CN107834655A - 一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路及实现方法 - Google Patents

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商云龙
张承慧
张奇
段彬
崔纳新
周忠凯
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    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
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Abstract

本发明公开了一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路及实现方法，包括多组电池组、微控制器和多绕组变压器，其中，每个电池组包括多个电池单体，每个电池组对应设置有一多绕组变压器，所有多绕组变压器的副边绕组并联连接，并各通过二极管与所对应的电池组连接，每个电池单体的正负极与对应的变压器绕组之间通过开关管连接，微控制器同时控制各个开关管的导通与关断，只需一路PWM控制信号，实现多组电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的自动和同时均衡。

Description

一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路及实现方法
技术领域
本发明涉及一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路及实现方法。
背景技术
锂离子电池因具有无记忆效应、能量密度高、单体电压高和安全性好等优点，广泛应用在电动汽车中。为了满足电动汽车电压和功率等级，需要将大量的锂离子电池单体串、并联组合使用。然而，由于制造工艺和工作环境等方面的差异，电池单体之间的内阻和容量并不完全一致。电池组在使用的过程中，这些不一致性会逐渐积累，并且造成不同串联电池单体电压的不均衡，可能会导致某节电池单体的过充或过放，降低电池组的可用容量和循环寿命，甚至造成电池组的损坏。因此，串联电池组需要均衡电路来平衡电池单体电压间的不一致性。
目前，主动均衡方法主要是基于电容、电感或变压器将能量从电压较高的电池单体传递到电压较低的电池单体。其中，基于变压器的均衡方法具有隔离性能好、效率高、控制简单和均衡速度快等优点。中国发明专利(申请号201210144266.4)提出了一种基于对称多绕组变压器结构的串联电池组均衡电路。该均衡电路仅需要一个控制信号，即可实现能量从电压较高的电池单体到电压较低的电池单体的自动传递，具有控制简单、均衡效率高等优点。但是，该方法需要另外的消磁电路(一个电容与励磁电感构成LC谐振电路)来吸收和释放当开关关断时存储在变压器中的能量。这导致了变压器绕组的不一致、电路成本高、体积大以及设计复杂等缺点。并且为了获得软开关，该均衡电路只能工作在特定的开关频率和占空比下，使得其设计和控制变得复杂。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路及实现方法，本发明只需一路PWM控制信号，即可实现电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的直接、自动、同时均衡，极大提高了均衡效率和速度，有效改善了电池单体间的不一致性。
另一方面，本发明基于正激变换，将电池单体间均衡电路、模块间均衡电路以及变压器消磁电路整合到一个电路中，极大降低了电路体积、成本和复杂性。本发明具有均衡效率高、均衡速度快、体积小、成本低、可靠性高、易于模块化、控制简单和无需电压检测电路等优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路，包括多组电池组、微控制器和多绕组变压器，其中，每个电池组包括多个电池单体，每个电池组对应设置有一多绕组变压器，所有多绕组变压器的副边绕组并联连接，并各通过二极管与所对应的电池组连接，每个电池单体的正负极与对应的变压器绕组之间通过开关管连接，微控制器同时控制各个开关管的导通与关断，只需一路PWM控制信号，实现多组电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的自动和同时均衡。
进一步的，所有多绕组变压器的原边绕组和副边绕组具有相反的同名端。
进一步的，所述开关管为MOS管，每个电池单体连接于MOS管的漏极，MOS管的源极连接于变压器的对应绕组的一端，绕组的另外一端连接于电池单体的负极，从而形成电流回路。
进一步的，每组电池组的电池单体个数相同。
一种应用上述基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路的实现方法，微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一路PWM信号控制MOS管导通和关断，使其在工作状态I、状态II或状态III中基于正激变换不断切换：
状态I：控制器控制开关管导通，原边绕组基于正激变换获得电池单体间和模块间能量的自动平衡，同时部分能量存储在变压器中；
状态II：控制器控制开关管关断，存储在变压器中的能量通过副边绕组和二极管回馈到电池组中；
状态III：开关管保持关断，变压器中无能量流动。
一种动力电池，包括上述基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路。
本发明的工作原理为：
微控制器发送一路PWM信号控制所有的MOS管，使其交替工作在状态I、状态II和状态III，基于正激变换实现了能量从任意电压较高的电池单体到任意电压较低的电池单体的直接、自动传递，同时也获得变压器的消磁。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明能够实现电池组中任意电池单体到任意电池单体的直接均衡，极大提高了均衡效率和均衡速度；
(2)无需电压检测电路，能够获得自动均衡，减小了电路体积，降低了使用成本；
(3)只需一路PWM信号控制均衡电路，控制简单、可靠性高；
(4)一节电池单体只需要一个MOS管，减小了电路体积；
(5)获得变压器的自动消磁，极大地降低了开关应力，提高了电路的可靠性；
(6)该均衡电路易于模块化，只需将多绕组变压器的副边绕组并联连接，即可实现电池组的全局均衡，无需其他外层均衡电路，减小了电路体积；
(7)该均衡电路能够工作在电池组的充电、放电或静止状态；
(8)该均衡电路适用于锂离子、镍氢、铅酸等可充电动力电池，无需改变电路中器件的参数。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路的组成示意图；
图2为本发明的工作状态I的原理图；
图3为本发明的工作状态II的原理图；
图4为本发明的工作状态III的原理图；
图5(a)和图5(b)为本发明的均衡电流、变压器原边电压和MOS管的电压应力的实验波形图；
图6为本发明的均衡实验图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在变压器绕组的不一致、电路成本高、体积大以及设计复杂且均衡电路只能工作在特定的开关频率和占空比下，使得其设计和控制变得复杂不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路及实现方法，只需一路PWM控制信号，即可实现电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的直接、自动、同时均衡，极大提高了均衡效率和速度，有效改善了电池单体间的不一致性；本均衡电路是基于正激变换的，将电池单体间均衡电路、模块间均衡电路以及变压器消磁电路整合到一个电路中，极大降低了电路体积、成本和复杂性。本发明具有均衡效率高、均衡速度快、体积小、成本低、可靠性高、易于模块化、控制简单、无需电压检测电路等优点。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路，包括两组电池组，其中每个电池组分别有4节电池单体，还包括微控制器、两个多绕组变压器和8个MOS管。
以8节电池单体为例，并假设电池单体电压满足VB21>VB22>VB23>VB24>VB14>VB13>VB12>VB11。
一种应用上述基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路的实现方法，包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一路PWM信号控制MOS管导通和关断，有三个工作状态：状态I，状态II和状态III；
(2)如图2所示，状态I：控制器控制MOS管导通，原边绕组基于正激变换获得了电池单体间和模块间能量的自动平衡，同时部分能量存储在变压器中，由于电池单体电压满足VB21>VB22>VB23>VB24>VB14>VB13>VB12>VB11，可以合理假设，电流iB14、iB13、iB21、iB22、iB23是从电池单体流向对应的变压器绕组，而电流iB11、iB12、iB24是从变压器流向各自的电池单体；由于每个绕组的匝数相同，根据法拉第定律，变压器中的绕组电压是相等的，所以能够基于正激变换实现电池单体间的均衡；
(3)如图3所示，状态II：控制器控制MOS管关断，存储在变压器中的能量通过副边绕组和二极管回馈到电池组中；
(4)如图4所示，状态III：MOS管保持关断，变压器中无能量流动。
(5)经过这三个状态的不断进行，基于正激变换，一方面获得了电池单体间和模块间的均衡，从而获得整个电池组的均衡；另一方面对变压器起到了自动消磁作用，降低了开关应力，不需要另外的消磁电路，减小了电路体积。
图5(a)和图5(b)给出了本发明的均衡电流、变压器原边电压和MOS管的电压应力的实验波形图。可以看出B11的平均充电电流为0.264A，Q11的电压应力是14.4V。B21的平均放电电流为0.172A。二极管DS1的最大应力是42V。表明本发明均衡电路获得了一个低的开关管电压应力，证明了自动消磁的有效性。
图6给出了本发明的均衡实验图。开关频率设置为50kHz。初始电压为3.203，3.171，3.118，2.655，3.228，3.208，3.202和3.170V。可以看出，本发明均衡电路只需大约9000s就能实现电池组的完全均衡，证明了本发明的有效性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路，其特征是：包括多组电池组、微控制器和多绕组变压器，其中，每个电池组包括多个电池单体，每个电池组对应设置有一多绕组变压器，所有多绕组变压器的副边绕组并联连接，并各通过二极管与所对应的电池组连接，每个电池单体的正负极与对应的变压器绕组之间通过开关管连接，微控制器同时控制各个开关管的导通与关断，只需一路PWM控制信号，实现多组电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的自动和同时均衡。
2.如权利要求1所述的一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路，其特征是：所有多绕组变压器的原边绕组和副边绕组具有相反的同名端。
3.如权利要求1所述的一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路，其特征是：所述开关管为MOS管，每个电池单体连接于MOS管的漏极，MOS管的源极连接于变压器的对应绕组的一端，绕组的另外一端连接于电池单体的负极，从而形成电流回路。
4.如权利要求1所述的一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路，其特征是：每组电池组的电池单体个数相同。
5.一种应用如权利要求1-4中任一项所述的基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路的实现方法，其特征是：微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一路PWM信号控制MOS管导通和关断，使其在工作状态I、状态II或状态III中基于正激变换不断切换：
状态I：控制器控制开关管导通，原边绕组基于正激变换获得电池单体间和模块间能量的自动平衡，同时部分能量存储在变压器中；
状态II：控制器控制开关管关断，存储在变压器中的能量通过副边绕组和二极管回馈到电池组中；
状态III：开关管保持关断，变压器中无能量流动。
6.一种动力电池，包括如权利要求1-4中任一项所述的基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路。
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