(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810884578.6
(22)申请日 2018.08.06
(71)申请人 中南大学
地址 410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南
路932号
(72)发明人 粟梅 刘福临 孙尧 刘永露
王辉
(74)专利代理机构 北京旭路知识产权代理有限
公司 11567
代理人 瞿卫军
(51)Int.Cl.
H02J 7/00(2006.01)
(54)发明名称一种利用多绕组变压器的电池均衡器(57)摘要本发明涉及电池均衡器技术领域，尤其涉及一种利用多绕组变压器的电池均衡器。本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器，包括电池均衡器的变压器，所述电池均衡器通过模块均衡来适应单体电池数量较多的串联电池组的应用；所述模块均衡包括 单模块均衡；所述单模块均衡采用的变压器是在一个磁芯上绕制匝数相同的线圈，每两个电池共用一个绕组，且同名端方向一致，每个电池使用一个MOSFET开关器件，利用互补且占空比为0.5的开关信号驱动所有MOSFET。本发明可以实现自动的变压器磁芯复位，而不需要额外的复位电路；本发明提高了整体的效率并降低了开关器件的危险性，同时，对于漏感和励磁电
感的要求降低使得变压器设计难度下降。权利要求书1页 说明书4页 附图7页CN 108964195 A 2018.12.07
C N 108964195
A
1.一种利用多绕组变压器的电池均衡器，包括电池均衡器的变压器，其特征在于：
所述电池均衡器的变压器通过模块均衡来降低单个变压器的绕组数量，以适应单体电池数量较多的串联电池组应用；
所述模块均衡包括单模块均衡；
所述单模块均衡采用的变压器是在一个磁芯上绕制匝数相同的线圈，每两个电池共用一个绕组，且同名
端方向一致，每个电池使用一个MOSFET开关器件，利用互补且占空比为0.5的开关信号驱动所有MOSFET。
2.根据权利要求1所述的利用多绕组变压器的电池均衡器，其特征在于：
所述模块均衡包括多模块均衡；
所述多模块均衡通过在变压器上增加一个额外的绕组，并且通过并联连接不同模块的额外绕组，可以实现多个模块的共同均衡。
3.根据权利要求1所述的利用多绕组变压器的电池均衡器，其特征在于：
变压器的绕组在两个相邻单元之间共享。
4.根据权利要求1所述的利用多绕组变压器的电池均衡器，其特征在于：
所有的MOSFET都由一对互补的控制信号驱动。
5.根据权利要求1所述的利用多绕组变压器的电池均衡器，其特征在于：无需任何采样电路即可实现所有电池电压值一致。
权 利 要 求 书1/1页CN 108964195 A
一种利用多绕组变压器的电池均衡器
技术领域
[0001]本发明涉及电池均衡器技术领域，尤其涉及一种利用多绕组变压器的电池均衡器。
背景技术
[0002]1、锂离子电池由于具有低自放电率，高能量密度，高电池电压和无记忆效应等优点而成为最普遍的可充电电池之一。为了满足高电压和大容量的要求，大量的锂离子电池单元串联和并联形成电池组。但是，制造公差和环境可能导致电池单元的容量和内部电阻存在差异。更糟糕的是，这种不一致性会随着重复充电和放电而扩大。一旦任何电池达到充电/放电截止电压，整个电池组停止工作，这使得其他电池未充分利用。因此，需要电池均衡器来充分利用锂离子电池单元的容量。
[0003]过去几年中已提出许多均衡方案。它们可以分为两种类型：被动和主动平衡方法。前者基于能量耗散，它利用耗散元件消耗更高电压单元中的多余能量。这种均衡方法的亮点是成本低，控制简单。然而，高压电池中的多余能量转化为热量，这限制了均衡速度并降低了电池组的可用容量。
[0004]在有源平衡方法中，高电压单元的多余能量转移到较低电压单元。因此，可以实现更高效和快速的平衡。一般来说，传输能量需要无源元件，如电感，电容，变压器或其组合。其中，由于基于变压器的均衡器具有结构简单，高效率和电气隔离等优点所以更受欢迎，此外为追求低成本和低复杂度，不使用采样电路的自动均衡策略更有优势。
[0005]2、现有技术的出处
[0006][1]S.Li,C.C.Mi,M.Zhang,“A high-efficiency active battery-balancing circuit using multiwinding transformer,”IEEE Trans.Ind.Appl.,vol.49,no.1, pp.198-207,Jan./Feb.2013.
[0007][2]Y.Shang,B.Xia,C.Zhang,N.Cui,J.Yang,C.C.Mi,“An automatic equalizer based on forward-flyback converter for series-connected battery strings,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.64,no.7,pp.5380-5391,Jul.2017.
[0008]3、现有技术的方案
[0009]如图1所示Li等人[1]提出了一个使用对称多绕组变压器的电池均衡器的简单电路。其中变压器所有绕组匝数相等，每个单元只配置一个MOSFET和一个绕组。而且，所有MOSFET只需要一个控制信号，运行中无需采样电路即可实现电池电压均衡。但是，由于本身没有使得变压器磁芯复位的能力，所以其在每个变压器绕组上添加了复位电路。
[0010]如图2所示Shang等人[2]提出了基于前向反激变换器的电池均衡器，这种拓扑将所有电池分为两组，为每个电池设置一个变压器绕组，且在两组电池中变压器绕组同名端相反。同时，每个电池也需要一个MOSFET，所有MOSFET由一对互补的控制信号驱动，通过这种绕组连接方式，存储在变压器中的磁能会自动复位同时也能实现电池电压均衡。[0011]4、现有技术的缺陷
[0012][1]提出的均衡器拓扑由于需要额外的复位电路使得整体成本和体积上升，同时其复位电路需要精密配置，才能达到想要的效果。此外，这种结构无法实现模块化，对于单体电池数量较多的串联电池组，需要尤其多的绕组数量，使得均衡器体积大且可靠性差。[0013][2]提出均衡器的漏感无法得到利用，漏感能量会浪费，同时会增加开关器件的电压电流应力而危害开关器件的安全，为了降低漏感，变压器设计难度会上升。
[0014]因此，亟需提供一种高效低成本的利用多绕组变压器的电池均衡器。
发明内容
[0015](一)要解决的技术问题
[0016]为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种利用多绕组变压器的电池均衡器；相邻的两个单元之间共用一个多绕组变压器的绕组，减少了绕组总数，同时使得变压器的漏感得到有效地利用；每个
电池只需要一个MOSFET，而且所有MOSFET都使用一对固定占空比且互补的控制信号驱动；在运行中能量可以自动从较高电压电池传输到较低电压电池，而无需使用采样电路；此外，提出了所述均衡器的模块化结构，增强了均衡器的可拓展性。
[0017](二)技术方案
[0018]为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
[0019]本发明提供一种利用多绕组变压器的电池均衡器，包括电池均衡器的变压器，所述电池均衡器的变压器通过模块均衡来满足单体电池数量较多的串联电池组的应用；所述模块均衡包括单模块均衡；所述单模块均衡采用的变压器是在一个磁芯上绕制匝数相同的线圈，每两个电池共用一个绕组，且同名端方向一致，每个电池使用一个MOSFET开关器件，利用互补且占空比为0.5的开关信号驱动所有MOSFET。
[0020]根据本发明，所述模块均衡包括多模块均衡；所述多模块均衡通过在变压器上增加一个额外的绕组，并且通过并联连接不同模块的额外绕组，可以实现多个模块的共同均衡。
[0021]根据本发明，变压器的绕组在两个相邻单元之间共享。
[0022]根据本发明，所有的MOSFET都由一对互补的控制信号驱动。
[0023]根据本发明，无需任何采样电路。
[0024](三)有益效果
[0025]本发明的有益效果是：
[0026] 1.本发明可以实现自动的变压器磁芯复位，而不需要额外的复位电路。
[0027] 2.本发明可以使得漏感能量有效利用，提高了整体的效率并降低了开关器件的危险性，同时，对于漏感和励磁电感的要求降低使得变压器设计难度下降。
[0028] 3.本发明对于相同数量的电池来说，所提出的均衡器所需变压器绕组数量减半，降低了成本和体积。
[0029] 4.本发明可以很容易实现模块化结构，可以应用于数量较多的串联电池组。
附图说明
[0030]图1为本发明现有技术使用对称多绕组变压器的电池均衡器的电路图；
[0031]图2为本发明现有技术基于前向反激变换器的电池均衡器的电路图；
[0032]图3为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的电路图；
[0033]图4为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的模块化结构图；
[0034]图5为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器实施例一的具有不同初始电压的四个电池单元的实验结果图；
[0035]图6为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器实施例一的具有不同初始电压的四个电池单元的实验结果图；
[0036]图7为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的四个电池单元的动态均衡结果充电图；
[0037]图8为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的四个电池单元的动态均衡结果放电图；
[0038]图9为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的具有不同数量电池的电池串的实验结果B2，B3和B4的均等化图
[0039]图10为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的具有不同数量电池的电池串的实验结果平衡B1和B4图；
[0040]图11为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器的具有不同数量电池的电池串的实验结果平衡B3和B4图；
[0041]图12为本发明的利用多绕组变压器的电池均衡器实施例二的八个电池单元的模块化均衡结果，分为两个模块。
[0042]【附图标记说明】
[0043]简略说明背景技术和本发明各附图的名称以及附图中各标记的含义。[0044]Bi(i＝1,2,3，···)代表串联电池组中电池标号，Ei为其端电压值。[0045]Qi(i＝1,2,3，···)代表MOSFET的标号。
[0046]TPi/TSi/Ti(i＝1,2,3，···)分别为变压器绕组的标号。
[0047]PWM+/PWM-为一对互补的开关信号。
具体实施方式
[0048]为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
[0049]如图3和图4，本发明提供一种利用多绕组变压器的电池均衡器，包括电池均衡器的变压器，电池均衡器的变压器通过模块均衡适应单体电池数量较多的串联电池组的应用；模块均衡包括单模块均衡；
[0050]实施例一：单模块均衡采用的变压器是在一个磁芯上绕制匝数相同的线圈，每两个电池共用一个绕组，且同名端方向一致，每个电池使用一个MOSFET开关器件，利用互补且占空比为0.5的开关信号驱动所有MOSFET。
[0051]实施例二：模块均衡包括多模块均衡；多模块均衡通过在变压器上增加一个额外的绕组，并且通过并联连接不同模块的额外绕组，可以实现多个模块的共同均衡。[0052]变压器的绕组在两个相邻单元之间共享，并且有效利用漏电感；所有的MOSFET都由一对互补的控制信号驱动，并且能量可以自动从较高电压单元传输到较低电压单元，而
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