[發明專利]一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統及方法

在審

• 申請號: 201710157515.6
• 申請日: 2017-03-16
• 公開（公告）號: CN106787021A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 張承慧;商云龍;張奇;崔納新;段彬
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統及方法。

背景技術

鋰離子電池因具有無記憶效應、能量密度高、單體電壓高和安全性好等優點，廣泛應用在電動汽車中。為了滿足電動汽車電壓和功率等級，需要將大量的鋰離子電池單體串、并聯組合使用。然而，由于制造工藝和工作環境等方面的差異，電池單體之間的內阻和容量并不完全一致。電池組在使用的過程中，這些不一致性會逐漸積累，并且造成不同串聯電池單體電壓的不均衡，可能會導致某節電池單體的過充或過放，降低電池組的可用容量和循環壽命，甚至造成電池組的損壞。因此，串聯電池組需要均衡電路來平衡電池單體電壓間的不一致性。

目前，主動均衡方法主要是基于電容、電感或變壓器將能量從電壓較高的電池單體傳遞到電壓較低的電池單體。其中，基于變壓器的均衡方法具有隔離性能好、效率高、控制簡單和均衡速度快等優點。

中國發明專利(申請號201210144266.4)提出了一種基于對稱多繞組變壓器結構的串聯電池組均衡電路。該均衡電路僅需要一個控制信號，即可實現能量從電壓較高的電池單體到電壓較低的電池單體的自動傳遞，具有控制簡單、均衡效率高等優點。但是，該方法需要另外的消磁電路(一個電容與勵磁電感構成LC諧振電路)來吸收和釋放當開關關斷時存儲在變壓器中的能量。這導致了變壓器繞組的不一致、電路成本高、體積大以及設計復雜等缺點。并且為了獲得軟開關，該均衡電路只能工作在特定的開關頻率和占空比下，使得其設計和控制變得復雜，尤其是，該均衡電路很難模塊化。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統及方法。

首先，本發明提供一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統，該系統通過奇數和偶數多繞組變壓器副邊的反向并聯連接，基于正激變換實現了模塊內和奇/偶數模塊間的均衡；基于反激變換實現了奇數和偶數模塊間的均衡以及變壓器的自動消磁。

其次，本發明提供一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化方法，該控制方法只需一對狀態互補的控制信號，即可實現電池組中任意節電池單體到任意節電池單體的直接、自動、同時均衡，極大提高了均衡效率和速度，有效改善了電池單體間的不一致性。本發明具有均衡效率高、均衡速度快、體積小、成本低、可靠性高、易于模塊化、控制簡單、無需電壓檢測電路等優點。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化系統，包括多個電池模塊、微控制器、多個多繞組變壓器和多個MOS管，其中，每個電池模塊包括若干個電池單體，每個電池模塊對應配置有一個多繞組變壓器；

所述多繞組變壓器包括y個原邊繞組和一個副邊繞組，每個電池單體連接于一個MOS管的漏極，MOS管的源極連接于一個多繞組變壓器的一個原邊繞組的一端，繞組的另外一端連接于該電池單體的負極，形成一個電流回路，微控制器輸出兩路互補的PWM信號，分別驅動具有相反的同名端的原邊繞組對應的MOS管。

進一步，共有x*y節電池單體，其中，x為電池模塊數，y為一個模塊包括的電池單體數。

進一步的，相鄰的多繞組變壓器副邊的反向并聯連接。

進一步的，所述多繞組變壓器的副邊繞組相并聯。

所述多繞組變壓器分為兩組，奇數和偶數變壓器副邊繞組具有相反的同名端。

進一步的，所述脈沖寬度調制PWM信號輸出端發送一對狀態互補的高頻PWM信號，即PWM+和PWM-；

所述脈沖寬度調制PWM+信號通過驅動電路連接于奇數變壓器原邊繞組對應的MOS管的柵極，用于產生該組MOS管開關的控制驅動信號；

所述脈沖寬度調制PWM-信號通過驅動電路連接于偶數變壓器原邊繞組對應的MOS管的柵極，用于產生該組MOS管開關的控制驅動信號。

一種基于多繞組變壓器的電池組均衡器模塊化方法，微控制器的脈沖寬度調制PWM信號輸出端發送一對狀態互補的PWM信號分別控制多繞組變壓器中奇數和偶數變壓器對應的MOS管交替導通，基于正激變換電池模塊內和奇/偶數電池模塊間的均衡或基于反激變換實現奇數和偶數電池模塊間的均衡以及變壓器的自動消磁。

進一步的，控制過程共包括四種工作模式：

(1)當奇數變壓器的MOS管導通，基于反激變換對偶數變壓器進行自動消磁，并實現奇數和偶數模塊間的均衡，基于正激變換實現奇數模塊內和模塊間的均衡；

(2)奇數變壓器的MOS管保持導通，基于正激變換實現奇數模塊內和模塊間的均衡，并對奇數變壓器的消磁提供前提條件；