一種分布式可級聯隔離均衡電路及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種分布式可級聯隔離均衡電路及控制方法。
【背景技術】
[0002] 能源危機和環境污染是當今世界面臨的兩大難題。電動汽車W節能、環保而廣受 人們的歡迎，已成為未來汽車發展的必然趨勢。而裡離子電池因其高能量密度、低放電率和 沒有記憶效應，作為動力源被廣泛應用在電動汽車和混合電動汽車中。但是受到電池制造 技術和電源管理系統的技術制約，動力電池使用過程中需要大量單體多級串并聯才能夠提 供足夠的供電電壓和驅動功率。但是該類電池串聯使用時，容易由于容量的不均衡問題造 成部分電池單體過充電與過放電的現象，大大影響動力電池組的使用壽命和安全性。因此， 必須對電池組進行均衡管理。顯而易見，作為電池管理系統的關鍵技術之一，串聯電池組的 有效均衡已經成為一個研究熱點。
[000引 目前，電池均衡主要有電池選擇、耗散型均衡和非耗散型均衡立大類。
[0004] 電池選擇均衡是指通過實驗選擇性能一致的電池單體構建電池組，一般有兩步篩 選過程。第一步，在不同的放電電流下，選擇電池平均容量相近的電池單體；第二步，在第一 步篩選的電池單體中，通過脈沖充、放電實驗在不同SOC下選擇具有相近電池電壓變化量 的電池單體。由于電池單體的自放電率不盡相同，電池選擇均衡在電池整個生命周期內不 足W保持電池組一直均衡。它只能作為其他均衡方法的一種補充均衡方法。
[0005] 耗散型均衡（也稱為電池旁路法均衡）通過給電池組中每個電池單體并聯一個耗 散器件進行放電分流，從而實現電池電壓的均衡。耗散均衡進一步又被分為兩類；被動均衡 和主動均衡。耗散均衡結構和控制簡單、成本低，但是存在能量浪費和熱管理的問題。
[0006] 非耗散均衡采用電容、電感等作為儲能元件，利用常見的電源變換電路作為拓撲 基礎，采取分散或集中的結構，實現單向或雙向的均衡方案，是電池均衡技術發展的主流。 非耗散均衡存在電路結構復雜、體積大、成本高、均衡時間長、高開關損耗等問題。
[0007] 傳統均衡方法不適合裡離子電池的主要原因如下：
[000引裡離子電池的開路電壓在SOC為30%~70%之間時較為平坦，即使SOC相差很 大，其對應的電壓差也很小，此外由于電力電子器件存在導通壓降，使得均衡電流很小，甚 至可能導致電力電子器件不能正常導通；
[0009] 由于電力電子器件存在導通壓降，電池單體間很難實現零電壓差均衡。
[0010] 中國發明專利申請（申請號201010572115.幻公開了一種利用放電電阻對電池單 體進行放電W實現電池單元均衡的電路，主要包括控制器、電池選擇電路和放電電阻。該發 明根據采集的電壓值確定每個電池單體的剩余電量，然后控制電池選擇電路將電量較高的 電池單體與放電電阻并聯，消耗該單體的電量，從而實現電池單元的電量均衡。很明顯的， 該種方法存在能量浪費和熱管理的問題。
[0011] 中國發明專利申請（申請號201120421053. 2)公開了一種電感型電池均衡電路， 該電路中相鄰兩節電池共用一個電感，該個電感存儲較高單體釋放的能量，然后傳遞給相 鄰能量較低單體，w實現均衡作用。然而當電池單元電池單體數量較多時，由于該種均衡方 法的能量傳遞必須是一個挨著一個的傳遞，因此均衡速度受到了很大的限制。
[0012] 中國實用新型專利申請（申請號201210595724. 6)提出了一種電容式電池均衡電 路，該電路每相鄰的兩節電池共用一個電容，當電容與電壓較高的電池單體并聯時，電池給 電容充電；當電容與電壓較低的電池單體并聯時，電容給電池充電。經過電容的充、放電，能 量從電壓較高的電池單體轉移到電壓較低的電池單體，從而使得其電壓相等。但是當串聯 電池單體數量較多，所需要的均衡電容和開關模塊及其驅動電路較多，導致電路體積龐大， 并且當電壓最高和最低的電池相鄰多個單體時，該種"擊鼓傳花"的均衡方式，使得均衡效 率會大大降低。
[0013] 中國發明專利申請（申請號201310278475. 2)提出了一種動力電池零電流開關主 動均衡電路及實現方法，其能夠實時判斷電池組中電壓最高和最低的電池單體，并對其進 行零電流開關均衡，并且每次均衡都是針對電池組中電壓差最大的兩個電池單體進行削峰 填谷，極大提高了均衡效率，有效改善了電池單體之間的不一致性。但是，由于所使用的電 力電子器件存在導通壓降，使得電池單體間很難達到零電壓差均衡，并且均衡電流很小，均 衡時間較長。
[0014] 中國發明專利申請（申請號201410211996.0)提出了一種基于多副邊變壓器的電 池組均衡電路及實現方法，使用多副邊變壓器進行能量傳遞，通過PWM信號的占空比的調 節來實現均衡電流的調節，每次通過開關模塊選通最低電壓的電池單體進行均衡，有效的 改善了電池單體的不一致性。但是由于每次只對最低電壓的電池單體進行均衡，完成整個 電池組的均衡所需時間較長，同時缺少必要的均衡保護電路對電池單體進行保護，容易發 生過均衡。

【發明內容】

[0015] 本發明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種分布式可級聯隔離均衡電路及 控制方法，該分布式可級聯隔離均衡電路能對所有需要均衡的電池單體同時進行均衡，極 大的縮短了均衡所需時間，提高了均衡效率。
[0016] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0017] 一種分布式可級聯隔離均衡電路，包括；電源輸入選擇模塊、AC/DC整流器和線性 穩壓器模塊、DC/AC逆變器模塊、直流輸出模塊、動力電池組、微控制器、電壓檢測和被動均 衡模塊和、驅動模塊；
[001引所述電源輸入選擇模塊在選擇外部交流電源供電時，與AC/DC整流器和線性穩壓 器模塊連通，在選擇電池組兩端的總電壓作為電源輸入時，與DC/AC逆變器模塊連通；所述 AC/DC整流器和線性穩壓器模塊的輸出端與DC/AC逆變器模塊連接；所述DC/AC逆變器模 塊的輸出端通過雙絞連接線連接至直流輸出模塊；所述直流輸出模塊連接至動力電池組； 所述電壓檢測和被動均衡電路模塊用于檢測動力電池的電壓和實現被動均衡功能；所述 驅動模塊與DC/AC逆變器模塊和直流輸出模塊分別連接，所述電壓檢測和被動均衡電路模 塊、驅動模塊分別與微控制器連接。
[0019] 所述電源輸入選擇模塊通過選擇開關Kii選擇外部交流電或者電池組兩端的總電 壓作為電源輸入；
[0020] 當選擇開關Kii選擇外部交流電時，電源輸入選擇模塊通過選擇開關K12連接AC/ DC整流器和線性穩壓器模塊，電路工作于充電均衡狀態，此時整個電池組的總能量增加，電 池單體電壓均衡水平趨于一致；
[0021] 當選擇開關Kii選擇電池組兩端的總電壓作為電源輸入時，電源輸入選擇模塊通 過選擇開關Ki2連接DC/AC逆變器模塊，電路工作于組內均衡狀態，此時整個電池組的總能 量基本不變，電池單體電壓均衡水平趨于一致。
[0022] 所述AC/DC整流器和線性穩壓器模塊包括；整流橋BRii、電容Cii和線性穩壓電路 依次連接；
[0023] 所述線性穩壓電路包括；電阻R。和穩壓管ZU的串聯支路一并接在電容C。兩端， IGBTQ。的口極連接至電阻R。和穩壓管Z。之間、發射極與限流電阻Ri速接，IGBTQu的 集電極連接至整流橋BRii的正極輸出端；分壓電阻R12和R。串聯連接組成串聯支路二，所 述串聯支路二的一端與IGBTQ。的集電極連接、另一端連接至整流橋BR。的負極輸出端；S 極管Qi2的基極連接至分壓電阻R12和R13之間、集電極與IGBTQU的口極連接、發射極連接 至電容C。，穩壓二極管Zi滿接在S極管Q12的集電極和發射極之間；電容C12并接在線性穩 壓電路的輸出端。
[0024] 所述直流輸出模塊包括與各電池單體連接的直流輸出子模塊；
[00巧]所述直流輸出子模塊包括；輸入高頻變壓器Ts。通過雙絞連接線與輸出變壓器T21 的副邊連接，了3。變壓器輸出經過整流橋BR3。和大電容C3。變為直流電壓，該電壓流入IGBT 〇3。的集電極，IGBTQ3。的口極與比較器連接，比較器的輸入信號分別為檢測電阻R3。的檢測 電流和電流給定值I3";IGBTQ3。的發射極依次串聯電感Ls。、檢測電阻Rs。后接入電池單體的 正極，二極管〇3。的正極連接至電池單體的負極、負極連