本发明涉及电池电路技术领域，特别涉及一种基于变压器的电池组电压均衡电路。
背景技术：
单体电池因为容量和电压有限，因此常需要将多节单体电池串联起来组成一个电压相对较高、容量相对较大的电池组来使用。串联电池组在使用期间，由于各单体电池制造工艺等因素造成的个体容量的差异，充电时，容量小、性能差的电池会产生过充电现象，而在放电时，容量小、性能差的电池又会产生过放电现象；具有极大的安全隐患，并且会缩短电池组的使用寿命。
为了解决串联电池组各单体电池之间差异而带来的问题，需要在电池组使用过程中对电池组的各个单体电池进行电压均衡。现有技术中主要是通过给电池组中每只单体电池并联一个电阻，通过电阻消耗多余电量的形式实现均衡。然而电阻消耗多余电量会导致电池组局部发热升温，对于电池组的散热要求高，且通过电阻消耗来实现均衡的方式是一种电池电能的浪费，不利于节能和环保。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中提到的不足，本发明提供一种基于变压器的电池组电压均衡电路，以降低电池组电压均衡的过程中电能的浪费。
为实现上述目的，本发明提供一种基于变压器的电池组电压均衡电路，包括电池组和电压均衡模块；
所述电池组包括若干串联连接的单体电池；
所述电压均衡模块包括与所述单体电池数量相同的电压均衡单元；所述电压均衡单元与所述单体电池一一对应相连；
每个所述电压均衡单元包括变压器和开关电路；
所述变压器包括第一初级绕组、第二初级绕组和次级绕组；所述第一初级绕组和所述第二初级绕组的线圈匝数相同；所述第一初级绕组和所述第二初级绕组的线圈的绕线方向相反；
所述第一初级绕组的同名端和所述第二初级绕组的异名端均连接至对应单体电池的正极；
所述第一初级绕组的异名端和所述第二初级绕组的同名端通过所述开关电路交替导通至对应单体电池的负极；
各所述电压均衡单元中变压器的次级绕组并联连接。
进一步地，所述开关电路包括第一场效应管、第二场效应管、场效应管驱动电路；所述第一场效应管串联连接在所述第一初级绕组的异名端与对应单体电池的负极之间；所述第二场效应管串联连接在所述第二初级绕组的同名端与对应单体电池的负极之间；所述场效应管驱动电路控制所述第一场效应管和所述第二场效应管交替导通。
进一步地，所述场效应管驱动电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一限流电阻、第二限流电阻、第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容；
所述第一分压电阻、第二分压电阻串联连接在第一输入电源和单体电池负极之间；
所述第一限流电阻的一端连接至所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的公共端；所述第一限流电阻的另一端与所述第一电容的一端、所述第一二极管的正极以及所述第一场效应管的栅极相连接；所述第一电容的另一端和所述第一二极管的负极均连接至所述第一初级绕组的同名端；
所述第二限流电阻的一端连接至所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的公共端；所述第二限流电阻的另一端与所述第二电容的一端、所述第二二极管的正极以及所述第二场效应管的栅极相连接；所述第二电容的另一端和所述第二二极管的负极均连接至所述第二初级绕组的异名端。
进一步地，所述第一二极管和所述第二二极管均为共阴极双二极管。
进一步地，所述开关电路还包括驱动保护开关电路；所述驱动保护开关电路包括第三场效应管、第四场效应管和单片机；
所述第三场效应管的漏极与所述第一场效应管的栅极相连接；所述第三场效应管的源极与相应单体电池的负极相连接；
所述第四场效应管的漏极与所述第二场效应管的栅极相连接；所述第四场效应管的源极与相应单体电池的负极相连接；
所述第三场效应管的栅极和所述第四场效应管的栅极均与所述单片机相连接；所述单片机控制所述第三场效应管和所述第四场效应管导通或者截止。
进一步地，各所述电压均衡单元还包括滤波电路；所述滤波电路包括第一滤波电容、第二滤波电路、第三滤波电容、滤波电感以及第三二极管；所述第三二极管的正极与所述第一初级绕组的同名端以及所述第二初级绕组的异名端相连接，所述第三二极管的负极与相应单体电池的正极相连接；所述滤波电感与所述第三二极管并联连接，所述第一滤波电容和所述第二滤波电容并联连接后，串联连接在所述滤波电感的一端与相应单体电池的负极之间；所述第三滤波电容串联连接在所述滤波电感的另一端与相应单体电池的负极之间。
进一步地，各所述变压器中的所述次级绕组与所述初级绕组的匝数比为1～5：1。
进一步地，所述变压器为纳米晶环形磁芯绕制的变压器。
本发明提供的基于变压器的电池组电压均衡电路，通过电压均衡单元中变压器的两个初级绕组交替导通到单体电池的输出端，使变压器的磁芯中生产交变磁通，从而在变压器的次级绕组上生成与各单体电池电压成正比的感应电压，并将各变压器的次级绕组并联连接，通过次级绕组上的能量转移为电压较低的单体电池充电，从而实现电压高的单体电池对电压低的单体电池进行隔离式无损充电。本发明提供的基于变压器的电池组电压均衡电路，针对电池组在充电和放电的过程中各单体电池的电压差异，实时自动进行电压均衡，确保电压低的单体电池能得到其它电压更高的单体电池的隔离式安全充电，实现低损耗的高效电压均衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于变压器的电池组电压均衡电路的电路结构框图；
图2为图1中的电压均衡单元的电路原理图；
图3为本发明的一实施例的电路原理图。
附图标记：
10电池组11单体电池20电源均衡单元
21变压器22开关电路
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用于区分不同的组成部分。“一端”、“另一端”等类似词语，仅是指示装置或元件的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。“包括”或者“包含”等类似词语意指出在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定于物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1为本发明实施例提供的一种基于变压器的电池组电压均衡电路的结构框图；参照图1，本发明提供的基于变压器的电池组电压均衡电路，包括电池组10和电压均衡模块；
所述电池组10包括若干串联连接的单体电池11；
所述电压均衡模块包括与所述单体电池11数量相同的电压均衡单元20；所述电压均衡单元20与所述单体电池11一一对应相连；
每个所述电压均衡单元20包括变压器21和开关电路22；
所述变压器21包括第一初级绕组、第二初级绕组和次级绕组；所述第一初级绕组和所述第二初级绕组的线圈匝数相同；所述第一初级绕组和所述第二初级绕组的线圈的绕线方向相反；
所述第一初级绕组的同名端和所述第二初级绕组的异名端均连接至对应单体电池11的正极；
所述第一初级绕组的异名端和所述第二初级绕组的同名端通过所述开关电路22交替导通至对应单体电池11的负极；
各所述电压均衡单元20中变压器21的次级绕组并联连接。
具体实施时，如图1所示，电池组10由n个单体电池11(c1～cn)串联连接而成，n为大于等于2的整数，单体电池11的具体数量可根据需要进行设置。其中第1个单体电池11的负极作为电池组10的负极，第n个单体电池11的正极作为电池组10的正极；第1个单体电池11的正极与第2个单体电池11的负极相连接，第2个单体电池11的正极与第3个单体电池11的负极相连接，依此类推。
每个单体电池11都对应设置有一个电压均衡单元20，用于均衡各单体电池11的电压。如图1所示，每个电压均衡单元20的电路结构相同，，电压均衡单元20包括一个变压器21和一个开关电路22；变压器21包括两个初级绕组和一个次级绕组；两个初级绕组的线圈匝数相同、绕线方向相反；其中如图2所示，变压器21的第3管脚和第4管脚为第一初级绕组，变压器21的第2管脚和第5管脚为第二初级绕组，变压器21的第1管脚和第6管脚为次级绕组，其中变压器21的第4管脚、第2管脚和第1管脚分别为第一初级绕组、第二初级绕组、次级绕组的同名端，变压器21的第3管脚、第5管脚和第6管脚分别为第一初级绕组、第二初级绕组、次级绕组的异名端；第一初级绕组的同名端和第二初级绕组的异名端均连接至对应单体电池11的正极，第一初级绕组的异名端和第二初级绕组的同名端通过开关电路22交替导通至对应单体电池11的负极；本发明实施例中所述对应单体电池11即为与该电压均衡单元20相连接的单体电池11；
具体地，图2为本发明电压均衡单元的电路原理图，图3为单体电池数量为两个时的示例性电路原理图；如图2、图3所示，本发明实施例中的开关电路22包括第一场效应管qn1、第二场效应管qn2和场效应管驱动电路；其中第一场效应管qn1串联连接在第一初级绕组的异名端与对应单体电池的负极之间，用于导通或者断开第一初级绕组的异名端与对应单体电池的负极的连接；第二场效应管qn2串联连接在第二初级绕组的同名端与对应单体电池的负极之间，用于导通或者断开第一初级绕组的异名端与对应单体电池的负极的连接；
场效应管驱动电路用于驱动第一场效应管qn1和第二场效应管qn2交替导通，进而使第一初级绕组的异名端和第二初级绕组的同名端交替导通至对应单体电池11的负极；场效应管驱动电路包括第一分压电阻rn1、第二分压电阻rn2、第一限流电阻rn3、第二限流电阻rn4、第一二极管yn1、第二二极管yn2、第一电容ctn1和第二电容ctn2；
如图2所示，第一分压电阻rn1、第二分压电阻rn2串联连接在第一输入电源chargen+和单体电池负极之间，第一输入电源chargen+的输出电压与相应单体电池的输出电压相同；第一分压电阻rn1和第二分压电阻rn2的公共端处的电压即为第二压电阻的分电压；较佳地，第二分压电阻rn2的电阻值是第一分压电阻rn1的15倍～20倍，本发明实施例中，第一分压电阻rn1的电阻值为30kω，第二分压电阻rn2的电阻值为510kω；
第一限流电阻rn3的一端连接至第一分压电阻rn1和第二分压电阻rn2的公共端；第一限流电阻rn3的另一端与第一电容ctn1的一端、第一二极管yn1的正极以及第一场效应管qn1的栅极相连接，该连接点记为第一驱动电压输出点vngs1；第一电容ctn1的另一端和第一二极管yn1的负极均连接至第一初级绕组的同名端，即第一电容ctn1和第一二极管yn1并联连接；
第二限流电阻rn4的一端连接至所述第一分压电阻rn1和所述第二分压电阻rn2的公共端；第二限流电阻rn4的另一端与第二电容ctn2的一端、第二二极管yn2的正极以及所述第二场效应管qn2的栅极相连接，该连接点记为第二驱动电压输出点vngs2；第二电容ctn2的另一端和第二二极管yn2的负极均连接至第二初级绕组的异名端，即第二电容ctn2与第二二极管yn2并联连接；较佳地，所述第一二极管yn1和所述第二二极管yn2均为共阴极双二极管。
第一驱动电压输出点vngs1通过第一限流电阻rn3连接至第一分压电阻rn1和第二分压电阻rn2的公共端，第二驱动电压输出点vngs2通过第二限流电阻rn4连接至第一分压电阻rn1和第二分压电阻rn2的公共端，第一驱动电压输出点vngs1和第二驱动电压输出点vngs2的初始电压即为第一分压电阻rn1和第二分压电阻rn2的公共端的电压，第一驱动电压输出点vngs1和第二驱动电压输出点vngs2的电压理论值相同，两者分别施加到第一场效应管qn1的栅极和第二场效应管qn2栅极上时，第一产效应管和第二场效应管qn2理论上应当是同时导通，然而在实际运用中，由于电路系统中各元器件参数上存在的误差，例如第一限流电阻rn3和第二限流电阻rn4实际阻值必然存在误差，第一场效应管qn1和第二场效应管qn2的导通阀值电压因为生产工艺的影响也必然存在误差，再加上电路中存在的各种干扰等因素的影响，使得第一场效应管qn1和第二场效应管qn2在实际应用中总是有一个会先导通；
假设第一场效应管qn1先进入微导通，第一场效应管qn1的漏极对源极微导通到单体电池11的负极；而第二驱动电压输出点vngs2通过第二二极管yn2正向导通连接到第一场效应管qn1的漏极，然后跟随第一场效应管qn1微导通到单体电池11的负极，所以第二驱动电压输出点vngs2的电压被拉低到接近单体电池11的负极电压，迫使第二场效应管qn2进入稳定截止状态；第二场效应管qn2截止后，单体电池11的正极经过第二初级绕组、再经过第一电容ctn1连接到第一驱动电压输出点vngs1，形成第一驱动电压输出点vngs1的正反馈，因为第一电容ctn1通电瞬间近似短路状态，相当于单体电池11的正极连接到了第一驱动电压输出点vngs1，为第一场效应管qn1提供更高的驱动电压和更大的栅极和源极之间的结电容充电电流，促进第一场效应管qn1由初始的微导通状态迅速进入完全导通的状态。
第一场效应管qn1进入完全导通之后，单体电池11的正极通过第二初级绕组为第一电容ctn1继续充电，随着第一电容ctn1两端的电压逐渐升高，因为第一电容ctn1两端电压和第一驱动电压输出点vngs1是串联关系，所以第一驱动电压输出点vngs1的电压会随之逐渐降低，直至第一驱动电压输出点vngs1的电压降低到低于第一场效应管qn1的导通阀值电压时，第一场效应管qn1进入截止状态。随着第一场效应管qn1进入截止状态，第二驱动电压输出点vngs2的电压恢复到第一分压电阻rn1和第二分压电阻rn2的公共端的电压；第二场效应管qn2在第二驱动电压输出点vngs2的电压作用下进入微导通状态，第二场效应管qn2的漏极对源极微导通到单体电池11的负极；而第一驱动电压输出点vngs1通过第一二极管yn1正向导通连接到第二场效应管qn2的漏极，然后跟随第二场效应管qn2微导通到单体电池11的负极，所以第一驱动电压输出点vngs1的电压被拉低到接近单体电池11的负极电压，迫使第一场效应管qn1进入稳定截止状态；第一场效应管qn1截止后，单体电池11的正极经过第一初级绕组、再经过第二电容ctn2连接到第二驱动电压输出点vngs2，形成第二驱动电压输出点vngs2的正反馈，因为第二电容ctn2通电瞬间近似短路状态，相当于单体电池11的正极连接到第二驱动电压输出点vngs2，为第二场效应管qn2提供更高的驱动电压和更大的栅极和源极之间的结电容充电电流，促进第二场效应管qn2由初始的微导通状态迅速进入完全导通的状态。随后第二场效应管qn2再次截止，第一场效应管qn1导通，如此循环往复。
第一场效应管qn1和第二场效应管qn2如此交替导通，使得变压器21的第一初级绕组的异名端和第二初级绕组的同名端通过开关电路22交替导通至对应单体电池11的负极；
当第一初级绕组的异名端通过开关电路22导通到对应单体电池11的负极时，单体电池11的正极、第一初级绕组、单体电池11的负极构成闭合回路，第一初级绕组中有电流通过；当第二初级绕组的同名端通过开关电路22导通到对应单体电池11的负极时，单体电池11的正极、第二初级绕组、单体电池11的负极构成闭合回路，第二初级绕组中有电流通过；因此在变压器21的磁芯中生成交变磁通，变压器21的次级绕组上就相应产生感应电压；次级绕组上的感应电压与初级绕组上的电压成正比，由于初级绕组上的电压即为单体电池11的电压，因此次级绕组上的感应电压与单体电池11的电压成正比；在各电压均衡单元20中变压器21的次级绕组都均有一个正比于各单体电池11电压的感应电压，单体电池11的电压越大，对应的变压器21上的次级绕组的感应电压也就越大；
由于各电压均衡单元20中变压器21的结构相同，即各变压器21初级绕组和次级绕组匝数比相同、对应绕组的绕线方向相同，因此当各单体电池11电压相等时，各变压器21次级绕组的感应电压也是相等的，也就是说各变压器21次级绕组并联连接在一起时没有电压差，所以几乎就没有环路电流存在，也就是处于低功耗状态。
当各单体电池11电压出现一定的偏差时，单体电池11电压更高的就会在相对应的变压器21次级绕组上感应出更高的感应电压；各变压器21的次级绕组并联连接在一起时，感应电压高的次级绕组就会把能量转移到感应电压低的次级绕组上,以至产生能量转移电流；随着电压较低的单体电池11对应变压器21的次级绕组上的能量升高，次级绕组上的能量就会再一次感应转移到对应变压器21的初级绕组，进而电压较低的单体电池11充电，从而实现电压高的单体电池11通过变压器21对电压低的单体电池11进行感应隔离式充电的功能。
本发明实施例提供的基于变压器的电池组电压均衡电路，通过电压均衡单元中变压器的两个初级绕组交替导通到单体电池的输出端，使变压器的磁芯中生产交变磁通，从而在变压器的次级绕组上生成与各单体电池电压成正比的感应电压，并将各变压器的次级绕组并联连接，通过次级绕组上的能量转移为电压较低的单体电池充电，从而实现电压高的单体电池对电压低的单体电池进行隔离式无损充电。本发明实施例提供的基于变压器的电池组电压均衡电路，针对电池组在充电和放电的过程中各单体电池的电压差异，实时自动进行电压均衡，确保电压低的单体电池能得到其它电压更高的单体电池的隔离式安全充电，实现低损耗的高效电压均衡。
优选地，所述开关电路22还包括驱动保护开关电路22；所述驱动保护开关电路22包括第三场效应管qn3、第四场效应管qn4和单片机；
所述第三场效应管qn3的漏极与所述第一场效应管qn1的栅极相连接；所述第三场效应管qn3的源极与相应单体电池11的负极相连接；
所述第四场效应管qn4的漏极与所述第二场效应管qn2的栅极相连接；所述第四场效应管qn4的源极与相应单体电池11的负极相连接；
所述第三场效应管qn3的栅极和所述第四场效应管qn4的栅极均与所述单片机相连接；所述单片机控制所述第三场效应管qn3和所述第四场效应管qn4导通或者截止。
具体实施时，每个开关电路22中还包括一驱动保护开关电路22，驱动保护开关电路22用于向第一场效应管qn1和第二场效应管qn2提供驱动保护关闭信号，使第一场效应管qn1和第二场效应管qn2一直处于截止状态；如图2所示，驱动保护开关电路22包括第三场效应管qn3、第四场效应管qn4和单片机；其中第三场效应管qn3的漏极与第一场效应管qn1的栅极相连接；第三场效应管qn3的源极与相应单体电池11的负极相连接；第四场效应管qn4的漏极与第二场效应管qn2的栅极相连接；第四场效应管qn4的源极与相应单体电池11的负极相连接；第三场效应管qn3的栅极和第四场效应管qn4的栅极均与单片机相连接；单片机控制第三场效应管qn3和第四场效应管qn4导通或者截止；
当需要停止电池组10的电压均衡功能时，单片机向第三场效应管qn3的栅极和第四场效应管qn4的栅极输出高于第三场效应管qn3的栅极和第四场效应管qn4导通所需的电压，使第三场效应管qn3的栅极和第四场效应管qn4处于导通状态，从而第一场效应管qn1的栅极和第二场效应管qn2的栅极导通至单体电池11的负极，使得第一场效应管qn1和第二场效应管qn2一直处于截止状态，从而关闭电池组10的电压均衡功能。
优选地，各所述电压均衡单元20还包括滤波电路；所述滤波电路包括第一滤波电容cn1、第二滤波电容cn2、第三滤波电容cn3、滤波电感ln1以及第三二极管dn1；所述第三二极管dn1的正极与所述第一初级绕组的同名端以及所述第二初级绕组的异名端相连接，所述第三二极管dn1的负极与相应单体电池11的正极相连接；所述滤波电感ln1与所述第三二极管dn1并联连接，所述第一滤波电容cn1和所述第二滤波电容并联连接后，串联连接在所述滤波电感ln1的一端与相应单体电池11的负极之间；所述第三滤波电容cn3串联连接在所述滤波电感ln1的另一端与相应单体电池11的负极之间。
具体实施时，如图2所示，每个电压均衡单元20中还包括滤波电路，滤波电路包括第一滤波电容cn1、第二滤波电容cn2、第三滤波电容cn3、滤波电感ln1以及第三二极管dn1；第三二极管dn1的正极与第一初级绕组的同名端以及第二初级绕组的异名端相连接，第三二极管dn1的负极与相应单体电池11的正极相连接；滤波电感ln1与第三二极管dn1并联连接，第一滤波电容cn1和第二滤波电容并联连接后，串联连接在滤波电感ln1的一端与相应单体电池11的负极之间；第三滤波电容cn3串联连接在滤波电感ln1的另一端与相应单体电池11的负极之间。其中第一滤波电容cn1的用于高频滤波；第二滤波电容cn2、第三滤波电容cn3、滤波电感ln1组成π型滤波器起到稳定输入输出电压的作用。
优选地，各所述变压器21中的所述次级绕组与所述初级绕组的匝数比为1～5：1。具体实施时，各变压器21中的次级绕组与初级绕组的匝数比为1～5：1，通过设置变压器21的次级绕组线圈匝数比初级绕组的线圈匝数更多一些，以此来放大各次级绕组上的感应电压的差值，以便各单体电池11在较小的的压差时，就能实现电压高的单体电池11给电压低的单体电池11进行能量转移充电；同时，电压放大系数也不宜过大，否则在变压器21感应的能量固定的前提下，转移的电压越高，不仅对器件的耐压要求更高，转移的电流却是越小，相当于均衡电流越小，不利于电池组10的能量均衡。较佳地，各所述变压器21中的所述次级绕组与所述初级绕组的匝数比为3：1。
优选地，所述变压器21为纳米晶环形磁芯绕制的变压器21。具体实施时，利用高性能纳米晶环形磁芯绕制的变压器21，具有极佳的温度特性，极高的导磁率，降低低激磁功率，减少铜损和铁损，从而降低能量转移过程中的损耗、提高电压均衡效率。
尽管本文中较多的使用了诸如单体电池、电压均衡单元、变压器、初级绕组、次级绕组、匝数比、场效应管、分压电阻、限流电阻、滤波电容、二极管等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。