一种并联充电和双向反激式双重放电均衡的均衡电路及其控制方法与流程

本发明涉及一种并联充电和双向反激式双重放电均衡的均衡电路及其控制方法，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理技术领域。

背景技术：

随着时代的变化，经济的飞速发展，汽车成为主要交通工具的同时，加速了化石能源的消耗，加剧了环境的恶化。电动汽车渐渐走近公众的视野里，电动汽车因其清洁、环保、低噪音等优势必将成为未来的主流交通工具，然而对于电动汽车最为关键的技术便是储能，电能的储存能力直接制约着电动汽车行业的发展。随着电池及电池管理技术的飞速发展，锂离子电池具有能量密度大、标称电压相对较高、无记忆效应、无污染等优点受到了市场的青睐，被广泛应用于电动汽车的储能当中。

为了满足驱动电动汽车电机电压和电流的要求，需要把大量的单体锂离子电池串联起来使用。但由于1、电池在制作过程中，由于工艺等原因，同批次电池的容量、内阻等存在差异；2、电池自放电率的不同，长时间的积累，造成电池容量的差异；3、电池使用过程中，使用环境如（温度、电路板的差异等等）导致电池容量的差异。等等这些原因都会造成电池组中单体电池之间的不一致性。

串联的电池组容量又受最小单体电池容量的影响，各个单体电池间的不均衡不仅会使储存电量的减少还会使电池组的使用寿命缩短，所以需要对电池组进行能量均衡管理，以提高电池的放电容量和使用寿命。

技术实现要素：

针对电动汽车车载锂离子动力电池系统中大量串联的锂离子单体电池之间能量不一致的问题，本发明提供了一种并联充电和双向反激式双重放电均衡的均衡电路及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种并联充电和双向反激式双重放电均衡的均衡电路，由电池组、继电器ncj、双向反激式变压器、mosfet开关ma、mosfet开关nb、高反向电压肖基特二极管ga1、高反向电压肖基特二极管gb2构成；

所述电池组由n个单体电池ci组成，每两个相邻的单体电池间串接一个常闭继电器ncj，所述双向反激式变压器由变压器原线圈ti1、变压器副线圈ti2，mosfet开关qi1、mosfet开关qi2，高反向电压肖基特二极管di1、高反向电压肖基特二极管di2构成；

所述变压器原线圈te1的一端接单体电池ce的正极，变压器原线圈te1的另一端接mosfet开关qe1的漏极、高反向电压肖基特二极管de1的阴极，mosfet开关qe1的源极和高反向电压肖基特二极管de1的阳极接在单体电池ce的负极上；变压器副线圈te2的一端接单体电池c1的正极、mosfet开关me的漏极，变压器副线圈te2的另一端接mosfet开关qe2的漏极、高反向电压肖基特二极管de2的阴极，mosfet开关me的源极接高反向电压肖基特二极管ge1的阳极，高反向电压肖基特二极管ge1的阴极接在单体电池ce的正极上，mosfet开关qe2的源极和高反向电压肖基特二极管de2的阳极共同接二极管ge2的阴极、单体电池cn的负极，高反向电压肖基特二极管ge2的阳极接在mosfet开关ne的源极上，mosfet开关ne的漏极接在单体电池ce的负极上；

所述变压器原线圈t11的一端接单体电池c1的正极，变压器原线圈t11的另一端接mosfet开关q11的漏极、高反向电压肖基特二极管d11的阴极，mosfet开关q11的源极和高反向电压肖基特二极管d11的阳极接在单体电池c1的负极上；变压器副线圈t12的一端接单体电池c1的正极，变压器副线圈t12的另一端接mosfet开关q12的漏极、高反向电压肖基特二极管d12的阴极，mosfet开关q12的源极和高反向电压肖基特二极管d12的阳极共同接在二极管g12的阴极、单体电池cn的负极，高反向电压肖基特二极管g12的阳极接在mosfet开关n1的源极上，mosfet开关n1的漏极接在单体电池c1的负极上；

所述变压器原线圈tn1的一端接单体电池cn的正极，变压器原线圈tn1的另一端接mosfet开关qn1的漏极、高反向电压肖基特二极管dn1的阴极，mosfet开关qn1的源极和高反向电压肖基特二极管dn1的阳极接在单体电池cn的负极上；变压器副线圈tn2的一端接单体电池c1的正极、mosfet开关mn的漏极，变压器副线圈tn2的另一端接mosfet开关qn2的漏极、高反向电压肖基特二极管dn2的阴极，mosfet开关mn的源极接高反向电压肖基特二极管gn1的阳极，高反向电压肖基特二极管gn1的阴极接在单体电池cn的正极上，mosfet开关qn2的源极和高反向电压肖基特二极管dn2的阳极接在单体电池cn的负极上；

其中i=1,2,3,...n，j=1,2,3,...n-1，a=2,3,4,...n，b=1,2,3,...n-1，e=2,3,...n-1。

所述继电器型号为g8n-1l-dc12。

所述均衡电路进行充电均衡时，若某个单体电池达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池对应的mosfet开关断开，从而将单体电池隔离出充电电路，直至最终所有单体电池都达到充电截止电压，此时所有单体电池均隔离出充电电路，充电电路为断开状态；最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的；与单体电池ce对应的mosfet开关为mosfet开关me和mosfet开关ne，与单体电池c1对应的mosfet开关为mosfet开关n1，与单体电池cn对应的mosfet开关为mosfet开关mn。

所述均衡电路进行放电均衡时，若存在某个单体电池cx为电池组中最高soc单体电池，且其电压vx与电池组平均电压vav的差值△v1≥α时，采用pwm对与该单体电池cx对应的mosfet开关qx1进行高频通断控制：当qx1为导通状态时，此时电流从单体电池cx的正极流出经过变压器原线圈tx1、mosfet开关qx1回到单体电池cx的负极；当qx1为断开状态时，此时变压器副线圈tx2感应出对应的电动势电流从变压器副线圈tx2一端流出经负载回到变压器副线圈tx2另一端，从而将最高soc单体电池中的能量转移到电池组中；

若存在某个单体电池cy为电池组最低soc单体电池，且其电压vy与电池组平均电压vav的差值△v2≤β时，采用pwm对与该单体电池cy对应的mosfet开关qy2进行高频通断控制：当qy2为导通状态时，此时电流从单体电池c1的正极流出经过变压器副线圈ty2、mosfet开关qy2回到单体电池cn的负极；当qy2为断开状态时，此时变压器原线圈ty1感应出对应的电动势电流从变压器原线圈ty1一端流出经负载回到变压器原线圈ty1另一端，从而将电池组中的能量转移到最低soc单体电池中；

其中，，x,y∈[1,n]，△v1=vx—vav，△v2=vy—vav，α为正数、β为负数均表示阈值。

一种并联充电和双向反激式双重放电均衡的均衡电路的控制方法，所述方法包括充电均衡和放电均衡控制：

充电均衡：采用pwm控制所有mosfet开关ma、mosfet开关nb均为导通状态，控制所有mosfet开关qi1、mosfet开关qi2均为断开状态，控制常闭继电器ncj处于断开状态此时所有单体电池均直接并联在电源上，若某个单体电池达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池对应的mosfet开关断开，从而将单体电池隔离出充电电路，直至最终所有单体电池都达到充电截止电压，此时所有单体电池均隔离出充电电路，充电电路为断开状态；最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的；与单体电池ce对应的mosfet开关为mosfet开关me和mosfet开关ne，与单体电池c1对应的mosfet开关为mosfet开关n1，与单体电池cn对应的mosfet开关为mosfet开关mn；

放电均衡：采用pwm控制所有mosfet开关ma、mosfet开关nb均为断开状态，控制所有mosfet开关qi1、mosfet开关qi2均为断开状态，控制常闭继电器ncj处于接通状态此时所有单体电池为串联状态；

若存在某个单体电池cx为电池组中最高soc单体电池，且其电压vx与电池组平均电压vav的差值△v1≥α时，采用pwm对与该单体电池cx对应的mosfet开关qx1进行高频通断控制：当qx1为导通状态时，此时电流从单体电池cx的正极流出经过变压器原线圈tx1、mosfet开关qx1回到单体电池cx的负极；当qx1为断开状态时，此时变压器副线圈tx2感应出对应的电动势电流从变压器副线圈tx2一端流出经负载回到变压器副线圈tx2另一端，从而将最高soc单体电池中的能量转移到电池组中；

若存在某个单体电池cy为电池组最低soc单体电池，且其电压vy与电池组平均电压vav的差值△v2≤β时，采用pwm对与该单体电池cy对应的mosfet开关qy2进行高频通断控制：当qy2为导通状态时，此时电流从单体电池c1的正极流出经过变压器副线圈ty2、mosfet开关qy2回到单体电池cn的负极；当qy2为断开状态时，此时变压器原线圈ty1感应出对应的电动势电流从变压器原线圈ty1一端流出经负载回到变压器原线圈ty1另一端，从而将电池组中的能量转移到最低soc单体电池中；

其中，，x,y∈[1,n]，△v1=vx—vav，△v2=vy—vav，α为正数、β为负数均表示阈值。

本发明的有益效果是：本发明可以实现并联充电，当任意一个单体电池达到设定的截止电压时便将该单体电池隔离出充电电路，最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的。放电均衡采用一系列的双向反激式变压器通过pwm控制mosfet开关从而改变电路结构同时给电池组中soc最低的单体电池和soc最高的单体电池进行均衡（soc即荷电状态也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示），该种放电均衡方法同时考虑最高soc单体电池和最低soc单体电池的均衡，加快了均衡速率，可以有效减小各个单体电池之间的不一致性。通过该均衡电路可以明显的提高充电的速度，且充电时不需要额外的均衡电路来保持各个单体电池的一致性，放电均衡同时对最高soc单体电池和最低soc单体电池进行均衡以提高均衡速率。该均衡电路原理简单，控制容易，均衡速率快。电池组为n个单体电池组成的电池组，且n的奇偶性不影响电池组结构，方便拓展电路结构。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是n个单体电池的充电均衡电路原理图；

图3是n个单体电池的放电均衡电路原理图；

图4是4个单体电池的充电均衡电路原理图；

图5是4个单体电池充电均衡等效电路图；

图6是4个单体电池的放电均衡电路原理图；

图7是4个单体电池放电均衡等效电路图；

其中，如附图所示，灰色部分为断开状态，黑色部分为导通或工作状态。(注图7中的①②代表能量由①转移到②中）。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种并联充电和双向反激式双重放电均衡的均衡电路，由电池组、继电器ncj、双向反激式变压器、mosfet开关ma、mosfet开关nb、高反向电压肖基特二极管ga1、高反向电压肖基特二极管gb2构成；

所述电池组由n个单体电池ci组成，每两个相邻的单体电池间串接一个常闭继电器ncj，所述双向反激式变压器由变压器原线圈ti1、变压器副线圈ti2，mosfet开关qi1、mosfet开关qi2，高反向电压肖基特二极管di1、高反向电压肖基特二极管di2构成；

所述变压器原线圈te1的一端接单体电池ce的正极，变压器原线圈te1的另一端接mosfet开关qe1的漏极、高反向电压肖基特二极管de1的阴极，mosfet开关qe1的源极和高反向电压肖基特二极管de1的阳极接在单体电池ce的负极上；变压器副线圈te2的一端接单体电池c1的正极、mosfet开关me的漏极，变压器副线圈te2的另一端接mosfet开关qe2的漏极、高反向电压肖基特二极管de2的阴极，mosfet开关me的源极接高反向电压肖基特二极管ge1的阳极，高反向电压肖基特二极管ge1的阴极接在单体电池ce的正极上，mosfet开关qe2的源极和高反向电压肖基特二极管de2的阳极共同接二极管ge2的阴极、单体电池cn的负极，高反向电压肖基特二极管ge2的阳极接在mosfet开关ne的源极上，mosfet开关ne的漏极接在单体电池ce的负极上；

所述变压器原线圈t11的一端接单体电池c1的正极，变压器原线圈t11的另一端接mosfet开关q11的漏极、高反向电压肖基特二极管d11的阴极，mosfet开关q11的源极和高反向电压肖基特二极管d11的阳极接在单体电池c1的负极上；变压器副线圈t12的一端接单体电池c1的正极，变压器副线圈t12的另一端接mosfet开关q12的漏极、高反向电压肖基特二极管d12的阴极，mosfet开关q12的源极和高反向电压肖基特二极管d12的阳极共同接在二极管g12的阴极、单体电池cn的负极，高反向电压肖基特二极管g12的阳极接在mosfet开关n1的源极上，mosfet开关n1的漏极接在单体电池c1的负极上；

所述变压器原线圈tn1的一端接单体电池cn的正极，变压器原线圈tn1的另一端接mosfet开关qn1的漏极、高反向电压肖基特二极管dn1的阴极，mosfet开关qn1的源极和高反向电压肖基特二极管dn1的阳极接在单体电池cn的负极上；变压器副线圈tn2的一端接单体电池c1的正极、mosfet开关mn的漏极，变压器副线圈tn2的另一端接mosfet开关qn2的漏极、高反向电压肖基特二极管dn2的阴极，mosfet开关mn的源极接高反向电压肖基特二极管gn1的阳极，高反向电压肖基特二极管gn1的阴极接在单体电池cn的正极上，mosfet开关qn2的源极和高反向电压肖基特二极管dn2的阳极接在单体电池cn的负极上；

其中i=1,2,3,...n，j=1,2,3,...n-1，a=2,3,4,...n，b=1,2,3,...n-1，e=2,3,...n-1。

进一步地，可以设置所述继电器型号为g8n-1l-dc12。

进一步地，可以设置所述高反向电压肖基特二极管采用sr2200。

进一步地，可以设置所述均衡电路进行充电均衡时，若某个单体电池达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池对应的mosfet开关断开，从而将单体电池隔离出充电电路，直至最终所有单体电池都达到充电截止电压，此时所有单体电池均隔离出充电电路，充电电路为断开状态；最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的；与单体电池ce对应的mosfet开关为mosfet开关me和mosfet开关ne，与单体电池c1对应的mosfet开关为mosfet开关n1，与单体电池cn对应的mosfet开关为mosfet开关mn。

进一步地，可以设置所述均衡电路进行放电均衡时，若存在某个单体电池cx为电池组中最高soc单体电池，且其电压vx与电池组平均电压vav的差值△v1≥α时，采用pwm对与该单体电池cx对应的mosfet开关qx1进行高频通断控制：当qx1为导通状态时，此时电流从单体电池cx的正极流出经过变压器原线圈tx1、mosfet开关qx1回到单体电池cx的负极；当qx1为断开状态时，此时变压器副线圈tx2感应出对应的电动势电流从变压器副线圈tx2一端流出经负载回到变压器副线圈tx2另一端，从而将最高soc单体电池中的能量转移到电池组中；若存在某个单体电池cy为电池组最低soc单体电池，且其电压vy与电池组平均电压vav的差值△v2≤β时，采用pwm对与该单体电池cy对应的mosfet开关qy2进行高频通断控制：当qy2为导通状态时，此时电流从单体电池c1的正极流出经过变压器副线圈ty2、mosfet开关qy2回到单体电池cn的负极；当qy2为断开状态时，此时变压器原线圈ty1感应出对应的电动势电流从变压器原线圈ty1一端流出经负载回到变压器原线圈ty1另一端，从而将电池组中的能量转移到最低soc单体电池中；

其中，，x,y∈[1,n]，△v1=vx—vav，△v2=vy—vav，α为正数、β为负数均表示阈值。

一种并联充电和双向反激式双重放电均衡的均衡电路的控制方法，所述方法包括充电均衡和放电均衡控制：

充电均衡：电池组在充电过程中（如图2），采用pwm控制所有mosfet开关ma、mosfet开关nb均为导通状态，控制所有mosfet开关qi1、mosfet开关qi2均为断开状态，控制常闭继电器ncj处于断开状态此时所有单体电池均直接并联在电源上，若某个单体电池达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池对应的mosfet开关断开，从而将单体电池隔离出充电电路，直至最终所有单体电池都达到充电截止电压，此时所有单体电池均隔离出充电电路，充电电路为断开状态；最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的；与单体电池ce对应的mosfet开关为mosfet开关me和mosfet开关ne，与单体电池c1对应的mosfet开关为mosfet开关n1，与单体电池cn对应的mosfet开关为mosfet开关mn；

放电均衡：电池组在放电过程中（如图3），采用pwm控制所有mosfet开关ma、mosfet开关nb均为断开状态，控制所有mosfet开关qi1、mosfet开关qi2均为断开状态，控制常闭继电器ncj处于接通状态此时所有单体电池为串联状态；

若存在某个单体电池cx为电池组中最高soc单体电池，且其电压vx与电池组平均电压vav的差值△v1≥α时，采用pwm对与该单体电池cx对应的mosfet开关qx1进行高频通断控制（qi2（i=1,2,3,...n）、qi1（i=1,2,3,...n&i≠x）为断开状态）：当qx1为导通状态时，此时电流从单体电池cx的正极流出经过变压器原线圈tx1、mosfet开关qx1回到单体电池cx的负极；当qx1为断开状态时，此时变压器副线圈tx2感应出对应的电动势电流从变压器副线圈tx2一端流出经负载回到变压器副线圈tx2另一端，从而将最高soc单体电池中的能量转移到电池组中；

若存在某个单体电池cy为电池组最低soc单体电池，且其电压vy与电池组平均电压vav的差值△v2≤β时，采用pwm对与该单体电池cy对应的mosfet开关qy2进行高频通断控制（qi2（i=1,2,3,...n&i≠y）、qi1（i=1,2,3,...n）为断开状态）：当qy2为导通状态时，此时电流从单体电池c1的正极流出经过变压器副线圈ty2、mosfet开关qy2回到单体电池cn的负极；当qy2为断开状态时，此时变压器原线圈ty1感应出对应的电动势电流从变压器原线圈ty1一端流出经负载回到变压器原线圈ty1另一端，从而将电池组中的能量转移到最低soc单体电池中；

若满足两种情况，则同时控制；若都不满足，则不做处理。

该放电均衡方案当只有最高soc单体电池电压与平均电压的差值△v1≥α时，只将该单体电池中的能量均衡到电池组中，当只有最低soc单体电池电压与平均电压的差值△v2≤β时，只将电池组中的能量均衡到该单体电池中。当最高soc单体电池电压与平均电压的差值△v1≥α，最低soc单体电池电压与平均电压的差值△v2≤β时，将最高soc单体电池中的能量均衡到电池组中同时将电池组中的能量均衡到最低soc单体电池中，从而保持各单体电池的一致性。

其中，，x,y∈[1,n]，△v1=vx—vav，△v2=vy—vav，α为正数、β为负数均表示阈值。

实施例2：以4个单体电池为例。

在充电过程中（如图4、5），采用pwm控制mosfet开关只导通ma（a=2,3,4）、nb（b=1,2,3），控制常闭继电器ncj（j=1,2,3,...n-1）接通使其处于断开状态此时所有单体电池均直接并联在电源上，假设单体电池达到充电截止电压的顺序依次为c3、c2、c1、c4。

（1）控制与单体电池c3对应的mosfet开关m3、n3断开，从而将单体电池c3隔离出充电电路。

（2）控制与单体电池c2对应的mosfet开关m2、n2断开，从而将单体电池c2隔离出充电电路。

（3）控制与单体电池c1对应的mosfet开关n1断开，从而将单体电池c3隔离出充电电路。

（4）控制与单体电池c4对应的mosfet开关m4断开，从而将单体电池c2隔离出充电电路。

最终所有单体电池都达到充电截止电压，此时所有单体电池均隔离出充电电路，充电电路为断开状态。最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的。

在放电过程中（如图6、7）常闭继电器ncj（j=1,2,3,...n-1）处于接通状态此时所有单体电池为串联状态。假设c2为最高soc单体电池、c3为最低soc单体电池。则即单体电池c2的电压v2与电池组平均电压vav的差值；即单体电池c3的电压v3与电池组平均电压vav的差值。

（1）若只有△vmax≥α（正数）时，此时采用pwm对与该单体电池c2对应的mosfet开关q21进行高频通断控制（qi1（i=1,3,4,）、qi2（i=1,2,3,4）为断开状态），当q21为导通状态时，此时电流从单体电池c2的正极流出经过变压器原线圈t21（储存能量）、mosfet开关q21回到单体电池c2的负极，当q21为断开状态时，此时变压器副线圈t22感应出对应的电动势电流从副线圈t22一端流出经负载回到副线圈t22另一端，从而将最高soc单体电池中的能量转移到电池组中；

（2）若只有△vmin≤β（负数）时，此时采用pwm对与该单体电池c3对应的mosfet开关q32进行高频通断控制（qi1（i=1,2,3,4）、qi2（i=1,2,4,）为断开状态），当q32为导通状态时，此时电流从单体电池c1的正极流出经过变压器副线圈t32（储存能量）、mosfet开关q32回到单体电池cn的负极，当q32为断开状态时，此时变压器原线圈t31感应出对应的电动势电流从原线圈t31一端流出经负载回到原线圈t31另一端，从而将电池组中的能量转移到最低soc单体电池中。

（3）若△vmax≥α（正数）且△vmin≤β（负数）时，采用pwm对与单体电池c2对应的mosfet开关q21、c3对应的mosfet开关q32进行高频通断控制（qi1（i=1,3,4,）qi2（i=1,2,4）、为断开状态），当q21为导通状态时，此时电流从单体电池c2的正极流出经过变压器原线圈t21（储存能量）、mosfet开关q21回到单体电池c2的负极，当q21为断开状态时，此时变压器副线圈t22感应出对应的电动势电流从副线圈t22一端流出经负载回到副线圈t22另一端，从而将最高soc单体电池中的能量转移到电池组中；当q32为导通状态时，此时电流从单体电池c1的正极流出经过变压器副线圈t32（储存能量）、mosfet开关q32回到单体电池cn的负极，当q32为断开状态时，此时变压器原线圈t31感应出对应的电动势电流从原线圈t31一端流出经单体负载回到原线圈t31另一端，从而将电池组中的能量转移到最低soc单体电池中。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。