基于无桥隔离型电流校正技术的电池均衡电路及方法与流程

本发明属于电池均衡电路设计技术领域，具体涉及一种基于无桥隔离型电流校正技术的电池均衡电路及方法。

背景技术：

电池组大多采用大量单体电池通过串联组合后进行充放电，当电池组进行串联充电时，流过各个单体之间存在容量和内阻等方面的差异，可能导致各单体的充电速度不均，另外，在充电过程中，空间温度分布不均匀和电池老化程度不一致也会引起充电速度的不同，从而导致充电过程中各单体的荷电状态不均衡，对外表现为开路端电压不相等。长期的不均衡充电会放大单体之间的差异，导致部分电池的过冲和欠充等现象，从而严重影响电池的性能和实用寿命，甚至带来安全隐患。因此研发一种新型高效的电池均衡电路和方法变成尤为重要。

目前常用的均衡充电管理方法主要分为耗散型和非耗散型。耗散型均衡充电管理方法电路结构简单，但会带来大量损耗。非耗散型电池管理方法的损耗小，但时滞性较严重。减少非耗散型均衡电池管理方法的时滞性、实现快速度均衡充电便成了目前该领域研究的重点。一般传统的非耗散型均衡电池管理方法采用在每个电池单体上都并联一套能量转换电路，将充电快的电池单体能量转移到充电慢的电池单体上，大量的能量转换电路和电池的频繁放电和充电均具有一定的局限性，不利于电池组长期工作得可靠性，甚至带来安全隐患。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何解决传统非耗散型均衡电池管理方法需要大量的均衡电路器件才能实现能量在不同的电池单体上传递的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于无桥隔离型电流校正技术的电池均衡电路，包括：电池组、均衡转换电路、电压采集模块、均衡控制电路；

所述电压采集模块用于采集各电池单体的电压，并把电压信号传给均衡控制电路；

所述均衡控制电路用于对各电池单体电压进行排序、比较，如果检测到最大电池单体电压与最小电池单体电压之差大于第一预设值，则将最小电压的电池单体切除于电池组之外，并通过均衡转换电路对最小电压的电池单体进行单独充电管理，且均衡控制电路通过电压采集模块实时监控各电池单体的电压，若单独充电管理的电池单体与电池组中最高电压的电池单体之间的电压差小于第二预设值，则表明均衡管理完成，再通过均衡控制电路将单独管理的电池单体切入电池组中，并以此为循环，直至整个电池组的充电电流小于第三预设值，表明电池组充电完成。

优选地，所述均衡转换电路包括校正开关管q1～q2、电感l1～l2、变压器t1、电容c1～c2、二极管d1～d2，所述均衡控制电路包括n个双刀双掷开关k1～kn，n+1个单刀单掷开关k0-1～k(n)-(n+1)，n个单刀单掷开关k0-2～k(n-1)-(n+1)，所述电池组包括n个电池e1～en；

其中，交流输入的l端与校正开关管q1的漏极之间串联电感l1，校正开关管q1的源极接校正开关管q2的源极，校正开关管q2的漏极接交流输入的n端，校正开关管q1的漏极与变压器t1的原边同名端之间串联电容c1，交流输入的n端接变压器t1的非同名端，变压器t1的副边同名端与二极管d1的正极之间串联电容c2和电感l2，变压器t1的副边非同名端接二极管d2的正极，二极管d2的负极接二极管d1的正极；二极管d1的负极接开关k1、k2、…、kn的1端点，二极管d2的正极接开关k1、k2、…、kn的3端点；开关k1、k2、…、kn的2端点接电池e1、e2、…、en的正极，开关k1、k2、…、kn的4端点接电池e1、e2、…、en的负极；充电正极接开关k0-1的2端点，充电正极接开关k0-2的2端点，开关k0-1的1端点接电池e1的正极，电池e1的负极接开关k1-2的2端点，开关k0-2的1端点接电池e2的正极，开关k1-2的1端点接电池e2的正极；依此方式，则第x个电池的连接方式为：电池ex的正极接开关k(n-1)-(n)的1端点，电池ex的负极接开关k(n)-(n+1)的2端点，开关k(n-1)-(n+1)的2端点接开关k(n-1)-(n)的2端点，开关k(n-1)-(n+1)的1端点接开关k(n)-(n+1)的1端点；充电负极接开关k(n)-(n+1)的1端点。

本发明还提供了一种利用所述的电路实现的电池均衡方法，包括以下步骤：

所述电压采集模块采集各电池单体的电压，并把电压信号传给均衡控制电路；

所述均衡控制电路对各电池单体电压进行排序、比较，如果检测到最大电池单体电压与最小电池单体电压之差大于第一预设值，则将最小电压的电池单体切除于电池组之外，则均衡转换电路对最小电压的电池单体进行单独充电管理，且均衡控制电路通过电压采集模块实时监控各电池单体的电压，若单独充电管理的电池单体与电池组中最高电压的电池单体之间的电压差小于第二预设值，则表明均衡管理完成，此时均衡控制电路将单独管理的电池单体切入电池组中，并以此为循环，直至整个电池组的充电电流小于预设值，表明电池组充电完成。

优选地，第一预设值为10mv。

优选地，第二预设值为3mv。

优选地，第三预设值为0.01c。

优选地，该方法具体包括以下步骤：

交流输入正半周输入的情况下，当校正开关管q1、q2导通时，交流输入uin给电感l1充电，电感l1电流线性增加，电容c1给变压器t1的励磁电感lm充电，二极管d2续流，二极管d1承受反向电压而关断，电容c2和电感l2开始谐振，电容c2上的电压uc2开始上升，校正开关管q1、q2的开通占空比为d，则得到电感l1的电流il1＝uind1/l1，励磁电感lm的电流ilm＝uc1d1/l1，当变压器t1的副边谐振电流到零时，二极管d2零电流关断，电容c2上电压上升到最大值并保持不变，为了实现零电流关断，需满足当校正开关管q1、q2导通结束后进入关断状态时，交流输入经过电感l1向电容c1充电电流线性减小，同时二极管d1导通，副边电流向输出端uo充电，当副边电流减小至0时，二极管d1零电流关断。

优选地，对于交流负半周，均衡转换电路的工作方式与正半周相同，从校正开关管q1、q2关断至副边电流减少至0所经历的占空比为d2，根据伏秒平衡原理，对于电感l1在整个开关过程中充电与放电过程应该相等，得到uindt＝(uc1-uin+n(uo-uin/n))d2t，最终得到uo/uin＝(d+d2)/nd2，式中n为变压器t1的原级与副级的匝数比，通过控制d、d2、n即得到电池均衡充电电压，当均衡控制电路检测到第x个电池单体ex的电压低于电池组中最高电池单体电压10mv时，则均衡控制电路先将开关k(x-1)-x关断，并将开关k(x-1)-(x+1)导通，使电池单体ex切除于电池组之外，再将开关kx闭合，电池单体ex则与均衡转换电路接通，使第x个电池单体ex充电；当检测到独立充电的电池单体的电压小于实时电池组中最高电池单体的电压3mv时，将开关kx断开，电池单体ex脱离均衡转换电路后闭合开关k(x-1)-x，再将开关k(x-1)-(x+1)断开，完成电池单体ex并入电池组的工作。

本发明还提供了一种所述的电路在电池均衡电路设计技术领域中的应用。

本发明还提供了一种所述的方法在电池均衡电路设计技术领域中的应用。

(三)有益效果

①本发明只需要一套均衡充电电路即可完成对整套电池组的均衡充电管理工作，大大减少了均衡电路的积极和重量，提高了电池组的可靠性和效率。

②本发明的均衡充电电路输出电压、电流可控，可以针对电池组中不同电池单体的充电电压和电流进行调节，也提高了均衡电路对于各种电池的充电电压要求的适用性。

③本发明的电池均衡控制方式是检测电池组中电压较低的电池单体，进行单独充电管理，加速电压低的电池单体的充电速度，相对于传统的将高压电池单体的能量传递到电压低的单体的工作方式，能够提高系统工作得效率，解决时滞性的问题。

附图说明

图1是本发明的一种基于无桥隔离型电流校正的电池均衡电路实现的控制流程图；

图2是本发明的一种基于无桥隔离型电流校正的电池均衡电路的具体电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供的一种基于无桥隔离型电流校正技术的电池均衡电路是一种将交流电网变换成为可调节的充电电压，再依靠控制电路，将电池组中电压低的电池单体进行单独管理的电池均衡方案，包括：电池组、均衡转换电路、电压采集模块、均衡控制电路，图1为本发明的电池组均衡充电整体控制流程图，先对电池均衡电路进行初始化，再经过电压采集模块采集各电池单体的电压，并把电压信号传给均衡控制电路，均衡控制电路对各电池单体电压进行排序、比较，如果检测到最大电池单体电压与最小电池单体电压之差大于10mv,并将最小电压的电池单体切除于电池组之外，并通过均衡转换电路(无桥隔离型电流校正均衡电路)对最小电压的电池单体进行单独充电管理，且均衡控制电路通过电压采集模块实时监控各电池单体的电压，若单独充电管理的电池单体与电池组中最高电压的电池单体之间的电压差小于3mv,则表明均衡管理完成，均衡控制电路再将单独管理的电池单体切入电池组中，并以此为循环，直至整个电池组的充电电流小于0.01c，表明电池组充电完成。

如图2所示，所述均衡转换电路包括校正开关管q1～q2、电感l1～l2、变压器t1、电容c1～c2、二极管d1～d2，所述均衡控制电路包括n个双刀双掷开关k1～kn，n+1个单刀单掷开关k0-1～k(n)-(n+1)(其中，0-1、(n)-(n+1)表示点位的标号)，n个单刀单掷开关k0-2～k(n-1)-(n+1)，所述电池组包括n个电池e1～en；按照图2所示连接以下器件，交流输入的l端与校正开关管q1的漏极之间串联电感l1，校正开关管q1的源极接校正开关管q2的源极，校正开关管q2的漏极接交流输入的n端，校正开关管q1的漏极与变压器t1的原边同名端之间串联电容c1，交流输入的n端接变压器t1的非同名端，变压器t1的副边同名端与二极管d1的正极之间串联电容c2和电感l2，变压器t1的副边非同名端接二极管d2的正极，二极管d2的负极接二极管d1的正极；二极管d1的负极接开关k1、k2、…、kn的1端点，二极管d2的正极接开关k1、k2、…、kn的3端点；开关k1、k2、…、kn的2端点接电池e1、e2、…、en的正极，开关k1、k2、…、kn的4端点接电池e1、e2、…、en的负极；充电正极接开关k0-1的2端点，充电正极接开关k0-2的2端点，开关k0-1的1端点接电池e1的正极，电池e1的负极接开关k1-2的2端点，开关k0-2的1端点接电池e2的正极，开关k1-2的1端点接电池e2的正极；依次方式，则第x个电池的连接方式为，电池ex的正极接开关k(n-1)-(n)的1端点，电池ex的负极接开关k(n)-(n+1)的2端点，开关k(n-1)-(n+1)的2端点接开关k(n-1)-(n)的2端点，开关k(n-1)-(n+1)的1端点接开关k(n)-(n+1)的1端点；充电负极接开关k(n)-(n+1)的1端点。

本发明具体实现方式如图2所示，具体工作原理如下：交流输入正半周输入的情况下，当校正开关管q1、q2导通时，交流输入uin给电感l1充电，电感电流线性增加，电容c1给变压器t1的励磁电感lm充电，二极管d2续流，二极管d1承受反向电压而关断，电容c2和电感l2开始谐振，电容c2上的电压uc2开始缓慢上升，校正开关管q1、q2的开通占空比为d，则可以得到电感l1的电流il1＝uind1/l1，励磁电感lm的电流ilm＝uc1d1/l1，当变压器t1的副边谐振电流到零时，二极管d2零电流关断，电容c2上电压上升到最大值并保持不变，为了实现零电流关断，需要满足当校正开关管q1、q2导通结束后进入关断状态时，交流输入经过电感l1向电容c1充电电流线性减小，同时二极管d1导通，副边电流向输出端uo充电，当副边电流减小至0时，二极管d1零电流关断；对于交流负半周，均衡转换电路的工作与正半周相同，从校正开关管q1、q2关断至副边电流减少至0所经历的占空比为d2，根据伏秒平衡原理，对于电感l1在整个开关过程中充电与放电过程应该相等，得到uindt＝(uc1-uin+n(uo-uin/n))d2t，最终得到uo/uin＝(d+d2)/nd2，式中n为变压器t1的原级与副级的匝数比，通过控制d、d2、n即得到电池均衡充电电压。当均衡控制电路检测到第x个电池单体ex的电压低于电池组中最高电池单体电压10mv时，则通过均衡控制电路内单片机的控制(对应图2中的电池组均衡转换策略)先将开关k(x-1)-x关断，并将开关k(x-1)-(x+1)导通，使电池单体ex切除于电池组之外，保证其余电池单体继续充电，再将开关kx闭合，电池单体ex则与均衡转换电路接通，可以使电池单体不受电池组的影响，可以按照电压的状态调节充电电流，使低电压的电池单体快速充电；当检测到独立充电的电池单体的电压小于实时电池组中最高电池单体的电压3mv时，将开关kx断开，电池单体ex脱离均衡转换电路后闭合开关k(x-1)-x，再将开关k(x-1)-(x+1)断开，完成电池单体ex并入电池组的工作。

本发明只采用一套具有电流校正技术的均衡转换电路，不会给电网带来谐波污染，大大减轻了系统的体积和重量，管理策略是向充电慢的电池单体提供额外的充电电流，不会损耗电池组中已完成充电的能量，有利于改善传统电池均衡方法的时滞性的缺陷。因此，本发明通过基于无桥隔离型电流校正技术的电池均衡电路及方法，可以在不减缓电池组充电速度的条件下，对电压低的电池单体额外进行充电管理，以达到电压均衡的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。