CN106849235A - 一种均衡电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种均衡电路及控制方法，涉及电池均衡技术领域，均衡电路包括电池单元、变换器单元以及变压器单元，所述变压器单元分别与电池单元以及变换器单元耦合。电池单元包括多个依次串联的电池子单元，变压器单元包括多个依次串联的变压器子单元，且变压器子单元与电池子单元一一对应，变压器子单元与对应的电池子单元耦合。其中，多个变压器子单元均包括变压器，多个变压器的一次侧绕组依次串联连接构成变换器单元的电感。每个电池子单元均包括限流电阻，每个限流电阻的阻值均相同。本发明提供的均衡电路，无论电池包需要串联的电池单体的数量为多少，直接串联与之数量相同的变压器即可。变压器制作简单，且成本低廉。

Description

一种均衡电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电池均衡技术领域，尤其涉及一种均衡电路及控制方法。

背景技术

随着新能源技术的飞速发展，电池作为重要的储能单元得到了广泛的应用。由于目前电池技术限制，电池单体电压较低，为了增加储能容量及输出功率，在大容量大功率应用中，通常将电池进行并联和串联组合成为电池包。然而，由于制造工艺、初始容量、环境温度等方面的差异，电池之间的参数特性并不完全一致。在串联使用的过程中，这些不一致性会逐渐积累，造成不同串联单元的电池电压不均衡，在实际应用中造成某些电池单元过充电和过放电等现象，影响电池的使用特性和寿命，甚至直接造成电池组的损坏。

针对上述情况下的电池电压不均衡问题，已有的解决方法分为两大类：一类的基本原理是使用被动电阻元件消耗电压较高单元上的多余能量来实现均衡，另一类则是在不同串联电池单元之间进行能量转移来实现均衡。

电阻耗能的方法存在的缺点是：仅在充电过程结束前能够起作用，且存在能量浪费的缺陷。

主动均衡技术中，参数相同的电池模组的变压器集成在一个磁环上，当电池数量增加时，生产困难；此外还存在电路控制复杂，生产成本高的不足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种均衡电路及控制方法，以改善上述问题。

第一方面，本发明较佳实施例提供一种均衡电路，所述均衡电路包括电池单元、变换器单元以及变压器单元，所述变压器单元分别与所述电池单元以及所述变换器单元耦合。所述电池单元包括多个依次串联的电池子单元，所述变压器单元包括多个依次串联的变压器子单元，且所述变压器子单元与所述电池子单元一一对应，所述变压器子单元与对应的所述电池子单元耦合。其中，多个所述变压器子单元均包括变压器，多个所述变压器的一次侧绕组依次串联连接构成所述变换器单元的电感。每个所述电池子单元均包括限流电阻，每个所述限流电阻的阻值均相同。

在本发明较佳实施例中，上述变换器单元为全桥变换器单元，所述变换器单元还包括第一高频开关管、第二高频开关管、第三高频开关管以及第四高频开关管，所述第一高频开关管、第二高频开关管、第三高频开关管以及第四高频开关管构成全桥式电路，所述第一高频开关管与所述第二高频开关管串联连接，所述第三高频开关管与所述第四高频开关管串联连接，串联的所述第一高频开关管以及第二高频开关管与串联的所述第三高频开关管以及第四高频开关管并联连接，所述电感的一端耦合于所述第一高频开关管以及第二高频开关管形成的桥臂之间，所述电感的另一端耦合于所述第三高频开关管以及第四高频开关管形成的桥臂之间。

在本发明的较佳实施例中，上述变换器单元为半桥变换器单元，所述变换器单元还包括第五高频开关管、第六高频开关管、第一电容以及第二电容，所述第五高频开关管以及第六高频开关管串联连接，所述第一电容以及第二电容串联连接，串联连接的第五高频开关管以及第六高频开关管与串联连接的第一电容以及第二电容并联连接。

在本发明的较佳实施例中，每个所述变压器的线圈匝数相同。

在本发明的较佳实施例中，每个所述电池子单元还包括电池、整流滤波器，所述整流滤波器包括整流管，所述电池子单元对应的所述变压器子单元的变压器的二次侧绕组与整流滤波器耦合后，一端与所述限流电阻的一端串联，另一端与所述电池的负极耦合，所述电池的正极与所述限流电阻的另一端耦合，每个所述电池子单元的所述电池的正负极依次耦合。

在本发明的较佳实施例中，上述整流管为快恢复二极管、MOSFET或IGBT器件。

在本发明的较佳实施例中，上述整流滤波器为全桥整流滤波器，所述整流滤波器包括第一整流管、第二整流管、第三整流管以及第四整流管，所述第一整流管与第二整流管串联连接，所述第三整流管与所述第四整流管串联连接，串联连接的第一整流管以及第二整流管与串联连接的所述第三整流管以及第四整流管并联连接，所述电池子单元对应的所述变压器子单元的二次侧绕组的一端耦合于所述第一整流管以及第二整流管形成的桥臂之间，另一端耦合于所述第三整流管以及第四整流管形成的桥臂之间。

在本发明的较佳实施例中，上述整流滤波器为半波整流滤波器，所述半波整流滤波器包括第五整流管，所述第五整流管与所述变压器的二次侧绕组耦合，所述第五整流管的的另一端与所述限流电阻耦合。

在本发明的较佳实施例中，上述整流滤波器为全波整流滤波器，所述全波整流滤波器包括第六整流管以及第七整流管，所述第六整流管与所述第七整流管并联连接后，正极与所述变压器的二次侧绕组耦合，负极与所述限流电阻的一端耦合。

第二方面，本发明较佳实施例提供一种均衡电路的控制方法，应用于上述均衡电路，所述方法包括：控制每个所述电池单元对应的所述变压器的输出电压。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供的均衡电路及控制方法，每个电池单元均对应设置有变压器，所述变压器依次串联连接起来，且由于变压器的结构与绕组线圈匝数相同，每个变压器输出的电压均相同。在应用中，无论电池包中需要串联的电池的数量为多少，直接串联与之数量相同的变压器即可。变压器制作简单，且成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的均衡电路的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例提供的均衡电路的一种电路结构示意图；

图3为本发明较佳实施例提供的均衡电路的整流滤波器的一种电路结构示意图；

图4为本发明较佳实施例提供的均衡电路的整流滤波器的另一种电路结构示意图；

图5为本发明较佳实施例提供的均衡电路的另一种电路结构示意图；

图6为本发明较佳实施例提供的均衡电路的控制信号的波形图。

图标：100-均衡电路；200-电池单元；210-电池子单元；300-变压器单元；310-变压器子单元；400-变换器单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“耦合”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是耦合；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

随着社会的发展以及汽车的普及，给我们的生活出行带来了极大的方便。在带来方便的同时，也带来了许多负面效应，环保和能源就是其中最重要的两个方面。为了减少汽车污染，以及能源消耗。噪音小、排放少的电动汽车应运而生。

电动汽车是至少使用一种动力源作为车载电源，全部或部分由电机驱动的汽车，包括使用高能量动力蓄电池作为主要动力源的纯电动汽车、采用内燃机和高功率动力蓄电池共同驱动的混合动力电动汽车和以氢气为车载燃料的燃料电池汽车三种类型。在电动汽车的研究中，电池组作为电动汽车的心脏，是研究的重点。

由于电池单体电压较低，为了增加电池储能容量及输出功率，在大容量大功率的应用中，通常需要将电池进行并联和串联组合。但是在实际操作中，由于制造工艺、初始容量以及环境温度等方面的差异，电池之间的参数特性并不完全一致。在串联使用的过程中，这些不一致性会逐渐累积，造成不同串联单元的电池电压的不均衡，在实际应用中，造成某些电池单元过充电和过放电等现象，影响电池的使用特性和寿命，甚至直接造成电池组的损坏。

目前，针对以上现象，已经有一些解决方法，主要分为两大类，一类是电阻耗能方法，电阻耗能方法的基本原理是使用被动电阻元件消耗电压较高单元上的多余能量拉力实现均衡，这种方法的实现可靠简单，实际应用中也多采用这种方法。但是，由于电阻损耗，增加均衡电流会引起大量发热，使得均衡系统散热体积大大增加，并且带来能量浪费；此外电阻耗能的的方法，仅仅在充电过程结束前作用，无法解决由于不均衡引起的部分电池过放，当电池单体的容量发生差异后，不能够完全利用所有电池单元的储能。

另一种基于主动式能量转移远离的均衡电路就成为研究热点，现有的主动均衡技术中，变压器与电池电芯部分构成直流变换器，由整个电池包分别向各个串联的电池充电，以达到均衡的目的，从理论上来讲，基于主动能量转移的均衡方式可以充分利用所有电池单元的能量，并且没有损耗。但是由于实际应用中通常的串联电池数量很多，如电动汽车动力电池组由接近上百个电池单元串联组成，造成此类均衡系统结构复杂，成本高，控制量过多，可靠性降低，并且能量转移效率低，实际应用价值相比电阻耗能均衡方式而言并无显著提升。此外，有些参数相同的电池单体对应的变压器集成在一个磁环上，当电池数量增加时，生产困难。

有鉴于此，发明人经过长期的研究与不断地探索，提出本发明实施例提供的均衡电路及控制方法。

第一实施例

请参见图1，为本发明较佳实施例提供的均衡电路100的结构示意图，均衡电路100包括电池单元200、变压器单元300以及变换器单元400，变压器单元300分别与电池单元200以及变换器单元400耦合。

现有的主动均衡技术中，多个变压器集中在一个磁环上，当电池包中串联的电池单体的数量增加时，就很难对增加的电池单体实现均衡，为了解决这个问题，发明人提出本发明实施例中的均衡电路100。

具体地，变压器单元300包括N个依次串联的变压器子单元310，N≥2，电池单元200包括N个依次串联的电池子单元210，N≥2。变压器子单元310与电池子单元210一一对应。

多个变压器子单元310均包括变压器，分别为变压器T1、变压器T2、……、以及变压器Tn。每个变压器的结构与绕组线圈均相同，因此，变压器的原边分压相同。变压器包括一次侧绕组以及二次侧绕组，变压器的T1的一次侧绕组N11的异名端与变压器T2的一次侧绕组N12的同名端连接，变压器T2的一次侧绕组N12的异名端与变压器T3的一次侧绕组N13连接，……，变压器T_n-1的一次侧绕组N1(n-1)的异名端与变压器Tn的依次侧绕组N1n的同名端连接。依次串联连接的变压器的一次侧绕组构成了变换器单元400中的电感L。变压器T1的二次侧第一子绕组N21的异名端与变压器T1的二次侧第二子绕组N31的同名端连接；变压器T2的二次侧第一子绕组N22的异名端与变压器T2的二次侧第二子绕组N33的同名端连接；……；变压器Tn的二次侧第一子绕组N2n的异名端与变压器Tn的二次侧第二子绕组N3n的同名端连接。

电池子单元210包括电池、限流电阻以及整流滤波器，作为一种实施方式，请参见图2，为本发明较佳实施例提供的均衡电路100的电路结构示意图，电池单元200包括N个电池子单元210，N个电池子单元210依次串联连接。其中，第一个电池子单元210包括电池B1、限流电阻R1以及整流滤波器F1，电池B1的正极与限流电阻R1的一端耦合，限流电阻R1的另一端与整流滤波器F1耦合，整流滤波器F1的另一端与变压器单元300中的变压器T1的二次侧绕组耦合；第二个电池子单元210包括电池B2、限流电阻R2以及整流滤波器F2，电池B2的正极与限流电阻R2的一端耦合，限流电阻R2的另一端与整流滤波器F2耦合，整流滤波器F2的另一端与变压器单元300中的变压器T2的二次侧绕组耦合；第N个电池子单元210包括电池Bn、限流电阻Rn以及整流滤波器Fn，电池Bn的正极与限流电阻Rn的一端耦合，限流电阻Rn的另一端与整流滤波器Fn耦合，整流滤波器Fn的另一端与变压器单元300中的变压器Tn的二次侧绕组耦合。

作为一种实施方式，请参见图2，整流滤波器F1、整流滤波器F2、……、以及整流滤波器Fn均可以为全波整流滤波器，整流滤波器F1包括第六整流管D141以及第七整流管D142，第六整流管D141与第七整流管D142并联连接，第六整流管D141的负极与变压器T1的二次侧第一子绕组的同名端连接，第七整流管D142的正极与变压器T1的二次侧第二子绕组N31的异名端连接，第六整流管D141的负极以及第七整流管D142的负极并联后与限流电阻R1的一端连接。具体的，第六整流管D141以及第七整流管D142为快恢复二极管、金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。

作为另一种实施方式，请参见图3，为本发明实施例提供的均衡电路100的整流滤波器的一种结构示意图，整流滤波器F1、整流滤波器F2、……、以及整流滤波器Fn均可以为全桥整流滤波器，整流滤波器F1包括第一整流管D111、第二整流管D121、第三整流管D122以及第四整流管D112，所述第一整流管D111与第二整流管D121串联连接，所述第三整流管D122与所述第四整流管D112串联连接，串联连接的第一整流管D111以及第二整流管D121与串联连接的所述第三整流管D122以及第四整流管D112并联连接，变压器T1的二次侧第一子绕组N21的同名端连接于第一整流管D111与第二整流管D121形成的桥臂之间，变压器T1的二次侧第二子绕组D131的异名端与电池B1的负极连接；……；整流滤波器Fn的结构与第一整流滤波器F1的结构类似，这里不再详述。具体地，第一整流管D111、第二整流管D121、第三整流管D22以及第四整流管D112为快恢复二极管、MOSFET或IGBT器件。

作为第三种实施方式，请参见图4，为本发明实施例提供的均衡电路100的整流滤波器的另一种结构示意图，整流滤波器F1、整流滤波器F2、……、整流滤波器Fn还可以为半波整流滤波器。具体地，整流滤波器F1包括第五整流管D31，第五整流管D31的正极与变压器T1的二次侧绕组的同名端连接，负极与限流电阻R1的一端连接，限流电阻的另一端与电池B1的正极连接，电池B1的负极与变压器T1的二次侧绕组的异名端连接；……；整流滤波器Fn包括第五整流管D3n，第五整流管D3n的正极与变压器Tn的二次侧绕组的同名端连接，负极与限流电阻Rn的一端连接，限流电阻Rn的另一端与电池Bn的正极连接，电池Bn的负极与变压器Tn的二次侧绕组的异名端连接。具体的，第五整流管为快恢复二极管、MOSFET或IGBT器件。

变换器单元400与变压器单元300耦合，作为一种实施方式，请参见图2，为本发明实施例的均衡电路100的一种结构示意图，变换器单元400可以为全桥变换器单元，包括电感L、第一高频开关管Q1、第二高频开关管Q2、第三高频开关管Q3以及第四高频开关管Q4，第一高频开关管Q1、第二高频开关管Q2、第三高频开关管Q3以及第四高频开关管Q4构成全桥式电路。具体地，第一高频开关Q1与第二高频开关管Q2串联连接，第三高频开关管Q3与所述第四高频开关管Q4串连接，串联的所述第一高频开关管Q1以及第二高频开关管Q2与串联的所述第三高频开关管Q3以及第四高频开关管Q4并联连接。第一高频开关管Q1的源极与第二高频开关管Q2的漏极连接，第一高频开关管Q1的漏极与第三高频开关管Q3的漏极并联后，与电池B1的正极连接，第三高频开关管Q3的源极与第四高频开关管Q4的漏极连接，第二高频开关管Q2的漏极以及第四高频开光管Q4的源极接地。电感L中的变压器T1的一次侧绕组的同名端连接于第一高频开关管Q1以及第二高频开关Q2管形成的桥臂之间，变压器Tn的一次侧绕组的异名端与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端连接于第三高频开关管Q3以及第四高频开关管Q4形成的桥臂之间。

作为另一种实施方式，请参见图5，为本发明实施例提供的均衡电路100的另一种结构示意图。变换器单元400可以为半桥变换器单元，包括电感L、第五高频开关管Q5、第六高频开关管Q6、第一电容C1以及第二电容C2，第五高频开关管Q5、第六高频开关管Q6、第一电容C1以及第二电容C2构成全桥式电路。具体地，第五高频开关Q5与第六高频开关管Q6串联连接，第一电容电容C1与第二电容C2串联连接，串联的所述第五高频开关管Q5以及第六高频开关管Q6与串联的第一电容电容C1以及第二电容C2并联连接。第五高频开关管Q5的源极与第六高频开关管Q6的漏极连接，第五高频开关管Q5的漏极与第一电容C1的一端并联后，与电池B1的正极连接，第一电容C1的另一端与第二电容C2的一端连接，第六高频开关管Q6的漏极以及第二电容的另一端接地。电感L中的变压器T1的一次侧绕组的同名端连接于第五高频开关管Q5以及第六高频开关管Q6形成的桥臂之间，变压器Tn的一次侧绕组的异名端与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端连接于第一电容C1与第二电容C2形成的桥臂之间。

对于本发明实施例提供的均衡电路100，可以通过加载一组互补的控制信号Vg、Vg′，请参见图6，在变换器单元400的高频开关管上以控制均衡电路100，控制信号Vg、Vg′为占空比信号，有两种加载状态：增加控制信号Vg、Vg′占空比数值，均衡电流增加，即电池子单元210对应的变压器的输出电压增加；减小控制信号Vg、Vg′占空比数值，均衡电流变小，即电池子单元210对应的变压器的输出电压减小。通过改变控制信号Vg、Vg′占空比数值可以实现对于均衡电路100的控制，由于变压器T1、T2、……、Tn的一次侧绕组依次串联连接，因此每个变压器的输出电压相同，以相同的电压给每个电池充电，限流电阻R1、R2、……、以及Rn的阻值相同，根据公式：I＝(U₀-U_i)/R，式中，I为电池子单元210中电池的充电电流，U_i为所述电池子单元210的电压，U₀为电池子单元210对应的变压器的输出电压，R为限流电阻的阻值，可知由于R、U₀相同，U_i不同，因此充电电流根据电池的不同而不同，以此实现了均衡。

综上所述，本发明提供的均衡电路100及控制方法，包括多个依次串联设置的电池子单元210以及对应设置的变压器单元300，变压器与电池一一对应，给对应的电池充电。由于变压器的结构与绕组线圈匝数相同，每个变压器输出的电压均相同。在应用中，无论电池包中需要串联的电池的数量为多少，直接串联与之数量相同的变压器即可。变压器制作简单，且成本低廉。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括电池单元、变换器单元以及变压器单元，所述变压器单元分别与所述电池单元以及所述变换器单元耦合；

所述电池单元包括多个依次串联的电池子单元，所述变压器单元包括多个依次串联的变压器子单元，且所述变压器子单元与所述电池子单元一一对应，所述变压器子单元与对应的所述电池子单元耦合；

其中，多个所述变压器子单元均包括变压器，多个所述变压器的一次侧绕组依次串联连接构成所述变换器单元的电感；

每个所述电池子单元均包括限流电阻，每个所述限流电阻的阻值均相同。

2.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，所述变换器单元为全桥变换器单元，所述变换器单元还包括第一高频开关管、第二高频开关管、第三高频开关管以及第四高频开关管，所述第一高频开关管、第二高频开关管、第三高频开关管以及第四高频开关管构成全桥式电路，所述第一高频开关管与所述第二高频开关管串联连接，所述第三高频开关管与所述第四高频开关管串联连接，串联的所述第一高频开关管以及第二高频开关管与串联的所述第三高频开关管以及第四高频开关管并联连接，所述电感的一端耦合于所述第一高频开关管以及第二高频开关管形成的桥臂之间，所述电感的另一端耦合于所述第三高频开关管以及第四高频开关管形成的桥臂之间。

3.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，所述变换器单元为半桥变换器单元，所述变换器单元还包括第五高频开关管、第六高频开关管、第一电容以及第二电容，所述第五高频开关管以及第六高频开关管串联连接，所述第一电容以及第二电容串联连接，串联连接的第五高频开关管以及第六高频开关管与串联连接的第一电容以及第二电容并联连接。

4.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，每个所述变压器的线圈匝数相同。

5.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，每个所述电池子单元还包括电池以及整流滤波器，所述整流滤波器包括整流管，所述电池子单元对应的所述变压器子单元的变压器的二次侧绕组与整流滤波器耦合后，一端与所述限流电阻的一端耦合，另一端与所述电池的负极耦合，所述电池的正极与所述限流电阻的另一端耦合，每个所述电池子单元的所述电池的正负极依次耦合。

6.根据权利要求5所述的均衡电路，其特征在于，所述整流管为快恢复二极管、MOSFET或IGBT器件。

7.根据权利要求5所述的均衡电路，其特征在于，所述整流滤波器为全桥整流滤波器，所述整流管包括第一整流管、第二整流管、第三整流管以及第四整流管，所述第一整流管与第二整流管串联连接，所述第三整流管与所述第四整流管串联连接，串联连接的第一整流管以及第二整流管与串联连接的所述第三整流管以及第四整流管并联连接，所述电池子单元对应的所述变压器子单元的二次侧绕组的一端耦合于所述第一整流管以及第二整流管形成的桥臂之间，另一端耦合于所述第三整流管以及第四整流管形成的桥臂之间。

8.根据权利要求5所述均衡电路，其特征在于，所述整流滤波器为半波整流滤波器，所述半波整流滤波器包括第五整流管，所述第五整流管与所述变压器的二次侧绕组耦合，所述第五整流管的另一端与所述限流电阻耦合。

9.根据权利要求5所述的均衡电路，其特征在于，所述整流滤波器为全波整流滤波器，所述全波整流滤波器包括第六整流管以及第七整流管，所述第六整流管与所述第七整流管并联连接后，正极与所述变压器的二次侧绕组耦合，负极与所述限流电阻的一端耦合。

10.一种均衡电路的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的均衡电路，所述方法包括：

控制每个所述电池单元对应的所述变压器的输出电压。