CN112688375A - 基于多绕组变压器的均衡输出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多绕组变压器的均衡输出系统，包括：一个电池单元模块、一个多绕组变压器、两组开关管、一个控制器和一个滤波模块，当对外输出时，控制器产生固定占空比的PWM信号驱动一次侧开关管，控制二次侧开关管处于关断状态，利用正激实现对电池组的均衡，利用反激实现二次侧输出的功能；当对电池单元模块充电时，控制器产生固定占空比的PWM信号驱动二次侧开关管，控制一次侧开关管处于关断状态，利用反激实现对一次侧电池单元模块充电的功能。本发明利用多绕组变压器实现对电池单元模块均衡和利用变压器二次侧实现对外输出，提升了电池组的可用容量，延长了电池组的使用寿命，同时也提高了均衡系统的集成度。

Description

基于多绕组变压器的均衡输出系统

技术领域

本发明涉及电池能量的主动均衡技术领域，具体涉及一种基于多绕组变压器的均衡输出系统。

背景技术

电池由于其在循环寿命、质量比能量和体积比能量上的优势被广泛应用于人造卫星、混合动力汽车、电动汽车、不间断电源和光伏系统等领域。这些应用通常需要一个高压电源。但是，一个电池的端电压相对较低，为了达到所需的电压水平，需要将多节电池串联成电池组，用来满足这些应用所需的电压。在运行过程中，电池反复充放电，由于电池在制造过程中具有不同的化学和电气特性，可能会出现电池之间的不一致的问题。此外，不同的环境温度和老化降解的不对称也会导致电池之间的不匹配问题。这一问题导致电池在几个充放电周期之后电池充电水平将会产生很大的不均匀。当给一组串联的电池充电时，一些电池比其他电池先充满，如果没有任何控制，如充电均衡，充满电的电池会在短时间内过充。过度充电的电池的储能能力会严重下降，在最坏的情况下，可能会发生爆炸或火灾。因此，必须用均衡电路对电池组进行管理，才能够提升电池寿命、增加电池的可用容量、提高电池的安全性能。

目前，已经有大量关于电池均衡技术的研究，这些电池均衡技术可以分为被动均衡方式和主动均衡方式。虽然被动均衡方式易于实现，具有成本低、体积小的特点，但由于功耗大，降低了效率，给电池管理系统带来了热问题；与被动均衡方式相比，主动均衡方式利用储能元件实现将能量在电池单元间进行再分配，具有很高的效率和很快的均衡速度。

中国发明专利(申请号CN201410211996.0)公开一种基于多副边变压器的电池组均衡电路以及实现方法，通过利用多副边变压器和相应的模块对电池之间的能量进行均衡，实现了均衡电路的模块化，但控制方式有一定的复杂性，对控制精度有一定的要求，因此会增加系统设计的复杂程度。

中国发明专利(申请号CN201820835035.0)公开一种基于变压器的电池组电压均衡电路，每个电池单体对应一个电压均衡单元，对电池组进行自动电压均衡，但由于每节电池都需要用到一个电压均衡单元，所以这种基于变压器的电池组电压均衡电路体积很大，不适用于电池单体个数很大的情况。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于多绕组变压器的均衡输出系统，利用多绕组变压器的均衡输出系统实现对电池单体的充放电均衡和对负载输出的功能。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于多绕组变压器的均衡输出系统，所述均衡系统包括一个电池单元模块、一个多绕组变压器、两组开关管、一个控制器和一个滤波模块，其中，所述电池单元模块由n个电池单体组成，依次命名为B₁、B₂、…B_n；

所述多绕组变压器有n个原边绕组和1个副边绕组，每个原边绕组的匝数都为N₁，副边绕组的匝数为N₂，多绕组变压器命名为T；

所述两组开关管分别为A组开关管和B组开关管，A组开关管由n个开关管构成，分别命名为SQ₁、SQ₂、…SQ_n，B组开关管由1个开关管构成，命名为SQ₀；其中，开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n的S极分别和多绕组变压器T的n个原边绕组的同名端相连，开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n的D极分别和电池单体B₁、B₂、…B_n的正极相连，电池单体B₁、B₂、…B_n的负极分别与多绕组变压器T的n个原边绕组的异名端相连；

多绕组变压器T的副边绕组的异名端和开关管SQ₀的S极相连，开关管SQ₀的D极和负载相连，多绕组变压器T的副边绕组的同名端和负载的另一端相连，在负载和多绕组变压器T的副边绕组之间还有一个滤波模块；

所述滤波模块在多绕组变压器T副边和输出侧之间，其作用是使得输出电压更加稳定，一般为一个滤波电容；

当所述均衡输出系统处于输出状态时，所述控制器产生一组占空比固定的PWM信号驱动开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n，同时控制开关管SQ₀处于关断状态，利用正激实现对电池组的均衡，利用反激实现二次侧输出的功能，当所述均衡输出系统处于充电状态时，所述控制器产生固定占空比的PWM信号驱动二次侧开关管，控制一次侧开关管处于关断状态，利用反激对一次侧电池单元模块实现充电的功能。与一般的使用变压器对电池组进行均衡的电路相比，在本设计中，不仅利用多绕组变压器对电池组实现了均衡，而且实现了输入侧和输出侧的隔离，有效地提高了系统的可靠性和安全性。

进一步地，所述多绕组变压器T的n个原边绕组通过开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n和电池单体串联，但是电池单体之间是独立的，电池单体B₁、B₂、…B_n分别通过开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n和多绕组变压器T的n个原边绕组构成回路，之前的基于多绕组变压器的电池组均衡电路原边的电池单体一般都是串联在一起的，虽然可以实现对电池组的均衡，但是当某一个电池单体发生故障时，整个系统就会发生故障，本设计中，电池单体之间不需要串联，有效避免了在电池单元模块中的一节电池单体发生故障时导致整个系统也发生故障的情况出现，有效地提高了均衡输出系统的可靠性和安全性。

进一步地，所述开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n和开关管SQ₀都是由一个N沟道MOSFET构成，A组开关管中所有的开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n共用一个驱动信号，B组开关管中开关管SQ₀单独使用一个驱动信号；

其中，当所述均衡输出系统处于输出状态时，控制器产生的PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n开通或关断，控制器产生的PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀始终处于关断状态；

当所述均衡输出系统处于充电状态时，控制器产生的PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n始终处于关断状态，控制器产生的PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀始终开通或关断。

进一步地，当所述均衡输出系统处于输出状态时，均衡输出系统分为两个模态：

第一个模态是当A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n处于导通状态和B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态时，多绕组变压器处于正激状态，实现对电池单元模块中的电池单体B₁、B₂、…B_n均衡，同时在多绕组变压器中存储能量；

第二个模态是当A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n处于关断状态和B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态时，多绕组变压器处于反激状态，存储在多绕组变压器中的能量传递到多绕组变压器的副边，并且通过B组开关管中开关管SQ₀的体二极管和负载之间形成回路，从而实现向负载供能。

进一步地，当所述均衡输出系统处于充电状态时，A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n始终处于关断状态，当B组开关管中开关管SQ₀处于开通状态时，通过多绕组变压器的副边绕组给多绕组变压器充能，当B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态时，由于多绕组变压器处于反激状态，存储在变压器中的能量传递到多绕组变压器T的原边绕组中，并且通过A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n的体二极管和电池单体B₁、B₂、…B_n之间形成回路，从而实现对电池单元模块的充电。

进一步地，所述均衡输出系统根据所处的输出状态或者充电状态确定之后的控制方式，规则如下：

若是输出状态，控制器产生PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n开通和关断，控制器产生PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀始终处于关断状态；

若是充电状态，控制器产生PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n始终处于关断状态，控制器产生PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀开通和关断。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)多绕组变压器原边多绕组分别和电池连接，多绕组变压器的副边和负载相连，实现了对电池组的充放电均衡和对负载输出的功能，具有很高的集成度；

(2)控制器只需要在基于多绕组变压器的均衡输出系统处于输出状态(或充电状态)产生两组固定占空比的PWM信号就可以实现放电均衡和输出电压(或充电均衡)，控制方式简单；

(3)电池单体之间不需要串联，有效避免了在电池单元模块中的一节电池单体发生故障时导致整个系统也发生故障的情况出现，有效地提高了均衡输出系统的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明实施例中公开的基于多绕组变压器的均衡输出系统的结构图；

图2是本发明实施例中公开的基于多绕组变压器的均衡输出系统中当原边有4个绕组时均衡输出系统结构图；

图3是本发明实施例中当电池单体B₁、B₂、B₃、B₄电量依次减小时，一个周期内电池单体B₁、B₂、B₃、B₄放电的电流波形示意图；

图4是本发明实施例中当基于多绕组变压器的均衡输出系统处于输出状态时输出侧电压波形示意图；

图5是本发明实施例中当电池单体B₁、B₂、B₃、B₄电量依次减小时，一个周期内电池单体B₁、B₂、B₃、B₄充电的电流波形示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种基于多绕组变压器的均衡输出系统的结构图如图1所示，图2是当原边有4个绕组且N₁:N₂＝1:10时均衡输出系统的电路图，包括一个电池单元模块、一个多绕组变压器、两组开关管、一个控制器和一个滤波模块，其中，当均衡输出系统处于输出状态和充电状态时，分别产生两组不同的PWM控制信号控制两组开关管(A组开关管和B组开关管)的开通和关断。

A组开关管和B组开关管都是由一个N沟道MOSFET构成，其中A组开关管包括开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄，B组开关管包括开关管SQ₀。开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄的S极分别和多绕组变压器T的4个原边绕组的同名端相连，开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄的D极分别和电池单体B₁、B₂、B₃、B₄的正极相连，电池单体B₁、B₂、B₃、B₄的负极分别与多绕组变压器T的4个原边绕组的异名端相连。

多绕组变压器T的副边绕组的异名端和SQ₀的S极相连，开关管SQ₀的D极和负载相连，多绕组变压器T的副边绕组的同名端和负载的另一端相连，在负载和T副边绕组之间还有一个滤波模块。

控制器在基于多绕组变压器的均衡输出系统处于输出状态或充电状态时，通过控制A组开关管和B组开关管处于不同地开关状态从而实现对电池单体的充放电均衡和对负载输出的功能，输出状态和充电状态分别有两个模态。

当控制器在基于多绕组变压器的均衡输出系统处于输出状态时，控制器产生的第一组频率为50kHz、占空比为13.9％的PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄开通和关断，控制器产生的第二组PWM信号始终处于低电平从而控制B组开关管中开关管SQ₀始终处于关断状态。

基于多绕组变压器的均衡输出系统处于输出状态时对应两个模态：

第一个模态是当A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄处于导通状态和B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态，由于变压器处于正激状态，电池单元模块中的电池单体B₁、B₂、B₃、B₄会自动实现放电均衡，图3所示为当电池单体B₁、B₂、B₃、B₄电量依次减小时，一个周期内电池单体B₁、B₂、B₃、B₄放电的电流波形，电池电量高的电池放电多，电池电量低的电池放电少，同时在多绕组变压器T中存储能量。

第二个模态是当A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄处于关断状态和B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态时，由于变压器处于反激状态，存储在多绕组变压器T中的能量传递到多绕组变压器T的副边绕组，并且通过B组开关管中开关管SQ₀的体二极管和负载之间形成回路，从而实现向负载供能，输出侧电压如图4所示。

当控制器在基于多绕组变压器的均衡输出系统处于充电状态时，负载侧输入电压U₀＝20V，控制器产生的第一组PWM信号始终处于低电平从而控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄始终处于关断状态，控制器产生第二组频率为50kHz、占空比为55.6％的PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀始终开通和关断。

基于多绕组变压器的均衡输出系统处于充电状态时对应两个模态：

第一个模态是当A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄始终处于关断状态，当B组开关管中开关管SQ₀处于开通状态，通过多绕组变压器T的副边给变压器充能。

第二个模态是当A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄处于关断状态和B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态，由于变压器处于反激状态，存储在多绕组变压器T中的能量传递到多绕组变压器T原边的绕组中，并且通过A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、SQ₃、SQ₄的体二极管和电池单体B₁、B₂、B₃、B₄之间形成回路，从而实现对电池单元模块的充电，如图5所示是当电池单体B₁、B₂、B₃、B₄电量依次减小时，一个周期内电池单体B₁、B₂、B₃、B₄充电的电流波形，电池电量高的电池充电少，电池电量低的电池充电多。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多绕组变压器的均衡输出系统，其特征在于，所述均衡系统包括一个电池单元模块、一个多绕组变压器、两组开关管和和一个控制器，其中，

所述电池单元模块由n个电池单体组成，依次命名为B₁、B₂、…B_n；

所述多绕组变压器有n个原边绕组和1个副边绕组，每个原边绕组的匝数都为N₁，副边绕组的匝数为N₂，多绕组变压器命名为T；

所述两组开关管分别为A组开关管和B组开关管，A组开关管由n个开关管构成，分别命名为SQ₁、SQ₂、…SQ_n，B组开关管由1个开关管构成，命名为SQ₀；

其中，开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n的S极分别和多绕组变压器T的n个原边绕组的同名端相连，开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n的D极分别和电池单体B₁、B₂、…B_n的正极相连，电池单体B₁、B₂、…B_n的负极分别与多绕组变压器T的n个原边绕组的异名端相连；

多绕组变压器T的副边绕组的异名端和开关管SQ₀的S极相连，开关管SQ₀的D极和负载相连，多绕组变压器T的副边绕组的同名端和负载的另一端相连；

当所述均衡输出系统处于输出状态时，所述控制器产生一组占空比固定的PWM信号驱动开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n，同时控制开关管SQ₀处于关断状态，利用正激实现对电池组的均衡，利用反激实现二次侧输出的功能；当所述均衡输出系统处于充电状态时，所述控制器产生固定占空比的PWM信号驱动二次侧开关管，控制一次侧开关管处于关断状态，利用反激实现对一次侧电池单元模块充电的功能。

2.根据权利要求1所述的基于多绕组变压器的均衡输出系统，其特征在于，所述均衡系统还包括一个滤波模块，位于多绕组变压器T的副边绕组和负载之间。

3.根据权利要求1所述的基于多绕组变压器的均衡输出系统，其特征在于，所述多绕组变压器T的n个原边绕组通过开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n和电池单体串联，但是电池单体之间是独立的，电池单体B₁、B₂、…B_n分别通过开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n和多绕组变压器T的n个原边绕组构成回路。

4.根据权利要求1所述的基于多绕组变压器的均衡输出系统，其特征在于，所述开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n和开关管SQ₀都是由一个N沟道MOSFET构成，A组开关管中所有的开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n共用一个驱动信号，B组开关管中开关管SQ₀单独使用一个驱动信号；

其中，当所述均衡输出系统处于输出状态时，控制器产生的PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n开通或关断，控制器产生的PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀始终处于关断状态；

当所述均衡输出系统处于充电状态时，控制器产生的PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n始终处于关断状态，控制器产生的PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀始终开通或关断。

5.根据权利要求1所述的基于多绕组变压器的均衡输出系统，其特征在于，当所述均衡输出系统处于输出状态时，均衡输出系统分为两个模态：

第一个模态是当A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n处于导通状态和B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态时，多绕组变压器处于正激状态，实现对电池单元模块中的电池单体B₁、B₂、…B_n均衡，同时在多绕组变压器存储能量；

第二个模态是当A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n处于关断状态和B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态时，多绕组变压器处于反激状态，存储在多绕组变压器中的能量传递到多绕组变压器的副边，并且通过B组开关管中开关管SQ₀的体二极管和负载之间形成回路，从而实现向负载供能。

6.根据权利要求1所述的基于多绕组变压器的均衡输出系统，其特征在于，当所述均衡输出系统处于充电状态时，A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n始终处于关断状态，当B组开关管中开关管SQ₀处于开通状态时，通过多绕组变压器的副边绕组给多绕组变压器充能，当B组开关管中开关管SQ₀处于关断状态时，由于多绕组变压器处于反激状态，存储在变压器中的能量传递到多绕组变压器T的原边绕组中，并且通过A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n的体二极管和电池单体B₁、B₂、…B_n之间形成回路，从而实现对电池单元模块的充电。

7.根据权利要求1至6任一所述的基于多绕组变压器的均衡输出系统，其特征在于，所述均衡输出系统根据所处的输出状态或者充电状态确定之后的控制方式，规则如下：

若是输出状态，控制器产生PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n开通和关断，控制器产生PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀始终处于关断状态；

若是充电状态，控制器产生PWM信号控制A组开关管中开关管SQ₁、SQ₂、…SQ_n始终处于关断状态，控制器产生PWM信号控制B组开关管中开关管SQ₀开通和关断。

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