CN103280862B - 一种串联电池组电压均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种串联电池组电压均衡器，如图1所示，其特点是：该均衡器能够将电池组中的每个电池以电压隔离的方式全部并联在一起，实现均衡的目的。其组成特征为每个电池的后面均接有一个电池单元变换电路，每个电池单元变换电路由相同的高频开关电路和隔离变压器所组成，所有隔离变压器的次级绕组全部并联在一起；电池单元变换电路可以为单管正激，互补推挽，半桥或全桥等电路。进一步改善均衡效果的办法是在隔离变压器的次级或初级线圈上留有两个或多个抽头，利用逻辑电路和接触器根据需要来调节抽头的位置，以得到更大的均衡电流，同时使整个电池组的电压质量得到改善；对于隔离变压器能够共用磁芯的情况，相应的次级绕组可以省去。

Description

一种串联电池组电压均衡器

技术领域

本发明涉及电池领域，具体是一种串联电池组电压均衡器。

背景技术

电池组要能正常工作和充分发挥功效，必须用到电池均衡器，常用的均衡器电路结构有：电阻均衡器，电容和电感均衡器，正激和反激均衡器。它们共同存在的问题是：均衡过程中存在不合理的能量传递和消耗。例如：电感和电容均衡器在均衡过程中需要在相邻电池之间进行能量传递，一个电池电压高的单个电池将能量传递给相隔较远的电池电压低的单个电池，需要在相邻电池之间进行多次能量传递，最终才能实现完全均衡，因此电路响应速度慢，均衡效果不理想；通常的正激和反激均衡器，在正常工作时，需要在单个电池和总电池组之间进行能量交换，这种能量交换会导致均衡速度慢，能量交换过多，因而也会造成损耗增加。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明要解决的技术问题在于：如何让电压高的单个电池将能量直接传送给电压低的单个电池？而处于电池组平均电压的那些单个电池极少或不再参与均衡过程，从而减小或消除不必要的损耗，提高均衡速度和效果。

解决方案：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种能够将电池组中的每个电池以电压隔离的方式全部并联在一起的均衡器，改善了电路性能，均衡器的基本组成示意图如图1所示。在每个电池的后面均连接有相同的高频开关电路和隔离变压器(这两者组合在一起以下也称之为电池单元变换电路)，每个隔离变压器的次级线圈全部并联在一起(依据相同同名端连接在一起的原则进行)。

作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或是这些措施的任意组合：电池单元变换电路可以采用单管正激，互补推挽，半桥电路或全桥电路等；在隔离变压器的次级线圈或初级线圈留有两个或多个抽头，根据需要，通过逻辑控制电路和接触器来调节抽头的位置，以实现更好的均衡效果；对于隔离变压器能够共用磁芯的情况，相应的次级线圈可以省去。

发明有益效果：

本发明解决了传统均衡器在均衡过程中存在的不合理的能量传递和消耗问题，均衡效果和效率得到了很好的改善，对于单个电池之间容量差异较大的串联电池组，用这种方法能够实现理想的均衡功效。

附图说明

图1，均衡器的基本组成示意图

图2，单管正激均衡器电路图

图3，只有两节电池的单管正激均衡器电路图

图4，互补推挽均衡器电路图

图5，半桥均衡器电路图

图6，全桥均衡器电路图

图7，均衡能力更强的均衡器电路图

图8，隔离变压器使用同一个铁芯的均衡器电路图

具体实施方式

一，本发明的基本思想

对于一组串联的电池组，要想实现理想的均衡效果，最好的办法是将该电池组中的单个电池全部从电池组中拆开，然后全部并联在一起，达到电压稳定后，每个电池的电压将会严格保持一致，即达到完全均衡，然后再将这些达到均衡后的单个电池按原来次序串接在一起，以恢复出原来的电池组，这样就实现了理想的完全均衡的效果。

上述理想均衡过程在现实中虽然无法实现，但通过高频开关技术和隔离变压器，可以将电池组中的单个电池以电压隔离的方式全部并联在一起，实现上述均衡的效果，这是本发明的基本思想。

二，均衡器的基本组成和工作过程

本发明的均衡器的基本组成如图1所示，每个电池的后面连接有相同的高频开关电路和隔离变压器，这两者组合在一起以下也称之为电池单元变换电路，每个隔离变压器的次级线圈全部并联在一起(依据相同同名端连接在一起的原则进行)。图1中的隔离变压器初级线圈的中心抽头处引出的虚线表示在一些具体电路中可以有中心抽头引出至高频开关电路，在一些具体电路中没有中心抽头引出至高频开关电路。

均衡器正常工作时，每节电池的电压均通过各自的电池单元变换电路进行变换，从变压器的次级线圈输出高频矩形脉冲电压，这些高频矩形脉冲电压具有相同的频率，相位和占空度，它们的幅值大小与所对应的单个电池的电压成比例。只要单个电池之间的电压存在差异，就会导致变压器次级线圈上输出的高频矩形脉冲电压存在幅值上的差异，由于变压器的次级线圈全部并联在一起，其结果是造成了相应的变压器次级线圈中出现电流流动，电流流动产生的效果是：次级线圈上脉冲电压幅值高的绕组向外提供能量，脉冲电压低的绕组得到能量；根据能量守衡定律，结合正激变压器的特性知，这个能量传输最终意味着电池电压高的单个电池向外输出能量，电池电压低的单个电池得到能量；当电池间的电压达到一致时，电路达到平衡，不再有能量的传输，这就实现了完全的均衡。

三，均衡器的具体电路结构

1，电池单元变换电路采用单管正激的均衡器电路

图2为单管正激均衡器电路，图中B1，B2，B3。。。Bn为串联电池组，Q1，Q2，Q3。。。Qn为电子开关(可以采用MOS管，IGBT等)，T1，T2，T3。。。Tn为相同的变压器，该电路的特征是每个电池单元变换电路中有一个磁复位电路。

为了能直观地说明图2电路的工作原理，设图2中的电池组只有两节：B1和B2，且B1的电压大于B2的电压(B1＞B2)，如图3所示。正常工作时，Q1和Q2工作在高频开关状态，它们同时导通和截止，以下讨论Q1和Q2在一个开关周期内，电路的工作情况。

当Q1和Q2同时导通时，电池B1的电压加至变压器T1的初级，在T1的次级感应出一个上正下负的电压，其大小与B1的大小成比例，这个比例系数为T1的匝比，同时T1的磁芯开始磁化。设T1的匝比为k，则T1次级感应出的次级电压为k＊B1；同理，变压器T2的次级也感应出一个上正下负的电压，其大小为k＊B2，由于B1＞B2，所以k＊B1＞k＊B2，这样在变压器的次级会出现电流I，方向如图3中所示。根据能量守衡定律结合正激变压器的特性知：在T2的初级会出现一个向B2充电的电流，方向如图3中所示；T1的初级则出现一个B1向外放电的电流。这样B1放电，B2得到充电，电池B1和电池B2的电压差得到逐步减小。

当Q1和Q2同时关闭时，T1和T2的磁芯开始复位，为下一个开关周期做准备。在此期间，上述B1的放电和B2的充电电流不再存在，直到T1和T2的磁芯完全复位，Q1和Q2再次同时开通时为止，这就完成了一个完整开关周期。随着时间的推移，B1和B2的电压差不断减小，当B1＝B2时，T1和T2的次级感应电压完全相等，电路中不再有电流存在，此时达到完全均衡。

对于图2所示电路的工作过程，与图3电路的工作过程完全类似，当Q1，Q2，Q3。。。Qn同时导通时，T1，T2，T3。。。Tn的次级电压依次为k＊B1，k＊B2，k＊B3。。。k＊Bn，只要B1，B2，B3。。。Bn的电压不完全一致，就会导致k＊B1，k＊B2，k＊B3。。。k＊Bn的不完全一致，因而导致相应的次级线圈中出现电流，根据上述对图3的分析结果知道，这个电流经过变压器耦合后，最终结果是：电压高的单个电池向外放电，电压低的单个电池得到充电，电池组得到了均衡的功效；在此期间，变压器T1，T2，T3。。。Tn的磁芯开始磁化。当Q1，Q2，Q3。。。Qn同时截止时，变压器T1，T2，T3。。。Tn的磁芯开始复位，为下一个开关周期作准备，在此期间，电池组得不到均衡的功效；当T1，T2，T3。。。Tn的磁芯完全复位，Q1，Q2，Q3。。。Qn再次同时导通时，这就又开始了一个新的开关周期。随着时间的推移，最终实现了整个电池组的电压完全均衡。

2，电池单元变换电路采用互补推挽的均衡器电路

图2中的均衡器有一个缺点是：当磁芯处于磁复位期间，电池间的均衡功能就无法实现，因此均衡的效果就不够理想，为了克服这个缺点，电池单元变换电路采用了互补推挽电路，如图4所示。

图中B1，B2，B3。。。Bn为串联电池组，1Q1，1Q2，2Q1，2Q2，3Q1，3Q2。。。为电子开关，T1，T2，T3。。。为相同的带中心抽头的变压器。

正常工作时，电子开关1Q1，2Q1，3Q1。。。nQ1同时导通和截止，电子开关1Q2，2Q2，3Q2。。。nQ2同时导通和截止，这两组开关工作在高频开关状态，它们交替导通与截止，中间间隔死区时间。

当1Q1，2Q1，3Q1。。。nQ1同时导通时，这时的工作情况和图2所示电路(单管正激均衡器电路)中，Q1，Q2，Q3。。。Qn同时开通的情况完全一样，电池组得到了均衡的效果，同时T1，T2，T3。。。Tn的磁芯开始磁化；当1Q2，2Q2，3Q2。。。nQ2同时导通时，这时的工作情况仍然和图2所示电路(单管正激均衡器电路)中，Q1，Q2，Q3。。。Qn同时开通的情况完全一样，电池组得到了均衡的效果，所不同的是在此期间，T1，T2，T3。。。Tn的磁芯得到了复位，为1Q1，2Q1，3Q1。。。nQ1的再次同时开通做了准备。

该电路的优点是均衡效果好，变压器磁芯得到了充分利用。

3，电池单元变换电路采用半桥的均衡器电路

图5为半桥均衡器电路图，电路的工作过程和互补推挽均衡器的工作过程完全类似，所不同的是当一组开关管(1Q1，2Q1，3Q1。。。nQ1或1Q2，2Q2，3Q2。。。nQ2)导通时，加在变压器T1，T2，T3。。。Tn初级线圈上的实际电压只有电池电压的一半。

4，电池单元变换电路采用全桥的均衡器电路

图6为全桥均衡器电路图，电路的工作过程和半桥均衡器的工作过程完全类似，所不同的是每组管子：1Q1，1Q4，2Q1，2Q4，3Q1。。。nQ1，nQ4或1Q2，1Q3，2Q2，2Q3，3Q2。。。nQ2，nQ3；在导通期间加至变压器初级线圈上的电压为电池电压，所需开关管的数量需要加倍。

四，均衡能力更强的均衡器电路

图1电路存在一个缺点：当某一电池的容量失效很多，例如电池B3的容量已经偏离平均容量很多，而电池组的放电输出电流又比较大时，B3的电压相对于其它电池来说会迅速下降，与此同时，均衡器会向B3电池提供均衡电流，这个均衡电流的大小与B3电池和正常电池之间的电压差近似成正比；为了确保B3电池能有大的电流输出，以维持整个电池组向外输出大电流，B3的电压必须相对下降很多，以换取从其它电池得到大的均衡电流，这样B3电压的大幅下降就会使整个电池组的电压有明显下降，因而电池组的供电质量受到影响。

为了解决这一问题，在图1中的次级绕组(或初级绕组)上增加两个抽头(或多个抽头)，如图7所示。

图7中的电路除了能够和图1中的电路一样工作外，其特别之处是：当某一电池的容量损失很多，例如电池B3的容量已经偏离平均容量很多，而电池组的放电电流又比较大时，B3电池的电压会迅速下降很多，这时可利用逻辑电路控制接触器RLY3动作，使中心抽头接在“5”的位置，这样得到的结果是B3电池得到了更大的均衡电流，同时B3电池的实际电压下降很少；当B3的电压得到有效恢复，不再需要接触器RLY3处于动作状态时，可利用逻辑电路使接触器RLY3复位。同理当电池组充电时，由于B3电池的容量下降很多，B3电池的充电电压会很快上升，并高过其它电池很多，这时可利用逻辑电路控制接触器RLY3动作，使中心抽头接在“7”的位置，这样得到的结果是B3电池向其它电池输出更大的均衡电流，同时B3电池的实际电压相对于其它电池电压上升很少，整个电池组的充电电压平稳上升，充电效果得到改善。

五，隔离变压器共用一个磁芯的均衡器

图8为隔离变压器共用磁芯的均衡器电路。由于共用磁芯，每个电池单元变换电路中的初级线圈通过公共的磁芯直接进行相互耦合，省去了次级线圈。图中的电池单元变换电路可以是单管正激电路，互补推挽电路，半桥电路，全桥电路等。

本发明既适用于锂电池，也适用于铅酸电池，或是相同规格的电池组相串联，对电池(或相同规格的电池组)的串联个数没有限制。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和组合，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种串联电池组电压均衡器，其电路组成是：每个电池的正负极之间均连接有一个电池单元变换电路，每个电池单元变换电路均由相同的高频开关电路和隔离变压器所组成，所有隔离变压器的次级线圈依据相同同名端连接在一起的原则全部并联在一起，该并联的次级线圈上不再连接有其它任何元件；电池组中每个电池的电压经过各自的电池单元变换电路变换后，输出与所对应的单个电池的电压成比例的隔离输出电压，由于所有电池单元变换电路中的隔离变压器的次级线圈全部并联在一起，这样造成了电池组中的每个电池以电压隔离的方式全部并联在一起，实现了均衡的效果。

2.根据权利要求1所述的电压均衡器，其特征是：电池单元变换电路采用单管正激电路。

3.根据权利要求1所述的电压均衡器，其特征是：电池单元变换电路采用互补推挽正激电路，所用隔离变压器带中心抽头。

4.根据权利要求1所述的电压均衡器，其特征是：电池单元变换电路采用半桥变换电路。

5.根据权利要求1所述的电压均衡器，其特征是：电池单元变换电路采用全桥变换电路。

6.一种串联电池组电压均衡器，其电路组成是：每个电池的正负极之间均连接有一个电池单元变换电路，每个电池单元变换电路均由相同的高频开关电路、初级线圈或次级线圈带抽头的隔离变压器和接触器所组成，隔离变压器抽头的位置由逻辑控制电路和接触器根据需要来调节，以改变隔离变压器初级线圈或次级线圈的圈数；所有隔离变压器的次级线圈依据相同同名端连接在一起的原则全部并联在一起，该并联的次级线圈上除接触器外不再连接有其它任何元件；电池组中每个电池的电压经过各自的电池单元变换电路变换后，输出与所对应的单个电池的电压成所需比例的隔离输出电压，由于所有电池单元变换电路中的隔离变压器的次级线圈全部并联在一起，这样造成了电池组中的每个电池以电气隔离的方式全部并联在一起，实现了均衡的目的。