CN110239396B - 基于双向反激变换器的电池组均衡模块、系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了基于双向反激变换器的电池组均衡模块、系统及控制方法。其中，电池组均衡模块，包括双向反激变换器，其原边通过第一开关管与第一电池模块串联连接，副边通过第二开关管与第二电池模块串联连接；第一电池模块包含若干个串联连接的电池单体；每个电池单体两端均通过反向串联第三开关管和第四开关管连接至双向反激变换器原边的两端；第一开关管、第二开关管、第三开关和第四开关管均与微控制器相连，微控制器用于比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择最优的放电电池组合和充电电池组合，再通过PWM控制信号控制电池组合所属电池模块对应的双向反激变换器相应侧的开关管开通或关断，实现电池组均衡。

Description

基于双向反激变换器的电池组均衡模块、系统及控制方法

技术领域

本公开属于电力电子控制领域，尤其涉及一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块、系统及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

动力电池组作为电动汽车的心脏，往往由成百上千个锂离子电池单体串、并联组合使用，以满足电动汽车运行的电压和功率等级。然而，由于锂离子电池制造工艺差异、工作环境不同，每个电池单体的内阻和容量都存在微小的差异。尤其是在成组多次充放电循环后，这些微小的差异会逐渐积累，导致电池单体电压的不一致性增加。并且由于电池组存在的“木桶效应”，电压的不一致性增加会极大的降低电池组的可用容量和循环寿命，对电动汽车的驾驶性能，甚至安全性造成了极大的威胁。因此，亟需有效的均衡系统来平衡动力电池组的电压，提高电池的一致性，保障电动汽车的安全性能。

目前，电池均衡方式有被动均衡和主动均衡两大类。被动均衡是通过电池单体并联的电阻把电池单体多余的电量以热量的形式放掉，从而实现电池单体电压的均衡。相比于被动均衡，主动均衡速度快、效率高，主要可以分为基于电容的均衡方法、基于电感的均衡方法和基于变压器的均衡方法，是将能量从电压高的电池转移到电压低的电池，从而实现电池电压的快速均衡。

中国发明专利(申请号201410219756.5)提出了一种基于开关矩阵和LC谐振变换的主动均衡电路，该电路通过LC谐振变换可以实现任意节相邻电池单体组合到任意节相邻电池单体组合的零电流开关均衡，并且通过控制最优放电组合与最优充电组合的电池单体节数之差来调节均衡电流的大小，有效改善了电池单体间的不一致性。但是，发明人发现，此均衡电路每个电池单体需要使用四个开关器件，体积大成本高；其次在放电电池个数少，充电电池个数多的情况下均衡电流会变小，降低了均衡速度；最后，在多节电池对单节电池均衡时，由于LC谐振变换的特性，导致整体均衡效率变低。

发明内容

为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块，其能够实现任意单个或多个相连电池单体对单个或多个相连电池单体的直接均衡，并且是高能量电池对低能量电池直接均衡，提高了均衡效率。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块，包括：

双向反激变换器，所述双向反激变换器的原边通过第一开关管与第一电池模块串联连接，所述双向反激变换器的副边通过第二开关管与第二电池模块串联连接；所述第一电池模块包含若干个串联连接的电池单体；

每个电池单体两端均通过反向串联第三开关管和第四开关管连接至双向反激变换器原边的两端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关和第四开关管均与微控制器相连，所述微控制器用于比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择最优的放电电池组合和充电电池组合，再通过PWM控制信号控制电池组合所属电池模块对应的双向反激变换器相应侧的开关管开通或关断，实现任意节相邻电池单体组合到任意节相邻电池单体组合的均衡。

本公开的第二个方面提供一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块的控制方法，其能够实现任意单个或多个相连电池单体对单个或多个相连电池单体的直接均衡，并且是高能量电池对低能量电池直接均衡，提高了均衡效率。

一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块的控制方法，包括：

获取第一电池模块中各个电池单体的电压以及所有电池单体电压均值；

若只有部分电池单体的电压高于所有电池单体电压均值，选通高于所有电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及第一开关管，实现高压电池单体的单独放电；

若只有部分电池单体的电压低于所有电池单体电压均值，选通低于所有电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及第二开关管，实现第二电池模块对低电池单体的充电。

本公开的第三个方面提供一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统，其通过PWM控制信号控制双向反激变换器的原副边MOS管的开通和关断，可以实现任意模块的任意节相邻电池单体组合到任意模块的任意节相邻电池单体组合的均衡，极大的提高了均衡效率和速度。

一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统，包括：

若干个电池组均衡模块，每个电池组均衡模块包括双向反激变换器，所述双向反激变换器的原边通过第一开关管与第一电池模块串联连接，所述双向反激变换器的副边通过第二开关管与第二电池模块串联连接；所述第一电池模块包含若干个串联连接的电池单体；所有第一电池模块串联连接，所有双向反激变换器副边并联连接；

每个电池单体两端均通过反向串联第三开关管和第四开关管连接至双向反激变换器原边的两端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关和第四开关管均与微控制器相连，所述微控制器用于比较各个电池单体的电压与所有第一电池模块中电池单体电压均值来选择最优的放电电池组合和充电电池组合，再通过PWM控制信号控制电池组合所属电池模块对应的双向反激变换器相应侧的开关管开通或关断，实现任意第一电池模块的任意节相邻电池单体组合到任意第一电池模块的任意节相邻电池单体组合的均衡。

本公开的第四个方面提供一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统的控制方法，其通过PWM控制信号控制双向反激变换器的原副边MOS管的开通和关断，可以实现任意模块的任意节相邻电池单体组合到任意模块的任意节相邻电池单体组合的均衡，极大的提高了均衡效率和速度。

一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统的控制方法，包括：

获取所有第一电池模块中各个电池单体的电压以及所有第一电池模块的电池单体电压均值；

若只有部分电池单体的电压高于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通高于所有第一电池模块的电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及相应第一电池模块对应的第一开关管，实现高压电池单体的单独放电；

若只有部分电池单体的电压低于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通低于所有第一电池模块的电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及相应第一电池模块对应的第二开关管，实现第二电池模块对低电池单体的充电；

若部分第一电池模块中存在电池单体电压高于所有第一电池模块的电池单体电压均值，且部分第一电池模块中存在电池单体电压低于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通相应电池单体与其相邻电池单体分别形成对应的放电回路及充电回路，再控制相应双向反激变换器侧的开关管通断，实现电池组均衡。

本公开的有益效果是：

(1)相比传统主动均衡电路，本公开的均衡系统所使用的MOS管数量可以减少一半，不仅降低了成本，而且减小了电路的体积；

(2)本公开所提出的控制方法能够实现模组间任意单个或多个相连电池单体对单个或多个相连电池单体的直接均衡，并且是高能量电池对低能量电池直接均衡，提高了均衡效率；

(3)本公开中每个模块的均衡电流与模块内选通电池数量及PWM占空比有关，不会随着模块中选通均衡电池电压的变化而减小，提高了均衡速度；

(4)均衡电路中负责能量传递的装置为双向反激变换器，同时具有很好的电磁隔离效果，提高了均衡系统的安全性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例的均衡模块结构示意图，每个模块包含n个电池单体，共有m个模块组成；

图2为本公开实施例的两个均衡模块结构示意图，以每个模块四个电池单体为例；

图3(a)为本公开实施例模块均衡电路中锂离子电池单独放电给铅酸电池的工作模式；

图3(b)为本公开实施例模块均衡电路中铅酸电池单独放电给锂离子电池的工作模式；

图3(c)为本公开实施例模块均衡电路中高电压锂离子电池通过铅酸电池给低电压锂离子电池放电的工作模式；

图4为本本公开实施例的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例的一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块，包括：

双向反激变换器，所述双向反激变换器的原边通过第一开关管与第一电池模块串联连接，所述双向反激变换器的副边通过第二开关管与第二电池模块串联连接；所述第一电池模块包含若干个串联连接的电池单体；

每个电池单体两端均通过反向串联第三开关管和第四开关管连接至双向反激变换器原边的两端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关和第四开关管均与微控制器相连，所述微控制器用于比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择最优的放电电池组合和充电电池组合，再通过PWM控制信号控制电池组合所属电池模块对应的双向反激变换器相应侧的开关管开通或关断，实现任意节相邻电池单体组合到任意节相邻电池单体组合的均衡。

在具体实施中，本实施例的第一电池模块采用锂离子电池来实现；

第二电池模块采用铅酸电池来实现。

需要说明的是，第一电池模块和第二电池模块的类型，本领域技术人员可根据实际情况来具体选择。

作为一种实施方式，所述微处理器与电压采集模块相连，所述电压采集模块用于采集每个电池单体的电压值并传送至微处理器。

其中，电压采集模块可采用现有的电路结构实现。

作为一种实施方式，所述双向反激变换器为单输入单输出变换器，双向反激变换器的原边线圈和副边线圈的绕线相反，感应电压方向相反。

双向反激变换器可以实现能量在原副边的传递，进一步的可以实现模块间能量的传递。

作为一种实施方式，所述双向反激变换器的原边和副边分别并联一个滤波电容。

本实施例利用滤波电容吸收反向高压，保护双向反激变换器内的开关管，防止在未导通－导通过渡期内(一般几十纳秒，这期间的二极管内阻很高)大电流通过，避免大电流烧毁双向反激变换器内的元器件。

在具体实施中，第一开关管、第二开关管、第三开关和第四开关管均采用MOS管来实现。

需要说明的是，本领域技术人员可根据实际情况选择其他型号的开关管来实现第一开关管、第二开关管、第三开关和第四开关管。

本实施例的基于双向反激变换器的电池组均衡模块的控制方法，包括：

获取第一电池模块中各个电池单体的电压以及所有电池单体电压均值；

若只有部分电池单体的电压高于所有电池单体电压均值，选通高于所有电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及第一开关管，实现高压电池单体的单独放电；

若只有部分电池单体的电压低于所有电池单体电压均值，选通低于所有电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及第二开关管，实现第二电池模块对低电池单体的充电。

在另一实施例中，第一电池模块中各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值之间一般设置冗余量，比如5mV，当第一电池模块中电池单体的电压与所有电池单体电压均值之间差值不在-5mV和+5mV范围内，则需要进行均衡，否则，不需要进行均衡。

需要说明的是，第一电池模块中各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值之间的冗余量，本领域技术人员可根据实际情况来具体设置。

在具体实施中，根据第一电池模块内选通电池的数量，通过微控制器调节PWM信号的占空比，控制双向反激变换器原、副边的MOS管开关，进一步控制均衡电流的大小。

每次均衡都是针对电池组中最优放电组合和最优充电组合进行削峰填谷，极大提高了均衡效率。本均衡电路可以用在电池组充电、放电或静置状态。

下面以第一电池模块采用锂离子电池来实现；第二电池模块采用铅酸电池来实现为例：

(1)如果只有部分锂离子电池电压高于第一电池模块所有单体的电压平均值，选通这些锂离子电池，然后控制相应MOS管开关，实现高电压锂离子电池的单独放电。

(2)如果只有部分锂离子电池电压低于平均值，选通这些锂离子电池，然后控制相应MOS管开关，实现铅酸电池对低电压锂离子电池的充电。

原边MOS管开关占空比由所选通电池组合的电压来确定，如式(1)所示，

其中，I为均衡电流(例如：预设的锂离子电池均衡电流值，2A)，L为原边电感量，U为选通电池组合的电压，T为周期时间。

原副边MOS管的开关频率的关系如式(2)所示，

其中，D₁为原边开关占空比，D₂为副边开关占空比，n为原副边匝数比，U₁为选通电池组合的电压，U₂为铅酸电池电压。

实施例二

本实施例提供一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统，其通过PWM控制信号控制双向反激变换器的原副边MOS管的开通和关断，可以实现任意模块的任意节相邻电池单体组合到任意模块的任意节相邻电池单体组合的均衡，极大的提高了均衡效率和速度。

如图1所示，本实施例的一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统，包括：

m个电池组均衡模块，每个电池组均衡模块包括双向反激变换器，所述双向反激变换器的原边通过第一开关管与第一电池模块串联连接，所述双向反激变换器的副边通过第二开关管与第二电池模块串联连接；所述第一电池模块包含n个串联连接的电池单体；所有第一电池模块串联连接，所有双向反激变换器副边并联连接；

每个电池单体两端均通过反向串联第三开关管和第四开关管连接至双向反激变换器原边的两端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关和第四开关管均与微控制器相连，所述微控制器用于比较各个电池单体的电压与所有第一电池模块中电池单体电压均值来选择最优的放电电池组合和充电电池组合，再通过PWM控制信号控制电池组合所属电池模块对应的双向反激变换器相应侧的开关管开通或关断，实现任意第一电池模块的任意节相邻电池单体组合到任意第一电池模块的任意节相邻电池单体组合的均衡。

本实施例的基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统的控制原理为：

获取所有第一电池模块中各个电池单体的电压以及所有第一电池模块的电池单体电压均值；

若只有部分电池单体的电压高于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通高于所有第一电池模块的电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及相应第一电池模块对应的第一开关管，实现高压电池单体的单独放电；

若只有部分电池单体的电压低于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通低于所有第一电池模块的电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及相应第一电池模块对应的第二开关管，实现第二电池模块对低电池单体的充电；

若部分第一电池模块中存在电池单体电压高于所有第一电池模块的电池单体电压均值，且部分第一电池模块中存在电池单体电压低于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通相应电池单体与其相邻电池单体分别形成对应的放电回路及充电回路，再控制相应双向反激变换器侧的开关管通断，实现电池组均衡。

如图2所示，下面以基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统包括两个均衡模块，每个均衡模块中的每个第一电池模块包括四个电池单体，第一电池模块采用锂离子电池来实现，第二电池模块采用铅酸电池来实现为例：

本实施例的基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统的控制方法，包括三种工作模式：

(1)如果只有部分锂离子电池电压高于平均值，选通这些锂离子电池，然后控制相对应模块的MOS管开关，实现高电压锂离子电池的单独放电，如图3(a)所示。

(2)如果只有部分锂离子电池电压低于平均值，选通这些锂离子电池，然后控制相对应模块的MOS管开关，实现铅酸电池对低电压锂离子电池的充电，如图3(b)所示。

(3)如果部分模块锂离子电池电压高于平均值、部分模块锂离子电池电压低于平均值，选通每个模块中相邻锂离子电池，分为多个充电模块和放电模块，然后控制相对应模块的MOS管开关，实现锂放电离子电池组合到铅酸电池再到充电锂离子电池组合的直接均衡，如图3(c)所示。

图4为本实施例的仿真结构图，其中，初始电压为第一组第一节锂离子电池电压V_B11＝3.500V,第一组第二节锂离子电池电压V_B12＝3.420V,第一组第三节锂离子电池电压V_B13＝3.360V,第一组第四节锂离子电池电压V_B14＝3.280V,第二组第一节锂离子电池电压V_B21＝3.200V,第二组第二节锂离子电池电压V_B22＝3.150V,第二组第三节锂离子电池电压V_B23＝3.080V,第二组第四节锂离子电池电压V_B24＝2.960V；均衡前后最大电压差分别为540mV和2mV；

由图4可看出：

均衡开始阶段，第一组高电压锂离子电池对第二组低电压锂离子电池充电，第一组电池电压降低，第二组电池电压升高。在均衡期间，当锂离子电池单体电压与整体电压平均值的差值小于5mV时，则不再对其进行均衡。均衡的方式前期为多节电池对多节电池均衡，最后为单节锂离子电池单独充电均衡。所有锂离子电池在1500s内能达到电压均衡，证明了该均衡系统和控制方法的有效性。

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

Claims (5)

1.一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统，其特征在于，包括：

若干个电池组均衡模块，每个电池组均衡模块包括双向反激变换器，所述双向反激变换器的原边通过第一开关管与第一电池模块串联连接，所述双向反激变换器的副边通过第二开关管与第二电池模块串联连接；所述第一电池模块包含若干个串联连接的电池单体；所有第一电池模块串联连接，所有双向反激变换器副边并联连接；

每个电池单体两端均通过反向串联第三开关管和第四开关管连接至双向反激变换器原边的两端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均与微控制器相连，所述微控制器用于比较各个电池单体的电压与所有第一电池模块中电池单体电压均值来选择最优的放电电池组合和充电电池组合，再通过PWM控制信号控制电池组合所属电池模块对应的双向反激变换器相应侧的开关管开通或关断，实现任意第一电池模块的任意节相邻电池单体组合到任意第一电池模块的任意节相邻电池单体组合的均衡；

根据第一电池模块内选通电池的数量，通过微控制器调节PWM信号的占空比，控制双向反激变换器原、副边的MOS管开关，进一步控制均衡电流的大小；

若只有部分锂离子电池电压高于第一电池模块所有单体的电压平均值，选通该部分锂离子电池，控制相应MOS管开关，高电压锂离子电池单独放电；若只有部分锂离子电池电压低于平均值，选通该部分锂离子电池，控制相应MOS管开关，铅酸电池对低电压锂离子电池的充电；原边MOS管开关占空比由所选通电池组合的电压来确定，如式(1)所示，

其中，I为均衡电流，L为原边电感量，U为选通电池组合的电压，T为周期时间；原副边MOS管的开关频率的关系如式(2)所示，

其中，D₁为原边开关占空比，D₂为副边开关占空比，n为原副边匝数比，U₁为选通电池组合的电压，U₂为铅酸电池电压；

若部分第一电池模块中存在电池单体电压高于所有第一电池模块的电池单体电压均值，且部分第一电池模块中存在电池单体电压低于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通相应电池单体与其相邻电池单体分别形成对应的放电回路及充电回路，再控制相应双向反激变换器侧的开关管通断，实现电池组均衡。

2.如权利要求1所述的基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统，其特征在于，所述微控制器与电压采集模块相连，所述电压采集模块用于采集每个电池单体的电压值并传送至微控制器。

3.如权利要求1所述的基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统，其特征在于，所述双向反激变换器为单输入单输出变换器，双向反激变换器的原边线圈和副边线圈的绕线相反，感应电压方向相反。

4.如权利要求1所述的基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统，其特征在于，所述双向反激变换器的原边和副边分别并联一个滤波电容。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的基于双向反激变换器的电池组均衡模块化系统的控制方法，包括：

获取所有第一电池模块中各个电池单体的电压以及所有第一电池模块的电池单体电压均值；

若只有部分电池单体的电压高于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通高于所有第一电池模块的电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及相应第一电池模块对应的第一开关管，实现高压电池单体的单独放电；

若只有部分电池单体的电压低于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通低于所有第一电池模块的电池单体电压均值的电池单体对应的开关管以及相应第一电池模块对应的第二开关管，实现第二电池模块对低电池单体的充电；

若部分第一电池模块中存在电池单体电压高于所有第一电池模块的电池单体电压均值，且部分第一电池模块中存在电池单体电压低于所有第一电池模块的电池单体电压均值，选通相应电池单体与其相邻电池单体分别形成对应的放电回路及充电回路，再控制相应双向反激变换器侧的开关管通断，实现电池组均衡。

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