【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池，具体为一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统与方法。
技术介绍
1、采取变压器做所谓的主动均衡的技术的原理是因为电感的感抗=jwl,其中w=2πf,π是圆周率，f是频率，因此电感在高频的阻抗很高，所以一个电压经过高频开关电路在绕线组中产生高频电流，而绕线组在高频的感抗很高，使得绕线组可以视为电流源，电路学里面可以用电流源来连接电压不相等的电压源，解决不相等的电压不能并联相接的问题，这是以高频开关电路做升压电路和降压电路的基本原理。
2、为了简化在后面的说明，我们以下把电芯经过开关电路以及绕线导通，导通后电流方向是从电芯流到绕线组，电芯电压在绕线组产生的电流逐渐增加，电能逐渐转换成磁芯中的磁通量，就是电能转成了磁能，我们把这个逐渐建立磁通量的过程称为“充磁”，反之，电芯经过开关电路以及绕线导通，导通后电流方向是流回电芯，磁芯中的磁通量逐渐转减少，我们把这个磁能经过绕线组转换回电流逐渐流回到电芯的过程称为“放磁”。
3、但在此所定义的“充磁”与“放磁”这两个名词和业界惯用的意义不同，仅仅为了在本专利的说明中用来简化和缩短文字解说篇幅而使用，在本专利说明之外，本专利所采用的“充磁”与“放磁”这两个名词解释并不适用于业界惯用说法。
4、随着现代社会科技的发展，电池储能装置已经广泛应用于电单车、电摩和家储系统，大多必须将多个蓄电单体电芯串联达到系统电压需求，然后把许多串联好的电芯串再并联以达到需要的安培小时电量。由于生产工艺的限制，导致串联在一起的电池单体间存在个体差异，具体表现在
5、2014到2015年美国德州仪器（ti）发表了大量文章阐述电池电芯电压使用一阵子后产生不均衡时造成的寿命减短、续航力衰减，以及增加发生燃烧爆炸机会的文章。强调了对电池的电芯进行均衡后就能够延长电池使用寿命以及电动车行驶续航力，并且能够降低燃烧和爆炸危险的机会。
6、于是带动了电池管理系统(bms)所谓的“均衡技术”的蓬勃发展，电池均衡技术又分为被动均衡与主动均衡两大类。一般文章所描述的被动均衡是利用电阻将高电压的电芯释放电荷去匹配电芯串并联阵列中最低电压电芯，但是这将会降低电池组中绝大部份单一电芯的满容量，就降低了整体电池的续航力。但是真实状况并不是这么简单，电芯电压不一致最大的问题是，造成电芯在放电中电芯电压低的原因是电芯的内阻变高，而这个内阻变高的电芯在充电中反而造成了充电电压上升，所以内阻高的电芯在充电中因为电压较高将会提前截止充电，而内阻较高的电芯在放电中则因为内阻较高的压降反而造成放电电压较低就提前截止放电，总的来说就是充电充的比别的电芯少，放电还提早结束，如果按一般网络上的业界解释，被动均衡是在充电中将内阻较高而电压较高的电芯并联一个电阻去释放其能量，这个说法反而是把放电中电压最低的电芯在充电中充了较少的电荷，这么一来被动均衡不但不会提升续航力，反而得到了反效果；众多的实验证明被动均衡是有效的，因此真实的被动均衡的原理是在充电中，在充电电压较高也就是内阻较高的电芯上并联一个电阻，在这一节电芯上充电电流分流到外部并联电阻上，因此内部内阻在充电中的压降就减小了，于是充电电压就降低了能延缓达到电芯的截止充电阈值，这不是延缓对其他充电电压较低的电芯的电池截止充电的时间，而是把充电电压较高的电芯用被分流后较小的电流充电，降低内部内阻的电压降，使得该节电芯的理想电池的电压达到充电截止电压时，也就是充电电压扣掉内阻上压降的电压能够提高，以此原理对内阻较高的电芯多充一些电荷，当然这造成的结果和一般网络文章描述被动平衡技术会造成的缺点，就是充电时间增长，电阻产生热，浪费充电电流等等是一致的。内部内阻过高的电芯在充电中经过外部电阻分流，以相对其他电芯较小的电流充电，使得电芯达到截止充电电压阈值时，该节电芯内部理想电池电压上升，这才是被动均衡能够提升续航力的真正原因。
7、主动均衡则是真正的去重新分配电荷，而不是利用外部电阻分流以提升内阻高的电芯在充电中的理想电池电压，其原因不是单纯的为了要节省电阻消耗掉的能量，更重要的是要在电芯断开充放的开路状态量测电压，使得量测到的电芯电压等于内部理想电池电压，不受电池内阻大小影响的状况下达到各个电芯电压的平衡，这才能真实有效的提升续航力。当然想要缩短充电时间，就必需放弃部份理想的做法，权衡调整测量电压的方式。
8、ti提出一系列主动均衡的方案，将电芯电压较高的电芯的能量搬运到电芯电压较低的电芯去，过程中是先量测每个电芯的电压，然后主动的将某一节较高电压电芯的能量转换成电感中的磁能，再将磁能转换回电流充到某一节电压较低的电芯，由于要在串联电压高低不同的电芯之间任意切换能量转换的方向，需要极大的双向开关矩阵，并且开关电流要够大，造成这个主动均衡的电路非常复杂并且成本昂贵。
9、为了降低主动均衡的成本以及复杂度，其中一种技术是类似ti的方法利用多绕线组变压器做电芯电压均衡的媒介，所有串联电芯的顶部和底部接在初级线圈，每单一电芯连接一组次级线圈和一对mos开关能双向导通电流，当某节电芯电压值低于所有串联电芯的电芯平均电压值时，就以反激方式前半周从所有串联电芯对初级绕线充磁，后半周再对电芯电压值低于平均电芯电压值的次级线圈放磁，亦即对该节电芯充电，此称为底部平衡(bottom balancing)，而当某节电芯电压值高于所有串联电芯的平均电芯电压值时，就以反激方式前半周从该电芯电压值高于电芯平均电压值电芯对其次级绕线充磁，后半周再对所有串联电芯对应的初级线圈放磁，等于对所有电芯一起充电，此称为顶部平衡(topbalancing)，这个底部平衡和顶部平衡是以多绕线组变压器减少了ti的开关矩阵大约一半的开关数量，可是即便如此，控制单一电芯从次级绕线组对初级绕线组充磁以及从初级绕线组对从单一电芯的次级绕线组放磁的双向开关矩阵和控制电路仍然非常复杂，于是又产生了很多新的所谓的主动均衡的方法是利用多抽头绕线组变压器做电芯电压均衡的媒介，所有的电芯对变压器磁芯反复同时充磁与同时放磁，这和ti提倡的先测量电芯电压后，再将电芯电压较高的电芯的能量经过电感或者变压器搬运到电芯电压较低的电芯去的方式有所不同，这些新的系统方法只是利用了变压器的电感特性，其抽头绕线组和磁芯在高频电流在电感感抗中属于无功无损耗的状况下，先将电芯一起导通对磁芯充磁，此时能量在磁芯中以磁通量混合在一起，然后再将混合在一起的磁能经过多抽头绕线组一起各自在抽头绕线组中导通放磁，分别转换回每一个单一电芯的电能，在此能量转换中达到电芯电压均衡的目的，过程中没有去控制单一电芯到单一电芯的能量转换，只有顺其自然的让所有电芯自然的去平衡。这种方法也能使得原来电压较低的电芯的能连和电压较高的电芯的能量产生平均的电压平衡，可是要比ti提出的主动均衡简单很多，双向开关矩阵以及控制电路的成本和复杂度低很多，为了方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统，包括电池单元（100）、电芯（10）、电池组（11）、变压器（20）、MOS开关（30）、模数转换器ADC（40）和主控单元（50）；
2.根据权利要求1所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统，其特征在于：当所述电芯（10）的数量N为质数时，无法分成除了1以外的相等数量的i组，或者N的最大公因数很小，以致分成电芯（10）数量相同的组数q时，造成q很大，q≧6时，此时将N分为i组，i≦5,其中i-1组中的电芯（10）数相同，设定为第1组到第i-1组，另外一组的电芯（10）数与其他i-1组不同，设定为第i组，所述主控单元（50）计算出每一组电池组（11）的平均电压后，第i组不参与最高与最低电压的比较，主控单元（50）直接控制第i组的充磁与放磁的时间相同各占一半时间，对其他1到i-1组比较每组的平均电压大小，控制平均电压最高的电池组（12）对应的MOS开关（30）在高频充放中对磁芯（22）充磁的周期较长，并且使磁芯（22）放磁回电芯（10）的周期较短，而控制平均电压最低的电池组（14）对应的MOS开关（30）在高频充放中
3.根据权利要求2所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统，所述主控单元（50）以高频控制2N个所述MOS开关（30），以高频开关产生的电流将N个所述电芯（10）经由N个所述抽头绕线组（21）对磁芯（22）充放磁能，N个所述电芯（10）均至少包括两个电池组（11），所述主控单元（50）经过N路输入的所述模数转换器ADC（40）读取N个电芯（10）的电压，对至少两个所述电池组（11）各自计算出其平均电压，所述主控单元（50）以高频控制2N个MOS开关（30）不停的开关，使电芯（10）的电能不停的转换为磁芯（22）中的磁能，不同抽头绕线组（21）产生的磁能在磁芯中混合相加，又立刻从磁能转换回电芯（10）中的电能，磁能经过各个抽头绕线组（21）转换成电流分流回到各个电芯（10），其特征在于：不需要在每一次开关当中进行模数转换器ADC（40）转换，只需要间隔一段时间才读取一次电压值，开关频率为10kHz到200kHz,模数转换器ADC（40）读取的时间间隔为0.1秒到5秒。
4.如权利要求3所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统，平均电压最高的电池组（12）输出较多的磁能，采用占空比差异控制处理，这些较多的磁能被输送到平均电压最低的电池组（14），达成主动均衡的效果，其特征在于：以所述的最高平均电压和最低平均电压的差异调整平均电压最高的电池组（12）和平均电压最低的电池组（14）的充磁占空比，并且限制所述占空比差异在20%以下。
5.如权利要求4所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统，其特征在于：所述的主控单元（50）在每次要读取电池组（11）的电压值之前，先控制所述MOS开关（30）将磁芯（22）中的磁能全部放回到电池组（11），然后关闭所有MOS开关（30）一段时间，等电池组（11）温度降低并且单个电池组（11）温度接近平均温度后再进行ADC转换，这个等待温度降低的时间不需要算法，根据使用人愿意花多少时间等待电芯温度平衡的意愿决定其设定值，这个等待温度降低的时间是ADC读取时间间隔的0%到50%，即从不需要等待温度降低，到以ADC读取间隔时间的一半来等待温度降低。
6.一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的方法，包括：
7.如权利要求6所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的方法，
8.根据权利要求6所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的方法，
9.根据权利要求6所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的方法，
...【技术特征摘要】
1.一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统，包括电池单元（100）、电芯（10）、电池组（11）、变压器（20）、mos开关（30）、模数转换器adc（40）和主控单元（50）；
2.根据权利要求1所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统，其特征在于：当所述电芯（10）的数量n为质数时，无法分成除了1以外的相等数量的i组，或者n的最大公因数很小，以致分成电芯（10）数量相同的组数q时，造成q很大，q≧6时，此时将n分为i组，i≦5,其中i-1组中的电芯（10）数相同，设定为第1组到第i-1组，另外一组的电芯（10）数与其他i-1组不同，设定为第i组，所述主控单元（50）计算出每一组电池组（11）的平均电压后，第i组不参与最高与最低电压的比较，主控单元（50）直接控制第i组的充磁与放磁的时间相同各占一半时间，对其他1到i-1组比较每组的平均电压大小，控制平均电压最高的电池组（12）对应的mos开关（30）在高频充放中对磁芯（22）充磁的周期较长，并且使磁芯（22）放磁回电芯（10）的周期较短，而控制平均电压最低的电池组（14）对应的mos开关（30）在高频充放中对磁芯（22）充磁的周期较短，且使磁芯（22）放磁回电芯（10）的周期较长，即可将电芯（10）的能量经由抽头绕线组（21）转成磁芯（22）中的磁能，磁能再经由抽头绕线组（21）转回到电芯（10）的过程中，以占空比的差异控制平均电压最高的电池组（12）输出的磁能较多，这些较多的磁能被输送到平均电压最低的电池组（14），达成主动均衡的效果，其他平均电压不是最高或最低的组以及第i组，充磁与放磁的时间相同各占一半时间。
3.根据权利要求2所述的一种以变压器磁芯中的磁能做主动均衡的系统，所述主控单元（50）以高频控制2n个所述mos开关（30），以高频开关产生的电流将n个所述电芯（10）经由n个所述抽头绕线组（21）对磁芯（22）充放磁能，n个所述电芯（10）均至少包括两个电池组（11），所述主控单元（50）经过n路输入的所述模数转换器adc（40）读取n个电芯（10）的电压...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄世蔚，
申请(专利权)人：深圳市沃德芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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