CN113872288B - 一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法 - Google Patents

一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法。电池模组包含n个依次串联的单体电池，n个单体电池依次分成n/4个电池单组；每个电池单组内的4个电池单体平分成2个电池单元，每个电池单元由2个相邻的电池单体组成，这相邻的2个电池单元共享1个CUK变换器均衡电路；每个电池单元内的2个电池单体共享1个电感作为主动均衡电感；每个电池单组由每2个电池单元组成，电池单组与整个电池模组配置1个变压器均衡。本发明变压器原边绕组的数量为原来数量的1/4，均衡电阻数量只有现有方案的一半，变压器均衡和CUK变换器均衡是以能量转移的方式来实现的主动均衡，均衡过程中几乎没有能量损失，大大提高了电池均衡的效率和能量利用率。

Description

一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法。
背景技术
电池单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；并且锂离子电池单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。
目前对电池的不一致性的解决方法是做电池均衡，即在循环使用过程中，以能量消耗或者转移的方式对电池单组内的单体能量适时进行平衡，从而降低单体发生过充过放的概率，消除放电深度差异对电池单组的不利影响，进而提高电池单组的整体能量利用率，延长电池循环寿命。
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感法、电容法和变压器法三大类。
电阻均衡法，是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，如图1所示。假设图中的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：首先，闭合开关Kn和Kn+2，固定电阻Rn和Rn+2开始均衡，电路中电流方向如图2所示；然后，断开开关Kn和Kn+2，闭合开关Kn+1，固定电阻Rn+1开始均衡，电路中电流方向如图3所示；最后，断开开关Kn+1，均衡完成。
CUK变换器均衡法，进行电池均衡时均衡放电和充电同时进行，均衡速度快，均衡能量转移效率高，但开关数量多，控制电路复杂；而且只能均衡相邻的2个电池单体，其均衡原理是利用单体电池之间的电压差进行能量转移均衡，故而在单体电压差较小时，均衡电流小，均衡效率低。CUK变换器均衡电路拓扑如图4所示。现假设第1个电池单体B1相比第2个电池单体B2电压较高，均衡步骤如下：
首先，功率开关管S1-1中的MOS管Q1-1导通，功率开关管S1-2中的体二极管D1-2反向截止，此时电池单体B1流出的电流I1使电感L1-1储能；电容C1放电电流I2使电感L1-2储能，并向电池单体B2充电转移电量。第1个电池单体B1的放电和第2个电池电池单体B2的充电同时进行，能量双向流动。电流方向如图5所示。
然后，功率开关管S1-1中的MOS管Q1-1截止，功率开关管S1-2中的体二极管D1-2正偏而导通，此时电池单体B1和电感L1-1感应电动势相加向电容C1充电，电容C1储能，电感L1-2释放能量，其放电电流I2向电池单体B2充电转移电量。第1个电池单体B1的放电和第2个电池电池单体B2的充电同时进行，能量双向流动。电流方向如图6所示。
由上可知，无论在功率开关管S1-1的MOS管Q1-1的导通还是截止期间，第1个电池单体B1都能向第2个电池单体B2转移能量，电容C1在电路中是一个能量储存组件。在功率开关管S1-1的MOS管Q1-1的截止期间，第1个电池单体B1的电流I1使得电容C1充电储存能量；在功率开关管S1-1的MOS管Q1-1的导通期间，电容C1放电向第2个电池单体B2释放能量。
如果第1个电池单体B1相比第2个电池单体B2电压较低，均衡步骤与上述类似。
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。
CUK变换器均衡电路进行电池均衡时均衡放电和充电同时进行，均衡速度快，均衡能量转移效率高，但开关数量多，控制电路复杂；而且只能均衡相邻的2个电池单体，其均衡原理是利用单体电池之间的电压差进行能量转移均衡，故而在单体电压差较小时，均衡电流小，均衡效率很低。
固定电阻被动均衡法则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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种电池模组中电池单体的电压均衡电路，所述电池模组包含n个依次串联的单体电池B1～Bn，n为4的倍数，所述n个单体电池依次分成n/4个电池单组，每4个电池单体组成1个电池单组，电池单体B1～B4串联组成第1个电池单组，电池单体Bn-3～Bn串联组成第n/4个电池单组；
所述电压均衡电路包含变压器、n/4个功率开关管S11～S1n/4、n/4个功率开关管S21～S2n/4、n/4个电容C11～C1n/4、n/4个电感L11～L1n/4、n/4个电感L21～L2n/4、n个MOS管开关Q1～Qn、n个高频滤波电容C21～C2n、n/4个电阻R11～R1n/4、以及n/4个电阻R21～R2n/4；
所述变压器包含副边绕组N2、n/4个原边绕组N11～N1n/4、功率开关管S、以及n/4个功率开关管S31～S3n/4；
令i为大于等于0小于等于n/4-1的自然数，电池单体B4i+1的负极分别和原边绕组N14i+1的一端、电感L14i+1的一端、高频滤波电容C24i+1的一端、MOS管开关Q4i+1的源极电气相连；电池单体B4i+1的正极分别和电池单体B4i+2的负极、电阻R14i+1的一端、高频滤波电容C24i+1的另一端、高频滤波电容C24i+2的一端电气相连；电阻R14i+1的另一端分别和MOS管开关Q4i+1的漏极、MOS管开关Q4i+2的源极电气相连；
电池单体B4i+2的正极分别和MOS管开关Q4i+2的漏极、高频滤波电容C24i+2的另一端、功率开关管S14i+1的漏极、功率开关管S24i+2的源极、电池单体B4i+3的负极、高频滤波电容C24i+3的一端、MOS管开关Q4i+3的源极电气相连；
电池单体B4i+3的正极分别和电池单体B4i+4的负极、电阻R24i+1的一端、高频滤波电容C24i+3的另一端、高频滤波电容C24i+4的一端电气相连；电阻R24i+1的另一端分别和MOS管开关Q4i+3的漏极、MOS管开关Q4i+4的源极电气相连；
电池单体B4i+4的正极分别和MOS管开关Q4i+4的漏极、高频滤波电容C24i+4的另一端、电感L24i+1的一端、功率开关管S34i+1的漏极电气相连；
电感L24i+1的另一端分别和功率开关管S24i+2的漏极、电容C14i+1的一端电气相连；
电容C14i+1的另一端分别和功率开关管S14i+1的源极、电感L14i+1的另一端电气相连；
原边绕组N14i+1的另一端和功率开关管S34i+1的源极电气相连；
副边绕组N2的一端和电池单体B1的负极电气相连，另一端和电池单体Bn的正极电气相连。
本发明还公开了一种该电池模组中电池单体的电压均衡电路的均衡方法，包含以下步骤：
步骤1），采用变压器均衡完成各个电池单组与整个电池模组之间的均衡，对于任意第i个电池单组：
步骤1.1），若第i个电池单组相比电池模组中其他电池单组电压较高：
步骤1.1.1），导通功率开关管S3i，接通第i个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1i，将第i个电池单组的部分电量储存到原边绕组N1i中；
步骤1.1.2），关断功率开关管S3i、导通功率开关管S，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，将原边绕组N11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；
步骤1.2），若第i个电池单组相比电池模组中其他电池单组电压较低：
步骤1.2.1），导通功率开关管S，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；
步骤1.2.2），关断功率开关管S，导通功率开关管S3i，接通第i个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1i，将副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N1i中，原边绕组N1i中的电量再转移到第i个电池单组中；
步骤2），对于任意第i个电池单组，令电池单体B4i+1、B4i+2组成第i个电池单组中的第1个电池单元，电池单体B4i+3、B4i+4组成第i个电池单组中的第2个电池单元；利用CUK变换器均衡完成各个电池单组中2个电池单元之间的均衡：
步骤2.1），若第i个电池单组中第1个电池单元的电压比第2个电池单元的电压较高：
步骤2.1.1），导通功率开关管S1i，截止功率开关管S2i,此时第1个电池单元内的2个电池单体B4i+1、B4i+2流出的电流使电感L1i储能；电容C1i放电使电感L2i储能，并向第2个电池单元2个电池单体B4i+3、B4i+4电池充电转移电量；第1个电池单元的放电和第2个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.1.2），截止功率开关管S1i，导通功率开关管S2i，此时第1个电池单元内的2个电池单体B4i+1、B4i+2和电感L1i感应电动势相加向电容C1i充电，电容C1i储能，电感L2i释放能量，其放电电流向第2个电池单元2个电池单体B4i+3、B4i+4电池充电转移电量；第1个电池单元的放电和第2个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.2），若第i个电池单组中第1个电池单元的电压比第2个电池单元的电压较低：
步骤2.2.1），导通功率开关管S2i，截止功率开关管S1i,此时第2个电池单元内的2个电池单体B4i+3、B4i+4流出的电流使电感L2i储能；电容C2i放电使电感L1i储能，并向第1个电池单元2个电池单体B4i+1、B4i+2电池充电转移电量；第2个电池单元的放电和第1个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.2.2），截止功率开关管S2i，导通功率开关管S1i，此时第2个电池单元内的2个电池单体B4i+3、B4i+4和电感L2i感应电动势相加向电容C2i充电，电容C2i储能，电感L1i释放能量，其放电电流向第1个电池单元2个电池单体B4i+1、B4i+2电池充电转移电量；第2个电池单元的放电和第1个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤3），利用固定电阻被动均衡使得各个电池单组中每个电池单元的2个电池单体均衡，对于任意第i个电池单组：
步骤3.1），若其第1个电池单元内电池单体B4i+1的电压大于电池单体B4i+2的电压，则导通MOS管开关Q4i+1，接通电池单体B4i+1和固定电阻R1i，直至电池单体B4i+1、电池单体B4i+2均衡；
步骤3.2），若其第1个电池单元内电池单体B4i+1的电压小于电池单体B4i+2的电压，则导通MOS管开关Q4i+2，接通电池单体B4i+2和固定电阻R1i，直至电池单体B4i+1、电池单体B4i+2均衡；
步骤3.3），若其第2个电池单元内电池单体B4i+3的电压大于电池单体B4i+4的电压，则导通MOS管开关Q4i+3，接通电池单体B4i+3和固定电阻R2i，直至电池单体B4i+3、电池单体B4i+4均衡；
步骤3.4），若其第2个电池单元内电池单体B4i+3的电压小于电池单体B4i+4的电压，则导通MOS管开关Q4i+4，接通电池单体B4i+4和固定电阻R2i，直至电池单体B4i+3、电池单体B4i+4均衡。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.与现有变压器均衡方案相比，本发明对整个串联模组进行了分组变压器均衡后，变压器原边绕组的数量为原来数量的1/4，使得变压器原边绕组的一致性控制难度大大降低了；
2.与现有主动均衡方案相比，本发明方案在电路中每节电池单体并联了高频滤波电容，用于在能量传输过程中滤除杂波；
3.与现有固定电阻被动均衡方案相比，本发明方案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；
4.与现有CUK变换器均衡相比，本发明把串联单体电池进行分组后，每个CUK变换器均衡单元电压是2个电池单体的串联电压，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，改善了当电池单组中各单体电压差较小时，均衡电流很小的缺点；
5.本发明中，变压器均衡和CUK变换器均衡是以能量转移的方式来实现的主动均衡，均衡过程中几乎没有能量损失；虽然电阻均衡是通过电阻来消耗掉电量过高的电池单体的电量，但本发明中已首先采用变压器均衡和CUK变换器均衡完成了绝大部分的均衡工作，电阻均衡只完成收尾的极小部分均衡，故而损失的电量很少，从而大大提高了电池均衡的效率和能量利用率。
附图说明
图1是电阻均衡法的电路拓扑示意图；
图2是电阻均衡法中均衡间隔的2个电池单体Bn和Bn+2时的电流流向示意图；
图3是电阻均衡法中均衡均衡电池单体Bn+1时的电流流向示意图；
图4是CUK变换器均衡法的电路拓扑示意图；
图5是CUK变换器均衡法中S1-1导通、S1-2截止时的电流流向示意图；
图6是CUK变换器均衡法中S1-1截止、S1-2导通时的电流流向示意图；
图7是本发明的的电路拓扑示意图；
图8是本发明步骤1.1.1）时的电流流向示意图；
图9是本发明步骤1.1.2）时的电流流向示意图；
图10是本发明步骤1.2.1）时的电流流向示意图；
图11是本发明步骤1.2.2）时的电流流向示意图；
图12是本发明步骤2.1.1）时的电流流向示意图；
图13是本发明步骤2.1.2）时的电流流向示意图；
图14是本发明步骤3.1）时的电流流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个组件、组件和/或部分，但这些组件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将组件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一组件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二组件、组件或部分。
如图7所示，本发明公开了一种电池模组中电池单体的电压均衡电路，所述电池模组包含n个依次串联的单体电池B1～Bn，n为4的倍数，所述n个单体电池依次分成n/4个电池单组，每4个电池单体组成1个电池单组，电池单体B1～B4串联组成第1个电池单组，电池单体Bn-3～Bn串联组成第n/4个电池单组；
所述电压均衡电路包含变压器、n/4个功率开关管S11～S1n/4、n/4个功率开关管S21～S2n/4、n/4个电容C11～C1n/4、n/4个电感L11～L1n/4、n/4个电感L21～L2n/4、n个MOS管开关Q1～Qn、n个高频滤波电容C21～C2n、n/4个电阻R11～R1n/4、以及n/4个电阻R21～R2n/4；
所述变压器包含副边绕组N2、n/4个原边绕组N11～N1n/4、功率开关管S、以及n/4个功率开关管S31～S3n/4；
令i为大于等于0小于等于n/4-1的自然数，电池单体B4i+1的负极分别和原边绕组N14i+1的一端、电感L14i+1的一端、高频滤波电容C24i+1的一端、MOS管开关Q4i+1的源极电气相连；电池单体B4i+1的正极分别和电池单体B4i+2的负极、电阻R14i+1的一端、高频滤波电容C24i+1的另一端、高频滤波电容C24i+2的一端电气相连；电阻R14i+1的另一端分别和MOS管开关Q4i+1的漏极、MOS管开关Q4i+2的源极电气相连；
电池单体B4i+2的正极分别和MOS管开关Q4i+2的漏极、高频滤波电容C24i+2的另一端、功率开关管S14i+1的漏极、功率开关管S24i+2的源极、电池单体B4i+3的负极、高频滤波电容C24i+3的一端、MOS管开关Q4i+3的源极电气相连；
电池单体B4i+3的正极分别和电池单体B4i+4的负极、电阻R24i+1的一端、高频滤波电容C24i+3的另一端、高频滤波电容C24i+4的一端电气相连；电阻R24i+1的另一端分别和MOS管开关Q4i+3的漏极、MOS管开关Q4i+4的源极电气相连；
电池单体B4i+4的正极分别和MOS管开关Q4i+4的漏极、高频滤波电容C24i+4的另一端、电感L24i+1的一端、功率开关管S34i+1的漏极电气相连；
电感L24i+1的另一端分别和功率开关管S24i+2的漏极、电容C14i+1的一端电气相连；
电容C14i+1的另一端分别和功率开关管S14i+1的源极、电感L14i+1的另一端电气相连；
原边绕组N14i+1的另一端和功率开关管S34i+1的源极电气相连；
副边绕组N2的一端和电池单体B1的负极电气相连，另一端和电池单体Bn的正极电气相连。
本发明还公开了一种该电池模组中电池单体的电压均衡电路的均衡方法，包含以下步骤：
步骤1），采用变压器均衡完成各个电池单组与整个电池模组之间的均衡，对于任意第i个电池单组：
步骤1.1），若第i个电池单组相比电池模组中其他电池单组电压较高：
步骤1.1.1），导通功率开关管S3i，接通第i个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1i，将第i个电池单组的部分电量储存到原边绕组N1i中；
步骤1.1.2），关断功率开关管S3i、导通功率开关管S，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，将原边绕组N11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；
步骤1.2），若第i个电池单组相比电池模组中其他电池单组电压较低：
步骤1.2.1），导通功率开关管S，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；
步骤1.2.2），关断功率开关管S，导通功率开关管S3i，接通第i个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1i，将副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N1i中，原边绕组N1i中的电量再转移到第i个电池单组中；
步骤2），对于任意第i个电池单组，令电池单体B4i+1、B4i+2组成第i个电池单组中的第1个电池单元，电池单体B4i+3、B4i+4组成第i个电池单组中的第2个电池单元；利用CUK变换器均衡完成各个电池单组中2个电池单元之间的均衡：
步骤2.1），若第i个电池单组中第1个电池单元的电压比第2个电池单元的电压较高：
步骤2.1.1），导通功率开关管S1i，截止功率开关管S2i,此时第1个电池单元内的2个电池单体B4i+1、B4i+2流出的电流使电感L1i储能；电容C1i放电使电感L2i储能，并向第2个电池单元2个电池单体B4i+3、B4i+4电池充电转移电量；第1个电池单元的放电和第2个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.1.2），截止功率开关管S1i，导通功率开关管S2i，此时第1个电池单元内的2个电池单体B4i+1、B4i+2和电感L1i感应电动势相加向电容C1i充电，电容C1i储能，电感L2i释放能量，其放电电流向第2个电池单元2个电池单体B4i+3、B4i+4电池充电转移电量；第1个电池单元的放电和第2个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.2），若第i个电池单组中第1个电池单元的电压比第2个电池单元的电压较低：
步骤2.2.1），导通功率开关管S2i，截止功率开关管S1i,此时第2个电池单元内的2个电池单体B4i+3、B4i+4流出的电流使电感L2i储能；电容C2i放电使电感L1i储能，并向第1个电池单元2个电池单体B4i+1、B4i+2电池充电转移电量；第2个电池单元的放电和第1个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.2.2），截止功率开关管S2i，导通功率开关管S1i，此时第2个电池单元内的2个电池单体B4i+3、B4i+4和电感L2i感应电动势相加向电容C2i充电，电容C2i储能，电感L1i释放能量，其放电电流向第1个电池单元2个电池单体B4i+1、B4i+2电池充电转移电量；第2个电池单元的放电和第1个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤3），利用固定电阻被动均衡使得各个电池单组中每个电池单元的2个电池单体均衡，对于任意第i个电池单组：
步骤3.1），若其第1个电池单元内电池单体B4i+1的电压大于电池单体B4i+2的电压，则导通MOS管开关Q4i+1，接通电池单体B4i+1和固定电阻R1i，直至电池单体B4i+1、电池单体B4i+2均衡；
步骤3.2），若其第1个电池单元内电池单体B4i+1的电压小于电池单体B4i+2的电压，则导通MOS管开关Q4i+2，接通电池单体B4i+2和固定电阻R1i，直至电池单体B4i+1、电池单体B4i+2均衡；
步骤3.3），若其第2个电池单元内电池单体B4i+3的电压大于电池单体B4i+4的电压，则导通MOS管开关Q4i+3，接通电池单体B4i+3和固定电阻R2i，直至电池单体B4i+3、电池单体B4i+4均衡；
步骤3.4），若其第2个电池单元内电池单体B4i+3的电压小于电池单体B4i+4的电压，则导通MOS管开关Q4i+4，接通电池单体B4i+4和固定电阻R2i，直至电池单体B4i+3、电池单体B4i+4均衡。
现在以一个由n个单体电池串联模组为例进行说明，n为4的倍数，按本发明方案每4个电池单体组成1个电池单组，共分成n/4个电池单组，电池单体B1～B4串联组成第1个电池单组，电池单体Bn-3～Bn串联组成第n/4个电池单组。每个电池单组内的4个电池单体又平分成2个电池单元，每个电池单元由2个相邻的电池单体组成，这相邻的2个电池单元共享1个CUK变换器均衡电路；每个电池单元内的2个电池单体共享1个电感作为主动均衡电感；每个电池单组由每2个电池单元组成，电池单组与整个电池模组配置1个变压器均衡。
所述电压均衡电路包含变压器、n/4个功率开关管S11～S1n/4、n/4个功率开关管S21～S2n/4、n/4个电容C11～C1n/4、n/4个电感L11～L1n/4、n/4个电感L21～L2n/4、n个MOS管开关Q1～Qn、n个高频滤波电容C21～C2n、n/4个电阻R11～R1n/4、以及n/4个电阻R21～R2n/4；所述变压器包含副边绕组N2、n/4个原边绕组N11～N1n/4、功率开关管S、以及n/4个功率开关管S31～S3n/4。
本发明电路的均衡原理为，首先利用变压器完成每个电池单组与整个模组之间的均衡，然后再利用CUK变换器均衡完成相邻2个电池单元之间的均衡，最后利用固定均衡电阻完成每个小单元内2个电池单体之间的均衡。
现就模组中前4个电池单体B1～B4串联组成的第1个电池单组为例详细说明本发明的具体均衡过程，均衡步骤如下：
步骤1），采用变压器均衡完成第1个电池单组与整个模组之间的均衡。具体均衡过程分成以下2种情况分别完成：
步骤1.1），若第1个电池单组相比模组中其他电池单组电压较高，均衡步骤如下：
步骤1.1.1），功率开关管S1-3导通，接通第1个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N11，电池单组的部分电量储存到原边绕组N11中。电流方向如图8所示。
步骤1.1.2），功率开关管S31关断，功率开关管S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N11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。电流方向如图9所示。
步骤1.2），若第1个电池单组相比模组中其他电池单组电压较低，均衡步骤如下：
步骤1.2.1），功率开关管S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。电流方向如图10所示。
步骤1.2.2），功率开关管S关断，功率开关管S31导通，接通第1个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N11，上一步储存到副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N11中，原边绕组N11中的电量再转移到第1个电池单组中。电流方向如图11所示。
步骤2），完成了第1个电池单组与模组的均衡后，现在关闭变压器均衡，开启CUK变换器均衡完成第1个电池单组内2个电池单元之间的均衡。
步骤2.1），若第1个电池单元内的2个电池单体B1～B2相比第2个电池单元2个电池单体B3～B4电池单组电压较高，均衡步骤如下：
步骤2.1.1），功率开关管S11中的MOS管Q11导通，功率开关管S21中的体二极管D21反向截止。此时第1个电池单元内的2个电池单体B1～B2流出的电流I1使电感L11储能；电容C11放电电流I2使电感L21储能，并向第2个电池单元2个电池单体B3～B4电池充电转移电量。第1个电池单元的放电和第2个电池单元的充电同时进行，能量双向流动。电流方向如图12所示。
步骤2.1.2），功率开关管S11中的MOS管Q11截止，功率开关管S21中的体二极管D21正偏而导通，此时第1个电池单元内的2个电池单体B1～B2和电感L11感应电动势相加向电容C11充电，电容C11储能，电感L21释放能量，其放电电流I2向第2个电池单元2个电池单体B3～B4电池充电转移电量。第1个电池单元的放电和第2个电池单元的充电同时进行，能量双向流动。电流方向如图13所示。
由步骤2.1.1）和步骤2.1.2）可知，无论在功率开关管S11的MOS管Q11的导通还是截止期间，第1个电池单元都能向第2个电池单元转移能量，电容C11在电路中是一个能量储存组件。在功率开关管S11的MOS管Q11的截止期间，第1个电池单元的电流I1使得电容C11充电储存能量；在功率开关管S11的MOS管Q11的导通期间，电容C11放电向第2个电池单元释放能量。
步骤2.2），若第1个电池单元内的2个电池单体B1～B2相比第2个电池单元2个电池单体B3～B4电池单组电压较低，均衡步骤与上述第1步和第2步类似。
步骤3），完成了第1个电池单元与第2个电池单元之间的均衡后，现在关闭CUK变换器均衡，开启每个电池单元内的固定电阻被动均衡来完成其内部2个电池单体之间的均衡。
现以均衡第1个电池单元内的2个电池单体B1和B2为例来说明具体的均衡过程，均衡步骤如下：
第1个电池单组内的2个电池单体必有其中一个电池单体电压相对较高，现假设电池单体B1电压较高。令MOS管Q1导通，接通电池单体B1和固定电阻R11，固定电阻R11开始被动耗能均衡。电流方向如图14所示。
监测第1个电池单组内单体电池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R11停止均衡工作，电池单体B1的均衡完成。
总的均衡策略为，首先利用变压器均衡完成每个电池单组与整个模组之间的电量转移主动均衡，然后再利用CUK变换器均衡完成相邻2个电池单元之间的电量转移主动均衡，最后利用固定电阻被动均衡完成每个单元内2个电池单体之间电压相对较高单体的被动耗能均衡。
固定电阻被动均衡法中，虽然每节单体电池都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，但是在实际均衡实施过程中，相邻单体电池并不同时开启均衡，是因为要避免均衡电流的相互干扰和均衡电路放电产生的热量集中。为了充分利用电路中的每一个均衡电阻的能力，本发明把串联电池单体进行分组，每2个单体电池为一个电池单元，这2个电池单体共享一个固定均衡电阻，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个电池单体组成的电池单元中每次均衡其中的一个单体。采用此方案，与现有方案相比，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。
CUK变换器均衡电路进行电池均衡时均衡放电和充电同时进行，均衡速度快，均衡能量转移效率高，但开关数量多，控制电路复杂；而且只能均衡相邻的2个电池单体，并在单体电压差较小时，均衡电流小，均衡效率低。本发明把串联单体电池进行分组后，每个CUK变换器均衡单元电压是2个电池单体的串联电压，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，改善了当电池单组中各单体电压差较小时，均衡电流很小的缺点。
变压器均衡电路具有削峰和填谷两种工作模式，即顶部均衡和底部均衡。控制功率开关管的开闭次序可以实现单体电池多余的能量流向整个电池单组，也可以实现整个电池单组的能量流向某一能量很低的单体电池。该均衡方法可以实现电池单组中任意单体电池的快速均衡，控制方式简单，均衡电流大，均衡效率高，结构易于扩展。但当电池单体数量较大时，变压器数量较多，成本比较高，所需空间体积较大。针对此点，本发明把串联单体电池进行分组，每4个单体电池为1个电池单组，每个单元作为采用变压器式均衡的模块。这样就把整个串联电池模组分成了若干由4个电池单体组成的电池单组，而每个这样的单元模块与整个电池模组采用变压器均衡，从而大大降低了整个串联模组的均衡变压器复杂程度；对整个串联模组进行了分组变压器均衡后，变压器原边绕组的数量为原来数量的1/4，使得变压器原边绕组的一致性控制难度大大降低了。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电池模组中电池单体的电压均衡电路，所述电池模组包含n个依次串联的单体电池B1～Bn，n为4的倍数，其特征在于：
所述n个单体电池依次分成n/4个电池单组，每4个电池单体组成1个电池单组，电池单体B1～B4串联组成第1个电池单组，电池单体Bn-3～Bn串联组成第n/4个电池单组；
所述电压均衡电路包含变压器、n/4个功率开关管S11～S1n/4、n/4个功率开关管S21～S2n/4、n/4个电容C11～C1n/4、n/4个电感L11～L1n/4、n/4个电感L21～L2n/4、n个MOS管开关Q1～Qn、n个高频滤波电容C21～C2n、n/4个电阻R11～R1n/4、以及n/4个电阻R21～R2n/4；
所述变压器包含副边绕组N2、n/4个原边绕组N11～N1n/4、功率开关管S、以及n/4个功率开关管S31～S3n/4；
令i为大于等于0小于等于n/4-1的自然数，电池单体B4i+1的负极分别和原边绕组N14i+1的一端、电感L14i+1的一端、高频滤波电容C24i+1的一端、MOS管开关Q4i+1的源极电气相连；电池单体B4i+1的正极分别和电池单体B4i+2的负极、电阻R14i+1的一端、高频滤波电容C24i+1的另一端、高频滤波电容C24i+2的一端电气相连；电阻R14i+1的另一端分别和MOS管开关Q4i+1的漏极、MOS管开关Q4i+2的源极电气相连；
电池单体B4i+2的正极分别和MOS管开关Q4i+2的漏极、高频滤波电容C24i+2的另一端、功率开关管S14i+1的漏极、功率开关管S24i+2的源极、电池单体B4i+3的负极、高频滤波电容C24i+3的一端、MOS管开关Q4i+3的源极电气相连；
电池单体B4i+3的正极分别和电池单体B4i+4的负极、电阻R24i+1的一端、高频滤波电容C24i+3的另一端、高频滤波电容C24i+4的一端电气相连；电阻R24i+1的另一端分别和MOS管开关Q4i+3的漏极、MOS管开关Q4i+4的源极电气相连；
电池单体B4i+4的正极分别和MOS管开关Q4i+4的漏极、高频滤波电容C24i+4的另一端、电感L24i+1的一端、功率开关管S34i+1的漏极电气相连；
电感L24i+1的另一端分别和功率开关管S24i+2的漏极、电容C14i+1的一端电气相连；
电容C14i+1的另一端分别和功率开关管S14i+1的源极、电感L14i+1的另一端电气相连；
原边绕组N14i+1的另一端和功率开关管S34i+1的源极电气相连；
副边绕组N2的一端和电池单体B1的负极电气相连，另一端和电池单体Bn的正极电气相连。
2.基于权利要求1所述的电池模组中电池单体的电压均衡电路的均衡方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1），采用变压器均衡完成各个电池单组与整个电池模组之间的均衡，对于任意第i个电池单组：
步骤1.1），若第i个电池单组相比电池模组中其他电池单组电压较高：
步骤1.1.1），导通功率开关管S3i，接通第i个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1i，将第i个电池单组的部分电量储存到原边绕组N1i中；
步骤1.1.2），关断功率开关管S3i、导通功率开关管S，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，将原边绕组N11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；
步骤1.2），若第i个电池单组相比电池模组中其他电池单组电压较低：
步骤1.2.1），导通功率开关管S，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；
步骤1.2.2），关断功率开关管S，导通功率开关管S3i，接通第i个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1i，将副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N1i中，原边绕组N1i中的电量再转移到第i个电池单组中；
步骤2），对于任意第i个电池单组，令电池单体B4i+1、B4i+2组成第i个电池单组中的第1个电池单元，电池单体B4i+3、B4i+4组成第i个电池单组中的第2个电池单元；利用CUK变换器均衡完成各个电池单组中2个电池单元之间的均衡：
步骤2.1），若第i个电池单组中第1个电池单元的电压比第2个电池单元的电压较高：
步骤2.1.1），导通功率开关管S1i，截止功率开关管S2i,此时第1个电池单元内的2个电池单体B4i+1、B4i+2流出的电流使电感L1i储能；电容C1i放电使电感L2i储能，并向第2个电池单元2个电池单体B4i+3、B4i+4电池充电转移电量；第1个电池单元的放电和第2个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.1.2），截止功率开关管S1i，导通功率开关管S2i，此时第1个电池单元内的2个电池单体B4i+1、B4i+2和电感L1i感应电动势相加向电容C1i充电，电容C1i储能，电感L2i释放能量，其放电电流向第2个电池单元2个电池单体B4i+3、B4i+4电池充电转移电量；第1个电池单元的放电和第2个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.2），若第i个电池单组中第1个电池单元的电压比第2个电池单元的电压较低：
步骤2.2.1），导通功率开关管S2i，截止功率开关管S1i,此时第2个电池单元内的2个电池单体B4i+3、B4i+4流出的电流使电感L2i储能；电容C2i放电使电感L1i储能，并向第1个电池单元2个电池单体B4i+1、B4i+2电池充电转移电量；第2个电池单元的放电和第1个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤2.2.2），截止功率开关管S2i，导通功率开关管S1i，此时第2个电池单元内的2个电池单体B4i+3、B4i+4和电感L2i感应电动势相加向电容C2i充电，电容C2i储能，电感L1i释放能量，其放电电流向第1个电池单元2个电池单体B4i+1、B4i+2电池充电转移电量；第2个电池单元的放电和第1个电池单元的充电同时进行，能量双向流动；
步骤3），利用固定电阻被动均衡使得各个电池单组中每个电池单元的2个电池单体均衡，对于任意第i个电池单组：
步骤3.1），若其第1个电池单元内电池单体B4i+1的电压大于电池单体B4i+2的电压，则导通MOS管开关Q4i+1，接通电池单体B4i+1和固定电阻R1i，直至电池单体B4i+1、电池单体B4i+2均衡；
步骤3.2），若其第1个电池单元内电池单体B4i+1的电压小于电池单体B4i+2的电压，则导通MOS管开关Q4i+2，接通电池单体B4i+2和固定电阻R1i，直至电池单体B4i+1、电池单体B4i+2均衡；
步骤3.3），若其第2个电池单元内电池单体B4i+3的电压大于电池单体B4i+4的电压，则导通MOS管开关Q4i+3，接通电池单体B4i+3和固定电阻R2i，直至电池单体B4i+3、电池单体B4i+4均衡；
步骤3.4），若其第2个电池单元内电池单体B4i+3的电压小于电池单体B4i+4的电压，则导通MOS管开关Q4i+4，接通电池单体B4i+4和固定电阻R2i，直至电池单体B4i+3、电池单体B4i+4均衡。
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