CN214380139U

CN214380139U - 一种基于电感变压器的电池均衡电路

Info

Publication number: CN214380139U
Application number: CN202022452773.7U
Authority: CN
Inventors: 刘广军; 杨濛; 孙波
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2030-10-29

Abstract

本实用新型涉及一种基于电感变压器的电池均衡电路，包括电池组和电池监测单元，电池组的两端连接有主回路，该主回路中设有主开关，电池组包括多个电池，电池监测单元连接有均衡控制单元；每个电池均连接有电感变压器和均衡开关组，电感变压器包括原边线圈、副边线圈和铁芯，均衡开关组包括初级开关和次级开关，原边线圈、初级开关和电池组连接构成蓄电回路，副边线圈、次级开关和电池连接构成充电回路；初级开关和次级开关均连接均衡控制单元，初级开关和次级开关均为电驱动开关，每个电池均连接电池监测单元。与现有技术相比，本实用新型具有实现了提高电池使用寿命、提高了电池安全性、增加了整体有效容量等优点。

Description

一种基于电感变压器的电池均衡电路

技术领域

本实用新型涉及电池均衡技术领域，尤其是涉及一种基于电感变压器的电池均衡电路。

背景技术

在科学技术不断发展，人类社会物质需求不断增加的大趋势下，能源危机与环境污染问题日益显著。这严重阻碍了我国工业化进程的快速推进，是我国在当前以及未来的发展过程中面临的巨大困难和重要挑战。在此境况下，全面发展水电、风电、太阳能、潮汐能、核能以及生物质能等可再生清洁能源，是解决能源危机与环境污染问题最为有效的途径。

新能源技术的大力发展，在一定程度上有效缓解了常规化石燃料日益枯竭和能量转化过程中对环境造成污染的不利局面。但是，与此同时，新能源由于在开发、转换和使用过程中受到自然环境和气候条件的限制，具有很大的间歇性、波动性和随机性特点，难以满足能源大规模快速即开即用的工业需求。此外，新能源的引入也要考虑到城市电网供电的负荷量限制要求。因此，采用人工储能技术对所开发的新能源进行转化、储存和快速输出，有效提高了新型能源自身的实用性和经济性。以蓄电池为代表的电池储能技术，其储能方式在技术成熟性和使用经济性方面较其他储能方式更具优势，是运用前景最为广泛的储能方式。

在蓄电池储能系统中，所有电池单体通过串联或者并联的方式构成一个具有一定储存容量和输出功率的储能系统。组成储能系统的各电池单体采用统一型号、统一规格。理论上，在工作过程中能保持统一电量水平，但是在实际情况下，单体电量并不总是相等，各单体的实际容量也会在额定容量附近上下浮动。因此，常常会出现单体电量高低不一的现象。特别是随着电池工作周期的增加，这种不一致效应会愈加严重。

针对上述问题，公开号为CN210224988U的实用新型提出了一种电池单体电阻能量消耗型均衡电路，通过将电量高的单体电池中电量进行消耗的方式，进行电量均衡，但这这种方式，在保证电量均衡的同时会放出大量热，影响电池寿命，而且浪费能源，违背了节能减排的设计理念与思路。

公开号为CN211127189U的实用新型提出了一种带有均衡电路的电池组，但是这种结构在电量调整过程中，需要控制的控件数量比较多，难以实现扩展。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在电量均衡的同时会放出大量热，影响电池寿命，难以实现扩展的缺陷而提供一种基于电感变压器的电池均衡电路。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电感变压器的电池均衡电路，包括电池组和电池监测单元，所述电池组的两端连接有主回路，该主回路中设有主开关，所述电池组包括多个电池，所述电池监测单元连接有均衡控制单元；

每个所述电池均连接有电感变压器和均衡开关组，所述电感变压器包括原边线圈、副边线圈和铁芯，所述均衡开关组包括初级开关和次级开关；所述原边线圈、初级开关和所述电池组连接构成蓄电回路，所述副边线圈、次级开关和所述电池连接构成充电回路；

所述初级开关和次级开关均连接所述均衡控制单元，所述初级开关和次级开关均为电驱动开关，每个所述电池均连接所述电池监测单元。

进一步地，每个所述电池还连接有保护电阻，所述次级开关和所述电池的连接线路中还连接有所述保护电阻。

进一步地，所述多个电池依次串联，每个所述电池连接的所述初级开关均经过最后一个电池连接的保护电阻后接入所述电池组。

进一步地，所述主回路还包括交流电源和整流器，所述交流电源、整流器、主开关和电池组连接构成所述主回路。

进一步地，所述均衡控制单元为控制器，所述控制器的型号为STM32F103系列微控制器。

进一步地，所述整流器的型号为MDQ30A。

进一步地，所述电池监测单元包括电压采集芯片和电流传感器。

进一步地，所述电压采集芯片的型号为LTC6804-1。

进一步地，所述电流传感器的型号为ACS712。

进一步地，所述电池监测单元还包括温湿度传感器模块，该温湿度传感器模块的型号为AM2302。

本实用新型通过电池检测单元监控各个单体电池的电池状态，对单体电池的剩余电量进行估计，找出剩余电量最少的单体电池，通过均衡控制单元控制均衡开关组的开关，控制剩余电量最少的单体电池对应的初级开关闭合，根据受电感线圈的阻碍作用，电流逐步上升的原理完成电池组对电感变压器的充电过程，然后控制剩余电量最少的单体电池对应的次级开关闭合，并通过整流器完成电感变压器对单体电池的充电过程，实现电量均衡；

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)实现了提高电池使用寿命：若电池长期在低于5％或高于95％的电量范围内工作，电解液和电极材料会因过度反应而发生不可逆分解，最终导致内阻快速增大和容量极具下降的情况，本实用新型提出的电量均衡策略可以使单体电池SOC维持在最优工作区(5％～95％)；因此，合理的均衡控制能够有效延长电池组的使用寿命，获得良好的经济性；

(2)提高电池安全性：电池短时间处于过充情况会严重发热，电池在长期过充后会因为其内部电化学反应过度激烈产生大量气体和热量而导致电池自燃、爆炸等事故的发生；而电池单体不一致常常是引起过充的直接原因；本实用新型提出的基于电感变压器的电池均衡策略可以保证单体电池的电量保持在相同水平，使电池同时达到满充，避免单体电池长时间处于过充状态的现象，能够有效避免安全隐患；

(3)增加整体有效容量：储能系统由很多节锂离子电池单体串并联而成，其整体容量不能简单地通过各单体容量叠加求和来计算，而是遵循木桶效应，如式(1)。

C'₀＝C₀-(Q_max-Q_min)＝C₀-ΔQ (1)

式中，Q_min和Q_max分别为最低和最高电量单体剩余电量，C₀为额定容量，C'₀为电池实际有效容量，由此可见系统中最低电量的一组电池决定了其整体有效容量的大小；因此，电池管理系统不仅需要对电池组进行状态监测和过充过放管理，而且还要对单体不一致进行均衡控制；电池均衡可以避免在充电过程中，由于最高电量单体提前达到满充状态而使其余单体充电不足的情况；或者在放电过程中，由于最低电量单体提前达到放电下限即停止放电而致使其余单体电量未充分释放情况。从而，提高储能系统的整体容量。

附图说明

图1为本实用新型基于电感变压器的电池均衡电路的结构示意图；

图中，1、均衡开关组，2、电感变压器，3、电池，4、主开关，5、电池监测单元，6、均衡控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于电感变压器的电池均衡电路，包括电池组和电池监测单元5，电池组的两端连接有主回路，该主回路中设有主开关4，电池组包括多个电池3，电池监测单元5连接有均衡控制单元6；

每个电池3均连接有整流器、电感变压器2和均衡开关组1，电感变压器2包括原边线圈、副边线圈和铁芯，均衡开关组1包括初级开关和次级开关，原边线圈、初级开关、整流器和电池组连接构成蓄电回路，副边线圈、次级开关、整流器和电池3连接构成充电回路；

初级开关和次级开关均连接均衡控制单元6，初级开关和次级开关均为电驱动开关，每个电池3均连接电池监测单元5。

每个电池3还连接有保护电阻，次级开关和电池3的连接线路中还连接有保护电阻。多个电池3依次串联，每个电池3连接的初级开关均经过最后一个电池3连接的保护电阻后接入电池组。

下面对各部分进行详细描述。

所述的均衡开关组1，由两个开关组成，分别是一个控制电感变压器原边线圈与电池组整体相连的初级开关，和另一个控制电感变压器副边线圈与单体电池3相连的次级开关。

所述的n个电感变压器2，由n个副边线圈分别与n个单体电池3形成串联回路，n个原边线圈分别与整体电池组形成串联回路，原边线圈和副边线圈间设有铁芯，电感变压器2采用现有技术中的电感变压器即可。电池组，由n个单体电池串联组成。主开关4，用于连接电池组与主回路。电池监测单元5，用于连接每个单体电池，检测单体电池电压、电流、温度等特征变量，通过SOC估算方法估算出每个单体电池组的剩余电量。均衡控制单元6，与均衡开关组1连接，当需要电池组向剩余电量最少的单体电池对应的电感变压器2充电时，则控制剩余电量最少的单体电池对应的初级开关闭合，当需要电感变压器2向剩余电量最少的单体电池供电时，则控制剩余电量最少的单体电池对应的次级开关闭合。

电池监测单元5，用于连接每个单体电池，检测单体电池电压、电流、温度等特征变量，可通过SOC估算方法估算出每个单体电池组的剩余电量。其为现有技术，本文不进行详细描述。

电池监测单元5包括电压采集芯片、电流传感器和温湿度传感器模块，本实施例中，选用Linear的LTC6804-1型电压采集芯片，选用AM2302温湿度传感器模块，选用ACS712型电流传感器。

均衡控制单元6，与均衡开关组1连接，为控制器，当需要电池组向剩余电量最少的单体电池对应的电感变压器2充电时，则控制剩余电量最少的单体电池对应的初级开关闭合，当需要电感变压器2向剩余电量最少的单体电池供电时，则控制剩余电量最少的单体电池对应的次级开关闭合。

均衡控制单元6采用STM32F103系列微控制器。

具体工作过程和原理如下：

1)首先断开主开关，使电池组工作主回路断开。电池监测单元5获取各单体电池状态参数，传输至均衡控制单元6，计算出最低电量单体。

2)均衡控制单元6先发送指令闭合对应均衡开关组1的初级开关。此时，电池组与电感变压器2的原边线圈形成回路，由于电感线圈的阻碍作用，电流不会发生阶跃变化，而是会有一个逐渐上升的过程。

3)当经过原边线圈的电流上升至额定电流时，初级开关断开，次级开关闭合。此时，电池单体与电感变压器2的副边线圈形成回路，由于电池感应作用，副边线圈产生感应电流，给单体充电，直到电流衰减到零。以此循环，即可实现电池组向低电量单体的电荷转移均衡。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于电感变压器的电池均衡电路，包括电池组和电池监测单元(5)，所述电池组的两端连接有主回路，该主回路中设有主开关(4)，其特征在于，所述电池组包括多个电池(3)，所述电池监测单元(5)连接有均衡控制单元(6)；

每个所述电池(3)均连接有电感变压器(2)和均衡开关组(1)，所述电感变压器(2)包括原边线圈、副边线圈和铁芯，所述均衡开关组(1)包括初级开关和次级开关；所述原边线圈、初级开关和所述电池组连接构成蓄电回路，所述副边线圈、次级开关和所述电池(3)连接构成充电回路；

所述初级开关和次级开关均连接所述均衡控制单元(6)，所述初级开关和次级开关均为电驱动开关，每个所述电池(3)均连接所述电池监测单元(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，每个所述电池(3)还连接有保护电阻，所述次级开关和所述电池(3)的连接线路中还连接有所述保护电阻。

3.根据权利要求2所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，所述多个电池(3)依次串联，每个所述电池(3)连接的所述初级开关均经过最后一个电池(3)连接的保护电阻后接入所述电池组。

4.根据权利要求1所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，所述主回路还包括交流电源和整流器，所述交流电源、整流器、主开关(4)和电池组连接构成所述主回路。

5.根据权利要求1所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，所述均衡控制单元(6)为控制器，所述控制器的型号为STM32F103系列微控制器。

6.根据权利要求4所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，所述整流器的型号为MDQ30A。

7.根据权利要求1所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，所述电池监测单元(5)包括电压采集芯片和电流传感器。

8.根据权利要求7所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，所述电压采集芯片的型号为LTC6804-1。

9.根据权利要求7所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，所述电流传感器的型号为ACS712。

10.根据权利要求7所述的一种基于电感变压器的电池均衡电路，其特征在于，所述电池监测单元(5)还包括温湿度传感器模块，该温湿度传感器模块的型号为AM2302。