本發(fā)明涉及電池均衡技術領域，尤其涉及一種均衡電路及控制方法。

背景技術：

隨著新能源技術的飛速發(fā)展，電池作為重要的儲能單元得到了廣泛的應用。由于目前電池技術限制，電池單體電壓較低，為了增加儲能容量及輸出功率，在大容量大功率應用中，通常將電池進行并聯(lián)和串聯(lián)組合成為電池包。然而，由于制造工藝、初始容量、環(huán)境溫度等方面的差異，電池之間的參數特性并不完全一致。在串聯(lián)使用的過程中，這些不一致性會逐漸積累，造成不同串聯(lián)單元的電池電壓不均衡，在實際應用中造成某些電池單元過充電和過放電等現(xiàn)象，影響電池的使用特性和壽命，甚至直接造成電池組的損壞。

針對上述情況下的電池電壓不均衡問題，已有的解決方法分為兩大類：一類的基本原理是使用被動電阻元件消耗電壓較高單元上的多余能量來實現(xiàn)均衡，另一類則是在不同串聯(lián)電池單元之間進行能量轉移來實現(xiàn)均衡。

電阻耗能的方法存在的缺點是：僅在充電過程結束前能夠起作用，且存在能量浪費的缺陷。

主動均衡技術中，參數相同的電池模組的變壓器集成在一個磁環(huán)上，當電池數量增加時，生產困難；此外還存在電路控制復雜，生產成本高的不足。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種均衡電路及控制方法，以改善上述問題。

第一方面，本發(fā)明較佳實施例提供一種均衡電路，所述均衡電路包括電池單元、變換器單元以及變壓器單元，所述變壓器單元分別與所述電池單元以及所述變換器單元耦合。所述電池單元包括多個依次串聯(lián)的電池子單元，所述變壓器單元包括多個依次串聯(lián)的變壓器子單元，且所述變壓器子單元與所述電池子單元一一對應，所述變壓器子單元與對應的所述電池子單元耦合。其中，多個所述變壓器子單元均包括變壓器，多個所述變壓器的一次側繞組依次串聯(lián)連接構成所述變換器單元的電感。每個所述電池子單元均包括限流電阻，每個所述限流電阻的阻值均相同。

在本發(fā)明較佳實施例中，上述變換器單元為全橋變換器單元，所述變換器單元還包括第一高頻開關管、第二高頻開關管、第三高頻開關管以及第四高頻開關管，所述第一高頻開關管、第二高頻開關管、第三高頻開關管以及第四高頻開關管構成全橋式電路，所述第一高頻開關管與所述第二高頻開關管串聯(lián)連接，所述第三高頻開關管與所述第四高頻開關管串聯(lián)連接，串聯(lián)的所述第一高頻開關管以及第二高頻開關管與串聯(lián)的所述第三高頻開關管以及第四高頻開關管并聯(lián)連接，所述電感的一端耦合于所述第一高頻開關管以及第二高頻開關管形成的橋臂之間，所述電感的另一端耦合于所述第三高頻開關管以及第四高頻開關管形成的橋臂之間。

在本發(fā)明的較佳實施例中，上述變換器單元為半橋變換器單元，所述變換器單元還包括第五高頻開關管、第六高頻開關管、第一電容以及第二電容，所述第五高頻開關管以及第六高頻開關管串聯(lián)連接，所述第一電容以及第二電容串聯(lián)連接，串聯(lián)連接的第五高頻開關管以及第六高頻開關管與串聯(lián)連接的第一電容以及第二電容并聯(lián)連接。

在本發(fā)明的較佳實施例中，每個所述變壓器的線圈匝數相同。

在本發(fā)明的較佳實施例中，每個所述電池子單元還包括電池、整流濾波器，所述整流濾波器包括整流管，所述電池子單元對應的所述變壓器子單元的變壓器的二次側繞組與整流濾波器耦合后，一端與所述限流電阻的一端串聯(lián)，另一端與所述電池的負極耦合，所述電池的正極與所述限流電阻的另一端耦合，每個所述電池子單元的所述電池的正負極依次耦合。

在本發(fā)明的較佳實施例中，上述整流管為快恢復二極管、MOSFET或IGBT器件。

在本發(fā)明的較佳實施例中，上述整流濾波器為全橋整流濾波器，所述整流濾波器包括第一整流管、第二整流管、第三整流管以及第四整流管，所述第一整流管與第二整流管串聯(lián)連接，所述第三整流管與所述第四整流管串聯(lián)連接，串聯(lián)連接的第一整流管以及第二整流管與串聯(lián)連接的所述第三整流管以及第四整流管并聯(lián)連接，所述電池子單元對應的所述變壓器子單元的二次側繞組的一端耦合于所述第一整流管以及第二整流管形成的橋臂之間，另一端耦合于所述第三整流管以及第四整流管形成的橋臂之間。

在本發(fā)明的較佳實施例中，上述整流濾波器為半波整流濾波器，所述半波整流濾波器包括第五整流管，所述第五整流管與所述變壓器的二次側繞組耦合，所述第五整流管的的另一端與所述限流電阻耦合。

在本發(fā)明的較佳實施例中，上述整流濾波器為全波整流濾波器，所述全波整流濾波器包括第六整流管以及第七整流管，所述第六整流管與所述第七整流管并聯(lián)連接后，正極與所述變壓器的二次側繞組耦合，負極與所述限流電阻的一端耦合。

第二方面，本發(fā)明較佳實施例提供一種均衡電路的控制方法，應用于上述均衡電路，所述方法包括：控制每個所述電池單元對應的所述變壓器的輸出電壓。

本發(fā)明實施例的有益效果是：

本發(fā)明實施例提供的均衡電路及控制方法，每個電池單元均對應設置有變壓器，所述變壓器依次串聯(lián)連接起來，且由于變壓器的結構與繞組線圈匝數相同，每個變壓器輸出的電壓均相同。在應用中，無論電池包中需要串聯(lián)的電池的數量為多少，直接串聯(lián)與之數量相同的變壓器即可。變壓器制作簡單，且成本低廉。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發(fā)明較佳實施例提供的均衡電路的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明較佳實施例提供的均衡電路的一種電路結構示意圖；

圖3為本發(fā)明較佳實施例提供的均衡電路的整流濾波器的一種電路結構示意圖；

圖4為本發(fā)明較佳實施例提供的均衡電路的整流濾波器的另一種電路結構示意圖；

圖5為本發(fā)明較佳實施例提供的均衡電路的另一種電路結構示意圖；

圖6為本發(fā)明較佳實施例提供的均衡電路的控制信號的波形圖。

圖標：100-均衡電路；200-電池單元；210-電池子單元；300-變壓器單元；310-變壓器子單元；400-變換器單元。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

術語“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“耦合”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是耦合；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明實施例而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。

隨著社會的發(fā)展以及汽車的普及，給我們的生活出行帶來了極大的方便。在帶來方便的同時，也帶來了許多負面效應，環(huán)保和能源就是其中最重要的兩個方面。為了減少汽車污染，以及能源消耗。噪音小、排放少的電動汽車應運而生。

電動汽車是至少使用一種動力源作為車載電源，全部或部分由電機驅動的汽車，包括使用高能量動力蓄電池作為主要動力源的純電動汽車、采用內燃機和高功率動力蓄電池共同驅動的混合動力電動汽車和以氫氣為車載燃料的燃料電池汽車三種類型。在電動汽車的研究中，電池組作為電動汽車的心臟，是研究的重點。

由于電池單體電壓較低，為了增加電池儲能容量及輸出功率，在大容量大功率的應用中，通常需要將電池進行并聯(lián)和串聯(lián)組合。但是在實際操作中，由于制造工藝、初始容量以及環(huán)境溫度等方面的差異，電池之間的參數特性并不完全一致。在串聯(lián)使用的過程中，這些不一致性會逐漸累積，造成不同串聯(lián)單元的電池電壓的不均衡，在實際應用中，造成某些電池單元過充電和過放電等現(xiàn)象，影響電池的使用特性和壽命，甚至直接造成電池組的損壞。

目前，針對以上現(xiàn)象，已經有一些解決方法，主要分為兩大類，一類是電阻耗能方法，電阻耗能方法的基本原理是使用被動電阻元件消耗電壓較高單元上的多余能量拉力實現(xiàn)均衡，這種方法的實現(xiàn)可靠簡單，實際應用中也多采用這種方法。但是，由于電阻損耗，增加均衡電流會引起大量發(fā)熱，使得均衡系統(tǒng)散熱體積大大增加，并且?guī)砟芰坷速M；此外電阻耗能的的方法，僅僅在充電過程結束前作用，無法解決由于不均衡引起的部分電池過放，當電池單體的容量發(fā)生差異后，不能夠完全利用所有電池單元的儲能。

另一種基于主動式能量轉移遠離的均衡電路就成為研究熱點，現(xiàn)有的主動均衡技術中，變壓器與電池電芯部分構成直流變換器，由整個電池包分別向各個串聯(lián)的電池充電，以達到均衡的目的，從理論上來講，基于主動能量轉移的均衡方式可以充分利用所有電池單元的能量，并且沒有損耗。但是由于實際應用中通常的串聯(lián)電池數量很多，如電動汽車動力電池組由接近上百個電池單元串聯(lián)組成，造成此類均衡系統(tǒng)結構復雜，成本高，控制量過多，可靠性降低，并且能量轉移效率低，實際應用價值相比電阻耗能均衡方式而言并無顯著提升。此外，有些參數相同的電池單體對應的變壓器集成在一個磁環(huán)上，當電池數量增加時，生產困難。

有鑒于此，發(fā)明人經過長期的研究與不斷地探索，提出本發(fā)明實施例提供的均衡電路及控制方法。

第一實施例

請參見圖1，為本發(fā)明較佳實施例提供的均衡電路100的結構示意圖，均衡電路100包括電池單元200、變壓器單元300以及變換器單元400，變壓器單元300分別與電池單元200以及變換器單元400耦合。

現(xiàn)有的主動均衡技術中，多個變壓器集中在一個磁環(huán)上，當電池包中串聯(lián)的電池單體的數量增加時，就很難對增加的電池單體實現(xiàn)均衡，為了解決這個問題，發(fā)明人提出本發(fā)明實施例中的均衡電路100。

具體地，變壓器單元300包括N個依次串聯(lián)的變壓器子單元310，N≥2，電池單元200包括N個依次串聯(lián)的電池子單元210，N≥2。變壓器子單元310與電池子單元210一一對應。

多個變壓器子單元310均包括變壓器，分別為變壓器T1、變壓器T2、……、以及變壓器Tn。每個變壓器的結構與繞組線圈均相同，因此，變壓器的原邊分壓相同。變壓器包括一次側繞組以及二次側繞組，變壓器的T1的一次側繞組N11的異名端與變壓器T2的一次側繞組N12的同名端連接，變壓器T2的一次側繞組N12的異名端與變壓器T3的一次側繞組N13連接，……，變壓器T_n-1的一次側繞組N1(n-1)的異名端與變壓器Tn的依次側繞組N1n的同名端連接。依次串聯(lián)連接的變壓器的一次側繞組構成了變換器單元400中的電感L。變壓器T1的二次側第一子繞組N21的異名端與變壓器T1的二次側第二子繞組N31的同名端連接；變壓器T2的二次側第一子繞組N22的異名端與變壓器T2的二次側第二子繞組N33的同名端連接；……；變壓器Tn的二次側第一子繞組N2n的異名端與變壓器Tn的二次側第二子繞組N3n的同名端連接。

電池子單元210包括電池、限流電阻以及整流濾波器，作為一種實施方式，請參見圖2，為本發(fā)明較佳實施例提供的均衡電路100的電路結構示意圖，電池單元200包括N個電池子單元210，N個電池子單元210依次串聯(lián)連接。其中，第一個電池子單元210包括電池B1、限流電阻R1以及整流濾波器F1，電池B1的正極與限流電阻R1的一端耦合，限流電阻R1的另一端與整流濾波器F1耦合，整流濾波器F1的另一端與變壓器單元300中的變壓器T1的二次側繞組耦合；第二個電池子單元210包括電池B2、限流電阻R2以及整流濾波器F2，電池B2的正極與限流電阻R2的一端耦合，限流電阻R2的另一端與整流濾波器F2耦合，整流濾波器F2的另一端與變壓器單元300中的變壓器T2的二次側繞組耦合；第N個電池子單元210包括電池Bn、限流電阻Rn以及整流濾波器Fn，電池Bn的正極與限流電阻Rn的一端耦合，限流電阻Rn的另一端與整流濾波器Fn耦合，整流濾波器Fn的另一端與變壓器單元300中的變壓器Tn的二次側繞組耦合。

作為一種實施方式，請參見圖2，整流濾波器F1、整流濾波器F2、……、以及整流濾波器Fn均可以為全波整流濾波器，整流濾波器F1包括第六整流管D141以及第七整流管D142，第六整流管D141與第七整流管D142并聯(lián)連接，第六整流管D141的負極與變壓器T1的二次側第一子繞組的同名端連接，第七整流管D142的正極與變壓器T1的二次側第二子繞組N31的異名端連接，第六整流管D141的負極以及第七整流管D142的負極并聯(lián)后與限流電阻R1的一端連接。具體的，第六整流管D141以及第七整流管D142為快恢復二極管、金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)或絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。

作為另一種實施方式，請參見圖3，為本發(fā)明實施例提供的均衡電路100的整流濾波器的一種結構示意圖，整流濾波器F1、整流濾波器F2、……、以及整流濾波器Fn均可以為全橋整流濾波器，整流濾波器F1包括第一整流管D111、第二整流管D121、第三整流管D122以及第四整流管D112，所述第一整流管D111與第二整流管D121串聯(lián)連接，所述第三整流管D122與所述第四整流管D112串聯(lián)連接，串聯(lián)連接的第一整流管D111以及第二整流管D121與串聯(lián)連接的所述第三整流管D122以及第四整流管D112并聯(lián)連接，變壓器T1的二次側第一子繞組N21的同名端連接于第一整流管D111與第二整流管D121形成的橋臂之間，變壓器T1的二次側第二子繞組D131的異名端與電池B1的負極連接；……；整流濾波器Fn的結構與第一整流濾波器F1的結構類似，這里不再詳述。具體地，第一整流管D111、第二整流管D121、第三整流管D22以及第四整流管D112為快恢復二極管、MOSFET或IGBT器件。

作為第三種實施方式，請參見圖4，為本發(fā)明實施例提供的均衡電路100的整流濾波器的另一種結構示意圖，整流濾波器F1、整流濾波器F2、……、整流濾波器Fn還可以為半波整流濾波器。具體地，整流濾波器F1包括第五整流管D31，第五整流管D31的正極與變壓器T1的二次側繞組的同名端連接，負極與限流電阻R1的一端連接，限流電阻的另一端與電池B1的正極連接，電池B1的負極與變壓器T1的二次側繞組的異名端連接；……；整流濾波器Fn包括第五整流管D3n，第五整流管D3n的正極與變壓器Tn的二次側繞組的同名端連接，負極與限流電阻Rn的一端連接，限流電阻Rn的另一端與電池Bn的正極連接，電池Bn的負極與變壓器Tn的二次側繞組的異名端連接。具體的，第五整流管為快恢復二極管、MOSFET或IGBT器件。

變換器單元400與變壓器單元300耦合，作為一種實施方式，請參見圖2，為本發(fā)明實施例的均衡電路100的一種結構示意圖，變換器單元400可以為全橋變換器單元，包括電感L、第一高頻開關管Q1、第二高頻開關管Q2、第三高頻開關管Q3以及第四高頻開關管Q4，第一高頻開關管Q1、第二高頻開關管Q2、第三高頻開關管Q3以及第四高頻開關管Q4構成全橋式電路。具體地，第一高頻開關Q1與第二高頻開關管Q2串聯(lián)連接，第三高頻開關管Q3與所述第四高頻開關管Q4串連接，串聯(lián)的所述第一高頻開關管Q1以及第二高頻開關管Q2與串聯(lián)的所述第三高頻開關管Q3以及第四高頻開關管Q4并聯(lián)連接。第一高頻開關管Q1的源極與第二高頻開關管Q2的漏極連接，第一高頻開關管Q1的漏極與第三高頻開關管Q3的漏極并聯(lián)后，與電池B1的正極連接，第三高頻開關管Q3的源極與第四高頻開關管Q4的漏極連接，第二高頻開關管Q2的漏極以及第四高頻開光管Q4的源極接地。電感L中的變壓器T1的一次側繞組的同名端連接于第一高頻開關管Q1以及第二高頻開關Q2管形成的橋臂之間，變壓器Tn的一次側繞組的異名端與第三電容C3的一端連接，第三電容C3的另一端連接于第三高頻開關管Q3以及第四高頻開關管Q4形成的橋臂之間。

作為另一種實施方式，請參見圖5，為本發(fā)明實施例提供的均衡電路100的另一種結構示意圖。變換器單元400可以為半橋變換器單元，包括電感L、第五高頻開關管Q5、第六高頻開關管Q6、第一電容C1以及第二電容C2，第五高頻開關管Q5、第六高頻開關管Q6、第一電容C1以及第二電容C2構成全橋式電路。具體地，第五高頻開關Q5與第六高頻開關管Q6串聯(lián)連接，第一電容電容C1與第二電容C2串聯(lián)連接，串聯(lián)的所述第五高頻開關管Q5以及第六高頻開關管Q6與串聯(lián)的第一電容電容C1以及第二電容C2并聯(lián)連接。第五高頻開關管Q5的源極與第六高頻開關管Q6的漏極連接，第五高頻開關管Q5的漏極與第一電容C1的一端并聯(lián)后，與電池B1的正極連接，第一電容C1的另一端與第二電容C2的一端連接，第六高頻開關管Q6的漏極以及第二電容的另一端接地。電感L中的變壓器T1的一次側繞組的同名端連接于第五高頻開關管Q5以及第六高頻開關管Q6形成的橋臂之間，變壓器Tn的一次側繞組的異名端與第三電容C3的一端連接，第三電容C3的另一端連接于第一電容C1與第二電容C2形成的橋臂之間。

對于本發(fā)明實施例提供的均衡電路100，可以通過加載一組互補的控制信號Vg、Vg′，請參見圖6，在變換器單元400的高頻開關管上以控制均衡電路100，控制信號Vg、Vg′為占空比信號，有兩種加載狀態(tài)：增加控制信號Vg、Vg′占空比數值，均衡電流增加，即電池子單元210對應的變壓器的輸出電壓增加；減小控制信號Vg、Vg′占空比數值，均衡電流變小，即電池子單元210對應的變壓器的輸出電壓減小。通過改變控制信號Vg、Vg′占空比數值可以實現(xiàn)對于均衡電路100的控制，由于變壓器T1、T2、……、Tn的一次側繞組依次串聯(lián)連接，因此每個變壓器的輸出電壓相同，以相同的電壓給每個電池充電，限流電阻R1、R2、……、以及Rn的阻值相同，根據公式：I＝(U₀-U_i)/R，式中，I為電池子單元210中電池的充電電流，U_i為所述電池子單元210的電壓，U₀為電池子單元210對應的變壓器的輸出電壓，R為限流電阻的阻值，可知由于R、U₀相同，U_i不同，因此充電電流根據電池的不同而不同，以此實現(xiàn)了均衡。

綜上所述，本發(fā)明提供的均衡電路100及控制方法，包括多個依次串聯(lián)設置的電池子單元210以及對應設置的變壓器單元300，變壓器與電池一一對應，給對應的電池充電。由于變壓器的結構與繞組線圈匝數相同，每個變壓器輸出的電壓均相同。在應用中，無論電池包中需要串聯(lián)的電池的數量為多少，直接串聯(lián)與之數量相同的變壓器即可。變壓器制作簡單，且成本低廉。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。