CN113725973A - 一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，包括电池单体、储能电容、高频滤波电容、MOS管开关、均衡电阻、功率开关管、变压器均衡原边绕组、变压器均衡副边绕组、变压器均衡磁芯。本发明的有益效果是：变压器均衡和电容均衡都是以能量转移的方式来实现均衡，均衡过程中几乎没有能量损失；虽然电阻均衡是通过电阻来消耗掉电量过高的电池单体的电量，但本发明中已首先采用变压器均衡和电容均衡完成了绝大部分的均衡工作，电阻均衡只完成收尾的极小部分均衡，故而损失的电量很少，从而大大提高了电池均衡的效率和能量利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种均衡电路，具体为一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，属于电池管理技术领域。
背景技术
电池组中单体电池在制造和使用过程中必然存在电压、容量、内阻等不一致，并且是一个不断累积的过程，时间越长单体电池之间产生的差异越大；并且锂离子电池组还会受到使用环境的影响，在使用过程中单体电池的不一致性会被逐渐放大，从而导致某些单体电池性能加速衰减。
电池组中单体电池的不一致性对整组电池的可用容量会产生重大影响，并且，随着电池组使用时间的积累，不一致性对电池组的影响越来越大，均衡电路的作用即是减小单体不一致性对整个电池组可用容量的影响。
目前电池均衡方法主要分为被动均衡和主动均衡两大类，其中被动均衡分为电阻法和稳压管法两种，主动均衡主要包含电感法、电容法和变压法三大类。
变压器均衡电路，可以同时实现多个电池单体的均衡，使所有电池单体的端电压最终接***均电压水平。该拓扑具有操作简单，易于控制的优点，但是当电池单体数目较多时，多绕组变压器设计困难，难以保证一次侧各绕组的一致性，存在不易扩展的缺点。
开关电容法是管理相邻两节电池单体的主动均衡，主要功能是对相邻两节电池之间的荷电状态差异进行判断，根据均衡算法的结果，均衡模块以开关电源的方式，通过电容的中转站作用把电压高的电池多余电量转移到电压低的电池，实现电池容量最大化。此方案只需要开关和电容来完成均衡电路的搭建，优点是结构比较简单，均衡过程中几乎没有能量损失；但是只能在相邻电池单体间进行能量转移，又因为电容作为能量转移媒介有一个缓冲期，所以当电池组中各单体电压差较小时，无法完成大电流均衡，均衡效果会不理想。
固定电阻被动均衡法，是每节单体电池与一个固定阻值的电阻相连，通过电阻来消耗掉电量过高的电池单体的电量，从而达到与电量低的单体电压均衡的效果。该种方法的主要优势是电路结构简单，成本较低；主要缺点是均衡过程是消耗多余电量来达到均衡状态，在电路中会损耗掉很多电量，对能量的利用率很低。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，包括
电池模组，其由多个单体电池串联而成；
电池单元，其为所述电池模组的一部分，且由所述电池模组中的其中四个相连的单体电池组成；
电池小单元，其为所述电池单元的一部分，且由所述电池单元中的其中两个相连的单体电池组成；
变压器，其配置在由四个电池小单元共同组成的两个所述电池单元上，且由变压器均衡原边绕组、变压器均衡的副边绕组以及变压器均衡磁芯构成，所述变压器均衡磁芯设置在变压器均衡原边绕组和变压器均衡的副边绕组之间，所述变压器均衡原边绕组分别连接在每个电池单体的电路中，所述变压器均衡的副边绕组连接在每组电池单元的电路中；
均衡电阻，其与每个所述电池小单元的两个单体电池进行并联设置。
其均衡方法包括以下步骤：
步骤一、首先利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡；
步骤二、再利用均衡电容完成相邻两个个小电池单元之间的均衡；
步骤三、最后利用均衡电阻完成每个小单元内两个电池单体之间的均衡。
作为本发明再进一步的方案：每个所述电池单体均并联有一个高频滤波电容。
作为本发明再进一步的方案：每个所述电池小单元的连接电路中均连接有功率开关管。
作为本发明再进一步的方案：每个所述电池单元连接变压器均衡副边绕组的连接线上串联有一个功率开关管。
作为本发明再进一步的方案：每个所述电池小单元中的两个单体电池B共用一个均衡电阻。
作为本发明再进一步的方案：构成所述电池模组的每个单体电池均并联有一个MOS管开关，且每个所述电池小单元的单体电池所并联的MOS管开关均与均衡电阻进行串联连接。
作为本发明再进一步的方案：每个所述电池单元的两个电池小单元共用一个储能电容。
本发明的有益效果是：
1、本发明把串联单体电池进行分组后，由于每个均衡单元电压是4个单体电池的串联电压，为每个单体电池的电压的4倍，就相当于把单体电池之间的压差放大了4倍，从而压差得到了增大，克服了变压器均衡在电池单体间电压压差较小时均衡效率降低的缺点，从而大大提升了均衡效率；
2、与现有固定电阻被动均衡方案相比，本发明方案均衡电阻数量只有现有方案的一半，而且所有均衡电阻可同时开启，对比现有固定电阻被动均衡方案中只能间隔同时开启所有电阻的一半，这样就使得本发明的电路设计结构简单，成本降低；
3、现有开关电容主动均衡方案，当电池组中各单体电压差较小时，均衡电流很小，本发明把串联单体电池进行分组后，由于每个电容均衡单元电压是2个单体电池的串联电压，为每个单体电池的电压的2倍，就相当于把单体电池之间的压差放大了2倍，从而压差得到了增大，改善了当电池组中各单体电压差较小时，电容均衡效果不理想的缺点；
4、与现有开关电容主动均衡方案相比，本发明电路中每节电池单体并联了高频滤波电容，用于在能量传输过程中滤除杂波；
5、本发明中，变压器均衡和电容均衡都是以能量转移的方式来实现均衡，均衡过程中几乎没有能量损失；虽然电阻均衡是通过电阻来消耗掉电量过高的电池单体的电量，但本发明中已首先采用变压器均衡和电容均衡完成了绝大部分的均衡工作，电阻均衡只完成收尾的极小部分均衡，故而损失的电量很少，从而大大提高了电池均衡的效率和能量利用率。
附图说明
图1为本发明线路连接结构示意图；
图2为本发明实施例二的电流方向一；
图3为本发明实施例二的电流方向二；
图4为本发明实施例二的电流方向三；
图5为本发明实施例二的电流方向四；
图6为本发明实施例二的电流方向五；
图7为本发明实施例二的电流方向六；
图8为本发明实施例三的电流方向。
图中：B、电池单体，C1、储能电容，C2、高频滤波电容，Q、MOS管开关，R、均衡电阻，S、功率开关管，N1、变压器均衡原边绕组，N2、变压器均衡副边绕组，T、变压器均衡磁芯。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，包括
电池模组，其由多个单体电池B串联而成；
电池单元，其为所述电池模组的一部分，且由所述电池模组中的其中四个相连的单体电池B组成；
电池小单元，其为所述电池单元的一部分，且由所述电池单元中的其中两个相连的单体电池B组成；
变压器，其配置在由四个电池小单元共同组成的两个所述电池单元上，且由变压器均衡原边绕组N1、变压器均衡的副边绕组N2以及变压器均衡磁芯T构成，所述变压器均衡磁芯T设置在变压器均衡原边绕组N1和变压器均衡的副边绕组N2之间，所述变压器均衡原边绕组N1分别连接在每个电池单体B的电路中，所述变压器均衡的副边绕组N2连接在每组电池单元的电路中；
均衡电阻R，其与每个所述电池小单元的两个单体电池B进行并联设置。
其均衡方法包括以下步骤：
步骤一、首先利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡；
步骤二、再利用均衡电容完成相邻两个个小电池单元之间的均衡；
步骤三、最后利用均衡电阻R完成每个小单元内两个电池单体B之间的均衡。
在本发明实施例中，每个所述电池单体B均并联有一个高频滤波电容C2，用于在能量传输过程中滤除杂波。
在本发明实施例中，每个所述电池小单元的连接电路中均连接有功率开关管S，以实现对每个电池小单元进行变压器式均衡。
在本发明实施例中，每个所述电池单元连接变压器均衡副边绕组N2的连接线上串联有一个功率开关管S，以实现对每个电池单元进行变压器式均衡。
在本发明实施例中，每个所述电池小单元中的两个单体电池B共用一个均衡电阻R。
在本发明实施例中，构成所述电池模组的每个单体电池B均并联有一个MOS管开关Q，且每个所述电池小单元的单体电池B所并联的MOS管开关Q均与均衡电阻R进行串联连接。
在本发明实施例中，每个所述电池单元的两个电池小单元共用一个储能电容C1。
实施例二
请参阅图2～7，一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，以模组中前4个电池单体B1～B4串联组成的第1个电池单元为例详细说明本发明的具体均衡过程，均衡步骤如下：
第一步，第1个电池单元与整个模组之间的均衡采用变压器均衡完成。具体均衡过程分成以下2种情况分别完成：
第一种情况，假设第1个电池单元相比模组中其他电池单元电压较高，均衡步骤如下：
第1步，功率开关管S1-3导通，接通第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1，电池单元的部分电量储存到原边绕组N1中，形成如图2所示的电流方向；
第2步，功率开关管S1-3关断，功率开关管S2导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，上一步储存到原边绕组N1中的电量耦合到副边绕组N2中，副边绕组N2中的电量再流向整个电池模组，形成如图3所示的电流方向；
第二种情况，假设第1个电池单元相比模组中其他电池单元电压较低，均衡步骤如下：
第1步，功率开关管S2导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，整个电池模组的部分电量储存到副边绕组N2中，形成如图4所示的电流方向；
第2步，功率开关管S2关断，功率开关管S1-3导通，接通第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1，上一步储存到副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N1中，原边绕组N1中的电量再转移到第1个电池单元中，形成如图5所示的电流方向；
第二步，经过以上第一步的数次循环，已完成了第1个电池单元与模组的均衡，现在关闭变压器均衡，开启电容主动均衡完成电池单元内2个小电池单元之间的均衡。
现假设第1个电池单元内的前2个电池单体B1～B2相比后2个电池单体B3～B4模组中其他电池单元电压较高，均衡步骤如下：
第1步，功率开关管S1-1导通，接通第1个小电池单元B1～B2与其串联的主动均衡电容C1，电池单元的部分电量储存到电容C1中，形成如图6所示的电流方向；
第2步，功率开关管S1-1关闭，功率开关管S1-2中的MOS管关闭而体二极管导通，接通第2个小电池单元B3～B4与其串联的主动均衡电容C1，电容C1上一步储存的电量转移到第2个小电池单元B3～B4中，形成如图7所示的电流方向；
第三步，经过以上第二步的数次循环，已完成了第1个小电池单元与第2个小电池单元之间的均衡，现在关闭电容主动均衡，开启每个小电池单元内的电阻被动均衡来完成内部2个电池单体的均衡。
实施例三
请参阅图8，一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，以均衡第1个小电池单元为例说明具体均衡过程如下：
第1个小电池单元内电池单体B1～B2中必有其中一个电池单体电压相对较高，现假设电池单体B1相比电池单体B2电压较高。令MOS管Q1导通，接通电池单体B1和固定电阻R，固定电阻R开始被动耗能均衡，形成如图8所示的电流方向；
监测单体电池B1的电压，等达到均衡目标值时，MOS管Q1关断，电路中无电流通过，固定电阻R停止均衡工作，电池单体B1的均衡完成。
工作原理：首先利用变压器均衡完成每个电池单元与整个模组之间的电量转移主动均衡，然后再利用主动均衡电容完成相邻2个小电池单元之间的电量转移，最后利用均衡电阻完成每个小单元内2个电池单体电压相对较高单体的被动耗能均衡。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，其特征在于：包括
电池模组，其由多个单体电池(B)串联而成；
电池单元，其为所述电池模组的一部分，且由所述电池模组中的其中四个相连的单体电池(B)组成；
电池小单元，其为所述电池单元的一部分，且由所述电池单元中的其中两个相连的单体电池(B)组成；
变压器，其配置在由四个电池小单元共同组成的两个所述电池单元上，且由变压器均衡原边绕组(N1)、变压器均衡的副边绕组(N2)以及变压器均衡磁芯(T)构成，所述变压器均衡磁芯(T)设置在变压器均衡原边绕组(N1)和变压器均衡的副边绕组(N2)之间，所述变压器均衡原边绕组(N1)分别连接在每个电池单体(B)的电路中，所述变压器均衡的副边绕组(N2)连接在每组电池单元的电路中；
均衡电阻(R)，其与每个所述电池小单元的两个单体电池(B)进行并联设置。
2.根据权利要求1所述的一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，其特征在于：每个所述电池单体(B)均并联有一个高频滤波电容(C2)。
3.根据权利要求1所述的一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，其特征在于：每个所述电池小单元的连接电路中均连接有功率开关管(S)。
4.根据权利要求1所述的一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，其特征在于：每个所述电池单元连接变压器均衡副边绕组(N2)的连接线上串联有一个功率开关管(S)。
5.根据权利要求1所述的一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，其特征在于：每个所述电池小单元中的两个单体电池(B)共用一个均衡电阻(R)。
6.根据权利要求1所述的一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，其特征在于：构成所述电池模组的每个单体电池(B)均并联有一个MOS管开关(Q)，且每个所述电池小单元的单体电池(B)所并联的MOS管开关(Q)均与均衡电阻(R)进行串联连接。
7.根据权利要求1所述的一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路，其特征在于：每个所述电池单元的两个电池小单元共用一个储能电容(C1)。
8.一种基于权利要求1所述的一种主动变压器电容和被动电阻电池均衡电路的均衡方法，其特征在于，所述均衡方法包括：
步骤一、首先利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡；
步骤二、再利用均衡电容完成相邻两个个小电池单元之间的均衡；
步骤三、最后利用均衡电阻(R)完成每个小单元内两个电池单体(B)之间的均衡。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211130 |
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