电池组均衡装置的制作方法

本发明涉及电池均衡技术领域，特别涉及一种电池组均衡装置。

背景技术：

在电动车和混合动力汽车上，为了给系统提供足够的电压和电力，均使用多个电池单元串联而成的电池组来作为能量源。对于电池组而言，保持各电池单元之间的电压平衡至关重要，当电池组中某个或多个电池单元的充电电压远高于预设值时，是很危险的。

有几个因素会导致各电池单元之间的不均衡，这里所说的不均衡包括电池单元制造过程的不均衡、电池单元充电/放电的不均衡。这些因素有：各电池单元的阻抗不同、化学反应速率不同、自放电率不同、工作温度变化等。并且这些不均衡，随着电池充电/放电次数的增加会越来越明显，这对电池的寿命影响很大。充电均衡能提高电池组的均衡性，因此，如何使串联的各电池单元充电状况达到平衡是非常有必要的。

现有技术中，最常见的做法是使用直流/直流转换器，通过控制直流/直流转换器，能量可以从高电压电池流向低电压电池，从而实现各电池单元的均衡。但这些电路都存在如下特点：能量只能在相邻的电池间转移。对于这种平衡电路，当构成电池组的电池单元较多时，能量在电池单元之间的转移次数很多，在每次能量转移期间，都会发生能量损失和传输时间的消耗，因此平衡效率很低；另外，由于对于每个电池而言都需要配置一个直流/直流转换器，故平衡电路的硬件和控制较为复杂、成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种损耗小、效率高的电池组均衡装置，能有效实现各电池单元的均衡。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种电池组均衡装置，电池组由电池单元串联而成，包括控制单元和为控制单元供电的供电单元，每个电池单元对应设置一个控制单元；所述的控制单元包括单片机、变压器，变压器的原边绕组与电源相连，变压器的有两个副边绕组，第一副边绕组与电池单元相连，第二副边绕组用于采集电压信息并输出至单片机，单片机还采集原边绕组的电流信息；所述的原边绕组与电源之间、第一副边绕组与电池单元之间均设置有开关，单片机根据采集到的电压、电流信息控制开关的通断。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：该电路将电池组的充电功能、均衡功能合并构成一个电路，缩小整个电路的尺寸，提高系统效率，降低系统成本，同时，控制单元模块化设计，可以根据电池单元的数量进行配置，且损坏后易于更换。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是图1中控制单元的电路图；

图3是本发明的流程示意图；

图4是充电过程中，本发明的等效电路图；

图5是充电过程中，本发明电池单元不平衡时能量流动示意图；

图6是放电过程中，本发明的等效电路图；

图7是放电过程中，本发明电池单元不平衡时能量流动示意图；

具体实施方式

下面结合图1至图7，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1，一种电池组均衡装置，电池组由电池单元10串联而成，包括控制单元20和为控制单元20供电的供电单元30，每个电池单元10对应设置一个控制单元20；所述的控制单元20包括单片机21、变压器22，变压器22的原边绕组221与电源40相连，变压器22有两个副边绕组，第一副边绕组222与电池单元10相连，第二副边绕组223用于采集电压信息并输出至单片机21，单片机21还采集原边绕组221的电流信息；所述的原边绕组221与电源40之间、第一副边绕组222与电池单元10之间均设置有开关，单片机21根据采集到的电压、电流信息控制开关的通断。如果电源40使用的是市电，则需要对交流电进行整流，图1中示出了整流单元，但这对于本领域技术人员来说是常规设置，这里就不再详细叙述。通过控制单元20对开关通断的控制，功率因素校正、理想的均衡、电池充电可以通过使用相同的电路同时完成，该装置将充电、均衡、功率因素校正一体化，提高了效率、降低成本，缩小了系统尺寸。另外，控制单元20模块化设计，根据电池单元10的数量进行设置，方便电路调试以及系统的维护，易于更换。

参阅图2，作为本发明的优选方案，控制单元20具体的结构如下：所述的单片机21为8位单片机，第二副边绕组223的两端分别与单片机21的引脚VD+、VD-相连；所述的开关为场效应管，电源40的正负极间连接有电容C_N，电容C_N与原边绕组221构成一个谐振电路，每个变压器的磁通量由谐振复位且平均磁化约为零。原边绕组221的一端与电源40正极相连，另一端通过电阻r与场效应管M_N的漏极相连，场效应管M_N的源极与电源的负极相连，电阻r与场效应管M_N的漏极时间引出一条支路与单片机21的CS引脚相连，单片机21的引脚SG1与场效应管M_N的栅极相连用于控制场效应管M_N的通断；第一副边绕组222的一端连接电池单元10的正极，另一端与场效应管S_N的漏极相连，场效应管S_N的源极连接电池单元10的负极，单片机21的引脚SG2通过光耦隔离器、MOSFET驱动器与场效应管S_N的栅极相连用于控制场效应管S_N的通断，光耦隔离器也即图2中的OPT ISO，MOSFET驱动器即图2中的Drive。采用场效应管M_N、S_N作为开关，方便控制且能耗小。之所以在单片机21和场效应管S_N间设置光耦隔离器是避免信号干扰。

优选地，所述的供电单元30输出12V电压至单片机21，供电单元30还输出4V电压至串联的各电池单元中的首个电池单元10所对应的MOSFET驱动器，串联的各电池单元中的其他电池单元10所对应的MOSFET驱动器的正极、负极分别与前一个电池单元10的正极、该电池单元10的负极相连。参阅图1，这里关于MOSFET驱动器的连接方式也可以理解为：第一个电池单元B₁所对应的MODULE 1中的Driver的引脚B_P、B-与供电单元30的4V电压输出端相连；第二个电池单元B₂所对应的MODULE 2中的Driver的引脚B_P与第一个电池单元B₁的正极相连，其引脚B-与第二个电池单元B₂的负极相连；依此类推，第N个电池单元B_N所对应的MODULE N中的Driver的引脚B_P与第(N-1)个电池单元B_N-1的正极相连，其引脚B-与第N个电池单元B_N的负极相连。当本装置应用在电动汽车上的时候，供电单元可以为车载蓄电池，对于其他情况，可额外增加一个12V蓄电池以及一个小功率的充电器即可。

优选地，所述控制单元原边绕组221的线匝数量与第一副边绕组222的线匝数量比值均为N。这样可以保证场效应管M_N、S_N打开和关闭时，每个绕组的电压是相同的。

优选地，各单片机21的引脚COMM1相连用于实现单片机21间的通信。通过通信端口，每个控制单元20可以与他人分享自己的状态，并且能够及时了解其他电池的情形，当一个或几个电池单元10不能工作或过热时，所有模块可以找到它或它们的模块数量，因而进一步能够快速找到坏的电池单元10，有利于故障的排除。

参阅图3，一种如前所述的电池组均衡装置的控制方法，包括如下步骤：(A)单片机21根据电池单元10的充电状态控制场效应管M_N、S_N的通断实现对每个电池单元10的独立充电；(B)单片机21根据电池单元10的电压值控制最高电压电池单元10和最低电压电池单元10所对应的场效应管M_N、S_N的通断实现电压均衡。

具体地，所述的步骤A包括如下步骤：(A1)各控制单元20与电源40相连，开始充电；(A2)单片机21判断其所控制的电池单元10是否已经完全充电，若是，该单片机21关闭相应的场效应管M_N、S_N，否则，该单片机21打开相应的场效应管M_N，关闭相应的场效应管S_N；(A3)当通过原边绕组221的电流i_MN达到预设的峰值时，该单片机21关闭相应的场效应管M_N，经过设定的时间t后打开相应的场效应管S_N；(A4)当通过原边绕组221的电流i_MN逐渐降低到零时，该单片机21关闭相应的场效应管S_N，经过设定的时间t后重复步骤B；(A5)如果步骤B中所有的电池单元10都已经完全充电，则充电过程结束。

具体地，所述的步骤B包括如下步骤：(B1)单片机21采集电池单元10的电压值；(B2)电压最高的电池单元10所对应的单片机21打开相应的场效应管S_N，然后将其关闭；(B3)电压最高、最低的电池单元10所对应的单片机21分别打开相应的场效应管M_N，然后关闭它们；(B4)电压最低的电池单元10所对应的单片机21打开相应的场效应管S_N，然后将其关闭；(B5)重复步骤B2～B4，直到各电池单元10的电压均衡。

下面结合附图4-图7对以上步骤进行详细的描述：

参阅图4，当开始为电池充电时，每个控制单元20分别对其控制的电池单元10进行判定，看该电池单元10是否已经完全充电，假设图4中的电池单元B₁已经充满电，电池单元B₂未充满电，则场效应管M₁、S₁、S₂均关闭，场效应管M₂打开，这样通过第二个变压器T₂的原边绕组的电流i_M2将线性增加，并在原边绕组上存储能量；当i_M2达到预设的峰值时，场效应管M₂将关闭，经过时间t后打开场效应管S₂，这样存储在变压器T₂原边绕组的能量被转移到第一副边绕组并转移到电池单元B₂中，为电池单元B₂充电；随着充电的进行，电流i_M2逐渐减小，当电流i_M2降低为0时，关闭场效应管S₂。重复上述步骤直到所有的电池单元10都完全充满电后结束充电。

参阅图5，在充电时，如果发生了不均衡现象，比如电池单元B₁的电压高于其他电池单元时，与电池单元B₁并联的第一副边绕组将有一个较高的电压，且高于其他电池单元所对应的第一副边绕组，意味着更多的能量存储在其中。能量转回到变压器T₁的原边绕组上并与电源能量一起，为其他待充电的电池单元所对应的原边绕组上。需要指出的是，图5中示出的不是与电源一起，而是与AC/DC变换器的能量一起，是由于实施例中电源一般使用的是交流电，必须进行整流变成直流电。上述均衡过程是连续进行的，使得电池单元B₁的能量转移到其他的电池单元上，达到了均衡的目的。

参阅图6、图7显示的是放电情况下的示意图。在放电期间，各单片机21不断采集各电池单元10的电压，当发生不均衡时，假设如图7中所示的那样，电池单元B₁的电压最高，电池单元B₃的电压最低，那么MODULE 1中的单片机21会在0.1s内发送信号打开S₁，接下来关闭S₁，并在0.1s内打开M₁和M₃，然后关闭它们；再在0.1s内打开S₃，然后关闭。这样就能实现电池单元B₁中能量向电池单元B₃中转移，重复上述步骤，直到有另外一对最高、最低电压的电池单元10出现，对新的最高、最低电压的电池单元10重复上述步骤。经过多次转移之后，所有的电池单元10能量都达到均衡。