本实用新型涉及电路电子技术领域，特别是涉及一种电池能量均衡装置及系统。
背景技术：
电池能量均衡是利用电力电子技术，使锂电子电池单体电压保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常使用时保持相同状态，以避免过充、过放的发生。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。
现有的电池能量均衡的方案分为消耗性和能量回馈性两种。
消耗性方案是在电池两端并联开关和电阻，当串联电池中的一节电池的电压较高，而其他电池的电压较低时，用电阻消耗掉该电池的能量。该方案结构简单，但是效率较低，并且不能对电池放电时进行能量均衡。
能量回馈性方案是当充电时有电池的电压较高或者放电时有电池的电压较低时，通过电路将能量送回母线或者从母线吸收电能，实现电池能量均衡。其中，母线指用高导电率的铜(铜排)、铝质材料制成的，用以传输电能，具有汇集和分配电力能力的产品。现有的能量回馈性方案多采用一节电池配一个能量均衡单元，所需能量均衡单元数量较多，成本较高，但效率较低。
综上，在现有技术中存在电池能量均衡效率低的问题。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供一种电池能量均衡装置及系统，能够减少成本，提高电池能量均衡效率。
一方面，本实用新型实施例提供一种电池能量均衡装置，用于对串联的多个电池组的能量进行均衡。电池能量均衡装置包括：包括多个开关的开关阵列和直流隔离变换单元；
串联的多个电池组中的每一个电池组的正极均通过开关阵列中的至少一个开关与直流隔离变换单元的第一个正极相连；
每一个电池组的负极均通过开关阵列中的至少一个开关与直流隔离变换单元的第一个负极相连；
直流隔离变换单元的第二个正极与串联的多个电池组的正极相连；
直流隔离变换单元的第二个负极与串联的多个电池组的负极相连。
在本实用新型的一个实施例中，串联的多个电池组包括N个电池组，开关阵列包括的开关个数为2N个；
串联的多个电池组中的第i个电池组的正极通过第2i-1个开关与第一个正极相连，i为不大于N的自然数；
第i个电池组的负极通过第2i个开关与第一个负极相连。
在本实用新型的一个实施例中，串联的多个电池组包括N个电池组，开关阵列包括的开关个数为N+5个；
当i为不大于N的奇数时，串联的多个电池组中的第i个电池组的正极通过第i个开关和第N+2个开关与第一个正极相连，第i个电池组的负极通过第i+1个开关和第N+5个开关与第一个负极相连，i为不大于N的自然数；
当i为不大于N的偶数时，串联的多个电池组中的第i个电池组的正极通过第i个开关和第N+4个开关与第一个正极相连，第i个电池组的负极通过第i+1个开关和第N+3个开关与第一个负极相连。
在本实用新型的一个实施例中，第i个电池组的正极与第i个开关的一端相连；
第N个电池组的负极与第N+1个开关的一端相连；
第1个开关至第N+1个开关中的第奇数个开关的另一端分别与第N+2个开关和第N+3个开关的公共端相连；
第N+2个开关和第N+3个开关的另一端分别与第一个正极和第一个负极相连；
第1个开关至第N+1个开关中的第偶数个开关的另一端分别与第N+4个开关和第N+5个开关的公共端相连；
第N+4个开关和第N+5个开关的另一端分别与第一个正极和第一个负极相连。
在本实用新型的一个实施例中，直流隔离变换单元包括：第一全桥模块、第二全桥模块、变压模块、谐振模块和控制模块，其中，
第一全桥模块分别与每一个电池组连接的开关、变压模块和控制模块相连；
第二全桥模块分别与变压模块、谐振模块、控制模块和串联的多个电池组相连；
变压模块还分别与谐振模块和控制模块相连；
控制模块还分别与开关阵列中的每一个开关、每一个电池组相连，用于通过控制第一全桥模块、第二全桥模块和开关阵列中的开关，对串联的多个电池组的能量进行均衡。
在本实用新型的一个实施例中，控制模块包括：控制器和比较器，
比较器分别与每一个电池组以及控制器连接，用于采集每一个电池组的荷电状态，比较每一个电池组的荷电状态与充电阈值或放电阈值，将比较结果发送给控制器；
控制器根据比较器发送的比较结果，控制第一全桥模块和第二全桥模块包括的开关管的状态、以及每一个开关的开关状态，对串联的多个电池组的能量进行均衡。
在本实用新型的一个实施例中，控制模块还包括：驱动器，
驱动器与第一全桥模块、第二全桥模块、每一个开关和控制器连接；
控制器通过驱动器控制第一全桥模块和第二全桥模块包括的开关管的状态，以及每一个开关的开关状态，对串联的多个电池组的能量进行均衡。
在本实用新型的一个实施例中，控制模块还包括：信号隔离器，
信号隔离器分别与控制器、比较器和驱动器连接，用于隔离第一信号和第二信号，其中，第一信号为比较器向控制器发送的包含每一个电池组的荷电状态与充电阈值或放电阈值的比较结果的信号，第二信号为控制器向驱动器发送的用于驱动第一全桥模块和第二全桥模块包括的开关管和每一个开关通断的信号。
另一方面，本实用新型实施例提供一种电池能量均衡系统。电池能量均衡系统包括：电池装置和本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置；电池装置包括：串联的多个电池组；其中，电池组包括一个或者多个电池单体，多个电池单体串联连接。
相比于现有技术一节电池或一个电池组配一个能量均衡单元，本实用新型实施例，串联的多个电池组中的每一个电池组均与同一个电池能量均衡装置相连，仅利用一个电池能量均衡装置，即可实现电池能量均衡，能够减少成本，并且能够提高电池能量均衡效率。
附图说明
下面将参考附图来描述本实用新型示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置的第一种结构示意图；
图2示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置与电源和负载连接的示意图；
图3示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置的第二种结构示意图；
图4示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置的第三种结构示意图；
图5示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置的第四种结构示意图；
图6示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第一种结构示意图；
图7示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第二种结构示意图；
图8示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第三种结构示意图；
图9示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第四种结构示意图；
图10示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第五种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本实用新型的原理，但不能用来限制本实用新型的范围，即本实用新型不限于所描述的实施例。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底端”、“顶端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本实用新型实施例提供一种电池能量均衡装置，用于对串联的多个电池组的能量进行均衡。
电池能量均衡装置包括：包括多个开关的开关阵列和直流隔离变换单元。
串联的多个电池组中的每一个电池组的正极均通过开关阵列中的至少一个开关与直流隔离变换单元的第一个正极相连。
每一个电池组的负极均通过开关阵列中的至少一个开关与直流隔离变换单元的第一个负极相连。
直流隔离变换单元的第二个正极与串联的多个电池组的正极相连。
直流隔离变换单元的第二个负极与串联的多个电池组的负极相连。
图1示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置的第一种结构示意图。图1中N个电池组串联。电池能量均衡装置包括：开关阵列11和直流隔离变换单元12，开关阵列11包括多个开关。
串联的N个电池组中的每一个电池组的正极通过开关阵列11中的至少一个开关与直流隔离变换单元12的第一个正极相连。
每一个电池组的负极通过开关阵列11中的至少一个开关与直流隔离变换单元12的第一个负极相连。
直流隔离变换单元12的第二个正极与串联的N个电池组的正极相连。
直流隔离变换单元12的第二个负极与串联的N个电池组的负极相连。
当对串联的多个电池组进行充电时，对每一个电池组的荷电状态(State of Charge，简称为SOC)进行监测，当监测到电池组最高的SOC超过充电阈值时，闭合与SOC最高的电池组连接的开关，对该电池组进行放电，使其能量由直流隔离变换单元12流向整个串联的多个电池组，直至该电池组的SOC低于充电阈值，断开与该电池组连接的开关。优选的，充电阈值可以为SOC的平均值。
当对串联的多个电池组进行放电时，对每一个电池组的SOC进行监测，当监测到电池组最低的SOC低于放电阈值时，闭合与SOC最低的电池组连接的开关，对该电池组进行充电，使能量由串联的多个电池组通过直流隔离变换单元12流向该电池组，直至该电池组的SOC不低于放电阈值，断开与该电池组连接的开关。优选的，放电阈值可以为SOC的平均值。
可以理解的是，当对串联的多个电池组进行充电时，串联的多个电池组与电源相连。当对串联的多个电池组进行放电时，串联的多个电池组与负载相连。
图2示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置与电源和负载连接的示意图。
双掷开关的动端分别与串联的多个电池组的正极和直流隔离变换单元12的第二个正极相连。
双掷开关的第一不动端和第二不动端分别与电源的一端和负载的一端相连。
电源和负载的另一端均与直流隔离变换单元12的第二个负极相连。
当对串联的多个电池组进行充电时，将双掷开关的动端和第一不动端连接，使串联的多个电池组与电源相连。
当对串联的多个电池组进行放电时，将双掷开关的动端和第二不动端连接，使串联的多个电池组与负载相连。
相比于现有技术一节电池或一个电池组配一个能量均衡单元，本实用新型实施例，串联的多个电池组中的每一个电池组均与同一个电池能量均衡装置相连，仅利用一个电池能量均衡装置，即可实现电池能量均衡，能够减少成本，并且能够提高电池能量均衡效率。
在本实用新型的一个实施例中，充电阈值可以为高于SOC的平均值的一定值。可以在对串联的多个电池组进行充电、电池组最高的SOC超过SOC平均值一定值(比如2％)时，闭合与SOC最高的电池组连接的开关，当该电池组的SOC低于SOC平均值一定值(比如1％)时，断开与该电池组连接的开关。
在本实用新型的一个实施例中，放电阈值可以为低于SOC的平均值的一定值。可以在对串联的多个电池组进行放电、电池组最低的SOC低于SOC平均值一定值(比如2％)时，闭合与SOC最低的电池组连接的开关，当该电池组的SOC高于SOC平均值一定值(比如1％)时，断开与该电池组连接的开关。
本实用新型实施例中的串联的多个电池组中的每一个电池组可以包括一个或者多个电池单体。在一个示例中，多个电池单体串联连接。
应用本实用新型实施例的电池能量均衡装置可以对串联的多个电池组的能量进行组间均衡，还可以对一个电池组包括的多个电池单体的能量进行组内均衡。
在本实用新型的一个实施例中，串联的多个电池组包括N个电池组，电池能量均衡装置对串联的N个电池组的能量进行均衡，开关阵列包括的开关个数为2N个，如图3所示。图3示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置的第二种结构示意图。开关阵列11包括2N个开关。串联的N个电池组中的第i个电池组的正极通过第2i-1个开关与第一个正极相连；第i个电池组的负极通过第2i个开关与第一个负极相连，i为不大于N的自然数。
在本实用新型的一个实施例中，多个电池组包括N个电池组，电池能量均衡装置对串联的N个电池组的能量进行均衡，开关阵列包括的开关个数为N+5个。
当i为不大于N的奇数时，串联的多个电池组中的第i个电池组的正极通过第i个开关和第N+2个开关与第一个正极相连，第i个电池组的负极通过第i+1个开关和第N+5个开关与第一个负极相连。
当i为不大于N的偶数时，串联的多个电池组中的第i个电池组的正极通过第i个开关和第N+4个开关与第一个正极相连，第i个电池组的负极通过第i+1个开关和第N+3个开关与第一个负极相连。
其中，i为不大于N的自然数。
具体的，第i个电池组的正极与第i个开关的一端相连；第N个电池组的负极与第N+1个开关的一端相连。
第1个开关至第N+1个开关中的第奇数个开关的另一端分别与第N+2个开关和第N+3个开关的公共端相连。
第N+2个开关和第N+3个开关的另一端分别与第一个正极和第一个负极相连。
第1个开关至第N+1个开关中的第偶数个开关的另一端分别与第N+4个开关和第N+5个开关的公共端相连。
第N+4个开关和第N+5个开关的另一端分别与第一个正极和第一个负极相连。
当N为奇数时，如图4所示。图4示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置的第三种结构示意图。当N为偶数时，如图5所示。图5示出了本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置的第四种结构示意图。
根据本实用新型实施例，第i个电池组的负极与第i+1个电池组的正极共用一个开关，能够减少开关数量，进而减少成本。
图6示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第一种结构示意图。直流隔离变换单元12包括：第一全桥模块101、第二全桥模块102、变压模块103、谐振模块104和控制模块105。
第一全桥模块101分别与每一个电池组连接的开关、变压模块103和控制模块105相连。
第二全桥模块102分别与变压模块103、谐振模块104、控制模块105和串联的多个电池组相连。
变压模块103还分别与谐振模块104和控制模块105相连。
控制模块105还分别与开关阵列11中的每一个开关、每一个电池组相连，用于通过控制第一全桥模块101、第二全桥模块102和开关阵列11中的开关，对串联的多个电池组的能量进行均衡。
为了便于清晰展示出本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的结构。本实用新型图6所示实施例并未绘制出第一全桥模块101与每一个电池组连接的开关连接的线条，也未绘制出第二全桥模块102与串联的多个电池组连接的线条，也未绘制出控制模块105与开关阵列11中的每一个开关、每一个电池组连接的线条。
在本实用新型的一个实施例中，当对串联的多个电池组进行充电时，控制模块105对每一个电池组的SOC进行监测，当监测到电池组最高的SOC超过充电阈值时，控制与SOC最高的电池组连接的开关闭合，并控制第一全桥模块101、第二全桥模块102，使该电池组的能量经由开关阵列11中闭合的开关、第一全桥模块101、变压模块103、谐振模块104和第二全桥模块102流向整个串联的多个电池组，直至该电池组的SOC低于充电阈值。
当对串联的多个电池组进行放电时，控制模块105对每一个电池组的SOC进行监测，当监测到电池组最低的SOC低于放电阈值时，控制与SOC最低的电池组连接的开关闭合，并控制第一全桥模块101、第二全桥模块102，使串联的多个电池组的能量经由第二全桥模块102、谐振模块104、变压模块103、第一全桥模块101和开关阵列11中闭合的开关流向该电池组，直至该电池组的SOC不低于放电阈值。
在本实用新型的一个实施例中，第一全桥模块101可以包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4；第二全桥模块102可以包括：第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8；变压模块103可以包括：变压器T；谐振模块104可以包括：电容C、第一电感Lm和第二电感Ln；控制模块105可以包括：控制器。
各器件连接关系如图7所示。图7示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第二种结构示意图。
其中，Q1和Q3的集电极与每一个电池组的正极连接的开关相连。
Q 2和Q4的发射极与每一个电池组的负极连接的开关相连。
Q1和Q3的发射极分别与Q2和Q4的集电极相连。
Q5和Q7的集电极与串联的多个电池组的正极相连。
Q6和Q8的发射极与串联的多个电池组的负极相连。
Q5和Q7的发射极分别与Q6和Q8的集电极相连。
第一电感Lm的两端分别与Q5和Q7的发射极相连。
电容C的正极通过第二电感Ln与Q5的发射极相连。
变压器T的第一端和第二端分别与Q1的发射极和Q3的发射极相连。
变压器T的第三端与电容C的负极相连。变压器T的第四端与Q7的发射极相连。
控制器分别与每一个开关、每一个电池组、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8相连，用于控制上述八个开关管以及每一个开关的开关状态，对串联的多个电池组的能量进行均衡。
为了便于清晰展示出本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的结构。本实用新型图7所示实施例并未绘制出控制器与上述八个开关管、每一个开关、每一个电池组连接的线条，而是用图7中驱动器处向上的“箭头”代表控制器与上述八个开关管和每一个开关的连接关系。
由图7可以看出，本实用新型实施例所示的直流隔离变换单元结构为全桥双向串联谐振拓扑结构。
当对串联的多个电池组进行充电时，控制器对每一个电池组的SOC进行监测，当监测到电池组最高的SOC超过充电阈值时，控制与SOC最高的电池组连接的开关闭合，并控制上述八个开关管的开关状态，使该电池组的能量流向整个串联的多个电池组，实现电池能量均衡。
当对串联的多个电池组进行放电时，控制器对每一个电池组的SOC进行监测，当监测到电池组最低的SOC低于放电阈值时，控制与SOC最低的电池组连接的开关闭合，并控制上述八个开关管的开关状态，使串联的多个电池组的能量流向该电池组，实现电池能量均衡。
在本实用新型的一个实施例中，控制模块105还可以包括：比较器。如图8所示，图8示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第三种结构示意图。
比较器分别与每一个电池组以及控制器连接，用于采集每一个电池组的SOC，比较每一个电池组的SOC与充电阈值或放电阈值，将比较结果发送给控制器。
控制器根据比较器发送的比较结果，控制上述八个开关管以及每一个开关的开关状态，对串联的多个电池组的能量进行均衡。
为了便于清晰展示出本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的结构。本实用新型图8所示实施例并未绘制出比较器与每一个电池组连接的线条。
当对串联的多个电池组进行充电时，比较器采集每一个电池组的SOC，比较每一个电池组的SOC与充电阈值，将比较结果发送给控制器；控制器根据比较器发送的比较结果，确定SOC最高且超过充电阈值的电池组，控制所确定的电池组连接的开关闭合，并控制上述八个开关管的开关状态，使所确定的电池组的能量流向整个串联的多个电池组，实现电池能量均衡。
当对串联的多个电池组进行放电时，比较器采集每一个电池组的SOC，比较每一个电池组的SOC与放电阈值，将比较结果发送给控制器；控制器根据比较器发送的比较结果，确定SOC最低且低于放电阈值的电池组，控制所确定的电池组连接的开关闭合，并控制上述八个开关管的开关状态，使串联的多个电池组的能量流向所确定的电池组，实现电池能量均衡。
在本实用新型的一个实施例中，控制模块105还可以包括：驱动器，如图9所示，图9示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第四种结构示意图。
驱动器与上述八个开关管、每一个开关和控制器连接。
控制器通过驱动器控制上述八个开关管以及每一个开关的开关状态，对串联的多个电池组的能量进行均衡。
为了便于清晰展示出本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的结构。本实用新型图9所示实施例并未绘制出驱动器与上述八个开关管以及每一个开关连接的线条，而是用图9中驱动器处向上的“箭头”代表驱动器与上述八个开关管以及每一个开关的连接关系。
通常情况下，比较器并不将比较结果直接发送给控制器，而是仅将代表比较结果的信号发送给控制器。控制器在接到信号后，依据接收到的信号代表的比较结果，控制上述八个开关管和开关阵列中的开关的开关状态，对串联的多个电池组的能量进行均衡。
但是，信号在传输过程中会受到各种各样的干扰，为了保证信号稳定以及控制器接收到信号的准确性。在本实用新型的一个实施例中，控制模块105还可以包括：信号隔离器，如图10所示，图10示出了本实用新型实施例提供的直流隔离变换单元的第五种结构示意图。
信号隔离器分别与控制器、比较器和驱动器连接，用于隔离第一信号和第二信号。其中，第一信号为比较器向控制器发送的包含每一个电池组的荷电状态与充电阈值或放电阈值的比较结果的信号，第二信号为控制器向驱动器发送的用于驱动八个开关管和每一个开关通断的信号。
根据本实用新型实施例的电池能量均衡装置，能够保证信号稳定以及控制器接收到信号的准确性，能够提高电池能量均衡效率。
本实用新型实施例还提供一种电池能量均衡系统，包括电池装置和本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置。
电池装置包括串联的多个电池组；其中，电池组包括一个或者多个电池单体，多个电池单体串联连接。
串联的多个电池组中的每一个电池组与电池能量均衡装置的连接关系参见本实用新型实施例提供的电池能量均衡装置中的描述，本实用新型实施例在此不对其进行赘述。
虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。