均衡电路、充电电路及车载充电机的制作方法

1.本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种均衡电路、充电电路及车载充电机。


背景技术：

2.随着电动汽车的飞速发展，对电动汽车的动力电池要求越来越高，安全、可靠、高能量密度。电动汽车整车电池包一般由多个电池模组组成。
3.由于整车电池特性的差异，电池在使用中存在不均衡度会随着使用时间延长而加大，也即电池模组之间的不均衡度会越来越大，从而不但大大降低整体电池包的容量，而且带来安全方面的风险。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种均衡电路，旨在实现电池模组之间的均衡。
5.为实现上述目的，本发明提出的均衡电路，用于均衡n个依次串联的电池模块，包括：
6.储能电路；
7.n个开关电路，具有输入端、输出端以及受控端，n个所述开关电路的输入端与n个所述电池模块一一对应连接，n个所述开关电路的输出端均与所述储能电路连接；
8.控制电路，分别与n个所述开关电路的受控端连接，所述控制电路用于控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启，以控制相邻的两个所述电池模块交替对所述储能电路进行充电和放电；
9.其中，n大于等于2。
10.在一实施例中，所述控制电路用于依次控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启，以依次均衡n个依次串联的所述电池模块。
11.在一实施例中，所述控制电路为振荡器，所述振荡器用于振荡产生至少两路相互反相的pwm信号，以控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启；
12.或者，所述控制电路为微控制器，所述微控制器用于输出至少两路相互反相的pwm信号，以控制相邻的所述两个电池模块对应的所述开关电路交替开启。
13.在一实施例中，所述pwm信号的占空比为50％。
14.本发明还提出一种充电电路，包括上述的均衡电路。
15.在一实施例中，所述充电电路具备充电模式和均衡模式；两个相邻的所述电池模块定义为第一电池模块和第二电池模块，所述第一电池模块的第二电极与所述第二电池模块的第一电极连接；所述充电电路包括：
16.第一开关电路，所述第一开关电路的输入端与所述第一电池模块的第一电极连接，所述第一开关电路的输出端与所述储能电路的第一端连接；
17.第二开关电路，所述第二开关电路的输入端与所述储能电路的第二端连接，所述第二开关电路的输出端与所述第二电池模块的第二电极连接；
18.功能切换开关，所述功能切换开关的输入端与所述储能电路的第二端连接，所述功能切换开关的输出端与所述第一电池模块和所述第二电池模块的公共端连接；
19.所述功能切换开关用于在所述充电电路工作于均衡模式时导通，以使得所述第一开关电路、所述第二开关电路以及所述储能电路形成均衡电路；在所述充电电路工作与充电模式时截止，以使得所述第一开关电路、所述第二开关电路形成所述充电电路的副边桥臂。
20.在一实施例中，所述控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启具体为：
21.控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第一预设频率；
22.在母线电压达到预设电压值时，控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率逐级降低，直至相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第二预设频率；所述第一预设频率大于所述第二预设频率。
23.在一实施例中，所述控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启具体为：
24.控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第一预设频率，并在持续第一预设时间后，控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率逐级降低，直至相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第二预设频率；所述第一预设频率大于所述第二预设频率。
25.在一实施例中，所述充电电路包括依次连接的原边桥臂、谐振腔以及副边桥臂；
26.所述储能电路为所述谐振腔中的变压器的副边绕组。
27.本发明还提出一种车载充电机，所述车载充电机包括上述的均衡电路或者充电电路。
28.本发明技术方案通过控制电路控制n个开关电路，以控制相邻的两个电池模块对应的所述开关电路交替开启，以控制相邻的两个所述电池模块交替对所述储能电路进行充电和放电，最终使得两个所述电池模块的电压均衡，有效的提高了电池模组的使用寿命。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
30.图1为本发明均衡电路一实施例的电路框图；
31.图2为本发明均衡电路一实施例的电路图；
32.图3为本发明充电电路一实施例的电路图；
33.图4为本发明充电电路一实施例的关键节点波形图。
34.附图标号说明：
[0035][0036][0037]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0040]
本发明提出一种均衡电路，用于均衡n个依次串联的电池模块。可以应用于llc、cllc、clllc、psfb等全桥变换器。
[0041]
参照图1，在本发明一实施例中，该均衡电路包括
[0042]
储能电路10；
[0043]
n个开关电路，具有输入端、输出端以及受控端，n个所述开关电路的输入端与n个所述电池模块一一对应连接，n个所述开关电路的输出端均与所述储能电路10连接；
[0044]
控制电路，分别与n个所述开关电路的受控端连接，所述控制电路用于控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启，以控制相邻的两个所述电池模块交替对所述储能电路10进行充电和放电；
[0045]
其中，n大于等于2。
[0046]
所述储能电路10可以包括电感、电容或者其他储能件。
[0047]
n个开关电路中的任意一个或者多个开关电路可以包括三极管、mos管或者igbt等开关器件中的一种或多种组合。
[0048]
控制电路(图中未示出)可以是控制器、振荡器或者其他能产生pwm信号的电路，此处不做限定，只要满足输出pwm信号控制开关电路的开启和关闭即可，其中，所述pwm信号的占空比为50％。
[0049]
其中，控制相邻的两个所述电池模块交替对所述储能电路10进行充电和放电可以是指相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路中的一个用于控制对应电池模块对储
能电路10进行放电，另一个用于控制对应的电池模块对储能电路10进行充电。例如图1中，相邻的两个电池模块分别为第一电池模块bt1和第二电池模块bt2，且第一电池模块bt1的电压v_bt1的初始值大于第二电池模块bt2的电压v_bt2的初始值为例，第一开关电k1控制第一电池模块bt1对储能电路1010进行周期性放电，第二开关电路k2控制第二电池模块bt2对储能电路1010进行周期性充电。
[0050]
随着第一电池模块bt1和第二电池模块bt2对储能电路1010进行充电和放电的进行，第一电池模块bt1的电压v_bt1逐渐减小，第二电池模块bt2的电压v_bt2逐渐增大，最终实现第一电池模块bt1和第二电池模块bt2之间的电压均衡。不难理解的是，当n大于2时，也即电池模块的数量超过两个时，在均衡第一电池模块bt1和第二电池模块bt2之间的电压后，可以均衡其他两个电池模块，例如第二电池模块bt2和第三电子模块bt3(图中未示出)之间的电压，最后实现n个电池模块中两两之间电压均衡，从而n个电池模块之间的电压均衡。
[0051]
本发明技术方案通过控制电路控制n个开关电路，以控制相邻的两个电池模块对应的所述开关电路交替开启，进而控制相邻的两个所述电池模块交替对所述储能电路10进行充电和放电，最终使得两个所述电池模块的电压均衡，有效的提高了电池模组的使用寿命。
[0052]
例如，参照图2，针对相邻的两个第一电池模块bt1和第二电池模块bt2，及其对应的第一开关电路k1和第二开关电路k2进行解释。其中，储能电路10包括第一电感l1，第一开关电路k1包括第一开关管q1，第二开关电路k2包括第二开关管q2。第一开关管q1和第二开关管q2的控制信号为两路相互反相的占空比为50％的pwm信号，例如可参照图4的pwm1和pwm2。仍旧以第一电池模块bt1的电压v_bt1的初始值大于第二电池模块bt2的电压v_bt2的初始值为例进行解释。
[0053]
当第一开关管q1开启时，第二开关管q2截止，第一电池模块bt1对第一电感l1进行充电；当第二开关管q2开启时，第一开关管q1截止，第一电感l1对电池模块bt2进行放电，通过控制第一开关管q1和第二开关管q2多次交替开启，对第一电感进行交替充电和放电，最终使得第一电池模块bt1的电压v_bt1和第二电池模块bt2的电压v_bt2之间的均衡。
[0054]
在一实施例中，所述控制电路用于依次控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启，以依次均衡n个依次串联的所述电池模块。
[0055]
参照图1，第一电池模块bt1至第n电池模块btn依次串联，在实现了第一电池模块bt1和第二电池模块bt2之间的电压均衡后，对第二电池模块bt2和第三电池模块bt3之间的电压进行均衡，直至对第n-1电池模块btn-1和第n电池模块btn之间的电压进行均衡，通过不断的对n个电池模块之间相邻的两个电池模块进行均衡，实现n个电池模块的均衡。
[0056]
在一实施例中，所述控制电路为振荡器，所述振荡器用于振荡产生至少两路相互反相的pwm信号，以控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启；
[0057]
参照图1，本实施例通过采用振荡器控制电路产生第一开关电路k1和第二开关电路k2的控制信号，即两路相互反相的pwm信号，例如图4所示的pwm1和pwm2。控制逻辑简单，从而在将本实施例的均衡电路应用于充电电路或者其他电路时，不需要占用应用本均衡电路的充电电路或者其他电路的控制器资源，进而不需要对应用本均衡电路的充电电路或者其他电路的控制电路进行调整，因此本实施例的均衡电路直接应用于已调试设计完毕的充
电电路或者其他电路，对其进行改造以添加均衡功能，有效的减少了设计成本。
[0058]
在一实施例中，所述控制电路为微控制器，所述微控制器用于输出至少两路相互反相的pwm信号，以控制相邻的所述两个电池模块对应的所述开关电路交替开启。
[0059]
本实施例中，所述微控制器可以独立设置的微控制器，进而可以直接适用于已调试设计完毕的充电电路或者其他电路。
[0060]
所述微控制器也可以是应用本均衡电路的充电电路或者其他电路中的控制器，从而只需调整应用本均衡电路的充电电路或者其他电路中的控制器的软件控制程序，即可实现均衡，可以减少器件的增加。此外，本实施例中，应用本均衡电路的充电电路或者其他电路中的控制器用于输出至少两路相互反相的pwm信号，不需要反馈信号，只需开环地输出pwm信号即可，也可以直接适用于已调试设计完毕的充电电路或者其他电路，并减小了对应用本均衡电路的充电电路或者其他电路中的控制器的资源占用。
[0061]
在一实施例中，本发明还包括一种充电电路，该充电电路包括上述的均衡电路；该充电电路的具体结构参照上述实施例，由于本充电电路采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0062]
值得注意的是，电动汽车的整车电池包一般由多个电池模块组成，每个电池模块又由单个电芯串并组合形成电池模块内电芯与电芯之间的平衡一般车载bms(battery management system，电池管理系统)会完成，且平衡功率较小一般在几瓦到几十瓦不等。而电池模块与电池模块之间的均衡需要的功率较大，一般在几百瓦到上几十千瓦，这就需要设计更大功率的能量转换设备，更好的散热组件来完成，这无疑会增加bms的体积和散热需求。
[0063]
本实施例通过在充电电路上设置均衡电路，该均衡电路可以在充电电路不对电池模块进行充电的时间段，对电池模块进行电压均衡，充分利用的充电电路自身的散热组件，从而在不增加bms的体积和散热需求的同时，实现了电池模块之间的电压均衡，具有非常大的实用价值。
[0064]
参照图3，在一实施例中，所述充电电路具备充电模式和均衡模式；两个相邻的所述电池模块定义为第一电池模块bt1和第二电池模块bt2，所述第一电池模块bt1的第二电极与所述第二电池模块bt2的第一电极连接；所述充电电路包括：
[0065]
第一开关电路k1，所述第一开关电路k1的输入端与所述第一电池模块bt1的第一电极连接，所述第一开关电路k1的输出端与所述储能电路10的第一端连接；
[0066]
第二开关电路k2，所述第二开关电路k2的输入端与所述储能电路10的第二端连接，所述第二开关电路k2的输出端与所述第二电池模块bt2的第二电极连接；
[0067]
功能切换开关20，所述功能切换开关20的输入端与所述储能电路10的第二端连接，所述功能切换开关20的输出端与所述第一电池模块bt1和所述第二电池模块bt2的公共端连接；
[0068]
所述功能切换开关20用于在所述充电电路工作于均衡模式时导通，以使得所述第一开关电路k1、所述第二开关电路k2以及所述储能电路10形成均衡电路；在所述充电电路工作与充电模式时截止，以使得所述第一开关电路k1、所述第二开关电路k2形成所述充电电路的副边桥臂。
[0069]
本实施例中，电池模块的第一电极可以是正极，则第二电极是负极，当然，第一电
极也可以是负极，第二电极为正极。充电电路包括依次连接的原边桥臂、谐振腔以及副边桥臂。
[0070]
其中，原边桥臂可以包括第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5以及第六开关管q6，谐振腔可以包括谐振腔由副边谐振电容cs、原边谐振电容cr、原边谐振电感lr组成，副边桥臂可以包括第七开关管q7、第八开关管q8、第九开关管q9以及第十开关管q10，原边桥臂、谐振腔以及副边桥臂的具体连接关系参照附图3，此处不赘述。此外，原边桥臂的输入端与母线电容c1连接，副边桥臂的输出端与输出电容c2连接。
[0071]
其中，第一开关电路k1、第二开关电路k2可以对应副边桥臂中的第七开关管q7、第八开关管q8，或者第一开关电路k1、第二开关电路k2可以对应副边桥臂中的第九开关管q9和第十开关管q10。所述功能切换开关20可以是三级管、mos管、igbt或者继电器中的一种或者多种组合。
[0072]
当需要对电池模块进行充电时，充电电路的控制器可以控制功能切换开关20截止，充电电路将直流母线vbus中的能源进行转换后输出，为n个依次串联的电池模块充电。
[0073]
而当需要对电池模块进行电压均衡时，充电电路的控制器可以控制功能切换开关20导通，利用谐振腔中的变压器t1的副边绕组充当储能电路10。此时只需输出两路相互相反的pwm信号至第一开关电路k1和第二开关电路k2，即可实现第一电池模块bt1和第二电池模块bt2之间的电压均衡。本实施例通过复用充电电路中的副边桥臂，从而只需增加功能切换开关20，例如增加一个继电器，即可在充电电路的基础上，增加均衡电路。
[0074]
此外，易于理解的是，电动汽车的整车电池包一般由2个电池模块组成，依次直接复用一条副边桥臂的两个开关管，即可对2个电池模块进行电压均衡，当电动汽车的整车电池包包括2个以上的电池模块时，只需增加相应数量的开关管即可，此处不再赘述。
[0075]
下面针对本实施例中的充电电路原理进行说明，
[0076]
假设第一电池模块bt1的电压v_bt1的初始值大于第二电池模块bt2的电压v_bt2的初始值；第一开关电路k1、第二开关电路k2可以对应副边桥臂中的第九开关管q9和第十开关管q10，第一开关电路k1、第二开关电路k2的控制信号为两路占空比d＝50％、频率f＝150khz的pwm信号pwm1和pwm2，其中pwm1为第一开关电路k1的控制信号，pwm为第二开关电流的控制信号。
[0077]
在pwm信号的前半周期，第九开关管q9导通，第十开关管q10q8截止，第一电池模块bt1对变压器t1的副边绕组进行充电，在pwm信号的后半周期，第九开关管q9q7截止，第十开关管q10导通，变压器t1的副边绕组对第二电池模块bt2进行充电。
[0078]
在第一电池模块bt1给变压器t1的副边绕组充电的过程中，同时也会以变压器t1原副边绕组耦合方式传递能量到变压器t1的原边绕组，并且给母线电容c1充电，同时由于副边绕组的充放电的电压不相等(v_bt1》v_bt2)，导致原边绕组正副半周期充电电流也不相等，并且在原边谐振电容上产生一直流偏置电压vcr，直流偏置电压vcr通过变压器t1的原副边匝数比换算后正好使叠加在变压器t1的副边绕组上的正负半周电压相等。又因为正负半周期时间相等，所以让副边绕组保持了正负半周的伏秒平衡，参照图4，il为变压器t1的副边绕组的电流。因此，选用变压器t1的副边绕组充当储能电路10，可以达到即使均衡电路长时间工作，也不会导致变压器t1磁芯饱和的技术效果，有效的解决了因为储能电路10充电电压大于放电电压，导致的储能电路10的磁芯饱和问题。
[0079]
具体地，均衡电路稳态表达式如下：
[0080]
vcr/n＝v_bt1-(v_bt1+v_bt2)/2
[0081]
或者：vcr/n＝(v_bt1+v_bt2)/2-v_bt2
[0082]
其中，vcr为原边谐振电容cr上直流偏置电压，n为变压器t1的原副边匝数比。具体参照图4，随着均衡工作持续进行，第一电池模组bt1的电压v_bt1逐渐减小，第二电池模组bt1的电压v_bt2逐渐增大，第一电池模组bt1的电压v_bt1和电池模组bt1的电压v_bt2之间的差值越来越小，从而第二直流偏置电压vcr也会逐渐变小，直至第一电池模组bt1的电压v_bt1等于第二电池模组bt1的电压v_bt2。同时直流偏置电压vcr等于零，cr上电压只剩下随周期变化的交流电压。
[0083]
在一实施例中，所述控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启具体为：
[0084]
控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第一预设频率；
[0085]
在母线电压达到于预设电压值时后，控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率逐级降低，直至相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第二预设频率；所述第一预设频率大于所述第二预设频率。
[0086]
其中，预设电压值可以是母线电压的稳定电压值。具体根据充电电路的具体应用场景设置，例如，在应用于车载充电机时，预设电压值可以设置为150伏特。第二预设频率可以是均衡电路的工作频率，具体根据均衡电路的工作功率选择，例如150hz。第一预设频率可以是均衡电路的工作频率的2至三倍，例如400hz。
[0087]
可以理解的是，本实施例通过控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第一预设频率，可以避免均衡电路启动时，母线电流过大导致变压器t1磁芯饱和的问题。
[0088]
具体而言，在均衡电路启动瞬间，均衡电路、原边绕组、原边谐振电感lr、原边谐振电容以及母线电容c1形成回路，且此时母线电容c1电压为零，相当于处于短路状态。所以均衡电路启动时，通过变压器t1耦合到母线电容c1的充电电流会比较大，进而导致变压器t1的磁芯饱和。
[0089]
具体公式如下：l*di/dt＝vbat
[0090]
即：l*imax/dt＝vbat
[0091]
即：imax＝vbat*dt/l
[0092]
其中，l为变压器t1副边绕组的电感量，vbat为电池模组为压器副边绕组充电的充电电压，d和t分别为第一开关电路k1的控制信号的占空比和周期，imax为变压器t1副边绕组的最大电流值，i为变压器t1副边绕组的电流。不难理解的是，d＝0.5为确定值，vbat可以为第一电池模组和第二电池模组的电压均值，也是一个定值，所以imax和t成正比。因此，本实施例提高均衡电路启动时的频率(周期t的倒数)，可以降低均衡电路启动时的imax，解决了因为母线电容c1电压为零，相当于短路，进而变压器t1耦合到母线电容c1的充电电流会比较大，进而导致变压器t1的磁芯饱和的问题。
[0093]
此外，本实施例选择合适的第二预设频率，可以有效的调节均衡电路均衡功率的大小，具体如下：
[0094]
l*di/dt＝vbat；vbat＝(v_bt1+v_bt2)/2；di＝vbat*dt/l
[0095]
其中，l为变压器t1的副边绕组的电感量，v_bt1和v_bt2分别为第一电池模组和第二电池模组的电压值，把上式两边分别对时间0至t/2积分；
[0096]
得到如下式子：imax＝vbat*dt/l；
[0097]
此时，均衡电路的均衡功率：
[0098]
p_均衡＝vbat*imax*1/2＝vbat*vbat*dt/l*1/2；
[0099]
由以上可知道，通过控制t也即是控制工作频率f就能控制均衡功率大小。因此，本实施例通过调节均衡电路的工作频率，可以有效的调节均衡电路的均衡功率大小。
[0100]
参照图3，在一实施例中，所述控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启具体为：
[0101]
控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第一预设频率，并在持续第一预设时间后，控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率逐级降低，直至相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第二预设频率；所述第一预设频率大于所述第二预设频率。
[0102]
其中，第一预设时间可以根据实际测试结果进行设置，例如设置为300毫秒。
[0103]
本实施例中，控制相邻的两个所述电池模块对应的所述开关电路交替开启的频率为第一预设频率，并在持续第一预设时间后。默认母线电压达到预设电压值。如此一来，均衡电路的控制电路不需要对母线电压进行监测，只需开环地在计时达到第一预设时间，调节输出的两路相互反相的pwm信号的频率即可，有效的减少了对充电电路的控制器的资源占用。
[0104]
本发明还提出一种车载充电机，该车载充电机包括上述的均衡电路或者充电电路；该均衡电路或者充电电路的具体结构参照上述实施例，由于本充电电路采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0105]
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。