本發(fā)明涉及一種基于多輸入變換的雙層主動(dòng)均衡電路及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模發(fā)展新能源汽車(chē)建立綠色交通系統(tǒng)是解決能源和環(huán)境危機(jī)的重要途徑，我國(guó)政府一直高度重視和強(qiáng)力扶持新能源汽車(chē)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2015年5月我國(guó)政府實(shí)施的《中國(guó)制造2025》和2016年頒布的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》，繼續(xù)將新能源汽車(chē)列為重大戰(zhàn)略發(fā)展領(lǐng)域和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。2016年，我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到了50.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)53％，市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)居全球第一，新能源汽車(chē)保有量已突破100萬(wàn)輛。實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、清潔的新能源汽車(chē)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車(chē)，不僅能夠有效應(yīng)對(duì)全球能源與環(huán)境的挑戰(zhàn)，也是我國(guó)縮短與先進(jìn)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)差距、實(shí)現(xiàn)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

新能源汽車(chē)的重大發(fā)展機(jī)遇帶動(dòng)了動(dòng)力電池及其產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代和迅猛發(fā)展。其中鋰離子電池(含鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰電池)以其高比能量、低自放電率以及長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為目前發(fā)展最快、前景最好的新能源汽車(chē)動(dòng)力電池。2015年我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量為56.0億只，同比增長(zhǎng)3.1％；2016年1-9月，產(chǎn)量達(dá)到52.4億只，同比增長(zhǎng)32.8％。國(guó)際權(quán)威能源機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)到2020年全球鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)超過(guò)2億千瓦時(shí)，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約25％，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

國(guó)產(chǎn)鋰離子電池的單項(xiàng)性能指標(biāo)雖可與國(guó)外先進(jìn)水平媲美，但總體指標(biāo)偏低，尤其是在電池一致性和壽命方面差距較大，從而導(dǎo)致成組應(yīng)用后成本高而壽命短，嚴(yán)重影響其安全性、續(xù)駛里程及動(dòng)力性能等，已成為制約電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化的瓶頸。為了給電動(dòng)汽車(chē)提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，動(dòng)力電池組往往需要成百上千節(jié)單體電池串并聯(lián)組成。單體電池自身參數(shù)的不一致以及使用過(guò)程中溫度、自放電程度等因素的差異，會(huì)導(dǎo)致電池單體電壓、容量等參數(shù)的不一致性，嚴(yán)重影響了電池組的可用容量，縮短了電池組的使用壽命。解決動(dòng)力電池不一致性的直接手段是能量均衡，其通過(guò)將高能量單體或模塊中的部分能量消耗掉或者轉(zhuǎn)移到低能量單體或模塊上，實(shí)現(xiàn)電池組整體的均衡管理。

均衡技術(shù)的研究主要是從均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與均衡控制策略?xún)煞矫孢M(jìn)行展開(kāi)。在均衡拓?fù)渖?，現(xiàn)有的方案層出不窮，可分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩大類(lèi)。目前側(cè)重于效率高、結(jié)構(gòu)控制相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低、易于模塊化的均衡拓?fù)湓O(shè)計(jì)與改進(jìn)，同時(shí)還涉及電池組的分級(jí)均衡和均衡建模分析研究。被動(dòng)均衡方法一般不適合應(yīng)用于鋰離子電池系統(tǒng)中，近年來(lái)的均衡方法研究主要集中在主動(dòng)均衡方法的研究上。主動(dòng)均衡又可分為能量耗散型和能量非耗散型兩類(lèi)。常用的耗散型均衡電路通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)和電阻消耗掉電池組內(nèi)多余的能量，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于模塊化的優(yōu)點(diǎn)，但能耗較高，均衡效率低。同時(shí)能耗帶來(lái)的發(fā)熱問(wèn)題加重了電池組的熱管理負(fù)擔(dān)，因此需要對(duì)均衡功率加以限制。目前的耗散型均衡電路單體均衡電流控制在幾百個(gè)mA，從而使得耗散型均衡并不適合大功率、快速充電的電池組均衡。非耗散型均衡電路則是通過(guò)儲(chǔ)能元件(電容、電感、變壓器等)將電池組中容量高的單體電池中的能量轉(zhuǎn)移到容量比較低的單體電池，或者是通過(guò)DC/DC變換電路實(shí)現(xiàn)電池組之間、電池組與電池單體之間以及電池單體之間的能量轉(zhuǎn)移。其均衡效率相對(duì)較高，但控制相對(duì)復(fù)雜，成本較高，不易于實(shí)現(xiàn)模塊化。

根據(jù)能量流動(dòng)的方向，非耗散均衡又能夠分為以下四種：Cell to Cell；Cell to Module；Module to Cell；Moduleto Module。Cell to Cell的均衡模式，能量能夠直接從電壓最高的電池單體轉(zhuǎn)移到電壓最低的電池單體，具有較高的均衡效率，但是電池單體之間的電壓差較小，加之電力電子器件存在導(dǎo)通壓降使得均衡電流很小，因此Cell to Cell均衡模式不適合于大容量的動(dòng)力電池。Cell to Module/Module to Cell均衡模式是實(shí)現(xiàn)被均衡單體與整個(gè)模塊的能量相互轉(zhuǎn)移，可以實(shí)現(xiàn)較大的均衡功率。均衡單元拓?fù)湟话爿^為復(fù)雜，在高功率場(chǎng)合可以降低控制開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力。Module to Module均衡模式與Mell to Mell模式結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但均衡單元的功率等級(jí)更高，拓?fù)湟话銥楦咝实腄C/DC變換器。

現(xiàn)有均衡方法普遍存在的問(wèn)題：

1)能耗較大，目前各種均衡方法中，能耗最小的約占轉(zhuǎn)換能量的15％左右。

2)均衡時(shí)間較長(zhǎng)，充電過(guò)程的均衡主要發(fā)生于充電末期(SOC＝80％左右)至充電結(jié)束，充電速度的加快對(duì)均衡速度提出了新的要求。

3)實(shí)用性差，不能隨電池組串聯(lián)電池節(jié)數(shù)的增加而進(jìn)行模塊化擴(kuò)展。

中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01010572115.X)公開(kāi)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。該發(fā)明根據(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(wèn)題。

中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01120421053.2)公開(kāi)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。

中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01210595724.6)提出了一種電容式電池均衡電路，該電路每相鄰的兩節(jié)電池共用一個(gè)電容，當(dāng)電容與電壓較高的電池單體并聯(lián)時(shí)，電池給電容充電；當(dāng)電容與電壓較低的電池單體并聯(lián)時(shí)，電容給電池充電。經(jīng)過(guò)電容的充、放電，能量從電壓較高的電池單體轉(zhuǎn)移到電壓較低的電池單體，從而使得其電壓相等。但是當(dāng)串聯(lián)電池單體數(shù)量較多，所需要的均衡電容和開(kāi)關(guān)模塊及其驅(qū)動(dòng)電路較多，導(dǎo)致電路體積龐大，并且當(dāng)電壓最高和最低的電池相鄰多個(gè)單體時(shí)，這種“擊鼓傳花”的均衡方式，使得均衡效率會(huì)大大降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于多輸入變換(MIC)的雙層主動(dòng)均衡電路及實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明通過(guò)底層均衡單元和頂層均衡單元實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)的單體之間均衡和模塊之間均衡，克服了傳統(tǒng)均衡電路均衡效率低、均衡速度慢、模塊化擴(kuò)展難的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于多輸入變換的雙層主動(dòng)均衡電路，包括微控制器、底層均衡單元、頂層均衡單元以及切換繼電器，所述微控制器連接并控制若干個(gè)均衡電池組的能量均衡，所述每個(gè)均衡電池組包括四個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊包括若干個(gè)串聯(lián)的電池單體，每相鄰的兩節(jié)電池單體共用一個(gè)底層均衡單元，每?jī)蓚€(gè)電池模塊共用一個(gè)切換繼電器，每四個(gè)電池模塊共用一個(gè)頂層均衡單元；

所述微控制器發(fā)送一路PWM信號(hào)控制每個(gè)底層均衡單元，通過(guò)升降壓變換實(shí)現(xiàn)底層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)相鄰的兩節(jié)電池單體的能量均衡；微控制器發(fā)送兩路相同PWM信號(hào)控制頂層均衡單元，并發(fā)送兩路開(kāi)關(guān)信號(hào)控制切換繼電器動(dòng)作，通過(guò)正激式變換實(shí)現(xiàn)頂層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)相鄰的兩個(gè)電池模塊之間的能量均衡；微控制器通過(guò)反激式變換實(shí)現(xiàn)頂層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相鄰電池模塊與另外兩個(gè)相鄰電池模塊之間的能量均衡。

所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)電壓檢測(cè)電路與各電池單體連接，將電池單體的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而獲得電池組中電池單體的電壓；

所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接底層均衡單元和頂層均衡單元，產(chǎn)生相應(yīng)的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

所述底層均衡單元包括一個(gè)功率電感L和兩個(gè)串聯(lián)MOS管，MOS管兩端并聯(lián)有二極管，功率電感L一端連接兩個(gè)單體電池的公共端，一端連接兩個(gè)串聯(lián)MOS管的公共端，其中一個(gè)MOS管的漏極連接串聯(lián)的兩個(gè)電池單體的正極，另一個(gè)MOS管的源極連接串聯(lián)的兩個(gè)電池單體的負(fù)極。

所述底層均衡單元為雙向均衡器，通過(guò)控制所述的兩個(gè)MOS管分別導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)能量從電壓高的電池單體流向電壓低的電池單體；所述底層均衡單元在一路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)升降壓變換實(shí)現(xiàn)底層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成相鄰的兩節(jié)電池單體的能量均衡。

所述頂層均衡單元包括兩個(gè)多輸入原邊繞組的變壓器、四個(gè)MOS管、兩個(gè)整流二極管和兩個(gè)雙刀雙擲切換繼電器，每個(gè)輸入原邊繞組與一個(gè)MOS管串聯(lián)連接，然后再串聯(lián)連接在一個(gè)電池模塊的正負(fù)極，每個(gè)副邊繞組一端與整流二極管陽(yáng)極連接，一端與雙刀雙擲繼電器的一端連接，雙刀雙擲繼電器的另一端與整流二極管的陰極連接。

所述頂層均衡單元在兩路開(kāi)關(guān)信號(hào)控制下，雙刀雙擲繼電器向上切換，變壓器副邊能量流向兩個(gè)相鄰的電池模塊M1和M2；雙刀雙擲繼電器向下切換，變壓器副邊能量流向同一組均衡電路的另兩個(gè)相鄰的電池模塊M3和M4。

所述頂層均衡單元在兩路相同PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)正激式變換實(shí)現(xiàn)頂層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成相鄰的兩個(gè)電池模塊之間的能量均衡。

所述頂層均衡單元在兩路相同PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)反激式變換實(shí)現(xiàn)頂層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成每?jī)蓚€(gè)相鄰的兩個(gè)電池模塊即：模塊(M1+M2)與模塊(M3+M4)之間的能量均衡。

所述頂層均衡單元為單向均衡器，通過(guò)控制每個(gè)變壓器原邊的兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)能量從電壓高的模塊流向電壓低的模塊。

一種基于上述均衡電路的均衡方法，包括以下步驟：

(1)獲取電壓：微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取動(dòng)力電池組的單體電壓、模塊電壓；

(2)均衡判斷：微控制器根據(jù)獲取的電池單體電壓，判斷是否符合底層均衡單元、頂層均衡單元的動(dòng)作條件，若符合則進(jìn)行均衡，進(jìn)入步驟(3)；

(3)進(jìn)行均衡：微控制器控制底層均衡單元，使其交替工作在充電和放電兩個(gè)狀態(tài)，完成電池單體之間的能量傳遞；微控制器控制頂層均衡單元，使其交替工作在充電和放電兩個(gè)狀態(tài)，完成電池模塊之間的能量傳遞。

(4)關(guān)閉均衡：微控制器根據(jù)獲取的電池單體電壓，計(jì)算相鄰的兩個(gè)電池單體的電壓差，若其差值小于電池均衡閾值，則關(guān)閉對(duì)應(yīng)的底層均衡單元工作；微控制器根據(jù)獲取的電池模塊電壓，計(jì)算相鄰的四個(gè)電池模塊的電壓差，若其差值小于電池均衡閾值，則關(guān)閉對(duì)應(yīng)的頂層均衡單元工作。

所述步驟(2)中，計(jì)算相鄰的兩個(gè)電池單體的電壓差，若其差值大于電池均衡閾值，則啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的底層均衡單元工作；微控制器根據(jù)獲取的電池模塊電壓，計(jì)算同一個(gè)均衡組的四個(gè)電池模塊的電壓差，若其差值大于電池均衡閾值，則啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的頂層均衡單元工作。

所述步驟(3)中，若要啟動(dòng)底層均衡單元工作，微控制器根據(jù)獲取的電池單體電壓，判斷出相鄰的兩個(gè)電池單體的高電壓和低電壓，將PWM信號(hào)發(fā)送給與電勢(shì)高的電池單體連接的MOS管。

所述步驟(3)中，若要啟動(dòng)頂層均衡單元工作，微控制器根據(jù)獲取的電池模塊電壓，判斷出模塊(M1+M2)與模塊(M3+M4)的高電壓和低電壓，若其差值大于繼電器向下切換的閾值，則將PWM信號(hào)發(fā)送給模塊(M1+M2)連接的MOS管，若其差值小于繼電器向下切換的閾值，則將PWM信號(hào)分別發(fā)送給各個(gè)模塊連接的MOS管。

本發(fā)明的工作原理為：

微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取電池組各單體電壓，進(jìn)而對(duì)相鄰的兩節(jié)電池單體電壓進(jìn)行比較，確定需要均衡的相鄰電池單體，并判斷出高電壓者和低電壓者；然后，微控制器發(fā)送一路PWM信號(hào)控制底層均衡單元工作，使其交替工作在充電和放電兩個(gè)狀態(tài)，從而將能量從相鄰電池單體中的高電壓者轉(zhuǎn)移到低電壓者。與此同時(shí)，微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取電池組各模塊電壓，進(jìn)而對(duì)相鄰的電池模塊電壓進(jìn)行比較，確定需要均衡的電池模塊，并判斷出高電壓者和低電壓者；然后，微控制器發(fā)送兩路相同PWM信號(hào)控制頂層均衡單元工作，使其交替工作在充電和放電兩個(gè)狀態(tài)，從而將能量從相鄰電池模塊中的高電壓者轉(zhuǎn)移到低電壓者。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)能夠?qū)崿F(xiàn)電池組中相鄰的電池單體之間、相鄰的電池模塊之間的快速均衡，具有較高的均衡效率；

(2)解決了電池組各模塊之間的電壓不一致性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電池組整體均衡；

(3)克服了傳統(tǒng)均衡電路均衡效率低、均衡速度慢、模塊化擴(kuò)展難的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于多輸入變換(MIC)的雙層主動(dòng)均衡電路及實(shí)現(xiàn)方法的組成示意圖；

圖2為本發(fā)明的底層均衡電路的組成示意圖；

圖3為本發(fā)明的底層均衡電路在V₀>V₁時(shí)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的工作原理圖；

圖4為本發(fā)明的底層均衡電路在V₁>V₀時(shí)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的工作原理圖；

圖5為本發(fā)明的頂層均衡電路的組成示意圖；

圖6為本發(fā)明的頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向上切換、V_M1>V_M2時(shí)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的工作原理圖；

圖7為本發(fā)明的頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向下切換、V_M1+M2>V_M3+M4時(shí)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的工作原理圖。

圖8為本發(fā)明的底層均衡電路在V₀>V₁時(shí)充放電電流i和控制信號(hào)PWM的仿真波形圖；

圖9為本發(fā)明的底層均衡電路在V₀>V₁時(shí)對(duì)相鄰電池單體進(jìn)行均衡的電壓效果圖。

圖10為本發(fā)明的頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向上切換、V_M1>V_M2時(shí)充放電電流i和控制信號(hào)PWM的仿真波形圖；

圖11為本發(fā)明的頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向上切換、V_M1>V_M2時(shí)對(duì)相鄰電池模塊進(jìn)行均衡的電壓效果圖。

圖12為本發(fā)明的頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向下切換、V_M1+M2>V_M3+M4時(shí)充放電電流i和控制信號(hào)PWM的仿真波形圖；

圖13為本發(fā)明的頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向下切換、V_M1+M2>V_M3+M4時(shí)對(duì)相鄰電池模塊進(jìn)行均衡的電壓效果圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于多輸入變換(MIC)的雙層主動(dòng)均衡電路，包括微控制器、底層均衡單元、頂層均衡單元以及切換繼電器。每相鄰的兩節(jié)電池單體共用一個(gè)底層均衡單元；一個(gè)模塊由若干個(gè)電池單體串聯(lián)而成，每四個(gè)模塊共用一個(gè)頂層均衡單元和兩個(gè)切換繼電器；微控制器發(fā)送一路PWM信號(hào)控制一個(gè)底層均衡單元，通過(guò)升降壓變換實(shí)現(xiàn)底層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成相鄰的兩節(jié)電池單體的能量均衡；微控制器發(fā)送兩路相同PWM信號(hào)控制一個(gè)頂層均衡單元，并發(fā)送兩路開(kāi)關(guān)信號(hào)控制繼電器切換，通過(guò)正激式變換實(shí)現(xiàn)頂層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成相鄰的兩個(gè)模塊之間的能量均衡；微控制器發(fā)送兩路PWM信號(hào)控制一個(gè)頂層均衡單元，并發(fā)送兩路開(kāi)關(guān)信號(hào)控制繼電器切換，通過(guò)反激式變換實(shí)現(xiàn)頂層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成兩個(gè)相鄰模塊與另外兩個(gè)相鄰模塊的能量均衡。

所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)電壓檢測(cè)電路與電池單體連接，用于將電池單體的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而獲得電池組中電池單體的電壓；

所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接底層均衡單元和頂層均衡單元，用于產(chǎn)生MOS管開(kāi)關(guān)的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

所述底層均衡單元包括一個(gè)功率電感L和兩個(gè)串聯(lián)MOS管，MOS管兩端并聯(lián)二極管。功率電感L一端連接兩個(gè)單體電池的公共端，一端連接兩個(gè)串聯(lián)MOS管的公共端。一個(gè)MOS管的漏極連接串聯(lián)的兩個(gè)電池單體的正極，一個(gè)MOS管的源極連接串聯(lián)的兩個(gè)電池單體的負(fù)極。

所述底層均衡單元在一路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)升降壓變換實(shí)現(xiàn)底層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成相鄰的兩節(jié)電池單體的能量均衡。

所述底層均衡單元為雙向均衡器，通過(guò)控制所述的兩個(gè)MOS管分別導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)能量從電壓高的電池單體流向電壓低的電池單體。

所述頂層均衡單元包括兩個(gè)多輸入原邊繞組的變壓器、四個(gè)MOS管、兩個(gè)整流二極管和兩個(gè)雙刀雙擲切換繼電器。每個(gè)輸入原邊繞組與一個(gè)MOS管串聯(lián)連接，然后再串聯(lián)連接在一個(gè)模塊的正負(fù)極。每個(gè)副邊繞組一端與整流二極管陽(yáng)極連接，一端與雙刀雙擲繼電器的一端連接，雙刀雙擲繼電器的另一端與整流二極管的陰極連接。

所述頂層均衡單元在兩路開(kāi)關(guān)信號(hào)控制下，雙刀雙擲繼電器Ta向上切換，變壓器副邊能量流向模塊M1和模塊M2；雙刀雙擲繼電器Ta向下切換，變壓器副邊能量流向模塊M3和模塊M4。

所述頂層均衡單元在兩路相同PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)正激式變換實(shí)現(xiàn)頂層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成相鄰的兩個(gè)模塊之間的能量均衡。

所述頂層均衡單元在兩路相同PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)反激式變換實(shí)現(xiàn)頂層均衡單元的充電和放電狀態(tài)，從而完成模塊(M1+M2)與模塊(M3+M4)之間的能量均衡。

所述頂層均衡單元為單向均衡器，通過(guò)控制每個(gè)變壓器原邊的兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)能量從電壓高的模塊流向電壓低的模塊。

實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

(1)獲取電壓：微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取動(dòng)力電池組的單體電壓、模塊電壓

(2)均衡判斷：微控制器根據(jù)獲取的電池單體電壓，計(jì)算相鄰的兩個(gè)電池單體的電壓差，若其差值大于電池均衡閾值，則啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的底層均衡單元工作；微控制器根據(jù)獲取的電池模塊電壓，計(jì)算相鄰的四個(gè)電池模塊的電壓差，若其差值大于電池均衡閾值，則啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的頂層均衡單元工作；

(3)開(kāi)啟均衡：若要啟動(dòng)底層均衡單元工作，微控制器根據(jù)獲取的電池單體電壓，判斷出相鄰的兩個(gè)電池單體的高電壓和低電壓，將PWM信號(hào)發(fā)送給與電勢(shì)高的電池單體連接的MOS管。若要啟動(dòng)頂層均衡單元工作，微控制器根據(jù)獲取的電池模塊電壓，判斷出模塊(M1+M2)與模塊(M3+M4)的高電壓和低電壓，若其差值大于繼電器向下切換的閾值，則將PWM信號(hào)發(fā)送給模塊(M1+M2)連接的MOS管。若其差值小于繼電器向下切換的閾值，則將PWM信號(hào)分別發(fā)送給各個(gè)模塊連接的MOS管。

(4)能量傳遞：微控制器控制底層均衡單元，使其交替工作在充電和放電兩個(gè)狀態(tài)，完成電池單體之間的能量傳遞；微控制器控制頂層均衡單元，使其交替工作在充電和放電兩個(gè)狀態(tài)，完成電池模塊之間的能量傳遞。

(5)關(guān)閉均衡：微控制器根據(jù)獲取的電池單體電壓，計(jì)算相鄰的兩個(gè)電池單體的電壓差，若其差值小于電池均衡閾值，則關(guān)閉對(duì)應(yīng)的底層均衡單元工作；微控制器根據(jù)獲取的電池模塊電壓，計(jì)算相鄰的四個(gè)電池模塊的電壓差，若其差值小于電池均衡閾值，則關(guān)閉對(duì)應(yīng)的頂層均衡單元工作。

以相鄰的串聯(lián)的電池單體B₀、B₁，相鄰的串聯(lián)的模塊M1、M2、M3、M4為例，進(jìn)行詳細(xì)敘述。

如圖1所示，為基于多輸入變換(MIC)的雙層主動(dòng)均衡電路及實(shí)現(xiàn)方法的組成示意圖，均衡電路的微控制器選用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采樣和多路PWM輸出；電壓檢測(cè)電路采用凌特公司的LTC6804專(zhuān)用電壓測(cè)量芯片，實(shí)時(shí)測(cè)量電池組中每節(jié)電池的電壓。每個(gè)模塊包括若干個(gè)電池單體，每相鄰兩個(gè)電池單體共用一個(gè)底層均衡單元；每四個(gè)模塊(M1、M2、M3、M4)共用一個(gè)頂層均衡單元。

如圖2所示為底層均衡電路的組成示意圖，底層均衡單元的微控制器選用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采樣和多路PWM輸出；B₀、B₁兩個(gè)電池單體共用一個(gè)底層均衡單元。一個(gè)底層均衡單元由兩個(gè)MOS管S₁、S₂，兩個(gè)二極管D₁、D₂和一個(gè)電感L₁組成。MOS管S₁、S₂選用仙童的低功耗80NF70，并聯(lián)二極管D₁、D₂選用低導(dǎo)通內(nèi)阻的肖特基二極管，電感L₁選用低ESR的功率電感。S₁、S₂串聯(lián)，S₁漏極連接B₀的正極，S₂源極連接B₁的負(fù)極，L₁的一端連接單體電池B₀、B₁的公共端，另一端連接串聯(lián)S₁、S₂的公共端。MOS管S₁、S₂分別由來(lái)自DSP的兩路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。

如圖3所示，為底層均衡電路在V₀>V₁時(shí)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的工作原理圖，由于B₀電壓高于B₁，因此能量由B₀轉(zhuǎn)移到B₁。

如圖3(a)所示，為底層均衡電路在V₀>V₁時(shí)B₀放電狀態(tài)的工作原理圖，此時(shí)S₁導(dǎo)通，S₂關(guān)斷，通過(guò)L₁的電流線(xiàn)性上升，L₁儲(chǔ)存能量。

如圖3(b)所示，為底層均衡電路在V₀>V₁時(shí)B₁充電狀態(tài)的工作原理圖，此時(shí)S₁、S₂均關(guān)斷，通過(guò)L₁的電流線(xiàn)性下降，L₁釋放能量，充電電流流經(jīng)二極管D₂。經(jīng)過(guò)底層均衡單元的一個(gè)充放電過(guò)程，將B₀的能量部分轉(zhuǎn)移到B₁，從而實(shí)現(xiàn)均衡效果。

如圖4所示，為底層均衡電路在V₁>V₀時(shí)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的工作原理圖，由于B₁電壓高于B₀，因此能量由B₁轉(zhuǎn)移到B₀。

如圖4(a)所示，為底層均衡電路在V₁>V₀時(shí)B₁放電狀態(tài)的工作原理圖，此時(shí)S₂導(dǎo)通，S₁關(guān)斷，通過(guò)L₁的電流線(xiàn)性上升，L₁儲(chǔ)存能量。

如圖4(b)所示，為底層均衡電路在V₁>V₀時(shí)B₀充電狀態(tài)的工作原理圖，此時(shí)S₁、S₂均關(guān)斷，通過(guò)L₁的電流線(xiàn)性下降，L₁釋放能量，充電電流流經(jīng)二極管D₁。經(jīng)過(guò)底層均衡單元的一個(gè)充放電過(guò)程，將B₁的能量部分轉(zhuǎn)移到B₀，從而實(shí)現(xiàn)均衡效果。

如圖5所示為頂層均衡電路的組成示意圖。頂層均衡單元包括兩個(gè)多輸入原邊繞組的變壓器Ta、Tb，四個(gè)MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，兩個(gè)整流二極管Da、Db和兩個(gè)雙刀雙擲切換繼電器Sa、Sb。Ta的一個(gè)原邊繞組一端與Q1漏極連接，另一端與模塊M1的正極連接，Q1源極與模塊M1的負(fù)極連接。Ta的另一個(gè)原邊繞組一端與Q2漏極連接，另一端與模塊M2的正極連接，Q2源極與模塊M2的負(fù)極連接。Ta的副邊繞組一端與整流二極管Da的陽(yáng)極連接，一端與雙刀雙擲繼電器Sa的一端連接，Sa的另一端與的Da的陰極連接。雙刀雙擲繼電器Sa向上切換，與模塊M1和模塊M2串聯(lián)后的正負(fù)極連接，Sa向下切換，與模塊M3和模塊M4串聯(lián)后的正負(fù)極連接。Tb的一個(gè)原邊繞組一端與Q3漏極連接，另一端與模塊M3的正極連接，Q3源極與模塊M3的負(fù)極連接。Tb的另一個(gè)原邊繞組一端與Q4漏極連接，另一端與模塊M4的正極連接，Q4源極與模塊M4的負(fù)極連接。Tb的副邊繞組一端與整流二極管Db的陽(yáng)極連接，一端與雙刀雙擲繼電器Sb的一端連接，Sb的另一端與的Db的陰極連接。雙刀雙擲繼電器Sb向上切換，與模塊M3和模塊M4串聯(lián)后的正負(fù)極連接，Sb向下切換，與模塊M1和模塊M2串聯(lián)后的正負(fù)極連接。MOS管Q1、Q2、Q3、Q4分別由來(lái)自DSP的四路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，繼電器Sa、Sb分別由來(lái)自DSP的兩路開(kāi)關(guān)信號(hào)控制。

如圖6所示，為頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向上切換、V_M1>V_M2時(shí)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的工作原理圖，由于M1電壓高于M2，因此能量由M1轉(zhuǎn)移到M2。

如圖6(a)所示，為頂層均衡電路在在雙刀雙擲繼電器Ta向上切換、V_M1>V_M2時(shí)M1放電、M2充電的工作原理圖，此時(shí)Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通，Q3、Q4關(guān)斷，與Q1連接的原邊繞組的電流線(xiàn)性正向上升，儲(chǔ)存能量；與Q2連接的原邊繞組的電流線(xiàn)性反向上升，釋放能量。

如圖6(b)所示，為頂層均衡電路在在雙刀雙擲繼電器Ta向上切換、V_M1>V_M2時(shí)M1充電、M2充電的工作原理圖，此時(shí)Q1、Q2同時(shí)關(guān)斷，Q3、Q4關(guān)斷，Ta副邊繞組的電流線(xiàn)性下降，釋放剩余能量。經(jīng)過(guò)頂層均衡單元的一個(gè)充放電過(guò)程，將M1的能量部分轉(zhuǎn)移到M2，從而實(shí)現(xiàn)均衡效果。

如圖7所示，為頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向下切換、V_M1+M2>V_M3+M4時(shí)充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的工作原理圖，由于(M1+M2)電壓高于(M3+M4)，因此能量由(M1+M2)轉(zhuǎn)移到(M3+M4)。

如圖7(a)所示，為頂層均衡電路在在雙刀雙擲繼電器Ta向下切換、V_M1+M2>V_M3+M4時(shí)M1、M2放電的工作原理圖，此時(shí)Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通，Q3、Q4關(guān)斷，Ta的原邊兩個(gè)繞組的電流線(xiàn)性均正向上升，儲(chǔ)存能量。

如圖7(b)所示，為頂層均衡電路在在雙刀雙擲繼電器Ta向下切換、V_M1+M2>V_M3+M4時(shí)M3、M4充電的工作原理圖，此時(shí)Q1、Q2同時(shí)關(guān)斷，Q3、Q4關(guān)斷，Ta副邊繞組的電流線(xiàn)性下降，釋放能量。經(jīng)過(guò)頂層均衡單元的一個(gè)充放電過(guò)程，將(M1+M2)的能量部分轉(zhuǎn)移到(M3+M4)，從而實(shí)現(xiàn)均衡效果。

如圖8所示，為底層均衡電路在V0>V1時(shí)充放電電流i和控制信號(hào)PWM的仿真波形圖，由圖可以看出，在一組相鄰單體的均衡過(guò)程中，一路PWM信號(hào)控制MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷，B₀放電電流i₀、B₁充電電電流i₁周期性變化，實(shí)現(xiàn)了能量由B₀轉(zhuǎn)移到B₁。

如圖9所示為底層均衡電路在V0>V1時(shí)對(duì)相鄰電池單體進(jìn)行均衡的電壓效果圖，當(dāng)電池單體初始電壓分別為B0＝3.60V，B1＝3.55V時(shí)，大約經(jīng)過(guò)33s的時(shí)間，均衡電路使得相鄰電池單體的電壓差接近于0，實(shí)現(xiàn)了很好的均衡效果。

如圖10所示，為頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向上切換、V_M1>V_M2時(shí)充放電電流i和控制信號(hào)PWM的仿真波形圖，由圖可以看出，在一組相鄰模塊的均衡過(guò)程中，兩路相同的PWM信號(hào)控制MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷，M1放電電流I_P1、M2充電電流I_P2、Ta副邊繞組電流Is周期性變化，實(shí)現(xiàn)了能量由M1轉(zhuǎn)移到M2。

如圖11所示為頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向上切換、V_M1>V_M2時(shí)對(duì)相鄰電池模塊進(jìn)行均衡的電壓效果圖，當(dāng)電池模塊初始電壓分別為M1＝7.028V，M2＝7.082V時(shí)，M1的電壓逐漸下降，M2的電壓逐漸上升，實(shí)現(xiàn)了很好的均衡效果。

如圖12所示，為頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向下切換、V_M1+M2>V_M3+M4時(shí)充放電電流i和控制信號(hào)PWM的仿真波形圖，由圖可以看出，在模塊(M1+M2)與模塊(M3+M4)的均衡過(guò)程中，兩路相同的PWM信號(hào)控制MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷，Ta原邊繞組的放電電流I_P、Ta副邊繞組電流Is周期性變化，實(shí)現(xiàn)了能量由(M1+M2)轉(zhuǎn)移到(M3+M4)。

如圖13所示為頂層均衡電路在雙刀雙擲繼電器Ta向下切換、V_M1+M2>V_M3+M4時(shí)對(duì)相鄰電池模塊進(jìn)行均衡的電壓效果圖，當(dāng)電池模塊初始電壓分別為M1＝7.175V，M2＝7.175，M3＝7.07V，M4＝7.07V時(shí)，(M1+M2)的電壓逐漸下降，(M3+M4)的電壓逐漸上升，實(shí)現(xiàn)了很好的均衡效果。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(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發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。