專利名稱：基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡電路及應(yīng)用于該電路的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電池應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡電路及應(yīng)用于該電路的控制方法。
背景技術(shù)：
隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，電池作為重要的儲能單元得到了廣泛的應(yīng)用。由于目前電池技術(shù)限制，電池單體電壓較低，為了增加儲能容量及輸出功率，在大容量大功率應(yīng)用中，通常將電池進行并聯(lián)和串聯(lián)組合。然而，由于制造工藝、初始容量、環(huán)境溫度等方面的差異，電池之間的參數(shù)特性并不完全一致。在串聯(lián)使用的過程中，這些不一致性會逐漸積累，造成不同串聯(lián)單元的電池電壓不均衡，在實際應(yīng)用中造成某些電池單元過充電和過放電等現(xiàn)象，影響電池的使用特性和壽命，甚至直接造成電池組的損壞。針對上述情況下的電池電壓不均衡問題，已有的解決方法分為兩大類一類的基本原理是使用被動電阻元件消耗電壓較高單元上的多余能量來實現(xiàn)均衡，另一類則是在不同串聯(lián)電池單元之間進行能量轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)均衡。電阻耗能的方法，其實現(xiàn)簡單可靠，實際應(yīng)用中多采取此方式；然而，由于電阻損耗，增加均衡電流會引起大量發(fā)熱，使得均衡系統(tǒng)散熱體積大大增加，并且?guī)砟芰坷速M，并且電阻耗能的方法，僅在充電過程結(jié)束前作用，無法解決由于不均衡引起的部分電池過放，當電池單元容量發(fā)生差異后，不能夠完全利用所有電池單元的儲能。由于電阻耗能均衡方式的諸多限制，基于主動式能量轉(zhuǎn)移原理的均衡電路成為研究熱點；從理論上來講，基于主動能量轉(zhuǎn)移的均衡方式可以充分利用所有電池單元的能量，并且沒有損耗；但是由于實際應(yīng)用中通常的串聯(lián)電池數(shù)量很多，如電動汽車動力電池組由接近上百個電池單元串聯(lián)組成，造成此類均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，成本高，控制量過多，可靠性降低，并且能量轉(zhuǎn)移效率低，實際應(yīng)用價值相比電阻耗能均衡方式而言并無顯著提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的其中一個目的是提供一種結(jié)構(gòu)和控制簡單的基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡電路，其能量轉(zhuǎn)移效率高。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡電路，包括兩組以上的呈串聯(lián)布置的電池單元以及對應(yīng)各電池單元設(shè)置的多繞組變壓器T，電池單元包括電池B、濾波器、高頻開關(guān)M、限流電阻R、磁復位和軟開關(guān)諧振電路以及用于驅(qū)動高頻開關(guān)M執(zhí)行通斷動作的驅(qū)動電路G ;電路連接電池B的正極與濾波器后，再順延接駁至高頻開關(guān)M的漏極D，并由高頻開關(guān)M的源極S引出經(jīng)限流電阻R及多繞組變壓器T的相應(yīng)繞組后連通至電池B負極處；磁復位和軟開關(guān)諧振電路的一端連接于限流電阻R與高頻開關(guān)M的源極S之間的一段電路處，其另一端直接連通于電池B負 極。
上述方案的主要優(yōu)點在于該電路對于一組串聯(lián)電池，僅需要一個控制信號，即可實現(xiàn)由高電壓單元向低電壓單元的能量直接流動，所有開關(guān)器件均可使用低耐壓器件，其成本低廉，結(jié)構(gòu)和控制簡單，同時能量轉(zhuǎn)移效率高；其實際應(yīng)用價值相比電阻耗能均衡方式而言可得到顯著提高。本發(fā)明的另一個目的是提供一種應(yīng)用于上述串聯(lián)電池組均衡電路的控制方法，從而實現(xiàn)對于均衡電路電流的可靠控制，提高其工作效率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案通過加載一路占空比信號Vg在驅(qū)動電路G上以控制均衡電路，其有二種加載狀態(tài)；增加占空比信號Vg數(shù)值，均衡電流增加；減小占空比信號Vg，均衡電流變小。該方案的主要優(yōu)點在于通過加載一路占空比信號Vg，從而實現(xiàn)對于均衡電路電流的可靠控制，其工作效率高。


附圖I是本發(fā)明的主電路結(jié)構(gòu)圖；附圖2是本發(fā)明所需的驅(qū)動電路圖；附圖3是本發(fā)明考慮寄生電阻后的等效電路圖；附圖4是本發(fā)明在均衡效果上的等效電路圖。
具體實施例方式一種基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡電路，包括兩組以上的呈串聯(lián)布置的電池單元以及對應(yīng)各電池單元設(shè)置的多繞組變壓器T，電池單元包括電池B、濾波器10、高頻開關(guān)M、限流電阻R、磁復位和軟開關(guān)諧振電路20以及用于驅(qū)動高頻開關(guān)M執(zhí)行通斷動作的驅(qū)動電路G ;電路連接電池B的正極與濾波器10后，再順延接駁至高頻開關(guān)M的漏極D，并由高頻開關(guān)M的源極S引出經(jīng)限流電阻R及多繞組變壓器T的相應(yīng)繞組后連通至電池B負極處；磁復位和軟開關(guān)諧振電路20的一端連接于限流電阻R與高頻開關(guān)M的源極S之間的一段電路處，其另一端直接連通于電池B負極。上述中，如圖I所示，所述高頻開關(guān)M可考慮使用MOSFET或IGBT器件。其串聯(lián)電池組中各電池均分別同相應(yīng)濾波器10直接相連，經(jīng)過濾波后的電路同高頻開關(guān)MOSFET或IGBT、限流電阻R和多繞組變壓器T的各個繞組Tm組成的串聯(lián)電路相連；磁復位和軟開關(guān)諧振電路20同MOSFET或IGBT的漏極D和源極S并聯(lián)連接或同所述多繞組變壓器T的繞組并聯(lián)連接，也即只要在交流等效電路上是并聯(lián)在MOSFET漏極D和源極S處即可。進一步的，所述驅(qū)動電路G包括電平平移電路40以及用于供給信號的控制信號端，電平平移電路40由電容Ck、電阻Rk和二極管Dk構(gòu)成；控制信號端的一端經(jīng)電容Ck后連通高頻開關(guān)M的柵極G處，其另一端直接連通高頻開關(guān)M的源極S ；電阻Rk和二極管Dk構(gòu)成并聯(lián)電路，并聯(lián)電路連接點的位于二極管Dk負極所在側(cè)直接連接于高頻開關(guān)M的柵極G與控制信號端之間的一段電路上，其另一側(cè)則直接連通于高頻開關(guān)M的源極S處；同時，所述驅(qū)動電路G還包括隔離變壓器Tg，隔離變壓器Tg的原邊構(gòu)成控制信號端，隔離變壓器Tg的副邊接于信號發(fā)出元件30輸出端，所述對稱多繞組變壓器T的各繞組繞在同一磁芯上，并且所有繞組的匝數(shù)均相同，所有繞組的同名端在接入電路時的方向一致。圖2為用于驅(qū)動圖I電路中MOSFET的驅(qū)動電路。隔離驅(qū)動同MOSFET的柵極G和源極S相連，用于驅(qū)動M0SFET，控制其導通和關(guān)斷。圖3所示為考慮了線路電阻的等效電路。雜散電感和寄生電容由于相比圖I中的集總參數(shù)很小，將其忽略。假設(shè)輸出濾波電感Lf和Cf足夠大，濾波電感上電流和濾波電容上電壓近似不變，當MOSFET導通時，可得式(I)和(2)，其中Rbu為電池側(cè)的線路總電阻，Roni為MOSFET的導通電阻，i ' Ki為在MOSFET導通時電阻Ri的電流。Ucfi — UBi_iBi Rbu(I)Ucfi — U0+ (i Ei-IBi) Rcfi + i Ei (Rj+RcEi)(2)圖I中的變壓器被等效為圖3中理想變壓器加勵磁電感Lm的電路模型，從能量守恒可得式⑶。iT1 u0+iT2 U0+...+iTn U0 = 0(3)用iKi，代替iTi，可得式(4)，iK1+iK2+…+iKn = iLm ^ 0(4)其中^為變壓器的勵磁電流。每個電池上流過的電流為限流電阻Ri上電流的平均值，% = iM 免 d ' i'm(5)其中d為MOSFET導通的開通占空比。由式⑷和(5)可得，iB1+iB2+…+iBn 0(6)由⑴(2)(5)，可得UB「RBi iBi = U0(7)其中^￡t = Rsii ^-Rtf I +11 C^i + U(8)式(6)和(7)即為附圖4電路的數(shù)學描述，并且公式⑶給出了等效電阻的計算公式。在實際均衡電路工作中，如需控制均衡電流大小，可通過加載一路占空比信號Vg在驅(qū)動電路G上以控制均衡電路，其有二種加載狀態(tài)；增加占空比信號Vg數(shù)值，均衡電流增加；減小占空比信號Vg，均衡電流變小；根據(jù)測量各個電池單元電壓及所需均衡電流大小，利用式(6 8)計算控制信號的占空比，從而達 到控制均衡電流的目的。在簡單應(yīng)用中，也可不控制均衡電流大小，輸出固定占空比控制信號，均衡電流由各個電池單元的電壓差自動決定，電池電壓相差較大時，相應(yīng)的均衡電流也較大。實際上，當本發(fā)明應(yīng)用于大規(guī)模串聯(lián)電池組的均衡時，可進行多級配置。具體方式為，先將串聯(lián)電池組分組，每組電池使用本發(fā)明的電路進行均衡，然后各組電池再使用所述的均衡電路進行各組間的電壓均衡即可；而其高頻開關(guān)M的零電壓開通和關(guān)斷，則亦可通過控制占空比信號Vg實現(xiàn)，從而降低開關(guān)損耗，提高均衡效率。
權(quán)利要求
1.一種基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組均衡電路，其特征在于包括兩組以上的呈串聯(lián)布置的電池單元以及對應(yīng)各電池單元設(shè)置的多繞組變壓器T，電池單元包括電池B、濾波器(10)、高頻開關(guān)M、限流電阻R、磁復位和軟開關(guān)諧振電路(20)以及用于驅(qū)動高頻開關(guān)M執(zhí)行通斷動作的驅(qū)動電路G ；電路連接電池B的正極與濾波器(10 )后，再順延接駁至高頻開關(guān)M的漏極D，并由高頻開關(guān)M的源極S引出經(jīng)限流電阻R及多繞組變壓器T的相應(yīng)繞組后連通至電池B負極處；磁復位和軟開關(guān)諧振電路(20)的一端連接于限流電阻R與高頻開關(guān)M的源極S之間的一段電路處，其另一端直接連通于電池B負極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的均衡電路，其特征在于所述驅(qū)動電路G包括電平平移電路(40)以及用于供給信號的控制信號端，電平平移電路(40)由電容Ck、電阻Rk和二極管Dk構(gòu)成；控制信號端的一端經(jīng)電容Ck后連通高頻開關(guān)M的柵極G處，其另一端直接連通高頻開關(guān)M的源極S ；電阻Rk和二極管Dk構(gòu)成并聯(lián)電路，并聯(lián)電路連接點的位于二極管Dk負極所在側(cè)直接連接于高頻開關(guān)M的柵極G與控制信號端之間的一段電路上，其另一側(cè)則直接連通于高頻開關(guān)M的源極S處。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的均衡電路，其特征在于所述驅(qū)動電路G還包括隔離變壓器Tg，隔離變壓器Tg的原邊構(gòu)成控制信號端，隔離變壓器Tg的副邊接于信號發(fā)出元件(30)輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的均衡電路，其特征在于所述高頻開關(guān)M為MOSFET或IGBT器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的均衡電路，其特征在于所述對稱多繞組變壓器T的各繞組繞在同一磁芯上，并且所有繞組的匝數(shù)均相同，所有繞組的同名端在接入電路時的方向一致。
6.一種應(yīng)用于如權(quán)利要求I所述均衡電路的控制方法，其特征在于通過加載一路占空比信號Vg在驅(qū)動電路G上以控制均衡電路，其有二種加載狀態(tài)；增加占空比信號Vg數(shù)值，均衡電流增加；減小占空比信號Vg，均衡電流變小。
全文摘要
本發(fā)明屬于電池應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組主動均衡電路及應(yīng)用于該電路的控制方法。其電路包括兩組以上的呈串聯(lián)布置的電池單元以及對應(yīng)各電池單元設(shè)置的多繞組變壓器T，電池單元包括電池B、濾波器、高頻開關(guān)M、限流電阻R、磁復位和軟開關(guān)諧振電路以及用于驅(qū)動高頻開關(guān)M執(zhí)行通斷動作的驅(qū)動電路G；該電路成本低廉，結(jié)構(gòu)和控制簡單，同時能量轉(zhuǎn)移效率極高。此外，其還可以通過加載一路占空比信號Vg在驅(qū)動電路G上以控制均衡電路,其有二種加載狀態(tài)；增加占空比信號Vg數(shù)值，均衡電流增加；減小占空比信號Vg，均衡電流變小，從而實現(xiàn)對于均衡電路電流的可靠控制，其工作效率高。
文檔編號H02J7/00GK102684263SQ20121014426
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者吳迪, 李思奇, 米春亭 申請人:上海眾聯(lián)能創(chuàng)新能源科技有限公司