本技術(shù)涉及電池均衡控制，具體涉及一種對(duì)電池進(jìn)行主動(dòng)均衡的控制電路。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代社會(huì)科技的發(fā)展，電池作為一種儲(chǔ)能裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電單車、電摩和家儲(chǔ)系統(tǒng)。電池儲(chǔ)能裝置的主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)為，將多個(gè)蓄電單體電芯進(jìn)行串聯(lián)得到電芯串，以達(dá)到系統(tǒng)電壓需求，然后把多個(gè)電芯串再并聯(lián)以達(dá)到需要的安培小時(shí)電量。

2、由于生產(chǎn)工藝的限制，蓄電單體電芯之間存在個(gè)體差異，具體表現(xiàn)在容量和電壓的不完全一致性。如果電壓超出允許的范圍，蓄電單體電芯就很容易損壞，進(jìn)一步，如果電壓超出了上、下限(以納米磷酸鹽型鋰離子電池為例，下限電壓為2v，上限電壓為3.6v)，電池就可能出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損壞，至少導(dǎo)致的一種后果是，加快電池的自放電速度。另外，串聯(lián)在一起的多個(gè)蓄電單體電芯，隨著充放電次數(shù)的增多，它們之間的電壓差異會(huì)越加明顯。如果不采取有效措施解決一致性的問(wèn)題，輕則影響電池儲(chǔ)能裝置的蓄電能力，重則導(dǎo)致蓄電單體電芯的損壞，甚至引發(fā)爆炸等安全事故。

3、于是，推動(dòng)了電池管理系統(tǒng)（battery?management?system，bms）中的“均衡技術(shù)”的蓬勃發(fā)展。電池均衡技術(shù)又分為被動(dòng)均衡與主動(dòng)均衡兩大類。在充電場(chǎng)景下假設(shè)第n個(gè)蓄電單體電芯先達(dá)到工作電壓上限，且希望其余蓄電單體電芯繼續(xù)保持當(dāng)前充電電流時(shí)，就需要在第n個(gè)蓄電單體電芯上并聯(lián)上一個(gè)支路以分流一部分能量。被分流的能量如果通過(guò)電阻發(fā)熱耗散的方式進(jìn)行則被定義為被動(dòng)均衡。若被分流的能量通過(guò)轉(zhuǎn)遞能夠再次被存儲(chǔ)利用則被定義為主動(dòng)均衡。主動(dòng)均衡方案的多樣性就在于如何控制這些能量傳遞。

4、主動(dòng)均衡技術(shù)又分為很多類別，一般電路中常見(jiàn)的能量傳遞方式包括：電感、電容、變壓器、變換器（buck/boost等），而采用變壓器實(shí)現(xiàn)能量傳遞是目前主動(dòng)均衡方案中比較常見(jiàn)的技術(shù)路線。其中，采取多繞線組變壓器并且能對(duì)單一蓄電單體電芯進(jìn)行充放電均衡管理的技術(shù)，常用的有底部均衡和頂部均衡兩種。當(dāng)放電模式下采用底部均衡策略（bottom?balancing），bms識(shí)別出容量較低的電芯，控制變壓器初級(jí)側(cè)導(dǎo)通，由外部向電芯轉(zhuǎn)移能量；而當(dāng)充電模式下一般采用頂部均衡策略（top?balancing），bms識(shí)別出容量較高的電芯單體，控制變壓器次級(jí)側(cè)導(dǎo)通，由電芯向外部轉(zhuǎn)移能量。為何在充放電中會(huì)采取不同模式的原因，究其原因?yàn)橄到y(tǒng)放電過(guò)程中，如果有某一節(jié)電芯電壓過(guò)低，會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)提早進(jìn)入放電低壓截止保護(hù)，因此采取底部均衡，不斷將整體系統(tǒng)（即包括所有電芯）的能量對(duì)電壓過(guò)低的電芯充電，以提高該電壓偏低的電芯的電壓，使平衡后的系統(tǒng)不會(huì)因電壓偏低的電芯提早截止放電，浪費(fèi)了其它還能夠繼續(xù)放電的電芯中的電量，以致?lián)p失電池儲(chǔ)能裝置的續(xù)航力；反而言之，在對(duì)系統(tǒng)充電過(guò)程中，如果有某一節(jié)電芯電壓過(guò)高，則會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)提早進(jìn)入充電過(guò)壓截止保護(hù)，因此采取頂部均衡，不斷將電壓偏高的電芯的能量抽取出來(lái)對(duì)整體系統(tǒng)（即包括所有電芯）充電，以降低該電壓偏高的電芯的電壓，使平衡后的系統(tǒng)不會(huì)因電壓偏高的電芯提早截止充電，而此時(shí)其它的電芯卻還沒(méi)充滿，造成整體電池容量降低。例如，中國(guó)專利申請(qǐng)（cn20171064064.1）提出了一種主動(dòng)均衡電路，用以實(shí)現(xiàn)電芯在放電或靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的底部均衡和在充電或靜止的狀態(tài)時(shí)的頂部均衡，該申請(qǐng)的主動(dòng)均衡電路根據(jù)上述兩種不同的均衡模式，即底部均衡模式和頂部均衡模式，用于避免所述電芯的過(guò)放和過(guò)充，通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)單元的巧妙配合實(shí)現(xiàn)了高效率的均衡技術(shù)，通過(guò)對(duì)多塊均衡功能板采用積木式設(shè)計(jì)方式，使所述主動(dòng)均衡電路能適應(yīng)不同的電芯串聯(lián)成組的要求，大大提高了靈活性。

5、采用變壓器實(shí)現(xiàn)能量傳遞時(shí)，系統(tǒng)必須有一個(gè)多繞線組變壓器和許多的開(kāi)關(guān)電路才能完成這個(gè)任務(wù)，底部均衡以及頂部均衡技術(shù)都采取了有高壓初級(jí)側(cè)（原邊）與低壓次級(jí)側(cè)（副邊）的多繞線組變壓器，高壓初級(jí)繞組和低壓次級(jí)繞組的圈數(shù)比（n:1）就是串聯(lián)電芯的數(shù)目。利用非連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous?conduction?mode，dcm)的特性，在底部均衡中，以dcm前半周先將整個(gè)電池電能經(jīng)過(guò)初級(jí)繞組轉(zhuǎn)換為磁能儲(chǔ)存到磁芯，后半周再轉(zhuǎn)回次級(jí)繞組的電流充電到單一電芯，在頂部均衡中，則先將單一電芯電能經(jīng)過(guò)次級(jí)繞組轉(zhuǎn)換為磁能儲(chǔ)存到磁芯，再經(jīng)由初級(jí)繞組轉(zhuǎn)回電流充電到整個(gè)電池。

6、實(shí)現(xiàn)能量傳遞時(shí)，目前業(yè)界既存的控制結(jié)構(gòu)與方法出現(xiàn)的問(wèn)題是：

7、（1）雖然理論n:1的變壓器中能量轉(zhuǎn)換是無(wú)損的，但是真實(shí)世界的變壓器是會(huì)有能量損耗的，在n:1或者1:n電壓轉(zhuǎn)換當(dāng)中，在磁芯和繞線組會(huì)有不少的能量損耗，通常n:1的比例越高就損耗越大。

8、（2）充電中進(jìn)行頂部均衡做1:n的電壓轉(zhuǎn)換，把電壓偏高的電芯的能量轉(zhuǎn)移到整個(gè)系統(tǒng)（所有電芯），除了低壓側(cè)導(dǎo)通時(shí)造成的損耗比較大之外，還有一個(gè)技術(shù)問(wèn)題為，系統(tǒng)中不只一個(gè)電壓偏高的電芯，從一個(gè)電壓偏高的電芯取出能量回充到系統(tǒng)（所有電芯），這個(gè)電壓偏高的電芯的能量也會(huì)回充到其他電壓偏高的電芯。

9、以常用的家儲(chǔ)48v100ah的系統(tǒng)為例，通常是16顆鐵鋰電池串聯(lián)成51.2v，為便于理解，舉個(gè)極端情況，假設(shè)16顆串聯(lián)的鐵鋰電芯，一半數(shù)量（即8顆）的電芯是3.6v，一半數(shù)量（即8顆）的電芯是2.8v，那么從某顆3.6v的電芯取出能量回充到16顆電芯時(shí)，會(huì)造成另外7顆3.6v的電芯的電壓超過(guò)3.6v，然后bms會(huì)發(fā)現(xiàn)這7顆電芯電壓過(guò)高，后面依次將超過(guò)3.6v的電芯進(jìn)行頂部均衡取出其能量再把能量回充回系統(tǒng)（即16顆電芯），那么到對(duì)第8顆電芯做頂部均衡之前，因?yàn)槠渌?顆電壓也偏高的電芯，已經(jīng)對(duì)第8顆做了7次頂部均衡的充電動(dòng)作，則第8顆電芯電壓已經(jīng)被充到很高的數(shù)值，比3.6v高出很多，如此會(huì)導(dǎo)致電芯串的使用壽命降低，進(jìn)而影響了均衡效果，因此業(yè)界并沒(méi)有普遍采用變壓器的均衡技術(shù)。

10、另外，放電中進(jìn)行底部均衡做n:1的電壓轉(zhuǎn)換，除了損耗問(wèn)題外，也存在與頂部均衡同樣的技術(shù)問(wèn)題，就是系統(tǒng)中不只一個(gè)電壓偏低的電芯，從整體系統(tǒng)（所有電芯）取出能量充到某個(gè)電壓偏低的電芯，取出能量的過(guò)程中會(huì)從其他電壓也偏低的電芯取出能量。同樣，舉個(gè)極端情況，假設(shè)有16顆鐵鋰電芯串聯(lián)，一半的電芯是3.6v，一半的電芯是2.8v，那么從16顆電芯取出能量充到某個(gè)2.8v的電芯的過(guò)程中就也從另外7顆2.8v的電芯的取出能量，然后bms會(huì)發(fā)現(xiàn)這7顆電芯電壓更低了，后面依次從16顆電芯取出能量對(duì)已經(jīng)低于2.8v的電芯充電，那么到對(duì)第8顆電壓偏低的電芯充電之前的7次底部均衡已經(jīng)把這個(gè)第8顆電芯電壓取出了7次，使得此時(shí)第8顆電芯比2.8v低了不少。

11、因此，現(xiàn)有的變壓器實(shí)現(xiàn)的頂部或底部均衡就是一種反復(fù)進(jìn)行的無(wú)用功控制方法，把電壓已經(jīng)過(guò)低的電池的電壓控制的更低，也把電壓過(guò)高的電池的電壓控制的更高的一個(gè)錯(cuò)誤有害的均衡控制過(guò)程。

12、為此，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的技術(shù)方案解決上述主動(dòng)均衡控制存在的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本實(shí)用新型的目的在于提供一種對(duì)電池進(jìn)行主動(dòng)均衡的控制電路,以解決上述現(xiàn)有的電池進(jìn)行主動(dòng)均衡時(shí)，反復(fù)進(jìn)行的無(wú)用功控制結(jié)果。

2、本實(shí)用新型提供一種對(duì)電池進(jìn)行主動(dòng)均衡的控制電路，包括變壓器，所述變壓器包括磁芯，以及纏繞所述磁芯的高壓初級(jí)繞組和n個(gè)低壓次級(jí)繞組；以及，

3、所述控制電路還包括n個(gè)第一開(kāi)關(guān)和串聯(lián)的n個(gè)電芯，所述n個(gè)電芯被一一均分至n個(gè)電池單元，所述n個(gè)第一開(kāi)關(guān)被一一均分至所述n個(gè)電池單元，以及所述n個(gè)低壓次級(jí)繞組與所述n個(gè)電池單元一一對(duì)應(yīng)連接；在每個(gè)所述電池單元中，所述電芯通過(guò)所述電芯所屬的所述電池單元中的所述第一開(kāi)關(guān)，與所述電芯所屬的所述電池單元對(duì)應(yīng)的所述低壓次級(jí)繞組串聯(lián)；以及，所述n個(gè)電池單元通過(guò)所述n個(gè)電芯串聯(lián)；

4、所述n個(gè)電芯劃分為i個(gè)電池組，所述i為大于或等于2的整數(shù)，所述的高壓初級(jí)繞組分為i個(gè)，所述的i個(gè)電池組各自對(duì)應(yīng)一個(gè)高壓初級(jí)繞組；所述控制電路還包括i個(gè)第二開(kāi)關(guān)，所述i個(gè)電池組分別通過(guò)不同的所述第二開(kāi)關(guān)與所述的i個(gè)高壓初級(jí)繞組相連；以及，

5、所述控制電路還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)單元和主控單元，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括n路輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的所述n路輸入端與所述n個(gè)電芯一一對(duì)應(yīng)連接；

6、所述主控單元連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，以通過(guò)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集所述n個(gè)電芯中的每個(gè)電芯的電壓；

7、所述驅(qū)動(dòng)單元連接所述i個(gè)第二開(kāi)關(guān)和所述n個(gè)第一開(kāi)關(guān)，所述主控單元連接所述驅(qū)動(dòng)單元，以通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)單元控制所述第二開(kāi)關(guān)和所述第一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制所述n個(gè)電芯中電壓最高的電芯導(dǎo)通，作為頂部均衡電芯對(duì)所述磁芯充磁，然后控制所述i個(gè)電池組中電壓最低的電池組放磁；以及，所述主控單元通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)單元控制所述第二開(kāi)關(guān)和所述第一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制所述i個(gè)電池組中電壓最高的電池組導(dǎo)通，以對(duì)所述磁芯充磁，然后控制所述n個(gè)電芯中電壓最低的電芯作為底部均衡電芯進(jìn)行放磁。

8、優(yōu)選的，所述n個(gè)電芯均分為i個(gè)電池組，所述高壓初級(jí)繞組分為i個(gè)高壓初級(jí)繞組，所述i個(gè)電池組分別通過(guò)不同的所述第二開(kāi)關(guān)與所述i個(gè)高壓初級(jí)繞組一一對(duì)應(yīng)連接；或者，設(shè)置i-1個(gè)電池組的電芯數(shù)量相同，第i個(gè)電池組的電芯數(shù)量為n除以i的商數(shù)加余數(shù)。所述n不需要一定為所述i的整數(shù)倍，當(dāng)n為i的整數(shù)倍時(shí)，每個(gè)電池組中的電芯數(shù)量為n/i，當(dāng)n不是i的整數(shù)倍時(shí)，設(shè)置第1到第i-1組的電芯數(shù)量相同，第i組為n除以i的商數(shù)加余數(shù)，第1到第i-1組中每個(gè)電池組的電芯數(shù)量為n除以i的商數(shù)，不論n是否為i得整數(shù)倍，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的圈數(shù)比即為該電池組中的電芯數(shù)量。

9、優(yōu)選的，所述n個(gè)電芯為16個(gè)電芯，所述i個(gè)電池組為4個(gè)電池組。

10、優(yōu)選的，所述主控單元還用于通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)單元控制所述第二開(kāi)關(guān)和所述第一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而在所述n個(gè)電芯中的最大電壓差大于或等于頂部均衡啟動(dòng)閾值時(shí)，控制所述n個(gè)電芯中電壓最高的電芯導(dǎo)通，作為所述頂部均衡電芯對(duì)所述磁芯充磁，然后控制所述i個(gè)電池組中電壓最低的電池組放磁；

11、所述主控單元還用于在所述頂部均衡電芯的電壓大于頂部均衡結(jié)束閾值時(shí)，通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)單元控制所述第二開(kāi)關(guān)和所述第一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制所述頂部均衡電芯繼續(xù)對(duì)所述磁芯充磁，然后控制所述i個(gè)電池組中電壓最低的電池組放磁。

12、優(yōu)選的，所述主控單元，還用于在所述n個(gè)電芯中的最大電壓差大于或等于底部均衡啟動(dòng)閾值時(shí)，通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)單元控制所述第二開(kāi)關(guān)和所述第一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制所述i個(gè)電池組中電壓最高的電池組導(dǎo)通，以對(duì)所述磁芯充磁，然后控制所述n個(gè)電芯中電壓最低的電芯作為所述底部均衡電芯進(jìn)行放磁；

13、所述主控單元，還用于在所述底部均衡電芯的電壓小于底部均衡結(jié)束閾值時(shí)，通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)單元控制所述第二開(kāi)關(guān)和所述第一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制所述i個(gè)電池組中電壓最高的電池組導(dǎo)通，以對(duì)所述磁芯充磁，然后控制所述n個(gè)電芯中電壓最低的電芯繼續(xù)作為所述底部均衡電芯進(jìn)行放磁。

14、優(yōu)選的，所述第一開(kāi)關(guān)和所述第二開(kāi)關(guān)分別為高頻開(kāi)關(guān)。

15、優(yōu)選的，所述主控單元及所述驅(qū)動(dòng)單元為單片機(jī)。

16、優(yōu)選的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

17、優(yōu)選的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括串聯(lián)連接的mux多路復(fù)用器件、差動(dòng)放大模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

18、優(yōu)選的，所述第一開(kāi)關(guān)和所述第二開(kāi)關(guān)為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

19、本實(shí)用新型提供的對(duì)電池進(jìn)行主動(dòng)均衡的控制電路中，所述控制電路包括n個(gè)第一開(kāi)關(guān)和串聯(lián)的n個(gè)電芯，所述n個(gè)電芯被一一均分至n個(gè)電池單元，所述n個(gè)第一開(kāi)關(guān)被一一均分至所述n個(gè)電池單元，以及所述n個(gè)低壓次級(jí)繞組與所述n個(gè)電池單元一一對(duì)應(yīng)連接；在每個(gè)所述電池單元中，所述電芯通過(guò)所述電芯所屬的所述電池單元中的所述第一開(kāi)關(guān)，與所述電芯所屬的所述電池單元對(duì)應(yīng)的所述低壓次級(jí)繞組串聯(lián)；以及，所述n個(gè)電池單元通過(guò)所述n個(gè)電芯串聯(lián)；所述n個(gè)電芯劃分為i個(gè)電池組，所述i為大于或等于2的整數(shù)；所述控制電路還包括i個(gè)第二開(kāi)關(guān)，所述i個(gè)電池組分別通過(guò)不同的所述第二開(kāi)關(guān)與所述高壓初級(jí)繞組相連；所述主控單元連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，以通過(guò)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集所述n個(gè)電芯中的每個(gè)電芯的電壓；所述驅(qū)動(dòng)單元連接所述i個(gè)第二開(kāi)關(guān)和所述n個(gè)第一開(kāi)關(guān)，所述主控單元連接所述驅(qū)動(dòng)單元，以通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)單元控制所述第二開(kāi)關(guān)和所述第一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制所述n個(gè)電芯中電壓最高的電芯所在的電池單元導(dǎo)通，作為頂部均衡電芯對(duì)所述磁芯充磁，然后控制所述i個(gè)電池組中電壓最低的電池組放磁；以及，所述主控單元通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)單元控制所述第二開(kāi)關(guān)和所述第一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制所述i個(gè)電池組中電壓最高的電池組導(dǎo)通，以對(duì)所述磁芯充磁，然后控制所述n個(gè)電芯中電壓最低的電芯作為底部均衡電芯進(jìn)行放磁。

20、本實(shí)用新型提供的控制電路中，在實(shí)現(xiàn)頂部均衡時(shí)，主控單元通過(guò)非連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous?conduction?mode，dcm)的特性，在dcm上半周導(dǎo)通頂部均衡電芯的連接的第一開(kāi)關(guān)，使其處于導(dǎo)通(on)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁芯的充磁，即對(duì)頂部均衡電芯的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，然后在dcm下半周關(guān)閉頂部均衡電芯連接的第一開(kāi)關(guān)，使其處于斷開(kāi)（off）狀態(tài)，并控制導(dǎo)通所述i個(gè)電池組中電壓最低的電池組連接的第二開(kāi)關(guān)，使其處于導(dǎo)通(on)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)磁芯對(duì)所述i個(gè)電池組中電壓最低的電池組的放磁，即實(shí)現(xiàn)了能量從磁芯至所述i個(gè)電池組中電壓最低的電池組的轉(zhuǎn)移，避免了把電壓過(guò)高的電池的電壓控制的更高的一個(gè)錯(cuò)誤有害的均衡控制過(guò)程；以及，本實(shí)用新型提供的控制電路中，在實(shí)現(xiàn)底部均衡時(shí)，主控單元通過(guò)非連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous?conduction?mode，dcm)的特性，在dcm上半周導(dǎo)通所述i個(gè)電池組中電壓最高的電池組的第二開(kāi)關(guān)，使其處于導(dǎo)通(on)狀態(tài)，以對(duì)所述磁芯充磁，即對(duì)i個(gè)電池組中電壓最高的電池組的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，然后在dcm下半周關(guān)閉所述i個(gè)電池組中電壓最高的電池組的第二開(kāi)關(guān)，使其處于斷開(kāi)（off）狀態(tài)，并控制導(dǎo)通所述n個(gè)電芯中電壓最低的電芯連接的第一開(kāi)關(guān)，使其處于導(dǎo)通(on)狀態(tài)，使得所述n個(gè)電芯中電壓最低的電芯作為底部均衡電芯進(jìn)行放磁，避免把電壓已經(jīng)過(guò)低的電池的電壓控制的更低的一個(gè)錯(cuò)誤有害的均衡控制過(guò)程。