CN103956799A - 一种基于多副边变压器的电池组均衡电路及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多副边变压器的电池组均衡电路及其实现方法，均衡电路主要包括微控制器、电压采集模块、多副边变压器、逆变半桥整流模块、开关模块。微控制器通过电压采集模块传输过来的电压数据选择出需要均衡的均衡模块和电池单体，通过多副边电压器传递能量给需要均衡的任意的电池单体，即使这个电池单体不属于放电的均衡模块。微控制器输出的可调占空比PWM驱动信号可以控制均衡电流的大小，以控制均衡速度。本发明将均衡电路模块化为以后电池单元的扩充、均衡电路的维护修理等提供了方便；均衡速度可控，能适应多种均衡需求；均衡有针对性，提高了均衡效率；有效改善了电池单元内的不一致性，提高了电池单元的整体性能。

Description

一种基于多副边变压器的电池组均衡电路及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种基于多副边变压器的电池组均衡电路及其实现方法。
背景技术
电动汽车拥有着节能环保、低排放等方面的优势，已成为现在汽车行业中最有发展前景的一个领域。作为电动汽车的关键组成部分，动力电池单元的性能决定了电动汽车众多方面的表现。由于拥有相对较高的能量密度以及较低的自放电率，锂离子电池被广泛应用于电动车、UPS等供电场合。但是由于锂离子电池的单体电压低、容量小，无法满足电动汽车的驱动功率要求，因而一般都将大量的锂离子电池进行串联来使用。然而，在锂离子电池单体的制作工程中，由于现代电池厂的制作工艺等方面的原因，造成了即使是同一批次的单体都会出现明显的容量、内阻等方面的差异。在电池单元的使用过程中，单体自放电率的不同、使用环境的差异等，也都会导致电池单体的容量等出现不平衡。电动汽车的高频率充放电环境，加速了这些不平衡电池单元中某些单体容量的衰减，而串联电池单元的容量是由单体电池的最小容量决定，因此这些差异将使电池单元的使用寿命大幅度缩短。最坏的情况，在一个蓄电池单元中，如果有一个单体的剩余容量接近为100％，而另一个单体的剩余容量为0，那么这个蓄电池单元现在既不能充电也不能放电，完全不能使用。如果动力电池单元长期处于这样一种不平衡状态，除了电池单元的使用寿命会大大减少外，还容易引起电池损坏、泄露甚至发生爆炸起火，造成人员财产的损失。为了避免这些不安全事故的发生以及增强电动汽车动力电池的续航等方面的性能，需要有一种均衡方法来维持电池单元各单体性能的平衡。电池均衡方法有被动均衡和主动均衡两大块，但是被动均衡需要电池单元电池长期处在过充的状态下，而锂离子电池不能被过充，所以被动均衡只适用于铅酸或者镍基电池，主动均衡才是唯一适用于锂离子电池的均衡方法。
目前主动均衡方法可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类：
能量消耗型均衡方法易于实现，本质上是将电压高的单体的能量以热或者其他能量形式消耗掉，以降低其电压，达到均压的目的。这样就存在了热管理和能量浪费的问题。
能量非耗散型均衡方法主要是采用电感、电容等作为能量传递媒介，实现能量在电池单体间的流动，最后实现均衡作用。
中国发明专利申请(申请号201010572115.X)公开了一种利用放电电阻对电池单体进行放电以实现电池单元均衡的电路，主要包括控制器、电池选择电路和放电电阻。该发明根据采集的电压值确定每个电池单体的剩余电量，然后控制电池选择电路将电量较高的电池单体与放电电阻并联，消耗该单体的电量，从而实现电池单元的电量均衡。很明显的，这种方法存在能量浪费和热管理的问题。
中国发明专利申请(申请号201120421053.2)公开了一种电感型电池均衡电路，该电路中相邻两节电池公用一个电感，这个电感存储较高单体释放的能量，然后传递给相邻能量较低单体，以实现均衡作用。然而当电池单元电池单体数量较多时，由于这种均衡方法的能量传递必须是一个挨着一个的传递，因此均衡速度受到了很大的限制。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多副边变压器的电池组均衡电路及其实现方法，该电路实现了均衡电路的模块化以及模块与模块之间能量的传递，有效地平衡了锂离子电池的电量，从而提高电池单元使用寿命及工作性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，包括微控制器，微控制器连接电压采集模块，电压采集模块连接均衡模块，所述均衡模块包括电池单元、逆变模块、多副边变压器和电池选择整流模块，电池单元包括多个电池单体，各单体均连接在电压采集模块上；其中，电池单元两端连接在逆变模块上，逆变模块连接多副边变压器的原边，多副边变压器的至少一个副边连接电池选择整流模块，电池选择整流模块连接电池单元中的各单体。
所述均衡模块之间通过均衡母线连接，均衡母线通过开关与多副边变压器的一个副边连接。
所述电池单元依次串联形成电池组。
所述电池选择整流模块，包括电池选择模块和半桥整流模块，所述半桥整流模块的输入端与多副边变压器的一个副边连接，输出端通过电池选择模块与各个电池单体连接。
所述逆变模块，包括两个功率开关管Q1和Q2、两个电容C1和C2，其中，功率开关管Q1和Q2串联在电池单元两端，功率开关管Q1和Q2分别并联有一个二极管，电容C1和C2串联后连接在电池单元两端，功率开关管Q1和Q2的中点和两个电容C1和C2的中点分别连接在多副边变压器的原边两端。
所述功率开关管Q1和Q2由开关管驱动模块驱动，开关管驱动模块连接微控制器。
所述微控制器通过信号线连接电池选择整流模块和逆变模块。
一种应用上述基于多副边变压器的电池组均衡电路的实现方法，包括以下步骤：
(1)获取电池单体电压：电压采集模块采集各电池单体电压，由信号线传输给微控制器；
(2)均衡状态判断：微控制器根据获取的电压数据做出判断，如果最大电压差大于规定的限值，启动均衡模块；
(3)均衡模块及均衡单体的选择：微控制器根据电压数据判断出需要释放能量的模块和需要接收能量的单体；
(4)均衡电流的判断：微控制器根据电压数据判定均衡电流大小，电压差越大均衡电流就越大，相反的就越小，然后调节开关管驱动模块输出PWM的占空比实现对均衡电流的调节；
(5)能量传递：选定的需要释放能量的模块中，逆变模块开始工作，将能量输入给多副边变压器；变压器的副边将能量释放给自己模块的电池或者通过均衡母线传递给需要吸收能量单体所属模块的变压器副边，最终传递给待均衡的电池单体。
所述步骤(3)中，各个均衡模块中的电池单元总电压最高的均衡模块选择为释放能量模块、电池组中电压最低的电池单体为接收能量单体。
所述步骤(4)中，均衡电流指的是给最低电压电池单体充电的电流。
本发明的有益效果为：
1.将均衡电路模块化，使得均衡电路易于扩展，方便后期管理和电路故障维修；均衡电路有多种均衡方式：模块内均衡、模块之间均衡、模块内和模块之间同时均衡，使得均衡更有针对性，效率明显提高；
2.在电池单体数量巨大的电动汽车的电池单元中，均衡电路有针对性的对某一节电池进行均衡，大大提高了均衡效率；
3.均衡电流可控，均衡速度可根据需要调节；
4.有效改善了电池单体间的不一致性，提高了动力电池的性能。
附图说明
图1为本发明的组成示意图；
图2为本发明中逆变模块的工作原理图；
图3为本发明中整流和电池选择模块的工作原理图；
图4为本发明均衡模块单独工作时的工作原理图；
图5为本发明均衡电路模块内均衡和模块间均衡同时进行的工作原理图；
图6为本发明均衡电路工作原理图；
图7为本发明均衡电路在动力电池静止状态下的均衡效果图。
其中，1、微控制器；2、电压采集模块；3、电池单元；4、电池选择整流模块；5、多副边变压器；6、逆变模块；7、选择出的待均衡的电池单体；8、均衡母线；9、信号线。
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。
如图1-图4所示，一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，包括微控制器1，微控制器1连接电压采集模块2，电压采集模块2连接均衡模块，所述均衡模块包括电池单元3、逆变模块6、多副边变压器5和电池选择整流模块4，电池单元3包括多个电池单体，各单体均连接在电压采集模块2上；其中，电池单元4两端连接在逆变模块6上，逆变模块6连接多副边变压器5的原边，多副边变压器5的一个副边连接电池选择整流模块4，电池选择整流模块4连接电池单元3的各个电池单体。
所述均衡模块之间通过均衡母线8连接，均衡母线8通过开关与多副边变压器5的一个副边连接。
所述电池单元3依次串联形成电池组。
所述电池选择整流模块4，包括电池选择模块和半桥整流模块，所述半桥整流模块的输入端与多副边变压器5的一个副边连接，输出端通过电池选择模块与各个电池单体连接。
所述逆变模块6，包括两个功率开关管Q1和Q2、两个电容C1和C2，其中，功率开关管Q1和Q2串联在电池单元3两端，功率开关管Q1和Q2分别并联有一个二极管，电容C1和C2串联后连接在电池单元3两端，功率开关管Q1和Q2的中点和两个电容C1和C2的中点分别连接在多副边变压器5的原边两端。
所述功率开关管Q1和Q2由开关管驱动模块驱动，开关管驱动模块连接微控制器1。
所述微控制器1通过信号线9连接电池选择整流模块4和逆变模块6。
如图2所示，逆变模块利用的是半桥逆变原理。开关管Q1、Q2受可调占空比的PWM信号控制，Q1、Q2周期性开通关断时，变压器原边就会周期性的并联到C1、C2两端，于是产生了交变电流；
如图3所示，整流模块采用半桥整流原理。多副边变压器5的原边有交流电流通过后，其副边便产生了感应电动势。副边中间抽头作为输出电压的负端，经过二极管D1、D2整流后的一端作为输出电压的正端。输出电压正负两端分别接到母线上，通过开关S1、S2、S3、S4的选择作用连接到电池单体，实现了能量传输。
实施例一：
以8节电池单体组成的电池组为例，每4节电池单体为一个电池单元。微控制器采用数字信号处理器DSP，电压采集模块采用芯片公司的电压采集集成芯片，逆变模块中的开关管驱动信号来自于IR2110驱动器。
如图4所示，B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8组成电池组，其中B1、B2、B3、B4属于均衡模块一，B5、B6、B7、B8属于均衡模块二。均衡模块一中的多副边变压器T1的副边通过开关S后与均衡模块二中的多副边变压器T2的副边连接。
状态1，如图4所示，假定B2、B6为低电压单体，需要吸收能量。均衡模块一跟均衡模块二的总电压相近，开关S断开，进行了模块内的均衡：均衡模块一总体的能量通过逆变模块逆变，然后经过T1直接传送给模块自身的半桥整流模块，在微控制器的控制下B2被选择接通到半桥整流模块的输出端接收传递的能量；均衡模块二的均衡过程与均衡模块一的均衡过程一样。均衡模块一和均衡模块二的模块内均衡视情况可以同时进行，也可独立进行。
状态2，如图5所示，假定B6为低电压单体需要吸收能量。均衡模块一的总电压较高，开关S闭合，均衡模块一释放能量给均衡模块二的电池单体B6：均衡模块一释放的能量逆变后输入给T1，由T1的一个副边线圈经过均衡母线传递给T2的副边线圈，T2中与整流电路连接的副边线圈此时便会产生感应电动势，能量经半桥整流模块后传递给被选出的电池单体B6。
状态3，如图6所示，假定B2、B6为低电压单体，需要吸收能量。均衡模块一的总电压较高，开关S闭合，均衡模块一释放能量给自己模块的电池单体B2和均衡模块二的电池单体B6：均衡模块一释放的能量逆变后输入给T1，T1的能量输出一部分经过其中一个副边线圈传递到了自身均衡模块的半桥整流模块，继而将能量传递给电池单体B2，另一部分能量由另一个副边线圈经过均衡母线传递给T2的副边线圈，T2的与整流电路连接的副边线圈此时便会产生感应电动势，能量经半桥整流模块后传递给被选出的电池单体B6。
均衡电路处于图4、图5、图6的哪种均衡状态，由电压采集模块传送给微控制器电压数据后，由微控制器判断得出。同时，均衡电流大小的调节是通过微控制器对逆变模块开关管的驱动PWM信号的占空比的调节来实现的。一个均衡过程中多种状态根据需要交替结合，达到了快速均衡电池能量的效果。
图7为均衡电路在动力电池静止状态下的均衡效果。均衡开始，电池B8处于低电压状态，需要吸收能量。实施例中的电路的均衡状态处于上述状态中的状态1或者状态2，即其中一个均衡模块对自身模块内部或者其他模块中的需要均衡的电池单体提供能量。当到达时间40分钟，电池B8的电压上升到跟其他电池相近时，最低电压的电池单体发生变化，均衡状态会在状态1、状态2、状态3之间切换，最后实现较好的均衡效果。
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 (10)

1.一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，其特征是：包括微控制器，微控制器连接电压采集模块，电压采集模块连接均衡模块，所述均衡模块包括电池单元、逆变模块、多副边变压器和电池选择整流模块，电池单元包括多个电池单体，各单体均连接在电压采集模块上；其中，电池单元两端连接在逆变模块上，逆变模块连接多副边变压器的原边，多副边变压器的至少一个副边连接电池选择整流模块，电池选择整流模块连接电池单元中的各单体。
2.如权利要求1所述的一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，其特征是：所述均衡模块之间通过均衡母线连接，均衡母线通过开关与多副边变压器的一个副边连接。
3.如权利要求1所述的一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，其特征是：所述电池单元依次串联形成电池组。
4.如权利要求1所述的一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，其特征是：所述电池选择整流模块，包括电池选择模块和半桥整流模块，所述半桥整流模块的输入端与多副边变压器的一个副边连接，输出端通过电池选择模块与各个电池单体连接。
5.如权利要求1所述的一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，其特征是：所述逆变模块，包括两个功率开关管Q1和Q2、两个电容C1和C2，其中，功率开关管Q1和Q2串联在电池单元两端，功率开关管Q1和Q2分别并联有一个二极管，电容C1和C2串联后连接在电池单元两端，功率开关管Q1和Q2的中点和两个电容C1和C2的中点分别连接在多副边变压器的原边两端。
6.如权利要求1所述的一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，其特征是：所述功率开关管Q1和Q2由开关管驱动模块驱动，开关管驱动模块连接微控制器。
7.如权利要求1所述的一种基于多副边变压器的电池组均衡电路，其特征是：所述微控制器通过信号线连接电池选择整流模块和逆变模块。
8.一种应用权利要求1-7任一项中所述的基于多副边变压器的电池组均衡电路的实现方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)获取电池单体电压：电压采集模块采集各电池单体电压，由信号线传输给微控制器；
(2)均衡状态判断：微控制器根据获取的电压数据做出判断，如果最大电压差大于规定的限值，启动均衡模块；
(3)均衡模块及均衡单体的选择：微控制器根据电压数据判断出需要释放能量的模块和需要接收能量的单体；
(4)均衡电流的判断：微控制器根据电压数据判定均衡电流大小，电压差越大均衡电流就越大，然后调节开关管驱动模块输出PWM的占空比实现对均衡电流的调节；
(5)能量传递：选定的需要释放能量的模块中，逆变模块开始工作，将能量输入给多副边变压器；变压器的副边将能量释放给自己模块的电池或者通过均衡母线传递给需要吸收能量单体所属模块的变压器副边，最终传递给待均衡的电池单体。
9.如权利要求8所述的实现方法，其特征是：所述步骤(3)中，各个均衡模块中的电池单元总电压最高的均衡模块选择为释放能量模块、电池组中电压最低的电池单体为接收能量单体。
10.如权利要求8所述的实现方法，其特征是：所述步骤(4)中，均衡电流指的是给最低电压电池单体充电的电流。
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