CN108964195A - 一种利用多绕组变压器的电池均衡器 - Google Patents

一种利用多绕组变压器的电池均衡器 Download PDF

Info

Publication number
CN108964195A
CN108964195A CN201810884578.6A CN201810884578A CN108964195A CN 108964195 A CN108964195 A CN 108964195A CN 201810884578 A CN201810884578 A CN 201810884578A CN 108964195 A CN108964195 A CN 108964195A
Authority
CN
China
Prior art keywords
battery
transformer
battery equalizer
multiwinding
winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810884578.6A
Other languages
English (en)
Inventor
粟梅
刘福临
孙尧
刘永露
王辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201810884578.6A priority Critical patent/CN108964195A/zh
Publication of CN108964195A publication Critical patent/CN108964195A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

本发明涉及电池均衡器技术领域，尤其涉及一种利用多绕组变压器的电池均衡器。本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器，包括电池均衡器的变压器，所述电池均衡器通过模块均衡来适应单体电池数量较多的串联电池组的应用；所述模块均衡包括单模块均衡；所述单模块均衡采用的变压器是在一个磁芯上绕制匝数相同的线圈，每两个电池共用一个绕组，且同名端方向一致，每个电池使用一个MOSFET开关器件，利用互补且占空比为0.5的开关信号驱动所有MOSFET。本发明可以实现自动的变压器磁芯复位，而不需要额外的复位电路；本发明提高了整体的效率并降低了开关器件的危险性，同时，对于漏感和励磁电感的要求降低使得变压器设计难度下降。

Description

一种利用多绕组变压器的电池均衡器
技术领域
本发明涉及电池均衡器技术领域，尤其涉及一种利用多绕组变压器的电池均衡器。
背景技术
1、锂离子电池由于具有低自放电率，高能量密度，高电池电压和无记忆效应等优点而成为最普遍的可充电电池之一。为了满足高电压和大容量的要求，大量的锂离子电池单元串联和并联形成电池组。但是，制造公差和环境可能导致电池单元的容量和内部电阻存在差异。更糟糕的是，这种不一致性会随着重复充电和放电而扩大。一旦任何电池达到充电/放电截止电压，整个电池组停止工作，这使得其他电池未充分利用。因此，需要电池均衡器来充分利用锂离子电池单元的容量。
过去几年中已提出许多均衡方案。它们可以分为两种类型：被动和主动平衡方法。前者基于能量耗散，它利用耗散元件消耗更高电压单元中的多余能量。这种均衡方法的亮点是成本低，控制简单。然而，高压电池中的多余能量转化为热量，这限制了均衡速度并降低了电池组的可用容量。
在有源平衡方法中，高电压单元的多余能量转移到较低电压单元。因此，可以实现更高效和快速的平衡。一般来说，传输能量需要无源元件，如电感，电容，变压器或其组合。其中，由于基于变压器的均衡器具有结构简单，高效率和电气隔离等优点所以更受欢迎，此外为追求低成本和低复杂度，不使用采样电路的自动均衡策略更有优势。
2、现有技术的出处
[1]S.Li,C.C.Mi,M.Zhang,“A high-efficiency active battery-balancingcircuit using multiwinding transformer,”IEEE Trans.Ind.Appl.,vol.49,no.1,pp.198-207,Jan./Feb.2013.
[2]Y.Shang,B.Xia,C.Zhang,N.Cui,J.Yang,C.C.Mi,“An automatic equalizerbased on forward-flyback converter for series-connected battery strings,”IEEETrans.Ind.Electron.,vol.64,no.7,pp.5380-5391,Jul.2017.
3、现有技术的方案
如图1所示Li等人[1]提出了一个使用对称多绕组变压器的电池均衡器的简单电路。其中变压器所有绕组匝数相等，每个单元只配置一个MOSFET和一个绕组。而且，所有MOSFET只需要一个控制信号，运行中无需采样电路即可实现电池电压均衡。但是，由于本身没有使得变压器磁芯复位的能力，所以其在每个变压器绕组上添加了复位电路。
如图2所示Shang等人[2]提出了基于前向反激变换器的电池均衡器，这种拓扑将所有电池分为两组，为每个电池设置一个变压器绕组，且在两组电池中变压器绕组同名端相反。同时，每个电池也需要一个MOSFET，所有MOSFET由一对互补的控制信号驱动，通过这种绕组连接方式，存储在变压器中的磁能会自动复位同时也能实现电池电压均衡。
4、现有技术的缺陷
[1]提出的均衡器拓扑由于需要额外的复位电路使得整体成本和体积上升，同时其复位电路需要精密配置，才能达到想要的效果。此外，这种结构无法实现模块化，对于单体电池数量较多的串联电池组，需要尤其多的绕组数量，使得均衡器体积大且可靠性差。
[2]提出均衡器的漏感无法得到利用，漏感能量会浪费，同时会增加开关器件的电压电流应力而危害开关器件的安全，为了降低漏感，变压器设计难度会上升。
因此，亟需提供一种高效低成本的利用多绕组变压器的电池均衡器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种利用多绕组变压器的电池均衡器；相邻的两个单元之间共用一个多绕组变压器的绕组，减少了绕组总数，同时使得变压器的漏感得到有效地利用；每个电池只需要一个MOSFET，而且所有MOSFET都使用一对固定占空比且互补的控制信号驱动；在运行中能量可以自动从较高电压电池传输到较低电压电池，而无需使用采样电路；此外，提出了所述均衡器的模块化结构，增强了均衡器的可拓展性。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种利用多绕组变压器的电池均衡器，包括电池均衡器的变压器，所述电池均衡器的变压器通过模块均衡来满足单体电池数量较多的串联电池组的应用；所述模块均衡包括单模块均衡；所述单模块均衡采用的变压器是在一个磁芯上绕制匝数相同的线圈，每两个电池共用一个绕组，且同名端方向一致，每个电池使用一个MOSFET开关器件，利用互补且占空比为0.5的开关信号驱动所有MOSFET。
根据本发明，所述模块均衡包括多模块均衡；所述多模块均衡通过在变压器上增加一个额外的绕组，并且通过并联连接不同模块的额外绕组，可以实现多个模块的共同均衡。
根据本发明，变压器的绕组在两个相邻单元之间共享。
根据本发明，所有的MOSFET都由一对互补的控制信号驱动。
根据本发明，无需任何采样电路。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1.本发明可以实现自动的变压器磁芯复位，而不需要额外的复位电路。
2.本发明可以使得漏感能量有效利用，提高了整体的效率并降低了开关器件的危险性，同时，对于漏感和励磁电感的要求降低使得变压器设计难度下降。
3.本发明对于相同数量的电池来说，所提出的均衡器所需变压器绕组数量减半，降低了成本和体积。
4.本发明可以很容易实现模块化结构，可以应用于数量较多的串联电池组。
附图说明
图1为本发明现有技术使用对称多绕组变压器的电池均衡器的电路图；
图2为本发明现有技术基于前向反激变换器的电池均衡器的电路图；
图3为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的电路图；
图4为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的模块化结构图；
图5为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器实施例一的具有不同初始电压的四个电池单元的实验结果图；
图6为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器实施例一的具有不同初始电压的四个电池单元的实验结果图；
图7为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的四个电池单元的动态均衡结果充电图；
图8为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的四个电池单元的动态均衡结果放电图；
图9为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的具有不同数量电池的电池串的实验结果B2，B3和B4的均等化图
图10为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的具有不同数量电池的电池串的实验结果平衡B1和B4图；
图11为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的具有不同数量电池的电池串的实验结果平衡B3和B4图；
图12为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器实施例二的八个电池单元的模块化均衡结果，分为两个模块。
【附图标记说明】
简略说明背景技术和本发明各附图的名称以及附图中各标记的含义。
Bi(i＝1,2,3，···)代表串联电池组中电池标号，Ei为其端电压值。
Qi(i＝1,2,3，···)代表MOSFET的标号。
TPi/TSi/Ti(i＝1,2,3，···)分别为变压器绕组的标号。
PWM+/PWM-为一对互补的开关信号。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图3和图4，本发明提供一种利用多绕组变压器的电池均衡器，包括电池均衡器的变压器，电池均衡器的变压器通过模块均衡适应单体电池数量较多的串联电池组的应用；模块均衡包括单模块均衡；
实施例一：单模块均衡采用的变压器是在一个磁芯上绕制匝数相同的线圈，每两个电池共用一个绕组，且同名端方向一致，每个电池使用一个MOSFET开关器件，利用互补且占空比为0.5的开关信号驱动所有MOSFET。
实施例二：模块均衡包括多模块均衡；多模块均衡通过在变压器上增加一个额外的绕组，并且通过并联连接不同模块的额外绕组，可以实现多个模块的共同均衡。
变压器的绕组在两个相邻单元之间共享，并且有效利用漏电感；所有的MOSFET都由一对互补的控制信号驱动，并且能量可以自动从较高电压单元传输到较低电压单元，而无需使用任何采样电路；而且，电池的数量(奇数个或偶数个，单模块或多模块)和电池串的状态(充放电状态，闲置状态)不会影响均衡器的工作，从而具有广泛的适用性；简而言之，所提出的均衡器非常适用于长串联电池组。
如图5和图6，显示了不同初始电压下的均衡结果。
电压均衡是在两种不平衡的情况下实现的。
最大电压差从401mV降至15mV。
这证明了所提出的均衡器可以应用于具有不同初始电压的不平衡情况。
动态平衡结果如图7和图8所示，可以证明所提出的均衡器的有效性。
如图7所示，电池串以恒定电流充电，最大电压差从349mV降至14mV。
如图8所示，电池组以恒定负载放电，最大电压差从312mV降至13mV。
可以观察到，所提出的均衡器实现电压均衡，而不管电池串的状态(充电，放电或休息)。
图9、图10和图11示出了具有不同数目单元的电池串的均衡结果。
最小电压差减小到14mV。
可以得出结论，平衡性能不受电池组中电池数量的影响。
图12显示了八个电池单元的模块化均衡结果。
初始电池电压分别为3.344V，3.469V，3.553V，3.634V，3.476V，3.385V，3.295V和3.147V，并且最大电压差从498mV降低至13mV。
验证了所提出的模块化均衡器的有效性。
综上所述：本发明可以实现串联电池组的电池电压均衡；本发明可以实现自动的变压器磁芯复位，而不需要额外的复位电路；本发明的拓扑结构可以使得漏感能量有效利用，漏感中能量不会浪费而是参与均衡过程，提高了整体的效率并降低了开关器件的危险性，同时，对于漏感和励磁电感的要求降低使得变压器设计难度下降；对于相同数量的电池来说，相比于现有技术，本专利所提出的均衡器所需变压器绕组数量减半，降低了成本和体积；本拓扑可以很容易实现模块化结构，可以应用于数量较多的串联电池组
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种利用多绕组变压器的电池均衡器，包括电池均衡器的变压器，其特征在于：
所述电池均衡器的变压器通过模块均衡来降低单个变压器的绕组数量，以适应单体电池数量较多的串联电池组应用；
所述模块均衡包括单模块均衡；
所述单模块均衡采用的变压器是在一个磁芯上绕制匝数相同的线圈，每两个电池共用一个绕组，且同名端方向一致，每个电池使用一个MOSFET开关器件，利用互补且占空比为0.5的开关信号驱动所有MOSFET。
2.根据权利要求1所述的利用多绕组变压器的电池均衡器，其特征在于：
所述模块均衡包括多模块均衡；
所述多模块均衡通过在变压器上增加一个额外的绕组，并且通过并联连接不同模块的额外绕组，可以实现多个模块的共同均衡。
3.根据权利要求1所述的利用多绕组变压器的电池均衡器，其特征在于：
变压器的绕组在两个相邻单元之间共享。
4.根据权利要求1所述的利用多绕组变压器的电池均衡器，其特征在于：
所有的MOSFET都由一对互补的控制信号驱动。
5.根据权利要求1所述的利用多绕组变压器的电池均衡器，其特征在于：
无需任何采样电路即可实现所有电池电压值一致。
CN201810884578.6A 2018-08-06 2018-08-06 一种利用多绕组变压器的电池均衡器 Pending CN108964195A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810884578.6A CN108964195A (zh) 2018-08-06 2018-08-06 一种利用多绕组变压器的电池均衡器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810884578.6A CN108964195A (zh) 2018-08-06 2018-08-06 一种利用多绕组变压器的电池均衡器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108964195A true CN108964195A (zh) 2018-12-07

Family

ID=64467485

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810884578.6A Pending CN108964195A (zh) 2018-08-06 2018-08-06 一种利用多绕组变压器的电池均衡器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108964195A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117811167A (zh) * 2024-02-28 2024-04-02 深圳市沃德芯科技有限公司 一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统与方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010104077A (ja) * 2008-10-21 2010-05-06 Fuji Electric Systems Co Ltd 電池バランス回路
CN105703434A (zh) * 2016-03-21 2016-06-22 南京金龙新能源汽车研究院有限公司 一种具有主动均衡功能的电池管理系统
CN108321887A (zh) * 2018-02-07 2018-07-24 无锡瓴芯电子科技有限公司 一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010104077A (ja) * 2008-10-21 2010-05-06 Fuji Electric Systems Co Ltd 電池バランス回路
CN105703434A (zh) * 2016-03-21 2016-06-22 南京金龙新能源汽车研究院有限公司 一种具有主动均衡功能的电池管理系统
CN108321887A (zh) * 2018-02-07 2018-07-24 无锡瓴芯电子科技有限公司 一种串联电池组模块化主动均衡系统及方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117811167A (zh) * 2024-02-28 2024-04-02 深圳市沃德芯科技有限公司 一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统与方法
CN117811167B (zh) * 2024-02-28 2024-05-14 深圳市沃德芯科技有限公司 一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统与方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108847696B (zh) 一种电池充电均衡装置及均衡方法
KR20120096396A (ko) 배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법
CN108511817A (zh) 一种锂离子动力电池组主动均衡电路
CN107134599B (zh) 一种串联电池组的电压均衡电路及其工作方法
CN104917239B (zh) 一种基于多线圈变压器的串联电池组充电均衡控制方法
Moghaddam et al. A battery equalization technique based on Ćuk converter balancing for lithium ion batteries
CN102593893A (zh) 一种实现电池组均衡放电的系统
Moghaddam et al. Multi-winding equalization technique for lithium ion batteries for electrical vehicles
CN110808622A (zh) 基于lcc谐振变换器的电池均衡电路及方法
CN105140998A (zh) 基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路
CN108039759A (zh) 一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器及其控制方法
CN109066846A (zh) 一种模块化电池间均衡电路结构与方法
CN112688375A (zh) 基于多绕组变压器的均衡输出系统
CN105529777A (zh) 一种易于扩展的2n电池组均衡电路
Park et al. A novel charge equalizer with auxiliary circuit to control the allowable charging and discharging current of the Lithium-ion battery
CN108964195A (zh) 一种利用多绕组变压器的电池均衡器
CN108551180A (zh) 电池均衡方法及均衡器
CN110021985B (zh) 一种电池管理系统
CN109787324B (zh) 一种基于单体-单体型均衡单元的分层均衡电路及控制方法
CN203827031U (zh) 一种基于多副边变压器的电池组均衡电路
CN207967973U (zh) 一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器
CN204068357U (zh) 一种4节串联电池组双向充放电均衡电路
CN202309118U (zh) 变压器扫描链式蓄电池组均衡电路
CN216904379U (zh) 一种基于开关电容和Buck-Boost单元的自动电压均衡电路
CN110649336A (zh) 一种具有完备均衡支路的电压均衡电路及控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181207