基於獨立變壓器的電池平衡系統及方法
2023-05-10 17:02:41
專利名稱：基於獨立變壓器的電池平衡系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種基於獨立變壓器的電池平衡系統及方法，屬於電池平衡技術領域。
背景技術：
目前，電池平衡技術主要有以下幾種模式1、被動平衡模式，如圖5所示，其屬於最簡易的實現方式，僅僅是消耗放電模式，僅適用於滿電平衡，不能解決放電容量充分利用的問題。2、電感傳遞模式，如圖6所示，藉助電感使得一個電池的電量傳遞到相鄰的電池中，可以實現電池的雙向平衡，但是僅對相鄰電池之間的傳遞比較有效，相距較遠的電池很難有效地傳遞能量，因此不適用於較多數量的電池連接。3、飛渡電容模式，藉助電容傳遞能量，利用電子或機械開關將一個電容分時連接到不同的電池上，對能量傳遞起作用的僅僅是電池間的電壓差，因此該模式的傳遞效率偏低。4、變壓器傳遞模式，如圖7所示，藉助變壓器的雙向模式進行能量傳遞，可以同時進行電壓的採集；現有的結構需要一個多繞組的變壓器，需要電池數+1的繞組，每個繞組需要2個引出端子，當電池數量增加到一定數量後，該變壓器的加工工藝將會非常複雜、困難、耗費成本。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種基於獨立變壓器的電池平衡系統及方法，能夠簡化電路結構，減少能量消耗，節省成本。為解決上述技術問題，本發明採用如下的技術方案一種基於獨立變壓器的電池平衡系統，包括單片機、串聯電池組和平衡單元，單電池通過平衡單元與單片機連接；每個單電池分別對應一個平衡單元，平衡單元並聯連接在所對應的單電池的正、負兩極；還包括電壓採集電路和驅動電路，平衡單元通過電壓採集電路、驅動電路分別與單片機的電壓採集輸入接口、驅動信號輸出接口連接；平衡單元包括驅動變壓器Tl、反激功率變壓器T2和功率開關器件。前述的基於獨立變壓器的電池平衡系統中，驅動變壓器Tl的輸入端分別連接至驅動信號輸出接口和電池組負極，驅動變壓器Tl的輸出端分別連接至功率開關器件和單電池負極；反激功率變壓器T2的正輸入端連接至單電池正極，反激功率變壓器T2的負輸入端與功率開關器件連接，反激功率變壓器T2的正輸出端通過二極體分時隔離分別連接至電壓採集電路和電池組正極。前述的基於獨立變壓器的電池平衡系統中，平衡單元還包括並聯連接在反激功率變壓器T2的輸入端的保護吸收電路。前述的基於獨立變壓器的電池平衡系統中，驅動變壓器Tl的正輸入端與驅動電路之間設有驅動整形電路A，驅動變壓器Tl的正輸出端與功率開關器件之間設有驅動整形電路B。驅動變壓器Tl的正輸入端與驅動電路之間、驅動變壓器Tl的正輸出端與功率開關器件之間均可根據需要增加驅動整形電路。前述的基於獨立變壓器的電池平衡系統中，功率開關器件採用N溝道場效應電晶體Ql或者雙極性三極體。前述的基於獨立變壓器的電池平衡系統中，功率開關器件優選採用性價比較高的N溝道場效應電晶體Q1，簡寫NM0SFET。前述的基於獨立變壓器的電池平衡系統中，單片機包括控制器，控制器上設有電壓排序單元，用於對採集的電池電壓進行排序；電池容量轉換單元，用於將電池電壓換算成電池容量；脈衝計算單元，用於計算電池容量對應的平衡所需的脈衝數；其中，電壓排序單元、電池容量轉換單元和脈衝計算單元順次連接,脈衝計算單元與驅動信號輸出接口連接。一種實現前述系統的基於獨立變壓器的電池平衡方法，包括以下步驟SI，單片機控制器依次通過驅動變壓器Tl驅動每一個單電池的平衡單元，在功率開關器件開通後延遲一定時間進行後端電壓的採集並記錄；由於此時反激功率變壓器T2工作於正激階段，輸出電壓近似正比電池電壓，從而獲取到各個電池的電壓，實現電池電壓的採集；之後驅動電路關閉場功率開關器件，反激功率變壓器T2中存儲的能量反激模式輸送到電池組母線。S2，單片機控制器根據採集的電池電壓的不同，在時間段內給予每一個電池不同的驅動信號脈衝個數，驅動脈衝數多的單元將向母線轉移更多的能量，從而達到電池的平衡。前述的基於獨立變壓器的電池平衡方法中，所述步驟S2具體包括S21，電壓排序單元對採集的電池電壓進行排序；S22,電池容量轉換單元將電池電壓換算成電池容量；S23，脈衝計算單元計算電池容量對應的平衡所需的脈衝數；S24，驅動信號輸出接口根據計算得出的平衡所需脈衝數來發送驅動信號。與現有技術相比，本發明具有以下優點1、使得電池組內部的每個電池各自使用獨立的變壓器，平衡電流僅從電池流向電池組，大幅度簡化了電路結構。2、功率開關器件獨立，因為在電池側無需控制邏輯，同時電池側的不同電路單元之間也完全沒有相互的連接，所以便於組建任意電流規模的平衡電路。3、驅動部分使用變壓器驅動，電池側功率開關器件的驅動使用磁隔離，這樣可以保證當系統停止工作後，即單片機控制器沒有控制需求的時候，系統處於僅僅只有功率開關器件和電容的漏電流的消耗水平，該消耗低於ua等級。4、將電壓採集電路和功率轉移電路合併，電壓採樣環節處於反激功率變壓器T2的次級端，檢測的是經過變壓器後的正激時段的感應電壓，反激功率變壓器T2同時完成了採樣電壓的隔離，相比於常見的通過分壓電阻差分電壓採樣和專用高壓電池採樣晶片，電路更簡單，成本也更低。
圖1是本發明的一種實施例中電池平衡單元的結構示意圖；圖2是本發明的一種實施例的電池平衡系統的結構示意圖；圖3是本發明的一種實施例的電壓採集階段的脈衝圖；圖4是本發明的一種實施例的電池均衡階段的脈衝圖；圖5是被動平衡模式的電路圖；圖6是電感傳遞模式的電路圖；圖7是變壓器傳遞模式的電路圖；圖8是本發明的一種實施例中電壓採集電路的示意圖。下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。
具體實施例方式
具體實施例方式一種基於獨立變壓器的電池平衡系統，如圖2所示，包括單片機、串聯電池組(BATT01、BATT02……BATT-N)和平衡單元，單電池通過平衡單元與單片機連接；每個單電池分別對應一個平衡單元，平衡單元並聯連接在所對應的單電池的正、負兩極；還包括電壓採集電路和驅動電路 ，平衡單元通過電壓採集電路、驅動電路分別與單片機的電壓採集輸入接口、驅動信號輸出接口連接。電壓採集電路如圖8所示。如圖1所示，平衡單元包括驅動變壓器Tl、反激功率變壓器T2和功率開關器件；驅動變壓器Tl的輸入端分別連接至驅動信號輸出接口和電池組負極，驅動變壓器Tl的輸出端分別連接至功率開關器件和單電池負極；反激功率變壓器T2的正輸入端連接至單電池正極，反激功率變壓器T2的負輸入端與功率開關器件連接，反激功率變壓器T2的正輸出端通過二極體分時隔離分別連接至電壓採集電路和電池組正極；平衡單元還包括並聯連接在反激功率變壓器T2的輸入端的保護吸收電路；驅動變壓器Tl的正輸入端與驅動電路之間設有驅動整形電路A，驅動變壓器Tl的正輸出端與功率開關器件之間設有驅動整形電路B ;功率開關器件採用N溝道場效應電晶體Ql。單片機包括控制器，控制器上設有電壓排序單元，用於對採集的電池電壓進行排序；電池容量轉換單元，用於將電池電壓換算成電池容量；脈衝計算單元，用於計算電池容量對應的平衡所需的脈衝數。其中，電壓排序單元、電池容量轉換單元和脈衝計算單元順次連接，脈衝計算單元與驅動信號輸出接口連接。一種基於獨立變壓器的電池平衡方法，包括以下步驟SI，如圖3所示，單片機控制器依次通過驅動變壓器Tl驅動每一個單電池的平衡單元，在功率開關器件開通後延遲一定時間進行後端電壓的採集並記錄；由於此時反激功率變壓器T2工作於正激階段，輸出電壓近似正比電池電壓，從而獲取到各個電池的電壓；之後驅動電路關閉場效應電晶體Q1，功率變壓器裡面存儲的能量反激模式輸送到電池組母線。S2，單片機控制器根據採集的電池電壓的不同，在時間段內給予每一個電池不同的驅動信號脈衝個數，驅動脈衝數多的單元將向母線轉移更多的能量，從而達到電池的平衡。如圖4所示，第三路是電壓最低的電池單元的驅動，此單元不參與放電平衡；第二路、第一路、第N路是電池電壓從高到低排列的，對應的放電時長也是從高到低排列的，因此最終達到電池電量的平衡。所述步驟S2具體包括S21，電壓排序單元對採集的電池電壓進行排序；S22,電池容量轉換單元將電池電壓換算成電池容量；S23，脈衝計算單元計算電池容量對應的平衡所需的脈衝數；S24，驅動信號輸出接口根據計算得出的平衡所需脈衝數來發送驅動信號。工作原理當驅動電路發出驅動信號時，場效應電晶體Ql導通電池向反激功率變壓器T2初級充電，此時反激功率變壓器T2次級將感應出一個和單電池電壓成正比的信號(即正激模式)，該信號通過二極體D2傳輸到電壓採集電路，控制電池依次導通就可以獲得每一個電池的電壓；單片機控制器上的電壓排序單元對採集的電池電壓進行排序，電池容量轉換單元將電池電壓換算成電池容量，脈衝計算單元計算電池容量對應的平衡所需的脈衝數，驅動信號輸出接口根據計算得出的平衡所需脈衝數來發送驅動信號；在場效應電晶體Ql關閉時，反激功率變壓器T2將產生一個續流的需要，此時初級因為被場效應電晶體Ql截止，反激功率變壓器T2儲存的能量將通過二極體Dl，向電池組進行釋放(即反激模式);通過控制每個平衡單元的驅動脈衝數量，可以讓不同的單電池向電池組轉移不同的電量，從而利用同一套平衡單元電路實現了電壓採樣和能量轉移的工作。
權利要求
1.一種基於獨立變壓器的電池平衡系統，其特徵在於包括單片機、串聯電池組和平衡單元，單電池通過平衡單元與單片機連接；每個單電池分別對應一個平衡單元，平衡單元並聯連接在所對應的單電池的正、負兩極；還包括電壓採集電路和驅動電路，平衡單元通過電壓採集電路、驅動電路分別與單片機的電壓採集輸入接口、驅動信號輸出接口連接；平衡單元包括驅動變壓器Tl、反激功率變壓器T2和功率開關器件。
2.根據權利要求1所述的基於獨立變壓器的電池平衡系統，其特徵在於驅動變壓器Tl的輸入端分別連接至驅動信號輸出接口和電池組負極，驅動變壓器Tl的輸出端分別連接至功率開關器件和單電池負極；反激功率變壓器T2的正輸入端連接至單電池正極，反激功率變壓器T2的負輸入端與功率開關器件連接，反激功率變壓器T2的正輸出端通過二極體分時隔離分別連接至電壓採集電路和電池組正極。
3.根據權利要求1或2所述的基於獨立變壓器的電池平衡系統，其特徵在於平衡單元還包括並聯連接在反激功率變壓器T2的輸入端的保護吸收電路。
4.根據權利要求3所述的基於獨立變壓器的電池平衡系統，其特徵在於驅動變壓器Tl的正輸入端與驅動電路之間設有驅動整形電路A，驅動變壓器Tl的正輸出端與功率開關器件之間設有驅動整形電路B。
5.根據權利要求4所述的基於獨立變壓器的電池平衡系統，其特徵在於功率開關器件採用N溝道場效應電晶體Ql或者雙極性三極體。
6.根據權利要求5所述的基於獨立變壓器的電池平衡系統，其特徵在於功率開關器件優選採用N溝道場效應電晶體Ql。
7.根據權利要求6所述的基於獨立變壓器的電池平衡系統，其特徵在於，單片機包括控制器，控制器上設有 電壓排序單元，用於對採集的電池電壓進行排序； 電池容量轉換單元，用於將電池電壓換算成電池容量； 脈衝計算單元，用於計算電池容量對應的平衡所需的脈衝數； 其中，電壓排序單元、電池容量轉換單元和脈衝計算單元順次連接，脈衝計算單元與驅動信號輸出接口連接。
8.一種實現權利要求1 7所述系統的基於獨立變壓器的電池平衡方法，其特徵在於，包括以下步驟 SI，單片機控制器依次通過驅動變壓器Tl驅動每一個單電池的平衡單元，在功率開關器件開通後延遲一定時間進行後端電壓的採集並記錄； S2，單片機控制器根據採集的電池電壓的不同，給予每一個電池不同的驅動信號脈衝個數，從而達到電池的平衡。
9.根據權利要求8所述的基於獨立變壓器的電池平衡方法，其特徵在於，所述步驟S2具體包括 S21，電壓排序單元對採集的電池電壓進行排序； S22，電池容量轉換單元將電池電壓換算成電池容量； S23，脈衝計算單元計算電池容量對應的平衡所需的脈衝數； S24，驅動信號輸出接口根據計算得出的平衡所需脈衝數來發送驅動信號。
全文摘要
本發明公開了一種基於獨立變壓器的電池平衡系統及方法，所述系統包括單片機、串聯電池組和平衡單元，單電池通過平衡單元與單片機連接；每個單電池分別對應一個平衡單元，平衡單元並聯連接在所對應的單電池的正、負兩極；還包括電壓採集電路和驅動電路，平衡單元通過電壓採集電路、驅動電路分別與單片機的電壓採集輸入接口、驅動信號輸出接口連接；平衡單元包括驅動變壓器T1、反激功率變壓器T2和功率開關器件。本發明能夠簡化電路結構，減少能量消耗，節省成本。
文檔編號H02J7/00GK103066667SQ201310029689
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月25日 優先權日2013年1月25日
發明者王書軍 申請人:天津新智電源有限公司