CN110707780B - 一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构 - Google Patents

一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构，包括控制器以及级联成回路的多个电池组均衡单元，且每一个电池组均衡单元均依照第N级电池组均衡单元进行设置；第N级电池组均衡单元包括第一MOS管、具有初级绕组线圈和多个次级绕组线圈的多绕组变压器以及多个电池单体均衡模块；其中，控制器输出第一PWM信号给第一MOS管，并同时输出第二PWM信号给同电池组均衡单元中每一个电池单体均衡模块的第二MOS管，使第一MOS管与同电池组均衡单元中所有电池单体均衡模块的第二MOS管交替工作，实现能量电池组之间以及电池单体之间的自动传递。实施本发明，不仅能实现电池组中所有电池单体的能量均衡，还能实现不同电池组间的能量均衡。

Description

一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构。
背景技术
在不可再生资源的减少，环境污染严重，温室效应加剧等多重压力下，新能源的开发利用迫在眉睫。而大规模发展电动汽车是新能源的开发利用的重要途径，受到世界各国高度重视。锂离子电池因其高单体电压、高能量密度、高能量放电率、小自放电率、长循环寿命、无记忆效应、可大电流充放电等优良特性，成为了当前电动汽车能量源的主流形式。
汽车的动力电池组通常由多个单体电池互相串联及并联使用，但是由于电池的内阻不同、电池容量不等、电池的老化和环境温度变化等原因造成了电池的不一致性问题，对电池组的性能，寿命以及安全性带来危害。为了改善电池组的不一致性，需要对电池进行合理有效的均衡控制。
按照理想的均衡过程有无能量损耗，可将均衡方法分为能耗型均衡方法和非能耗型均衡方法。其中，能耗性均衡方法是在各单体电池上并联电阻，以进行放电均衡，但能耗大、均衡速度慢、效率低且散热大。非能耗型均衡方法是利用合适的能量储存元件以及能量转移电路，将能量从一节单体电池中转移到另一节单体电池中，能耗小、均衡速度快、效率高。例如，专利申请号为201710981394.7，名称为一种基于正激和反激变换的电池均衡电路及实现方法的发明专利，该发明专利可实现电池组中任意节电池单体到任意节电池单体同时均衡，但是该电路控制电路复杂，无法实现电池组之间的能量均衡。又如，专利申请号为201510902586.5，名称为中一种基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法的发明专利，该发明专利实现了任意电池单体对任意电池单体的均衡，但是该电路结构复杂，同样无法实现电池组之间的能量均衡。
但是，亟需一种错式电池均衡电路结构，不仅能实现电池组中所有电池单体的能量均衡，还能实现不同电池组间的能量均衡。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构，不仅能实现电池组中所有电池单体的能量均衡，还能实现不同电池组间的能量均衡，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。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构，包括控制器以及级联成回路的多个电池组均衡单元，且每一个电池组均衡单元均依照第N级电池组均衡单元进行设置并与其级联的电池组均衡单元之间进行能量均衡；所述第N级电池组均衡单元包括第一MOS管、具有初级绕组线圈和多个次级绕组线圈的多绕组变压器以及多个电池单体均衡模块，且N为正整数；其中，
所述第一MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与同电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈的一端相连，漏极与上一级电池组均衡单元中多个电池单体均衡模块内所有电池单体串接形成的电池组的正极相连；
所述多绕组变压器的初级绕组线圈的另一端与上一级电池组均衡单元中多个电池单体均衡模块内所有电池单体串接形成的电池组的负极相连；
所述多个电池单体均衡模块均包括电池单体和第二MOS管；其中，所述多个电池单体均衡模块中的所有电池单体依序串接在一起形成电池组，且串接形成的电池组的正极与下一级电池组均衡单元中第一MOS管的漏极相连，串接形成的电池组的负极与下一级电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈上远离相连第一MOS管的一端相连；所述多个电池单体均衡模块中的每一个电池单体的正极均与其同电池单体均衡模块中的第二MOS管的源极相连，负极均与所述多绕组变压器上相应的一个次级绕组线圈的一端相连；所述多个电池单体均衡模块中的每一个第二MOS管的栅极均与所述控制器相连，漏极均与同电池单体均衡模块中电池单体所连多绕组变压器的次级绕组线圈的另一端相连；
其中，所述控制器输出第一PWM信号给所述第一MOS管，并同时输出第二PWM信号给同电池组均衡单元中每一个电池单体均衡模块的第二MOS管，使得位于同电池组均衡单元中的所有电池单体均衡模块的第二MOS管均与对应的第一MOS管交替工作；其中，所述第一PWM信号与所述第二PWM信号在各个相同时刻上的电位均设置为相异。
其中，所述第N级电池组均衡单元中的第一MOS管有两个，且所述两个第一MOS管分别连接所述多绕组变压器的初级绕组线圈的两端；其中，
一第一MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与同电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈的一端相连，漏极与上一级电池组均衡单元中多个电池单体均衡模块内所有电池单体串接形成的电池组的正极相连；
另一第一MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与上一级电池组均衡单元中多个电池单体均衡模块内所有电池单体串接形成的电池组的负极相连，漏极与同电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈的另一端相连。
其中，所述第N级电池组均衡单元中的每一个电池单体均衡模块均包括两个第二MOS管，且所述两个第二MOS管分别连接其对应电池单体的正负极上；其中，
一第二MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与同电池单体均衡模块中电池单体的正极相连，漏极均与同电池单体均衡模块中电池单体所连多绕组变压器的次级绕组线圈的一端相连；
另一第二MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与同电池单体均衡模块中电池单体的负极相连，漏极均与同电池单体均衡模块中电池单体所连多绕组变压器的次级绕组线圈的另一端相连。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明不仅可以实现电池组中所有电池单体同时均衡，而且可以实现不同电池组间同时均衡，极大提高了均衡效率和均衡速度；
2、本发明无需二级均衡电路，减小了电路体积，降低了使用成本；
3、本发明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、本发明的电池组均衡单元易于模块化，只需将电池组与多绕组变压器交错连接，即可实现电池模块之间的均衡，且均衡电路能够工作在电池组的充电、放电或静止状态，适用于锂离子、镍氢、铅酸等可充电动力电池，无需改变电路结构。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提出的一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构中单级电池组均衡单元的一结构示意图；
图2为本发明实施例提出的一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构中单级电池组均衡单元的另一结构示意图；
图3为本发明实施例提出的一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构中两级电池组均衡单元进行能量均衡处于工作状态I的原理图；
图4为本发明实施例提出的一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构中两级电池组均衡单元进行能量均衡处于工作状态II的原理图；
图5本发明实施例对初始电池单体的电压的测试结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
在本发明实施例中，提出的一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构，包括控制器以及级联成回路的多个电池组均衡单元，且每一个电池组均衡单元均依照第N级电池组均衡单元进行设置并与其级联的电池组均衡单元之间进行能量均衡。为了叙述方便，以第N级电池组均衡单元进行详细说明。
如图1所示，第N级电池组均衡单元包括第一MOS管1、具有初级绕组线圈21和多个次级绕组线圈22的多绕组变压器2以及多个电池单体均衡模块3，且N为正整数；其中，
第一MOS管1的栅极G与控制器4相连，源极S与同电池组均衡单元中多绕组变压器2的初级绕组线圈21的一端相连，漏极D与上一级电池组均衡单元(N-1)中多个电池单体均衡模块3内所有电池单体31串接形成的电池组的正极(+)相连；
多绕组变压器2的初级绕组线圈21的另一端与上一级电池组均衡单元(N-1)中多个电池单体均衡模块3内所有电池单体31串接形成的电池组的负极(-)相连；
多个电池单体均衡模块3均包括电池单体31和第二MOS管32；其中，多个电池单体均衡模块3中的所有电池单体31依序串接在一起形成电池组，且串接形成的电池组的正极(+)与下一级电池组均衡单元(N+1)中第一MOS管1的漏极D相连，串接形成的电池组的负极(-)与下一级电池组均衡单元(N+1)中多绕组变压器2的初级绕组线圈21上远离相连第一MOS管1的一端相连；多个电池单体均衡模块3中的每一个电池单体31的正极(+)均与其同电池单体均衡模块中的第二MOS管32的源极S相连，负极(-)均与多绕组变压器2上相应的一个次级绕组线圈22的一端相连；多个电池单体均衡模块3中的每一个第二MOS管32的栅极G均与控制器4相连，漏极D均与同电池单体均衡模块中电池单体31所连多绕组变压器2的次级绕组线圈22的另一端相连；
其中，控制器4输出第一PWM信号给第一MOS管1，并同时输出第二PWM信号给同电池组均衡单元中每一个电池单体均衡模块3的第二MOS管32，使得位于同电池组均衡单元中的所有电池单体均衡模块3的第二MOS管32均与对应的第一MOS管1交替工作；其中，第一PWM信号与第二PWM信号在各个相同时刻上的电位均设置为相异。
应当说明的是，由于多个电池组均衡单元级联成回路，使得首端电池组均衡单元的上一级电池组均衡单元为末端电池组均衡单元，而末端电池组均衡单元的下一级电池组均衡单元为首端电池组均衡单元。
可以理解的是，由于控制器4输出的第一PWM信号与第二PWM信号为一对状态互补的PWM信号，即PWM+和PWM-，从而使得同电池组均衡单元中每一个电池单体均衡模块3的第二MOS管32，使得位于同电池组均衡单元中的所有电池单体均衡模块3的第二MOS管32均与对应的第一MOS管1交替导通，有两个工作状态：状态I和状态II；
状态I：第N级电池组均衡单元的多绕组变压器的初级绕组线圈对应的第一MOS管导通，则第N级电池组均衡单元的能量转移到第N+1级电池组均衡单元的多绕组变压器的初级绕组线圈上；
状态II：第N级电池组均衡单元的多绕组变压器的次级绕组线圈对应的第二MOS管导通，则第N级电池组均衡单元内的所有电池单体获得来自于第N级电池组均衡单元内多绕组变压器的初级绕组线圈的能量。
这两个互补状态不断交替，实现了能量从任意电压较高到任意电压较低的电池组均衡单元间以及从任意电压较高到任意电压较低的电池单体间的直接自动传递，不仅能实现电池组中所有电池单体的能量均衡，还能实现不同电池组间的能量均衡，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。
在本发明实施例中，如图2所示，第N级电池组均衡单元中的第一MOS管1有两个，且两个第一MOS管1分别连接多绕组变压器2的初级绕组线圈21的两端；其中，
一第一MOS管1的栅极G与控制器4相连，源极S与同电池组均衡单元中多绕组变压器2的初级绕组线圈21的一端相连，漏极D与上一级电池组均衡单元(N-1)中多个电池单体均衡模块3内所有电池单体31串接形成的电池组的正极(+)相连；
另一第一MOS管1的栅极G与控制器4相连，源极S与上一级电池组均衡单元(N-1)中多个电池单体均衡模块3内所有电池单体31串接形成的电池组的负极(-)相连，漏极D与同电池组均衡单元中多绕组变压器2的初级绕组线圈21的另一端相连。
在本发明实施例中，如图2所示，第N级电池组均衡单元中的每一个电池单体均衡模块3均包括两个第二MOS管32，且两个第二MOS管32分别连接其对应电池单体31的正负极上；其中，
一第二MOS管32的栅极G与控制器4相连，源极S与同电池单体均衡模块中电池单体31的正极(+)相连，漏极D均与同电池单体均衡模块中电池单体31所连多绕组变压器2的次级绕组线圈22的一端相连；
另一第二MOS管32的栅极G与控制器4相连，源极S与同电池单体均衡模块中电池单体31的负极(-)相连，漏极D均与同电池单体均衡模块中电池单体31所连多绕组变压器2的次级绕组线圈22的另一端相连。
如图3和图4所示，对本发明实施例中的一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构的应用场景做进一步说明：
交错式电池均衡电路结构有两个级联的电池组均衡单元，每一个电池组均衡单元均包括4个电池单体、1个多绕组变压器和2个第一MOS管和8个第二MOS管；其中，1个电池单体和2个第二MOS管形成一个电池单体均衡模块，共有4个电池单体均衡模块。
同电池组均衡单元中的4个电池单体均衡模块的4个电池单体形成一个电池组，共有2个电池组。每个电池组利用相邻级联电池组均衡单元中的第一MOS管分别与相邻级联电池组均衡单元中的多绕组变压器的初级绕组线圈连接，且每个电池组内的每个电池单体利用同电池单体均衡模块种的第二MOS管分别与同电池组均衡单元中的多绕组变压器相应的一个次级绕组线圈连接，构成交错式电池均衡电路。
在图3中，为两个级联的电池组均衡单元的工作状态I的原理图。控制器生成PWM+信号，使两个级联的电池组均衡单元中的多绕组变压器的初级绕组线圈各自对应的第一MOS管导通，使得左侧电池组均衡单元中电池组的能量转移到右侧电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈上。
在图4中，为两个级联的电池组均衡单元的工作状态II的原理图。控制器生成PWM-信号，使两个级联的电池组均衡单元中的多绕组变压器的对应的第二MOS管都导通，使得左侧电池组均衡单元中电池组对应的电池单体获得来自于同电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈的能量。
同理，右侧电池组均衡单元中电池组的能量转移到左侧电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈上，右侧电池组均衡单元中电池组对应的电池单体获得来自于同电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈的能量。这两个互补状态不断交替，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。
此时，初始电池单体的电压分别为Cell11＝3.621，Cell12＝3.827，Cell13＝3.376，Cell14＝3.451，Cell21＝3.622，Cell22＝3.719，Cell23＝3.532，Cell24＝3.306。均衡完成后，所有的电池单体的电压同时收敛到3.533附近，其电压最大差值为0.001。如图5所示，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。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明不仅可以实现电池组中所有电池单体同时均衡，而且可以实现不同电池组间同时均衡，极大提高了均衡效率和均衡速度；
2、本发明无需二级均衡电路，减小了电路体积，降低了使用成本；
3、本发明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、本发明的电池组均衡单元易于模块化，只需将电池组与多绕组变压器交错连接，即可实现电池模块之间的均衡，且均衡电路能够工作在电池组的充电、放电或静止状态，适用于锂离子、镍氢、铅酸等可充电动力电池，无需改变电路结构。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种基于变压器的交错式电池均衡电路结构，其特征在于，包括控制器以及级联成回路的多个电池组均衡单元，且每一个电池组均衡单元均依照第N级电池组均衡单元进行设置并与其级联的电池组均衡单元之间进行能量均衡；所述第N级电池组均衡单元包括第一MOS管、具有初级绕组线圈和多个次级绕组线圈的多绕组变压器以及多个电池单体均衡模块，且N为正整数；其中，
所述第一MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与同电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈的一端相连，漏极与上一级电池组均衡单元中多个电池单体均衡模块内所有电池单体串接形成的电池组的正极相连；
所述多绕组变压器的初级绕组线圈的另一端与上一级电池组均衡单元中多个电池单体均衡模块内所有电池单体串接形成的电池组的负极相连；
所述多个电池单体均衡模块均包括电池单体和第二MOS管；其中，所述多个电池单体均衡模块中的所有电池单体依序串接在一起形成电池组，且串接形成的电池组的正极与下一级电池组均衡单元中第一MOS管的漏极相连，串接形成的电池组的负极与下一级电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈上远离相连第一MOS管的一端相连；所述多个电池单体均衡模块中的每一个电池单体的正极均与其同电池单体均衡模块中的第二MOS管的源极相连，负极均与所述多绕组变压器上相应的一个次级绕组线圈的一端相连；所述多个电池单体均衡模块中的每一个第二MOS管的栅极均与所述控制器相连，漏极均与同电池单体均衡模块中电池单体所连多绕组变压器的次级绕组线圈的另一端相连；
其中，所述控制器输出第一PWM信号给所述第一MOS管，并同时输出第二PWM信号给同电池组均衡单元中每一个电池单体均衡模块的第二MOS管，使得位于同电池组均衡单元中的所有电池单体均衡模块的第二MOS管均与对应的第一MOS管交替工作；其中，所述第一PWM信号与所述第二PWM信号在各个相同时刻上的电位均设置为相异。
2.如权利要求1所述的基于变压器的交错式电池均衡电路结构，其特征在于，所述第N级电池组均衡单元中的第一MOS管有两个，且所述两个第一MOS管分别连接所述多绕组变压器的初级绕组线圈的两端；其中，
一第一MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与同电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈的一端相连，漏极与上一级电池组均衡单元中多个电池单体均衡模块内所有电池单体串接形成的电池组的正极相连；
另一第一MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与上一级电池组均衡单元中多个电池单体均衡模块内所有电池单体串接形成的电池组的负极相连，漏极与同电池组均衡单元中多绕组变压器的初级绕组线圈的另一端相连。
3.如权利要求2所述的基于变压器的交错式电池均衡电路结构，其特征在于，所述第N级电池组均衡单元中的每一个电池单体均衡模块均包括两个第二MOS管，且所述两个第二MOS管分别连接其对应电池单体的正负极上；其中，
一第二MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与同电池单体均衡模块中电池单体的正极相连，漏极均与同电池单体均衡模块中电池单体所连多绕组变压器的次级绕组线圈的一端相连；
另一第二MOS管的栅极与所述控制器相连，源极与同电池单体均衡模块中电池单体的负极相连，漏极均与同电池单体均衡模块中电池单体所连多绕组变压器的次级绕组线圈的另一端相连。
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