CN107785957A - 基于正激和反激变换的电池均衡电路及实现方法 - Google Patents

基于正激和反激变换的电池均衡电路及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正激和反激变换的电池均衡电路及实现方法，只需一对状态互补的控制信号，即可实现电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的直接、自动、同时均衡，极大提高了均衡效率和速度，有效改善了电池单体间的不一致性；而且本均衡电路具有正激和反激的互补结构，能够实现对变压器自动消磁，无需另外的消磁电路；本发明具有均衡效率高、均衡速度快、体积小、成本低、可靠性高、易于模块化、控制简单、无需电压检测电路等优点。

Description

基于正激和反激变换的电池均衡电路及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种基于正激和反激变换的电池均衡电路及实现方法。
背景技术：
锂离子电池因具有无记忆效应、能量密度高、单体电压高和安全性好等优点，广泛应用在电动汽车中。为了满足电动汽车电压和功率等级，需要将大量的锂离子电池单体串、并联组合使用。然而，由于制造工艺和工作环境等方面的差异，电池单体之间的内阻和容量并不完全一致。电池组在使用的过程中，这些不一致性会逐渐积累，并且造成不同串联电池单体电压的不均衡，可能会导致某节电池单体的过充或过放，降低电池组的可用容量和循环寿命，甚至造成电池组的损坏。因此，串联电池组需要均衡电路来平衡电池单体电压间的不一致性。
目前，主动均衡方法主要是基于电容、电感或变压器将能量从电压较高的电池单体传递到电压较低的电池单体。其中，基于变压器的均衡方法具有隔离性能好、效率高、控制简单和均衡速度快等优点。中国发明专利(申请号201210144266.4)提出了一种基于对称多绕组变压器结构的串联电池组均衡电路。该均衡电路仅需要一个控制信号，即可实现能量从电压较高的电池单体到电压较低的电池单体的自动传递，具有控制简单、均衡效率高等优点。但是，该方法需要另外的消磁电路(一个电容与励磁电感构成LC谐振电路)来吸收和释放当开关关断时存储在变压器中的能量。这导致了变压器绕组的不一致、电路成本高、体积大以及设计复杂等缺点。并且为了获得软开关，该均衡电路只能工作在特定的开关频率和占空比下，使得其设计和控制变得复杂。
发明内容：
本发明的目的是为克服上述现有技术的缺点，提出了一种基于正激和反激变换的电池均衡电路及实现方法，只需一对状态互补的控制信号，即可实现电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的直接、自动、同时均衡，极大提高了均衡效率和速度，有效改善了电池单体间的不一致性；而且本均衡电路具有正激和反激的互补结构，能够实现对变压器自动消磁，无需另外的消磁电路；本发明具有均衡效率高、均衡速度快、体积小、成本低、可靠性高、易于模块化、控制简单、无需电压检测电路等优点。
本发明采用如下技术方案：一种基于正激和反激变换的电池均衡电路，包括N节电池单体、微控制器、一个多绕组变压器和N个MOS管；
所述多绕组变压器的绕组分为两组，分别为第一组绕组和第二组绕组，两组绕组具有相反的同名端。
所述一个电池单体连接于一个MOS管的漏极，MOS管的源极连接于多绕组变压器的一个绕组的一端，绕组的另外一端连接于电池单体的负极，以形成一个电流回路；
所述微控制器包括两个脉冲宽度调制PWM信号输出端；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，即PWM+和PWM-；
所述脉冲宽度调制PWM+信号通过驱动电路连接于第一组绕组对应的MOS管的栅极，用于产生该组MOS管开关的控制驱动信号；
所述脉冲宽度调制PWM-信号通过驱动电路连接于第二组绕组对应的MOS管的栅极，用于产生该组MOS管开关的控制驱动信号。
本发明还采用如下技术方案：2.一种基于正激和反激变换的电池均衡电路的实现方法，包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号PWM+和PWM-控制两组绕组对应的MOS管交替导通，有两个工作状态：状态I和状态II；
(2)状态I：第一组绕组对应的MOS管导通，基于正激变换获得了该组电池单体间能量的自动交换，同时也对状态II中存储在变压器中的能量提供了释放回路；
(3)状态II：第二组绕组对应的MOS管导通，基于正激变换获得了该组电池单体间能量的自动交换，同时也对状态I中存储在变压器中的能量提供了释放回路；
(4)这两个互补状态不断交替，基于反激变换，获得两组电池单体间的能量交换，且对变压器自动消磁。
本发明具有如下有益效果：
(1).能够实现电池组中任意电池单体到任意电池单体的直接均衡，极大提高了均衡效率和均衡速度；
(2).无需电压检测电路，能够获得自动均衡，减小了电路体积，降低了使用成本；
(3).只需一对状态互补的PWM信号控制均衡电路交替工作在两个状态，控制简单、可靠性高；
(4).一节电池单体只需要一个MOS管，减小了电路体积；
(5).由于电路的互补结构和控制，获得变压器的自动消磁，极大地降低了开关应力，提高了电路的可靠性；
(6).该均衡电路易于模块化，只需将两个多绕组变压器的一个绕组并联连接，即可实现电池模块之间的均衡，无需其他外层均衡电路，减小了电路体积；
(7).该均衡电路能够工作在电池组的充电、放电或静止状态；
(8).该均衡电路适用于锂离子、镍氢、铅酸等可充电动力电池，无需改变电路中器件的参数。
附图说明：
图1为本发明的基于正激和反激变换的电池均衡电路的组成示意图。
图2为本发明的工作状态I的原理图。
图3为本发明的工作状态II的原理图。
图4为本发明的均衡电流、变压器原边电压和MOS管的电压应力的实验波形图，(a)充电均衡波形，(b)放电均衡波形。
图5为本发明的均衡实验图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明基于正激和反激变换的电池均衡电路，包括N节电池单体、微控制器、一个多绕组变压器和N个MOS管。
所述多绕组变压器的绕组分为两组，分别为第一组绕组和第二组绕组，两组绕组具有相反的同名端。
所述一个电池单体连接于一个MOS管的漏极，MOS管的源极连接于多绕组变压器的一个绕组的一端，绕组的另外一端连接于电池单体的负极，从而形成一个电流回路。
所述微控制器包括两个脉冲宽度调制PWM信号输出端。
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，即PWM+和PWM-。
所述脉冲宽度调制PWM+信号通过驱动电路连接于第一组绕组对应的MOS管的栅极，用于产生该组MOS管开关的控制驱动信号；
所述脉冲宽度调制PWM-信号通过驱动电路连接于第二组绕组对应的MOS管的栅极，用于产生该组MOS管开关的控制驱动信号。
本发明基于正激和反激变换的电池均衡电路的实现方法，包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号(PWM+和PWM-)控制两组绕组对应的MOS管交替导通，有两个工作状态：状态I和状态II；
(2)状态I：第一组绕组对应的MOS管导通，基于正激变换获得了该组电池单体间能量的自动交换，同时也对状态II中存储在变压器中的能量提供了释放回路；
(3)状态II：第二组绕组对应的MOS管导通，基于正激变换获得了该组电池单体间能量的自动交换，同时也对状态I中存储在变压器中的能量提供了释放回路；
(4)经过这两个互补状态的不断交替，基于反激变换，一方面获得了两组电池单体间的能量交换，从而获得整个电池组的均衡；另一方面对变压器起到了自动消磁作用，降低了开关应力，不需要另外的消磁电路，减小了电路体积。
本发明的工作原理为：
微控制器发送一对状态互补的PWM信号分别控制两组绕组对应的MOS管，使其交替工作在状态I和状态II，基于正激和反激变换，实现了能量从任意电压较高的电池单体到任意电压较低的电池单体的直接、自动传递，同时也获得变压器的消磁。
实施例一：
以4节电池单体为例，并假设电池单体电压满足VB22>VB21>VB12>VB11。
如图1所示，基于正激和反激变换的电池均衡电路，包括4节电池单体、微控制器PWM信号、一个四绕组变压器和4个MOS管。四绕组变压器的绕组分为两组，每组包括两个绕组，两组绕组具有相反的同名端；电池单体Bij(i＝1,2,j＝1,2)连接于一个MOS管Qij的漏极，Qij的源极连接于变压器的一个绕组的一端，绕组的另外一端连接于电池单体Bij的负极，从而形成一个电流回路。PWM+信号连接于第一组绕组对应的MOS管Q11,Q12的栅极；PWM-信号连接于第二组绕组对应的MOS管Q21,Q22的栅极。
如图2所示，为本发明的工作状态I的原理图。MOS管Q11,Q12导通，MOS管Q21,Q22关断。第二组中的均衡电流降为零，第一组中的均衡电流i11,i12开始建立。B11和B12基于正激变换获得了均衡。上周期存储在励磁电感Lm1和Lm2中的能量通过反激变换传递到电池单体B11和B12中，从而获得了两组电池单体的均衡，也对变压器起到了消磁作用(当Q21,Q22关断时)，降低了开关应力。
如图3所示，为本发明的工作状态II的原理图。MOS管Q21,Q22导通，MOS管Q11,Q12关断。第一组中的均衡电流降为零，第二组中的均衡电流i21,i22开始建立。B21和B22基于正激变换获得了均衡。同时该组电池单体的能量存储在磁电感Lm1和Lm2中，对变压器起到了消磁作用(当Q11,Q12关断时)。
图4给出了本发明的均衡电流、变压器原边电压和MOS管的电压应力的实验波形图。可以看出B11的平均充电电流为0.37A，Q11的电压应力不超过8V。B22的平均放电电流为0.34A，Q22的电压应力不超过8V。表明本发明均衡电路获得了一个低的开关管电压应力。
图5给出了本发明的均衡实验图。初始电池单体电压分别为VB11＝3.052V，VB12＝3.279V，VB21＝3.592V，VB22＝3.637V，最大初始电压差为0.585V。在4300s后，所有的电池单体电压同时收敛到3.460V附近，其最大电压差为5mV。实验结果表明本发明均衡电路能够获得任意电池单体对任意电池单体的同时均衡，且均衡速度快，均衡效率高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于正激和反激变换的电池均衡电路，其特征在于：包括N节电池单体、微控制器、一个多绕组变压器和N个MOS管；
所述多绕组变压器的绕组分为两组，分别为第一组绕组和第二组绕组，两组绕组具有相反的同名端。
所述一个电池单体连接于一个MOS管的漏极，MOS管的源极连接于多绕组变压器的一个绕组的一端，绕组的另外一端连接于电池单体的负极，以形成一个电流回路；
所述微控制器包括两个脉冲宽度调制PWM信号输出端；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，即PWM+和PWM-；
所述脉冲宽度调制PWM+信号通过驱动电路连接于第一组绕组对应的MOS管的栅极，用于产生该组MOS管开关的控制驱动信号；
所述脉冲宽度调制PWM-信号通过驱动电路连接于第二组绕组对应的MOS管的栅极，用于产生该组MOS管开关的控制驱动信号。
2.一种基于正激和反激变换的电池均衡电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号PWM+和PWM-控制两组绕组对应的MOS管交替导通，有两个工作状态：状态I和状态II；
(2)状态I：第一组绕组对应的MOS管导通，基于正激变换获得了该组电池单体间能量的自动交换，同时也对状态II中存储在变压器中的能量提供了释放回路；
(3)状态II：第二组绕组对应的MOS管导通，基于正激变换获得了该组电池单体间能量的自动交换，同时也对状态I中存储在变压器中的能量提供了释放回路；
(4)这两个互补状态不断交替，基于反激变换，获得两组电池单体间的能量交换，且对变压器自动消磁。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108598604A (zh) * 2018-05-09 2018-09-28 哈尔滨工业大学 反激模式串联储能均衡电路
CN112217263A (zh) * 2020-12-03 2021-01-12 上海芯龙半导体技术股份有限公司南京分公司 电池组均衡控制电路及电源芯片
CN112290619A (zh) * 2020-10-16 2021-01-29 中南大学 一种带有自动功率限制功能的电池均衡器
US20220416549A1 (en) * 2019-03-21 2022-12-29 Hefei Gotion High-Tech Power Energy Co., Ltd. Active equalization circuit, battery management system, power source system, and electronic device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106655409A (zh) * 2017-02-09 2017-05-10 钛白金科技（深圳）有限公司 一种电池组主动均衡电路及方法
CN106787021A (zh) * 2017-03-16 2017-05-31 山东大学 一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化系统及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106655409A (zh) * 2017-02-09 2017-05-10 钛白金科技（深圳）有限公司 一种电池组主动均衡电路及方法
CN106787021A (zh) * 2017-03-16 2017-05-31 山东大学 一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUNLONG SHANG等: "An Automatic Equalizer Based on Forward–Flyback Converter for Series-Connected Battery Strings", 《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108598604A (zh) * 2018-05-09 2018-09-28 哈尔滨工业大学 反激模式串联储能均衡电路
US20220416549A1 (en) * 2019-03-21 2022-12-29 Hefei Gotion High-Tech Power Energy Co., Ltd. Active equalization circuit, battery management system, power source system, and electronic device
CN112290619A (zh) * 2020-10-16 2021-01-29 中南大学 一种带有自动功率限制功能的电池均衡器
CN112217263A (zh) * 2020-12-03 2021-01-12 上海芯龙半导体技术股份有限公司南京分公司 电池组均衡控制电路及电源芯片
CN112217263B (zh) * 2020-12-03 2021-02-12 上海芯龙半导体技术股份有限公司南京分公司 电池组均衡控制电路及电源芯片

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