一种正反激电池主动均衡装置及控制方法与流程

本发明涉及一种锂电池等相关电池组的均衡管理系统，特别涉及一种主动均衡装置。

背景技术：

1、随着锂电池和储能技术的发展，对电池管理系统的要求也越来越高。多个单体电池串联，由于单体电池自身的性能不一致，在充放电过程中不一致性会被累积放大，导致整个电池组的充放电性能受限并加速电池的老化，进一步影响电池的寿命和安全性。

2、目前对电池进行均衡的方法主要分为被动均衡方法和主动均衡方法。其中被动均衡方法主要采用电阻耗能，即在每一个单体电池并联一个开关，通过控制电阻的通断将容量多的电池中多余的能量消耗掉，实现整组电池电压的均衡。因此，被动均衡不仅会消耗宝贵的能量，还会引起系统发热。

3、主动均衡方法不使用电阻对多余能量进行耗散。传统的主动均衡方法通过能量在电池单体、电池组之间的转移实现均衡。均衡过程需要储能元件实现能量重新分配，还需要配合多个高速开关的功率开关器件使用，成本较高、控制复杂、不易实现任意单体电池同时均衡，且均衡过程中需要电池单体多次充放电，影响电池循环寿命。中国专利zl201821639419.1公开了一种主动型电池均衡电路，使用正激变换器作为均衡支路，能够用较少的高速功率开关器件实现任意多单体电池同时进行均衡。但仍需对每个均衡支路分别控制，增加了系统的控制复杂度和成本。同时上述均衡方法都需要电压检测模块用于监控每个单体电池电压，成本较高、容易受到强电干扰，存在安全隐患。

4、综上所述，现有技术中被动式均衡电路存在消耗宝贵的能量、引起系统发热等诸多问题。主动均衡需要检测每个电池单体电压，并对每个均衡电路分别进行通断控制，成本高、控制复杂。均衡过程电池重复充放电影响电池寿命。除此之外，有些电路不能通过均衡使电池组的能量得到补充，以达到充满电池的目的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种电池均衡装置，与现有技术相比，能够对任意多个单体电池同时进行均衡控制。该装置的均衡效率高，表现为不需要检测每个电池电压，而且不需要对每个均衡电路进行通断控制；成本低、控制简单灵活、发热量低，仅需要一个功率开关即可实现对所有电池单体的均衡控制。此外，在均衡控制的过程中，可以对容量较低的单体电池进行能量补充，实现充满电池的目的。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种正反激电池主动均衡装置，包括：直流变换器、激励单元、电流传感器、控制器、第一正反激单元、第二正反激单元、第三正反激单元、第n正反激单元、电池组串、电源；所述电源与直流变换器相连，直流变换器的输出与激励单元的输入相连；所述激励单元驱动n个并联的正反激单元，分别是第一正反激单元、第二正反激单元、第三正反激单元、第n正反激单元；所述电流传感器串联在激励单元和n个输入端并联的正反激单元之间，用于检测均衡电流值；所述第一正反激单元、第二正反激单元、第三正反激单元、第n正反激单元的输出分别与电池组串中的电池单元相连，并对电池组串中的电池电压进行主动均衡；所述控制器通过检测电流传感器的电流，对激励单元进行控制，使之满足电池组串各个需要均衡的电池对均衡电流的需求；所述控制器控制直流变换器，使直流变换器能够稳定输出电压，并满足主动均衡对电压的要求。

3、所述激励单元包括：功率管、吸收二极管、吸收电容、吸收电阻；所述吸收二极管、吸收电容、吸收电阻组成rdc吸收电路，用于吸收功率管关断时后级电路产生的电压尖峰，吸收电容与吸收电阻并联后一端与输入正极相连，另外一端连接吸收二极管的阴极。所述功率管漏极与吸收二极管的阳极和输出端相连，功率管的源极连接输入负极，通过控制器控制功率管门极，用于控制输出电压脉冲的占空比。所述直流变换器包括：斩波管、续流管、一号电感、电容组成降压斩波电路；所述斩波管的漏极接电源正极，斩波管的源极与续流管阴极以及一号电感相连，续流管阳极与电源正极相连，电容并联在输出端正负极上。

4、所述n个正反激单元：第一正反激单元、第二正反激单元、第三正反激单元、第n正反激单元，每个正反激单元的结构相同，均包括：带中心抽头变压器、正激整流管、反激整流管、正激续流管、正激滤波电感、输出电容；所述带中心抽头变压器包括一个原边绕组和两个匝数相等的副边绕组：原边绕组、第一副边绕组、第二副边绕组，中间抽头跟第一副边绕组的同名端和第二副边绕组的非同名端相连；所述带中心抽头变压器的原边绕组与激励单元的输出端相连，其中原边绕组同名端连正极，第一副边绕组的同名端连正激整流管的阳极，第二副边绕组非同名端连反激整流管的阳极，中间抽头连第一电池的负极；所述反激整流管的阴极连第一电池的正极，正激整流管的阴极经过正激滤波电感与第一电池的正极相连，正激续流管的阴极连正激整流管的阴极，正激续流管的阳极连第一电池的负极，输出电容并联在第一电池的正负极两端。

5、所述电池组串包括与正反激单元个数相同的n个电池：第一电池、第二电池、第三电池、第n电池，n个电池首尾相连组成一个电池组。

6、一种正反激电池主动均衡装置，还包括：双管激励单元、第一正激单元、第二正激单元、第三正激单元、第n正激单元；所述双管激励单元输入端与直流变换器输出端相连，双管激励单元输出端与结构相同的n个正激单元的输入端并联：第一正激单元、第二正激单元、第三正激单元、第n正激单元；所述第一正激单元、第二正激单元、第三正激单元、第n正激单元的输出端分别与电池组串中的电池单元相连。

7、所述双管激励单元包括：第一功率管、第二功率管、第一续流管、第二续流管；所述第一功率管与第二续流管串联组成第一桥臂，第一续流管与第二功率管串联组成第二桥臂，所述第一桥臂和其二桥臂并联组成不对称半桥电路，输出端分别连接在两个桥臂中点。

8、所述第一正激单元包括：正激变压器、整流二极管、续流二极管、输出电感、输出电容；所述正激变压器的原边同名端接双管激励单元的输出端正极，正激变压器的副边同名端接整流二极管的阳极，整流二极管的阴极经过输出电感与第一电池的正极相连，续流二极管阳极接正激变压器的副边非同名端以及第一电池的负极，输出电容并联在第一电池的正负极两端。

9、一种正反激电池主动均衡装置，还包括n个结构相同的整流单元：第一整流单元、第二整流单元第三整流单元、第n整流单元；所述第一整流单元包括：变压器、整流管、二号电感、输出电容；所述变压器的原边绕组的同名端接激励单元输出正极，变压器的副边绕组同名端接整流管的阳极，整流管的阴极经过二号电感与第一电池的正极相连，输出电容与第一电池的正负极并联。

10、所述的一种正反激电池主动均衡装置的控制步骤如下：

11、步骤1：所述控制器控制直流变换器输出电压稳定并达到设定电压；

12、步骤2：所述控制器检测电流传感器电流；

13、步骤3：所述控制器根据检测电流，控制激励单元的输出占空比，达到控制输出均衡电流的目的；

14、步骤4：所述电池组串中的电池达到设定电压时，均衡电流将自动降为零

15、步骤5：所述控制器检测电流传感器电流降低到设定值时，关闭激励单元的输出，完成均衡控制。

16、由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

17、本发明的一个效果在于，采用主动均衡控制方式，减少了电池能量损耗，避免了均衡电阻发热。

18、本发明的一个效果在于，采用正激变换器模块进行均衡控制，仅使用1个高频功率开关器件，成本大大降低，控制简单灵活。

19、本发明的一个效果在于，不必检测每个电池单体的电压，当电池充满后均衡电流自动降为零，大大简化了控制策略，降低了系统成本。

20、本发明的一个效果在于，不必对每个均衡回路都进行通断控制，所以降低了均衡系统的成本，同时也降低了控制的复杂程度。

21、本发明的一个效果在于，将正激电路中变压器的能量馈入了待均衡的电池中，因此提高了系统的效率，增加了系统的可靠性。

22、本发明的一个效果在于，均衡过程中所有电池单元只有充电过程，无需重复充放电，不影响电池单元的循环寿命。

23、本发明的一个效果在于，均衡过程可以通过控制电流大小实现较大功率的能量传输，均衡速度较高。

24、本发明的一个效果在于，每个均衡单元采用独立的高频变压器，结构简单，安装方便，可以完成任意多个电池的串联均衡，实现主动均衡电源与单体电池的电气隔离，更加安全可靠。

25、本发明的一个效果在于，可以自动对任意1至n-1个单体电池同时进行均衡操作，其中，n为电池组中单体电池的个数。

26、本发明的一个效果在于，在对电池进行均衡控制的同时，可以继续向电池组补充电能，使每个单体电池在达到均衡的同时也达到充满状态。