基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器及方法

1.本发明属于电池均衡技术领域，尤其涉及基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器及方法。


背景技术：

2.近年来，随着电动汽车行业的发展，大量的锂离子电池组投入市场。为提高电池组整体的容量以及寿命，电池均衡器被提出以及应用。传统的电池均衡器，无论是能量耗散还是转移，都需要大量的电流或电压传感器来观测电池状态。串联的电池组数量很多时，传感器数量也随着增加，系统的成本、体积和复杂度都将大大增加。基于此，一些无需传感器的均衡器方案被提出，这类均衡方案通过固定的运行状态也能实现电池单体间的电压均衡。
3.参考图1(a)所示，是一种基于正反激变换器的电池均衡器，这种均衡器利用一组占空比固定50％的互补驱动信号驱动mosfet，利用变压器励磁电感来实现能量传输。图1(b)是一种改进的均衡器，同样采用一组占空比固定50％的互补驱动信号驱动mosfet，相比于图1，变压器绕组数量减半，且变压器漏感时刻存在续流回路。上述两种技术都能采用一种基于变压器辅助绕组的模块化方法。但是，参考图2(a)与(b)所示，由于辅助绕组上存在漏感，该漏感会阻碍模块间的能量传输，并造成回流能量。一方面会降低均衡速度，并使传输效率受损；另一方面，漏感的影响会随着实际漏感的增大而增大。此外，为了降低漏感，变压器设计和制作难度增加，进而影响系统的整体成本。


技术实现要素：

4.本发明提供基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器，旨在解决现有技术中的电池均衡器均衡速度与传输效率低，且成本高的问题。
5.本发明是这样实现的，提供基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器，包括：电池组，每个所述电池组包括多个电池模块，每个所述电池模块包括多个并联的均衡电路和一个多绕组变压器，每个所述均衡电路包括电池、电池侧绕组、两个谐振电容和两个mosfet晶体管；
6.所述电池与两个串联的所述mosfet晶体管并联，且所述两个谐振电容串联后连接在所述电池的两端；
7.所述电池侧绕组匝数一致，且同名端连接在两个所述mosfet晶体管之间，另一端连接在所述谐振电容之间，所述电池侧绕组上的漏感作为谐振电感工作；
8.所述多绕组变压器由同一电池模块中每个均衡电路的所述电池侧绕组和一个辅助绕组绕制在一个磁芯上构成，且所有不同电池模块中的所述辅助绕组的同名端并联；
9.对于各个所述电池模块而言，通过采集各所述电池模块的电压值判断各个所述电池模块是否需要进行均衡，根据所述电池模块的电压值和电路中的固定参数计算对应的电池模块中所述mosfet晶体管的驱动信号的移相角，并根据所述电池模块的电压值在均衡过程中的变化实时调整移相角，实现对电池组中所述电池模块的能量均衡。
10.更进一步地，通过控制器向每个所述电池模块输入一对驱动信号，且所述驱动信号为互补驱动信号。
11.更进一步地，每个所述电池模块接收到的所述互补驱动信号包括带有固定死区为6％且占空比为44％的驱动信号。
12.更进一步地，所述电池组包括m个所述电池模块。
13.更进一步地，m个所述电池模块中所述mosfet晶体管为增强型nmos管。
14.更进一步地，每个所述均衡电路中电池b
mn
的正极连接到增强型nmos管s
mn_1
的漏极，所述电池b
mn
的负极分别连接增强型nmos管s
mn_2
的源极形成串联闭合，谐振电容c
mn_1
与谐振电容c
mn_2
串联后所述谐振电容c
mn_1
一端并联在电池的正极，所述谐振电容c
mn_2
一端并联在电池的负极，其中，m表示第m组电池模块，n表示每组电池模块中的第n组均衡电路。
15.更进一步地，所述电池组中的电池包括至少两个，且所述电池的类型包括动力电池。
16.本实施例还提供一种基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡方法，基于变压器漏感和移相控制的模块化电池中包括电池组，所述电池组包括m个电池模块，m个所述电池模块包括的辅助绕组的同名端并联，具体均衡过程包括以下步骤：
17.采集每个所述电池模块上的电压值，基于所述电压值判断每个电池是否需要均衡；
18.若所述电池需要均衡，则根据每个所述电池模块的电压值和电路中的固定参数计算每个所述电池模块中mosfet晶体管的驱动信号的移相角；
19.基于所述辅助绕组上的漏感，以及所述电池模块中mosfet晶体管驱动信号的移相角控制电路中漏感电流的幅值和波形，从而控制所述电池模块间的传输功率，所述传输功率在安全范围内越大均衡速度越快；
20.基于所述电池模块间的传输功率对所述电池组中的电池模块进行能量均衡。
21.更进一步地，基于所述电池模块间的传输功率对所述电池组中的电池模块进行能量均衡，包括：
22.根据计算出的移相角，通过高能电池模块向低能电池模块放电，直到所有所述电池模块的能量状态一致。
23.本发明所达到的有益效果：本技术提供的基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器在每个电池模块中增加均衡电路，对于每个电池模块而言，所包含的所有电池可以实现自动均衡，且对于各个电池模块而言，通过采集各电池模块的电压值，基于电压值判断电池模块需要均衡时，基于电路中的漏感，结合电压值与电路的固有参数计算各电池模块中mosfet晶体管的驱动信号的移相角，并根据电池模块的电压值在均衡过程中的变化实时调整移相角，实现对电池组中所述电池模块的能量均衡。可见，本发明实施例结合了移相控制，通过相位控制电池模块间的传输功率，将辅助绕组上漏感作为能量中转器件，消除了漏感对各电池模块间能量传输的阻碍，加快了电池模块间均衡速度并提高传输效率，且有效利用了电路中的漏感而无需变压器进行调整，节约了整体的成本。
附图说明
24.图1是现有技术提供的两种电池均衡器；
25.图2是现有技术提供的基于图1的两种模块化电池均衡器；
26.图3是本发明实施例提供的基础电路拓扑电路图及等效电路图；
27.图4a是本发明实施例提供的基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器的电路图；
28.图4b是本发明实施例提供的图4a的等效电路图；
29.图5是本发明实施例提供的各电池模块对应的关键波形图；
30.图6是本发明实施例提供的多全桥变压器电路图及多全桥变压器电路的等效电路图；
31.图7是本发明实施例提供的模块化均衡器样机及实验平台示意图；
32.图8是本发明实施例提供的两组各电池模块间均衡电流的波形图；
33.图9a是本发明实施例提供的各电池模块间均衡电压的第一组波形图；
34.图9b是本发明实施例提供的各电池模块间均衡电压的第二组波形图；
35.图10是本发明实施例提供的一种模块化电池均衡方法的流程图。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.参考图3(a)、图4(a)所示，其中，图3(a)为本实施例提供的每个电池模块的基础电路结构，图4(a)是在图3(a)的基础上进行拓扑得到。图4(a)为本实施例提供的基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器的电路图。本实施例提供的基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器，包括：
38.电池组，每个电池组包括多个电池模块，每个电池模块包括多个并联的均衡电路和一个多绕组变压器，每个均衡电路包括电池、电池侧绕组、两个谐振电容和两个mosfet晶体管；
39.电池与两个串联的mosfet晶体管并联，且两个谐振电容串联后连接在电池的两端；
40.电池侧绕组匝数一致，且同名端连接在两个mosfet晶体管之间，另一端连接在谐振电容之间，电池侧绕组上的漏感作为谐振电感工作；
41.多绕组变压器由同一电池模块中每个均衡电路的电池侧绕组和一个辅助绕组绕制在一个磁芯上构成，且所有不同电池模块中的辅助绕组的同名端并联；
42.对于各个电池模块而言，通过采集各电池模块的电压值判断各个电池模块是否需要进行均衡，根据电池模块的电压值和电路中的固定参数计算对应的电池模块中mosfet晶体管的驱动信号的移相角，并根据电池模块的电压值在均衡过程中的变化实时调整移相角，实现对电池组中电池模块的能量均衡。
43.具体的，参考图4(a)所示，每个电池组包括多个电池模块，每个电池模块中包括有多个并联的均衡电路，每一均衡电路为对应的电池模块进行能量均衡。上述每个电池模块分别连接控制器，通过控制器向每组电池模块的mosfet晶体管分别输入驱动信号pwm+与pwm-，且驱动信号为互补驱动信号，互补驱动信号可以是带有固定死区为6％且占空比为
44％的驱动信号，当然互补驱动信号带有的固定死区与占空比不是唯一的，也可以是其他参数，例如：互补驱动信号为带有固定死区为10％且占空比为40％的驱动信号，或者互补驱动信号为带有固定死区为15％且占空比为35％的驱动信号。
44.其中，每个电池模块中的mosfet晶体管的上桥臂由pwm+驱动，下桥臂由pwm-驱动，共有三组驱动信号，且三组驱动信号之间存在一定移相角。每个均衡电路中的两个驱动信号互补开通，开通时间为谐振腔谐振周期的一半，同时，需带有一定时间的死区。谐振频率如下式(1)所示：
[0045][0046]
其中，fr为谐振频率，l为电池侧绕组中的漏感量，c为谐振电容的容值。图3(b)是图3(a)的等效电路图，从图3(b)中得知，在谐振周期与开通时间匹配时，几个电池仅通过几个等效电阻相连，因此能量自动从电压较高的电池传输至电压较低的电池。
[0047]
优选地，上述电池模块中mosfet晶体管为增强型nmos管。
[0048]
更具体的，对每个电池来说，需要两个mosfet晶体管构成的半桥结构。以与电池b
11
连接的均衡电路为例，该均衡电路包括两个谐振电容c
11_1
和c
11_2
，两个增强型nmos管s
11_1
和s
11_2
，一个电感l
11
，以及一个电池侧绕组t
11
。更具体的，电池b
11
的正极连接到增强型nmos管s
11_1
的漏极，电池b
11
的负极连接增强型nmos管s
11_2
的源极形成串联闭合，谐振电容c
11_1
和c
11_2
串联后谐振电容c
11_1
一端并联在电池的正极，谐振电容c
11_2
一端并联在电池的负极。电感l
11
一端连接在增强型nmos管s
11_1
与增强型nmos管s
11_2
之间，另一端串联电池侧绕组t
11
后连接到谐振电容c
11_1
和c
11_2
之间。此外，多个电池侧绕组(t
11
、t
12
，，，)与辅助绕组t
1_1
绕制在一个磁芯上，构成一个多绕组变压器，且所有不同电池模块中的辅助绕组的同名端并联。同理，其他的均衡电路同上述连接方式，在此不再赘述。
[0049]
需要指出的是，各个均衡电路的电路结构和元器件的参数是一致的，由于动力电池组中电池的个数一般为几十上百个，故本领域技术人员也完全可以根据电池串联个数的实际情况，选择将上述图4(a)中每个电池模块中的变压器拓展为具备更多绕组的变压器，使得每个电池都因连接均衡电路而具备均衡功能，从而实现更多电池的能量均衡。此外，电池组中的电池包括至少两个，且电池的类型包括动力电池，当然也可以是储能电池。
[0050]
优选地，本实施例可以通过电压传感器采集每个电池模块的电压值，通过电压值来判断电池是否需要能量均衡，并根据电路中的固有参数以及电池模块间的电压关系计算各电池模块间中mosfet晶体管的驱动信号(pwm+与pwm-)的移相角，从而控制各电池模块之间的传输功率。以电池组包含三个电池模块为例，每个电池模块的波形如图5所示，其中：
[0051]
pwm1、pwm2、pwm3分别为图4(a)中电池模块1、电池模块2、电池模块3的驱动信号在周期中的变化波形图。u
lm1
、u
lm2
、u
lm3
分别为电池模块1、电池模块2、电池模块3的电压值在周期中的变化波形图。u*为辅助绕组同名端并联的中点处的电压值的波形图。i
a1
、i
a2
、i
a3
分别为电池模块1、电池模块2、电池模块3一一对应的辅助绕组上的电流。
[0052]
具体的，每个电池模块中多绕组变压器励磁电感上的电压值的波形为一个近似交流方波，而考虑到辅助绕组将这几个交流方波并联后，对应的等效电路与多全桥变换器(mab)的等效电路类似，因此可以用移相控制来控制模块间的功率流向。
[0053]
更具体的，mab的功率表达式可以用基本的双有源全桥变换器(dab)来说明，dab的电路结构与等效电路分别对应图6(a)与图6(b)所示。dab中两个端口间的功率p
xy
可由上桥臂与下桥臂间的移相角控制，具体关系如下式(2)所示：
[0054][0055]
其中，u
lmx
、u
lmy
分别为两个端口等效方波的幅值，l
eqxy
表示不同电池模块端口间等效电感，d
xy
＝d
y-d
x
表示不同电池模块方波间的移相角，fs为本电路中设定的开关频率。该表达式可以沿用于本方案，可得三个电池模块间的传输功率表达式如下式(3)所示：
[0056][0057]
其中，la表示端口间等效电感量。根据上述公式(3)可以看出移相角d
xy
与功率pi之间的关系，除了移相角d
xy
外，其余参数均为电路的固定参数。因此，可以基于辅助绕组上的漏感，结合电路中的固定参数，通过调节各电池模块间的移相角，改变三个电池模块间的传输功率，根据传输功率对电池组中的电池模块进行能量均衡。
[0058]
为充分理解本实施例提供的基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器，下面结合图4(a)和图5进行三组电池模块的运行分析：
[0059]
正常运行模式，其波形如图5所示；
[0060]
模态1[t
0-t1]：pwm1中驱动信号为pwm1+，电池模块1上桥臂开通，pwm2中驱动信号pwm2-，pwm3中驱动信号pwm3-，电池模块2、3下桥臂开通，且u
lm1
有电压值，i
a1
电流从负上升为正实现导通。该过程中，因为有电流i
a1
存在，一般是电压最高的电池对应的谐振电流开始上升。i
a2
与i
a3
电流逐渐降低为0，电池模块2与电池模块3不工作。
[0061]
模态2[t1–
t2]：pwm1中驱动信号为pwm1+、pwm2中驱动信号pwm2+，上桥臂导通，pwm3中驱动信号pwm3-，下桥臂导通，电池模块1与电池模块2的桥臂上管开通，且u
lm1
、u
lm2
有电压值，u*达到一半，i
a1
继续上升实现导通，均衡速度上升，i
a2
与i
a3
电流为负，电池模块3不工作。
[0062]
模态3[t2–
t3]：pwm1中驱动信号为pwm1+，pwm2中驱动信号pwm2+，pwm3中驱动信号pwm3+，都为上桥臂导通，u
lm1
、u
lm2
、u
lm3
有同等的电压，u*达到满电压，i
a1
继续上升实现导通，均衡速度上升，i
a2
与i
a3
电流为负。
[0063]
模态4[t3–
t4]：pwm1中驱动信号为pwm1-，下桥臂导通，pwm2中驱动信号pwm2+、pwm3中驱动信号pwm3+，上桥臂导通，此时模态内的电流电压变化与模态1类似，方向相反。
[0064]
模态5[t4–
t5]：pwm1中驱动信号为pwm1-、pwm2中驱动信号pwm2-，下桥臂导通，pwm3中驱动信号pwm3+，上桥臂导通，此时模态内的电流电压变化与模态2类似，方向相反。
[0065]
模态6[t5–
ts]：pwm1中驱动信号为pwm1-、pwm2中驱动信号pwm2-、pwm3中驱动信号pwm3-，下桥臂导通，此时模态内的电流电压变化与模态3类似，方向相反。
[0066]
针对上述实施例，本发明在另外一个实施例中还进行了硬件实验测试。本实施用包含三个电池模块、九个电池的电池组构建了一台样机，主要用于验证电路拓扑的可行性。参考图7所示，图7为基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器样机及实验平台示意图。
[0067]
其中，电池模块1中mosfet上管由pwm1+驱动，下管由pwm1+驱动。电池模块2中mosfet上管由pwm2+驱动，下管由pwm2+驱动。电池模块3中mosfet上管由pwm3+驱动，下管由pwm3+驱动，三组互补驱动信号间存在一定移相角。样机由控制器产生三对带有固定死区6％，占空比为44％的互补驱动信号pwmj+和pwm
j-(j＝1,2,3,,,)，开关频率为75khz，谐振腔谐振频率设置为f＝85khz。每个电池模块中谐振电容值c＝2μf，谐振电感值l＝0.86μh。变压器辅助绕组漏感值为la＝0.58μh。
[0068]
具体的，参考图8所示，图8是本发明实施例提供的各电池模块间均衡电流的波形图。本实例分别进行了两组(a与b)实验，其中图8(a)以直接并联辅助绕组的模块化方法作为对比案例进行，图8(b)为本实施例提供的基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡器的案例。
[0069]
首先，直接将三个电池模块的辅助绕组同名端并联。令所有pwm驱动信号保持同相位，如图8(a)为各电池模块间电流的波形，该实验反映了传统方法中漏感对各电池模块间能量传输的阻碍。然后，在电池模块间的驱动信号pwm上分别增加了一个移相角，如图8(b)为各电池模块间电流的波形。可以看到，图8(b)相比于图8(a)，其电流波形幅值更高，意味着均衡速度得到提高。
[0070]
更具体的，基于上述图8的实验条件继续进行两次均衡实验，在相同的初始电压条件下，在175分钟后，直接并联辅助绕组的电池模块化方法的电压差最小为0.39v，如图9(a)所示。而本发明提出的模块化电池均衡器的方法对应电压差在85分钟后降到0.02v，意味着更快的均衡速度，均衡结果分别如图9(b)所示。由此，证明了本发明实施例提出的模块化电池均衡器基于变压器漏感和移相控制的方法确实能够提高电池均衡的速度。
[0071]
通过上述实验可知，电池模块中串联电池的能量均衡是一个长期过程，会从电池间电压差较高慢慢收敛到电压差基本为零，能使得模块化均衡器在一段电压差范围内均能实现最大传输电流，意味着均衡速度能得到有效的提高。本发明所提出的方案无论在哪种电池电压差情况下均衡电流都高于传统无传感器均衡器，所以可以实现更快速的自动均衡。
[0072]
在本发明实施例中，由于提供的模块化均衡器可以通过采集各电池模块间的电压值，根据每个电池模块的电压值和电路中的固定参数计算每个电池模块中mosfet晶体管的驱动信号的移相角，基于辅助绕组上的漏感，以及移相角控制电路中漏感电流的幅值和波形，从而控制电池模块间的传输功率，通过高能电池模块向低能电池模块放电，直到所有电池模块的能量状态一致，最终以达到快速实现电池能力均衡。可见，本发明实施例结合了移相角控制，通过相位控制电池模块间的传输功率，将辅助绕组上漏感作为能量中转器件，消除了漏感对各电池模块间能量传输的阻碍，加快了电池模块间均衡速度，提高了传输效率，且有效利用了电路中的漏感而无需变压器进行调整，节约了整体的成本。
[0073]
本发明实施例还提供基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡方法，具体均衡过程包括以下步骤：
[0074]
s1、采集每个电池模块上的电压值，基于电压值判断每个电池是否需要均衡。
[0075]
其中，基于变压器漏感和移相控制的模块化电池中包括电池组，电池组包括m个电池模块，每个池模块包括一辅助绕组与一均衡电路，每个均衡电路包括电池、电池侧绕组、两个谐振电容和两个mosfet晶体管，其中，辅助绕组的同名端并联。具体的，可以通过电压传感器采集上述各个电池模块中的电压，然后根据各电池模块的电压值大小判断是否需要能量均衡，例如：两两电池模块之间的电压差不均衡，则表示需要进行能量均衡。
[0076]
s2、若电池需要均衡，则根据每个电池模块的电压值和电路中的固定参数计算每个电池模块中mosfet晶体管的驱动信号的移相角。
[0077]
其中，若判断出需要进行电池能量均衡，则可以根据各电池模块中采集到的电压值进行调节，根据每个电池模块的电压值和电路中的固定参数计算每个电池模块中mosfet晶体管的驱动信号的移相角，如上式(2)。
[0078]
s3、基于辅助绕组上的漏感，以及电池模块中mosfet晶体管驱动信号的移相角控制电路中漏感电流的幅值和波形，从而控制电池模块间的传输功率，传输功率在安全范围内越大均衡速度越快。
[0079]
其中，在电池模块间的pwm上分别增加移相角，增加一移相角之后，可以基于辅助绕组上的漏感以及对应的移相角控制漏感电流i
a1
、i
a2
、i
a3
幅值变化以及波形，结合式(3)所示，从而控制电池模块间的传输功率。且幅值变化更大，传输功率在安全范围内越大，表示电池均衡速度越快。
[0080]
s4、基于电池模块间的传输功率对电池组中的电池模块进行能量均衡。
[0081]
其中，根据上述公式(3)可以得到移相角、电池模块中固定参数与电池模块功率之间的关系。因此，可以基于相同的初始电压条件下，通过获取到的电压差在85min后就降为了0.02v，这表示能够更快的均衡速度，均衡结果参考如图9(b)所示。得到不同电池模块之间的传输功率之后，便可以对电池组中的电池模块进行能量均衡。具体可以是通过高能电池模块向低能电池模块放电，直到所有电池模块的能量状态一致，实现电池能量均衡的效果。
[0082]
在本发明实施例中，由于提供的基于变压器漏感和移相控制的模块化电池均衡方法可以通过采集各电池模块间的电压值并判断出是否需要对电池模块进行能量均衡，当需要进行能量均衡时，则通过采集到的电压值与电路的固定参数计算各电池模块间中mosfet晶体管的驱动信号的移相角，并结合辅助绕组的漏感控制电路中漏感电流的幅值与波形从而控制电池模块间的传输功率，通过高能电池模块向低能电池模块放电，最终以达到快速实现电池能力均衡。可见，本发明实施例结合了移相角控制，通过相位控制电池模块间的传输功率，将辅助绕组上漏感作为能量中转器件，消除了漏感对各电池模块间能量传输的阻碍，加快了电池模块间均衡速度并提高传输效率，且有效利用了电路中的漏感而无需变压器进行调整，节约了整体的成本。
[0083]
本技术的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本技术的说明书和权利要求书或附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意
味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0084]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。