动力电池组有源钳位均衡电路的制作方法

1.本技术涉及动力电池以及电池组领域，具体设计一种动力电池组有源钳位均衡电路。


背景技术：

2.锂离子电池被广泛的使用在电动汽车上作为动力来源。但由于单节电池的各项性能指标都无法满足电动汽车的使用需求,通常需要将多节单体电池通过串并联构成电池组以获得更高的输出电压及输出功率。但是,受制于现有的锂电池制造技术,各单体电池间的性能差异是不可避免的。随着环境变化和使用时间增加,这种性能差异会被放大最终影响电池组的正常工作。为了降低这种差异带来的影响，充分利用电池能量,提高均衡效率,设计了一种基于有源钳位技术的双向反激变换器作为主电路的均衡系统。该拓扑结构适用于集中式主动均衡技术,使得能量能够在任意一个单体电池与电池组之间进行双向流动。它是一个完整的主动式均衡系统,包括主要的信号采集电路及输出均衡电路等。制定了清晰的均衡流程与策略,能够帮助整个系统提高主动均衡的速度与效率。均衡系统对单体电池不一致性问题能起到显著改善作用。
3.如图1所示，为顶层均衡电路的现有技术方案，利用电感l实现均衡作用，当模块m1电压值与其他模块不一致时，以电压值高于其他模块为例，电感l通过电磁感应，对其他模块充电，直到各个模块电压一致，一次才实现均衡操作，然而，现有技术的方案结构简单，在大功率应用下，电感l容易击穿，整体安全性不高。
4.如图2所示，为双向反激式均衡电路的现有技术方案，cell 1电量最高时，晶体管m12导通，再通过变压器n11：n12使二极管d11导通，再通过另外两个变压器n21：n22，变压器n31：n32，使cell 2、cell 3电量上升。然而，该技术方案，变压器个数多，容易发生电磁串扰，同时变压器体积大，发热量高，不利于集成。


技术实现要素：

5.（一）技术问题针对上述现有技术，动力电池存在如下缺陷：1. 动力电池组各单元之间不匹配，造成电能损失。
6.2. 动力电池各单元之间不匹配，造成电流信号不稳定，降低了电能的转换效率。
7.（二）技术方案针对上述技术问题，本技术提出动力电池组有源钳位均衡电路，包括运放采集信号输入电路、有源钳位双向反激变换器处理电路、开关阵列均衡电路。
8.运放采集信号输入电路，动力电池电压信号首先流入变压器t1，二极管d3、二极管d4、二极管d6、二极管d7，稳压二极管d2、稳压二极管d5以得到稳定电压电流信号的作用，经过处理的电压电流信号流过三个高精度采样电阻r3、电阻r11、电阻r18，通过滑动变阻器r6调节信号大小，经过电阻r4、电阻r7后输入高精度运算放大器u1，输出后经过双级联三极管
q7反馈到输入端负极。并且通过场效应晶体管q4反馈到输入端正极。通过以上一系列采集电路流程，可以得到精度更高、速度更快的、均衡效果更好的识别出不同动力电池传入的有细微程度差异性能力的电压电流信号。
9.有源钳位双向反激变换器处理电路，经过处理后的电压电流信号通过电容c9滤波后输入到晶体三极管q5的基极，与三极管q3构成均衡主电路，信号经过电阻r12、电阻r15分压后流过电感l2使电路处于稳定的工作状态，且电容c6、电容c8构成钳位电容，钳位电容使信号在工作过程中保持电压基本不变。电感l1与电容c5构成lc电路，增大谐振半周期，即可解决动力电池因性能不一致导致单体电池率先放电截止的问题，将能量输入到待均衡电池中，达到初步均衡目的。
10.开关阵列均衡电路，经过初步均衡后的动力电池，还需要经过利用选通电池传递能量的均衡电路，在这一过程中，系统已经能够检测到出需进行均衡操作的单体电池，通过场效应晶体管q2及三极管q1起到单体电池选择及能量传递作用，均衡参数可通过电阻r5进行调节，通过电容c2、电容c3滤波后输入到三极管q6的发射极，能够使单体电池在接入时保持电压均衡。当电池组单体电池较多时，保证了选择需要补充差异的电池单体的准确率及效率，配合均衡电路，最终实现降低单体电池不一致性的目标。
11.（三）有益效果本次设计的动力电池组有源钳位均衡电路，首先采用运放采集法，通过高精度运算放大器进行电压信号采集，可以避免高共模电压带来的不利影响。其次，电压信号以差分的形式输入高精度运放，可以有效减小电池电压信号的累计误差，在一定程度上能够弥补不同电池性能的差异。最后，选取设计允许的最大电流作为主电路反向工作时的均衡电流，可以保证能量传递效率最高，保证电池传输的电流信号更稳定。
附图说明
12.图1为图为顶层均衡电路的现有技术方案原理图。
13.图2为双向反激式均衡电路的现有技术方案原理图。
14.图3为本技术的电路原理图。
具体实施方式
15.下面结合实施例对本发明做进一步说明。
16.如图3所示，为本技术提出动力电池组有源钳位均衡电路，包括运放采集信号输入电路、有源钳位双向反激变换器处理电路、开关阵列均衡电路。
17.运放采集信号输入电路，动力电池电压信号首先流入变压器t1，二极管d3、二极管d4、二极管d6、二极管d7，稳压二极管d2、稳压二极管d5以得到稳定电压电流信号的作用，经过处理的电压电流信号流过三个高精度采样电阻r3、电阻r11、电阻r18，通过滑动变阻器r6调节信号大小，经过电阻r4、电阻r7后输入高精度运算放大器u1，输出后经过双级联三极管q7反馈到输入端负极。并且通过场效应晶体管q4反馈到输入端正极。通过以上一系列采集电路流程，可以得到精度更高、速度更快的、均衡效果更好的识别出不同动力电池传入的有细微程度差异性能力的电压电流信号。
18.具体而言，所述运放采集信号输入电路中输入端input+、输入端input
‑
分别接变
压器原级线圈一侧的两个端口，其中input+端口与变压器方向一致，变压器t1的副级线圈有方向的一端与二极管d4的正极连接，另一端与二极管d6的负极连接，二极管d3的正极与二极管d6的负极连接，负极分别与二极管d1的负极、二极管d4的负极、肖特基二极管d2的负极、电阻r3的一端、电容c4的一端以及场效应晶体管q4的漏端连接，电阻r3的另一端与肖特基二极管d2的负极连接，电容c4的另一端与电容c10的一端连接，电容c10的另一端与电阻r8的一端连接，电阻r8的另一端分别与肖特基二极管d5的正极、二极管d7的正极、二极管d6的正极以及双级联三极管q7的集电极连接，二极管d4的正极与二极管d7的正极连接， 肖特基二极管d2的正极肖特基二极管d5的负极连接，场效应晶体管q4的源端分别与二极管d1的正极、电阻r4的一端、电阻r7的一端、电容c7的一端以及高电平vcc连接，电容c7的另一端与高电平vcc连接，电阻r7的另一端与放大器u1的2号接口连接，电阻r4的另一端分别与场效应晶体管q4的栅极、滑动变阻器r6的一端连接，滑动变阻器r6的另一端高电平vcc连接，滑片端与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端高电平vcc连接，放大器u1的3号接口接地，１号接口、５号接口与高电平vcc连接，４号接口与双级联三极管q7的基极连接，双级联三极管q7的发射极接地，电阻r16一端与放大器u1的2号接口连接，另一端接地。
19.有源钳位双向反激变换器处理电路，经过处理后的电压电流信号通过电容c9滤波后输入到晶体三极管q5的基极，与三极管q3构成均衡主电路，信号经过电阻r12、电阻r15分压后流过电感l2使电路处于稳定的工作状态，且电容c6、电容c8构成钳位电容，钳位电容使信号在工作过程中保持电压基本不变。电感l1与电容c5构成lc电路，增大谐振半周期，即可解决动力电池因性能不一致导致单体电池率先放电截止的问题，将能量输入到待均衡电池中，达到初步均衡目的。
20.具体而言，所述有源钳位双向反激变换器处理电路中三极管q5的集电极分别与电阻r2的一端、三极管q3的基极连接，电阻r2的另一端与高电平vcc连接，三极管q5的基极与电容c9的一端连接，电容c9的另一端与放大器u1的2号接口连接，三极管q5的发射极分别与电容c6的一端、电阻r12的一端连接，电容c6的另一端与电感l2的一端连接，电感l2的另一端与三极管q3的发射极连接，电阻r12的另一端分别与电阻r15的一端、电容c11的一端连接，电阻r15的另一端接地，电容c11的另一端接地，三极管q3的集电极与高电平vcc连接，发射极分别与电容c8的一端、电阻r14的一端连接，电容c8的另一端分别与肖特基二极管d8的负极、电阻r21的一端连接，电阻r21的另一端接地，电阻r14的另一端分别与电容c12的一端、电阻r20的一端连接，电容c12的另一端基地，电阻r20的另一端接地，电容c11的一端与场效应晶体管q2的栅极连接，另一端分别与电容c5的一端、电感l1的一端连接，电容c5的另一端与肖特基二极管d8的负极连接，电感l1的另一端与肖特基二极管d8的负极连接。
21.开关阵列均衡电路，经过初步均衡后的动力电池，还需要经过利用选通电池传递能量的均衡电路，在这一过程中，系统已经能够检测到出需进行均衡操作的单体电池，通过场效应晶体管q2及三极管q1起到单体电池选择及能量传递作用，均衡参数可通过电阻r5进行调节，通过电容c2、电容c3滤波后输入到三极管q6的发射极，能够使单体电池在接入时保持电压均衡。当电池组单体电池较多时，保证了选择需要补充差异的电池单体的准确率及效率，配合均衡电路，最终实现降低单体电池不一致性的目标。
22.具体而言，所述开关阵列均衡电路中场效应晶体管q2的漏端分别与高电平vcc、三极管q1的集电极、电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与三极管q1的基极连接，场效应晶体
管q2的源端分别与电阻r9的一端、电容c2的一端连接，电容c2的另一端与电位器r5的一端连接，电位器r5的另一端与三极管q1的发射极连接，电阻r9的另一端分别与电阻r10的一端、电阻r8的一端连接，电阻r8的另一端与场效应晶体管q2的栅极连接，电阻r10的另一端与三极管q1的发射极连接，电容c3的一端与三极管q1的发射极连接，另一端与肖特基二极管d8的负极连接，肖特基二极管d8的正极接地，三极管q6的发射极分别与电阻r13的一端、电容c13的一端连接，电阻r13的另一端与肖特基二极管d8的负极连接，电容c13的另一端接地，电阻r19的一端与三极管q6的基极连接，另一端接地，电位器r17的一端与三极管q6的集电极连接，另一端接地，输出端口output与三极管q6的集电极连接。
23.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。