一种基于同步反激DC/DC变换器的双向主动均衡电路的制作方法

本发明涉及锂离子蓄电池组技术领域，特别是一种基于同步反激DC/DC变换器的双向主动均衡电路。

背景技术：

锂离子蓄电池组是由多个锂离子单体串并联组成，由于单体的差异性，在充放电过程中锂离子蓄电池组中不同的串联单体之间会出现电压差异性，若不进行有效控制，部分锂离子蓄电池单体就会出现过充和过放现象，严重影响锂离子蓄电池组的供电安全和使用寿命，因此在锂离子蓄电池组充放电过程中，会采用均衡的办法消除不同串联单体之间电压的差异性。

现有的锂离子蓄电池组均衡技术中最简单的是采用并联电阻的方法，即被动均衡，这种方法是通过将高电压单体中的能量作为热量耗散掉达到锂离子蓄电池组电压均衡的效果，具有能量利用效率差的缺点。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通过采用同步控制方法，解决了蓄电池单体中能量双向快速转移问题，具有快速实现锂离子蓄电池组电压均衡的优点的基于同步反激DC/DC变换器的双向主动均衡电路。

本发明的技术解决方案是：一种基于同步反激DC/DC变换器的双向主动均衡电路，包括锂离子蓄电池组、电压采集电路、同步反激DC/DC变换器模块、核心控制单元，其中

锂离子蓄电池组，包括多个锂离子蓄电池单体，每个锂离子蓄电池单体均连接一个不同的同步反激DC/DC变换器；

同步反激DC/DC变换器模块，包括多个同步反激DC/DC变换器，同步反激DC/DC变换器对连接的锂离子蓄电池单体进行充电或者放电；

电压采集模块，根据外部发送的采集周期周期性采集锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池的单体电压后送至核心控制单元；在锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体充电或者放电过程中，实时采集各个锂离子蓄电池单体的充电电流或者放电电流，并送至核心控制单元；

核心控制单元，接收各个锂离子蓄电池的单体电压后计算整个锂离子蓄电池组的平均单体电压，进而得到各个锂离子蓄电池的单体电压与锂离子蓄电池组平均单体电压的差值，根据各个锂离子蓄电池的单体电压与锂离子蓄电池组平均单体电压的差值、各个锂离子蓄电池的容量电压比得到各个锂离子蓄电池需要的充放电荷电量，对各个锂离子蓄电池单体需要的充放电荷电量进行判断，如果锂离子蓄电池单体需要的充放电荷电量为正，则根据充放电荷电量、当前锂离子蓄电池单体连接的同步反激DC/DC变换器计算得到理论放电时间，然后控制当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器对当前锂离子蓄电池进行放电直至放电时间等于理论放电时间或者计算得到下一采集周期当前锂离子蓄电池的充放电荷电量；如果锂离子蓄电池需要的充放电荷电量为负，则根据充放电荷电量绝对值、当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器计算得到理论充电时间，然后控制当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器对当前锂离子蓄电池进行充电直至充电时间等于理论充电时间或者计算得到下一采集周期当前锂离子蓄电池的充放电荷电量；如果锂离子蓄电池需要的充放电荷电量为0，则不进行操作，等待计算得到下一采集周期充放电荷电量；接收充电或者放电电流后进行判断，当充电电流大于充电电流阈值时，控制当前充电电流对应的同步反激DC/DC变换器关断，当放电电流大于放电电流阈值时，控制当前放电电流对应的同步反激DC/DC变换器关断。

所述的根据各个锂离子蓄电池的单体电压与锂离子蓄电池组平均单体电压的差值、各个锂离子蓄电池的容量电压比得到各个锂离子蓄电池需要的充放电荷电量的方法为：锂离子蓄电池的单体电压与锂离子蓄电池组平均单体电压的差值、锂离子蓄电池的容量电压比相乘为锂离子蓄电池需要的充放电荷电量。

所述的各个锂离子蓄电池的电压容量比的取值范围为0.4Ah/V～80Ah/V。

所述的充电电流阈值取值范围为0A～80A，放电电流阈值取值范围为0A～80A。

所述的同步反激DC/DC变换器模块包括多个结构功能完全相同的同步反激DC/DC变换器，每个同步反激DC/DC变换器包括变压器、初级MOSFET电路、初级电流采样电路、次级MOSFET电路、次级电流采样电路；变压器原边一端与当前同步反激DC/DC变换器连接的锂离子蓄电池单体正端相连，初级MOSFET电路D端与变压器的原边另一端相连，初级电流采样电路一端与初级MOSFET电路S端相连，初级电流采样电路另一端与锂离子蓄电池单体负端相连，变压器的副边一端与锂离子蓄电池组正端相连，次级MOSFET电路D端与变压器的副边另一端相连，次级电流采样电路一端与次级MOSFET电路S端相连，次级电流采样电路另一端与锂离子蓄电池组负端相连，初级MOSFET电路G端、次级MOSFET电路G端均与核心控制单元连接；初级MOSFET电路G端、次级MOSFET电路G端接收核心控制单元发送的充电指令或者放电指令，变压器的原边、副边根据充电指令或者放电指令进行充电或者放电，其中，在进行充电时，使能锂离子蓄电池组对变压器副边进行充电、变压器原边对锂离子蓄电池单体进行充电，当进行放电时，使能锂离子蓄电池单体对变压器原边进行放电，变压器副边对锂离子蓄电池组充电。

所述的核心控制单元接收各个锂离子蓄电池的单体电压后计算整个锂离子蓄电池组平均单体电压，进而得到各个锂离子蓄电池的单体电压与锂离子蓄电池组平均单体电压的差值，根据各个锂离子蓄电池的单体电压与锂离子蓄电池组平均单体电压的差值、各个锂离子蓄电池的容量电压比得到各个锂离子蓄电池需要的充放电荷电量，对各个锂离子蓄电池需要的充放电荷电量的进行判断，如果锂离子蓄电池需要的充放电荷电量为正，则根据充放电荷电量、当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器计算得到理论放电时间，然后产生持续时间为理论放电时间的高电平信号送至初级MOSFET电路G端、次级MOSFET电路G端，其中，高电平信号首先送至初级MOSFET电路G端，控制完成当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器对当前锂离子蓄电池进行放电直至放电时间等于理论放电时间或者计算得到下一采集周期当前锂离子蓄电池的充放电荷电量；

如果锂离子蓄电池需要的充放电荷电量为负，则根据充放电荷电量绝对值、当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器计算得到理论充电时间，然后产生持续时间为理论充电时间的高电平信号送至初级MOSFET电路G端、次级MOSFET电路G端，其中，高电平信号首先送至次级MOSFET电路G端，控制当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器对当前锂离子蓄电池进行充电直至充电时间等于理论充电时间或者计算得到下一采集周期当前锂离子蓄电池的充放电荷电量；

如果锂离子蓄电池需要的充放电荷电量为0，则不进行操作，等待计算得到的下一采集周期充放电荷电量；接收充电或者放电电流后进行判断，当充电电流大于充电电流阈值时，控制当前充电电流对应的同步反激DC/DC变换器中次级MOSFET电路G端关断，当放电电流大于放电电流阈值时，控制当前放电电流对应的同步反激DC/DC变换器中初级MOSFET电路G端关断。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明与现有技术相比，通过提出一种基于DC/DC变换器的双向主动均衡电路，解决了锂离子蓄电池组中电池单体电压不均衡的问题，能够快速实现锂离子蓄电池组的电压均衡，具有很好的使用效果；

(2)本发明主动均衡电路与现有技术相比，通过采用同步控制方法，解决了蓄电池单体中能量的双向快速转移问题，具有快速实现锂离子蓄电池组电压均衡的优点；

(3)本发明主动均衡电路与现有技术相比，在实现锂离子蓄电池组电压均衡的的同时，还具有电路结构、控制逻辑简单，可靠性高的优点。

附图说明

图1为本发明一种基于同步反激DC/DC变换器的双向主动均衡电路结构示意图；

图2为本发明中单体n(1≤n≤N)充电均衡工作流程图，其中，N为正整数；

图3为本发明中单体n(1≤n≤N)放电均衡工作流程图；

图4为本发明中单体n(1≤n≤N)既不充电均衡也不放电均衡流程图。

具体实施方式

本发明针对现有的并联电阻实现锂离子蓄电池组均衡技术需要将高电压单体中的能量作为热量耗散掉带来的能量利用效率差的缺点，通过采用能量转移的方法来实现锂离子蓄电池组中各个电池单体的电压均衡，即将高电压单体中的能量有序地转移到低电压单体中，实现串联单体电压的一致性，下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示为一种基于同步反激DC/DC变换器的双向主动均衡电路结构示意图，包括有锂离子蓄电池组接线端、电压采集电路、同步反激DC/DC变换器、核心控制单元，还包括接线端(K0、K1……Kn)，其中，K0为锂离子蓄电池组的负极，K1为锂离子蓄电池组单体1的正极，以此类推，Kn为锂离子蓄电池组单体n的正极，锂离子蓄电池组单体1到锂离子蓄电池组单体n串联形成锂离子蓄电池组。

同步反激DC/DC变换器模块，包括多个同步反激DC/DC变换器，每个锂离子蓄电池单体均连接一个不同的同步反激DC/DC变换器，同步反激DC/DC变换器对连接的锂离子蓄电池单体进行充电或者放电，每个同步反激DC/DC变换器包括变压器、初级MOSFET电路、初级电流采样电路、次级MOSFET电路和次级电流采样电路。变压器原边一端与当前同步反激DC/DC变换器连接的锂离子蓄电池单体正端相连，初级MOSFET电路D端与变压器的原边另一端相连，初级电流采样电路一端与初级MOSFET电路S端相连，初级电流采样电路另一端与锂离子蓄电池单体负端相连，变压器的副边一端与锂离子蓄电池组正端相连，次级MOSFET电路D端与变压器的副边另一端相连，次级电流采样电路一端与次级MOSFET电路S端相连，次级电流采样电路另一端与锂离子蓄电池组负端相连，初级MOSFET电路G端、次级MOSFET电路G端均与核心控制单元连接。

电压采集模块，用于实现控制参数的电压采集，周期性采集锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池的单体电压后送至核心控制单元；在锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体充电或者放电过程中，实时采集各个锂离子蓄电池单体的充电电流或者放电电流，采样后通过数据总线送给核心控制单元。

核心控制单元，用于实现控制参数的逻辑判断，接收电压采集电路提供的各单体电压和各个同步反激DC/DC变换器中的原边和副边的充放电电流采样值，根据接收的各个锂离子蓄电池的单体电压计算整个锂离子蓄电池组的平均单体电压，进而得到各个锂离子蓄电池的单体电压与锂离子蓄电池组平均单体电压的差值，将各个锂离子蓄电池的单体电压与锂离子蓄电池组平均单体电压的差值、各个锂离子蓄电池的容量电压比相乘，得到各个锂离子蓄电池需要的充放电荷电量。锂离子蓄电池的容量电压比是锂离子蓄电池的固有特性，不同的锂离子蓄电池，其对应的容量电压比是不同的。对各个锂离子蓄电池单体需要的充放电荷电量进行判断，如果锂离子蓄电池单体需要的充放电荷电量为正，则根据充放电荷电量、当前锂离子蓄电池单体连接的同步反激DC/DC变换器计算得到理论放电时间，然后产生持续时间为理论放电时间的高电平信号送至初级MOSFET电路G端、次级MOSFET电路G端，其中，高电平信号首先送至初级MOSFET电路G端，控制当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器对当前锂离子蓄电池进行放电直至放电时间等于理论放电时间或者计算得到下一采集周期当前锂离子蓄电池的充放电荷电量；如果锂离子蓄电池需要的充放电荷电量为负，则根据充放电荷电量绝对值、当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器计算得到理论充电时间，然后产生持续时间为理论充电时间的高电平信号送至初级MOSFET电路G端、次级MOSFET电路G端，其中，高电平信号首先送至次级MOSFET电路G端，控制当前锂离子蓄电池连接的同步反激DC/DC变换器对当前锂离子蓄电池进行充电直至充电时间等于理论充电时间或者计算得到下一采集周期当前锂离子蓄电池的充放电荷电量；如果锂离子蓄电池需要的充放电荷电量为0，则不进行操作，等待计算得到的下一采集周期充放电荷电量；在同步反激DC/DC变换器充放电过程中，核心控制单元接收电压采集电路采集的充电电流和放电电流，并对充电和放电电流后进行判断，当充电电流大于充电电流阈值时，控制当前充电电流对应的同步反激DC/DC变换器中次级MOSFET电路G端关断，当放电电流大于放电电流阈值时，控制当前放电电流对应的同步反激DC/DC变换器中初级MOSFET电路G端关断。

本发明基于同步反激DC/DC变换器的双向主动均衡电路与现有技术相比，采用同步反激DC/DC变换器拓扑和同步控制方法，实现大电流的双向能量转移，对于任意一节锂离子蓄电池组单体，无论是此单体需要充电、还是放电或者是既不需要充电也不需要放电，本发明电路均能够完成，尤其是当多个锂离子蓄电池组中多个单体需要均衡时，本发明电路能够同时进行所有单体的均衡操作。

现有的锂离子蓄电池组采用本发明的均衡电路后，能够同时对所有需要均衡的单体进行快速充放电均衡，确保锂离子蓄电池组所有单体的电压一致性，保证锂离子蓄电池组的使用安全性和使用寿命。相对于其他主动均衡电路，本发明的变化主要体现在同步反激DC/DC变换器的应用及其同步控制逻辑，同步反激DC/DC变换器的原边输入端与锂离子蓄电池组的相应的电池单体正负极相连，副边输入端与蓄电池组的正负极相连，电压采集电路采集锂离子蓄电池组各单体电压和同步反激DC/DC变换器的采样电压，通过数据总线接入核心控制单元，同步反激DC/DC变换器的控制信号接入核心控制单元中。同步反激DC/DC变换器分别对应于每个锂离子蓄电池组单体，包括变压器、初级MOSFET电路、初级电流采样电路、次级MOSFET电路和次级电流采样电路。变压器用于实现电能的转移，即电能从单体转移到锂离子蓄电池组和电能从锂离子蓄电池组转移到单体，变压器的初级和次级的匝数比为1：T，初级MOSFET电路和次级MOSFET电路用于电能转移的控制，实现同步反激DC/DC变换控制，初级电流采样电路和次级电流采样电路用于充放电时的电流采样，经电压采集电路采集送到核心控制单元，核心控制单元依据采集的充放电电流，当其超过预先设定的阀值时，关断同步反激DC/DC变换器。

本发明单体n(1≤n≤N)需要充电时，均衡电路工作流程如表1和图2所示。

表1单体n需要充电时均衡工作过程

本发明单体n(1≤n≤N)需要放电电时，均衡电路工作流程如表2和图3所示。

表2单体n需要放电时均衡工作过程

本发明单体n(1≤n≤N)既不需要充电也不需要放电时，均衡电路工作流程如表3和图4所示。

表3单体n既不需要放电也不需要充电是均衡工作过程

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。