[发明专利]一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化系统及方法。

背景技术

锂离子电池因具有无记忆效应、能量密度高、单体电压高和安全性好等优点，广泛应用在电动汽车中。为了满足电动汽车电压和功率等级，需要将大量的锂离子电池单体串、并联组合使用。然而，由于制造工艺和工作环境等方面的差异，电池单体之间的内阻和容量并不完全一致。电池组在使用的过程中，这些不一致性会逐渐积累，并且造成不同串联电池单体电压的不均衡，可能会导致某节电池单体的过充或过放，降低电池组的可用容量和循环寿命，甚至造成电池组的损坏。因此，串联电池组需要均衡电路来平衡电池单体电压间的不一致性。

目前，主动均衡方法主要是基于电容、电感或变压器将能量从电压较高的电池单体传递到电压较低的电池单体。其中，基于变压器的均衡方法具有隔离性能好、效率高、控制简单和均衡速度快等优点。

中国发明专利(申请号201210144266.4)提出了一种基于对称多绕组变压器结构的串联电池组均衡电路。该均衡电路仅需要一个控制信号，即可实现能量从电压较高的电池单体到电压较低的电池单体的自动传递，具有控制简单、均衡效率高等优点。但是，该方法需要另外的消磁电路(一个电容与励磁电感构成LC谐振电路)来吸收和释放当开关关断时存储在变压器中的能量。这导致了变压器绕组的不一致、电路成本高、体积大以及设计复杂等缺点。并且为了获得软开关，该均衡电路只能工作在特定的开关频率和占空比下，使得其设计和控制变得复杂，尤其是，该均衡电路很难模块化。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化系统及方法。

首先，本发明提供一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化系统，该系统通过奇数和偶数多绕组变压器副边的反向并联连接，基于正激变换实现了模块内和奇/偶数模块间的均衡；基于反激变换实现了奇数和偶数模块间的均衡以及变压器的自动消磁。

其次，本发明提供一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化方法，该控制方法只需一对状态互补的控制信号，即可实现电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的直接、自动、同时均衡，极大提高了均衡效率和速度，有效改善了电池单体间的不一致性。本发明具有均衡效率高、均衡速度快、体积小、成本低、可靠性高、易于模块化、控制简单、无需电压检测电路等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化系统，包括多个电池模块、微控制器、多个多绕组变压器和多个MOS管，其中，每个电池模块包括若干个电池单体，每个电池模块对应配置有一个多绕组变压器；

所述多绕组变压器包括y个原边绕组和一个副边绕组，每个电池单体连接于一个MOS管的漏极，MOS管的源极连接于一个多绕组变压器的一个原边绕组的一端，绕组的另外一端连接于该电池单体的负极，形成一个电流回路，微控制器输出两路互补的PWM信号，分别驱动具有相反的同名端的原边绕组对应的MOS管。

进一步，共有x*y节电池单体，其中，x为电池模块数，y为一个模块包括的电池单体数。

进一步的，相邻的多绕组变压器副边的反向并联连接。

进一步的，所述多绕组变压器的副边绕组相并联。

所述多绕组变压器分为两组，奇数和偶数变压器副边绕组具有相反的同名端。

进一步的，所述脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，即PWM+和PWM-；

所述脉冲宽度调制PWM+信号通过驱动电路连接于奇数变压器原边绕组对应的MOS管的栅极，用于产生该组MOS管开关的控制驱动信号；

所述脉冲宽度调制PWM-信号通过驱动电路连接于偶数变压器原边绕组对应的MOS管的栅极，用于产生该组MOS管开关的控制驱动信号。

一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化方法，微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号分别控制多绕组变压器中奇数和偶数变压器对应的MOS管交替导通，基于正激变换电池模块内和奇/偶数电池模块间的均衡或基于反激变换实现奇数和偶数电池模块间的均衡以及变压器的自动消磁。

进一步的，控制过程共包括四种工作模式：

(1)当奇数变压器的MOS管导通，基于反激变换对偶数变压器进行自动消磁，并实现奇数和偶数模块间的均衡，基于正激变换实现奇数模块内和模块间的均衡；

(2)奇数变压器的MOS管保持导通，基于正激变换实现奇数模块内和模块间的均衡，并对奇数变压器的消磁提供前提条件；