器储存能量的均衡电路原理图。
图5是某个电池Bk能量过低时变压器释放能量的均衡电路原理图。
图6是以4节电池为例的均衡电路电池能量过高的仿真实验中各电池单体的电压波形图。
图7是以4节电池为例的均衡电路电池能量过低的仿真实验中各电池单体的电压波形图。
图中：1、电池组；2、第一均衡单元；3、第二均衡单元；4、反激变压器；5、二极管；6、反并联MOSFET开关；7、控制模块。
具体实施方式
参照附图1至附图7介绍本发明的具体实施方式。
如图1-7所示，一种基于反激电路的电池组无损均衡电路，包括由n个电池串联组成的电池组1以及和电池组1连接的均衡模块，所述均衡模块包括控制模块7以及依次电连接的第一均衡单元2、反激电路和第二均衡单元3，所述第一均衡单元2、第二均衡单元3分别与电池组1连接；所述反激电路包括一反激变压器4和一个和次级线圈串联的二极管5，所述第一均衡单元2电连接于反激变压器4的初级线圈，所述第二均衡单元3电连接于反激变压器4的次级线圈；所述第一均衡单元2、第二均衡单元3均由n个开关组件并联组成，所述开关组件由两个反并联MOSFET开关6组成，反并联MOSFET开关6由两个MOSFET开关采用反并联的方式连接，实现双向开关；反并联MOSFET开关6的一端和电池的一极相连，另一端和反激变压器4的一端相连；所述第一均衡单元2的第k个开关组件的两个反并联MOSFET开关6分别与第k个电池的正负极电连接并和初级线圈串联组成闭合回路；所述第二均衡单元3的第k个开关组件的两个反并联MOSFET开关6分别与第k个电池的正负极电连接并和次级线圈串联组成闭合回路；所述第一均衡单元2、第二均衡单元3的每个反并联MOSFET开关6分别与控制模块7电连接。
所述控制模块7包括微控制器和所有反并联MOSFET开关6的驱动电路，所述微控制器检测电池组1中各个电池的电量并决定均衡电池组1的控制策略，所述微控制器通过驱动电路给反并联MOSFET开关6的门极提供适当的驱动电压或者关断电压，让反并联MOSFET开关6按照控制策略的需求开启或者关闭。
所述控制策略具有以下步骤：
步骤一，根据微控制器检测电池组1中各个电池的电量，计算出电池组1的平均电量；
步骤二，通过微控制器实时检测电池组1中各个电池的电量并按电量高低进行排序，选取电量高的电池作为供电电池，选取电量低的电池作为充电电池，
步骤三，通过驱动电路打开第一均衡单元2中与供电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关6，使得供电电池与反激变压器4的初级线圈可以构成一个闭合回路，将供电电池的能量传递给反激变压器4；
步骤四，当步骤三中供电电池的能量传递给反激变压器4经过一定时间t后，关闭第一均衡单元2中与供电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关6；同时打开第二均衡单元3中与充电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关6，使得充电电池与反激变压器4的次级线圈可以构成一个闭合回路，在t时间内将反激变压器4从供电电池获得的能量传递给充电电池；所述时间t取0.1s；
步骤五，重复步骤二、三、四，直到电池组1中的各电池电量与平均电量之差的绝对值小于a，则停止电池组1的均衡。所述a的取0.01。
如图1，当电池数量为n时，电池组1中的电池由上至下分别命名为B1、B2……Bn；反激电路包含一个单相反激变压器4，一个二极管5；均衡模块的MOSFET开关采用反并联的连接方式，每2个MOSFET为一组组成反并联MOSFET开关6，实现双向开关的功能，均衡模块分为两部分，第一均衡单元2这部分在电池组1左端，第一均衡单元2中的反并联MOSFET开关6数量为2n，由上至下分别命名为Sl1、S'l1、Sl2、S'l2……Sln、S'ln，Sln和S'ln组成一个开关组件；第二均衡单元3这部分在电池组1右端，第二均衡单元3中的反并联MOSFET开关6数量也为2n，由上至下分别命名为Sr1、S'r1、Sr2、S'r2……Srn、S'rn ，Srn、S'rn组成一个开关组件。
均衡模块的工作原理如下：
如图1-5、6，当电池组1的B1、B2……Bn中某个电池能量过高时，假设该电池为Bi(供电电池)，同时假设此时电池组1中电池Bj(充电电池)能量最低（i≠j，若i=j则说明电池组1不需要均衡）。在一个适当的时间段内，使反并联MOSFET开关6 S'li 、Srj和S'rj导通，同时给反并联MOSFET开关6 Sli加上合适的PWM波控制Sli按一定规律开通和关闭。在Sli开通时，电流通过Bi、Sli、反激变压器4和S'li, Bi放电为反激变压器4储存能量；在Sli关闭时，电流通过反激变压器4、Srj、Bj、S'rj和二极管5，反激变压器4释放能量至Bj，实现了能量从Bi到Bj的转移。
如图1-5、7，当电池组1的B1、B2……Bn中某个电池能量过低时，假设该电池为Bj(充电电池)，同时假设此时电池组1中电池Bi(供电电池)能量最高（i≠j，若i=j则说明电池组1不需要均衡）。在一个适当的时间段内，使反并联MOSFET开关6 S'li 、Srj和S'rj导通，同时给反并联MOSFET开关6 Sli加上合适的PWM波控制Sli按一定规律开通和关闭。在Sli开通时，电流通过Bi、Sli、反激变压器4和S'li, Bi放电为反激变压器4储存能量；在Sli关闭时，电流通过反激变压器4、Srj、Bj、S'rj和二极管5，反激变压器4释放能量至Bj，实现了能量从Bi到Bj的转移。
以上所述并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质，对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于反激电路的电池组无损均衡电路，其特征在于，包括由n个电池串联组成的电池组以及和电池组连接的均衡模块，所述均衡模块包括控制模块以及依次电连接的第一均衡单元、反激电路和第二均衡单元，所述第一均衡单元、第二均衡单元分别与电池组连接；
所述反激电路包括一反激变压器，所述第一均衡单元电连接于反激变压器的初级线圈，所述第二均衡单元电连接于反激变压器的次级线圈；所述第一均衡单元、第二均衡单元均由n个开关组件并联组成，所述开关组件由两个反并联MOSFET开关组成，反并联MOSFET开关由两个MOSFET开关采用反并联的方式连接，实现双向开关；反并联MOSFET开关的一端和电池的一极相连，另一端和反激变压器的一端相连；
所述第一均衡单元的第k个开关组件的两个反并联MOSFET开关分别与第k个电池的正负极电连接并和初级线圈串联组成闭合回路；所述第二均衡单元的第k个开关组件的两个反并联MOSFET开关分别与第k个电池的正负极电连接并和次级线圈串联组成闭合回路；所述第一均衡单元、第二均衡单元的每个反并联MOSFET开关分别与控制模块电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于反激电路的电池组无损均衡电路，其特征在于，所述控制模块包括微控制器和所有反并联MOSFET开关的驱动电路，所述微控制器检测电池组中各个电池的电量并决定均衡电池组的控制策略，所述微控制器通过驱动电路给反并联MOSFET开关的门极提供适当的驱动电压或者关断电压，让反并联MOSFET开关按照控制策略的需求开启或者关闭。
3.根据权利要求2所述的一种基于反激电路的电池组无损均衡电路，其特征在于，所述控制策略具有以下步骤：
步骤一，根据微控制器检测电池组中各个电池的电量，计算出电池组的平均电量；
步骤二，通过微控制器实时检测电池组中各个电池的电量并按电量高低进行排序，选取电量高的电池作为供电电池，选取电量低的电池作为充电电池，
步骤三，通过驱动电路打开第一均衡单元中与供电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关，使得供电电池与反激变压器的初级线圈可以构成一个闭合回路，将供电电池的能量传递给反激变压器；
步骤四，当步骤三中供电电池的能量传递给反激变压器经过一定时间t后，关闭第一均衡单元中与供电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关；同时打开第二均衡单元中与充电电池两极连接的两个反并联MOSFET开关，使得充电电池与反激变压器的次级线圈可以构成一个闭合回路，在t时间内将反激变压器从供电电池获得的能量传递给充电电池；
步骤五，重复步骤二、三、四，直到电池组中的各电池电量与平均电量之差的绝对值小于a，则停止电池组的均衡。
4.根据权利要求3所述的一种基于反激电路的电池组无损均衡电路，其特征在于，所述时间t的范围为0.05-0.25s。
5.根据权利要求3所述的一种基于反激电路的电池组无损均衡电路，其特征在于，所述a的范围为0.005-0.02。
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