專利名稱：基于獨(dú)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(dú)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(dòng)平衡模式，如圖5所示，其屬于最簡(jiǎn)易的實(shí)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(gè)電池的電量傳遞到相鄰的電池中，可以實(shí)現(xiàn)電池的雙向平衡，但是僅對(duì)相鄰電池之間的傳遞比較有效，相距較遠(yuǎn)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(jī)械開關(guān)將一個(gè)電容分時(shí)連接到不同的電池上，對(duì)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(jìn)行能量傳遞，可以同時(shí)進(jìn)行電壓的采集；現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)需要一個(gè)多繞組的變壓器，需要電池?cái)?shù)+1的繞組，每個(gè)繞組需要2個(gè)引出端子，當(dāng)電池?cái)?shù)量增加到一定數(shù)量后，該變壓器的加工工藝將會(huì)非常復(fù)雜、困難、耗費(fèi)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于獨(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)及方法，能夠簡(jiǎn)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(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，包括單片機(jī)、串聯(lián)電池組和平衡單元，單電池通過平衡單元與單片機(jī)連接；每個(gè)單電池分別對(duì)應(yīng)一個(gè)平衡單元，平衡單元并聯(lián)連接在所對(duì)應(yīng)的單電池的正、負(fù)兩極；還包括電壓采集電路和驅(qū)動(dòng)電路，平衡單元通過電壓采集電路、驅(qū)動(dòng)電路分別與單片機(jī)的電壓采集輸入接口、驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口連接；平衡單元包括驅(qū)動(dòng)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(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)變壓器Tl的輸入端分別連接至驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口和電池組負(fù)極，驅(qū)動(dòng)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(fù)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(fù)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(shí)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(dú)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(hù)吸收電路。前述的基于獨(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)變壓器Tl的正輸入端與驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)整形電路A，驅(qū)動(dòng)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(dòng)整形電路B。驅(qū)動(dòng)變壓器Tl的正輸入端與驅(qū)動(dòng)電路之間、驅(qū)動(dòng)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(dòng)整形電路。前述的基于獨(dú)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(chǎng)效應(yīng)晶體管Ql或者雙極性三極管。前述的基于獨(dú)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(jià)比較高的N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q1，簡(jiǎn)寫NM0SFET。前述的基于獨(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)中，單片機(jī)包括控制器，控制器上設(shè)有電壓排序單元，用于對(duì)采集的電池電壓進(jìn)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(jì)算單元，用于計(jì)算電池容量對(duì)應(yīng)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(jì)算單元順次連接,脈沖計(jì)算單元與驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口連接。一種實(shí)現(xiàn)前述系統(tǒng)的基于獨(dú)立變壓器的電池平衡方法，包括以下步驟SI，單片機(jī)控制器依次通過驅(qū)動(dòng)變壓器Tl驅(qū)動(dòng)每一個(gè)單電池的平衡單元，在功率開關(guān)器件開通后延遲一定時(shí)間進(jìn)行后端電壓的采集并記錄；由于此時(shí)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(gè)電池的電壓，實(shí)現(xiàn)電池電壓的采集；之后驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉場(chǎng)功率開關(guān)器件，反激功率變壓器T2中存儲(chǔ)的能量反激模式輸送到電池組母線。S2，單片機(jī)控制器根據(jù)采集的電池電壓的不同，在時(shí)間段內(nèi)給予每一個(gè)電池不同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)，驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)多的單元將向母線轉(zhuǎn)移更多的能量，從而達(dá)到電池的平衡。前述的基于獨(dú)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(duì)采集的電池電壓進(jìn)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(jì)算單元計(jì)算電池容量對(duì)應(yīng)的平衡所需的脈沖數(shù)；S24，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口根據(jù)計(jì)算得出的平衡所需脈沖數(shù)來發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、使得電池組內(nèi)部的每個(gè)電池各自使用獨(dú)立的變壓器，平衡電流僅從電池流向電池組，大幅度簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。2、功率開關(guān)器件獨(dú)立，因?yàn)樵陔姵貍?cè)無需控制邏輯，同時(shí)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(dòng)部分使用變壓器驅(qū)動(dòng)，電池側(cè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)使用磁隔離，這樣可以保證當(dāng)系統(tǒng)停止工作后，即單片機(jī)控制器沒有控制需求的時(shí)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(jí)。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(jí)端，檢測(cè)的是經(jīng)過變壓器后的正激時(shí)段的感應(yīng)電壓，反激功率變壓器T2同時(shí)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(jiǎn)單，成本也更低。


圖1是本發(fā)明的一種實(shí)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(shí)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(shí)施例的電壓采集階段的脈沖圖；圖4是本發(fā)明的一種實(shí)施例的電池均衡階段的脈沖圖；圖5是被動(dòng)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(shí)施例中電壓采集電路的示意圖。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施例方式一種基于獨(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，如圖2所示，包括單片機(jī)、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(jī)連接；每個(gè)單電池分別對(duì)應(yīng)一個(gè)平衡單元，平衡單元并聯(lián)連接在所對(duì)應(yīng)的單電池的正、負(fù)兩極；還包括電壓采集電路和驅(qū)動(dòng)電路 ，平衡單元通過電壓采集電路、驅(qū)動(dòng)電路分別與單片機(jī)的電壓采集輸入接口、驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)變壓器Tl、反激功率變壓器T2和功率開關(guān)器件；驅(qū)動(dòng)變壓器Tl的輸入端分別連接至驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口和電池組負(fù)極，驅(qū)動(dòng)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(fù)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(fù)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(shí)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(hù)吸收電路；驅(qū)動(dòng)變壓器Tl的正輸入端與驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)整形電路A，驅(qū)動(dòng)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(dòng)整形電路B ;功率開關(guān)器件采用N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ql。單片機(jī)包括控制器，控制器上設(shè)有電壓排序單元，用于對(duì)采集的電池電壓進(jìn)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(jì)算單元，用于計(jì)算電池容量對(duì)應(yīng)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(jì)算單元順次連接，脈沖計(jì)算單元與驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口連接。一種基于獨(dú)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(jī)控制器依次通過驅(qū)動(dòng)變壓器Tl驅(qū)動(dòng)每一個(gè)單電池的平衡單元，在功率開關(guān)器件開通后延遲一定時(shí)間進(jìn)行后端電壓的采集并記錄；由于此時(shí)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(gè)電池的電壓；之后驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q1，功率變壓器里面存儲(chǔ)的能量反激模式輸送到電池組母線。S2，單片機(jī)控制器根據(jù)采集的電池電壓的不同，在時(shí)間段內(nèi)給予每一個(gè)電池不同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)，驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)多的單元將向母線轉(zhuǎn)移更多的能量，從而達(dá)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(dòng)，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(duì)應(yīng)的放電時(shí)長(zhǎng)也是從高到低排列的，因此最終達(dá)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(duì)采集的電池電壓進(jìn)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(jì)算單元計(jì)算電池容量對(duì)應(yīng)的平衡所需的脈沖數(shù)；S24，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口根據(jù)計(jì)算得出的平衡所需脈沖數(shù)來發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。工作原理當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ql導(dǎo)通電池向反激功率變壓器T2初級(jí)充電，此時(shí)反激功率變壓器T2次級(jí)將感應(yīng)出一個(gè)和單電池電壓成正比的信號(hào)(即正激模式)，該信號(hào)通過二極管D2傳輸?shù)诫妷翰杉娐罚刂齐姵匾来螌?dǎo)通就可以獲得每一個(gè)電池的電壓；單片機(jī)控制器上的電壓排序單元對(duì)采集的電池電壓進(jìn)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(jì)算單元計(jì)算電池容量對(duì)應(yīng)的平衡所需的脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口根據(jù)計(jì)算得出的平衡所需脈沖數(shù)來發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)；在場(chǎng)效應(yīng)晶體管Ql關(guān)閉時(shí)，反激功率變壓器T2將產(chǎn)生一個(gè)續(xù)流的需要，此時(shí)初級(jí)因?yàn)楸粓?chǎng)效應(yīng)晶體管Ql截止，反激功率變壓器T2儲(chǔ)存的能量將通過二極管Dl，向電池組進(jìn)行釋放(即反激模式);通過控制每個(gè)平衡單元的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于包括單片機(jī)、串聯(lián)電池組和平衡單元，單電池通過平衡單元與單片機(jī)連接；每個(gè)單電池分別對(duì)應(yīng)一個(gè)平衡單元，平衡單元并聯(lián)連接在所對(duì)應(yīng)的單電池的正、負(fù)兩極；還包括電壓采集電路和驅(qū)動(dòng)電路，平衡單元通過電壓采集電路、驅(qū)動(dòng)電路分別與單片機(jī)的電壓采集輸入接口、驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口連接；平衡單元包括驅(qū)動(dòng)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(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于驅(qū)動(dòng)變壓器Tl的輸入端分別連接至驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口和電池組負(fù)極，驅(qū)動(dòng)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(fù)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(fù)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(shí)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(dú)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(hù)吸收電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于獨(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于驅(qū)動(dòng)變壓器Tl的正輸入端與驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)整形電路A，驅(qū)動(dòng)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(dòng)整形電路B。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于獨(dú)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(chǎng)效應(yīng)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(dú)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(chǎng)效應(yīng)晶體管Ql。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于獨(dú)立變壓器的電池平衡系統(tǒng)，其特征在于，單片機(jī)包括控制器，控制器上設(shè)有 電壓排序單元，用于對(duì)采集的電池電壓進(jìn)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(jì)算單元，用于計(jì)算電池容量對(duì)應(yīng)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(jì)算單元順次連接，脈沖計(jì)算單元與驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口連接。
8.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1 7所述系統(tǒng)的基于獨(dú)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(jī)控制器依次通過驅(qū)動(dòng)變壓器Tl驅(qū)動(dòng)每一個(gè)單電池的平衡單元，在功率開關(guān)器件開通后延遲一定時(shí)間進(jìn)行后端電壓的采集并記錄； S2，單片機(jī)控制器根據(jù)采集的電池電壓的不同，給予每一個(gè)電池不同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)，從而達(dá)到電池的平衡。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于獨(dú)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(duì)采集的電池電壓進(jìn)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(jì)算單元計(jì)算電池容量對(duì)應(yīng)的平衡所需的脈沖數(shù)； S24，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口根據(jù)計(jì)算得出的平衡所需脈沖數(shù)來發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于獨(dú)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(jī)、串聯(lián)電池組和平衡單元，單電池通過平衡單元與單片機(jī)連接；每個(gè)單電池分別對(duì)應(yīng)一個(gè)平衡單元，平衡單元并聯(lián)連接在所對(duì)應(yīng)的單電池的正、負(fù)兩極；還包括電壓采集電路和驅(qū)動(dòng)電路，平衡單元通過電壓采集電路、驅(qū)動(dòng)電路分別與單片機(jī)的電壓采集輸入接口、驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口連接；平衡單元包括驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，減少能量消耗，節(jié)省成本。
文檔編號(hào)H02J7/00GK103066667SQ201310029689
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)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(qǐng)人:天津新智電源有限公司