主动式电池均衡电路及其均衡方法与流程

本发明涉及电池均衡，尤其涉及主动式电池均衡电路及其均衡方法。

背景技术：

1、为满足电动汽车等大功率应用需求，锂离子电池常通过串并联构成电池组，但电池个体差异随老化扩大，易导致容量降低、寿命缩短，甚至引发起火爆炸等安全隐患，因此电池均衡技术对挖掘电池潜能、延长寿命、保障安全至关重要。

2、传统电池均衡电路中，开关搭配大量分散储能元件且回路一次只能接入单个电池单体，由于需要依赖大量开关与储能元件，传统电池均衡电路存在集成度低、可靠性差、成本高的弊端。随着电力电子技术发展，电池均衡技术向高频化、高效化、高功率密度演进，但开关频率提升带来的开关损耗，成为制约系统性能的核心瓶颈。在此背景下，llc串联谐振转换器（llc-src）凭借全负载零电压开通的软开关特性，无需复杂控制（仅50%固定占空比变频调制），支持低额定电压元件，控制器成本低于相移全桥等拓扑，被广泛用作低成本高效隔离式功率级，为电池均衡技术升级提供关键思路。

3、然而，现有技术中单节电池配套一套独立变换器，每套变换器都自带全套功率开关，多路均衡就需要成倍叠加开关。此外，llc-src在电池均衡场景中存在两大设计挑战：（1）为保障可控范围需控制，高导致谐振电感器仅含交流电流，磁通密度变化（）极高，引发严重磁芯与绕组损耗，即便采用铁粉磁芯也难以根治；（2）同步整流器（sr）需依赖毫伏级精度的vds检测（仅集成电路可实现），低成本控制方案无法适配，导致sr控制器成本偏高，与电池均衡系统的低成本需求相悖。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有电池均衡电路由于依赖大量开关与储能元件导致集成度低、可靠性差以及成本高的问题。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：主动式电池均衡电路，包括：微控制器、整流转化单元和cll-mrc变换器，cll-mrc变换器包括至少一个半桥llc变换器，整流转化单元的一端接电网，整流转化单元的另一端连接到半桥llc变换器的一端，半桥llc变换器的另一端通过开关阵列连接到电池组，微控制器通过控制开关阵列将电池组中不平衡电池选通到半桥llc变换器的另一端，实现不平衡电池与电网或电池组之间的能量传递。

3、有益效果：本发明提出的主动式电池均衡电路，微控制器通过控制开关阵列将电池组中不平衡电池选通到半桥llc变换器的另一端，支持选通多节相邻电池同时参与均衡，能够突破传统电池均衡电路的回路一次只能接入单个电池单体的局限；采用cll-mrc半桥谐振拓扑、功率器件实现软开关，降低发热损耗；拓扑增益范围更广，依靠变频实现均衡电流连续平滑调节，无冲击电流，提升系统可靠性与能量传输效率。该均衡电路无需给单节电池配套一套独立变换器，大大减少变换器的开关数量，电路结构简单、易于扩展、效率较高且无需大量储能元件，大大降低成本。

4、优选的，cll-mrc变换器包括变压器、原边电路和个副边电路，，电池组包括组电池单元，组电池单元与个副边电路分别一一对应，每组电池单元包括多个串联的电池，每个电池的两端分别通过一个开关管连接到副边电路的第一端口和第二端口，每组电池单元中不平衡电池通过对应的副边电路与原边电路进行能量传递。

5、优选的，原边电路包括开关管、开关管、电感、电容，每个副边电路包括开关管、开关管、电感，开关管的漏极接整流转化单元的第一端口，开关管的源极分别连接到开关管的漏极、电容的一端，电容的另一端分别连接到电感的一端、变压器谐振电感的同名端，电感的另一端、变压器谐振电感的异名端与开关管的源极相连后连接到整流转化单元的第二端口，变压器励磁电感的同名端与变压器励磁电感的异名端相连后连接到电感的一端，电感的另一端作为副边电路的第一端口，变压器励磁电感的异名端连接到开关管的漏极，变压器励磁电感的同名端连接到开关管的漏极，开关管的源极与开关管的源极相连后作为副边电路的第二端口，第一端口和第二端口之间接电容。

6、有益效果：本发明的cll-mrc变换器通过将输入侧电感移至输出整流器后，使谐振电感（、、、）含直流分量以降低磁通密度变化与损耗，同时利用简单阻容电路检测电压变化率控制同步整流器，大幅降低成本。针对llc-src两大缺陷：cll-mrc变换器重构谐振腔，摆脱参数约束，减小磁芯磁通波动，降低磁损耗；同时优化工作区间，不再强制依赖同步整流，省去高精度vds检测电路，降低控制硬件成本，适配电池均衡场景。

7、优选的，整流转化单元包括开关管至开关管、电感，开关管的源极与开关管的漏极相连后通过开关连接到电网的一端，开关管的源极与开关管的漏极相连后连接到电网的另一端，开关管的漏极与开关管的漏极相连后连接到电感的一端，电感的另一端与开关管的漏极相连后作为整流转化单元的第一端口，开关管的源极、开关管的源极、开关管的源极相连后作为整流转化单元的第二端口，第一端口和第二端口之间接电容。

8、优选的，电路还包括电池管理系统，电池管理系统采集每个电池的电流和电压，并将每个电池的电流和电压传送至微控制器。

9、本发明还提供了主动式电池均衡方法，采用所述的主动式电池均衡电路，当接入电网时，微控制器控制开关阵列将不平衡电池选通到半桥llc变换器的另一端，不平衡电池与电网之间进行能量交换；当未接入电网时，微控制器控制开关阵列将不平衡电池选通到半桥llc变换器的另一端，不平衡电池与电池组之间进行能量交换。

10、优选的，微控制器根据每个电池的电流和电压，计算出每个电池的荷电状态和电池组的荷电状态平均值，当每个电池单元中只有一个不平衡电池，微控制器根据每个电池的荷电状态与荷电状态平均值的差值大小，对不平衡电池的均衡顺序进行排序，并按照排序依次导通不平衡电池两端的开关管；当电池单元中有至少两个不平衡电池，将一个电池单元中所有不平衡电池视为一个不平衡单元，不平衡单元中的不平衡电池串联，微控制器根据不平衡单元的荷电状态与荷电状态平均值的差值大小，对不平衡单元的均衡顺序进行排序，并按照排序依次导通不平衡单元两端的开关管。

11、优选的，当接入电网时，在一个开关周期内，不平衡电池与电网之间进行能量交换的过程包括12个模态，上半周期的6个模态与下半周期的6个模态完全对称，上半周期的6个模态依次包括第一模态至第六模态，第一模态中，副边电路与不平衡电池进行能量传递，第二模态中，电网与副边电路、不平衡电池分别进行能量传递，第三模态中，副边电路与不平衡电池进行能量传递，第四模态中，电网与副边电路、不平衡电池分别进行能量传递，第五模态中，副边电路与不平衡电池进行能量传递，第六模态中，电网与副边电路、不平衡电池分别进行能量传递。

12、优选的，当未接入电网时，若所有不平衡电池或所有不平衡单元为欠电压、过电压中的一种，不平衡电池或不平衡单元与这个电池组进行能量交换；若所有不平衡电池或所有不平衡单元同时包含欠电压、过电压，欠电压的不平衡电池与过电压的不平衡电池进行能量交换，欠电压的不平衡单元与过电压的不平衡单元进行能量交换。

13、优选的，所有不平衡电池或所有不平衡单元同时包含欠电压、过电压，电网或电池组先与欠电压的不平衡电池进行能量交换，再与过电压的不平衡电池进行能量交换。