本實(shí)用新型涉及一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鋰離子電池因具有無(wú)記憶效應(yīng)、能量密度高、單體電壓高和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)中。為了滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)電壓和功率等級(jí)，需要將大量的鋰離子電池單體串、并聯(lián)組合使用。然而，由于制造工藝和工作環(huán)境等方面的差異，電池單體之間的內(nèi)阻和容量并不完全一致。電池組在使用的過(guò)程中，這些不一致性會(huì)逐漸積累，并且造成不同串聯(lián)電池單體電壓的不均衡，可能會(huì)導(dǎo)致某節(jié)電池單體的過(guò)充或過(guò)放，降低電池組的可用容量和循環(huán)壽命，甚至造成電池組的損壞。因此，串聯(lián)電池組需要均衡電路來(lái)平衡電池單體電壓間的不一致性。

目前，主動(dòng)均衡方法主要是基于電容、電感或變壓器將能量從電壓較高的電池單體傳遞到電壓較低的電池單體。其中，基于變壓器的均衡方法具有隔離性能好、效率高、控制簡(jiǎn)單和均衡速度快等優(yōu)點(diǎn)。

中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?01210144266.4)提出了一種基于對(duì)稱(chēng)多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡電路。該均衡電路僅需要一個(gè)控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)能量從電壓較高的電池單體到電壓較低的電池單體的自動(dòng)傳遞，具有控制簡(jiǎn)單、均衡效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，該方法需要另外的消磁電路(一個(gè)電容與勵(lì)磁電感構(gòu)成LC諧振電路)來(lái)吸收和釋放當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)存儲(chǔ)在變壓器中的能量。這導(dǎo)致了變壓器繞組的不一致、電路成本高、體積大以及設(shè)計(jì)復(fù)雜等缺點(diǎn)。并且為了獲得軟開(kāi)關(guān)，該均衡電路只能工作在特定的開(kāi)關(guān)頻率和占空比下，使得其設(shè)計(jì)和控制變得復(fù)雜，尤其是，該均衡電路很難模塊化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統(tǒng)。

首先，本實(shí)用新型提供一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)奇數(shù)和偶數(shù)多繞組變壓器副邊的反向并聯(lián)連接，基于正激變換實(shí)現(xiàn)了模塊內(nèi)和奇/偶數(shù)模塊間的均衡；基于反激變換實(shí)現(xiàn)了奇數(shù)和偶數(shù)模塊間的均衡以及變壓器的自動(dòng)消磁。

其次，本實(shí)用新型提供一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化方法，該控制方法只需一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)電池組中任意節(jié)電池單體到任意節(jié)電池單體的直接、自動(dòng)、同時(shí)均衡，極大提高了均衡效率和速度，有效改善了電池單體間的不一致性。本實(shí)用新型具有均衡效率高、均衡速度快、體積小、成本低、可靠性高、易于模塊化、控制簡(jiǎn)單、無(wú)需電壓檢測(cè)電路等優(yōu)點(diǎn)。

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：

一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統(tǒng)，包括多個(gè)電池模塊、微控制器、多個(gè)多繞組變壓器和多個(gè)MOS管，其中，每個(gè)電池模塊包括若干個(gè)電池單體，每個(gè)電池模塊對(duì)應(yīng)配置有一個(gè)多繞組變壓器；

所述多繞組變壓器包括y個(gè)原邊繞組和一個(gè)副邊繞組，每個(gè)電池單體連接于一個(gè)MOS管的漏極，MOS管的源極連接于一個(gè)多繞組變壓器的一個(gè)原邊繞組的一端，繞組的另外一端連接于該電池單體的負(fù)極，形成一個(gè)電流回路，微控制器輸出兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)具有相反的同名端的原邊繞組對(duì)應(yīng)的MOS管。

進(jìn)一步，共有x*y節(jié)電池單體，其中，x為電池模塊數(shù)，y為一個(gè)模塊包括的電池單體數(shù)。

進(jìn)一步的，相鄰的多繞組變壓器副邊的反向并聯(lián)連接。

進(jìn)一步的，所述多繞組變壓器的副邊繞組相并聯(lián)。

所述多繞組變壓器分為兩組，奇數(shù)和偶數(shù)變壓器副邊繞組具有相反的同名端。

進(jìn)一步的，所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的高頻PWM信號(hào)，即 PWM+和PWM-；

所述脈沖寬度調(diào)制PWM+信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接于奇數(shù)變壓器原邊繞組對(duì)應(yīng)的MOS管的柵極，用于產(chǎn)生該組MOS管開(kāi)關(guān)的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

所述脈沖寬度調(diào)制PWM-信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接于偶數(shù)變壓器原邊繞組對(duì)應(yīng)的MOS管的柵極，用于產(chǎn)生該組MOS管開(kāi)關(guān)的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化方法，微控制器的脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號(hào)分別控制多繞組變壓器中奇數(shù)和偶數(shù)變壓器對(duì)應(yīng)的 MOS管交替導(dǎo)通，基于正激變換電池模塊內(nèi)和奇/偶數(shù)電池模塊間的均衡或基于反激變換實(shí)現(xiàn)奇數(shù)和偶數(shù)電池模塊間的均衡以及變壓器的自動(dòng)消磁。

進(jìn)一步的，控制過(guò)程共包括四種工作模式：

(1)當(dāng)奇數(shù)變壓器的MOS管導(dǎo)通，基于反激變換對(duì)偶數(shù)變壓器進(jìn)行自動(dòng)消磁，并實(shí)現(xiàn)奇數(shù)和偶數(shù)模塊間的均衡，基于正激變換實(shí)現(xiàn)奇數(shù)模塊內(nèi)和模塊間的均衡；

(2)奇數(shù)變壓器的MOS管保持導(dǎo)通，基于正激變換實(shí)現(xiàn)奇數(shù)模塊內(nèi)和模塊間的均衡，并對(duì)奇數(shù)變壓器的消磁提供前提條件；

(3)偶數(shù)變壓器的MOS管導(dǎo)通，基于反激變換對(duì)寄數(shù)變壓器進(jìn)行自動(dòng)消磁，并實(shí)現(xiàn)奇數(shù)和偶數(shù)模塊間的均衡；基于正激變換實(shí)現(xiàn)偶數(shù)模塊內(nèi)和模塊間的均衡。

(4)偶數(shù)變壓器的MOS管保持導(dǎo)通，仍然基于正激變換實(shí)現(xiàn)偶數(shù)模塊內(nèi)和模塊間的均衡。

進(jìn)一步的，經(jīng)過(guò)這四個(gè)模式的不斷交替，基于正激變換實(shí)現(xiàn)了模塊內(nèi)和奇/偶數(shù)模塊間的均衡；基于反激變換，實(shí)現(xiàn)奇數(shù)和偶數(shù)模塊之間的均衡，從而獲得整個(gè)電池組的全局均衡，同時(shí)對(duì)所有變壓器起到了自動(dòng)消磁作用。

控制方法施加于電池組的充電、放電或靜止?fàn)顟B(tài)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果為：

(1)本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)電池組中任意電池單體到任意電池單體的直接均衡，極大提高了均衡效率和均衡速度，且能夠工作在電池組的充電、放電或靜止?fàn)顟B(tài)；

(2)無(wú)需電壓檢測(cè)電路，能夠獲得自動(dòng)均衡，減小了電路體積，降低了使用成本，一節(jié)電池單體只需要一個(gè)MOS管，極大地減小了電路體積；

(3)本實(shí)用新型提供的均衡電路易于模塊化，只需將多個(gè)多繞組變壓器的副邊繞組并聯(lián)連接，即可實(shí)現(xiàn)電池模塊之間的均衡，無(wú)需其他外層均衡電路，減小了電路體積；

(4)只需一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號(hào)控制均衡電路交替工作在兩個(gè)狀態(tài)，控制簡(jiǎn)單、可靠性高，由于奇數(shù)和偶數(shù)多繞組變壓器的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)和控制，獲得變壓器的自動(dòng)消磁，極大地降低了開(kāi)關(guān)應(yīng)力，提高了電路的可靠性，由于不需要另外的消磁電路，進(jìn)一步減小了電路體積；

(5)使用范圍廣泛，適用于鋰離子、鎳氫、鉛酸等可充電動(dòng)力電池，無(wú)需改變電路中器件的參數(shù)。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本實(shí)用新型均衡電路應(yīng)用于x*y電池組的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本實(shí)用新型均衡電路用于2*4電池組的結(jié)構(gòu)圖；

圖3(a)-圖3(d)是本實(shí)用新型模塊化均衡電路的工作模式；

圖4是本實(shí)用新型均衡電路的關(guān)鍵波形圖；

圖5是本實(shí)用新型均衡電路的效率與負(fù)載關(guān)系圖；

圖6是針對(duì)2個(gè)電池模塊8節(jié)電池單體的實(shí)驗(yàn)效果圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化方法，包括x*y節(jié)電池單體、微控制器、多個(gè)多繞組變壓器和x*y個(gè)MOS管。

所述多繞組變壓器包括y個(gè)原邊繞組和一個(gè)副邊繞組；

所述一個(gè)電池單體連接于一個(gè)MOS管的漏極，MOS管的源極連接于一個(gè)變壓器的一個(gè)原邊繞組的一端，繞組的另外一端連接于該電池單體的負(fù)極，從而形成一個(gè)電流回路；

所述多繞組變壓器的副邊繞組相并聯(lián)；

所述多繞組變壓器分為兩組，奇數(shù)和偶數(shù)變壓器副邊繞組具有相反的同名端；

所述微控制器包括兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端；

所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的高頻PWM信號(hào)，即PWM+和 PWM-；

所述脈沖寬度調(diào)制PWM+信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接于奇數(shù)變壓器原邊繞組對(duì)應(yīng)的MOS管的柵極，用于產(chǎn)生該組MOS管開(kāi)關(guān)的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

所述脈沖寬度調(diào)制PWM-信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接于偶數(shù)變壓器原邊繞組對(duì)應(yīng)的MOS管的柵極，用于產(chǎn)生該組MOS管開(kāi)關(guān)的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

一種應(yīng)用上述基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化方法，包括以下步驟：

(1)微控制器的脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號(hào)(PWM+ 和PWM-)控制奇數(shù)和偶數(shù)變壓器對(duì)應(yīng)的MOS管交替導(dǎo)通，有四個(gè)工作模式，如圖3(a)-圖3(d)所示，為本實(shí)用新型的四個(gè)工作狀態(tài)。。

(2)模式I：奇數(shù)變壓器的MOS管導(dǎo)通，基于反激變換對(duì)偶數(shù)變壓器進(jìn)行自動(dòng)消磁，并實(shí)現(xiàn)奇數(shù)和偶數(shù)模塊間的均衡；基于正激變換實(shí)現(xiàn)奇數(shù)模塊內(nèi)和模塊間的均衡。

(3)模式II：奇數(shù)變壓器的MOS管保持導(dǎo)通，仍然基于正激變換實(shí)現(xiàn)奇數(shù)模塊內(nèi)和模塊間的均衡，并對(duì)奇數(shù)變壓器的消磁提供前提條件。

(4)模式III：偶數(shù)變壓器的MOS管導(dǎo)通，基于反激變換對(duì)寄數(shù)變壓器進(jìn)行自動(dòng)消磁，并實(shí)現(xiàn)奇數(shù)和偶數(shù)模塊間的均衡；基于正激變換實(shí)現(xiàn)偶數(shù)模塊內(nèi)和模塊間的均衡。

(5)模式IV：偶數(shù)變壓器的MOS管保持導(dǎo)通，仍然基于正激變換實(shí)現(xiàn)偶數(shù)模塊內(nèi)和模塊間的均衡。

(6)經(jīng)過(guò)這四個(gè)模式的不斷交替，基于正激變換實(shí)現(xiàn)了模塊內(nèi)和奇/偶數(shù)模塊間的均衡；基于反激變換，一方面獲得了奇數(shù)和偶數(shù)模塊之間的均衡，從而獲得整個(gè)電池組的全局均衡，另一方面對(duì)所有變壓器起到了自動(dòng)消磁作用，降低了開(kāi)關(guān)應(yīng)力，不需另外的消磁電路，減小了電路體積。

作為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。

如圖1～圖5所示，一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化方法，包括8節(jié)電池單體含2個(gè)電池模塊、微控制器、兩個(gè)多繞組變壓器和8個(gè)MOS管。

多繞組變壓器包括4個(gè)原邊繞組和一個(gè)副邊繞組；

一個(gè)電池單體連接于一個(gè)MOS管的漏極，MOS管的源極連接于一個(gè)變壓器的一個(gè)原邊繞組的一端，繞組的另外一端連接于該電池單體的負(fù)極，從而形成一個(gè)電流回路；

多繞組變壓器的副邊繞組相并聯(lián)；

多繞組變壓器分為兩組，奇數(shù)和偶數(shù)變壓器副邊繞組具有相反的同名端；

微控制器包括兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端；

脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)輸出端發(fā)送一對(duì)狀態(tài)互補(bǔ)的高頻PWM信號(hào)，即PWM+和PWM-；

脈沖寬度調(diào)制PWM+信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接于奇數(shù)變壓器原邊繞組對(duì)應(yīng)的MOS管的柵極，用于產(chǎn)生該組MOS管開(kāi)關(guān)的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

脈沖寬度調(diào)制PWM-信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接于偶數(shù)變壓器原邊繞組對(duì)應(yīng)的MOS管的柵極，用于產(chǎn)生該組MOS管開(kāi)關(guān)的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

以8節(jié)電池單體分為2個(gè)電池模塊為例，并假設(shè)電池單體電壓滿(mǎn)足V_B24>V_B23>V_B22>V_B21>V_B14> V_B13>V_B12>V_B11。

圖5給出了本實(shí)用新型的均衡效率與均衡功率的關(guān)系圖?？梢钥闯?，本實(shí)用新型在寬廣的負(fù)載范圍內(nèi)具有較高的均衡效率，其最高效率可達(dá)89.4％。

圖6給出了本實(shí)用新型的均衡實(shí)驗(yàn)圖。初始電池單體電壓分別為3.528V,3.524V,3.429V, 3.165V,3.652V,3.616V,3.621V,以及3.483V,，最大初始電壓差為0.487V。在5800s后，所有的電池單體電壓同時(shí)收斂到3.515V附近，其最大電壓差為3mV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本實(shí)用新型均衡電路能夠獲得任意電池單體對(duì)任意電池單體的同時(shí)均衡，且均衡速度快，均衡效率高。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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?xún)?nèi)。