【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及应用变压器实现电池均衡控制的，具体涉及一种应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路、模块及方法。
技术介绍
1、随着现代社会科技的发展，电池作为一种储能装置已经广泛应用于电单车、电摩和家储系统。电池储能装置的主要技术实现为，将多个蓄电单体电芯进行串联得到电芯串，以达到系统电压需求，然后把多个电芯串再并联以达到需要的安培小时电量。
2、由于生产工艺的限制，蓄电单体电芯之间存在个体差异，具体表现在容量和电压的不完全一致性。如果电压超出允许的范围，蓄电单体电芯就很容易损坏，进一步，如果电压超出了上、下限(以纳米磷酸盐型锂离子电池为例，下限电压为2v，上限电压为3.6v)，电池就可能出现不可逆转的损坏，至少导致的一种后果是，加快电池的自放电速度。另外，串联在一起的多个蓄电单体电芯，随着充放电次数的增多，它们之间的电压差异会越加明显。如果不采取有效措施解决一致性的问题，轻则影响电池储能装置的蓄电能力，重则导致蓄电单体电芯的损坏，甚至引发爆炸等安全事故。
3、于是，推动了电池管理系统（battery management system，bms）中的“均衡技术”的蓬勃发展。电池均衡技术又分为被动均衡与主动均衡两大类。在充电场景下假设第n个蓄电单体电芯先达到工作电压上限，且希望其余蓄电单体电芯继续保持当前充电电流时，就需要在第n个蓄电单体电芯上并联上一个支路以分流一部分能量。被分流的能量如果通过电阻发热耗散的方式进行则被定义为被动均衡。若被分流的能量通过转递能够再次被存储利用则被定义为主动均衡。主动均衡方
4、主动均衡技术又分为很多类别，一般电路中常见的能量传递方式包括：电感、电容、变压器、变换器（buck/boost等），而采用变压器实现能量传递是目前主动均衡方案中比较常见的技术路线。其中，采取多绕线组变压器并且能对单一蓄电单体电芯进行充放电均衡管理的技术，常用的有底部均衡和顶部均衡两种。当放电模式下采用底部均衡策略（bottom balancing），bms识别出容量较低的电芯，控制变压器初级侧导通，由外部向电芯转移能量；而当充电模式下一般采用顶部均衡策略（top balancing），bms识别出容量较高的电芯单体，控制变压器次级侧导通，由电芯向外部转移能量。为何在充放电中会采取不同模式的原因，究其原因为系统放电过程中，如果有某一节电芯电压过低，会使得整个系统提早进入放电低压截止保护，因此采取底部均衡，不断将整体系统（即包括所有电芯）的能量对电压过低的电芯充电，以提高该电压偏低的电芯的电压，使平衡后的系统不会因电压偏低的电芯提早截止放电，浪费了其它还能够继续放电的电芯中的电量，以致损失电池储能装置的续航力；反而言之，在对系统充电过程中，如果有某一节电芯电压过高，则会使得整个系统提早进入充电过压截止保护，因此采取顶部均衡，不断将电压偏高的电芯的能量抽取出来对整体系统（即包括所有电芯）充电，以降低该电压偏高的电芯的电压，使平衡后的系统不会因电压偏高的电芯提早截止充电，而此时其它的电芯却还没充满，造成整体电池容量降低。例如，中国专利申请（cn20171064064.1） 提出了一种主动均衡电路，用以实现电芯在放电或静止状态时的底部均衡和在充电或静止的状态时的顶部均衡，该申请的主动均衡电路根据上述两种不同的均衡模式，即底部均衡模式和顶部均衡模式，用于避免电芯的过放和过充，通过两个开关单元的巧妙配合实现了高效率的均衡技术，通过对多块均衡功能板采用积木式设计方式，使主动均衡电路能适应不同的电芯串联成组的要求，大大提高了灵活性。
5、例如中国专利申请公开技术cn113872288，其诉求为变压器均衡和cuk变换器（cuk变换器是由美国加州理工学院slobodancuk提出的对buck/boost进行改进的单管非隔离直流变换器）均衡是以能量转移的方式来实现的主动均衡，均衡过程中几乎没有能量损失，大大提高了电池均衡的效率和能量利用率。其方法为对串联电芯总数n为4的倍数，分为n/4个cuk电池单组，采取三个步骤进行主动均衡：步骤1）利用变压器完成各个电池单组与整个电池模组之间的均衡，当某一4个电芯的电池单组电压较高就把该电池单组的能量输送到整个电池模组，反之，某一个4个电芯的电池单组电压较低时就把能量从整个电池模组输送到该4个电芯的电池单组，产生了第一个问题，4个电芯中有2个电压最高的电芯和2个电压最低的电芯，结果4个电芯的平均后是标准电压不高不低，即便利用软件强迫从某一个电池单组充电到整个电池模组，或者从整个电池模组充电到某个电池单组，并没有办法对真正单一电芯做调整，4个电压高的和电压低的电芯在同一个电池单组，那么根据电池单组中单一电芯电压高而输送能量到整个电池模组的同时，却同步把单一电芯过低的电芯的能量也输送到整个电池模组，反之，因为4个电芯的电池单组中某个单一电芯电压过低而强迫整体电池模组输送能量到4个电芯的电池单组，会硬性把能量灌进已经电压过高的单一电芯，这个电池分组产生极大的问题。第二个问题是效率级差，即便从一个电池单组搬运能量到另一个电池单组，其实并没有把能量搬运到单一电芯，该方案只好利用步骤2将电池单组再进一步分为第1个电池单元和第2个电池单元，再利用cuk进行同一个电池单组中两个电池单元之间的均衡，除了效率极差，根本浪费搬运工和产生无谓的能量损耗，其在同一个电池单元中的2个电芯如果也是一高一低，就产生了和前面4个电芯中有高有低同样的问题，搬运能量到一个2个电芯的电池单元其中一个高一个低，那么就错误的对电压较高的电芯还继续充电，对本来电压过高而该放电的电芯充电，会造成更加不均衡，并且万一反而过充会造成电池模块的危险。为此，该方案也利用电容电感做非可控的，在同一个电池单元内部的两个电芯利用电感电容所谓的“能量双向流动”，也就是任其自然的能量分配，可以某些程度的降低上面对电压过高的电芯继续过充的危险，但是因为同一个电池单元中两个电芯中电压较低的电芯切换过去，在刚切换过去的时候是先对另一个电压过高的电芯也充电了，然后后面才慢慢经过电感电容让两者平均，某些程度的降低上面过充的风险，但是在切换瞬间还是过充的。该方案为了进一步避免上面的风险最后步骤3利用被动均衡，在2个电池单体（我们成为单一电芯）组成的电池单元，再利用被动均衡，将电压过高的电池单体，利用固定电阻将电压较高的电池单体的能量在固定电阻上消耗成热能，达到均衡的效果。
6、上述现有方案步骤1中采取4个电芯组成的电池单组造成无法正确判断单一电芯过高或过低，并且造成从电池单组搬运能量到整体电池模组会使原本电压过低的电芯电压更低，或者从整体电池模组搬运能量到某一电池单组造成电压过高的电芯电压更高，步骤2中尽所能的利用电容做能量池顺其自然的让能量双向流动，最后步骤3才再以电阻，以被动均衡的凡事消耗电压较高的电芯中的能量。既没效率又有风险，而最后还必须采取被动均衡，速度慢又浪费能量。
7、为了改善上述问题，专利申请公开技术cn114362305对上述专利申请公开技术cn113872288进行变形，步骤c（对应在先申本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，包括串联的N个电芯，所述N个电芯划分为i个电池组，所述i为大于或等于2的整数；
2.根据权利要求1所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，所述N个电芯均分为i个电池组；设置i-1个电池组中每个电池组的电芯数量相同，第i个电池组的电芯数量为N除以i的商数加余数。
3.根据权利要求2所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，所述N个电芯为16个电芯，所述i个电池组为4个电池组。
4.根据权利要求1所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，所述主控单元还用于通过所述驱动单元控制所述第一开关和所述第二开关的开关状态，进而在所述N个电芯中的最大电压差大于或等于顶部均衡启动阈值时，控制所述第一开关、所述第二开关、所述第一双刀双掷开关、所述第二双刀双掷开关和所述第三双刀双掷开关的开关状态，进而控制所述顶部均衡电芯对应的所述第二开关导通对所述顶部均衡电芯所在的电池组对应连接的所述单元变压器的磁芯充磁，然后控制所述顶部均衡电芯所在的电池组
5.根据权利要求1所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，所述主控单元，还用于在所述N个电芯中的最大电压差大于或等于底部均衡启动阈值时，通过所述驱动单元控制所述第一开关、所述第二开关、所述第一双刀双掷开关、所述第二双刀双掷开关的开关状态，进而控制所述i个电池组中平均电压最高的电池组对应的所述第一开关导通，以对所述平均电压最高的电池组对应连接的所述单元变压器的所述磁芯充磁，然后控制所述平均电压最高的电池组对应连接的所述单元变压器的所述磁芯中的能量依次通过所述第一双刀双掷开关、所述过渡变压器、所述第二双刀双掷开关，转移至所述底部均衡电芯所在的电池组对应连接的所述单元变压器中的所述磁芯，进而控制所述底部均衡电芯对应的所述第二开关导通进行放磁；
6.一种对电池进行主动均衡控制的单元变压器模块，其特征在于，所述单元变压器模块应用于上述权利要求1-5中任一所述的控制电路，用于对划分成i个电池组的N个串联电芯进行主动均衡，所述i为大于或等于2的整数；
7.根据权利要求6所述的对电池进行主动均衡控制的单元变压器模块，其特征在于，还包括模数转换模块、驱动单元和主控单元，所述模数转换模块包括N路输入端，所述模数转换模块的所述N路输入端用于与所述N个电芯一一对应连接；
8.一种应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求1-5中任一所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，所述控制电路包括：包括串联的N个电芯，所述N个电芯划分为i个电池组，所述i为大于或等于2的整数；
9.根据权利要求8所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制方法，其特征在于，所述主控单元通过所述驱动单元控制所述第一开关、所述第二开关、所述第一双刀双掷开关、所述第二双刀双掷开关和所述第三双刀双掷开关的开关状态，进而控制所述N个电芯中电压最高的电芯对应的所述第二开关导通对所述顶部均衡电芯所在的电池组对应连接的所述单元变压器的磁芯充磁之前，还包括：
10.根据权利要求9所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制方法，其特征在于，还包括：
11.根据权利要求8所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制方法，其特征在于，还包括：
12.根据权利要求11所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制方法，其特征在于，所述主控单元通过所述驱动单元控制所述第一开关、所述第二开关、所述第一双刀双掷开关、所述第二双刀双掷开关的开关状态，进而控制所述i个电池组中平均电压最高的电池组对应的所述第一开关导通，以对所述平均电压最高的电池组对应连接的所述单元变压器的所述磁芯充磁之前，还包括：
13.根据权利要求12所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制方法，其特征在于，还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，包括串联的n个电芯，所述n个电芯划分为i个电池组，所述i为大于或等于2的整数；
2.根据权利要求1所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，所述n个电芯均分为i个电池组；设置i-1个电池组中每个电池组的电芯数量相同，第i个电池组的电芯数量为n除以i的商数加余数。
3.根据权利要求2所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，所述n个电芯为16个电芯，所述i个电池组为4个电池组。
4.根据权利要求1所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，所述主控单元还用于通过所述驱动单元控制所述第一开关和所述第二开关的开关状态，进而在所述n个电芯中的最大电压差大于或等于顶部均衡启动阈值时，控制所述第一开关、所述第二开关、所述第一双刀双掷开关、所述第二双刀双掷开关和所述第三双刀双掷开关的开关状态，进而控制所述顶部均衡电芯对应的所述第二开关导通对所述顶部均衡电芯所在的电池组对应连接的所述单元变压器的磁芯充磁，然后控制所述顶部均衡电芯所在的电池组对应连接的所述单元变压器的磁芯中的能量依次通过所述过渡次级绕组、所述第一双刀双掷开关、所述过渡变压器、所述第三双刀双掷开关，转移至所述i个电池组中平均电压最低的电池组对应连接的单元变压器中的过渡次级绕组，进而控制所述i个电池组中平均电压最低的电池组对应的所述第一开关导通进行放磁；
5.根据权利要求1所述的应用单元变压器对电池进行主动均衡的控制电路，其特征在于，所述主控单元，还用于在所述n个电芯中的最大电压差大于或等于底部均衡启动阈值时，通过所述驱动单元控制所述第一开关、所述第二开关、所述第一双刀双掷开关、所述第二双刀双掷开关的开关状态，进而控制所述i个电池组中平均电压最高的电池组对应的所述第一开关导通，以对所述平均电压最高的电池组对应连接的所述单元变压器的所述磁芯充磁，然后控制所述平均电压最高的电池组对应连接的所述单元变压器的所述磁芯中的能量依次通过所述第一双刀双掷开关、所述过渡变压器、所述第二双刀双掷开关，转移至所述底部均衡电芯所...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄世蔚，
申请(专利权)人：深圳市沃德芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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