一种自适应调节均衡电流的主动均衡电路及主动均衡方法

技术领域

本发明属于电池组均衡技术领域，特别涉及一种自适应调节均衡电流的主动均衡电路及主动均衡方法。

背景技术

锂电池组由多个电池单体组成，每个电池单体都有微小的差异，例如内阻、容量、自放电率等。这些差异在使用过程中可能会导致电池组中一些单体的电荷状态(电压、容量等)不同，进而影响整个电池组的性能和安全性。实现电池组的均衡，通常采用均衡电路或均衡管理系统，通过控制电池单体的充放电过程，使得各个单体的电荷状态保持在相对一致的水平。

现有锂电池组主动均衡模组，商业化的方案主要有DC/DC方案和多绕组变压器方案。其中DC/DC方案，多采用国外ADI和TI等大公司的IC和方案构架而成。均衡原理为采用某节电池放电，将放电电流经过一个反激FLYBACK电源产生高压经整流后对串联总电池充电。主要缺陷包括：只能通过放电方式对电池进行均衡；放电电流最大2.5A，即最大均衡电流为2.5A；一次只能一个DC/DC进行工作，不能所以DC/DC同时工作；完成均衡的时间较长；电路复杂，需要N个DC/DC控制IC和一个总的控制IC；成本高；电路结构尺寸大，N个反激电路占用较大的PCB面积和空间。

为克服DC/DC方案的缺陷，公开号为“CN115117958A”的中国发明专利申请公开了一种基于多线圈变压器的主动均衡装置及其均衡方法，主动均衡装置包括由多个电芯串联组成的电池组、磁芯、控制电路和多个均衡电路；一个电芯与一个均衡电路配对连接，每个均衡电路中设有两个绕向相反的线圈，各个均衡电路中的线圈均绕制在磁芯上；控制电路输出驱动信号来控制均衡电路中线圈的回路通断，各个电芯配对的同相位的线圈的回路导通时，高电压的电芯配对线圈自动成为主线圈输出能量，低电压的电芯配对的线圈自动成为从线圈吸收能量；各个电芯配对的反相位的线圈的回路导通时，进行磁复位，高电压的电芯输出能量，低电压的电芯吸收能量。

在该方案中，由于均衡电流与电池压差为线性比例关系，如果单个电池电压跳水突变为0V，由于与其他单体电池间存在较大的压差，会在均衡绕组中产生极大的均衡电流；如果单个电池与其他单体电池之间的压差小于100mV，则均衡电流小于0.5A，压差小于20mV时均衡电流则小于100mA，导致均衡所需的时间更长，均衡效率偏低。

发明内容

本发明提供一种自适应调节均衡电流的主动均衡电路及主动均衡方法，旨在解决现有技术中因为均衡电流与电池压差为线性比例关系而导致的均衡电流过大或过小的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种自适应调节均衡电流的主动均衡电路，包括：多绕组变压器、原边驱动选通单元、驱动单元、控制单元、信号采集单元及辅助供电单元；所述辅助供电单元为电路供电，所述信号采集单元实时检测单体电池电压、原边绕组电流及单体电池温度并反馈至控制单元，所述控制单元根据检测信号控制驱动单元及原边驱动选通单元输出电平信号至多绕组变压器的绕组控制开关；

所述多绕组变压器的原边绕组与副边绕组的数量相同且大于均衡电池组中单体电池的数量，所述原边绕组与副边绕组同时包绕在一个公共磁芯上，所述原边绕组为若干个绕组串联，间隔相同匝数引出一个中间抽头，每个中间抽头连接一个绕组控制开关，所述副边绕组为若干个绕组串联，间隔相同匝数引出一个中间抽头，每个中间抽头通过一个绕组控制开关连接至对应单体电池的负极。

优选地，所述副边绕组上还设置有保护检测单元，用于检测任意一节均衡绕组出现的异常过流或短路，并反馈至信号采集单元，由控制单元进行相应保护。

优选地，所述副边绕组上还设置有退磁单元，用于速对变压器磁芯中剩余磁场能量进行退磁。

优选地，所述原边绕组的绕组控制开关为N型MOS管，所述N型MOS管的栅极连接至原边驱动选通单元对应引脚，所述N型MOS管的源极通过电流采样电阻接地，所述N型MOS管的漏极连接至对应绕组的首端。

优选地，所述副边绕组的绕组控制开关为P型MOS管，所述P型MOS管的栅极连接至驱动单元对应引脚，所述P型MOS管的源极连接至对应单体电池的负极，所述P型MOS管的漏极连接至对应绕组的末端。

优选地，所述副边绕组的绕组控制开关为N型MOS管。

优选地，所述副边绕组对应每节单体电池的正负极两端并联有滤波电容。

相应的，本发明还提出一种自适应调节均衡电流的主动均衡方法，采用上述的主动均衡电路，包括以下步骤：

将所述均衡电路与待均衡电池组连接；

信号采集单元采集待均衡电池组中每节单体电池的电压，计算每两节电池的压差，将压差反馈至控制单元；

当压差大于设定的第一阈值时，控制单元通过原边驱动选通单元控制对应的绕组控制开关通断，提高原副边匝数比以降低均衡电流；

当压差小于设定的第二阈值时，控制单元通过原边驱动选通单元控制对应的绕组控制开关通断，降低原副边匝数比以提高均衡电流。

优选地，所述控制单元还通过信号采集单元接收保护检测单元的过流或短路信号，对均衡电路的电流进行调整或断开均衡电路。

优选地，调整匝数比的方法为：

选通原边绕组中的一个绕组控制开关，其他绕组控制开关关断；副边绕组的所有绕组控制开关导通；原边绕组的总匝数范围为a～Ba匝，副边绕组的总匝数为Na匝，原副边绕组的匝数比可调整的范围为1/N～B/N；其中，a为原副边绕组中单个绕组的匝数，B为原边绕组的绕组数量，N为待均衡电池组中单体电池的数量。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1.本发明提出的主动均衡电路通过在均衡变压器的原边绕组及副边绕组中设置绕组控制开关，可控制对应绕组的通断，进而快速调整原边绕组及副边绕组的匝数，实现不同的原副边绕组匝数比，可以灵活地调整不同压差下的充电电流。当电池间压差较大时，减小充电电流，提高均衡的安全性，防止过流和过多的发热损耗；当电池间压差较小时，增大充电电流，提高均衡效率，缩短均衡时间。在大容量电池组上效果尤其显著，可以满足50Ah以上大容量电池组在较短时间内完成电压均衡的需求。

2.本发明的变压器次级采用P型或N型MOS时，经过同步整流，可有效降低次级均衡绕组的整流功率损耗，使得均衡的能量利用率达到最大。

3.本发明提出的主动均衡电路还设置有保护检测单元，在任意一节均衡绕组出现异常过流和短路时，保护检测单元即可立即检测到故障信号并反馈至控制单元，由控制单元对均衡电流进行调整或断开均衡电路，进行相应保护，确保电池安全。

4.本发明提出的主动均衡电路还设置有退磁单元，可快速对变压器磁芯中剩余磁场能量进行退磁，确保每个周期开关电路安全。

附图说明

图1是本发明提出的主动均衡电路的结构图；

图2是本发明实施例的多绕组变压器次级采用P型MOS管的电路原理图；

图3是本发明实施例的多绕组变压器次级采用N型MOS管的电路原理图；

图4所本发明实施例的原副边绕组控制开的控制信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

图1为一种自适应调节均衡电流的主动均衡电路，包括：多绕组变压器、原边驱动选通单元、驱动单元、控制单元、信号采集单元及辅助供电单元；所述辅助供电单元为电路供电，所述信号采集单元实时检测单体电池电压、原边绕组电流及单体电池温度并反馈至控制单元，所述控制单元根据检测信号控制驱动单元及原边驱动选通单元输出电平信号至多绕组变压器的绕组控制开关。

所述多绕组变压器的原边绕组与副边绕组的数量相同且大于均衡电池组中单体电池的数量，所述原边绕组与副边绕组同时包绕在一个公共磁芯上，所述原边绕组为若干个绕组串联，间隔相同匝数引出一个中间抽头，每个中间抽头连接一个绕组控制开关，所述副边绕组为若干个绕组串联，间隔相同匝数引出一个中间抽头，每个中间抽头通过一个绕组控制开关连接至对应单体电池的负极。

通过在均衡变压器的原边绕组及副边绕组中设置绕组控制开关，可控制对应绕组的通断，进而快速调整原边绕组及副边绕组的匝数，实现不同的原副边绕组匝数比，可以灵活地调整不同压差下的充电电流。当电池间压差较大时，减小充电电流，提高均衡的安全性，防止过流和过多的发热损耗；当电池间压差较小时，增大充电电流，提高均衡效率，缩短均衡时间。

所述原边绕组的绕组控制开关为N型MOS管，所述N型MOS管的栅极连接至原边驱动选通单元对应引脚，所述N型MOS管的源极通过电流采样电阻与第一节单体电池的负极汇聚接地，所述N型MOS管的漏极连接至对应绕组的首端。

所述副边绕组的绕组控制开关为P型MOS管，所述P型MOS管的栅极连接至驱动单元对应引脚，所述P型MOS管的源极连接至对应单体电池的负极，所述P型MOS管的漏极连接至对应绕组的末端。经过变压器次级的同步整流，可有效降低次级均衡绕组的整流功率损耗，使得均衡的能量利用率达到最大。

具体的，多绕组变压器的电路原理如图2所示，变压器的原副边均包含B个绕组，变压器可用于N节单体电池组成的电池组，其中B>N。本实施例的单体电池包括B_1、B_2、…、B_N-1、B_N，其中最后一节单体电池B_N的正极与最后一个原边绕组NP_B的末端连通。

磁芯左侧为原边绕组，包括NP_1、NP_2、…、NP_N-1、NP_N、NP_N+1及NP_B，所有原边绕组的匝数相同。NP_1绕组的首端连接原边开关管QP_0的漏极，其余原边开关管QP_1、QP_2、…、QP_N-2、QP_N-1、QP_N、QP_N+1及QP_B的漏极分别连接至两个相邻绕组引出的中间抽头，所有原边开关管的源极汇聚后通过一个电流采样电阻RS1后与第一节单体电池B_1的负极接地。所有原边开关管的栅极GP_0、GP_1、GP_2、…、GP_N-2、GP_N-1、GP_N、GP_N+1及GP_B分别连接至原边驱动选通单元对应的引脚，接收原边驱动选通单元的电平信号，进而控制源极和漏极的通断。

磁芯右侧为副边绕组，包括NS_1、NS_2、…、NS_N-1、NS_N、NS_N+1及NS_B，所有原边绕组的匝数相同。其中副边绕组NS_1、NS_2、…、NS_N-1、NS_N的末端引出分别通过副边开关管QS_1、QS_2、…、QS_N-2、QS_N-1、QS_N连接至对应单体电池B_1、B_2、…、B_N-1、B_N的正极，副边绕组NS_1的首端与第一节单体电池B_1连通后接地。具体的，副边绕组的末端引出连接至副边开关管的漏极，副边开关管的源极连接至对应单体电池的正极。所有副边开关管的栅极GS_1、GS_2、…、GS_N-2、GS_N-1、GS_N分别连接至驱动单元对应的引脚，接收驱动单元的电平信号，进而控制源极和漏极的通断。

所述副边绕组上还设置有保护检测单元，用于检测任意一节均衡绕组出现的异常过流或短路，并反馈至信号采集单元，由控制单元进行相应保护。保护检测单元两条引出脚分别连接至副边绕组NS_N的末端及NS_B的末端。

所述副边绕组上还设置有退磁单元，用于速对变压器磁芯中剩余磁场能量进行退磁。退磁单元两条引出脚分别连接至副边绕组NS_N的末端及NS_B的末端。

如图3所示，所述副边绕组的绕组控制开关还可以为N型MOS管。其中副边绕组NS_1、NS_2、…、NS_N-1、NS_N的末端引出分别通过副边开关管QS_1、QS_2、…、QS_N-2、QS_N-1、QS_N连接至对应单体电池B_1、B_2、…、B_N-1、B_N的正极，副边绕组NS_1的首端与第一节单体电池B_1连通后接地。具体的，副边绕组的末端引出连接至副边开关管的漏极，副边开关管的源极连接至对应单体电池的正极。所有副边开关管的栅极GS_1、GS_2、…、GS_N-2、GS_N-1、GS_N分别连接至驱动单元对应的引脚，接收驱动单元的电平信号，进而控制源极和漏极的通断。

图4所为两个同步的PWM脉冲信号的示意图，横轴为时间轴，原边绕组控制开关与副边绕组控制开关收到的PWM脉冲信号是同步的。由控制单元向驱动单元及原边驱动选通单元发出驱动信号，所述驱动信号包括对应的原边绕组控制开关及副边绕组控制开关，以及开关对应的启闭信号。在正常均衡时，控制单元向驱动单元发送的驱动信号包括所有副边绕组控制开关，而向原边驱动选通单元发送的驱动信号只包含其中一个原边绕组控制开关，其他的原边绕组控制开关则保持关断状态。收到驱动信号的驱动单元，向所有副边绕组控制开关的栅极发送第一PWM脉冲信号；收到驱动信号的原边驱动选通单元，向选定的原边绕组控制开关的栅极发送第二PWM脉冲信号；如图4所示，上方为原边驱动选通单元发出的第二PWM脉冲信号，对应控制一个原边绕组控制开关，下方为驱动单元发出的第一PWM脉冲信号，对应控制所有副边绕组控制开关，其中第一PWM脉冲信号和第二PWM脉冲信号是同步的。

相比次级均衡绕组采用二极管整流，当电流流过二极管时，由于二极管导通电压降是VF＝0.7-1.1V，均衡电流I乘以导通压降VF即为导通损耗Ploss,Ploss＝VF*I。本实施例在次级采用P或N型MOS管整流时，通过驱动控制电路使MOS管在原边MOS管导通期间同步导通，均衡电流流过MOS管，而不是二极管，MOS管的导通电阻RDSon通常选1-10毫欧，如此在MOS管上的导通电压降VF＝I*RDSon,通常均衡电流不大于5A，导通电阻不大于10毫欧；故MOS导通压降不大于50mV，远小于二极管导通压降的0.7-1.1V；通损耗Ploss＝VF*I＝I2*RDSon,损耗值远小于二极管导通损耗。

所述副边绕组对应每节单体电池的正负极两端并联有滤波电容。具体的，滤波电容C_1并联至单体电池B_1的正负极，滤波电容C_2并联至单体电池B_2的正负极，滤波电容C_N-1并联至单体电池B_N-1的正负极，滤波电容C_N并联至单体电池B_N的正负极。

实施例二

一种自适应调节均衡电流的主动均衡方法，采用如实施例一所述的主动均衡电路，包括以下步骤：

将所述均衡电路与待均衡电池组连接。

具体的，将本实施例中多绕组变压器的副边绕组与电池组相连，其中第一个副边绕组NS_1的首端接第一节单体电池B_1的负极，末端接第一节单体电池B_1的正极，同时可在单体电池B_1正负极并联一个滤波电容C_1；第二个副边绕组NS_2的首端接第二节单体电池B_2的负极，末端接第二节单体电池B_2的正极，同时可在单体电池B_2正负极并联一个滤波电容C_2，由于单体电池为串联形式，因此第二个副边绕组NS_2的首端接第二节单体电池B_2的负极也就是连接于第一节单体电池的正极B_1；依此连接方式连接完所有的副边绕组与单体电池。其中最后一节单体电池B_N的正极还与原边绕组的最后一个绕组NP_B的末端连通。

信号采集单元采集待均衡电池组中每节单体电池的电压，计算每两节电池的压差，将压差反馈至控制单元。

当压差大于设定的第一阈值时，控制单元通过原边驱动选通单元控制对应的绕组控制开关通断，提高原副边匝数比以降低均衡电流。

当压差小于设定的第二阈值时，控制单元通过原边驱动选通单元控制对应的绕组控制开关通断，降低原副边匝数比以提高均衡电流。

所述控制单元还通过信号采集单元接收保护检测单元的过流或短路信号，对均衡电路的电流进行调整或断开均衡电路。当保护检测单元检测到均衡电路中存在过流或短路时，将过流或短路信号发送至信号检测单元，信号检测单元再反馈至控制单元，控制单元发出控制指令，由驱动单元及原边驱动选通单元控制原边及副边所有绕组控制开关关断，以断开均衡电路，对电池进行保护。

具体的，调整匝数比的方法为：

选通原边绕组中的一个绕组控制开关，其他绕组控制开关关断；副边绕组的所有绕组控制开关导通；原边绕组的总匝数范围为a～Ba匝，副边绕组的总匝数为Na匝，原副边绕组的匝数比可调整的范围为1/N～B/N；其中，a为原副边绕组中单个绕组的匝数，B为原边绕组的绕组数量，N为待均衡电池组中单体电池的数量。

具体的，当检测到电池组中单体电池之间的压差较小时，如压差小于100mV，这时常规的技术方案提供的均衡电流小于0.5A，30Ah容量电池组常规使用中，需在24小时内完成一次充放电循环，为使电池压差从100mV降低到10mV，需要经过30小时以上的均衡工作时间。当电池容量达到300Ah时，需要300小时才能达到均衡目的。若电池组按24小时内完成一次充放电循环，电池压差将不可避免的增大，最终导致电池组可使用容量SOC的降低，导致电池组提前结束使用寿命，在大约700次循环时将使SOC降低到70％，远达不到单颗电芯的3000次循环寿命。

在本实施例中，信号采集单元根据采集到的压差，调整原边绕组的总匝数，即选通原边绕组上的一个绕组控制开关，其余绕组控制开关关断。如此对变压器的原边与副边的匝数比即原副边总匝数比进行调整，原副边总匝数比记为k：

式中，n

选通原边绕组中的一个开关管，使得原副边匝数比k为设定值,从而调整副边绕组输出的总电源电压U

此时，副边N个绕组上每节电池的充电电压

当电池间压差较大时，通过选通原边绕组上的一个绕组控制开关，调整k大于1，减小充电电流，提高均衡的安全性，防止过流和过多的发热损耗；当电池间压差较小时，通过选通原边绕组上的一个绕组控制开关，调整k小于1，增大充电电流，提高均衡效率，缩短均衡时间。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。