一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，均衡電路主要包括微控制器、電壓采集模塊、多副邊變壓器、逆變半橋整流模塊、開關(guān)模塊。微控制器通過電壓采集模塊傳輸過來的電壓數(shù)據(jù)選擇出需要均衡的均衡模塊和電池單體，通過多副邊電壓器傳遞能量給需要均衡的任意的電池單體，即使這個(gè)電池單體不屬于放電的均衡模塊。微控制器輸出的可調(diào)占空比PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以控制均衡電流的大小，以控制均衡速度。本實(shí)用新型將均衡電路模塊化為以后電池單元的擴(kuò)充、均衡電路的維護(hù)修理等提供了方便；均衡速度可控，能適應(yīng)多種均衡需求；均衡有針對(duì)性，提高了均衡效率；有效改善了電池單元內(nèi)的不一致性，提高了電池單元的整體性能。
【專利說明】—種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路。
【背景技術(shù)】
[0002]電動(dòng)汽車擁有著節(jié)能環(huán)保、低排放等方面的優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)在汽車行業(yè)中最有發(fā)展前景的一個(gè)領(lǐng)域。作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，動(dòng)力電池單元的性能決定了電動(dòng)汽車眾多方面的表現(xiàn)。由于擁有相對(duì)較高的能量密度以及較低的自放電率，鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車、UPS等供電場(chǎng)合。但是由于鋰離子電池的單體電壓低、容量小，無法滿足電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)功率要求，因而一般都將大量的鋰離子電池進(jìn)行串聯(lián)來使用。然而，在鋰離子電池單體的制作工程中，由于現(xiàn)代電池廠的制作工藝等方面的原因，造成了即使是同一批次的單體都會(huì)出現(xiàn)明顯的容量、內(nèi)阻等方面的差異。在電池單元的使用過程中，單體自放電率的不同、使用環(huán)境的差異等，也都會(huì)導(dǎo)致電池單體的容量等出現(xiàn)不平衡。電動(dòng)汽車的高頻率充放電環(huán)境，加速了這些不平衡電池單元中某些單體容量的衰減，而串聯(lián)電池單元的容量是由單體電池的最小容量決定，因此這些差異將使電池單元的使用壽命大幅度縮短。最壞的情況，在一個(gè)蓄電池單元中，如果有一個(gè)單體的剩余容量接近為100 %，而另一個(gè)單體的剩余容量為0，那么這個(gè)蓄電池單元現(xiàn)在既不能充電也不能放電，完全不能使用。如果動(dòng)力電池單元長(zhǎng)期處于這樣一種不平衡狀態(tài)，除了電池單元的使用壽命會(huì)大大減少外，還容易引起電池?fù)p壞、泄露甚至發(fā)生爆炸起火，造成人員財(cái)產(chǎn)的損失。為了避免這些不安全事故的發(fā)生以及增強(qiáng)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的續(xù)航等方面的性能，需要有一種均衡方法來維持電池單元各單體性能的平衡。電池均衡方法有被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩大塊，但是被動(dòng)均衡需要電池單元電池長(zhǎng)期處在過充的狀態(tài)下，而鋰離子電池不能被過充，所以被動(dòng)均衡只適用于鉛酸或者鎳基電池，主動(dòng)均衡才是唯一適用于鋰離子電池的均衡方法。
[0003]目前主動(dòng)均衡方法可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類:
[0004]能量消耗型均衡方法易于實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上是將電壓高的單體的能量以熱或者其他能量形式消耗掉，以降低其電壓，達(dá)到均壓的目的。這樣就存在了熱管理和能量浪費(fèi)的問題。
[0005]能量非耗散型均衡方法主要是采用電感、電容等作為能量傳遞媒介，實(shí)現(xiàn)能量在電池單體間的流動(dòng)，最后實(shí)現(xiàn)均衡作用。
[0006]中國發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01010572115.X)公開了一種利用放電電阻對(duì)電池單體進(jìn)行放電以實(shí)現(xiàn)電池單元均衡的電路，主要包括控制器、電池選擇電路和放電電阻。該實(shí)用新型根據(jù)采集的電壓值確定每個(gè)電池單體的剩余電量，然后控制電池選擇電路將電量較高的電池單體與放電電阻并聯(lián)，消耗該單體的電量，從而實(shí)現(xiàn)電池單元的電量均衡。很明顯的，這種方法存在能量浪費(fèi)和熱管理的問題。
[0007]中國發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01120421053.2)公開了一種電感型電池均衡電路，該電路中相鄰兩節(jié)電池公用一個(gè)電感，這個(gè)電感存儲(chǔ)較高單體釋放的能量，然后傳遞給相鄰能量較低單體，以實(shí)現(xiàn)均衡作用。然而當(dāng)電池單元電池單體數(shù)量較多時(shí)，由于這種均衡方法的能量傳遞必須是一個(gè)挨著一個(gè)的傳遞，因此均衡速度受到了很大的限制。實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型為了解決上述問題，提出了一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，該電路實(shí)現(xiàn)了均衡電路的模塊化以及模塊與模塊之間能量的傳遞，有效地平衡了鋰離子電池的電量，從而提高電池單元使用壽命及工作性能。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，包括微控制器，微控制器連接電壓采集模塊，電壓采集模塊連接均衡模塊，所述均衡模塊包括電池單元、逆變模塊、多副邊變壓器和電池選擇整流模塊，電池單元包括多個(gè)電池單體，各單體均連接在電壓采集模塊上；其中，電池單元兩端連接在逆變模塊上，逆變模塊連接多副邊變壓器的原邊，多副邊變壓器的至少一個(gè)副邊連接電池選擇整流模塊，電池選擇整流模塊連接電池單元中的各單體。
[0011]所述均衡模塊之間通過均衡母線連接，均衡母線通過開關(guān)與多副邊變壓器的一個(gè)副邊連接。
[0012]所述電池單元依次串聯(lián)形成電池組。
[0013]所述電池選擇整流模塊，包括電池選擇模塊和半橋整流模塊，所述半橋整流模塊的輸入端與多副邊變壓器的一個(gè)副邊連接，輸出端通過電池選擇模塊與各個(gè)電池單體連接。
[0014]所述逆變模塊，包括兩個(gè)功率開關(guān)管Q1和Q2、兩個(gè)電容C1和C2，其中，功率開關(guān)管Q1和Q2串聯(lián)在電池單元兩端，功率開關(guān)管Q1和Q2分別并聯(lián)有一個(gè)二極管，電容C1和C2串聯(lián)后連接在電池單元兩端，功率開關(guān)管Q1和Q2的中點(diǎn)和兩個(gè)電容C1和C2的中點(diǎn)分別連接在多副邊變壓器的原邊兩端。
[0015]所述功率開關(guān)管Q1和Q2由開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊連接微控制器。
[0016]所述微控制器通過信號(hào)線連接電池選擇整流模塊和逆變模塊。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果為:
[0018]1.將均衡電路模塊化，使得均衡電路易于擴(kuò)展，方便后期管理和電路故障維修；均衡電路有多種均衡方式:模塊內(nèi)均衡、模塊之間均衡、模塊內(nèi)和模塊之間同時(shí)均衡，使得均衡更有針對(duì)性，效率明顯提高；
[0019]2.在電池單體數(shù)量巨大的電動(dòng)汽車的電池單元中，均衡電路有針對(duì)性的對(duì)某一節(jié)電池進(jìn)行均衡，大大提高了均衡效率；
[0020]3.均衡電流可控，均衡速度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)；
[0021]4.有效改善了電池單體間的不一致性，提高了動(dòng)力電池的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型的組成示意圖；
[0023]圖2為本實(shí)用新型中逆變模塊的工作原理圖；
[0024]圖3為本實(shí)用新型中整流和電池選擇模塊的工作原理圖；
[0025]圖4為本實(shí)用新型均衡模塊單獨(dú)工作時(shí)的工作原理圖；
[0026]圖5為本實(shí)用新型均衡電路模塊內(nèi)均衡和模塊間均衡同時(shí)進(jìn)行的工作原理圖；
[0027]圖6為本實(shí)用新型均衡電路工作原理圖；[0028]圖7為本實(shí)用新型均衡電路在動(dòng)力電池靜止?fàn)顟B(tài)下的均衡效果圖。
[0029]其中，1、微控制器；2、電壓采集模塊；3、電池單元；4、電池選擇整流模塊；5、多副邊變壓器；6、逆變模塊；7、選擇出的待均衡的電池單體；8、均衡母線；9、信號(hào)線。
【具體實(shí)施方式】:
[0030]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0031]如圖1-圖4所示，一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，包括微控制器1，微控制器I連接電壓采集模塊2，電壓采集模塊2連接均衡模塊，所述均衡模塊包括電池單元
3、逆變模塊6、多副邊變壓器5和電池選擇整流模塊4，電池單元3包括多個(gè)電池單體，各單體均連接在電壓采集模塊2上；其中，電池單元4兩端連接在逆變模塊6上，逆變模塊6連接多副邊變壓器5的原邊，多副邊變壓器5的一個(gè)副邊連接電池選擇整流模塊4，電池選擇整流模塊4連接電池單元3的各個(gè)電池單體。
[0032]所述均衡模塊之間通過均衡母線8連接，均衡母線8通過開關(guān)與多副邊變壓器5的一個(gè)副邊連接。
[0033]所述電池單元3依次串聯(lián)形成電池組。
[0034]所述電池選擇整流模塊4，包括電池選擇模塊和半橋整流模塊，所述半橋整流模塊的輸入端與多副邊變壓器5的一個(gè)副邊連接，輸出端通過電池選擇模塊與各個(gè)電池單體連接。
[0035]所述逆變模塊6，包括兩個(gè)功率開關(guān)管Q1和Q2、兩個(gè)電容C1和C2，其中，功率開關(guān)管Q1和Q2串聯(lián)在電池單元3兩端，功率開關(guān)管Q1和Q2分別并聯(lián)有一個(gè)二極管，電容C1和C2串聯(lián)后連接在電池單元3兩端，功率開關(guān)管Q1和Q2的中點(diǎn)和兩個(gè)電容C1和C2的中點(diǎn)分別連接在多副邊變壓器5的原邊兩端。
[0036]所述功率開關(guān)管Q1和Q2由開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊連接微控制器I。
[0037]所述微控制器I通過信號(hào)線9連接電池選擇整流模塊4和逆變模塊6。
[0038]如圖2所示，逆變模塊利用的是半橋逆變?cè)?。開關(guān)管Q1A2受可調(diào)占空比的PWM信號(hào)控制，QpQ2周期性開通關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊就會(huì)周期性的并聯(lián)到CpC2兩端，于是產(chǎn)生了交變電流；
[0039]如圖3所示，整流模塊采用半橋整流原理。多副邊變壓器5的原邊有交流電流通過后，其副邊便產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。副邊中間抽頭作為輸出電壓的負(fù)端，經(jīng)過二極管Dp D2整流后的一端作為輸出電壓的正端。輸出電壓正負(fù)兩端分別接到母線上，通過開關(guān)Sp S2,S3、S4的選擇作用連接到電池單體，實(shí)現(xiàn)了能量傳輸。
[0040]實(shí)施例一:
[0041]以8節(jié)電池單體組成的電池組為例，每4節(jié)電池單體為一個(gè)電池單元。微控制器采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP，電壓采集模塊采用芯片公司的電壓采集集成芯片，逆變模塊中的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自于IR2110驅(qū)動(dòng)器。
[0042]如圖4所示，B8組成電池組，其中B1'B2、B3、B4屬于均衡模塊一，b5、b6、b7、b8屬于均衡模塊二。均衡模塊一中的多副邊變壓器T1的副邊通過開關(guān)S后與均衡模塊二中的多副邊變壓器T2的副邊連接。
[0043]狀態(tài)1，如圖4所示，假定B2、B6為低電壓?jiǎn)误w，需要吸收能量。均衡模塊一跟均衡模塊二的總電壓相近，開關(guān)S斷開，進(jìn)行了模塊內(nèi)的均衡:均衡模塊一總體的能量通過逆變模塊逆變，然后經(jīng)過T1直接傳送給模塊自身的半橋整流模塊，在微控制器的控制下B2被選擇接通到半橋整流模塊的輸出端接收傳遞的能量；均衡模塊二的均衡過程與均衡模塊一的均衡過程一樣。均衡模塊一和均衡模塊二的模塊內(nèi)均衡視情況可以同時(shí)進(jìn)行，也可獨(dú)立進(jìn)行。
[0044]狀態(tài)2，如圖5所示，假定B6為低電壓?jiǎn)误w需要吸收能量。均衡模塊一的總電壓較高，開關(guān)S閉合，均衡模塊一釋放能量給均衡模塊二的電池單體B6:均衡模塊一釋放的能量逆變后輸入給T1,由T1的一個(gè)副邊線圈經(jīng)過均衡母線傳遞給T2的副邊線圈，T2中與整流電路連接的副邊線圈此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，能量經(jīng)半橋整流模塊后傳遞給被選出的電池
單體B6。
[0045]狀態(tài)3，如圖6所示，假定B2、B6為低電壓?jiǎn)误w，需要吸收能量。均衡模塊一的總電壓較高，開關(guān)S閉合，均衡模塊一釋放能量給自己模塊的電池單體B2和均衡模塊二的電池單體B6:均衡模塊一釋放的能量逆變后輸入給T1, T1的能量輸出一部分經(jīng)過其中一個(gè)副邊線圈傳遞到了自身均衡模塊的半橋整流模塊，繼而將能量傳遞給電池單體B2,另一部分能量由另一個(gè)副邊線圈經(jīng)過均衡母線傳遞給T2的副邊線圈，T2的與整流電路連接的副邊線圈此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，能量經(jīng)半橋整流模塊后傳遞給被選出的電池單體B6。
[0046]均衡電路處于圖4、圖5、圖6的哪種均衡狀態(tài)，由電壓采集模塊傳送給微控制器電壓數(shù)據(jù)后，由微控制器判斷得出。同時(shí)，均衡電流大小的調(diào)節(jié)是通過微控制器對(duì)逆變模塊開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的占空比的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)均衡過程中多種狀態(tài)根據(jù)需要交替結(jié)合，達(dá)到了快速均衡電池能量的效果。
[0047]圖7為均衡電路在動(dòng)力電池靜止?fàn)顟B(tài)下的均衡效果。均衡開始，電池B8處于低電壓狀態(tài)，需要吸收能量。實(shí)施例中的電路的均衡狀態(tài)處于上述狀態(tài)中的狀態(tài)I或者狀態(tài)2，即其中一個(gè)均衡模塊對(duì)自身模塊內(nèi)部或者其他模塊中的需要均衡的電池單體提供能量。當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)間40分鐘，電池B8的電壓上升到跟其他電池相近時(shí)，最低電壓的電池單體發(fā)生變化，均衡狀態(tài)會(huì)在狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3之間切換，最后實(shí)現(xiàn)較好的均衡效果。
[0048]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，其特征是:包括微控制器，微控制器連接電壓采集模塊，電壓采集模塊連接均衡模塊，所述均衡模塊包括電池單元、逆變模塊、多副邊變壓器和電池選擇整流模塊，電池單元包括多個(gè)電池單體，各單體均連接在電壓采集模塊上；其中，電池單元兩端連接在逆變模塊上，逆變模塊連接多副邊變壓器的原邊，多副邊變壓器的至少一個(gè)副邊連接電池選擇整流模塊，電池選擇整流模塊連接電池單元中的各單體。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，其特征是:所述均衡模塊之間通過均衡母線連接，均衡母線通過開關(guān)與多副邊變壓器的一個(gè)副邊連接。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，其特征是:所述電池單元依次串聯(lián)形成電池組。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，其特征是:所述電池選擇整流模塊，包括電池選擇模塊和半橋整流模塊，所述半橋整流模塊的輸入端與多副邊變壓器的一個(gè)副邊連接，輸出端通過電池選擇模塊與各個(gè)電池單體連接。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，其特征是:所述逆變模塊，包括兩個(gè)功率開關(guān)管Q1和Q2、兩個(gè)電容C1和C2，其中，功率開關(guān)管Q1和Q2串聯(lián)在電池單元兩端，功率開關(guān)管Q1和Q2分別并聯(lián)有一個(gè)二極管，電容C1和C2串聯(lián)后連接在電池單元兩端，功率開關(guān)管Q1和Q2的中點(diǎn)和兩個(gè)電容C1和C2的中點(diǎn)分別連接在多副邊變壓器的原邊兩端。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，其特征是:所述功率開關(guān)管Q1和Q2由開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊連接微控制器。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于多副邊變壓器的電池組均衡電路，其特征是:所述微控制器通過信號(hào)線連接電池選擇整流模塊和逆變模塊。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK203827031SQ201420255737
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】崔納新, 紀(jì)祥, 張承慧, 商云龍 申請(qǐng)人:山東大學(xué)