CN113629805A - 一种变压器电阻分组电池均衡电路方案 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，首先利用变压器均衡完成每个电池单元与整个模组之间的电量转移主动均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间电压相对较高单体的被动耗能均衡。本发明所述的一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，把串联单体电池进行分组，每2个单体电池为一个单元，这2个电池单体共用一个固定均衡电阻，每个电池单体用MOS管开关分别控制各自均衡电路的通断，每2个电池单体组成的单元中每次均衡其中的一个单体，均衡电路中的固定电阻数量减半，电路的复杂程度得到了简化，同时也节约成本，大大降低了对整个串联模组的变压器设计复杂程度，带来更好的使用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，特别涉及一种变压器电阻分组电池均衡电路方案。
背景技术
变压器电阻分组电池均衡电路方案是一种进行电池管理方法，电池组中单体电池在制造和使用过程中必然存在电压、容量、内阻等不一致，并且是一个不断累积的过程，时间越长单体电池之间产生的差异越大；并且锂离子电池组还会受到使用环境的影响，在使用过程中单体电池的不一致性会被逐渐放大，从而导致某些单体电池性能加速衰减，针对电池不一致性造成的一系列问题，采用均衡管理能有效改善这些问题，均衡管理是指通过旁路电阻直接消耗产生热量或利用储能元件转移单体电池间相差的电量等方式，使电池间的容量达到近似一致水平，良好的均衡管理可以提高电池组的转化效率，延长电池组的使用寿命，改善电池组的可用容量，在一定程度上可避免电池组处于不安全状态，目前电池均衡方法主要分为被动均衡和主动均衡两大类，其中被动均衡分为电阻法和稳压管法两种，主动均衡主要包含电容法、电感法和变压法三大类，随着科技的不断发展，人们对于变压器电阻分组电池均衡电路方案的制造工艺要求也越来越高。
现有的变压器电阻分组电池均衡电路方案在使用时存在一定的弊端，首先，变压器均衡电路，可以同时实现多个电池单体的均衡，使所有电池单体的端电压最终接近平均电压水平，该拓扑具有操作简单，易于控制的优点，但是当电池单体数目较多时，多绕组变压器设计困难，难以保证一次侧各绕组的一致性，存在不易扩展的缺点，不利于人们的使用，还有，固定电阻被动均衡法是每节单体电池与一个固定阻值的电阻相连，通过电阻来消耗掉电量过高的电池单体的电量，从而达到与电量低的单体电压均衡的效果，该种方法的主要优势是电路结构简单，成本较低；主要缺点是均衡过程是消耗多余电量来达到均衡状态，在电路中会损耗掉很多电量，对能量的利用率很低，给人们的使用过程带来了一定的不利影响，为此，我们提出一种变压器电阻分组电池均衡电路方案。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，把串联单体电池进行分组，每2个单体电池为一个单元，这2个电池单体共用一个固定均衡电阻，每个电池单体用MOS管开关分别控制各自均衡电路的通断，每2个电池单体组成的单元中每次均衡其中的一个单体，均衡电路中的固定电阻数量减半，电路的复杂程度得到了简化，同时也节约成本，大大降低了对整个串联模组的变压器设计复杂程度，可以有效解决背景技术中的问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，包括以下操作步骤：
S1：一个由n个单体电池串联模组中，每2个电池单体组成1个单元，共分成n/2个单元，例如电池单体B1～B2串联组成第1个单元和电池单体B3～B4串联组成第2个单元，每个单元内的2个电池单体共用一个固定阻值电阻作为均衡电阻，而每个单元与整个模组配置1个变压器均衡；
S2：其中 Q1～Qn为MOS管开关，R为每个电池单元内2个电池单体所共用的均衡电阻，与每个单体电池并联的电容C为高频滤波电容，用于在能量传输过程中滤除杂波，N1为变压器均衡的原边绕组，N2为变压器均衡的副边绕组，T为变压器均衡的磁芯；S1～Sn/2+1为功率开关管；
S3：首先利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间的均衡；
S4：模组中前4个电池单体串联组成的2个单元片段，第1个单元和第2个单元的均衡操作可分为三步完成操作；
S5：得出最后结论，首先利用变压器均衡完成每个电池单元与整个模组之间的电量转移主动均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间电压相对较高单体的被动耗能均衡。
作为一种优选的技术方案，所述S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第一步包括两种情况，第一种情况包括以下操作步骤：
a：假设第1个电池单元比第2个电池单元电压较高，功率开关管S1导通，接通第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1，电池单元的部分电量储存到原边绕组N1中；
b：功率开关管S1关断，功率开关管Sn/2+1导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，上一步储存到原边绕组N1中的电量耦合到副边绕组N2中，副边绕组N2中的电量再流向整个电池模组。
作为一种优选的技术方案，所述S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第一步包括两种情况，第二种情况包括以下操作步骤：
a：假设第1个电池单元比第2个电池单元电压较低，功率开关管Sn/2+1导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，整个电池模组的部分电量储存到副边绕组N2中；
b：功率开关管Sn/2+1关断，功率开关管S1导通，第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1，上一步储存到副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N1中，原边绕组N1中的电量再转移到第1个电池单元中。
作为一种优选的技术方案，所述S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第二步包括以下操作步骤：经过第一步的数次循环，完成第1个电池单元与模组内其它电池单元的均衡，关闭变压器均衡，开启固定电阻被动均衡完成电池单元内2个电池单体的均衡，第1个电池单元内的2个电池单体必有其中一个电池单体电压相对较高，假设电池单体B1电压较高，令MOS管Q1导通，接通电池单体B1和固定电阻R，固定电阻R开始被动耗能均衡。
作为一种优选的技术方案，所述S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第三步包括以下操作步骤：监测第1个电池单元内单体电池B1的电压，等达到均衡目标值时，MOS管Q1关断，电路中无电流通过，固定电阻R停止均衡工作，电池单体B1的均衡完成。
作为一种优选的技术方案，所述S1步骤中利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡。
作为一种优选的技术方案，所述S1步骤中将串联单体电池进行分组，每2个单体电池为1个单元，每个单元作为采用变压器式均衡的模块。
作为一种优选的技术方案，所述变压器式均衡的模块中每个电池单体用MOS管开关分别控制各自均衡电路的通断，每2个电池单体组成的单元中每次均衡其中的一个单体。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，具备以下有益效果：该一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，通过把串联单体电池进行分组，每2个单体电池为一个单元，这2个电池单体共用一个固定均衡电阻，每个电池单体用MOS管开关分别控制各自均衡电路的通断，每2个电池单体组成的单元中每次均衡其中的一个单体，均衡电路中的固定电阻数量减半，电路的复杂程度得到了简化，同时也节约成本，大大降低了对整个串联模组的变压器设计复杂程度，把串联单体电池进行分组后，由于每个均衡单元电压是2个单体电池的串联电压，为每个单体电池的电压的2倍，就相当于把单体电池之间的压差放大了2倍，从而压差得到了增大，克服了变压器均衡在单体间电压压差较小时均衡效率降低的缺点，从而大大提升了均衡效率，均衡电阻数量只有现有方案的一半，而且所有均衡电阻可同时开启，对比现有固定电阻被动均衡方案中只能间隔同时开启所有电阻的一半，这样就使得本发明的电路设计结构简单，成本降低，增加了与每节电池单体并联了高频滤波电容，可用于在能量传输过程中滤除杂波，采用了分组均衡的电路结构，总体电路设计简单，易于实现，均衡效果理想，大大提高了电池均衡的效率和能量利用率，整个变压器电阻分组电池均衡电路方案结构简单，操作方便，使用的效果相对于传统方式更好。
附图说明
图1为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案的整体结构示意图。
图2为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案中第一步操作第一种情况其一的结构示意图。
图3为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案中第一步操作第一种情况其二的结构示意图。
图4为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案中第一步操作第二种情况其一的结构示意图。
图5为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案中第一步操作第二种情况其二的结构示意图。
图6为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案中第二步操作的结构示意图。
图7为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案中对比例其一的结构示意图。
图8为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案中对比例其二的结构示意图。
图9为本发明一种变压器电阻分组电池均衡电路方案中对比例其三的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列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，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
如图1-6所示，一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，包括以下操作步骤：
S1：一个由n个单体电池串联模组中，每2个电池单体组成1个单元，共分成n/2个单元，例如电池单体B1～B2串联组成第1个单元和电池单体B3～B4串联组成第2个单元，每个单元内的2个电池单体共用一个固定阻值电阻作为均衡电阻，而每个单元与整个模组配置1个变压器均衡；
S2：其中 Q1～Qn为MOS管开关，R为每个电池单元内2个电池单体所共用的均衡电阻，与每个单体电池并联的电容C为高频滤波电容，用于在能量传输过程中滤除杂波，N1为变压器均衡的原边绕组，N2为变压器均衡的副边绕组，T为变压器均衡的磁芯；S1～Sn/2+1为功率开关管；
S3：首先利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间的均衡；
S4：模组中前4个电池单体串联组成的2个单元片段，第1个单元和第2个单元的均衡操作可分为三步完成操作；
S5：得出最后结论，首先利用变压器均衡完成每个电池单元与整个模组之间的电量转移主动均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间电压相对较高单体的被动耗能均衡。
进一步的，S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第一步包括两种情况，第一种情况包括以下操作步骤：
a：假设第1个电池单元比第2个电池单元电压较高，功率开关管S1导通，接通第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1，电池单元的部分电量储存到原边绕组N1中；
b：功率开关管S1关断，功率开关管Sn/2+1导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，上一步储存到原边绕组N1中的电量耦合到副边绕组N2中，副边绕组N2中的电量再流向整个电池模组。
进一步的，S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第一步包括两种情况，第二种情况包括以下操作步骤：
a：假设第1个电池单元比第2个电池单元电压较低，功率开关管Sn/2+1导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，整个电池模组的部分电量储存到副边绕组N2中；
b：功率开关管Sn/2+1关断，功率开关管S1导通，第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1，上一步储存到副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N1中，原边绕组N1中的电量再转移到第1个电池单元中。
进一步的，S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第二步包括以下操作步骤：经过第一步的数次循环，完成第1个电池单元与模组内其它电池单元的均衡，关闭变压器均衡，开启固定电阻被动均衡完成电池单元内2个电池单体的均衡，第1个电池单元内的2个电池单体必有其中一个电池单体电压相对较高，假设电池单体B1电压较高，令MOS管Q1导通，接通电池单体B1和固定电阻R，固定电阻R开始被动耗能均衡。
进一步的，S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第三步包括以下操作步骤：监测第1个电池单元内单体电池B1的电压，等达到均衡目标值时，MOS管Q1关断，电路中无电流通过，固定电阻R停止均衡工作，电池单体B1的均衡完成。
进一步的，S1步骤中利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡。
进一步的，S1步骤中将串联单体电池进行分组，每2个单体电池为1个单元，每个单元作为采用变压器式均衡的模块。
进一步的，变压器式均衡的模块中每个电池单体用MOS管开关分别控制各自均衡电路的通断，每2个电池单体组成的单元中每次均衡其中的一个单体。
对比例：
如图7、8、9所示，采用固定电阻法，通过均衡电阻发热消耗掉电压较高的电池单体电量达到电压均衡状态。相邻的单体电池不能同时开启均衡，也就是说，均衡开启的最多路数为总路数的一半，目的是避免均衡电流的相互干扰和均衡电路放电产生的热量过于集中。
假设图示片段中的3个电池单体Bn、Bn+1、Bn+2电压值均偏高，都需要开启均衡电路进行均衡，按电路设计方案，只能排个先后顺序进行均衡，比如先均衡间隔的2个电池单体Bn和Bn+2，最后均衡电池单体Bn+1。均衡具体步骤如下：
第一步，闭合开关Kn和Kn+2，固定电阻Rn和Rn+2开始均衡；
第二步，断开开关Kn和Kn+2，闭合开关Kn+1，固定电阻Rn+1开始均衡；
第三步，均衡完成，断开开关Kn+1。
工作原理：一个由n个单体电池串联模组中，每2个电池单体组成1个单元，共分成n/2个单元，例如电池单体B1～B2串联组成第1个单元和电池单体B3～B4串联组成第2个单元，每个单元内的2个电池单体共用一个固定阻值电阻作为均衡电阻，而每个单元与整个模组配置1个变压器均衡，其中 Q1～Qn为MOS管开关，R为每个电池单元内2个电池单体所共用的均衡电阻，与每个单体电池并联的电容C为高频滤波电容，用于在能量传输过程中滤除杂波，N1为变压器均衡的原边绕组，N2为变压器均衡的副边绕组，T为变压器均衡的磁芯；S1～Sn/2+1为功率开关管，首先利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间的均衡，模组中前4个电池单体串联组成的2个单元片段，第1个单元和第2个单元的均衡操作可分为三步完成操作，得出最后结论，首先利用变压器均衡完成每个电池单元与整个模组之间的电量转移主动均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间电压相对较高单体的被动耗能均衡。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二（一号、二号）等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，其特征在于：包括以下操作步骤：
S1：一个由n个单体电池串联模组中，每2个电池单体组成1个单元，共分成n/2个单元，例如电池单体B1～B2串联组成第1个单元和电池单体B3～B4串联组成第2个单元，每个单元内的2个电池单体共用一个固定阻值电阻作为均衡电阻，而每个单元与整个模组配置1个变压器均衡；
S2：其中 Q1～Qn为MOS管开关，R为每个电池单元内2个电池单体所共用的均衡电阻，与每个单体电池并联的电容C为高频滤波电容，用于在能量传输过程中滤除杂波，N1为变压器均衡的原边绕组，N2为变压器均衡的副边绕组，T为变压器均衡的磁芯；S1～Sn/2+1为功率开关管；
S3：首先利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间的均衡；
S4：模组中前4个电池单体串联组成的2个单元片段，第1个单元和第2个单元的均衡操作可分为三步完成操作；
S5：得出最后结论，首先利用变压器均衡完成每个电池单元与整个模组之间的电量转移主动均衡，然后再利用均衡电阻完成每个单元内2个电池单体之间电压相对较高单体的被动耗能均衡。
2.根据权利要求1所述的一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，其特征在于：所述S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第一步包括两种情况，第一种情况包括以下操作步骤：
a：假设第1个电池单元比第2个电池单元电压较高，功率开关管S1导通，接通第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1，电池单元的部分电量储存到原边绕组N1中；
b：功率开关管S1关断，功率开关管Sn/2+1导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，上一步储存到原边绕组N1中的电量耦合到副边绕组N2中，副边绕组N2中的电量再流向整个电池模组。
3.根据权利要求1所述的一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，其特征在于：所述S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第一步包括两种情况，第二种情况包括以下操作步骤：
a：假设第1个电池单元比第2个电池单元电压较低，功率开关管Sn/2+1导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，整个电池模组的部分电量储存到副边绕组N2中；
b：功率开关管Sn/2+1关断，功率开关管S1导通，第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1，上一步储存到副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N1中，原边绕组N1中的电量再转移到第1个电池单元中。
4.根据权利要求1所述的一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，其特征在于：所述S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第二步包括以下操作步骤：经过第一步的数次循环，完成第1个电池单元与模组内其它电池单元的均衡，关闭变压器均衡，开启固定电阻被动均衡完成电池单元内2个电池单体的均衡，第1个电池单元内的2个电池单体必有其中一个电池单体电压相对较高，假设电池单体B1电压较高，令MOS管Q1导通，接通电池单体B1和固定电阻R，固定电阻R开始被动耗能均衡。
5.根据权利要求1所述的一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，其特征在于：所述S4步骤中均衡操作可分为三步完成操作，其中第三步包括以下操作步骤：监测第1个电池单元内单体电池B1的电压，等达到均衡目标值时，MOS管Q1关断，电路中无电流通过，固定电阻R停止均衡工作，电池单体B1的均衡完成。
6.根据权利要求1所述的一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，其特征在于：所述S1步骤中利用变压器完成每个电池单元与整个模组之间的均衡。
7.根据权利要求1所述的一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，其特征在于：所述S1步骤中将串联单体电池进行分组，每2个单体电池为1个单元，每个单元作为采用变压器式均衡的模块。
8.根据权利要求7所述的一种变压器电阻分组电池均衡电路方案，其特征在于：所述变压器式均衡的模块中每个电池单体用MOS管开关分别控制各自均衡电路的通断，每2个电池单体组成的单元中每次均衡其中的一个单体。
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