一种基于多线圈变压器的串联电池组充电均衡控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于裡电池充放电技术领域，设及一种基于多线圈变压器的串联电池组充 电均衡控制方法。
【背景技术】
[0002] 串联电池组的充电均衡控制方式很多，各有各的特点和处理方式，适合的对象也 不尽相同，大多适合于中小规模的串联电池组。从W上典型的控制方式来看，显然，非能耗 式的均衡控制技术是今后的发展方向；能量变换式比能量转移式的均衡效率会更高，平衡 控制时间也更短；双向式的均衡比单向的快。参与均衡的能量有W相邻电池间转移或交换 方式，如利用"飞渡电容"或电感来转移相邻电池间能量，或用C址能量变换器转换相邻电 池能量等；也有电池与充电母线间的能量转换方式，如利用多次级单开关变压器方式，实现 一对多的能量转换；或利用单独变压器实现多电池与母线间转换。
[0003] 但是，该些非能耗式的均衡控制方法，不管是转移式的还是转换式的，控制开关数 量多，电流和电压应力大，控制逻辑复杂。对于相邻电池间均衡，当电池数量多时，均衡时间 长；使用多次级线圈变压器或单独变压器，能实现一对多的均衡，提高均衡速度，但只能实 现单向的均衡控制，无法实现多对多电池间的直接均衡控制，均衡能量无法按各自的需要 实现多对多的交换。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种基于多线圈变压器的串联电 池组充电均衡控制方法，该方法基于多线圈变压器的充电均衡能量变换技术，简化控制逻 辑，实现串联电池组的多对多的能量均衡控制。
[0005] 其技术方案如下：
[0006] 一种基于多线圈变压器的电池组均衡控制方法，包括W下步骤：
[0007] 1)本发明提供一种均衡充电方法，该方法包括一个多线圈的变压器，该变压器为 能量存储器，该变压器的所有线圈的极性绕法都相同，该变压器每个线圈通过一个能量变 换器对应一个串联电池组中的一个电池单体，连接方式如图1所示。
[000引 2)能量变换器原理上由一个场效应开关管（MOS阳T管）与多线圈变换器的相应一 个线圈组成，MOSFET管的开关状态由其栅极的控制信号决定，并决定能量变换的方向；当 MOSFET管的栅极输入脉冲宽度可调信号（PWM)时，能量变换器向多线圈变压器输入存储能 量；当MOSFET管的栅极接低电平时，则线圈变压器向能量变换器输出能量；MOSFET管栅级 的控制信号来自对电池单体电量的判断，由串联电池组电池的电压或电池荷电状态决定。 其中，MOSFET管开关元件内含体内反向二极管；
[0009] 3)根据串联电池组每个电池的电压或电池荷电状态，按控制逻辑，对相对较高 (高于平均值）的串联电池组单体实施分流转换，如图2所示，相应的线圈被定义为输入电 能线圈，能量变换器中开关元件的栅极输入PWM信号，PWM信号中占空比的大小由串联电池 组单体的电压或荷电量决定；分流能量的大小与单体电池的电量成正比，电量越多，分流能 量也越多；
[0010] 3)根据串联电池组每个电池的电压或电池荷电状态，按控制逻辑，对相对较低 (低于平均值）的串联电池组单体实施汇流转换，如图3所示，相应的线圈被定义为电能输 出线圈，能量变换器中开关元件的栅极输入低电平信号，开关元件断开，开关元件内的反向 二极管作整流管使用，变压器中的能量输出给串联电池组低电量单体，汇流能量的大小与 单体电池的电量成反比，电量越少，汇流的能量越多；
[0011] 4)基本的均衡充电单元由一个串联电池组单体和一个能量变换器组成，能量变换 器的线圈组合多线圈变压器，即为一个能量公共池，如图4所示；串联电池组每个电池单体 对应一个均衡充放电单元，由一个多线圈变压器带中间抽头的线圈、一个带体二极管的开 关MOS阳T管、一个电感、一个二极管组成。电路是对称的，线圈的应比是相同的。电感的值 与线圈的应数、线圈电感值有关。开关管Q由PWM脉冲信号驱动，而PWM信号则由电池的智 能控制器输出。如图4所示，图中B1、B2…化为串联电池组，TR为多线圈变压器，11，12… In为电感，该电感一端连电池单体的正极，另一端连接多线圈变压器同名端。D11，D12…Din 为变压器复位二极管，Q1，Q2…化为开关MOSFER管，该管内带体二极管，MOSFET开关管的 栅极连接智能控制器，串联电池组的电压由智能控制器检测，由智能控制器计算出每个电 池单体的实时电量，根据电池单体电量的大小来决定其是否为分流电池单体，还是汇流电 池单体，并由此来判定是否提供PWM信号给开关MOSFET管，因此，其功能上是一个既能分流 又能汇流的电路，而且要求电路具有对称性，能实现双向控制，变压器的自然复位，电路稳 定工作；
[0012] 5)由多个基本单元组成的均衡充电电路组成串联电池组的充电电路，在统一的时 序下工作，高电量电池单体，经能量变换器，向多线圈变压器输送能量，相当于能量存储其 能量公共池中，在另一个时序，集中的能量经能量变换器向低电量的电池单体输送能量。从 而实现多对多的电池单体间的能量转换，W实现串联电池组电池单体间的均衡充电。
[0013] 6)在基本均衡单元中，基于一个二级智能闭环控制方法，通过控制PWM信号的频 率与占空比来实现更加精确的均衡智能控制，如图5所示。应用多线圈变压器的电池自动 均衡智能控制采用二级闭环控制。其中一级为电流源控制，另一级为模糊智能均衡控制。
[0014] 电流源的控制，适用于充电均衡。其控制策略如下；应用查表法或应用模糊推理方 法，根据电池组充电状态的数据如电压或电池SOC的综合值，对电池组的充电电流加W优 化控制，W获得最佳的充电电流值，本级的设置主要为了让充电电流更加适合电池的充电 特性；
[0015] 单体电池的模糊智能均衡控制，适用于充放电过程中，如图6。其控制策略是根据 实测电池状态数据与参考电压的比较，模糊推理出开关管驱动信号的最佳频率与占空比， W获得最佳的分流电流与汇流电流，从而W最快的速度实现电池充放电的均衡一致。
[0016] 进一步优选，W基本均衡充电单元为基础的多对多的均衡充电，还可进行模块化。 例如一串含有MXN个电池的电池组，可W分成M个模块，每个模块由N个电池组成，甚至模 块中还可再分，进行模块方式的级联，如图7所示。由此，一个大数量串联成的动力裡电池 就分成了小数量的模块，从而降低设计的风险和难度，有利于提高均衡电路的速度与效率， 简化控制，减小电压与电流的应力。
[0017] 图7为串联电池组均衡控制模块化的示意图。图中ws个基本均衡单元作为一 个模块，实施均衡方案；然后每个模块又可看成一个电压更大的电池，再施加相应的均衡方 式，构成更大的模块，进行均衡控制。由此组成模块化的均衡控制策略。该里的模块数量是 一个示意，实际模块内的数量由设计需要而定。
[001引本发明的有益效果为；本发明基于高频电源能量变换理论，把高于参考值的能量 转换到多线圈变压器，W磁能的方式存储，然后为能量较低的电池提供能量。在统一驱动信 号控制下，该技术还允许多个电池单体同时提供电能，并转换为磁能存储，再提供给其它多 个需要附加能量的电池，从而实现多对多的均衡控制。最后构建了智能控制二级控制模式， 实现大数量串联电池组的级联均衡控制。
【附图说明】
[0019] 图1为能量公共池结构示意图；
[0020] 图2为电池分流转换；
[0021] 图3为电池汇流转换；
[0022] 图4为均衡充放单元电路拓扑；
[0023] 图5为电池充电控制框图；
[0024] 图6为单体电池控制模式示意图；
[0025] 图7为均衡控制模块单元级联图；
[0026] 图8为均衡方法的模块化实验示意图；
[0027] 图9为町>Um时的电池体电流分流大小图；
[00測图10为E声Um时的电池体电流汇流大小图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图和【具体实施方