一种动力电池高频大电流均衡电路及控制方法

本发明属于电池均衡，具体涉及一种动力电池高频大电流均衡电路及控制方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、随着大容量锂离子电池组在新能源汽车、储能系统中的应用越来越广泛。电动汽车对动力电池的性能要求也越来越高，受制于电池单体制作工艺以及在使用过程中的差异，导致电池在使用一段时间后会出现容量不一致问题，而这种不一致性问题，进一步会造成电池单体在使用过程中出现过充、过放等现象，影响电动汽车的续航里程以及电池的使用寿命等。为了解决电池单体在使用过程中的不一致性问题，需要对其进行均衡处理。在电池均衡领域，目前的均衡电路根据能量是否耗散主要分为：被动均衡和主动均衡。

3、被动均衡也称为耗散型均衡，是通过在电池单体两侧并联一个耗能电阻，将多余的能量以电阻发热的形式消耗掉；主动均衡则是通过均衡电路将能量进行重新分配，将能量较高的电池的能量转移到能量较低的电池中，实现无耗能均衡。被动均衡电路简单，成本低，但是均衡电流小，且多余能量都以热能形式完全浪费，整个系统效率低下。在主动均衡领域中，大多数均衡电路采用电感电容以及大量的开关器件实现，难以集成，也有部分采用变压器进行能量交换，但是需要搭配较多的开关器件，而且变压器在使用过程中会出现消磁不充分，磁饱和等现象，例如中国发明专利申请号(cn201910561137.7)提出了一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块、系统及控制方法，该发明采用变压器进行能量交换，原副边导通关断时间根据电压比动态调节，均衡电流可调。但是发明人发现一组电池需要搭配一个变压器，且一节电池搭配四个开关管，电路拓扑复杂，集成度低，且电路均衡电流不恒定，均衡时间长。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种动力电池高频大电流均衡电路及控制方法，本发明通过改进均衡电路拓扑，将电池单体分为奇偶两组，相邻电池单体共用一组开关管，能量双向流动，n节电池只需要8+2·n个开关管，且变压器原二次侧开关管只需要一路pwm信号控制，节省了大量器件，集成度高，并且优化控制策略，动态调节pwm信号占空比，对变压器及时消磁，同时合理设置变压器以及电路参数，实现大电流均衡，提高均衡速度和效率。

2、根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

3、第一个方面，本发明提供了一种动力电池高频大电流均衡电路。

4、一种动力电池高频大电流均衡电路，包括若干个电池单体，其中，奇数电池单体采用第一变压器模块进行能量均衡控制，偶数电池单体采用第二变压器模块进行能量均衡控制，相邻的两个电池单体之间通过共用一组开关管连接在第一变压器模块的原边和第二变压器模块的原边；

5、所述第一变压器模块和第二变压器模块均包括变压器、一次侧开关管和二次侧开关管，在第一变压器一次侧和第二变压器一次侧均与所述一组开关管之间连接有一组一次侧开关管；在第一变压器二次侧和第二变压器二次侧均连接有二次侧开关管和蓄电池；

6、所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管均与微控制器相连，所述微控制器通过比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择均衡类型，再通过pwm脉冲信号控制电池单体或蓄电池所对应的变压器相应侧的开关管导通或关断，以进行电池单体的充放电均衡控制。

7、进一步地，所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管的开关管数量之和等于8+2·n，其中，n为电池单体的数量。

8、进一步地，所述第一个电池单体和最后一个电池单体均通过一组开关管连接一次侧开关管。

9、进一步地，所述第一变压器二次侧和第二变压器二次侧共用一组蓄电池。

10、进一步地，所述均衡类型包括充电均衡和放电均衡。

11、进一步地，所述一组开关管和一组一次侧开关管均是包括两个开关管。

12、进一步地，所述微控制器连接电压采集模块，所述电压采集模块用于采集每个电池单体的电压值，并发送至微控制器。

13、第二个方面，本发明提供了一种动力电池高频大电流均衡电路控制方法。

14、一种动力电池高频大电流均衡电路控制方法，采用第一个方面所述的动力电池高频大电流均衡电路，包括：

15、获取所有电池单体电压，并计算所有电池单体电压均值；

16、计算每个电池单体电压与所有电池单体电压均值之间的差值，以确定最大正压差和最大负压差；

17、若最大正压差大于最大负压差的绝对值，则选择产生最大正压差的电池单体所对应的变压器一次侧的所有开关管导通，二次侧开关管关断，以进行放电均衡；

18、若最大负压差的绝对值大于最大正压差，则选择产生最大负压差的电池单体所对应的变压器二次侧的二次侧开关管导通，一次侧的所有开关管关断，以进行充电均衡。

19、进一步地，所述放电均衡时，满足：

20、

21、其中，v0为二次侧电感线圈两端电压，v1为一次侧电感线圈两端电压，n1为一次侧线圈匝数，n2为二次侧线圈匝数，t1为一次侧导通时间，t2-t1为二次侧导通时间。

22、进一步地，所述充电均衡时，满足：

23、

24、其中，v0为二次侧电感线圈两端电压，v1为一次侧电感线圈两端电压，n1为一次侧线圈匝数，n2为二次侧线圈匝数，t1为一次侧导通时间，t2-t1为二次侧导通时间。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

26、(1)本发明将电池单体分为奇偶两组，相邻电池单体共用一组开关管，能量双向流动，通过共用mos开关阵列，本电路可均衡若干个串联电池单体，相较于传统均衡电路能减少约50％开关器件，成本低，可集成度高。

27、(2)本电路拓扑设置了pwm占空比动态调节模块，最大程度上满足了变压器及时消磁，降低了mosfet承受的电压应力。

28、(3)本发明控制简单，变压器原副边导通关断只需要一路pwm信号控制即可。

29、(4)本发明能以高频、大电流持续均衡，可以明显缩短均衡时间，提高了工作效率。

技术特征：

1.一种动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，包括若干个电池单体，其中，奇数电池单体采用第一变压器模块进行能量均衡控制，偶数电池单体采用第二变压器模块进行能量均衡控制，相邻的两个电池单体之间通过共用一组开关管连接在第一变压器模块的原边和第二变压器模块的原边；

2.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管的开关管数量之和等于8+2·n，其中，n为电池单体的数量。

3.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述第一个电池单体和最后一个电池单体均通过一组开关管连接一次侧开关管。

4.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述第一变压器二次侧和第二变压器二次侧共用一组蓄电池。

5.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述均衡类型包括充电均衡和放电均衡。

6.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述一组开关管和一组一次侧开关管均是包括两个开关管。

7.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述微控制器连接电压采集模块，所述电压采集模块用于采集每个电池单体的电压值，并发送至微控制器。

8.一种动力电池高频大电流均衡电路控制方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的动力电池高频大电流均衡电路，包括：

9.根据权利要求8所述动力电池高频大电流均衡电路控制方法，其特征在于，所述放电均衡时，满足：

10.根据权利要求8所述动力电池高频大电流均衡电路控制方法，其特征在于，所述充电均衡时，满足：

技术总结
本发明属于电池均衡技术领域，提供了一种动力电池高频大电流均衡电路及控制方法。均衡电路包括若干个电池单体，奇数电池单体采用第一变压器模块进行能量均衡控制，偶数电池单体采用第二变压器模块进行能量均衡控制，相邻的两个电池单体之间通过共用一组开关管连接在第一变压器模块的原边和第二变压器模块的原边；所述第一变压器模块和第二变压器模块均包括变压器、一次侧开关管和二次侧开关管，所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管均与微控制器相连，所述微控制器通过比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择均衡类型，再通过PWM脉冲信号控制电池单体或蓄电池所对应的变压器相应侧的开关管导通或关断。

技术研发人员：商云龙,刘世全,陈桂成,王世玉,张承慧
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13