本發(fā)明涉及電池均衡技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電池組均衡裝置的控制方法。

背景技術(shù)：

在電動車和混合動力汽車上，為了給系統(tǒng)提供足夠的電壓和電力，均使用多個電池單元串聯(lián)而成的電池組來作為能量源。對于電池組而言，保持各電池單元之間的電壓平衡至關(guān)重要，當(dāng)電池組中某個或多個電池單元的充電電壓遠(yuǎn)高于預(yù)設(shè)值時，是很危險的。

有幾個因素會導(dǎo)致各電池單元之間的不均衡，這里所說的不均衡包括電池單元制造過程的不均衡、電池單元充電/放電的不均衡。這些因素有：各電池單元的阻抗不同、化學(xué)反應(yīng)速率不同、自放電率不同、工作溫度變化等。并且這些不均衡，隨著電池充電/放電次數(shù)的增加會越來越明顯，這對電池的壽命影響很大。充電均衡能提高電池組的均衡性，因此，如何使串聯(lián)的各電池單元充電狀況達(dá)到平衡是非常有必要的。

現(xiàn)有技術(shù)中，最常見的做法是使用直流/直流轉(zhuǎn)換器，通過控制直流/直流轉(zhuǎn)換器，能量可以從高電壓電池流向低電壓電池，從而實現(xiàn)各電池單元的均衡。但這些電路都存在如下特點(diǎn)：能量只能在相鄰的電池間轉(zhuǎn)移。對于這種平衡電路，當(dāng)構(gòu)成電池組的電池單元較多時，能量在電池單元之間的轉(zhuǎn)移次數(shù)很多，在每次能量轉(zhuǎn)移期間，都會發(fā)生能量損失和傳輸時間的消耗，因此平衡效率很低；另外，由于對于每個電池而言都需要配置一個直流/直流轉(zhuǎn)換器，故平衡電路的硬件和控制較為復(fù)雜、成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種電池組均衡裝置的控制方法，能夠有效實現(xiàn)電池組充、放電時各電池單元間的均衡。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種電池組均衡裝置的控制方法，電池組由電池單元串聯(lián)而成，包括控制單元和為控制單元供電的供電單元，每個電池單元對應(yīng)設(shè)置一個控制單元；所述的控制單元包括單片機(jī)、變壓器，變壓器的原邊繞組與電源相連，變壓器有兩個副邊繞組，第一副邊繞組與電池單元相連，第二副邊繞組用于采集電壓信息并輸出至單片機(jī)，單片機(jī)還采集原邊繞組的電流信息；所述的原邊繞組與電源之間、第一副邊繞組與電池單元之間均設(shè)置有開關(guān)，開關(guān)由場效應(yīng)管制成，單片機(jī)根據(jù)采集到的電壓、電流信息按如下步驟控制場效應(yīng)管的通斷：(A)單片機(jī)根據(jù)電池單元的充電狀態(tài)控制場效應(yīng)管M_N、S_N的通斷實現(xiàn)對每個電池單元的獨(dú)立充電；(B)單片機(jī)根據(jù)電池單元的電壓值控制最高電壓電池單元和最低電壓電池單元所對應(yīng)的場效應(yīng)管M_N、S_N的通斷實現(xiàn)電壓均衡。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存在以下技術(shù)效果：通過單片機(jī)對場效應(yīng)管的通斷進(jìn)行控制，防止電池組充電過程中，過電流流入電池，同時還能在放電過程中平衡各電池單元，避免各電池單元間發(fā)生不均衡現(xiàn)象。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電路原理圖；

圖2是圖1中控制單元的電路圖；

圖3是本發(fā)明的流程示意圖；

圖4是充電過程中，本發(fā)明的等效電路圖；

圖5是充電過程中，本發(fā)明電池單元不平衡時能量流動示意圖；

圖6是放電過程中，本發(fā)明的等效電路圖；

圖7是放電過程中，本發(fā)明電池單元不平衡時能量流動示意圖；

具體實施方式

下面結(jié)合圖1至圖7，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)敘述。

參閱圖1，一種電池組均衡裝置，電池組由電池單元10串聯(lián)而成，包括控制單元20和為控制單元20供電的供電單元30，每個電池單元10對應(yīng)設(shè)置一個控制單元20；所述的控制單元20包括單片機(jī)21、變壓器22，變壓器22的原邊繞組221與電源40相連，變壓器22有兩個副邊繞組，第一副邊繞組222與電池單元10相連，第二副邊繞組223用于采集電壓信息并輸出至單片機(jī)21，單片機(jī)21還采集原邊繞組221的電流信息；所述的原邊繞組221與電源40之間、第一副邊繞組222與電池單元10之間均設(shè)置有開關(guān)，開關(guān)由場效應(yīng)管制成，單片機(jī)21根據(jù)采集到的電壓、電流信息控制開關(guān)的通斷。如果電源40使用的是市電，則需要對交流電進(jìn)行整流，圖1中示出了整流單元，但這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是常規(guī)設(shè)置，這里就不再詳細(xì)敘述。通過控制單元20對開關(guān)通斷的控制，功率因素校正、理想的均衡、電池充電可以通過使用相同的電路同時完成，該裝置將充電、均衡、功率因素校正一體化，提高了效率、降低成本，縮小了系統(tǒng)尺寸。另外，控制單元20模塊化設(shè)計，根據(jù)電池單元10的數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，方便電路調(diào)試以及系統(tǒng)的維護(hù)，易于更換。

參閱圖2，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，控制單元20具體的結(jié)構(gòu)如下：所述的單片機(jī)21為8位單片機(jī)，第二副邊繞組223的兩端分別與單片機(jī)21的引腳VD+、VD-相連；所述的開關(guān)為場效應(yīng)管，電源40的正負(fù)極間連接有電容C_N，電容C_N與原邊繞組221構(gòu)成一個諧振電路，每個變壓器的磁通量由諧振復(fù)位且平均磁化約為零。原邊繞組221的一端與電源40正極相連，另一端通過電阻r與場效應(yīng)管M_N的漏極相連，場效應(yīng)管M_N的源極與電源的負(fù)極相連，電阻r與場效應(yīng)管M_N的漏極時間引出一條支路與單片機(jī)21的CS引腳相連，單片機(jī)21的引腳SG1與場效應(yīng)管M_N的柵極相連用于控制場效應(yīng)管M_N的通斷；第一副邊繞組222的一端連接電池單元10的正極，另一端與場效應(yīng)管S_N的漏極相連，場效應(yīng)管S_N的源極連接電池單元10的負(fù)極，單片機(jī)21的引腳SG2通過光耦隔離器、MOSFET驅(qū)動器與場效應(yīng)管S_N的柵極相連用于控制場效應(yīng)管S_N的通斷，光耦隔離器也即圖2中的OPT ISO，MOSFET驅(qū)動器即圖2中的Drive。采用場效應(yīng)管M_N、S_N作為開關(guān)，方便控制且能耗小。之所以在單片機(jī)21和場效應(yīng)管S_N間設(shè)置光耦隔離器是避免信號干擾。

優(yōu)選地，所述的供電單元30輸出12V電壓至單片機(jī)21，供電單元30還輸出4V電壓至串聯(lián)的各電池單元中的首個電池單元10所對應(yīng)的MOSFET驅(qū)動器，串聯(lián)的各電池單元中的其他電池單元10所對應(yīng)的MOSFET驅(qū)動器的正極、負(fù)極分別與前一個電池單元10的正極、該電池單元10的負(fù)極相連。參閱圖1，這里關(guān)于MOSFET驅(qū)動器的連接方式也可以理解為：第一個電池單元B₁所對應(yīng)的MODULE 1中的Driver的引腳B_P、B-與供電單元30的4V電壓輸出端相連；第二個電池單元B₂所對應(yīng)的MODULE 2中的Driver的引腳B_P與第一個電池單元B₁的正極相連，其引腳B-與第二個電池單元B₂的負(fù)極相連；依此類推，第N個電池單元B_N所對應(yīng)的MODULE N中的Driver的引腳B_P與第(N-1)個電池單元B_N-1的正極相連，其引腳B-與第N個電池單元B_N的負(fù)極相連。當(dāng)本裝置應(yīng)用在電動汽車上的時候，供電單元可以為車載蓄電池，對于其他情況，可額外增加一個12V蓄電池以及一個小功率的充電器即可。

優(yōu)選地，所述控制單元原邊繞組221的線匝數(shù)量與第一副邊繞組222的線匝數(shù)量比值均為N。這樣可以保證場效應(yīng)管M_N、S_N打開和關(guān)閉時，每個繞組的電壓是相同的。

優(yōu)選地，各單片機(jī)21的引腳COMM1相連用于實現(xiàn)單片機(jī)21間的通信。通過通信端口，每個控制單元20可以與他人分享自己的狀態(tài)，并且能夠及時了解其他電池的情形，當(dāng)一個或幾個電池單元10不能工作或過熱時，所有模塊可以找到它或它們的模塊數(shù)量，因而進(jìn)一步能夠快速找到壞的電池單元10，有利于故障的排除。

參閱圖3，一種如前所述的電池組均衡裝置的控制方法，包括如下步驟：(A)單片機(jī)21根據(jù)電池單元10的充電狀態(tài)控制場效應(yīng)管M_N、S_N的通斷實現(xiàn)對每個電池單元10的獨(dú)立充電；(B)單片機(jī)21根據(jù)電池單元10的電壓值控制最高電壓電池單元10和最低電壓電池單元10所對應(yīng)的場效應(yīng)管M_N、S_N的通斷實現(xiàn)電壓均衡。

具體地，所述的步驟A包括如下步驟：(A1)各控制單元20與電源40相連，開始充電；(A2)單片機(jī)21判斷其所控制的電池單元10是否已經(jīng)完全充電，若是，該單片機(jī)21關(guān)閉相應(yīng)的場效應(yīng)管M_N、S_N，否則，該單片機(jī)21打開相應(yīng)的場效應(yīng)管M_N，關(guān)閉相應(yīng)的場效應(yīng)管S_N；(A3)當(dāng)通過原邊繞組221的電流i_MN達(dá)到預(yù)設(shè)的峰值時，該單片機(jī)21關(guān)閉相應(yīng)的場效應(yīng)管M_N，經(jīng)過設(shè)定的時間t后打開相應(yīng)的場效應(yīng)管S_N；(A4)當(dāng)通過原邊繞組221的電流i_MN逐漸降低到零時，該單片機(jī)21關(guān)閉相應(yīng)的場效應(yīng)管S_N，經(jīng)過設(shè)定的時間t后重復(fù)步驟B；(A5)如果步驟B中所有的電池單元10都已經(jīng)完全充電，則充電過程結(jié)束。

具體地，所述的步驟B包括如下步驟：(B1)單片機(jī)21采集電池單元10的電壓值；(B2)電壓最高的電池單元10所對應(yīng)的單片機(jī)21打開相應(yīng)的場效應(yīng)管S_N，然后將其關(guān)閉；(B3)電壓最高、最低的電池單元10所對應(yīng)的單片機(jī)21分別打開相應(yīng)的場效應(yīng)管M_N，然后關(guān)閉它們；(B4)電壓最低的電池單元10所對應(yīng)的單片機(jī)21打開相應(yīng)的場效應(yīng)管S_N，然后將其關(guān)閉；(B5)重復(fù)步驟B2～B4，直到各電池單元10的電壓均衡。

下面結(jié)合附圖4-圖7對以上步驟進(jìn)行詳細(xì)的描述：

參閱圖4，當(dāng)開始為電池充電時，每個控制單元20分別對其控制的電池單元10進(jìn)行判定，看該電池單元10是否已經(jīng)完全充電，假設(shè)圖4中的電池單元B₁已經(jīng)充滿電，電池單元B₂未充滿電，則場效應(yīng)管M₁、S₁、S₂均關(guān)閉，場效應(yīng)管M₂打開，這樣通過第二個變壓器T₂的原邊繞組的電流i_M2將線性增加，并在原邊繞組上存儲能量；當(dāng)i_M2達(dá)到預(yù)設(shè)的峰值時，場效應(yīng)管M₂將關(guān)閉，經(jīng)過時間t后打開場效應(yīng)管S₂，這樣存儲在變壓器T₂原邊繞組的能量被轉(zhuǎn)移到第一副邊繞組并轉(zhuǎn)移到電池單元B₂中，為電池單元B₂充電；隨著充電的進(jìn)行，電流i_M2逐漸減小，當(dāng)電流i_M2降低為0時，關(guān)閉場效應(yīng)管S₂。重復(fù)上述步驟直到所有的電池單元10都完全充滿電后結(jié)束充電。

參閱圖5，在充電時，如果發(fā)生了不均衡現(xiàn)象，比如電池單元B₁的電壓高于其他電池單元時，與電池單元B₁并聯(lián)的第一副邊繞組將有一個較高的電壓，且高于其他電池單元所對應(yīng)的第一副邊繞組，意味著更多的能量存儲在其中。能量轉(zhuǎn)回到變壓器T₁的原邊繞組上并與電源能量一起，為其他待充電的電池單元所對應(yīng)的原邊繞組上。需要指出的是，圖5中示出的不是與電源一起，而是與AC/DC變換器的能量一起，是由于實施例中電源一般使用的是交流電，必須進(jìn)行整流變成直流電。上述均衡過程是連續(xù)進(jìn)行的，使得電池單元B₁的能量轉(zhuǎn)移到其他的電池單元上，達(dá)到了均衡的目的。

參閱圖6、圖7顯示的是放電情況下的示意圖。在放電期間，各單片機(jī)21不斷采集各電池單元10的電壓，當(dāng)發(fā)生不均衡時，假設(shè)如圖7中所示的那樣，電池單元B₁的電壓最高，電池單元B₃的電壓最低，那么MODULE 1中的單片機(jī)21會在0.1s內(nèi)發(fā)送信號打開S₁，接下來關(guān)閉S₁，并在0.1s內(nèi)打開M₁和M₃，然后關(guān)閉它們；再在0.1s內(nèi)打開S₃，然后關(guān)閉。這樣就能實現(xiàn)電池單元B₁中能量向電池單元B₃中轉(zhuǎn)移，重復(fù)上述步驟，直到有另外一對最高、最低電壓的電池單元10出現(xiàn)，對新的最高、最低電壓的電池單元10重復(fù)上述步驟。經(jīng)過多次轉(zhuǎn)移之后，所有的電池單元10能量都達(dá)到均衡。