CN115765122B - 基本均衡单元、电池组的主动均衡拓扑结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基本均衡单元、电池组的主动均衡拓扑结构和方法，所述基本均衡单元应用于电池组的主动均衡拓扑结构，所述基本均衡单元连接四节串联的电池，所述基本均衡单元包括一级变压器和开关组，在其中两节电池存在能量失衡的情形下，所述基本均衡单元根据所述开关组接通的传输路径，通过所述一级变压器在所述两节电池之间进行能量转移，以达到所述两节电池之间的能量均衡。均衡过程参与器件少，能量转换效率高，均衡速度快，开关管数量少，成本低。电池组的主动均衡拓扑结构，通过多个基本均衡单元级联，达到任意两节电池之间的能量均衡，从而实现整个电池组的能量均衡。

Description

基本均衡单元、电池组的主动均衡拓扑结构和方法

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，具体涉及一种基本均衡单元、电池组的主动均衡拓扑结构和方法。

背景技术

目前，电池系统在汽车和储能等领域得到了广泛的应用，而随着新能源行业的发展，市场对电池容量的需求越来越高。为了提升电池容量，电池串并联数目在不断增加，但电池系统中单体电池的电压不一致性会严重影响到电池容量，造成所谓的短板效应，并且个别单体电池容易过充或过放，影响电池系统的可靠性。

为此，一般采用主动均衡技术，把电压偏高的单体电池的电能转移到电压偏低的单体电池中去，从而实现在充电和放电时的实时均衡，发挥出每节电池的潜力，并保证每节电池同时充满或放空，延长系统的寿命。

如图1所示为现有技术的均衡电路示意图，采用开关矩阵方案，包括开关矩阵电路和隔离双向电源两部分，开关矩阵用于选通电压最高和最低的电池单元，双向电源实现两电池单元之间的电能传输。该方案进行一次均衡充放电工作，需有12个MOS管串联参与，参与器件多，转换效率低，且不能多组电池同时进行均衡工作，影响均衡速度。

发明内容

本发明的目的在于提供的一种基本均衡单元、电池组的主动均衡拓扑结构和方法，改善现有技术均衡效率低、影响均衡速度的问题。

第一方面，本发明提供了一种基本均衡单元，应用于电池组的主动均衡拓扑结构，所述基本均衡单元连接四节串联的电池，所述基本均衡单元包括一级变压器和开关组，在其中两节电池存在能量失衡的情形下，所述基本均衡单元根据所述开关组接通的传输路径，通过所述一级变压器在所述两节电池之间进行能量转移，以达到所述两节电池之间的能量均衡。

优选地，所述四节电池为第一位电池、第二位电池、第三位电池和第四位电池，所述开关组包括串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述一级变压器原边的一端连接所述第一位电池和第二位电池的中间节点，所述一级变压器原边的另一端连接所述第一开关管和第二开关管的中间节点，所述一级变压器副边的一端连接所述第三位电池和第四位电池的中间节点，所述一级变压器副边的另一端连接所述第三开关管和第四开关管的中间节点。

优选地，所述基本均衡单元的均衡工作包括半桥转换模式和反激转换模式；在所述半桥转换模式下，所述基本均衡单元在所述第一位电池和第二位电池之间进行能量转移，或者，在所述第三位电池和第四位电池之间进行能量转移；在所述反激转换模式下，所述基本均衡单元在所述第一位电池和第四位电池之间进行能量转移，或者，在所述第二位电池和第三位电池之间进行能量转移。

优选地，所述半桥转换模式下， 在所述第一位电池的电压高于所述第二位电池的电压的状态下，在第一时间段内，所述第一开关管导通，所述第二开关管、第三开关管和第四开关管均断开，所述第一位电池的能量转移至所述一级变压器；在连续的第二时间段内，所述第一开关管断开，所述第二开关管导通，所述第三开关管和第四开关管保持断开，所述一级变压器将能量转移至所述第二位电池；在所述第一位电池的电压低于所述第二位电池的电压的状态下，在所述第一时间段内，所述第二开关管导通，所述第一开关管、第三开关管和第四开关管均断开，所述第二位电池的能量转移至所述一级变压器，在所述第二时间段内，所述第一开关管导通，所述第二开关管断开，所述第三开关管和第四开关管保持断开，所述一级变压器将能量转移至所述第一位电池。

优选地，所述反激转换模式下， 在所述第一位电池的电压高于所述第四位电池的电压的状态下，在第一时间段内，所述第一开关管导通，所述第二开关管、第三开关管和第四开关管均断开，所述第一位电池的能量转移至所述一级变压器，在连续的第二时间段内，所述第一开关管断开，所述第四开关管导通，所述第二开关管和第三开关管保持断开，所述一级变压器将能量转移至所述第四位电池；在所述第一位电池的电压低于所述第四位电池的电压的状态下，在所述第一时间段内，所述第四开光管导通，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管均断开，所述第四位电池的能量转移至所述一级变压器，在所述第二时间段内，所述第一开关管导通，所述第四开关管断开，所述第二开关管和第三开关管保持断开，所述一级变压器将能量转移至所述第一位电池。

第二方面，本发明还提供一种电池组的主动均衡拓扑结构，所述电池组包括N节串联电池， 所述主动均衡拓扑结构包括M个如上述所述的基本均衡单元，M个所述基本均衡单元依次连接，每个所述基本均衡单元连接四节电池，相邻两个所述基本均衡单元之间连接一节相同电池，其中，M=(N-1)/3；在能量失衡的两节电池分别连接不同基本均衡单元的情形下，所对应的基本均衡单元通过所述相同电池，对该两节电池进行能量转移。

优选地，所述电池组包括电池BAT1~BAT7，所述基本均衡单元分别为第一基本均衡单元和第二基本均衡单元，所述第一基本均衡单元连接电池BAT1~BAT4,所述第二基本均衡单元连接BAT4~BAT7,其中，电池BAT4为所述相同电池，在需要进行能量转移的两节电池分别连接所述第一基本均衡单元和所述第二基本均衡单元的情形下，通过所述电池BAT4进行能量转移。

第三方面，本发明还提供一种电池组的主动均衡拓扑结构，所述电池组包括N节串联电池， 所述电池组包括M个电池单元，每个所述电池单元包括四节不同的电池，其中，N能被4整除，M=N/4；所述主动均衡拓扑结构包括M个如上述任一项所述的基本均衡单元，M个所述基本均衡单元依次连接，每个所述基本均衡单元对应连接一个所述电池单元，每个所述基本均衡单元对所连接的电池单元进行能量均衡。

优选地，所述主动均衡拓扑结构还包括二级均衡单元，所述二级均衡单元包括二级变压器和双向开关组，每个所述二级均衡单元对应连接四个所述电池单元；在两个所述电池单元存在能量失衡的情形下，所述二级均衡单元根据所述双向开关组接通的传输路径，通过所述二级变压器在两个所述电池单元之间进行能量转移，以达到两个所述电池单元之间的能量均衡。

优选地，所述电池单元包括第一电池单元、第二电池单元、第三电池单元和第四电池单元，所述双向开关组包括第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关和第四双向开关；所述二级变压器原边的一端连接所述第一电池单元和第二电池单元的中间节点，所述二级变压器原边的另一端连接所述第一双向开关和第二双向开关的中间节点，所述二级变压器副边的一端连接所述第三电池单元和第四电池单元的中间节点，所述二级变压器副边的另一端连接所述第三双向开关和第四双向开关的中间节点。

第四方面，本发明还提供一种电池组的主动均衡方法，应用于电池组的主动均衡拓扑结构，所述主动均衡方法包括：

采集所述电池组中每节电池的电池电压；

根据所述电池电压判断是否存在两节电池能量失衡的情形；以及

在所述两节电池之间能量失衡的情形下，通过开关控制信号选通能量传输路径，在所述两节电池之间进行能量转移，以达到所述两节电池之间的能量均衡。

优选地，根据所述电池组中最高压电池和最低压电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形；或者根据两节相邻电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形。

优选地，根据所述电池组中最高压电池和最低压电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形下，所述主动均衡方法的步骤包括：

S10：采集所述电池组中所有电池的电压，并获取最高压电池和最低压电池；

S20：判断所述最高压电池和最低压电池的压差是否大于预设的失衡电压值，若是，则执行S30；若否，则不进行主动均衡；

S30：判断所述最高压电池和最低压电池是否连接同一个基本均衡单元，若是，直接执行S40；若否，通过半桥转换模式或反激转换模式，将所述最高压电池和最低压电池转移至连接同一个所述基本均衡单元后，再执行S40；

S40：判断所述最高压电池和最低压电池是否第一位电池和第二位电池，或者是否第三位电池和第四位电池；若是，所对应基本均衡单元在半桥转换模式下对所述最高压电池和最低压电池进行能量转移；若否，则执行S50；

S50：判断所述最高压电池和最低压电池是否第一位电池和第四位电池，或者是否第二位电池和第三位电池；若是，所对应基本均衡单元在反激转换模式下对所述最高压电池和最低压电池进行能量转移；若否，执行S60；

S60：选择其他电池作为桥接电池，先在半桥转换模式下对所述最高压电池和最低压电池中的一个电池与所述桥接电池进行能量转移，再在反激转换模式下对所述桥接电池和另一个电池进行能量转移。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基本均衡单元，与四节电池对应连接，可以根据开关组接通的传输路径，通过一级变压器在两节电池之间进行能量转移，从而实现两节电池之间的能量均衡。采用变压器和开关组进行能量转移，改善所对应的四节电池能量不均衡的问题，参与器件少，能量转换效率高，均衡速度快，开关管数量少，成本低。

本发明提供的一种电池组的主动均衡拓扑结构，通过多个基本均衡单元级联，且两个相邻基本均衡单元之间共同连接一节相同电池，两个相邻基本均衡单元通过该节相同电池进行能量均衡，达到任意两节电池之间的能量均衡，从而实现整个电池组的能量均衡。

本发明提供的另一种电池组的主动均衡拓扑结构，通过多个基本均衡单元级联，且每个基本均衡单元对应连接一个电池单元，每个电池单元包含四节不同的电池，每个基本均衡单元对所连接的四节电池进行能量均衡，每个基本均衡单元独立，互不干扰，可同时进行均衡工作，均衡速度高。

进一步的，通过二级均衡单元对应连接四个电池单元，在两个电池单元之间存在能量均衡的情形下，根据双向开关组接通的能量传输路径，通过二级变压器在两个电池单元之间进行能量转移，实现两个电池单元之间的能量均衡。通过四个基本均衡单元和一个二级均衡单元结合的拓扑结构，实现对整个电池组的能量均衡，均衡速度快。

本发明提供的一种电池组的主动均衡方法，应用于上述的主动均衡拓扑结构中，通过MCU的开关控制信号选择能量传输路径，实现两节电池间的能量转移。

本发明提供的基本均衡单元具有两种工作模式，一是半桥转换模式，二是反激转换模式，两种工作模式的能量转移过程中功率通路短，参与器件少，开关管数量少，能量转换效率高；在多个基本均衡单元级联的情况下，可以多个基本均衡单元同时工作，均衡速度快。

本发明提供的主动均衡拓扑结构标准化、模块化和体积小，电池数量扩充方便，对电池串数没有限制，能极大地提高了电池组的工作电压上限，且参与器件用量少，成本低；采用的变压器绕组数量少，结构简单，易于加工和实现小型化。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1所示为现有技术中开关矩阵型主动均衡电路的示意图；

图2所示为现有技术中Buck-Boost型主动均衡电路的示意图；

图3所示为现有技术中隔离型多绕组耦合主动均衡电路的示意图；

图4所示为本发明提供的基本均衡单元的实施例示意图；

图5示出图4所示基本均衡单元在半桥转换模式下对两节电池进行能量转移的工作示意图；

图6示出图4所示基本均衡单元在反激转换模式下对两节电池进行能量转移的工作示意图；

图7所示为本发明提供的一种主动均衡拓扑结构的实施例示意图；

图8所示为本发明提供的另一种主动均衡拓扑结构的实施例示意图；

图9所示为本发明提供的主动均衡方法的流程框图；

图10所示为本发明提供的主动均衡方法的实施例具体流程图。

实施方式

目前针对电池组的主动均衡拓扑方案，基本架构大部分采用双向DCDC电源转换电路。如图1所示的开关矩阵型主动均衡电路拓扑，主要包括开关矩阵电路和隔离双向电源，开关矩阵电路用于选通电压最高和电压最低的电池，双向电源实现两个电池之间的电能传输，但该方案进行一次充放电均衡工作，需要12个MOS管串联参与，转换效率低，且不能多组同时均衡，影响均衡速度，另外开关数量多，需要隔离变压器，电路复杂、成本高，不易于实现模块化。如图2所示，是一种基于非隔离的Buck-Boost DC/DC变换电路的主动均衡电路拓扑，基本单元为一个非隔离的Buck-Boost变换器，实现相邻两个电池之间的能量传递，但如果需要进行均衡的电池是不相邻的电池，两个电池之间间隔较多，则需要进行多级传递，传递过程中能量会有衰减，影响均衡速度。如图3所示，为隔离型多绕组耦合主动均衡电路拓扑，是一种多绕组耦合方式的双向单端反激DC/DC变换器，同一时间工作的是电量最高和电量最低的一对电池之间进行能量传递，该方案采用的变压器绕组数量多，变压器加工复杂，耦合差漏感大，对开关管耐压要求高，转换效率低，且开关数量多，变压器体积大，整体很难小型化，成本高。

针对现有技术存在的问题，申请人在能量转换效率、均衡速度、体积和成本等维度来进行研发，提供一种基本均衡单元、用于电池组的主动均衡拓扑结构和方法，以改善现有技术中串联电池组均衡拓扑存在较高功率损耗，均衡器件多，均衡效率低和成本高的问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图4示出本发明提供的基本均衡单元的实施例示意图。

第一方面，参考图4，本发明提供了一种基本均衡单元110，应用于电池组的主动均衡拓扑结构，其中，基本均衡单元110连接四节串联的电池，该四节电池根据排列位置依次为第一位电池、第二位电池、第三电池和第四位电池，基本均衡单元110包括一级变压器和开关组，当四节电池中的其中两节电池能量失衡时，可以根据开关组接通的能量传输路径，通过一级变压器对该两节电池进行能量转移，实现两节电池之间能量均衡。

如图4所示，第一位电池为电池BAT1，第二位电池为电池BAT2，第三位电池为电池BAT3，第四位电池为电池BAT4，一级变压器为变压器T1，开关组包括四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4，其中，变压器T1原边的一端连接电池BAT1和BAT2的中间节点，变压器T1原边的另一端连接开关管Q1和开关管Q2的中间节点，变压器T1副边的一端连接电池BAT3和电池BAT4的中间节点，变压器T1副边的另一端连接所述开关管Q3和开关管Q4的中间节点。本实施例中，开关管均为MOS管，四个MOS管同向串联，当有两节电池需要进行均衡维护时，通过控制四个MOS管的通断状态来选通能量传输路径，变压器T1根据该路径，先储存能量较多那节电池的能量，再将能量转移至能量较少的电池中，从而实现两个电池之间的能量转移，均衡过程中参与的器件少，开关管数量少，能量转换效率高，成本低，而且采用的变压器绕组少，易于加工及实现小型化。

本实施例中，基本均衡单元110的均衡工作包括半桥转换模式和反激转换模式两种，其中，在半桥转换模式下，基本均衡单元110可以在第一位电池BAT1和第二位电池BAT2之间进行能量转移，或者是在第三位电池BAT3和第四位电池BAT4之间进行能量转移；在反激转换模式下，基本均衡单元110可以在第一位电池BAT1和第四位电池BAT4之间进行能量转移，或者是在第二位电池BAT2和第三位电池BAT3之间进行能量转移。通过两种工作模式的结合，可以对四节电池中的任意两节电池进行均衡工作，实现四节电池的能量均衡，避免四节电池出现过充或过放的现象，提高四节电池的使用寿命。

请参考图5中的（a）和（b），示出在第一位电池和第二位电池之间能量失衡时，本发明提供的基本均衡单元在半桥转换模式下对第一位电池和第二位电池进行能量转移的工作示意图。如图5中的（a）所示，在电池BAT1的电压最高而电池BAT2的电压最低的状态下，在第一时间段内，开关管Q1作为主开关导通，其他开关管均断开，Q1导通时，电池BAT1将能量转移至变压器T1，变压器T1的原边电感储能，之后，在连续的第二时间段内，开关管Q1断开，开关管Q2导通做同步整流，其他开关管保持断开，Q2导通时，变压器T1将能量转移至电池BAT2中，从而实现电池BAT1对BAT2充电。如图5中的（b）所示，在电池BAT1的电压最低而电池BAT2的电压最高的状态下，在第一时间段内，开关管Q2作为主开关导通，其他开关管均断开，Q2导通时，电池BAT2将能量转移至变压器T1，变压器T1的原边电感储能，之后，在连续的第二时间段内，开关管Q2断开，开关管Q1导通做同步整流，其他开关管保持断开，Q1导通时，变压器T1将能量转移至电池BAT1中，从而实现电池BAT2对BAT1充电。

请参考图5中的（c）和（d），示出在第三位电池和第四位电池之间能量失衡时，本发明提供的基本均衡单元在半桥转换模式下对第三位电池和第四位电池进行能量转移的工作示意图。其中图5中的（c）示出电池BAT3的电压最高而电池BAT4的电压最低的状态下，电池BAT3将能量转移至电池BAT4中的过程。图5中的（d）示出电池BAT3的电压最低而电池BAT4的电压最高的状态下，电池BAT4将能量转移至电池BAT3中的过程。能量转移过程通过变压器T1的副边电感储能，其他原理与图5中的（a）和（b）所示的类似。

请参考图6中的（a）和（b），示出第一位电池和第四位电池之间能量失衡时，本发明提供的基本均衡单元在反激转换模式下对第一位电池和第四位电池进行能量转移的工作示意图。如图6中的（a）所示，在电池BAT1的电压最高而电池BAT4的电压最低的状态下，在第一时间段内，开关管Q1作为主开关导通，其他开关管均断开，Q1导通时，电池BAT1将能量转移至变压器T1，变压器T1的原边电感储能，之后，在连续的第二时间段内，开关管Q1断开，开关管Q2和Q3保持断开，开关管Q4导通做同步整流，变压器T1的副边通过Q4续流，将能量转移至电池BAT4中，从而实现电池BAT1对BAT4充电。如图6中的（b）所示，在电池BAT1的电压最低而电池BAT4的电压最高的状态下，在第一时间段内，开关管Q4作为主开关导通，其他开关管均断开，Q4导通时，电池BAT4将能量转移至变压器T1，变压器T1的副边电感储能，之后，在连续的第二时间段内，开关管Q1断开，开关管Q2和开关管Q3保持断开，开关管Q1导通做同步整流，变压器T1的原边通过Q1续流，将能量转移至电池BAT1中，从而实现电池BAT4对BAT1充电。

请参考图6中的（c）和（d），示出第二位电池和第三位电池之间能量失衡时，本发明提供的基本均衡单元在反激转换模式下对第二位电池和第三位电池进行能量转移的工作示意图。其中图6中的（c）示出电池BAT2的电压最高而电池BAT3的电压最低的状态下，电池BAT2将能量转移至电池BAT3中的过程。图6中的（d）示出电池BAT2的电压最低而电池BAT3的电压最高的状态下，电池BAT3将能量转移至电池BAT2的过程，原理与图6中的（a）和（b）所示类似，不再累述。

本实施例中，基本均衡单元的两种工作模式均是对两节奇偶数电池进行能量转移，当遇到需要进行能量均衡的两节电池均是偶数位电池或均是奇数位电池的情况时，基本均衡单元可以结合使用半桥转换和反激转换两种模式来进行能量转移。例如第一位电池BAT1和第三位电池BAT3均是奇数位电池，在电池BAT1的电压最高而电池BAT3最低时，基本均衡单元先在半桥转换模式下将电池BAT1的能量转移至电池BAT2，再在反激转换模式下，将电池BAT2的能量转移电池BAT3，从而实现电池BAT1对电池BAT3充电。以此类推，通过两种模式结合进行能量转移，基本均衡单元可以对四节电池中的任意两节电池开展能量均衡工作。

其中，电池BAT1和BAT2之间在半桥转换模式下进行能量转移时，在Q1和Q2导通的时间段内，变压器T1的原边储存电感和电感续流期间，变压器T1副边可能感应出电压，该电压通过Q3的体二级管续流，为避免Q3反向导通引起电路工作异常，因此可以通过对每个MOS管再反向串联一个MOS管，形成双向开关，来避免该电路异常情况。在其他任意两节电池在进行能量转移时，或者在反激转换模式下也同理。

本实施例中，基本均衡单元中的各MOS管与微控制单元（Micro control unit，MCU）（图中未示出）连接，根据MCU的开关控制信号进行导通或关断；四节电池与电池模拟前端芯片（Analog front end，AFE）（图中未示出）连接，AFE采集每节电池的电压电池状态并反馈至MCU，MCU则根据各电池的电压状态执行相应的均衡算法，控制相关电路实现对各MOS管的相应控制驱动，从而实现四节电池之间的能量转移。

在本实施例中，是以电压不一致指标作为均衡变量的，当然并不以此作为限制，在可替代的其他实施例中，也可采用本领域普通技术人员易于想到的参数作为检测指标来实现主动能量均衡，以减小均衡电路的开关损耗，提高均衡速度，延长电池组的使用寿命。

图7所示为本发明提供的一种主动均衡拓扑结构的实施例示意图。

第二方面，请参考图7，本发明提供一种电池组的主动均衡拓扑结构200，其中电池组220有N节串联电池，主动均衡拓扑结构200包括M个上述的基本均衡单元，其中M个基本均衡单元依次连接，每个基本均衡单元对应连接四节电池，其中相邻的两个基本均衡单元之间连接有一节相同电池。在存在能量失衡的两节电池分别连接不同的基本均衡单元的情况下，所对应的基本均衡单元通过所述相同电池，对该两节电池进行能量转移，从而通过M个基本均衡单元配合工作，可以对电池组中任意两节电池进行能量均衡。

如图7所示，以电池组220包括7节电池为例，分别为电池BAT1、BAT2、BAT3、BAT4、BAT5、BAT6和BAT7，主动均衡拓扑结构200包括2个基本均衡单元，分别为第一基本均衡单元211和第二基本均衡单元212，第一基本均衡单元211对应连接电池BAT1~BAT4，第二基本均衡单元212对应连接BAT4~BAT7，其中BAT4为两个基本均衡单元共同连接的相同电池。在第一基本均衡单元211中，第一位电池为电池BAT1，第二位电池为电池BAT2，第三位电池为电池BAT3，第四位电池为电池BAT4；在第二基本均衡单元212中，第一位电池为电池BAT4，第二位电池为电池BAT5，第三位电池为电池BAT6，第四位电池为电池BAT7。第一基本均衡单元211包括变压器T1和开关管Q1~Q4，第二基本均衡单元212包括变压器T2和开关管Q5~Q8。

例如在电池BAT1和BAT5之间能量失衡时，在电池BAT1的电压最高而电池BAT5的电压最低的状态下，先由第一基本均衡单元211在反激转换模式下，对电池BAT1和电池BAT4进行能量转移，之后，再由第二基本均衡单元212在半桥转换模式下，对电池BAT4和电池BAT5进行能量转移，从而两个基本均衡单元通过相同电池BAT4完成电池BAT1对电池BAT5的充电。

主动均衡拓扑结构200可以对任意两节电池进行能量均衡，当需要能量均衡的两节电池对应连接同一个基本均衡单元的情况下，相应的基本均衡单元在半桥转换模式或反激转换模式下对该两节电池进行能量转移；当需要能量均衡的两节电池分别对应不同的基本均衡单元的情况下，所对应的基本均衡单元可以依次工作，通过所连接的相同电池分别进行能量转移，实现能量均衡，以保证每个单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，延长电池组的使用寿命。

本实施例中，应用于N串电池的主动均衡拓扑结构200需要M个基本均衡单元级联，其中M=(N-1)/3，M能被4整除。主动均衡拓扑结构200原则上对单体电池的串联连接的最多数量没有限制，向上可无限级联，能极大地提高了电池组220的工作电压上限。

图8所示为本发明提供的另一种主动均衡拓扑结构的实施例示意图。

第三方面，请参考图8，本发明提供了另一种电池组的主动均衡拓扑结构300，该电池组320有N节串联电池，其中包括M个电池单元，每个电池单元包含四节不同的电池。主动均衡拓扑结构300包括M个基本均衡单元，每个基本均衡单元对应连接一个电池单元，即每个基本均衡单元连接四节不同的电池，每个基本均衡单元可以对所连接的四节电池进行能量均衡，且可以同时独立工作，互不干扰，均衡效率高。

以电池组包含16节电池为例，如图8所示，电池组320包括第一电池单元321、第二电池单元322、第三电池单元（图中未示出）和第四电池单元（图中未示出），其中第一电池单元321包含电池BAT1~BAT4，第二电池单元322包含电池BAT2~BAT8，第三电池单元包含电池BAT9~BAT12（图中未示出），第四电池单元包含电池BAT13~BAT16（图中未示出）。主动均衡拓扑结构300包括第一基本均衡单元311、第二基本均衡单元312、第三基本均衡单元（图中未示出）和第四基本均衡单元（图中未示出），第一基本均衡单元311连接第一电池单元321，第二基本均衡单元312连接第二电池单元322，第三基本均衡单元连接第三电池单元，第四基本均衡单元连接第四电池单元。

具体的，如图8所示，主动均衡拓扑结构300还包括二级均衡单元315，二级均衡单元315包括二级变压器T5和双向开关组，每个二级均衡单元对应连接四个电池单元；当其中两个电池单元存在能量失衡的情形下，二级均衡单元315根据双向开关组接通的传输路径，通过二级变压器在两个电池单元之间进行能量传输，以达到两个所述电池单元之间的能量均衡。在本实施例中，将每个电池单元视为一节电池，即BAT4-1、BAT4-2、BAT4-3和BAT4-4，这四个电池单元与二级均衡单元315连接，其中，双向开关组包括四个双向开关，每个双向开关由两个MOS管反向连接构成，分别是Q1a/Q1b、Q2a/Q2b、Q3a/Q3b和Q4a/Q4b，二级变压器T5的原边一端连接BAT4-1和BAT4-2的中间节点，另一端连接双向开关Q1a/Q1b和Q2a/Q2b的中间节点；二级变压器T5的副边一端连接BAT4-3和BAT4-4的中间节点，另一端连接双向开关Q3a/Q3b和Q4a/Q4b的中间节点。本实施例中，二级均衡单元315同样有半桥转换和反激转换两种均衡模式，在半桥转换模式下，二级均衡单元315可以对电池单元BAT4-1和BAT4-2进行能量转移，或者对电池单元BAT4-3和BAT4-4进行能量转移；在反激转换模式下，二级均衡单元315可以对电池单元BAT4-1和BAT4-4进行能量转移，或者对电池单元BAT4-2和BAT4-3进行能量转移。通过4个基本均衡单元和1个二级均衡单元共5个均衡单元结合，可以先由二级均衡单元315对四个电池单元进行能量均衡，再由每个基本均衡单元对各自连接的四节电池进行能量均衡，即可完成16节串联电池的主动均衡，均衡速度快，效率高。

本实施例中，二级均衡单元315采用双向开关，可以防止二级变压器T5的一边绕组在电感续流期间，另一边绕组漏感存储的能量通过不导通的MOS管体二级管续流而导致的电路异常情况。

本实施例中，应用于N串电池的主动均衡拓扑结构300需要M个基本均衡单元级联，其中M=N/4，N能被4整除。主动均衡拓扑结构300原则上对单体电池的串联连接最高数量没有限制，向上可无限级联，能极大地提高了电池组320的工作电压上限。

在上述实施例中，所有电池是二次电池，可选自锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池中的任意一种。

在另一些实施例中，可以将主动均衡拓扑结构200和主动均衡拓扑结构300两种级联方案组合使用，以进一步提高均衡效率和降低成本。

本发明实施例通过对串联电池组采用一种新的主动均衡拓扑结构来保证电池组中的单体电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，以改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小串联电池组的维修和更换周期，延长电池组的使用寿命，降低其在混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站等应用场景下的运行成本。

第四方面，本发明还提供了一种电池组的主动均衡方法，请参考图9，示出本发明提供的主动均衡方法的流程框图，所述电池组与多个基本均衡单元连接，多个基本均衡单元级联应用，每个基本均衡单元对应连接四节电池，主动均衡方法包括：

采集所述电池组中每节电池的电池电压；

根据所述电池电压判断是否存在两节电池能量失衡的情形；以及在所述两节电池之间能量失衡的情形下，通过开关控制信号选通能量传输路径，在所述两节电池之间进行能量转移，以达到所述两节电池之间的能量均衡。

本实施例中，通过AFE采集到的电压数据反馈至MCU，MCU分别判断采集的电压中是否存在两个电池能量失衡的情形，若判断出存在能量失衡的情形，MCU通过开关控制信号控制相应均衡单元的开关组的通断，来选择均衡单元的能量传输路径，实现两个电池之间的能量均衡。

具体的，可以根据电池组中最高压电池和最低压电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形；或者是根据两节相邻电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形。

请参考图10，是本发明提供的电池组的主动均衡方法的实施例流程图。在本实施例中，采用根据电池组中最高压电池和最低压电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形下，主动均衡方法的具体步骤包括：

S10：采集所述电池组中所有电池的电压，并获取最高压电池和最低压电池；

S20：判断所述最高压电池和最低压电池的压差是否大于预设的失衡电压值，若是，则执行S30；若否，则不进行主动均衡；

S30：判断所述最高压电池和最低压电池是否连接同一个基本均衡单元，若是，直接执行S40；若否，通过半桥转换模式或反激转换模式，将所述最高压电池和最低压电池转移至连接同一个所述基本均衡单元后，再执行S40；

S40：判断所述最高压电池和最低压电池是否第一位电池和第二位电池，或者是否第三位电池和第四位电池；若是，所对应基本均衡单元在半桥转换模式下，对所述最高压电池和最低压电池进行能量转移；若否，则执行S50；

S50：判断所述最高压电池和最低压电池是否第一位电池和第四位电池，或者是否第二位电池和第三位电池；若是，所对应基本均衡单元在反激转换模式下对所述最高压电池和最低压电池进行能量转移；若否，执行S60；

S60：选择其他电池作为桥接电池，先在半桥转换模式下对所述最高压电池和最低压电池中的一个电池与所述桥接电池进行能量转移，再在反激转换模式下对所述桥接电池和另一个电池进行能量转移。

在步骤S10中，AFE采集电池组中所有电池的电压Vi（i=1，2，3……n)反馈至MCU，MCU从反馈的电压中找出最高电压值Vmax和最低电压值Vmin，并获得所对应的最高压电池BATp和最低压电池BATk，即Vp=Vmax，Vk=Vmin。

在步骤S20中，MCU可以先预设一个失衡电压值Vth,作为判断能量失衡的依据，然后通过公式ΔV=Vp-Vk来获得最高压电池BATp和最低压电池BATk的压差ΔV并进行判断，若ΔV>Vth，视为最高压电池BATp和最低压电池BATk存在能量失衡情形，需要开展均衡工作，则执行步骤S30，若ΔV<Vth，视为最高压电池BATp和最低压电池BATk不存在能量失衡情形，则控制无需进行主动均衡工作。

在步骤S30中，进一步判断最高压电池BATp和BATk是否对应连接同一个基本均衡单元,在对应连接同一个基本均衡单元情况下(例如电池组220中的电池BAT1和BAT4)则直接执行步骤S40，在分别连接不同的基本均衡单元的情况下（例如电池组220中的电池BAT1和BAT5），则可以控制相应基本均衡单元通过半桥转换模式或反激转换模式，将所述最高压电池和最低压电池转移至连接同一个所述基本均衡单元后，再执行步骤S40。转移后会形成新的最高压电池或新的最低压电池，例如电池组220中的电池BAT1电压最高而电池BAT5电压最低时，电池BAT1对应的第一基本均衡单元211通过反激转换模式将能量转移到电池BAT4，此时电池BAT4成为新的最高压电池，转移后新的最高压电池BAT4与最低压电池BAT5均对应连接第二基本均衡单元212。

在步骤S40中，可以先记录最高压电池BATp所对应的电池位数i，例如是第一位电池，则i=1；以及记录最低压电池所对应的电池位数j，例如是第四位电池，则j=4，由于一个基本均衡单元连接四节电池，所以在同一个基本均衡单元中I,j=1,2,3,4，且i≠j。然后通过计算i+j=3或i+j=7判断最高压电池BATp和最低压电池BATk是否第一位电池和第二位电池，或者是否第三位电池和第四位电池，若是这两种情形之一（例如最高压电池为BAT2,最低压电池为BAT1），所对应基本均衡单元在半桥转换模式下，对所述最高压电池和最低压电池进行能量转移，若否，则执行S50。

在步骤S50中，可以通过公式i+j=5判断最高压电池BATp和最低压电池BATk是否第二位电池和第三位电池，或者是否第一位电池和第四位电池，若是这两种情形之一，所对应基本均衡单元在反激转换模式下对所述最高压电池和最低压电池进行能量转移；若否，执行S60。

在步骤S60中，视为最高压电池BATp和最低压电池BATk均为奇数位电池（第一位电池和第三位电池），或者均为偶数位电池(第二位电池和第四位电池)这两种情形，则先选取一节其他电池作为桥接电池，该桥接电池与最高压电池BATp或最低压电池BATk连接同一个基本均衡单元，然后在半桥转换模式下对最高压电池BATp和最低压电池BATk中的其中一个电池和桥接电池进行能量转移，再在反激转换模式下对桥接电池和另一个电池进行能量转移。例如最高压电池为电池组220中的BAT1，最低压电池为电池组220中的BAT3时，可以选取电池BAT2作为桥接电池，第一基本均衡单元211先在半桥转换模式下将电池BAT1的能量转移至与其相邻的电池BAT2中，再在反激转换模式下，将电池BAT2的能量转移至电池BAT3中，从而实现两个奇数位电池之间的能量转换，两个偶数位电池之间的能量转换同理实现。

在本实施例中的主动均衡方法应用在图7和图8所示的主动均衡拓扑结构中，利用其基本均衡单元的拓扑结构，及相邻基本均衡单元的级联设计，可以在任意两节电池之间的能量失衡情形下，选择对应的工作模式，并通过开关控制信号实现能量路径的切换，将能量从较高的电池转移到较低的电池中去，使该两节电池之间进行能量转移，达到该两节电池之间的电压均衡，从而实现每节电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题。

应当说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，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组件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，在本文中，所含术语“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。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种基本均衡单元，应用于电池组的主动均衡拓扑结构，其特征在于：所述基本均衡单元连接四节串联的电池，所述基本均衡单元包括一级变压器和开关组，在其中两节电池存在能量失衡的情形下，所述基本均衡单元根据所述开关组接通的传输路径，通过所述一级变压器在所述两节电池之间进行能量转移，以达到所述两节电池之间的能量均衡；

所述四节电池为第一位电池、第二位电池、第三位电池和第四位电池，所述开关组包括串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述一级变压器原边的一端连接所述第一位电池和第二位电池的中间节点，所述一级变压器原边的另一端连接所述第一开关管和第二开关管的中间节点，所述一级变压器副边的一端连接所述第三位电池和第四位电池的中间节点，所述一级变压器副边的另一端连接所述第三开关管和第四开关管的中间节点；

所述基本均衡单元的均衡工作包括半桥转换模式和反激转换模式；在所述半桥转换模式下，所述基本均衡单元在所述第一位电池和第二位电池之间进行能量转移，或者，在所述第三位电池和第四位电池之间进行能量转移；在所述反激转换模式下，所述基本均衡单元在所述第一位电池和第四位电池之间进行能量转移，或者，在所述第二位电池和第三位电池之间进行能量转移；

所述半桥转换模式下，在所述第一开关管先导通而所述第二开关管后导通时，所述一级变压器将所述第一位电池的能量转移至所述第二位电池，在所述第二开关管先导通而所述第一开关管后导通时，所述一级变压器将所述第二位电池的能量转移至所述第一位电池；或者，在所述第三开关管先导通而所述第四开关管后导通时，所述一级变压器将所述第三位电池的能量转移至所述第四位电池，在所述第四开关管先导通而所述第三开关管后导通时，所述一级变压器将所述第四位电池的能量转移至所述第三位电池；

所述反激转换模式下，在所述第一开关管先导通而所述第四开关管后导通时，所述一级变压器将所述第一位电池的能量转移至所述第四位电池，在所述第四开关管先导通而所述第一开关管后导通时，所述一级变压器将所述第四位电池的能量转移至所述第一位电池；或者，在所述第二开关管先导通而所述第三开关管后导通时，所述一级变压器将所述第二位电池的能量转移至所述第三位电池，在所述第三开关管先导通而所述第二开关管后导通时，所述一级变压器将所述第三位电池的能量转移至所述第二位电池；

在需要能量均衡的两节电池均是偶数位电池或均是奇数位电池的情况时，所述基本均衡单元结合使用所述半桥转换模式和反激转换模式，先选取一节其他电池作为桥接电池，在所述半桥转换模式下对需要能量均衡的两节电池中的一节电池与所述桥接电池进行能量转移，再在所述反激转换模式下对所述桥接电池和另一节电池进行能量转移。

2.根据权利要求1所述的基本均衡单元，其特征在于：

所述半桥转换模式下，在所述第一位电池的电压高于所述第二位电池的电压的状态下，在第一时间段内，所述第一开关管导通，所述第二开关管、第三开关管和第四开关管均断开，所述第一位电池的能量转移至所述一级变压器,在连续的第二时间段内，所述第一开关管断开，所述第二开关管导通，所述第三开关管和第四开关管保持断开，所述一级变压器将能量转移至所述第二位电池；

在所述第一位电池的电压低于所述第二位电池的电压的状态下，在所述第一时间段内，所述第二开关管导通，所述第一开关管、第三开关管和第四开关管均断开，所述第二位电池的能量转移至所述一级变压器，在所述第二时间段内，所述第一开关管导通，所述第二开关管断开，所述第三开关管和第四开关管保持断开，所述一级变压器将能量转移至所述第一位电池。

3.根据权利要求2所述的基本均衡单元，其特征在于：

所述反激转换模式下，在所述第一位电池的电压高于所述第四位电池的电压的状态下，在第一时间段内，所述第一开关管导通，所述第二开关管、第三开关管和第四开关管均断开，所述第一位电池的能量转移至所述一级变压器，在连续的第二时间段内，所述第一开关管断开，所述第四开关管导通，所述第二开关管和第三开关管保持断开，所述一级变压器将能量转移至所述第四位电池；

在所述第一位电池的电压低于所述第四位电池的电压的状态下，在所述第一时间段内，所述第四开关管导通，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管均断开，所述第四位电池的能量转移至所述一级变压器，在所述第二时间段内，所述第一开关管导通，所述第四开关管断开，所述第二开关管和第三开关管保持断开，所述一级变压器将能量转移至所述第一位电池。

4.一种电池组的主动均衡拓扑结构，所述电池组包括N节串联电池，其特征在于：

所述主动均衡拓扑结构包括M个如权利要求1-3任一项所述的基本均衡单元，M个所述基本均衡单元依次连接，每个所述基本均衡单元连接四节电池，相邻两个所述基本均衡单元之间连接一节相同电池，其中，M＝(N-1)/3；

在能量失衡的两节电池分别连接不同基本均衡单元的情形下，所对应的基本均衡单元通过所述相同电池，对该两节电池进行能量转移。

5.根据权利要求4所述的电池组的主动均衡拓扑结构，其特征在于：

所述电池组包括电池BAT1～BAT7，所述基本均衡单元分别为第一基本均衡单元和第二基本均衡单元，所述第一基本均衡单元连接电池BAT1～BAT4,所述第二基本均衡单元连接BAT4～BAT7,其中，电池BAT4为所述相同电池，在需要进行能量转移的两节电池分别连接所述第一基本均衡单元和所述第二基本均衡单元的情形下，通过所述电池BAT4进行能量转移。

6.一种电池组的主动均衡拓扑结构，所述电池组包括N节串联电池，其特征在于：

所述电池组包括M个电池单元，每个所述电池单元包括四节不同的电池，其中，N能被4整除，M＝N/4；

所述主动均衡拓扑结构包括M个如权利要求1-3任一项所述的基本均衡单元，M个所述基本均衡单元依次连接，每个所述基本均衡单元对应连接一个所述电池单元，每个所述基本均衡单元对所连接的电池单元进行能量均衡。

7.根据权利要求6所述的电池组的主动均衡拓扑结构，其特征在于：

所述主动均衡拓扑结构还包括二级均衡单元，所述二级均衡单元包括二级变压器和双向开关组，每个所述二级均衡单元对应连接四个所述电池单元；在两个所述电池单元存在能量失衡的情形下，所述二级均衡单元根据所述双向开关组接通的传输路径，通过所述二级变压器在两个所述电池单元之间进行能量转移，以达到两个所述电池单元之间的能量均衡。

8.根据权利要求7所述的电池组的主动均衡拓扑结构，其特征在于：

所述电池单元包括第一电池单元、第二电池单元、第三电池单元和第四电池单元，所述双向开关组包括第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关和第四双向开关；所述二级变压器原边的一端连接所述第一电池单元和第二电池单元的中间节点，所述二级变压器原边的另一端连接所述第一双向开关和第二双向开关的中间节点，所述二级变压器副边的一端连接所述第三电池单元和第四电池单元的中间节点，所述二级变压器副边的另一端连接所述第三双向开关和第四双向开关的中间节点。

9.一种电池组的主动均衡方法，应用于如权利要求4所述的电池组的主动均衡拓扑结构，所述主动均衡方法包括：

采集所述电池组中每节电池的电池电压；

根据所述电池电压判断是否存在两节电池能量失衡的情形；以及

在所述两节电池之间能量失衡的情形下，通过开关控制信号选通能量传输路径，在所述两节电池之间进行能量转移，以达到所述两节电池之间的能量均衡。

10.根据权利要求9所述的电池组的主动均衡方法，其中：

根据所述电池组中最高压电池和最低压电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形；或者根据两节相邻电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形。

11.根据权利要求10所述的电池组的主动均衡方法，其中，根据所述电池组中最高压电池和最低压电池之间的压差来判断是否存在两节电池能量失衡的情形下，所述主动均衡方法的步骤包括：

S10：采集所述电池组中所有电池的电压，并获取最高压电池和最低压电池；

S20：判断所述最高压电池和最低压电池的压差是否大于预设的失衡电压值，若是，则执行S30；若否，则不进行主动均衡；

S30：判断所述最高压电池和最低压电池是否连接同一个基本均衡单元，若是，直接执行S40；若否，通过半桥转换模式或反激转换模式，将所述最高压电池和最低压电池转移至连接同一个所述基本均衡单元后，再执行S40；

S40：判断所述最高压电池和最低压电池是否第一位电池和第二位电池，或者是否第三位电池和第四位电池；若是，所对应基本均衡单元在半桥转换模式下对所述最高压电池和最低压电池进行能量转移；若否，则执行S50；

S50：判断所述最高压电池和最低压电池是否第一位电池和第四位电池，或者是否第二位电池和第三位电池；若是，所对应基本均衡单元在反激转换模式下对所述最高压电池和最低压电池进行能量转移；若否，执行S60；

S60：选择其他电池作为桥接电池，先在半桥转换模式下对所述最高压电池和最低压电池中的一个电池与所述桥接电池进行能量转移，再在反激转换模式下对所述桥接电池和另一个电池进行能量转移。

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