CN106712211B - 一种基于多输入变换的双层主动均衡电路及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多输入变换的双层主动均衡电路及实现方法，包括微控制器、底层均衡单元、顶层均衡单元以及切换继电器，微控制器发送一路PWM信号控制底层均衡单元交替工作在充电和放电状态，实现相邻单体之间的能量均衡。微控制器发送两路相同PWM信号控制顶层均衡单元交替工作在充电和放电状态，实现相邻模块之间的能量均衡。微控制器发送两路开关信号控制继电器的切换，控制相邻模块之间均衡的能量能动方向。本发明有效改善了电池单体间、电池模块间的不一致性，克服了传统均衡电路均衡效率低、均衡速度慢、模块化扩展难的问题。

Description

一种基于多输入变换的双层主动均衡电路及实现方法
技术领域
本发明涉及一种基于多输入变换的双层主动均衡电路及实现方法。
背景技术
大规模发展新能源汽车建立绿色交通系统是解决能源和环境危机的重要途径，我国政府一直高度重视和强力扶持新能源汽车的研发和产业化。2015年5月我国政府实施的《中国制造2025》和2016年颁布的《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，继续将新能源汽车列为重大战略发展领域和战略性产业。2016年，我国新能源汽车销量达到了50.7万辆，同比增长53％，市场规模稳居全球第一，新能源汽车保有量已突破100万辆。实现高效、节能、清洁的新能源汽车代替传统的燃油汽车，不仅能够有效应对全球能源与环境的挑战，也是我国缩短与先进汽车强国差距、实现汽车工业可持续发展的必然选择。
新能源汽车的重大发展机遇带动了动力电池及其产业升级换代和迅猛发展。其中锂离子电池(含钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂电池)以其高比能量、低自放电率以及长寿命等优点，成为目前发展最快、前景最好的新能源汽车动力电池。2015年我国锂离子电池产量为56.0亿只，同比增长3.1％；2016年1-9月，产量达到52.4亿只，同比增长32.8％。国际权威能源机构预计到2020年全球锂离子电池市场规模将会超过2亿千瓦时，年均复合增长率约25％，市场发展潜力巨大。
国产锂离子电池的单项性能指标虽可与国外先进水平媲美，但总体指标偏低，尤其是在电池一致性和寿命方面差距较大，从而导致成组应用后成本高而寿命短，严重影响其安全性、续驶里程及动力性能等，已成为制约电动汽车产业化和实用化的瓶颈。为了给电动汽车提供足够的驱动力，动力电池组往往需要成百上千节单体电池串并联组成。单体电池自身参数的不一致以及使用过程中温度、自放电程度等因素的差异，会导致电池单体电压、容量等参数的不一致性，严重影响了电池组的可用容量，缩短了电池组的使用寿命。解决动力电池不一致性的直接手段是能量均衡，其通过将高能量单体或模块中的部分能量消耗掉或者转移到低能量单体或模块上，实现电池组整体的均衡管理。
均衡技术的研究主要是从均衡拓扑结构与均衡控制策略两方面进行展开。在均衡拓扑上，现有的方案层出不穷，可分为被动均衡和主动均衡两大类。目前侧重于效率高、结构控制相对简单、成本低、易于模块化的均衡拓扑设计与改进，同时还涉及电池组的分级均衡和均衡建模分析研究。被动均衡方法一般不适合应用于锂离子电池系统中，近年来的均衡方法研究主要集中在主动均衡方法的研究上。主动均衡又可分为能量耗散型和能量非耗散型两类。常用的耗散型均衡电路通过旁路开关和电阻消耗掉电池组内多余的能量，具备结构简单、易于模块化的优点，但能耗较高，均衡效率低。同时能耗带来的发热问题加重了电池组的热管理负担，因此需要对均衡功率加以限制。目前的耗散型均衡电路单体均衡电流控制在几百个mA，从而使得耗散型均衡并不适合大功率、快速充电的电池组均衡。非耗散型均衡电路则是通过储能元件(电容、电感、变压器等)将电池组中容量高的单体电池中的能量转移到容量比较低的单体电池，或者是通过DC/DC变换电路实现电池组之间、电池组与电池单体之间以及电池单体之间的能量转移。其均衡效率相对较高，但控制相对复杂，成本较高，不易于实现模块化。
根据能量流动的方向，非耗散均衡又能够分为以下四种：Cell to Cell；Cell toModule；Module to Cell；Moduleto Module。Cell to Cell的均衡模式，能量能够直接从电压最高的电池单体转移到电压最低的电池单体，具有较高的均衡效率，但是电池单体之间的电压差较小，加之电力电子器件存在导通压降使得均衡电流很小，因此Cell to Cell均衡模式不适合于大容量的动力电池。Cell to Module/Module to Cell均衡模式是实现被均衡单体与整个模块的能量相互转移，可以实现较大的均衡功率。均衡单元拓扑一般较为复杂，在高功率场合可以降低控制开关的电压应力、电流应力。Module to Module均衡模式与Mell to Mell模式结构类似，但均衡单元的功率等级更高，拓扑一般为高效率的DC/DC变换器。
现有均衡方法普遍存在的问题：
1)能耗较大，目前各种均衡方法中，能耗最小的约占转换能量的15％左右。
2)均衡时间较长，充电过程的均衡主要发生于充电末期(SOC＝80％左右)至充电结束，充电速度的加快对均衡速度提出了新的要求。
3)实用性差，不能随电池组串联电池节数的增加而进行模块化扩展。
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。
中国实用新型专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池充电。经过电容的充、放电，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体数量较多，所需要的均衡电容和开关模块及其驱动电路较多，导致电路体积庞大，并且当电压最高和最低的电池相邻多个单体时，这种“击鼓传花”的均衡方式，使得均衡效率会大大降低。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多输入变换(MIC)的双层主动均衡电路及实现方法，本发明通过底层均衡单元和顶层均衡单元实现电池组内的单体之间均衡和模块之间均衡，克服了传统均衡电路均衡效率低、均衡速度慢、模块化扩展难的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多输入变换的双层主动均衡电路，包括微控制器、底层均衡单元、顶层均衡单元以及切换继电器，所述微控制器连接并控制若干个均衡电池组的能量均衡，所述每个均衡电池组包括四个电池模块，每个电池模块包括若干个串联的电池单体，每相邻的两节电池单体共用一个底层均衡单元，每两个电池模块共用一个切换继电器，每四个电池模块共用一个顶层均衡单元；
所述微控制器发送一路PWM信号控制每个底层均衡单元，通过升降压变换实现底层均衡单元的充电和放电状态，实现相邻的两节电池单体的能量均衡；微控制器发送两路相同PWM信号控制顶层均衡单元，并发送两路开关信号控制切换继电器动作，通过正激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，以实现相邻的两个电池模块之间的能量均衡；微控制器通过反激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，以实现两个相邻电池模块与另外两个相邻电池模块之间的能量均衡。
所述微控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，所述模数转换模块通过电压检测电路与各电池单体连接，将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而获得电池组中电池单体的电压；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接底层均衡单元和顶层均衡单元，产生相应的控制驱动信号。
所述底层均衡单元包括一个功率电感L和两个串联MOS管，MOS管两端并联有二极管，功率电感L一端连接两个单体电池的公共端，一端连接两个串联MOS管的公共端，其中一个MOS管的漏极连接串联的两个电池单体的正极，另一个MOS管的源极连接串联的两个电池单体的负极。
所述底层均衡单元为双向均衡器，通过控制所述的两个MOS管分别导通，可实现能量从电压高的电池单体流向电压低的电池单体；所述底层均衡单元在一路PWM信号驱动下，通过升降压变换实现底层均衡单元的充电和放电状态，从而完成相邻的两节电池单体的能量均衡。
所述顶层均衡单元包括两个多输入原边绕组的变压器、四个MOS管、两个整流二极管和两个双刀双掷切换继电器，每个输入原边绕组与一个MOS管串联连接，然后再串联连接在一个电池模块的正负极，每个副边绕组一端与整流二极管阳极连接，一端与双刀双掷继电器的一端连接，双刀双掷继电器的另一端与整流二极管的阴极连接。
所述顶层均衡单元在两路开关信号控制下，双刀双掷继电器向上切换，变压器副边能量流向两个相邻的电池模块M1和M2；双刀双掷继电器向下切换，变压器副边能量流向同一组均衡电路的另两个相邻的电池模块M3和M4。
所述顶层均衡单元在两路相同PWM信号驱动下，通过正激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，从而完成相邻的两个电池模块之间的能量均衡。
所述顶层均衡单元在两路相同PWM信号驱动下，通过反激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，从而完成每两个相邻的两个电池模块即：模块(M1+M2)与模块(M3+M4)之间的能量均衡。
所述顶层均衡单元为单向均衡器，通过控制每个变压器原边的两个MOS管同时导通，可实现能量从电压高的模块流向电压低的模块。
一种基于上述均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：
(1)获取电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池组的单体电压、模块电压；
(2)均衡判断：微控制器根据获取的电池单体电压，判断是否符合底层均衡单元、顶层均衡单元的动作条件，若符合则进行均衡，进入步骤(3)；
(3)进行均衡：微控制器控制底层均衡单元，使其交替工作在充电和放电两个状态，完成电池单体之间的能量传递；微控制器控制顶层均衡单元，使其交替工作在充电和放电两个状态，完成电池模块之间的能量传递。
(4)关闭均衡：微控制器根据获取的电池单体电压，计算相邻的两个电池单体的电压差，若其差值小于电池均衡阈值，则关闭对应的底层均衡单元工作；微控制器根据获取的电池模块电压，计算相邻的四个电池模块的电压差，若其差值小于电池均衡阈值，则关闭对应的顶层均衡单元工作。
所述步骤(2)中，计算相邻的两个电池单体的电压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动对应的底层均衡单元工作；微控制器根据获取的电池模块电压，计算同一个均衡组的四个电池模块的电压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动对应的顶层均衡单元工作。
所述步骤(3)中，若要启动底层均衡单元工作，微控制器根据获取的电池单体电压，判断出相邻的两个电池单体的高电压和低电压，将PWM信号发送给与电势高的电池单体连接的MOS管。
所述步骤(3)中，若要启动顶层均衡单元工作，微控制器根据获取的电池模块电压，判断出模块(M1+M2)与模块(M3+M4)的高电压和低电压，若其差值大于继电器向下切换的阈值，则将PWM信号发送给模块(M1+M2)连接的MOS管，若其差值小于继电器向下切换的阈值，则将PWM信号分别发送给各个模块连接的MOS管。
本发明的工作原理为：
微控制器借助模数转换模块，获取电池组各单体电压，进而对相邻的两节电池单体电压进行比较，确定需要均衡的相邻电池单体，并判断出高电压者和低电压者；然后，微控制器发送一路PWM信号控制底层均衡单元工作，使其交替工作在充电和放电两个状态，从而将能量从相邻电池单体中的高电压者转移到低电压者。与此同时，微控制器借助模数转换模块，获取电池组各模块电压，进而对相邻的电池模块电压进行比较，确定需要均衡的电池模块，并判断出高电压者和低电压者；然后，微控制器发送两路相同PWM信号控制顶层均衡单元工作，使其交替工作在充电和放电两个状态，从而将能量从相邻电池模块中的高电压者转移到低电压者。
本发明的有益效果为：
(1)能够实现电池组中相邻的电池单体之间、相邻的电池模块之间的快速均衡，具有较高的均衡效率；
(2)解决了电池组各模块之间的电压不一致性问题，实现电池组整体均衡；
(3)克服了传统均衡电路均衡效率低、均衡速度慢、模块化扩展难的问题。
附图说明
图1为本发明的基于多输入变换(MIC)的双层主动均衡电路及实现方法的组成示意图；
图2为本发明的底层均衡电路的组成示意图；
图3为本发明的底层均衡电路在V0>V1时充电状态和放电状态的工作原理图；
图4为本发明的底层均衡电路在V1>V0时充电状态和放电状态的工作原理图；
图5为本发明的顶层均衡电路的组成示意图；
图6为本发明的顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向上切换、VM1>VM2时充电状态和放电状态的工作原理图；
图7为本发明的顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向下切换、VM1+M2>VM3+M4时充电状态和放电状态的工作原理图。
图8为本发明的底层均衡电路在V0>V1时充放电电流i和控制信号PWM的仿真波形图；
图9为本发明的底层均衡电路在V0>V1时对相邻电池单体进行均衡的电压效果图。
图10为本发明的顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向上切换、VM1>VM2时充放电电流i和控制信号PWM的仿真波形图；
图11为本发明的顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向上切换、VM1>VM2时对相邻电池模块进行均衡的电压效果图。
图12为本发明的顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向下切换、VM1+M2>VM3+M4时充放电电流i和控制信号PWM的仿真波形图；
图13为本发明的顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向下切换、VM1+M2>VM3+M4时对相邻电池模块进行均衡的电压效果图。
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。
如图1所示，一种基于多输入变换(MIC)的双层主动均衡电路，包括微控制器、底层均衡单元、顶层均衡单元以及切换继电器。每相邻的两节电池单体共用一个底层均衡单元；一个模块由若干个电池单体串联而成，每四个模块共用一个顶层均衡单元和两个切换继电器；微控制器发送一路PWM信号控制一个底层均衡单元，通过升降压变换实现底层均衡单元的充电和放电状态，从而完成相邻的两节电池单体的能量均衡；微控制器发送两路相同PWM信号控制一个顶层均衡单元，并发送两路开关信号控制继电器切换，通过正激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，从而完成相邻的两个模块之间的能量均衡；微控制器发送两路PWM信号控制一个顶层均衡单元，并发送两路开关信号控制继电器切换，通过反激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，从而完成两个相邻模块与另外两个相邻模块的能量均衡。
所述微控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，其中所述模数转换模块，通过电压检测电路与电池单体连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而获得电池组中电池单体的电压；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接底层均衡单元和顶层均衡单元，用于产生MOS管开关的控制驱动信号；
所述底层均衡单元包括一个功率电感L和两个串联MOS管，MOS管两端并联二极管。功率电感L一端连接两个单体电池的公共端，一端连接两个串联MOS管的公共端。一个MOS管的漏极连接串联的两个电池单体的正极，一个MOS管的源极连接串联的两个电池单体的负极。
所述底层均衡单元在一路PWM信号驱动下，通过升降压变换实现底层均衡单元的充电和放电状态，从而完成相邻的两节电池单体的能量均衡。
所述底层均衡单元为双向均衡器，通过控制所述的两个MOS管分别导通，可实现能量从电压高的电池单体流向电压低的电池单体。
所述顶层均衡单元包括两个多输入原边绕组的变压器、四个MOS管、两个整流二极管和两个双刀双掷切换继电器。每个输入原边绕组与一个MOS管串联连接，然后再串联连接在一个模块的正负极。每个副边绕组一端与整流二极管阳极连接，一端与双刀双掷继电器的一端连接，双刀双掷继电器的另一端与整流二极管的阴极连接。
所述顶层均衡单元在两路开关信号控制下，双刀双掷继电器Ta向上切换，变压器副边能量流向模块M1和模块M2；双刀双掷继电器Ta向下切换，变压器副边能量流向模块M3和模块M4。
所述顶层均衡单元在两路相同PWM信号驱动下，通过正激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，从而完成相邻的两个模块之间的能量均衡。
所述顶层均衡单元在两路相同PWM信号驱动下，通过反激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，从而完成模块(M1+M2)与模块(M3+M4)之间的能量均衡。
所述顶层均衡单元为单向均衡器，通过控制每个变压器原边的两个MOS管同时导通，可实现能量从电压高的模块流向电压低的模块。
实现方法，包括以下步骤：
(1)获取电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池组的单体电压、模块电压
(2)均衡判断：微控制器根据获取的电池单体电压，计算相邻的两个电池单体的电压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动对应的底层均衡单元工作；微控制器根据获取的电池模块电压，计算相邻的四个电池模块的电压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动对应的顶层均衡单元工作；
(3)开启均衡：若要启动底层均衡单元工作，微控制器根据获取的电池单体电压，判断出相邻的两个电池单体的高电压和低电压，将PWM信号发送给与电势高的电池单体连接的MOS管。若要启动顶层均衡单元工作，微控制器根据获取的电池模块电压，判断出模块(M1+M2)与模块(M3+M4)的高电压和低电压，若其差值大于继电器向下切换的阈值，则将PWM信号发送给模块(M1+M2)连接的MOS管。若其差值小于继电器向下切换的阈值，则将PWM信号分别发送给各个模块连接的MOS管。
(4)能量传递：微控制器控制底层均衡单元，使其交替工作在充电和放电两个状态，完成电池单体之间的能量传递；微控制器控制顶层均衡单元，使其交替工作在充电和放电两个状态，完成电池模块之间的能量传递。
(5)关闭均衡：微控制器根据获取的电池单体电压，计算相邻的两个电池单体的电压差，若其差值小于电池均衡阈值，则关闭对应的底层均衡单元工作；微控制器根据获取的电池模块电压，计算相邻的四个电池模块的电压差，若其差值小于电池均衡阈值，则关闭对应的顶层均衡单元工作。
以相邻的串联的电池单体B0、B1，相邻的串联的模块M1、M2、M3、M4为例，进行详细叙述。
如图1所示，为基于多输入变换(MIC)的双层主动均衡电路及实现方法的组成示意图，均衡电路的微控制器选用高速数字信号处理芯片DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采样和多路PWM输出；电压检测电路采用凌特公司的LTC6804专用电压测量芯片，实时测量电池组中每节电池的电压。每个模块包括若干个电池单体，每相邻两个电池单体共用一个底层均衡单元；每四个模块(M1、M2、M3、M4)共用一个顶层均衡单元。
如图2所示为底层均衡电路的组成示意图，底层均衡单元的微控制器选用高速数字信号处理芯片DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采样和多路PWM输出；B0、B1两个电池单体共用一个底层均衡单元。一个底层均衡单元由两个MOS管S1、S2，两个二极管D1、D2和一个电感L1组成。MOS管S1、S2选用仙童的低功耗80NF70，并联二极管D1、D2选用低导通内阻的肖特基二极管，电感L1选用低ESR的功率电感。S1、S2串联，S1漏极连接B0的正极，S2源极连接B1的负极，L1的一端连接单体电池B0、B1的公共端，另一端连接串联S1、S2的公共端。MOS管S1、S2分别由来自DSP的两路PWM驱动信号控制。
如图3所示，为底层均衡电路在V0>V1时充电状态和放电状态的工作原理图，由于B0电压高于B1，因此能量由B0转移到B1。
如图3(a)所示，为底层均衡电路在V0>V1时B0放电状态的工作原理图，此时S1导通，S2关断，通过L1的电流线性上升，L1储存能量。
如图3(b)所示，为底层均衡电路在V0>V1时B1充电状态的工作原理图，此时S1、S2均关断，通过L1的电流线性下降，L1释放能量，充电电流流经二极管D2。经过底层均衡单元的一个充放电过程，将B0的能量部分转移到B1，从而实现均衡效果。
如图4所示，为底层均衡电路在V1>V0时充电状态和放电状态的工作原理图，由于B1电压高于B0，因此能量由B1转移到B0。
如图4(a)所示，为底层均衡电路在V1>V0时B1放电状态的工作原理图，此时S2导通，S1关断，通过L1的电流线性上升，L1储存能量。
如图4(b)所示，为底层均衡电路在V1>V0时B0充电状态的工作原理图，此时S1、S2均关断，通过L1的电流线性下降，L1释放能量，充电电流流经二极管D1。经过底层均衡单元的一个充放电过程，将B1的能量部分转移到B0，从而实现均衡效果。
如图5所示为顶层均衡电路的组成示意图。顶层均衡单元包括两个多输入原边绕组的变压器Ta、Tb，四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，两个整流二极管Da、Db和两个双刀双掷切换继电器Sa、Sb。Ta的一个原边绕组一端与Q1漏极连接，另一端与模块M1的正极连接，Q1源极与模块M1的负极连接。Ta的另一个原边绕组一端与Q2漏极连接，另一端与模块M2的正极连接，Q2源极与模块M2的负极连接。Ta的副边绕组一端与整流二极管Da的阳极连接，一端与双刀双掷继电器Sa的一端连接，Sa的另一端与的Da的阴极连接。双刀双掷继电器Sa向上切换，与模块M1和模块M2串联后的正负极连接，Sa向下切换，与模块M3和模块M4串联后的正负极连接。Tb的一个原边绕组一端与Q3漏极连接，另一端与模块M3的正极连接，Q3源极与模块M3的负极连接。Tb的另一个原边绕组一端与Q4漏极连接，另一端与模块M4的正极连接，Q4源极与模块M4的负极连接。Tb的副边绕组一端与整流二极管Db的阳极连接，一端与双刀双掷继电器Sb的一端连接，Sb的另一端与的Db的阴极连接。双刀双掷继电器Sb向上切换，与模块M3和模块M4串联后的正负极连接，Sb向下切换，与模块M1和模块M2串联后的正负极连接。MOS管Q1、Q2、Q3、Q4分别由来自DSP的四路PWM驱动信号控制，继电器Sa、Sb分别由来自DSP的两路开关信号控制。
如图6所示，为顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向上切换、VM1>VM2时充电状态和放电状态的工作原理图，由于M1电压高于M2，因此能量由M1转移到M2。
如图6(a)所示，为顶层均衡电路在在双刀双掷继电器Ta向上切换、VM1>VM2时M1放电、M2充电的工作原理图，此时Q1、Q2同时导通，Q3、Q4关断，与Q1连接的原边绕组的电流线性正向上升，储存能量；与Q2连接的原边绕组的电流线性反向上升，释放能量。
如图6(b)所示，为顶层均衡电路在在双刀双掷继电器Ta向上切换、VM1>VM2时M1充电、M2充电的工作原理图，此时Q1、Q2同时关断，Q3、Q4关断，Ta副边绕组的电流线性下降，释放剩余能量。经过顶层均衡单元的一个充放电过程，将M1的能量部分转移到M2，从而实现均衡效果。
如图7所示，为顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向下切换、VM1+M2>VM3+M4时充电状态和放电状态的工作原理图，由于(M1+M2)电压高于(M3+M4)，因此能量由(M1+M2)转移到(M3+M4)。
如图7(a)所示，为顶层均衡电路在在双刀双掷继电器Ta向下切换、VM1+M2>VM3+M4时M1、M2放电的工作原理图，此时Q1、Q2同时导通，Q3、Q4关断，Ta的原边两个绕组的电流线性均正向上升，储存能量。
如图7(b)所示，为顶层均衡电路在在双刀双掷继电器Ta向下切换、VM1+M2>VM3+M4时M3、M4充电的工作原理图，此时Q1、Q2同时关断，Q3、Q4关断，Ta副边绕组的电流线性下降，释放能量。经过顶层均衡单元的一个充放电过程，将(M1+M2)的能量部分转移到(M3+M4)，从而实现均衡效果。
如图8所示，为底层均衡电路在V0>V1时充放电电流i和控制信号PWM的仿真波形图，由图可以看出，在一组相邻单体的均衡过程中，一路PWM信号控制MOS管的导通关断，B0放电电流i0、B1充电电电流i1周期性变化，实现了能量由B0转移到B1。
如图9所示为底层均衡电路在V0>V1时对相邻电池单体进行均衡的电压效果图，当电池单体初始电压分别为B0＝3.60V，B1＝3.55V时，大约经过33s的时间，均衡电路使得相邻电池单体的电压差接近于0，实现了很好的均衡效果。
如图10所示，为顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向上切换、VM1>VM2时充放电电流i和控制信号PWM的仿真波形图，由图可以看出，在一组相邻模块的均衡过程中，两路相同的PWM信号控制MOS管的导通关断，M1放电电流IP1、M2充电电流IP2、Ta副边绕组电流Is周期性变化，实现了能量由M1转移到M2。
如图11所示为顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向上切换、VM1>VM2时对相邻电池模块进行均衡的电压效果图，当电池模块初始电压分别为M1＝7.028V，M2＝7.082V时，M1的电压逐渐下降，M2的电压逐渐上升，实现了很好的均衡效果。
如图12所示，为顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向下切换、VM1+M2>VM3+M4时充放电电流i和控制信号PWM的仿真波形图，由图可以看出，在模块(M1+M2)与模块(M3+M4)的均衡过程中，两路相同的PWM信号控制MOS管的导通关断，Ta原边绕组的放电电流IP、Ta副边绕组电流Is周期性变化，实现了能量由(M1+M2)转移到(M3+M4)。
如图13所示为顶层均衡电路在双刀双掷继电器Ta向下切换、VM1+M2>VM3+M4时对相邻电池模块进行均衡的电压效果图，当电池模块初始电压分别为M1＝7.175V，M2＝7.175，M3＝7.07V，M4＝7.07V时，(M1+M2)的电压逐渐下降，(M3+M4)的电压逐渐上升，实现了很好的均衡效果。
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)

1.一种基于多输入变换的双层主动均衡电路，其特征是：包括微控制器、底层均衡单元、顶层均衡单元以及切换继电器，所述微控制器连接并控制若干个均衡电池组的能量均衡，所述每个均衡电池组包括四个电池模块，每个电池模块包括若干个串联的电池单体，每相邻的两节电池单体共用一个底层均衡单元，每两个电池模块共用一个切换继电器，每四个电池模块共用一个顶层均衡单元；
所述微控制器根据获取的电池单体电压，判断是否符合底层均衡单元、顶层均衡单元的动作条件，若符合则进行均衡；所述微控制器发送一路PWM信号控制每个底层均衡单元，通过升降压变换实现底层均衡单元的充电和放电状态，实现相邻的两节电池单体的能量均衡；微控制器发送两路相同PWM信号控制顶层均衡单元，并发送两路开关信号控制切换继电器动作，通过正激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，以实现相邻的两个电池模块之间的能量均衡；微控制器通过反激式变换实现顶层均衡单元的充电和放电状态，以实现两个相邻电池模块与另外两个相邻电池模块之间的能量均衡。
2.如权利要求1所述的一种基于多输入变换的双层主动均衡电路，其特征是：所述微控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，所述模数转换模块通过电压检测电路与各电池单体连接，将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而获得电池组中电池单体的电压；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接底层均衡单元和顶层均衡单元，产生相应的控制驱动信号。
3.如权利要求2所述的一种基于多输入变换的双层主动均衡电路，其特征是：所述底层均衡单元包括一个功率电感L和两个串联MOS管，MOS管两端并联有二极管，功率电感L一端连接两个单体电池的公共端，一端连接两个串联MOS管的公共端，其中一个MOS管的漏极连接串联的两个电池单体的正极，另一个MOS管的源极连接串联的两个电池单体的负极。
4.如权利要求3所述的一种基于多输入变换的双层主动均衡电路，其特征是：所述底层均衡单元为双向均衡器，通过控制所述的两个MOS管分别导通，可实现能量从电压高的电池单体流向电压低的电池单体；所述底层均衡单元在一路PWM信号驱动下，通过升降压变换实现底层均衡单元的充电和放电状态，从而完成相邻的两节电池单体的能量均衡。
5.如权利要求1所述的一种基于多输入变换的双层主动均衡电路，其特征是：所述顶层均衡单元包括两个多输入原边绕组的变压器、四个MOS管、两个整流二极管和两个双刀双掷切换继电器，每个输入原边绕组与一个MOS管串联连接，然后再串联连接在一个电池模块的正负极，每个副边绕组一端与整流二极管阳极连接，一端与双刀双掷继电器的一端连接，双刀双掷继电器的另一端与整流二极管的阴极连接。
6.如权利要求5所述的一种基于多输入变换的双层主动均衡电路，其特征是：所述顶层均衡单元在两路开关信号控制下，双刀双掷继电器向上切换，变压器副边能量流向两个相邻的电池模块M1和M2；双刀双掷继电器向下切换，变压器副边能量流向同一组均衡电路的另两个相邻的电池模块M3和M4。
7.如权利要求1所述的一种基于多输入变换的双层主动均衡电路，其特征是：所述顶层均衡单元为单向均衡器，通过控制每个变压器原边的两个MOS管同时导通，实现能量从电压高的模块流向电压低的模块。
8.一种基于如权利要求1-7中任一项所述的均衡电路的均衡方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)获取电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池组的单体电压、模块电压；
(2)均衡判断：微控制器根据获取的电池单体电压，判断是否符合底层均衡单元、顶层均衡单元的动作条件，若符合则进行均衡，进入步骤(3)；
(3)进行均衡：微控制器控制底层均衡单元，使其交替工作在充电和放电两个状态，完成电池单体之间的能量传递；微控制器控制顶层均衡单元，使其交替工作在充电和放电两个状态，完成电池模块之间的能量传递；
(4)关闭均衡：微控制器根据获取的电池单体电压，计算相邻的两个电池单体的电压差，若其差值小于电池均衡阈值，则关闭对应的底层均衡单元工作；微控制器根据获取的电池模块电压，计算相邻的四个电池模块的电压差，若其差值小于电池均衡阈值，则关闭对应的顶层均衡单元工作。
9.如权利要求8所述的均衡方法，其特征是：所述步骤(2)中，计算相邻的两个电池单体的电压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动对应的底层均衡单元工作；微控制器根据获取的电池模块电压，计算同一个均衡组的四个电池模块的电压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动对应的顶层均衡单元工作。
10.如权利要求8所述的均衡方法，其特征是：所述步骤(3)中，若要启动底层均衡单元工作，微控制器根据获取的电池单体电压，判断出相邻的两个电池单体的高电压和低电压，将PWM信号发送给与电势高的电池单体连接的MOS管；
所述步骤(3)中，若要启动顶层均衡单元工作，微控制器根据获取的电池模块电压，判断出两个相邻两电池模块的高电压和低电压，若其差值大于继电器向下切换的阈值，则将PWM信号发送给模块高电势的两个相邻电池模块连接的MOS管，若其差值小于继电器向下切换的阈值，则将PWM信号分别发送给各个模块连接的MOS管。
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