CN109980729A - 一种基于反激式变压器的电池双向均衡电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于反激式变压器的电池组双向均衡结构及其实现的方法，本发明应用于电池组均衡系统领域。均衡结构由三部分组成：能量转换存储单元、开关控制阵列部分、微控制器部分。微控制器循环检测电池组中低电量的电池单体，将电池组整体作为能量输入部分，促使能量转移至低电量的电池单体。本发明能够同时针对电池组中两个电池单体进行能量补充均衡，另一种工作模式为两个单体通过正激方式直接相连并行补充均衡。本发明采用两种工作模式(反激工作模式和正激工作模式)相结合的控制方式进行快速均衡，均衡拓扑结构简单，且体积较小，均衡速度快，适用于大规模电池组均衡系统。

Description

一种基于反激式变压器的电池双向均衡电路及其控制方法
技术领域
本发明属于电池均衡领域，具体是一种基于反激式变压器的双向电池均衡电路及其控制方法
背景技术
随着新能源电动汽车的推广和大面积普及，电动汽车出现中大规模电池充放电不均衡现象，严重影响电动汽车的续航里程。电池组中单体电池的数量众多，串联形式的电池单体随着使用时间的增长，单体间逐渐出现差异化，这将危害整个电池组的使用寿命。因此设计出高效简洁的电池均衡结构，将有利于提高电池组的一致性，保障电池组健康稳定的工作。
中国专利公开号为CN 105140998 A(申请号201510583482.2)提出新型的锂电池组均衡电路公开了一种均衡结构，该结构采用电感作为能量临时存储器件，将多余的能量通过电感进行充放电均衡，保证整体系统达到均衡一致性。
中国专利公开号为CN 106532829 A(申请号201611073281.9)提出一种充放电两级均衡控制电路、系统。均衡结构采用多级电感进行储能，先实现锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制，再进行锂电池组与锂电池组之间的均衡控制。
中国专利公开号为CN 106602647 A(申请号201611152764.8)提出一种基于电容储能的并联电池组双向无损均衡电路结构，通过均衡控制开关，切换连接不同电量的电池单体和储能电容，储存的能量转换到低电量的电池单体，使其达到均衡状态。
中国专利公开号为CN 106786971 A(申请号201710045515.7)提出一种基于半桥串联型的锂电池管理系统及其控制策略，整个系统由依次串联的N个半桥模块组成，通过控制各个模块半桥开关器件的开闭，控制电池电流流向与母线电压，实现电池电量的均衡控制。
上述发明专利在电池均衡过程和均衡效率方面的不足之处：均衡分层较多，控制复杂，能量传递过程长；控制开关管数量较多，难以保证真正的能量无损传输；控制方式和控制结构不够精简，实施起来稍显复杂。
本发明专利提出一种基于反激式变压器的电池双向均衡电路及其控制方法，其优点是均衡拓扑结构简单、体积小、控制方式灵活，有利于提高电池组整体的一致性，保证电池组健康运行。
发明内容
本发明针对目前现有的均衡控制方法中存在的问题，提出了一种基于反激式变压器的双向电池均衡电路及其控制方法。其电路结构简洁、控制简单、能量传递速度快，能够一定程度上弥补上述均衡电路中技术方案的不足。本发明所包含的均衡电路分为三部分：基于反激变压器的能量转换电路、开关控制切换电路以及微型处理器控制单元。
反激式双向电池均衡拓扑结构：N个电池单体、2N个开关控制单元、双绕组输出的反激式变压器以及开关管驱动控制单元。每个电池单体分别连接一个控制开关，其中DC-DC转换电路：反激式变压器、RCD吸收电路、MOSFECT开关管驱动电路、输入输出电容Cin和Cout。单体电池并联4.3V的稳压二极管，采用反向连接的方式，防止电池过充，避免电池受到不必要的损坏。
本发明的技术方案是：采用的均衡过程分为两种工作模式——反激工作模式和正激工作模式，在不同的工作环境下触发其中一种工作模式，如图8是均衡控制策略图。
本发明具体的均衡过程由两种工作模式共同作用，在电池组出现大规模电池单体数量不均衡的状况下，采用反激工作模式，由电池组整体作为能量的输入，电池组单体作为能量的输出，由于特殊的双绕组输出结构，能够同时对应两个低电量的电池单体进行充电均衡，微控制器不断循环检测低电量的电池单体，每次选中其中低电量的两个，进行能量的均衡补充，直到整个电池组，达到最终的均衡一致状态。也可将高能量的两个电池单体作为能量输入回馈至整个电池组中。在电池单体中出现不均衡数量较少时，采用正激工作模式，选择两个低电量的电池单体通过连接变压器两路输出绕组，进行能量的一对一补充，达到快速均衡的目的。
反激工作模式如图4和图5所示，应用在电池组中电池单体数量出现大量不均衡的状况，采用电池组整体作为能量输入连接反激变压器的原边，副边两个输出绕组连接控制开关和对应电量较低单体电池。
进一步地，微控制器通过ADC循环检测电池组中各个电池单体的电压，通过对比分析计算电池单体间的压差和均方差，计算出整组中处于低电量的两个电池单体A2N-1和A2变压器的输出端为两路输出绕组，通过控制开关阵列，连接对应的低电量的两个电池单体。
进一步地，电池组整体作为能量的输入，连接至能量的转换单元(反激式变压器的输入端)。通过微控制器输出信号控制变压器关断和开通。
进一步地，电池组整体能量通过反激变压器降压转换将充电电压降低至单体电池可承受的电压范围内，同时对串接的两个电池单体A2N-1和A2进行充电补充，将整体的能量补充至低能量的单体。
进一步地，微控制器通过ADC循环检测电池组中各个电池单体的电压，通过对比分析计算电池单体间的压差和均方差，计算出电池组中电池电量最高的两个单体A2N-1和A2，连接电池对应的开关至左右公用传输母线上，电池单体作为能量的输入端，变压器作为能量的输出端。
进一步地，高电压的电池单体A2N-1和A2通过反激变压器反向传输，将能量补充至整个电池组中，达到高能量的电池单体降低其电能的目的。
正激工作模式如图6和图7所示，应用在电池组中电池单体能量出现较少数量的不均衡状况。
进一步地，微控制器通过ADC循环检测电池组中各个电池单体的电压，通过对比分析计算电池单体间的压差和均方差，计算出电池单体中电量不均衡的某两个单体A2N-1和A2(假定此两个电池单体是电池组中电量相差交大的两个)。
进一步地，通过微控制器使得电池单体A2N-1和A2连接至公共输出母线上，公共母线连接至变压器的输出端。
进一步地，开通变压器的输出端开关管，使得电池单体A2N-1和A2直接相连，整个工作方式为无输出电感的正激工作模式，两个电池单体直接进行有隔离的并联均衡。依次循环至整个电池组达到一致的均衡状态。
与现有技术相比，本发明通过结合反激工作模式和正激工作模式进行快速均衡。其优点在于均衡拓扑结构简单、占用体积较小、控制方式灵活，有利于提高电池组整体的性能，同时保证电池组健康运行。
附图说明
图1是电池双向均衡原理图
图2是双向均衡工作时序图
图3是正激工作时序图
图4是电池反激拓扑结构图
图5是电池均衡反激式工作模式图
图6是电池正激拓扑结构图
图7是电池均衡正激式工作模式图
图8是均衡控制策略图
图9是均衡系统结构图
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施实例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及所附附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提出了一种新型的双向均衡结构如图1所示。反激式双向电池均衡拓扑结构：N个电池单体、2N个开关控制单元、双绕组输出的反激变压器以及开关管驱动控制单元。每个电池单体分别连接一个控制开关，其中DC-DC转换电路：反激式变压器、RCD吸收电路、MOSFECT开关管驱动电路、输入输出电容Cin和Cout。单体电池并联4.3V的稳压二极管，采用反向连接的方式，防止电池过充，避免电池受到不必要的损坏。
均衡过程分为两种工作模式：反激工作模式和正激工作模式。在不同的工作环境下触发其中一种工作模式，以下两点是针对整个均衡控制方式的说明，具体如图8均衡系统控制策略流程图所示。
1.即在电池组出现大规模电池电量不均衡的状况下，采用反激工作模式。即反激能量补充型由电池组整体作为能量的输入，电池组单体作为能量的输出，由于特殊的双绕组输出结构，能够同时对应两个低电量的电池单体进行充电均衡；采用反激工作模式能量回馈型；将高能量的两个电池单体作为能量输入，输出连接整个电池组，对电池组整体进行能量的回馈补充(上述两种工作方式，假定为先进行能量补充模式，后进行能量回馈模式，反之亦可，但是不能同时进行)。
2.在电池单体中不均的单体均衡数量较少时，采用正激工作模式，两个低电量的电池单体通过连接变压器的两路输出绕组，进行能量的一对一补充，达到快速均衡的目的。
反激工作模式如图4和图5所示的均衡结构。考虑到电池能量转换过程，本实验方案采用连续工作模式，以下的工作情况均以连续工作模式进行分析。应用在电池组中电池单体数量出现大量不均衡的状况，采用电池组整体作为能量输入，输入端连接反激变压器的原边NP，反激变压器的副边有两个输出绕组NS1和NS2，分别连接电池组中单体电量较低的两个单体A2N-1和A2。电池组中的单体电池分别连接有两个控制开关，控制开关连接至整个传输公共母线，公共母线连接反激变压器的两个输出绕组上。变压器输入端连接电池组，电池组整体的能量通过这种方式转移到电量较低的两个单体，依次循环直到所有电池电量趋于一致。
充电均衡具体的工作过程为：
主控制器通过ADC循环检测电池组中各个电池单体的电压，通过对比分析计算电池单体间的压差和均方差，计算出整组中处于低电量的两个电池单体A2N-1和A2(假定为容量最低的两个单体)，变压器的输出端为两路输出绕组Ns1和Ns2，通过开关网络阵列，连接对应公共母线上，继而连接低电量的两个电池单体A2N-1和A2。
进一步地，电池组整体作为能量的输入，连接至能量转换单元(反激式变压器的输入端)。通过微控制器输出信号控制变压器开通和关断。
进一步地，电池组整体能量通过反激式变压器经过降压转换，将电压降低为单体电池可承受的电压范围4.3V左右，同时对串接的两个电池单体A2N-1和A2进行充电补充。将整体的能量补充至低能量的单体，此过程为电池组补充能量给低电量的电池单体。
放电均衡具体的工作过程为：
微控制器通过ADC循环检测电池组中各个电池单体的电压，通过对比分析计算电池单体间的压差和均方差，计算出电池组中电池电量最高的两个单体A2N-1和A2(假定为容量最高的两个单体)，连接电池对应的开关，传输至左右公共母线上，电池单体作为能量的输入端，变压器作为能量的输出端。高电压的电池单体A2N-1和A2(假设此两个电池单体是高量的电池)通过反激变压器反向传输，将能量补充至整个电池组中，高能量的电池单体降低其电能。此过程为高电量的电池单体回馈能量至整个电池组。
正激工作模式；考虑到电池工作过程，本实验正激方案同样采用连续工作模式，以下的工作情况均以连续工作模式进行分析。应用在电池单体不均衡的数量较少的状况下。
具体的工作过程如图6和图7所示。微控制器通过ADC循环检测电池组中各个电池单体的电压，通过对比分析计算电池单体间的压差和均方差，计算出电池单体中电量不均衡的某两个单体A2N-1和A2。
进一步地，通过微控制器将电池单体A2N-1和A2连接至公共输出母线上，公共母线连接至变压器的输出端NS2和NS1。
进一步地，开通变压器的输出端开关管，使得电池单体A2N-1和A2直接相连，整个工作方式为无输出电感的正激工作模式，两个电池单体直接进行有隔离的并联均衡。依次循环至整个电池组电量达到一致。
进一步的举例，反激工作模式时序图，如图2(a)所示。在一个工作周期内，根据控制信号及电路中电流路径的不同，反激变压器的工作过程可以分为2个阶段。充电过程，能量从变压器的原边V1传递到副边V2的过程；放电过程，能量从变压器的副边V1传递到原边V2的过程。
如图2(a)所示能量从V1向V2方向传输，分为下面4个模态。
Mode1[0-ton]：Q1开关导通，变压器原边NS中的电流Ip增加，当t＝toff时候，IQ达到最大值，能量存储在变压器的初级电感中。
Mode2[ton-T]：Q1开关关断，D2(Q2保护二极管)导通，D3(Q3保护极管)导通，Q2和Q3均开通，其自身电流慢慢降低至Ismin，iD2和iD3给电容C1和C2进行充电，存储的原边Ns中的能量同时对连接的低电量电池单体进行充电均衡。
Mode3[T-ton1]：再次开关导通，变压器原边的电流Ip增加，当t＝toff时候，IQ达到最大值，能量存储在变压器的初级电感中。
Mode4[ton1-T1]：Q1开关关断，D2(Q2上面的保护二极管)导通，D3(Q3上面的保护二极管)导通，Q2和Q3均开通，其自身电流慢慢降低至Ismin，iD2和iD3给电容C1和C2进行充电，存储的原边NS中的能量同时对连接的低电量电池单体进行充电均衡。
如图2(b)所示能量从V2向V1方向传输，分为下面4个模态。
Mode1[0-ton]：Q2和Q3开关导通，变压器原边NS1和NS2的电流IP1和IP2增加，当t＝toff时候，IQ2和IQ3达到最大值，原边NS1和NS2中的能量存储在变压器的初级电感中。
Mode2[ton-T]：Q2和Q3开关关断，D1(Q1上面的保护二极管)导通。Q1开通，其自身电流慢慢降低至IPO，iD1给电容C进行充电，存储的原边NS1和NS2中的能量同时对连接的电池组进行充电均衡。
Mode3[T-ton1]：再次开关导通Q2和Q3，变压器原边NS1和NS2的电流Ip1和Ip2增加，当t＝toff时候，IQ2和IQ3达到最大值，原边NS1和NS2中的能量存储在变压器的初级电感中。
Mode4[ton1-T1]：Q2和Q3开关关断，D1(Q1上面的保护二极管)导通。Q1开通，其自身电流慢慢降低至Ipo，iD1给电容C进行充电，存储的原边NS1和NS2中的能量同时对连接的电池组进行充电均衡。
进一步的举例，正激工作模式时序图，如图(3)所示。
Mode 1[0-ton]：在t＝0瞬间，开关管Q2和Q3导通，电池的电压加载在变压的输出绕组NS1和NS2两端，故铁芯磁化，磁通Φ达到最大。INS1和INS2的电流增加，电池两端电压进行直接并联均衡。
Mode 2[ton-T]：在t＝Ton时刻，关断开关管Q2和Q3，绕组NS1和NS2上没有电流流过，此时，变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流通过NS原边反馈到电池组整体中去，实现磁通的复位。
Mode 3[T-ton1]：在t＝T瞬间，开关管Q2和Q3导通，电池的电压加载在变压的输出绕组ND1和NS2两端，故铁芯磁化，磁通Φ达到最大。INS1和INS2的电流增加，电池两端电压进行直接并联均衡。
Mode 4[ton1-T1]：在t＝T1时刻，关断开关管Q2和Q3，绕组NS1和NS2上没有电流流过，此时，变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流通过NS原边反馈到电池组整体，实现磁通的复位。
本发明可以实现电池组充放电过程的快速动态均衡，同时与现有技术相比，本发明的优点是电池组通过变压器实现反激工作模式和正激工作模式相结合的方式进行快速均衡，均衡拓扑结构简单，且体积较小，有利于提高电池组整体性能，同时保证电池组健康运行。

Claims (6)

1.一种基于反激式变压器的电池双向均衡电路及其控制方法，本发明所包含的均衡拓扑结构分为三部分：基于反激变压器的能量转换电路、开关控制切换电路以及微型处理器控制单元。具体包括：N个电池单体、2N个开关控制单元、双绕组输出的反激变压器、开关管驱动控制单元以及微型控制处理器，每个电池单体分别连接一个控制开关。
DC-DC能量转换电路包括：反激式变压器、RCD吸收电路、MOSFECT开关管驱动电路以及输入输出电容Cin和Cout。单体电池并联有4.3V的稳压二极管，采用反向连接的方式，防止电池过充，避免电池受到不必要的损坏。
本发明具体的均衡过程由两种工作模式共同作用，即在电池组出现大规模电池单体数量不均衡的状况下，采用反激工作模式，电池组整体作为能量的输入，电池组单体作为能量的输出。由于特殊的双绕组输出结构，能够同时对应两个低电量的电池单体进行充电均衡，微控制器不断循环检测低电量的电池单体，每次选中其中低电量的两个，进行能量的均衡补充，直到整个电池组，达到最终的均衡一致状态。也能将高能量的两个电池单体作为能量输入，回馈至整个电池组中。在电池组中出现小规模电池单体数量不均衡的状况下，采用正激工作模式，选择整组中低电量的两个电池单体，通过连接至反激变压器的两路输出绕组上，一对一直接进行能量补充，达到快速均衡的目的。
2.如权利要求1所述一种电池组能量均衡结构及其实现方法，其特征在于：所述的DC-DC模块为模块化设计的双向DC-DC模块，采用反激式双绕组输出的均衡拓扑结构。
3.如权利要求1所述一种电池组能量均衡结构及其实现方法，其特征在于：正激和反激相结合的工作模式，在不同的工作环境下触发其中一种工作模式。
4.如权利要求1所述一种电池组能量均衡结构及其实现方法，其特征在于：反激工作模式下，选择高能量的两个电池单体将其多余的能量回馈至电池组整体中。
5.如权利要求1所述一种电池组能量均衡结构及其实现方法，其特征在于：反激工作模式下，选择低能量的两个电池单体，将电池组整体中的能量补充到电量不足的两个电池单体。
6.如权利要求1所述一种电池组能量均衡结构及其实现方法，其特征在于：正激工作模式下两个电池单体同时采用并联形式的电量均衡。
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