CN110380460B - 一种dc/dc电路、一种电压均衡系统及方法 - Google Patents

一种dc/dc电路、一种电压均衡系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于实现动力锂离子电池组电压均衡的DC/DC电路、电压均衡系统及电压均衡方法，通过设置匝数不同的变压器抽头，实现不同的升压、降压变比，保证在实际使用过程中，电压均衡系统在充、放电均衡时DC/DC模块的输出电压总能满足实际需要，从而满足单体电池进行放电均衡或充电均衡时的不同电压需求。

Description

一种DC/DC电路、一种电压均衡系统及方法
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，特别是涉及一种DC/DC电路、一种电压均衡系统及方法。
背景技术
动力锂离子电池组一般采用串联方式连接，由于单体锂离子电池因制造工艺造成初始容量、电压、内阻等不完全相同，导致在使用过程中出现单体锂离子电池的过充电和过放电现象。这使得个别单体锂离子电池提前老化失效，动力锂离子电池组的工作寿命缩短。为防止这种现象的发生，电池管理系统被广泛应用。
在众多的电池管理系统中，主要分电阻式、电容式、电感式、变压器式这几种类型，但以上电池系统都存在一个缺点，就是均衡电流都不大，并不适用于光伏电站、风能电站、潜艇等领域的大功率电池组。因此，出现了一种双向逆变的大功率均衡电路，它利用开关矩阵，把双向逆变模块接入到需要进行电压电流均衡的单体电池当中，对单体电池进行充电或放电，其工作原理如下：
图1为现有技术的双向逆变大功率均衡电路的结构示意图。参见图1，现有的双向逆变的电池组均衡系统，包括电池模块101、矩阵控制电路104、DC/DC单元106、PWM控制单元105、主控单元103和电压温度采样单元102。矩阵控制电路104包括2n个可控开关，n为电池模块101内单体电池的数量，在主控单元103的控制下，闭合、打开对应的开关。电池模块101内任意一个单体电池的两端都可以与DC/DC(直流转直流电源)单元106相连。首先，主控单元103通过电压温度采样单元102测量电池模块101内各单体电池的电压，决定对单体电池的均衡方式，控制PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制单元105，决定DC/DC单元106的工作方式。如对单体电池进行放电均衡时，闭合开关Sa，打开开关Sb，导通Q2。主控单元103控制矩阵控制电路104闭合、打开对应开关，把需要均衡的单体电池接入到DC/DC单元106。PWM控制单元105开始输出PWM波形到Q1，在Q1的开关作用下，对应的单体电池通过DC/DC单元106向电池模块101放电，并在对应的单体电池的电压降到规定值时，停止工作。如果是对单体电池充电均衡，则打开开关Sa，闭合开关Sb，导通Q1。主控单元103控制矩阵控制电路104闭合、打开对应开关，把需要均衡的单体电池接入到DC/DC单元106。PWM控制单元105开始输出PWM波形到Q2，在Q2的开关作用下，电池模块1通过DC/DC单元106向单体电池充电，并在对应的单体电池的电压上升到规定值时，停止工作。这样，电池管理系统完成了对各单体电池的均衡工作。
然而在实际工作中，DC/DC单元中的变压器的线圈匝比是固定的，线圈匝比为1∶n，n是电池模块1的单体电池数量。如果单体电池的电压平均值为V的话，电池模块1的电压为n*V。在理想状态下，在放电均衡时，单体电池的电压V通过变压器的匝比1∶n的放大，DC/DC模块输出电压刚好是n*V(这里只考虑最大输出电压，不考虑PWM脉宽变化造成输出电压的变化)，可以给电池模块1充电。但实际情况是Q1的开关时间必须有死区t(占工作周期的百分比)存在，这样才能稳定工作。同时整流二极管D2也存在导通压降Vr，这样实际最大输出电压为V*n*(1-t)-Vr，明显小于n*V，由于实际输出电压小于电池模块1的电压，因此DC/DC模块无法给电池模块1充电，也就是单体电池无法放电。同理，在充电均衡时也存在同样的电压不足问题。
因此，如何克服以上现有技术存在的充放电均衡时DC/DC模块的输出电压无法满足实际需要的问题，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种DC/DC电路、一种电压均衡系统及方法，以保证在实际使用过程中，电压均衡系统在充、放电均衡时DC/DC模块的输出电压总能满足实际需要。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种DC/DC电路，包括：PWM控制器和DC/DC单元；所述DC/DC单元包括开关Sa、整流二极管D1、电阻R1、开关管Q1、变压器T1、开关S1、开关S2、开关Sb、整流二极管D2、开关管Q2和电阻R2；
所述变压器T1的初级线圈的一端连接所述整流二极管D1以及与所述整流二极管D1并联的所述开关Sa，所述初级线圈的另一端连接所述开关管Q1的漏极；所述开关管Q1的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R1的一端与所述开关管Q1的源极连接，所述电阻R1的另一端与所述PWM控制器连接；
所述变压器T1的次级线圈包括A抽头、B抽头、C抽头和引出端；使用所述A抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶n，n为电池模块拥有的单体电池的数量；使用所述B抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n+b)，b为所述B抽头的增加线圈匝数；使用所述C抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n-c)，c为所述C抽头的减少线圈匝数；所述开关S2的一端连接所述B抽头，所述开关S2的另一端与所述开关Sb连接；所述整流二极管D2与所述开关Sb并联；所述开关S1的一端连接所述C抽头，所述开关S1的另一端与所述整流二极管D2的阳极连接；所述开关管Q2的漏极与所述引出端连接；所述开关管Q2的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R2的一端与所述开关管Q2的源极连接，所述电阻R2的另一端接地。
可选的，所述增加线圈匝数b与所述减少线圈匝数c相同或者不相同。
可选的，所述DC/DC单元还有另一种形式，包括：电容C2、电感L1、开关管Q3、开关Sc、整流二极管D3、电容C1、整流二极管D1、开关Sa、电阻R1、开关管Q1、变压器T1、开关Sb、整流二极管D2、开关管Q2和电阻R2；
所述电容C2的一端连接所述电感L1，所述电容C2的另一端通过所述电阻R1与所述开关管Q3的源极连接；所述电感L1的一端连接所述电容C2，所述电感L1的另一端与所述开关Sc连接；所述开关Sc的一端连接所述电感L1，所述开关Sc的另一端与所述开关Sa连接；所述整流二极管D3并联在所述开关Sc两端，且所述整流二极管D3的阳极与所述开关管Q3的漏极连接，所述整流二极管D3的阴极与所述整流二极管D1的阴极连接，所述开关Sa并联在所述整流二极管D1的两端；所述电容C1的一端与所述整流二极管D3的阴极连接，所述电容C1的另一端与所述开关管Q3的源极连接；所述开关管Q3的栅极与所述PWM控制器连接，所述开关管Q3的源极与所述开关管Q1的源极连接；
所述变压器T1的初级线圈的一端连接所述整流二极管D1的阳极，所述开关Sa并联在所述二极管D1的两端。所述初级线圈的另一端连接所述开关管Q1的漏极；所述开关管Q1的源极和栅极与所述PWM控制器相连；所述电阻R1的一端与所述开关管Q1的源极连接，所述电阻R1的另一端与所述PWM控制器连接；
所述变压器T1的次级端有一个或多个抽头和一个引出端。所述抽头与所述整流二极管D2的阳极连接，所述开关Sb与所述整流二极管D2并联；所述开关管Q2的漏极与所述引出端连接；所述开关管Q2的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R2的一端与所述开关管Q2的源极连接，所述电阻R2的另一端接地。
所述变压器T1的匝比不是1∶n，而是1∶(n-c)。
可选的，所述开关管Q1为场效应管、三极管或绝缘栅双极型晶体管；所述开关管Q2为场效应管、三极管或绝缘栅双极型晶体管。
本发明还公开了一种电压均衡系统，包括：电池模块、电压温度采样单元、矩阵控制电路、主控单元和DC/DC电路；所述DC/DC电路包括PWM控制器和DC/DC单元；所述电池模块由n个单体电池串联组成，每个所述单体电池的两端均与所述电压温度采样单元连接；所述矩阵控制电路包括2n个可控开关及控制芯片(例如EMB1428芯片)；所述电池模块内任意所述单体电池两端的所述可控开关与所述DC/DC单元连接；所述DC/DC单元与所述PWM控制器连接；所述PWM控制器与所述主控单元连接；所述主控单元还分别与所述矩阵控制电路和所述电压温度采样单元连接；
所述DC/DC单元包括开关Sa、整流二极管D1、电阻R1、开关管Q1、变压器T1、开关S1、开关S2、开关Sb、整流二极管D2、开关管Q2和电阻R2；
所述变压器T1的初级线圈的一端连接所述整流二极管D1以及与所述整流二极管D1并联的所述开关Sa，所述初级线圈的另一端连接所述开关管Q1的漏极；所述开关管Q1的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R1的一端与所述开关管Q1的源极连接，所述电阻R1的另一端与所述PWM控制器连接；
所述变压器T1的次级线圈包括A抽头、B抽头、C抽头和引出端；使用所述A抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶n，n为电池模块拥有的单体电池的数量；使用所述B抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n+b)，b为所述B抽头的增加线圈匝数；使用所述C抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n-c)，c为所述C抽头的减少线圈匝数；所述开关S2的一端连接所述B抽头，所述开关S2的另一端与所述开关Sb连接；所述整流二极管D2与所述开关Sb并联；所述开关S1的一端连接所述C抽头，所述开关S1的另一端与所述整流二极管D2的阳极连接；所述开关管Q2的漏极与所述引出端连接；所述开关管Q2的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R2的一端与所述开关管Q2的源极连接，所述电阻R2的另一端接地。
可选的，第i个所述单体电池的负极端与第2i-1个所述可控开关连接；第i个所述单体电池的正极端与第2i个所述可控开关连接。
可选的，各个所述单体电池的正极端连接的所述可控开关与正极总线L连接；所述正极总线L与所述开关Sa连接；各个所述单体电池的负极端连接的所述可控开关与负极总线N连接；所述负极总线N通过所述电阻R1与所述开关管Q1连接。
可选的，所述电池模块的正极端与所述开关Sb连接，所述电池模块的负极端通过所述电阻R2与所述开关管Q2连接。
可选的，所述DC/DC单元分别与所述正极总线L、所述负极总线N连接；所述主控单元通过所述矩阵控制电路控制所述可控开关的开合；所述开关Sa、所述开关Sb、所述开关S1、所述开关S2的开合由主控单元控制，或由所述主控单元通过所述PWM控制器控制；所述主控单元通过所述PWM控制器控制所述开关管Q1和所述开关管Q2的通断。
可选的，在对所述PWM控制器稍作改变后，前面所述的两种DC/DC模块可在所述电压均衡系统中互换。
本发明还公开了一种电压均衡方法，所述电压均衡方法应用于所述电压均衡系统，所述电压均衡方法包括：
获取电池模块中单体电池的上限电压、放电均衡电流、下限电压和充电均衡电流；
根据公式(V上-I上*R1)*(n+b)*(1-t)≥n*V上确定DC/DC单元中变压器T1的B抽头的增加线圈匝数b；其中，V上为所述上限电压；t为死区时间比例；I上为所述放电均衡电流；n是电池组中单体电池的数量；R1为电流检测电阻的值。
根据公式(V下-I下*R1)*(n-c)≤(n*V下-I下*R2/(n-c))*(1-t)确定DC/DC单元中变压器T1的C抽头的减少线圈匝数c；其中，V下为所述下限电压；t为死区时间比例；I下为所述充电均衡电流；
上述计算方法均未考虑Q1、Q2的饱和导通压降，在设计过程中，可根据实际情况进行调整，确定所述增加线圈匝数b和所述减少线圈匝数c。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种用于实现动力锂离子电池组电压均衡的DC/DC电路、电压均衡系统及电压均衡方法，通过设置匝数不同的变压器抽头，实现不同的升压、降压变比，保证在实际使用过程中，电压均衡系统在充、放电均衡时DC/DC模块的输出电压总能满足实际需要，从而满足单体电池进行放电均衡或充电均衡时的不同电压需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术的双向逆变大功率均衡电路的结构示意图；
图2为本发明提供的一种电压均衡系统实施例一的结构示意图；
图3为本发明提供的一种电压均衡系统实施例二的结构示意图；
图4为本发明提供的一种DC/DC模块实施例三的工作原理图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种DC/DC电路、一种电压均衡系统及方法，以保证在实际使用过程中，系统在充、放电均衡时DC/DC模块的输出电压总能满足实际需要。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图2为本发明提供的一种电压均衡系统实施例一的结构示意图。参见图2，本发明提供的一种动力锂离子电池组的电压均衡系统包括：电池模块301、电压温度采样单元302、主控单元303、矩阵控制电路304和DC/DC电路；所述DC/DC电路包括PWM控制器305和DC/DC单元306。
所述电池模块301由n个单体电池307串联组成，每个所述单体电池307的两端均与所述电压温度采样单元302连接。所述电压温度采样单元302对各单体电池307的电压采样，得到V1、V2...Vn。所述电压温度采样单元302将采集到的电压值传输至所述主控单元303，主控单元303计算得到单体电池307的平均电压值V，即V＝(V1+V2+...+Vn)/n。主控单元303根据上述得到的Vi(i＝1，2，...n)和V，计算第i个单体电池307的电压偏差值VΔi，其中VΔi＝Vi-V。主控单元303内预设定均衡策略和补偿策略，设定了单体电池307的电压偏差值VΔi与单体电池的平均电压值V的相互关系。当单体电池307的电压偏差VΔi与单体电池的平均电压V满足设定关系时，主控单元303采取规定动作，通过DC/DC单元306对相应的单体电池电量进行均衡或进行能量补偿，使均衡补偿后的每一个单体电池的能量符合预先在主控单元303内设定的要求。
所述矩阵控制电路304包括2n个可控开关VT1、VT2...VT2n-1、VT2n和相关的控制芯片。所述电池模块301内任意所述单体电池307两端的所述可控开关与所述DC/DC单元306连接。第i个所述单体电池307的负极端与第2i-1个所述可控开关VT2i-1连接；第i个所述单体电池的正极端与第2i个所述可控开关VT2i连接，i≤n。
所述DC/DC单元306与所述PWM控制器305连接；所述PWM控制器305与所述主控单元303连接；所述主控单元303还分别与所述矩阵控制电路304和所述电压温度采样单元302连接。
参见图2，本发明实施例一提供的所述DC/DC单元306包括开关Sa、整流二极管D1、电阻R1、开关管Q1、变压器T1、开关S1、开关S2、开关Sb、整流二极管D2、开关管Q2和电阻R2。
所述变压器T1的初级线圈接有所述开关管Q1、所述电阻R1、所述整流二极管D1及所述开关Sa；其中所述初级线圈的一端连接所述整流二极管D1及与所述整流二极管D1并联的所述开关Sa，所述初级线圈的另一端连接所述开关管Q1的漏极。所述开关管Q1的栅极和源极与所述PWM控制器305连接。所述电阻R1的一端与所述开关管Q1的源极连接，另一端与所述PWM控制器305连接。所述PWM控制器305为PWM+工作状态控制器。
所述变压器T1的次级线圈接有所述开关S1、所述开关S2、所述开关Sb、所述整流二极管D2、所述开关管Q2和所述电阻R2。其中所述变压器T1的次级线圈包括A抽头、B抽头、C抽头和引出端。使用所述A抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶n，n为电池模块拥有的单体电池的数量。使用所述B抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n+b)，b为所述B抽头的增加线圈匝数。使用所述C抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n-c)，c为所述C抽头的减少线圈匝数。所述开关S2的一端连接所述B抽头，另一端与所述开关Sb连接。所述整流二极管D2并联在所述开关Sb两端。所述开关S1的一端连接所述C抽头，所述开关S1的另一端与所述整流二极管D2的阳极连接。所述开关管Q2的漏极与所述引出端连接。所述开关管Q2的栅极和源极与所述PWM控制器305连接。所述电阻R2的一端与所述开关管Q2的源极连接，另一端接地。
所述电阻R1、所述电阻R2为设定的均衡电流检测电阻。在单体电池307的容量、型号确定后，其上限、下限电压也就确定了，其充放电均衡电流也确定不变。在电池组内单体电池307的数量n确定后，不考虑开关管的导通压降，所述变压器T1的B抽头的增加线圈匝数b可由下式(1)确定：
(V上-I上*R1)*(n+b)*(1-t)≥n*V上 (1)
其中b表示变压器T1的B抽头的增加线圈匝数。V上为上限电压；t为死区时间比例；I上为放电均衡电流。
DC/DC单元306中变压器T1的C抽头的减少线圈匝数c由下式(2)确定：
(V下-I下*R1)*(n-c)≤(n*V下-I下*R2/(n-c))*(1-t) (2)
其中，c表示变压器T1的C抽头的减少线圈匝数；V下为下限电压；t为死区时间比例；I下为充电均衡电流。
如计算出的匝数a或b的值带小数，则取值为正数加一。
所述变压器T1的抽头数量不限于3个，可为多个。所述增加线圈匝数b与所述减少线圈匝数c的值也可以相同或者不相同。
各所述单体电池307的正极端连接的所述可控开关与正极总线L连接。所述正极总线L与所述开关Sa连接。各所述单体电池的负极端连接的所述可控开关与负极总线N连接。所述负极总线N通过所述电阻R1与所述开关管Q1连接。所述电池模块301的正极端与所述开关Sb连接，所述电池模块的负极端通过所述电阻R2与所述开关管Q2连接。
所述DC/DC单元306分别与所述正极总线L、所述负极总线N连接。所述主控单元303控制所述矩阵控制电路304，从而控制所述可控开关的开合。所述开关Sa、所述开关Sb、所述开关S1、所述开关S2的开合可由所述主控单元303控制，也可由所述主控单元303通过所述PWM控制器305控制。所述主控单元303通过所述PWM控制器305控制所述开关管Q1和所述开关管Q2的通断。所述开关管Q1和所述开关管Q2可以为场效应管(MOS管)或三极管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
当所述主控单元303决定对单体电池307进行放电均衡时，主控单元303控制矩阵控制电路304，把需要均衡的单体电池307接入到DC/DC单元306。所述PWM控制器305闭合开关Sa、开关S2，断开开关S1、开关Sb，导通开关管Q2，开关管Q1工作于开关状态。这样，单体电池307的电压通过变压器T1变换，按前面方法确定b值后，可使DC/DC单元306实际输出电压V0＝V*(n+b)*(1-t)-Vr，其中V为单体电池的电压，n为单体电池数量，b为增加线圈匝数，t为死区时间比例，Vr为整流二极管D1、D2的导通压降。此时DC/DC单元306的实际输出电压V0大于电池模块电压Vstack＝n*V，因此能够满足电池模块301的充电要求。
在主控单元303决定对单体电池307进行充电均衡时，主控单元303控制矩阵控制电路304，闭合、打开对应开关，把对应的单体电池307接入DC/DC单元306。即所述PWM控制器305闭合开关Sb、开关S1，断开开关S2、开关Sa，导通开关管Q1，开关管Q2工作于开关状态。这样电池模块301的电压通过变压器T1变换后的输出电压V1＝[n*V*(1-t)/(n-c)]-Vr，此时输出电压V1可以大于单体电池电压V，达到对单体电池的充电要求。
对于单体电池因老化程度不同，从而造成Vstack电压不同问题，可通过改变PWM脉宽的方式，调整DC/DC单元306的实际输出电压。其工作原理如下：
单体电池的放电均衡，是这样一种情况，在电池组充电过程中，某一故障单体电池的电压Vi上升得过快，Vi与电池组的单体电池电压平均值V之差VΔi达到了上限均衡策略规定的值，需要进行放电均衡。但此时电池组的其它电池还未充满，电池组电压Vstack＝n*V。按照上述变压器T1的设计原理，单体电池向电池模块放电的电压为(n+b)*(V+VΔi)*(1-t)-Vr，参照前面的b取值，这个值是比Vstack大。此时，PWM控制器305应一边减少开关管Q1的导通脉宽，以减小输出电压。一边应检测电阻R1的电压，计算出单体电池的放电电流，与系统设定值比较，直到放电电流符合设计要求。这样PWM控制器305不停地测量放电电流，不停地调整开关管Q1的导通脉宽，直到故障单体电池的电压达到电池组内其它正常单体电池电压的平均值，结束单体电池放电均衡工作，电池组继续正常充电，直到所有单体电池都充满电。
单体电池的充电均衡，是在电池模块的使用过程中，故障单体电池的电压Vi下降的过快，Vi与电池组的单体电池电压平均值V之差VΔi达到了下限均衡策略规定值，需要进行充电均衡。此时Vstack＝n*V，按照上述变压器T1的设计原理，电池模块向故障单体电池的充电电压为n*V*(1-t)/(n-c)-Vr，参照前面的c取值，这个值是比Vi＝V-VΔi大的。此时，PWM控制器305应一边减少开关管Q2的导通脉宽，以减小输出电压。一边应检测电阻R2的电压，计算出故障单体电池的充电电流，与设定值比较，直到充电电流符合设计要求。这样PWM控制器305不停地测量充电电流，不停地调整开关管Q2的导通脉宽，直到故障单体电池的电压达到电池组内其它正常单体电池电压的平均值，结束单体电池下限充电均衡工作，电池组继续使用，直到所有单体电池都放完电。
图3为本发明提供的一种电压均衡系统实施例二的结构示意图。电压均衡系统实施例二与实施例一的不同之处在于DC/DC单元306中增加了电容C2、电感L1、开关管Q3、二极管D3、电容C1组成的电压提升电路，变压器T1的次级有一个抽头(也可有多个)，所述PWM控制器305多了一个开关管Q3的控制电路，其余部分完全相同。
参见图3，本发明实施例二提供的所述DC/DC单元306包括电容C2、电感L1、开关管Q3、开关Sc、整流二极管D3、电容C1、开关Sa、整流二极管D1、电阻R1、开关管Q1、变压器T1、开关Sb、整流二极管D2、开关管Q2和电阻R2。
所述变压器T1的初级线圈接有所述开关管Q1、所述电阻R1、所述整流二极管D1及与所述整流二极管D1并联的所述开关Sa。其中所述初级线圈的一端连接所述整流二极管D1及与所述整流二极管D1并联的所述开关Sa，所述初级线圈的另一端连接所述开关管Q1的漏极。所述开关管Q1的栅极和源极与所述PWM控制器305连接。所述电阻R1的一端与所述开关管Q1的源极连接，另一端与所述PWM控制器305连接。
所述电容C2的一端连接所述电感L1，另一端通过所述电阻R1与所述开关管Q3的源极连接。所述电感L1的一端连接所述电容C2，另一端与所述开关Sc连接。所述开关Sc的一端连接所述电感L1，另一端与所述开关Sa连接。所述整流二极管D3并联在所述开关Sc两端，且所述整流二极管D3的阳极与所述开关管Q3的漏极连接，所述整流二极管D3的阴极与所述整流二极管D1的阴极连接，所述开关Sa并联在所述整流二极管D1的两端。所述电容C1的一端与所述整流二极管D3的阴极连接，另一端与所述开关管Q3的源极连接。所述开关管Q3的栅极与所述PWM控制器连接，所述开关管Q3的源极与所述开关管Q1的源极连接。
所述变压器T1的次级线圈接有所述开关Sb、所述整流二极管D2、所述开关管Q2和所述电阻R2。其中所述变压器T1的匝比为1∶(n-c)，c为图2中所述C抽头的减少线圈匝数，但这不是必要条件，可有不同的选择。所述变压器T1的设计原理与图2一样，只是A、B抽头不再需要，只剩C抽头。本实施例中，所述变压器T1的次级端有一个或多个抽头和一个引出端。所述抽头与所述开关Sb连接。所述整流二极管D2并联在所述开关Sb两端。所述开关管Q2的漏极与所述变压器T1的次级线圈的所述引出端连接。所述开关管Q2的栅极和源极与所述PWM控制器305连接。所述电阻R2的一端与所述开关管Q2的源极连接，另一端接地。
各所述单体电池307的正极端连接的所述可控开关与正极总线L连接。所述正极总线L通过所述电感L1与所述开关Sc连接。各所述单体电池的负极端连接的所述可控开关与负极总线N连接。所述负极总线N通过所述电阻R1与所述开关管Q1连接。所述电池模块301的正极端与所述开关Sb连接，所述电池模块的负极端通过所述电阻R2与所述开关管Q2连接。
所述DC/DC单元306分别与所述正极总线L、所述负极总线N连接。所述主控单元303控制所述矩阵控制电路304从而控制所述可控开关的开合。所述开关Sa、所述开关Sb以及所述开关Sc的开合，可由所述主控单元303控制，也可由所述主控单元303通过所述PWM控制器305控制。所述主控单元303通过所述PWM控制器305控制所述开关管Q1、所述开关管Q2和所述开关管Q3的通断。所述开关管Q1、所述开关管Q2和所述开关管Q3可以为场效应管(MOS管)或三极管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
在单体电池的充电均衡时，某一故障单体电池的电压Vi与电池组的单体电池电压平均值V之差VΔi达到了下限均衡策略规定的值，需要进行充电均衡。电池组电压Vstack＝n*V。PWM控制器305闭合开关Sb、开关Sc，断开开关Sa和开关管Q3，导通开关管Q1，开关管Q2工作在开关状态。C2、Q3、L1、D3、C1组成的电压提升电路不工作。这样，电池模块的电压通过变压器T1对故障单体电池充电。变压器的匝比是(n-c)∶1。这个c取值与图2的一样。其输出电压为n*V*(1-t)/(n-c)-Vr，可大于单体电池的电压Vi＝V-VΔi.单体电池因老化程度不同，PWM控制器305的脉宽控制技术与图2也一样。
在单体电池的放电均衡时，某一故障单体电池的电压Vi与电池组的单体电池电压平均值V之差VΔi达到了上限均衡策略规定的值，需要进行放电均衡。但此时电池组的其它电池还未充满，电池组电压Vstack＝n*V。PWM控制器闭合开关Sa，导通Q2，断开开关Sb，开关管Q1工作于开关状态。这时的变压器匝比为1∶(n-c)。如果C2、Q3、L1、D3、C1的电压提升电路不工作(即开关Sc闭合，Q3断开)，那么其输出电压为(V+VΔi)*(n-c)*(1-t)-Vr，不能保证一定比Vstack＝n*V大。此时，PWM控制器应调整开关管Q1的导通脉宽，加大输出电压，时刻检测电阻R1上的电压，计算出单体电池的放电电流，与设定的放电电流值比较，直到达到设计要求。在开关管Q1的导通脉宽达到最大时，如仍未到达设定的放电电流值，则开启由电容C2、电感L1、开关管Q3、二极管D3、电容C1组成的升压电路，即打开开关Sc，Q3工作于开关状态，对变压器T1的输入电压进行提升，开关管Q1的导通脉宽锁定在最大。同时不停地检测电阻R1的电压，调整开关管Q3的导通脉宽，确定放电电流是否达到设计要求。这样不停地检测电阻R1的电压，改变开关管Q3的导通脉宽，使放电电流符合设计要求。直到故障单体电池的电压达到电池组内其它正常单体电池电压的平均值，结束单体电池放电均衡工作，电池组则继续正常充电，直到所有单体电池都充满电。
图3所示系统工作时，只需要控制Q1和Q2的关断与导通，使用经典的PWM控制即可，无需考虑与Q3的同步问题，故可方便使用PWM技术，从而简化了DC/DC电路输出电压调整问题。
图4为本发明提供的一种DC/DC模块实施例三的工作原理图，本实施例中，所述DC/DC模块采用无桥整流模式，其功能与图2中的所述DC/DC模块等同。图4中所示开关管只是原理示意，实际工作需两只开关管反向串联，这样才能双向关断。本发明提供的一种DC/DC模块实施例三的工作原理如下：
当主控单元303决定对单体电池307放电均衡时，把对应的单体电池接入到DC/DC单元306。所述PWM控制器305断开开关管Q4，导通开关管Q3，开关管Q1、开关管Q2同步工作于开关状态。这样，单体电池307通过变压器T1向电池模块301充电，在选择合适的b值后(此值选择与前面所示一样，但减少了二极管导通电压Vr)，可使DC/DC实际输出电压(V+VΔi)*(n+b)*(1-t)的值大于电池模块电压Vstack＝n*V，符合对电池模块的充电要求。
当主控单元303决定对单体电池307充电均衡时，把对应的单体电池接入到DC/DC单元306。PWM控制器305断开开关管Q3，导通开关管Q4，开关管Q2、开关管Q1同步工作于开关状态。这样电池模块301通过变压器T1向单体电池307充电，DC/DC单元306的输出电压为n*V*(1-t)/(n-c)的值可以大于Vi＝V-VΔi，达到对单体电池充电的要求。R1、R2为电流检测电阻，其PWM的控制原理和图2一样。
本发明提供的实施例一和实施例二中的DC/DC模块也可使用无桥整流技术，其原理与实施例三相同，这里不再详细说明。
其中所述开关管Q3、开关管Q4可以是MOS管、三极管、IGBT或继电器。所述变压器T1的抽头数量也不限于3个，可为多个。增加或减少的匝数b、c也不一定需对称相等。
本发明还提供了一种电压均衡方法，所述电压均衡方法应用于所述电压均衡系统。所述电压均衡方法包括：
步骤601：主控单元303根据电池组中单体电池的类型，获取电池模块中单体电池的上限电压、放电均衡电流、下限电压和充电均衡电流的具体数值，调用程序设定的均衡策略，确定电压偏差ΔU。
步骤602：主控单元303控制电压温度采样单元302对电池模块301中所有单体电池两端的电压进行采样，记单体电池的电压为Vi(i≤n)，将采样结果输送至主控单元303。
步骤603：主控单元303接收采样结果，并根据采样结果得到电池模块301内单体电池的平均电压值V，根据VΔi＝Vi-V，得到单体电池的电压偏差值VΔi，比较VΔi大小得到电压偏差最大值VΔimax。
步骤604：主控单元303对步骤603得到的VΔimax进行判断，判断是否符合预设定的均衡策略，如VΔimax＞＝ΔU，则对电量高的单体电池进行放电均衡；如VΔimax<＝-ΔU，则对电量低的单体电池进行充电均衡。主控单元303在电池模块301使用过程中对单体电池进行电池健康评估，判断出某个单体电池容量不足并进行能量补偿。
步骤605：主控单元303在检查VΔimax后，发现不用采取均衡动作，且已检查到各单体电池的电压值都达到了上限电压，则结束电压均衡系统的工作，进入休眠状态。
步骤606：控单元303在检查VΔimax后，发现不用采取均衡动作，且已检查到各单体电池的电压值都达到了下限电压，则结束电压均衡系统的工作，进入休眠状态。
所述对电量高的单体电池进行放电均衡具体包括：
当所述主控单元303决定对单体电池307进行放电均衡时，主控单元303控制矩阵控制电路304，把需要均衡的单体电池307接入到DC/DC单元306。所述PWM控制器305闭合开关Sa、开关S2，断开开关S1、开关Sb，导通开关管Q2，开关管Q1工作于开关状态。这样，单体电池307的电压通过变压器T1变换，按前面方法确定b值后，可使DC/DC单元306实际输出电压V0＝V*(n+b)*(1-t)-Vr，其中V为单体电池的电压，n为单体电池数量，b为增加线圈匝数，t为死区时间比例，Vr为整流二极管D1、D2的导通压降。此时DC/DC单元306的实际输出电压V0大于电池模块电压Vstack＝n*V，因此能够满足电池模块301的充电要求，向电池组301放电。所述PWM控制器305通过不停地检测电流检测电阻R1上的电压，计算出实际的上限均衡电流的大小，及时改变Q1的导通脉冲的宽度，从而改变DC/DC单元306的输出电压，把实际的上限均衡电流的大小控制规定的范围内。这样工作的同时，继续不停检测各单体电池的电压，直到被放电均衡的单体电池的电压符合均衡策略规定的要求，返回到步骤602。
所述对电量低的单体电池进行充电均衡具体包括：
在主控单元303决定对单体电池307进行充电均衡时，主控单元303控制矩阵控制电路304，闭合、打开对应开关，把对应的单体电池307接入DC/DC单元306。所述PWM控制器305闭合开关Sb、开关S1，断开开关S2、开关Sa，导通开关管Q1，开关管Q2工作于开关状态。这样电池模块301的电压通过变压器T1变换后，对单体电池307进行充电均衡。DC/DC单元306的输出电压V1＝[n*V(1-t)/(n-c)]-Vr，此时输出电压V1可以大于V-VΔimax(故障单体电池电压)，达到对单体电池的充电要求。所述PWM控制器305通过不停地检测电流检测电阻R2上的电压，计算出充电均衡电流的大小，及时改变Q2的导通脉冲的宽度，从而改变DC/DC单元306的输出电压，把充电均衡电流的大小控制规定的范围内。对电阻R1的电压采样可测量实际充电均衡电流的大小，作为误差判断使用。这样工作的同时，继续不停检测各单体电池的电压，直到被充电均衡的单体电池的电压符合均衡策略规定的要求，返回到步骤602。
对容量不足的单体电池进行能量补偿具体包括：
单体电池的能量补偿，是电池模块在平时的使用过程中，电池管理系统已评估各单体电池的健康程度，确定故障电池的位置，在实际使用时，提前给故障单体电池能量补偿。放电过程中，在主控单元303决定对单体电池307进行充电均衡时，主控单元303发现这只故障电池已被标记为容量不足，需要进行能量补偿。此时Vstack＝n*V，但按照上述变压器T1的设计原理，电池模块向故障单体电池的充电电压为n*V(1-t)/(n-c)-Vr，参照前面的c取值，这个值是比单体电池的电压大的。此时，PWM控制器305应一边减少开关管Q2的导通脉宽，以减小输出电压。一边应检测电阻R2的电压，计算出故障单体电池的充电电流，与系统设定值比较，直到充电电流符合能量补偿的电流设计要求。这样PWM控制器305不停地测量充电电流，不停地调整开关管Q2的导通脉宽，直到故障单体电池的电压达到均衡策略中确定的补偿电压值(比其它的单体电池电压高，但不能高于上限电压)，结束单体电池能量补偿工作。这样做的目的是让容量不足的故障电池的工作时间延长一些，使电压均衡系统有时间去处理其它故障电池，电池组继续使用，电压均衡系统继续监视电池组和各单体电池的电压，直到所有单体电池都放完电，电压均衡系统进入休眠状态。
本发明提供的用于动力锂离子电池组的电压均衡系统及电压均衡方法，通过对电池模块301内的单体电池两端电压进行采样，将采样结果输入到主控单元303内，主控单元303根据预设的均衡策略输出结果。主控单元303通过对DC/DC单元306及矩阵控制电路304的控制，改变变压器T1的充放电方向，对高电量的单体电池进行放电均衡、对低电量的单体电池进行充电均衡、对正在使用中的电池模块301中的故障电池进行能量补偿。放电均衡可以防止单体电池过充；充电均衡可以防止单体电池过放；能量补充能够保证个别单体电池提前老化失效时，电池模块301仍能正常工作。本发明采用变压器双向充放的主动均衡方式，能够同时实现对不同单体电池的放电均衡、充电均衡，具有损失功耗小、均衡能量大、能量转移直接的特点，还可以延长电池组的使用寿命，保证个别单体电池失效时电池模块301还能正常工作。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。在实际的设计中，芯片内部需要有电平隔离电路，其各引脚能与不同电平的MOS管相连，而且能控制这些MOS管的关闭与导通。各电压、电流检测点同样也要进行电平隔离，才能与正常的电路一样，完成各种检测功能。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均可有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种DC/DC电路，其特征在于，包括：PWM控制器和DC/DC单元；所述DC/DC单元包括开关Sa、整流二极管D1、电阻R1、开关管Q1、变压器T1、开关S1、开关S2、开关Sb、整流二极管D2、开关管Q2和电阻R2；
所述变压器T1的初级线圈的一端连接所述整流二极管D1以及与所述整流二极管D1并联的所述开关Sa，所述初级线圈的另一端连接所述开关管Q1的漏极；所述开关管Q1的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R1的一端与所述开关管Q1的源极连接，所述电阻R1的另一端与所述PWM控制器连接；
所述变压器T1的次级线圈包括A抽头、B抽头、C抽头和引出端；使用所述A抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶n，n为电池模块拥有的单体电池的数量；使用所述B抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n+b)，b为所述B抽头的增加线圈匝数；使用所述C抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n-c)，c为所述C抽头的减少线圈匝数；所述开关S2的一端连接所述B抽头，所述开关S2的另一端与所述开关Sb连接；所述整流二极管D2与所述开关Sb并联；所述开关S1的一端连接所述C抽头，所述开关S1的另一端与所述整流二极管D2的阳极连接；所述开关管Q2的漏极与所述引出端连接；所述开关管Q2的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R2的一端与所述开关管Q2的源极连接，所述电阻R2的另一端接地；
所述变压器T1的B抽头的增加线圈匝数b由下式确定：(V上-I上*R1)*(n+b)*(1-t)≥n*V上；其中V上为上限电压；t为死区时间比例；I上为放电均衡电流；
所述变压器T1的C抽头的减少线圈匝数c由下式确定：(V下-I下*R1)*(n-c)≤(n*V下-I下*R2/(n-c))*(1-t)；其中，V下为下限电压；I下为充电均衡电流。
2.根据权利要求1所述的DC/DC电路，其特征在于，所述增加线圈匝数b与所述减少线圈匝数c相同或者不相同。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的DC/DC电路，其特征在于，所述开关管Q1为场效应管、三极管或绝缘栅双极型晶体管；所述开关管Q2为场效应管、三极管或绝缘栅双极型晶体管。
4.一种DC/DC电路，其特征在于，包括：PWM控制器和DC/DC单元；所述DC/DC单元包括：电容C2、电感L1、开关管Q3、开关Sc、整流二极管D3、电容C1、整流二极管D1、开关Sa、电阻R1、开关管Q1、变压器T1、开关Sb、整流二极管D2、开关管Q2和电阻R2；
所述电容C2的一端连接所述电感L1，所述电容C2的另一端通过所述电阻R1与所述开关管Q3的源极连接；所述电感L1的一端连接所述电容C2，所述电感L1的另一端与所述开关Sc连接；所述开关Sc的一端连接所述电感L1，所述开关Sc的另一端与所述开关Sa连接；所述整流二极管D3并联在所述开关Sc两端，且所述整流二极管D3的阳极与所述开关管Q3的漏极连接，所述整流二极管D3的阴极与所述整流二极管D1的阴极连接，所述开关Sa并联在所述整流二极管D1的两端；所述电容C1的一端与所述整流二极管D3的阴极连接，所述电容C1的另一端与所述开关管Q3的源极连接；所述开关管Q3的栅极与所述PWM控制器连接，所述开关管Q3的源极与所述开关管Q1的源极连接；
所述变压器T1的初级线圈的一端连接所述整流二极管D1的阳极，所述初级线圈的另一端连接所述开关管Q1的漏极；所述开关管Q1的源极和栅极与所述PWM控制器相连；所述电阻R1的一端与所述开关管Q1的源极连接，所述电阻R1的另一端与所述PWM控制器连接；
所述变压器T1的次级端有一个或多个抽头和一个引出端；所述抽头与所述整流二极管D2的阳极连接，所述开关Sb与所述整流二极管D2并联；所述开关管Q2的漏极与所述引出端连接；所述开关管Q2的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R2的一端与所述开关管Q2的源极连接，所述电阻R2的另一端接地。
5.一种电压均衡系统，其特征在于，包括：电池模块、电压温度采样单元、矩阵控制电路、主控单元和DC/DC电路；所述DC/DC电路包括PWM控制器和DC/DC单元；所述电池模块由n个单体电池串联组成，每个所述单体电池的两端均与所述电压温度采样单元连接；所述矩阵控制电路包括2n个可控开关；所述电池模块内任意所述单体电池两端的所述可控开关与所述DC/DC单元连接；所述DC/DC单元与所述PWM控制器连接；所述PWM控制器与所述主控单元连接；所述主控单元分别与所述矩阵控制电路和所述电压温度采样单元连接；
所述DC/DC单元包括开关Sa、整流二极管D1、电阻R1、开关管Q1、变压器T1、开关S1、开关S2、开关Sb、整流二极管D2、开关管Q2和电阻R2；
所述变压器T1的初级线圈的一端连接所述整流二极管D1以及与所述整流二极管D1并联的所述开关Sa，所述初级线圈的另一端连接所述开关管Q1的漏极；所述开关管Q1的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R1的一端与所述开关管Q1的源极连接，所述电阻R1的另一端与所述PWM控制器连接；
所述变压器T1的次级线圈包括A抽头、B抽头、C抽头和引出端；使用所述A抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶n，n为电池模块拥有的单体电池的数量；使用所述B抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n+b)，b为所述B抽头的增加线圈匝数；使用所述C抽头时，所述变压器T1的匝比为1∶(n-c)，c为所述C抽头的减少线圈匝数；所述开关S2的一端连接所述B抽头，所述开关S2的另一端与所述开关Sb连接；所述整流二极管D2与所述开关Sb并联；所述开关S1的一端连接所述C抽头，所述开关S1的另一端与所述整流二极管D2的阳极连接；所述开关管Q2的漏极与所述引出端连接；所述开关管Q2的栅极和源极分别与所述PWM控制器连接；所述电阻R2的一端与所述开关管Q2的源极连接，所述电阻R2的另一端接地；
所述变压器T1的B抽头的增加线圈匝数b由下式确定：(V上-I上*R1)*(n+b)*(1-t)≥n*V上；其中V上为上限电压；t为死区时间比例；I上为放电均衡电流；
所述变压器T1的C抽头的减少线圈匝数c由下式确定：(V下-I下*R1)*(n-c)≤(n*V下-I下*R2/(n-c))*(1-t)；其中，V下为下限电压；I下为充电均衡电流。
6.根据权利要求5所述的电压均衡系统，其特征在于，第i个所述单体电池的负极端与第2i-1个所述可控开关连接；第i个所述单体电池的正极端与第2i个所述可控开关连接。
7.根据权利要求6所述的电压均衡系统，其特征在于，各个所述单体电池的正极端连接的所述可控开关与正极总线L连接；所述正极总线L与所述开关Sa连接；各个所述单体电池的负极端连接的所述可控开关与负极总线N连接；所述负极总线N通过所述电阻R1与所述开关管Q1连接。
8.根据权利要求7所述的电压均衡系统，其特征在于，所述电池模块的正极端与所述开关Sb连接，所述电池模块的负极端通过所述电阻R2与所述开关管Q2连接。
9.根据权利要求8所述的电压均衡系统，其特征在于，所述DC/DC单元分别与所述正极总线L、所述负极总线N连接；所述主控单元通过所述矩阵控制电路控制所述可控开关的开合；所述开关Sa、所述开关Sb、所述开关S1、所述开关S2的开合由所述主控单元控制，或由所述主控单元通过所述PWM控制器控制；所述主控单元通过所述PWM控制器控制所述开关管Q1和所述开关管Q2的通断。
10.一种电压均衡方法，所述电压均衡方法应用于权利要求5-9任意一项所述的电压均衡系统，其特征在于，所述电压均衡方法包括：
获取电池模块中单体电池的上限电压、放电均衡电流、下限电压和充电均衡电流；
根据公式(V上-I上*R1)*(n+b)*(1-t)≥n*V上确定DC/DC单元中变压器T1的B抽头的增加线圈匝数b；其中，V上为所述上限电压；t为死区时间比例；I上为所述放电均衡电流；
根据公式(V下-I下*R1)*(n-c)≤(n*V下-I下*R2/(n-c))*(1-t)确定DC/DC单元中变压器T1的C抽头的减少线圈匝数c；其中，V下为所述下限电压；t为死区时间比例；I下为所述充电均衡电流；
根据所述增加线圈匝数b和所述减少线圈匝数c对所述单体电池进行放电均衡或充电均衡。
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