CN106059008B - 一种电池高效转移均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种的电池高效转移均衡电路，采用一种新的多绕组共绕变压器和开关阵列结构实现转移均衡，以更有效的提高电池组的效率和均衡能力，设计简洁、易于集成、易工程化。包括由n节单体电池串联连接组成的电池组，还包括将n‑1个绕组绕在同一个磁芯上的多绕组共绕变压器，多绕组共绕变压器的n‑1个绕组的同名端均分别连接一个高位开关SH和一个低位开关SL，第n‑1个绕组的非同名端通过储能电感连接在电池组的第n节单体电池的负极和第n‑1节单体电池的正极之间，连接第n‑1个绕组的高位开关SH和低位开关SL分别与第n节单体电池的正极和第n‑1节单体电池的负极连接。

Description

一种电池高效转移均衡电路

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，特别是涉及一种电池高效转移均衡电路。

背景技术

在各种类型的电池应用中，电池串联是一种非常普遍的应用方法。电池串联应用带来的最大问题就是单个电池之间的均衡问题。电池均衡就是使串联电池组中每节电池的充满程度一致，从而保证每节电池都可以充满，或者使串联电池组中每节电池都得以充分放电。在串联电池组中，无论是充电还是放电，各个电池的工作电流都是相同的，但由于电池个体之间存在差异，串联电池组中的充电和放电分别受到最先充满到最高许可电压的一节和最先放电到最低许可充电电压的一节的限制。在串联电池组中，充入各节的电荷量一致，这个电荷量由最高电压一节的充电电量决定。从库伦损失现象看，这将导致每1C(库伦)充放，其余电池的电压降低约30mV～50mV。这一现象即电池充放电电压分化。这一现象导致串联电池组使用中较低电压电池的充放电电压范围逐渐变低，而最终因为其接近最低放电电压使电池组无法有效使用。相对于单节电池容量差异，电压分化对电池组的有效使用有更大影响。为了延长电池组的寿命，需要很好地解决电池组中单个电池之间的均衡问题，电池均衡的原则是使串联电池组中的单个电池保持在一个均衡状态，主要以单个电池的端电压是否均衡(相同)来作为整个电池组均衡程度的判断依据。目前,电池组均衡方案主要有能耗型的旁路均衡方式和非能耗型的转移均衡方式两种。旁路均衡就是通过引入一定的旁路电流减小充入高电压电池的电流或者使高电压电池多放电的办法，减小其电压使其与其它电池一致的均衡方式。转移均衡就是把电压较高的电池节上的电荷或储能转移到电压较低的电池的均衡方式。相对于旁路均衡，转移均衡具有更高的能效。

现有技术中，有报道Infineon公司采用xc886单片机设计了多绕组变压器均衡方案，该方案采用多次级组变压器隔离反激电源，利用堆叠的次级组输出和并行次级组根据负载电压的自动电流分配能力实现转移均衡。但存在以下缺点：1.反激变压器方案，每开关周期能转移的能量低，限制了其均衡能力；2.初级组的能量来自整个电池组，回送到退化电池的能量中有部分是循环往复的。这个循环不利于能效；这在仅有少量电池电压高时循环损失更为严重；初级组激励器件为高压器件，不利于集成。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种电池高效转移均衡电路，采用一种新的多绕组共绕变压器和开关阵列结构实现转移均衡，以更有效的提高电池组的效率和均衡能力，并且设计简洁、易集成、易工程化。

本发明的技术方案是：

一种电池高效转移均衡电路，包括由n节单体电池串联连接组成的电池组，其特征在于，还包括将n-1个绕组绕在同一个磁芯上的多绕组共绕变压器，多绕组共绕变压器的n-1个绕组的同名端均分别连接一个高位开关SH和一个低位开关SL，第n-1个绕组的非同名端通过储能电感连接在所述电池组的第n节单体电池的负极和第n-1节单体电池的正极之间，连接第n-1个绕组的高位开关SH和低位开关SL分别与第n节单体电池的正极和第n-1节单体电池的负极连接；所述多绕组共绕变压器的多个绕组相互耦合，通过控制所述高位开关和低位开关以一定的占空比交替开启，使所述电池组中只有高电压电池有平均电流流出，低电压电池有平均电流流入，完成从高电压电池到低电压电池的转移均衡。

连接每个绕组的高位开关SH集成为一个SH高位开关阵列结构，连接每个绕组的低位开关SL集成为一个SL低位开关阵列结构。

每一节单体电池均并联一个高频吸收电容。

本发明的技术效果：

本发明提供一种的电池高效转移均衡电路，采用一种新的多绕组共绕变压器和开关阵列结构实现转移均衡，以更有效的提高电池组的效率和均衡能力，并且设计简洁、易于集成、易工程化。本发明的创新点是，采用无初级次级之分的多绕组共绕变压器的相互耦合和定向传输，实现转移均衡，仅有电压偏高的电池参与出力，通过磁芯耦合到电压低的电池受力，避免了能量循环往复；电池之间为正激转移关系，平衡能力大，可输出大电流；并且控制简单，均以平均参数决定均衡电压和均衡电流；所有开关元件仅需承受2倍的电池电压，易于集成。更适合用于存在节容量不平衡和节充放电行为有差异的电池组成的电池组，如梯次利用电池组成的电池组和经过电池重组的电池组。梯次利用就是把不适合某些苛刻场合应用的电池应用到对电池性能要求较低的场合，例如把退化的电动汽车用电池用于储能电站。电池重组就是根据电池组内每节电池的健康状况，按节替换后重新组织成电池组。其中包括替换掉部分失效的电池和重新匹配电池的容量组成新电池组。

附图说明

图1是本发明的电池高效转移均衡电路图。

图2是图1的简化原理说明图。

图3a是图1的以6节电池为例的实施例图。

图3b是图3a的SH开关组接通时的实际电路连接图。

图3c是图3a的SL开关组接通时的实际电路连接图。

图3d是简化到两节电池说明SH或SL接通时的均衡。

图3e是简化到两节电池说明SH/SL交替接通时的均衡。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

如图1所示，是本发明的电池高效转移均衡电路图。一种电池高效转移均衡电路，包括由n节单体电池串联连接组成的电池组，其特征在于，还包括将n-1个绕组绕在同一个磁芯上的多绕组共绕变压器，多绕组共绕变压器的n-1个绕组的同名端均分别连接一个高位开关SH和一个低位开关SL，第n-1个绕组的非同名端通过储能电感L连接在所述电池组的第n节单体电池的负极和第n-1节单体电池的正极之间，连接第n-1个绕组的高位开关SH和低位开关SL分别与第n节单体电池的正极和第n-1节单体电池的负极连接；所述多绕组共绕变压器的多个绕组相互耦合，通过控制所述高位开关和低位开关以一定的占空比交替开启，使所述电池组中只有高电压电池有平均电流流出，低电压电池有平均电流流入，完成从高电压电池到低电压电池的转移均衡。其中，连接每个绕组的高位开关SH集成为一个SH高位开关阵列结构，连接每个绕组的低位开关SL集成为一个SL低位开关结构；每一节单体电池均并联一个高频吸收电容。

图2是图1的简化原理说明图。先不考虑绕组电压Va，SH和SL交替开启组成功率调制器，平均输出电压由占空比决定，例如均衡时激励同一绕组的SH和SL两个开关按50％占空比或其它占空比交替开启。在50％占空比时为两个电池电压的均值。这时流过的平均电流由等效路径电阻和两节电池中间抽头电压与均值电压的差值决定，路径电感和周期时间决定电流的变化、在平均电流上下波动。如果抽头电压不平衡，平均电流从高电压电池流出，流入低电压电池。共绕绕组上的感应电压由全部绕组上实际施加的电压决定，即所有绕组与路径上的串联电感和串联电阻分压的均值；如果各电池电压一致，流经每个绕组的电流则由绕组电压、电池中间抽头的电压差决定。整个电池组中只有高压电池有平均电流流出，低压电池有平均电流流入，完成从高压电池到低压电池的转移均衡。

本发明的要点是利用一种新的多绕组变压器和开关阵列结构实现一种易集成、易工程化的均衡电路，具体是利用内嵌的控制电路还是外置的控制电路来完成均衡过程不做约束。进一步地用6节电池组成的电池组来说明这种新的结构的均衡过程。

如图3a所示，是图1的以6节电池为例的实施例图。图3a中，电池组中包括6节单体电池，多绕组共绕变压器中包括5个绕组，绕在同一个磁芯上，每个绕组的同名端分别连接一个高位开关和一个低位开关，以第5个绕组为例，第5个绕组的同名端分别连接一个高位开关S52和一个低位开关S51，第5个绕组的异名端通过储能电感L5连接在第6节单体电池的负极和第5节单体电池的正极之间，连接第5个绕组的高位开关S52和低位开关S51分别与第6节单体电池的正极和第5节单体电池的负极连接。

图3b和图3c分别是图3a的SH开关组和SL开关组接通时的实际电路连接图；图3d和图3e则分别是进一步简化到两节电池来说明这个电路两个均衡过程。首先来看50％占空比的情况，即图3b和图3c的连接按1:1时间交替出现的情况，也是图3e中SH和SL按1:1时间交替的情况。这时图3b或图3c各个绕组同时连接到所对应的电池，图3b和图3c的差异仅仅是连接2～6的5节电池或1～5的5节电池。各共绕绕组是一致的，对于任何一节电池，从与之连接的变压器绕组看到的都是其它电池的电压。进一步简化到图3d来说明SH接通或SL接通时的均衡过程。这时电池1和电池2互为源和负载，即电池1经变压器对电池2供电、反过来电池2经过变压器对电池1供电，即图3d上面的部分与下面的部分是一致的。如果电池1与电池2电压不一致，电压较高的电池向电压较低的送电，逐步达到电压一致，即均衡。图3d中的z是电池内阻、连接路径上的电阻和电感的总和。图3e说明另一个均衡过程，即把图中电感按1:1时间交替与电池X和电池Y分别连接的均衡过程；图3e中电感是变压器绕组串联电感和电感元件L的感值的总和，图3e中的电池X对应图3a的1～5的5节电池，电池Y对应2～6的5节电池。当SL接通时，电感电流沿A→B方向增加；SH接通时沿B→A方向增加，如果电池电压一致，则两个方向的增加对消，电感的平均电流为零；如果一个电池电压偏高，则它接通时电流增加得多，相反则小；平均电流表现为从电压高电池流入电压低、最终使电池电压一致，即均衡。实际工程实现限于经济性考虑不可能把z做的很低，这致使电池电压差异不大时无法取得大的均衡电流而影响均衡效果，这时需要采用不同占空比来增大从高压电池流向低压电池的电流、加大均衡效果。如果电池X电压高，则使SL接通时间更长，A→B的电流以更长时间增加，使电感中的平均电流表现为A→B，更大电流从电池X流向电池Y。变占空比时可以选择在X一组的部分电池与Y一组的部分电池之间均衡，也就是说除了端头上的两节电池外，均衡是可以任意组织的；无论是SL接通时间长还是SH接通时间长，除端头的两节外，其余电池可以组织进行任意方向的均衡能量转移。端头上的两节电池不会同时出现在两个开关组内，在特定时间段它们只能配合SL和SH的占空比指定的方向均衡，然后在另外的时间段向另外的方向均衡。由于中间的电池均衡方向是任意的，可以通过交替SL和SH的占空比变化和相应调整中间的电池节的开关控制实现包括两头的电池的效果无差异的均衡。

上述分析表明，单节电池与平均电压的压差和路径上的电阻决定平均均衡电流，这意味着需要降低MOS FET开关导通电阻取得大电流，即更大的工程代价。作为对这一问题的改进，本发明包括配合电池测量时，根据电池电压差异决定哪些电池给与较长放电时间、哪些给与较短放电时间以调整放电电流大小，例如固定的7:9占空比。参考图1，共绕绕组按励磁方向分为灌入同名端和从同名端吸出两个方向，分别记做正励磁和反励磁两个方向。转移均衡出现在正励磁时同时出力的一组电池之间，也出现在正励磁和反励磁两组之间。此占空比调节立即使中间抽头电压变化到偏离中心1/8的情况，使正励磁方向和反励磁方向的电流差异增大；这时与均值间的微小的电压差与占空比调节产生的压差按不同方向叠加，出现大的单向平均电流均衡电流加大。此时仍由压差和路径电阻决定电流分配，当电池内阻差异显著时高内阻电池无法得到较大分流。进一步地，在SH和SL组内，有选择地使一些电池部分时间退出，即高占空比时同一励磁方向组内所有低压电池部分时间导通，低占空比时所有组内高压电池部分时间导通，增加了两个方向励磁组间的均衡能力；但这时牺牲了组内互耦均衡的时间。同一个励磁方向组内的电池之间实现大电流均衡时需要先把能量储存到另一个组内、在转移回组内需要的电池。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (3)

1.一种电池高效转移均衡电路，包括由n节单体电池串联连接组成的电池组，其特征在于，还包括将n-1个绕组绕在同一个磁芯上的多绕组共绕变压器，多绕组共绕变压器的n-1个绕组的同名端均分别连接一个高位开关SH的不动点和一个低位开关SL的动点，第n-1个绕组的非同名端通过储能电感连接在所述电池组的第n节单体电池的负极和第n-1节单体电池的正极之间，连接第n-1个绕组的高位开关SH的动点和低位开关SL的不动点分别与第n节单体电池的正极和第n-1节单体电池的负极连接；所述多绕组共绕变压器的多个绕组相互耦合，通过控制所述高位开关和低位开关以一定的占空比交替开启，使所述电池组中只有高电压电池有平均电流流出，低电压电池有平均电流流入，完成从高电压电池到低电压电池的转移均衡。

2.根据权利要求1所述的电池高效转移均衡电路，其特征在于，连接每个绕组的高位开关SH集成为一个SH高位开关组，连接每个绕组的低位开关SL集成为一个SL低位开关组。

3.根据权利要求1所述的电池高效转移均衡电路，其特征在于，每一节单体电池均并联一个高频吸收电容。