專利名稱：基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)及方法，屬于電池平衡技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，電池平衡技術(shù)主要有以下幾種模式1、被動平衡模式，如圖5所示，其屬于最簡易的實現(xiàn)方式，僅僅是消耗放電模式，僅適用于滿電平衡，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，借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(xiàn)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，因此不適用于較多數(shù)量的電池連接。3、飛渡電容模式，借助電容傳遞能量，利用電子或機械開關(guān)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，借助變壓器的雙向模式進行能量傳遞，可以同時進行電壓的采集；現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)需要一個多繞組的變壓器，需要電池數(shù)+1的繞組，每個繞組需要2個引出端子，當電池數(shù)量增加到一定數(shù)量后，該變壓器的加工工藝將會非常復雜、困難、耗費成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)及方法，能夠簡化電路結(jié)構(gòu)，減少能量消耗，節(jié)省成本。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，包括單片機、串聯(lián)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，平衡單元并聯(lián)連接在所對應的單電池的正、負兩極；還包括電壓采集電路和驅(qū)動電路，平衡單元通過電壓采集電路、驅(qū)動電路分別與單片機的電壓采集輸入接口、驅(qū)動信號輸出接口連接；平衡單元包括驅(qū)動變壓器Tl、反激功率變壓器T2和功率開關(guān)器件。前述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，驅(qū)動變壓器Tl的輸入端分別連接至驅(qū)動信號輸出接口和電池組負極，驅(qū)動變壓器Tl的輸出端分別連接至功率開關(guān)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(guān)器件連接，反激功率變壓器T2的正輸出端通過二極管分時隔離分別連接至電壓采集電路和電池組正極。前述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，平衡單元還包括并聯(lián)連接在反激功率變壓器T2的輸入端的保護吸收電路。前述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，驅(qū)動變壓器Tl的正輸入端與驅(qū)動電路之間設(shè)有驅(qū)動整形電路A，驅(qū)動變壓器Tl的正輸出端與功率開關(guān)器件之間設(shè)有驅(qū)動整形電路B。驅(qū)動變壓器Tl的正輸入端與驅(qū)動電路之間、驅(qū)動變壓器Tl的正輸出端與功率開關(guān)器件之間均可根據(jù)需要增加驅(qū)動整形電路。前述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，功率開關(guān)器件采用N溝道場效應晶體管Ql或者雙極性三極管。前述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，功率開關(guān)器件優(yōu)選采用性價比較高的N溝道場效應晶體管Q1，簡寫NM0SFET。前述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，單片機包括控制器，控制器上設(shè)有電壓排序單元，用于對采集的電池電壓進行排序；電池容量轉(zhuǎn)換單元，用于將電池電壓換算成電池容量；脈沖計算單元，用于計算電池容量對應的平衡所需的脈沖數(shù)；其中，電壓排序單元、電池容量轉(zhuǎn)換單元和脈沖計算單元順次連接,脈沖計算單元與驅(qū)動信號輸出接口連接。一種實現(xiàn)前述系統(tǒng)的基于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(qū)動變壓器Tl驅(qū)動每一個單電池的平衡單元，在功率開關(guān)器件開通后延遲一定時間進行后端電壓的采集并記錄；由于此時反激功率變壓器T2工作于正激階段，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(xiàn)電池電壓的采集；之后驅(qū)動電路關(guān)閉場功率開關(guān)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(jù)采集的電池電壓的不同，在時間段內(nèi)給予每一個電池不同的驅(qū)動信號脈沖個數(shù)，驅(qū)動脈沖數(shù)多的單元將向母線轉(zhuǎn)移更多的能量，從而達到電池的平衡。前述的基于獨立變壓器的電池平衡方法中，所述步驟S2具體包括S21，電壓排序單元對采集的電池電壓進行排序；S22,電池容量轉(zhuǎn)換單元將電池電壓換算成電池容量；S23，脈沖計算單元計算電池容量對應的平衡所需的脈沖數(shù)；S24，驅(qū)動信號輸出接口根據(jù)計算得出的平衡所需脈沖數(shù)來發(fā)送驅(qū)動信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、使得電池組內(nèi)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(jié)構(gòu)。2、功率開關(guān)器件獨立，因為在電池側(cè)無需控制邏輯，同時電池側(cè)的不同電路單元之間也完全沒有相互的連接，所以便于組建任意電流規(guī)模的平衡電路。3、驅(qū)動部分使用變壓器驅(qū)動，電池側(cè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動使用磁隔離，這樣可以保證當系統(tǒng)停止工作后，即單片機控制器沒有控制需求的時候，系統(tǒng)處于僅僅只有功率開關(guān)器件和電容的漏電流的消耗水平，該消耗低于ua等級。4、將電壓采集電路和功率轉(zhuǎn)移電路合并，電壓采樣環(huán)節(jié)處于反激功率變壓器T2的次級端，檢測的是經(jīng)過變壓器后的正激時段的感應電壓，反激功率變壓器T2同時完成了采樣電壓的隔離，相比于常見的通過分壓電阻差分電壓采樣和專用高壓電池采樣芯片，電路更簡單，成本也更低。


圖1是本發(fā)明的一種實施例中電池平衡單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的一種實施例的電池平衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的一種實施例的電壓采集階段的脈沖圖；圖4是本發(fā)明的一種實施例的電池均衡階段的脈沖圖；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(fā)明的一種實施例中電壓采集電路的示意圖。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)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于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，如圖2所示，包括單片機、串聯(lián)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，平衡單元并聯(lián)連接在所對應的單電池的正、負兩極；還包括電壓采集電路和驅(qū)動電路 ，平衡單元通過電壓采集電路、驅(qū)動電路分別與單片機的電壓采集輸入接口、驅(qū)動信號輸出接口連接。電壓采集電路如圖8所示。如圖1所示，平衡單元包括驅(qū)動變壓器Tl、反激功率變壓器T2和功率開關(guān)器件；驅(qū)動變壓器Tl的輸入端分別連接至驅(qū)動信號輸出接口和電池組負極，驅(qū)動變壓器Tl的輸出端分別連接至功率開關(guān)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(guān)器件連接，反激功率變壓器T2的正輸出端通過二極管分時隔離分別連接至電壓采集電路和電池組正極；平衡單元還包括并聯(lián)連接在反激功率變壓器T2的輸入端的保護吸收電路；驅(qū)動變壓器Tl的正輸入端與驅(qū)動電路之間設(shè)有驅(qū)動整形電路A，驅(qū)動變壓器Tl的正輸出端與功率開關(guān)器件之間設(shè)有驅(qū)動整形電路B ;功率開關(guān)器件采用N溝道場效應晶體管Ql。單片機包括控制器，控制器上設(shè)有電壓排序單元，用于對采集的電池電壓進行排序；電池容量轉(zhuǎn)換單元，用于將電池電壓換算成電池容量；脈沖計算單元，用于計算電池容量對應的平衡所需的脈沖數(shù)。其中，電壓排序單元、電池容量轉(zhuǎn)換單元和脈沖計算單元順次連接，脈沖計算單元與驅(qū)動信號輸出接口連接。一種基于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(qū)動變壓器Tl驅(qū)動每一個單電池的平衡單元，在功率開關(guān)器件開通后延遲一定時間進行后端電壓的采集并記錄；由于此時反激功率變壓器T2工作于正激階段，輸出電壓近似正比電池電壓，從而獲取到各個電池的電壓；之后驅(qū)動電路關(guān)閉場效應晶體管Q1，功率變壓器里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(jù)采集的電池電壓的不同，在時間段內(nèi)給予每一個電池不同的驅(qū)動信號脈沖個數(shù)，驅(qū)動脈沖數(shù)多的單元將向母線轉(zhuǎn)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(qū)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，電壓排序單元對采集的電池電壓進行排序；S22,電池容量轉(zhuǎn)換單元將電池電壓換算成電池容量；S23，脈沖計算單元計算電池容量對應的平衡所需的脈沖數(shù)；S24，驅(qū)動信號輸出接口根據(jù)計算得出的平衡所需脈沖數(shù)來發(fā)送驅(qū)動信號。工作原理當驅(qū)動電路發(fā)出驅(qū)動信號時，場效應晶體管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)，該信號通過二極管D2傳輸?shù)诫妷翰杉娐?，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采集的電池電壓進行排序，電池容量轉(zhuǎn)換單元將電池電壓換算成電池容量，脈沖計算單元計算電池容量對應的平衡所需的脈沖數(shù)，驅(qū)動信號輸出接口根據(jù)計算得出的平衡所需脈沖數(shù)來發(fā)送驅(qū)動信號；在場效應晶體管Ql關(guān)閉時，反激功率變壓器T2將產(chǎn)生一個續(xù)流的需要，此時初級因為被場效應晶體管Ql截止，反激功率變壓器T2儲存的能量將通過二極管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(qū)動脈沖數(shù)量，可以讓不同的單電池向電池組轉(zhuǎn)移不同的電量，從而利用同一套平衡單元電路實現(xiàn)了電壓采樣和能量轉(zhuǎn)移的工作。
權(quán)利要求
1.一種基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于包括單片機、串聯(lián)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，平衡單元并聯(lián)連接在所對應的單電池的正、負兩極；還包括電壓采集電路和驅(qū)動電路，平衡單元通過電壓采集電路、驅(qū)動電路分別與單片機的電壓采集輸入接口、驅(qū)動信號輸出接口連接；平衡單元包括驅(qū)動變壓器Tl、反激功率變壓器T2和功率開關(guān)器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于驅(qū)動變壓器Tl的輸入端分別連接至驅(qū)動信號輸出接口和電池組負極，驅(qū)動變壓器Tl的輸出端分別連接至功率開關(guān)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(guān)器件連接，反激功率變壓器T2的正輸出端通過二極管分時隔離分別連接至電壓采集電路和電池組正極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于平衡單元還包括并聯(lián)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(jù)權(quán)利要求3所述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于驅(qū)動變壓器Tl的正輸入端與驅(qū)動電路之間設(shè)有驅(qū)動整形電路A，驅(qū)動變壓器Tl的正輸出端與功率開關(guān)器件之間設(shè)有驅(qū)動整形電路B。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于功率開關(guān)器件采用N溝道場效應晶體管Ql或者雙極性三極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于功率開關(guān)器件優(yōu)選采用N溝道場效應晶體管Ql。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于，單片機包括控制器，控制器上設(shè)有 電壓排序單元，用于對采集的電池電壓進行排序； 電池容量轉(zhuǎn)換單元，用于將電池電壓換算成電池容量； 脈沖計算單元，用于計算電池容量對應的平衡所需的脈沖數(shù)； 其中，電壓排序單元、電池容量轉(zhuǎn)換單元和脈沖計算單元順次連接，脈沖計算單元與驅(qū)動信號輸出接口連接。
8.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1 7所述系統(tǒng)的基于獨立變壓器的電池平衡方法，其特征在于，包括以下步驟 SI，單片機控制器依次通過驅(qū)動變壓器Tl驅(qū)動每一個單電池的平衡單元，在功率開關(guān)器件開通后延遲一定時間進行后端電壓的采集并記錄； S2，單片機控制器根據(jù)采集的電池電壓的不同，給予每一個電池不同的驅(qū)動信號脈沖個數(shù)，從而達到電池的平衡。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于獨立變壓器的電池平衡方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括 S21，電壓排序單元對采集的電池電壓進行排序； S22，電池容量轉(zhuǎn)換單元將電池電壓換算成電池容量； S23，脈沖計算單元計算電池容量對應的平衡所需的脈沖數(shù)； S24，驅(qū)動信號輸出接口根據(jù)計算得出的平衡所需脈沖數(shù)來發(fā)送驅(qū)動信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于獨立變壓器的電池平衡系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括單片機、串聯(lián)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，平衡單元并聯(lián)連接在所對應的單電池的正、負兩極；還包括電壓采集電路和驅(qū)動電路，平衡單元通過電壓采集電路、驅(qū)動電路分別與單片機的電壓采集輸入接口、驅(qū)動信號輸出接口連接；平衡單元包括驅(qū)動變壓器T1、反激功率變壓器T2和功率開關(guān)器件。本發(fā)明能夠簡化電路結(jié)構(gòu)，減少能量消耗，節(jié)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(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者王書軍 申請人:天津新智電源有限公司