CN114156981A - 基于变压器的电池模组均衡控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变压器的电池模组均衡控制电路及方法，电池模组均衡控制电路包含i个电池模组、端部变压模组、m个同位变压模组；电池模组包含m个依次串联的电池单体；端部变压模组包含端部次级单元、磁芯T₂、以及m个端部初级单元；同位变压模组均包含i‑1个单位变压单元；单位变压单元均包含单向MOS管开关Q₁～Q₂、单向MOS管开关S₁～S₂、初级绕组N₁、次级绕组N₂和磁芯T₁。本发明所有电能量都是以能量转移的方式来实现能量均衡，均衡过程中几乎没有能量损失，从而大大提高了电池均衡的效率和能量利用率，可实现电池容量最大化，延长电池组循环使用寿命。

Description

基于变压器的电池模组均衡控制电路及方法

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种基于变压器的电池模组均衡控制电路及方法。

背景技术

目前常见的高压电池包都是由大量电池单体进行串并联组合形成的，而为了加强结构、便于装配，一般会将电池单体分组形成电池模组，对电池模组进一步组合形成电池包。以当前电池单体技术和制造水平，在相同总电压下，采用电池单体并联结构是实现增加电池组可用容量的有效方法。

在电池包拓扑组成方式中，可以进行先串后并，也可以进行先并后串，两种拓扑形式在性能方面完全等效，但在安全性能上有所差别，先串后并的形式在安全性上较先并后串的形式更好，更能抵抗单个或多个电池单体的短路失效的影响。同时，对模组级别提出相同的安全要求时，电池模组内部电池单体的并数越多，实现的难度越大。因此先串后并的拓扑结构对电池的技术要求也会降低。

电池单体的并联与串联相比，在电池单体并联电路中，高阻抗或开路电池的影响较小，但是并联电池组会减小负载能力，并缩短运行时间；同时，并联电池组电路短路所造成的破坏会更大，这是因为，在短路时出现故障的电池单体会迅速地耗尽其它电池单体里的电量，引起火灾。

对于先并后串的拓扑结构，最大的问题在于电芯经过反复充放电后，同一组的并联电池单体由于没有电压均衡机制，会出现电压差异，且这一趋势会被逐渐放大，最终影响到整个电池组的可用容量。

为保证串并联在一起时各电池单体的表现一致，电池单体制造企业需要尽可能保证出产电池单体的一致性。然而不可避免的，批量生产中必然或多或少会存在随机的不一致性。电池组中电池单体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。这时候，就需要电池均衡电路来对电池单体进行均衡，均衡电路的作用是减小电池单体不一致性对整个电池组可用容量的影响。在做电池单体的均衡时，是把并联的同一电位的同组所有电池单体当作是一个电池单体来进行均衡的，实质上并不能对每个电池单体进行均衡。

如图1所示,现有先并后串电池模组电路方案是以一个由i个电池单体先并联后再串联m串而成整个电池模组。电池模组用电池管理单元BMU进行电池能量管理，并可进行电池单体均衡。

电池管理单元BMU可对先并后串电池模组进行电池能量管理，同时也可对电池单体做电能量均衡，但不论是被动均衡还是主动均衡，都是把处于同一电位的同组所有并联电池单体看作一个整体进行均衡，并不能对每一个电池单体进行均衡，也就是说，同一电位的并联电池单体中内阻最小的电池单体一直承受着最高的支路电流，一直承受着大幅超过设计状态的电流，这种情况无疑是危险的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术所涉及到的缺陷，提供一种基于变压器的电池模组均衡控制电路及方法, 能够对电池模中的每个电池单体进行电能量均衡。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于变压器的电池模组均衡控制电路，包含i个电池模组、端部变压模组、以及m个同位变压模组，i、m均为大于等于2的自然数；

所述电池模组包含m个依次串联的电池单体B₁~ B_m，电池单体B₁的正极和电池单体B₂的负极相连；

所述端部变压模组包含端部次级单元、磁芯T₂、以及m个端部初级单元；

所述端部次级单元包含单向MOS管开关E、单向MOS管开关F、次级绕组N₄，其中，所述次级绕组N₄的一端分别和所述单向MOS管开关E的源极、单向MOS管开关F的漏极相连，次级绕组N₄的另一端分别和m个电池模组中电池单体B₁的负极相连；所述单向MOS管开关E的漏极分别和单向MOS管开关F的源极、m个电池模组中电池单体B₂的正极相连；

所述端部初级单元均包含单向MOS管开关U、单向MOS管开关V和初级绕组N₃；

所述第x个端部初级单元中，初级绕组N₃的一端分别和单向MOS管开关U的源极、单向MOS管开关V的漏极相连，初级绕组N₃的另一端和第1个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关U的漏极分别和单向MOS管开关V的源极、第1个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连； x为大于等于1小于等于m的自然数；

所述各个端部初级单元中的初级绕组N₃均通过磁芯T₂和次级绕组N₄形成变压器，且初级绕组N₃和次级绕组N₄的绕组线圈匝数比均为1:m；

所述同位变压模组均包含i-1个单位变压单元；所述单位变压单元均包含单向MOS管开关Q₁～Q₂、单向MOS管开关S₁～S₂、初级绕组N₁、次级绕组N₂和磁芯T₁；

第x个同位变压模组的第y个单位变压单元中，初级绕组N₁的一端分别和单向MOS管开关Q₁的源极、单向MOS管开关S₁的漏极相连，初级绕组N₁的另一端和第y个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关Q₁的漏极分别和单向MOS管开关S₁的源极、第y个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连；初级绕组N₂的一端分别和单向MOS管开关Q₂的源极、单向MOS管开关S₂的漏极相连，初级绕组N₂的另一端和第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关Q₂的漏极分别和单向MOS管开关S₂的源极、第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连；初级绕组N₁通过磁芯T₁和次级绕组N₂形成变压器，且初级绕组N₁和次级绕组N₂的绕组线圈匝数比为1:1；y为大于等于1小于等于i-1的自然数。

本发明还公开了一种该基于变压器的电池模组均衡控制电路的单位变压单元的驱动方法，包含以下步骤：

当第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压高于第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压时：

步骤A.1），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关 Q₁导通、单向MOS管开关 S₁关闭，此时，第y个电池模组中第x个电池单体B_x对第x个同位变压模组第y个单位变压单元的初级绕组N₁进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关 Q₁；

步骤A.2），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关S₂导通、单向MOS管开关 Q₂关闭，此时，第x个同位变压模组第y个单位变压单元的初级绕组N₁耦合到其次级绕组N₂中，且该次级绕组N₂对第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关S₂；

步骤A.3），重复执行步骤A.1）至步骤A.2），直至第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压和第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压的差值小于预设的误差阈值；

当第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压低于于第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压时：

步骤B.1），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关 S₂导通、单向MOS管开关 Q₂关闭，此时，第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x对第x个同位变压模组第y个单位变压单元的次级绕组N₂进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关 S₂；

步骤B.2），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关Q₁导通、单向MOS管开关 S₁关闭，此时，第x个同位变压模组第y个单位变压单元的次级绕组N₂耦合到其初级绕组N₁中，且该初级绕组N₁对第y个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关Q₁；

步骤B.3），重复执行步骤B.1）至步骤B.2），直至第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压和第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压的差值小于预设的误差阈值。

本发明还公开了一种该基于变压器的电池模组均衡控制电路的端部变压模组的驱动方法，包含以下步骤：

当第1个电池模组中第x个电池单体的电压大于第1个电池模组中其他电池单体的电压且第1个电池模组中第x个电池单体的电压大于第2个电池模组中第x个电池单体的电压时：

步骤C.1），控制第1个端部初级单元的单向MOS管开关 U导通、单向MOS管开关V关闭，接通第1个电池模组中第x个电池单体B_x和第1个端部初级单元的初级绕组N₃形成电流通路，使得第1个端部初级单元的初级绕组N₃处于工作模式，此时，第1个电池模组中第x个电池单体B_x对第1个端部初级单元的初级绕组N₃进行充电，待充电完毕，关闭第1个端部初级单元的单向MOS管开关U；

步骤C.2），控制端部次级单元的单向MOS管开关F导通、单向MOS管开关E关闭，所有并联的电池模组均和次级绕组N₄形成电流通路，此时，第1个端部初级单元的初级绕组N₃耦合到端部次级单元的次级绕组N₄中，次级绕组N₄对所有并联的电池模组进行充电，待充电完毕，关闭端部次级单元的单向MOS管开关F；

步骤C.3），重复执行步骤C.1）至步骤C.2），直至第1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压等于预设的电压值；

当第1个电池模组中第x个电池单体的电压小于第1个电池模组中其他电池单体的电压且第1个电池模组中第x个电池单体的电压小于第2个电池模组中第x个电池单体的电压时：

步骤D.1），控制端部次级单元的单向MOS管开关E导通、单向MOS管开关F关闭，所有并联的电池模组均和次级绕组N₄形成电流通路，此时，所有并联的电池模组对端部次级单元的次级绕组N₄进行充电，待充电完毕，关闭端部次级单元的单向MOS管开关E；

步骤D.2），控制第1个端部初级单元的单向MOS管开关 V导通、单向MOS管开关U关闭，接通第1个电池模组中第x个电池单体B_x和第1个端部初级单元的初级绕组N₃形成电流通路，使得第1个端部初级单元的初级绕组N₃处于工作模式，此时，端部次级单元的次级绕组N₄耦合到第1个端部初级单元的初级绕组N₃中，第1个端部初级单元的初级绕组N₃对第1个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第1个端部初级单元的单向MOS管开关V；

步骤D.3），重复执行步骤D.1）至步骤D.2），直至第1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压等于预设的电压值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.与现有电池模组先并后串方案相比，本发明方案采用先串后并的形式在安全性上较先并后串的形式更好，更能抵抗单个或多个电池单体的短路失效影响；

2.与现有电池模组先并后串方案相比，对模组级别提出相同的安全要求时，电池模组内部电池单体的并数越多，实现的难度越大，而本发明方案采用先串后并的方式，可以从本质上完美的解决电池单体的并数增多带来的系列安全性问题；

3.现有电池模组先并后串方案，在做电池单体的均衡时，是把同组并联的所有电池单体当作是一个电池单体来进行均衡的，实际上并不能对每个电池单体进行均衡，而本发明方案采用先串后并的方式，可以对电池模组并联中的每一个电池单体进行电能量均衡，从而大大减小了电池单体不一致性对整个电池组可用容量的影响；

4.现有电池模组先并后串方案，对同组并联的所有电池单体的一致性要求很高，而本发明方案采用先串后并的方式，对电池单体的一致性要求大大降低；

5.本发明电路控制方案中，所有电池单体之间以及电池单体与整个并联PACK之间的电能量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，从而大大提高了电池均衡的效率和能量利用率，实现了电池容量最大化，并延长电池组循环使用寿命。

附图说明

图1是现有技术先并后串电池模组电路方案的电路示意图；

图2是本发明的电路示意图；

图3是电池模组P₁电池单体B₁的部分电能量储存到原边绕组N₁中的电流方向图；

图4是初级绕组N₁的电能量转移储存到电池模组P₂中的电池单体B₁的电流方向图；

图5是电池模组P₁电池单体B₁的部分电能量储存到原边绕组N₃中的电流方向图；

图6是初级绕组N₃的电能量转移储存到整个并联电池PACK中的电流方向图；

图7是并联电池PACK的部分电能量转移储存到变压器次级绕组N₄中的电流方向图；

图8是初级绕组N₃的电能量转移储存到电池模组P₁的电池单体B₁的电流方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

电池模组先串后并的形式在安全性上较先并后串的形式更好，更能抵抗单个或多个电池单体的短路失效影响。同时，对模组级别提出相同的安全要求时，电池模组内部电池单体的并数越多，实现的难度越大。

本发明电池模组并联变压器均衡控制电路方案，电池模组采用先串后并的拓扑结构，并能对电池模中的每个电池单体进行电能量均衡。

以一个由i个电池模组P₁～P_i并联组成的PACK为例， PACK由i个电池模组P₁～P_i并联而成，每个电池模组由电池单体B₁～B_m串联组成，本发明电池模组并联变压器均衡控制电路方案具体实施电路图如图2所示，包含i个电池模组、端部变压模组、以及m个同位变压模组，i、m均为大于等于2的自然数；

所述电池模组包含m个依次串联的电池单体B₁~ B_m，电池单体B₁的正极和电池单体B₂的负极相连；

所述端部变压模组包含端部次级单元、磁芯T₂、以及m个端部初级单元；

所述端部次级单元包含单向MOS管开关E、单向MOS管开关F、次级绕组N₄，其中，所述次级绕组N₄的一端分别和所述单向MOS管开关E的源极、单向MOS管开关F的漏极相连，次级绕组N₄的另一端分别和m个电池模组中电池单体B₁的负极相连；所述单向MOS管开关E的漏极分别和单向MOS管开关F的源极、m个电池模组中电池单体B₂的正极相连；

所述端部初级单元均包含单向MOS管开关U、单向MOS管开关V和初级绕组N₃；

所述第x个端部初级单元中，初级绕组N₃的一端分别和单向MOS管开关U的源极、单向MOS管开关V的漏极相连，初级绕组N₃的另一端和第1个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关U的漏极分别和单向MOS管开关V的源极、第1个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连； x为大于等于1小于等于m的自然数；

所述各个端部初级单元中的初级绕组N₃均通过磁芯T₂和次级绕组N₄形成变压器，且初级绕组N₃和次级绕组N₄的绕组线圈匝数比均为1:m；

所述同位变压模组均包含i-1个单位变压单元；所述单位变压单元均包含单向MOS管开关Q₁～Q₂、单向MOS管开关S₁～S₂、初级绕组N₁、次级绕组N₂和磁芯T₁；

第x个同位变压模组的第y个单位变压单元中，初级绕组N₁的一端分别和单向MOS管开关Q₁的源极、单向MOS管开关S₁的漏极相连，初级绕组N₁的另一端和第y个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关Q₁的漏极分别和单向MOS管开关S₁的源极、第y个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连；初级绕组N₂的一端分别和单向MOS管开关Q₂的源极、单向MOS管开关S₂的漏极相连，初级绕组N₂的另一端和第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关Q₂的漏极分别和单向MOS管开关S₂的源极、第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连；初级绕组N₁通过磁芯T₁和次级绕组N₂形成变压器，且初级绕组N₁和次级绕组N₂的绕组线圈匝数比为1:1；y为大于等于1小于等于i-1的自然数。

控制电路指挥统筹电池模组并联均衡控制电路方案中所有元件的工作步调。控制电路可以控制所有单向MOS管开关的组合和通断，以及统筹他们之间的工作逻辑，并能接收和监控整个并联电池PACK的工作状态信息，并对所接收到信息做出处理和判断，最后制定出行动决策，并通过单向MOS管开关的通断来执行决策指令。

本发明电路的均衡原理为，利用电池单体变压器单元完成串联模组之间同一电位并联电池单体的能量转移均衡，再利用电池并联模组变压器单元完成电池单体与电池模组之间的能量转移均衡。

本发明还公开了一种该基于变压器的电池模组均衡控制电路的单位变压单元的驱动方法，包含以下步骤：

当第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压高于第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压时：

步骤A.1），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关 Q₁导通、单向MOS管开关 S₁关闭，此时，第y个电池模组中第x个电池单体B_x对第x个同位变压模组第y个单位变压单元的初级绕组N₁进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关 Q₁；

步骤A.2），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关S₂导通、单向MOS管开关 Q₂关闭，此时，第x个同位变压模组第y个单位变压单元的初级绕组N₁耦合到其次级绕组N₂中，且该次级绕组N₂对第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关S₂；

步骤A.3），重复执行步骤A.1）至步骤A.2），直至第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压和第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压的差值小于预设的误差阈值；

当第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压低于于第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压时：

步骤B.1），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关 S₂导通、单向MOS管开关 Q₂关闭，此时，第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x对第x个同位变压模组第y个单位变压单元的次级绕组N₂进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关 S₂；

步骤B.2），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关Q₁导通、单向MOS管开关 S₁关闭，此时，第x个同位变压模组第y个单位变压单元的次级绕组N₂耦合到其初级绕组N₁中，且该初级绕组N₁对第y个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关Q₁；

步骤B.3），重复执行步骤B.1）至步骤B.2），直至第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压和第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压的差值小于预设的误差阈值。

本发明还公开了一种该基于变压器的电池模组均衡控制电路的端部变压模组的驱动方法，包含以下步骤：

当第1个电池模组中第x个电池单体的电压大于第1个电池模组中其他电池单体的电压且第1个电池模组中第x个电池单体的电压大于第2个电池模组中第x个电池单体的电压时：

步骤C.1），控制第1个端部初级单元的单向MOS管开关 U导通、单向MOS管开关V关闭，接通第1个电池模组中第x个电池单体B_x和第1个端部初级单元的初级绕组N₃形成电流通路，使得第1个端部初级单元的初级绕组N₃处于工作模式，此时，第1个电池模组中第x个电池单体B_x对第1个端部初级单元的初级绕组N₃进行充电，待充电完毕，关闭第1个端部初级单元的单向MOS管开关U；

步骤C.2），控制端部次级单元的单向MOS管开关F导通、单向MOS管开关E关闭，所有并联的电池模组均和次级绕组N₄形成电流通路，此时，第1个端部初级单元的初级绕组N₃耦合到端部次级单元的次级绕组N₄中，次级绕组N₄对所有并联的电池模组进行充电，待充电完毕，关闭端部次级单元的单向MOS管开关F；

步骤C.3），重复执行步骤C.1）至步骤C.2），直至第1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压等于预设的电压值；

当第1个电池模组中第x个电池单体的电压小于第1个电池模组中其他电池单体的电压且第1个电池模组中第x个电池单体的电压小于第2个电池模组中第x个电池单体的电压时：

步骤D.1），控制端部次级单元的单向MOS管开关E导通、单向MOS管开关F关闭，所有并联的电池模组均和次级绕组N₄形成电流通路，此时，所有并联的电池模组对端部次级单元的次级绕组N₄进行充电，待充电完毕，关闭端部次级单元的单向MOS管开关E；

步骤D.2），控制第1个端部初级单元的单向MOS管开关 V导通、单向MOS管开关U关闭，接通第1个电池模组中第x个电池单体B_x和第1个端部初级单元的初级绕组N₃形成电流通路，使得第1个端部初级单元的初级绕组N₃处于工作模式，此时，端部次级单元的次级绕组N₄耦合到第1个端部初级单元的初级绕组N₃中，第1个端部初级单元的初级绕组N₃对第1个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第1个端部初级单元的单向MOS管开关V；

步骤D.3），重复执行步骤D.1）至步骤D.2），直至第1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压等于预设的电压值。

现就PACK中电池单体与电池模组的能量转移均衡过程为例详细说明本发明的具体实施步骤：

1、第一种情况，电池单体之间的能量转移均衡。

假设所有并联电池模组中处于同一电位的所有电池单体中电池模组P₁中B₁的电压值较其它电池模组中的B₁的电压值较高，也就是说，电池模组P₁中电池单体B₁的电能量较高，需要把它比其它电池单体多余的电能量分配到其它电池单体中去。

电池模组P₁中的电池单体B₁的电能量转移到相邻电池模组P₂中的电池单体B₁中。控制第1个同位变压模组的第1个单位变压单元工作，电能量转移步骤如下：

第1步，电池模组P₁中的电池单体B₁的单向MOS管开关 Q₁导通，接通电池单体B₁和与其串联的变压器均衡的原边绕组N₁，电池单体B₁与变压器初级绕组N₁形成电流通路，变压器初级绕组N₁开始处于工作模式。随着电池单体B₁对初级绕组N₁充电的进行，初级绕组N₁的电流逐渐增大到峰值电流，此时关闭单向MOS管开关Q₁。这样电池单体B₁的部分电能量会转移储存到变压器的初级绕组N₁中。

电池模组P₁电池单体B₁的部分电能量储存到原边绕组N₁中的电流方向如图3所示。

第2步，经过以上第1步的电能量转移后，此时变压器的初级绕组N₁两端的电压值与电池模组P₁中的电池单体B₁中相当，高于相邻电池模组P₂中电池单体B₁的电压值，具备把初级绕组N₁内储存的电能量转移到电池模组P₂中电池单体B₁的条件。

通过控制电路令单向MOS管开关S₂导通，电池模组P₂中的电池单体B₁与变压器的次级绕组N₂形成电流通路，这样变压器的初级绕组N₁在经第1步后储存的电能量就会耦合到变压器的次级绕组N₂中，变压器的次级绕组N₂开始处于工作模式。随着变压器的次级绕组N₂对电池模组P₂中的电池单体B₁充电的进行，次级绕组N₂的电能量被逐渐放光，电流逐渐从峰值电流减小到零，此时关闭继单向MOS管开关S₂。这样变压器的初级绕组N₁的电能量就转移储存到电池模组P₂中的电池单体B₁中。

变压器的初级绕组N₁的电能量转移储存到相邻电池模组P₂中的电池单体B₁的电流方向如图4所示。

第3步，经过以上第1步、第2步的数次电能量转移，可以把电池模组P₁中的电池单体B₁比电池模组P₂中的电池单体B₁多的电能量转移一半到电池模组P₂中的电池单体B₁中，从而最终使得这两个电池单体所储存的电能量一致，电压基本相等。

通过以上第1～3步的类似步骤可完成电池模组之间的电池单体的电能量转移；同理，并联PACK中的所有串联电池模组P₁～P_i的所有同一电位电池单体，都可以通过电池单体变压器单元先进行相邻电池模组间电池单体之间的直接电能量转移，再通过不相邻电池模组间电池单体之间的间接电能量转移，最终达到并联PACK中的所有串联电池模组P₁～P_i的所有同一电位电池单体的电能量一致性。

2、第二种情况，电池单体与并联电池模组之间的能量转移。

1）假设电池模组P₁中的电池单体B₁的电压值较电池模组P₁中的其它电池单体的电压值都高，同时比相邻电池模组P₂中电池单体B₁的电压值也较高，此时可通过把多余电能量直接转移给整个并联电池PACK。

电能量转移步骤如下：

第1步，控制第1个端部初级单元的单向MOS管开关 U导通，接通电池模组P₁的电池单体B₁和与其串联的变压器均衡的原边绕组N₃，电池单体B₁与变压器初级绕组N₃形成电流通路，变压器初级绕组N₃开始处于工作模式。随着电池模组P₁的电池单体B₁对初级绕组N₃充电的进行，初级绕组N₃的电流逐渐增大到峰值电流，此时关闭第1个端部初级单元的单向MOS管开关U。这样电池单体B₁的部分电能量会转移储存到变压器的初级绕组N₃中。

电池模组P₁电池单体B₁的部分电能量储存到原边绕组N₃中的电流方向如图5所示。

第2步，经过以上第1步的电能量转移后，此时变压器的初级绕组N₃两端的电压值与电池模组P₁中的电池单体B₁中相当。

通过控制电路令单向MOS管开关F导通，整个并联电池PACK与变压器的次级绕组N₄形成电流通路，这样变压器的初级绕组N₃在经第1步后储存的电能量就会耦合到变压器的次级绕组N₄中，变压器的次级绕组N₄开始处于工作模式。随着变压器的次级绕组N₄对整个并联电池PACK充电的进行，次级绕组N₄的电能量被逐渐放光，电流逐渐从峰值电流减小到零，此时关闭继单向MOS管开关F。这样变压器的初级绕组N₃的电能量就转移储存到整个并联电池PACK中的所有电池模组中。

变压器的初级绕组N₃的电能量转移储存到整个并联电池PACK中的电流方向如图6所示。

第3步，经过以上第1步、第2步的数次电能量转移，可以把电池模组P₁中的电池单体B₁多余的电能量转移分配到并联电池PACK中，从而最终使得电池模组P₁中的电池单体B₁所储存的电能量达到目标值。

2）假设电池模组P₁中的电池单体B₁的电压值较电池模组P₁中的其它电池单体的电压值都低，同时比相邻电池模组P₂中电池单体B₁的电压值也较低，此时可通过把整个并联电池PACK的电能量直接转移给电池模组P₁中的电池单体B₁。

电能量转移步骤如下：

第1步，通过控制电路令单向MOS管开关E导通，整个并联电池PACK与变压器的次级绕组N₄形成电流通路，变压器次级绕组N₄开始处于工作模式。随着整个并联电池PACK对次级绕组N₄充电的进行，次级绕组N₄的电流逐渐增大到峰值电流，此时关闭单向MOS管开关E。这样整个并联电池PACK的部分电能量会转移储存到变压器的次级绕组N₄中。

并联电池PACK的部分电能量转移储存到变压器的次级绕组N₄中的电流方向如图7所示。

第2步，经过以上第1步的电能量转移后，此时变压器的次级绕组N₄两端的电压值与整个并联电池PACK的电压值相当。

通过控制电路令第1个端部初级单元的单向MOS管开关V导通，接通电池模组P₁的电池单体B₁和与其串联的变压器均衡的原边绕组N₃，电池模组P₁的电池单体B₁与变压器初级绕组N₃形成电流通路，这样变压器的次级绕组N₄在经第1步后储存的电能量就会耦合到变压器的初级绕组N₃中，变压器的初级绕组N₃开始处于工作模式。随着变压器的初级绕组N₃对电池模组P₁中的电池单体B₁的充电的进行，初级绕组N₃的电能量被逐渐放光，电流逐渐从峰值电流减小到零，此时关闭继第1个端部初级单元的单向MOS管开关V。这样变压器的初级绕组N₃的电能量就转移储存到电池模组P₁的电池单体B₁中。

变压器的初级绕组N₃的电能量转移储存到电池模组P₁的电池单体B₁中的电流方向如图8所示。

第3步，经过以上第1步、第2步的数次电能量转移，可以把整个并联电池PACK的的电能量转移分配到电池模组P₁的电池单体B₁中，从而最终使得电池模组P₁中的电池单体B₁所储存的电能量达到目标值。

3、能量均衡总策略

利用电池单体变压器单元可以做并联PACK中的所有串联电池模组P₁～P_i的所有同一电位电池单体之间的电能量转移，最终达到并联PACK中的所有串联电池模组P₁～P_i的所有同一电位电池单体的电能量一致性；利用电池并联模组变压器单元可以做串联电池模组P₁的所有电池单体与整个并联PACK的电能量转移，最终达到串联电池模组P₁的所有电池单体之间的电能量一致性；通过电池单体变压器单元和电池并联模组变压器单元的配合工作，可以做到让并联PACK中的每一个电池单体都能得到电能量转移均衡。

本控制电路方案中的所有电能量都是以能量转移的方式来实现能量均衡，均衡过程中几乎没有能量损失，从而大大提高了电池均衡的效率和能量利用率，可实现电池容量最大化，延长电池组循环使用寿命。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于变压器的电池模组均衡控制电路，其特征在于，包含i个电池模组、端部变压模组、以及m个同位变压模组，i、m均为大于等于2的自然数；

所述电池模组包含m个依次串联的电池单体B₁~ B_m，电池单体B₁的正极和电池单体B₂的负极相连；

所述端部变压模组包含端部次级单元、磁芯T₂、以及m个端部初级单元；

所述端部次级单元包含单向MOS管开关E、单向MOS管开关F、次级绕组N₄，其中，所述次级绕组N₄的一端分别和所述单向MOS管开关E的源极、单向MOS管开关F的漏极相连，次级绕组N₄的另一端分别和m个电池模组中电池单体B₁的负极相连；所述单向MOS管开关E的漏极分别和单向MOS管开关F的源极、m个电池模组中电池单体B₂的正极相连；

所述端部初级单元均包含单向MOS管开关U、单向MOS管开关V和初级绕组N₃；

所述第x个端部初级单元中，初级绕组N₃的一端分别和单向MOS管开关U的源极、单向MOS管开关V的漏极相连，初级绕组N₃的另一端和第1个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关U的漏极分别和单向MOS管开关V的源极、第1个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连； x为大于等于1小于等于m的自然数；

所述各个端部初级单元中的初级绕组N₃均通过磁芯T₂和次级绕组N₄形成变压器，且初级绕组N₃和次级绕组N₄的绕组线圈匝数比均为1:m；

所述同位变压模组均包含i-1个单位变压单元；所述单位变压单元均包含单向MOS管开关Q₁～Q₂、单向MOS管开关S₁～S₂、初级绕组N₁、次级绕组N₂和磁芯T₁；

第x个同位变压模组的第y个单位变压单元中，初级绕组N₁的一端分别和单向MOS管开关Q₁的源极、单向MOS管开关S₁的漏极相连，初级绕组N₁的另一端和第y个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关Q₁的漏极分别和单向MOS管开关S₁的源极、第y个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连；初级绕组N₂的一端分别和单向MOS管开关Q₂的源极、单向MOS管开关S₂的漏极相连，初级绕组N₂的另一端和第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的负极相连；单向MOS管开关Q₂的漏极分别和单向MOS管开关S₂的源极、第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的正极相连；初级绕组N₁通过磁芯T₁和次级绕组N₂形成变压器，且初级绕组N₁和次级绕组N₂的绕组线圈匝数比为1:1；y为大于等于1小于等于i-1的自然数。

2.基于权力要求1所述的基于变压器的电池模组均衡控制电路的单位变压单元的驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

当第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压高于第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压时：

步骤A.1），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关 Q₁导通、单向MOS管开关 S₁关闭，此时，第y个电池模组中第x个电池单体B_x对第x个同位变压模组第y个单位变压单元的初级绕组N₁进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关 Q₁；

步骤A.2），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关S₂导通、单向MOS管开关 Q₂关闭，此时，第x个同位变压模组第y个单位变压单元的初级绕组N₁耦合到其次级绕组N₂中，且该次级绕组N₂对第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关S₂；

步骤A.3），重复执行步骤A.1）至步骤A.2），直至第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压和第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压的差值小于预设的误差阈值；

当第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压低于于第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压时：

步骤B.1），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关 S₂导通、单向MOS管开关 Q₂关闭，此时，第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x对第x个同位变压模组第y个单位变压单元的次级绕组N₂进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关 S₂；

步骤B.2），驱动第x个同位变压模组的第y个单位变压单元工作，使其单向MOS管开关Q₁导通、单向MOS管开关 S₁关闭，此时，第x个同位变压模组第y个单位变压单元的次级绕组N₂耦合到其初级绕组N₁中，且该初级绕组N₁对第y个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第x个同位变压模组的第y个单位变压单元的单向MOS管开关Q₁；

步骤B.3），重复执行步骤B.1）至步骤B.2），直至第y+1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压和第y个电池模组中第x个电池单体B_x的电压的差值小于预设的误差阈值。

3.基于权力要求1所述的基于变压器的电池模组均衡控制电路的端部变压模组的驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

当第1个电池模组中第x个电池单体的电压大于第1个电池模组中其他电池单体的电压且第1个电池模组中第x个电池单体的电压大于第2个电池模组中第x个电池单体的电压时：

步骤C.1），控制第1个端部初级单元的单向MOS管开关 U导通、单向MOS管开关V关闭，接通第1个电池模组中第x个电池单体B_x和第1个端部初级单元的初级绕组N₃形成电流通路，使得第1个端部初级单元的初级绕组N₃处于工作模式，此时，第1个电池模组中第x个电池单体B_x对第1个端部初级单元的初级绕组N₃进行充电，待充电完毕，关闭第1个端部初级单元的单向MOS管开关U；

步骤C.2），控制端部次级单元的单向MOS管开关F导通、单向MOS管开关E关闭，所有并联的电池模组均和次级绕组N₄形成电流通路，此时，第1个端部初级单元的初级绕组N₃耦合到端部次级单元的次级绕组N₄中，次级绕组N₄对所有并联的电池模组进行充电，待充电完毕，关闭端部次级单元的单向MOS管开关F；

步骤C.3），重复执行步骤C.1）至步骤C.2），直至第1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压等于预设的电压值；

当第1个电池模组中第x个电池单体的电压小于第1个电池模组中其他电池单体的电压且第1个电池模组中第x个电池单体的电压小于第2个电池模组中第x个电池单体的电压时：

步骤D.1），控制端部次级单元的单向MOS管开关E导通、单向MOS管开关F关闭，所有并联的电池模组均和次级绕组N₄形成电流通路，此时，所有并联的电池模组对端部次级单元的次级绕组N₄进行充电，待充电完毕，关闭端部次级单元的单向MOS管开关E；

步骤D.2），控制第1个端部初级单元的单向MOS管开关 V导通、单向MOS管开关U关闭，接通第1个电池模组中第x个电池单体B_x和第1个端部初级单元的初级绕组N₃形成电流通路，使得第1个端部初级单元的初级绕组N₃处于工作模式，此时，端部次级单元的次级绕组N₄耦合到第1个端部初级单元的初级绕组N₃中，第1个端部初级单元的初级绕组N₃对第1个电池模组中第x个电池单体B_x进行充电，待充电完毕，关闭第1个端部初级单元的单向MOS管开关 V；

步骤D.3），重复执行步骤D.1）至步骤D.2），直至第1个电池模组中第x个电池单体B_x的电压等于预设的电压值。

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