基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路的制作方法
【專利摘要】基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路，包括多個(gè)串聯(lián)連接的電池組，每個(gè)電池組與與其相鄰的電池組之間均設(shè)有可主動(dòng)雙向均衡能量的均衡電路，所述均衡電路包括對(duì)與其相連的電池組進(jìn)行電壓采樣比較后輸出控制信號(hào)的控制電路，所述控制電路上連接有能量上傳電路和能量下傳電路，所述能量上傳電路和能量下傳電路均是正激電路。本實(shí)用新型采用階梯式均衡結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間同時(shí)對(duì)多個(gè)電池組進(jìn)行均衡，有效提升了整體的均衡效率，適用于電壓較高的儲(chǔ)能技術(shù)以及大型電動(dòng)設(shè)備的高電壓動(dòng)力電池組。而且采用正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能量上傳和能量下傳電路，能很好地實(shí)現(xiàn)無損能量轉(zhuǎn)移，不會(huì)產(chǎn)生大量的熱量也不會(huì)浪費(fèi)能量，節(jié)省成本，降低功耗。
【專利說明】基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路。

【背景技術(shù)】
[0002]動(dòng)力電池以高安全性、動(dòng)力、環(huán)保及長壽命而成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的最佳選擇。但是在應(yīng)用中會(huì)有一致性的問題，一致性的問題嚴(yán)重縮短了電池的循環(huán)壽命，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到動(dòng)力汽車電池8-10年使用壽命的要求。本次設(shè)計(jì)正是針對(duì)電池這一缺陷，徹底解決電池一致性問題，延長了電池壽命。
[0003]動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心能源，但是目前許多動(dòng)力電池存在比能量低下、電池一次充電速度較慢、電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程較短等問題。同時(shí)，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電方法和充電均衡性問題，也一直困擾著電動(dòng)汽車的普及與應(yīng)用。針對(duì)這種情況，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電方法和均衡充電問題進(jìn)行研宄，將具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]目前根據(jù)均衡方式是否全部消耗能量轉(zhuǎn)化成熱能可以分為“能量耗散型”與“非能量耗散型”兩大類。
[0005]能量耗散型均衡方式的原理就是當(dāng)電壓檢測電路檢測到某個(gè)單體電池的電壓超過了一定范圍時(shí)，均流電阻上的電流就會(huì)發(fā)生變化。也就是說，如果有單體電池的端電壓超過設(shè)定的上限或下限電壓，這幾個(gè)單體電池多余的能量就會(huì)通過電阻發(fā)熱的形式消耗掉。
[0006]非耗散型均衡方式指的是能量有序的轉(zhuǎn)移從而實(shí)現(xiàn)電池容量的均衡，能量損耗型的均衡電路較適合小功率系統(tǒng)，在充放電電流比較大的系統(tǒng)中必須用一種無損耗的均衡方法來實(shí)現(xiàn)電池組的均衡。無能量損耗型均衡策略是容量多的單體電池將能量通過轉(zhuǎn)移電路傳遞到容量低能量低的單體電池中。這種裝置可以是分流元件，也可以是電壓或電流轉(zhuǎn)換元件，可以是數(shù)字器件，也可以是模擬器件。由于能量轉(zhuǎn)換裝置也需要消耗部分能量，因此非耗散型均衡方式的轉(zhuǎn)換效率大約都在85~95%之間，也就是會(huì)消耗5~15%的能量。
[0007]能量耗散型均衡方式，比如開關(guān)控制均流電阻均衡充電電路，主要原理是均衡電路在單體電池充電過程中超過預(yù)定值開啟對(duì)應(yīng)的均衡開關(guān)，并通過均流電阻消耗單體電池能量最終達(dá)到各個(gè)單體電池均充滿而無過充狀態(tài)。預(yù)定值有過充閥值電壓和電池組平均電壓兩種。如圖1所示，在電池組充電狀態(tài)時(shí)，若電池BI充滿電，而其他電池沒有充滿則BI相連的均流電阻回路打開，降低電池BI的容量。通過計(jì)算分流電流的大小來合理的選擇均流電阻R的大小，均流電阻決定從電池分得的電流的大小。如果均流電阻取值過大，那么分得的電流會(huì)變小，電池單體的多余能量只能泄放掉一部分。這種均衡策略主要用于電池組充電過程，通過開啟均衡策略消耗單體電池多余能量最終使所有的電池均達(dá)到了滿容量，實(shí)現(xiàn)均衡的目的。在放電階段開關(guān)并不會(huì)閉合使均流電阻工作，主要考慮的原因是電池泄放電再對(duì)單體電池進(jìn)行放電并沒有起到延長電池組放電時(shí)間和增加對(duì)外供電的能力。因此在放電階段不采用均流電阻的均衡策略，放電階段采用均流反而會(huì)加劇電池組更快將電池能量放完。
[0008]能量非耗散型均衡方式的耗能與能量耗散型均衡方式相比會(huì)小很多，但是一般這種均衡方式電路結(jié)構(gòu)會(huì)復(fù)雜一點(diǎn)。無能耗的均衡方法是通過電壓或電流轉(zhuǎn)移元件將能量從不均衡的單體電池轉(zhuǎn)移到其他單體電池上，從而達(dá)到整體均衡。轉(zhuǎn)移元件主要是能量轉(zhuǎn)換元件，必須能夠儲(chǔ)存能量。通過元器件實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞和轉(zhuǎn)移，而不是以熱量的形式都消耗，所以這種均衡電路又叫做能量反饋型均衡電路。這種均衡電路種類較多，電容飛渡電路與電感傳遞電路、DC-DC變流器電路以及反激式多抽頭同軸變壓器均衡電路。反激式多抽頭變壓器均衡電路的均衡電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，在該設(shè)計(jì)中選用12芯電池組為均衡對(duì)象，總電壓作為輸出電壓經(jīng)過均衡策略通過副邊多抽頭變壓器傳輸?shù)礁鲉误w電池上。副邊每個(gè)抽頭輸出電壓均為電池組平均到每個(gè)單體電池的電壓。通過變壓器將原邊電池組的能量分配到各個(gè)電池組，實(shí)現(xiàn)電池電壓的動(dòng)態(tài)平衡。此種均衡方式是通過變壓器來實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和均衡的，這種均衡電路均衡速度快，且耗能較少，但是當(dāng)電池過多時(shí)變壓器占用的體積太大，難以集成化，小型化。同一時(shí)間只能對(duì)一節(jié)電池均衡，均衡效率太低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實(shí)用新型提供了一種均衡效率高、功耗低、方便維修、穩(wěn)定可靠的基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路。
[0010]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0011 ] 基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路，包括多個(gè)串聯(lián)連接的電池組，其特征在于:每個(gè)電池組與與其相鄰的電池組之間均設(shè)有可主動(dòng)雙向均衡能量的均衡電路，所述均衡電路包括對(duì)與其相連的電池組進(jìn)行電壓采樣比較后輸出控制信號(hào)的控制電路，所述控制電路上連接有能量上傳電路和能量下傳電路，所述能量上傳電路和能量下傳電路均是正激電路，當(dāng)所述控制電路檢測到電池組的容量大于其正端的相鄰電池組或小于其負(fù)端的相鄰電池組時(shí)，相應(yīng)均衡電路的控制電路輸出能量上傳信號(hào)給相應(yīng)的能量上傳電路，能量上傳電路將能量高的電池組往能量低的電池組轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)所述控制電路檢測到電池組的容量大于其負(fù)端的相鄰電池組或小于其正端的相鄰電池組時(shí)，相應(yīng)均衡電路的控制電路輸出能量下傳信號(hào)給相應(yīng)的能量下傳電路，能量下傳電路將能量高的電池組往能量低的電池組轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)控制電路檢測到相鄰的電池組之間的容量趨向均衡，則輸出停止信號(hào)給能量上傳電路或能量下傳電路。本實(shí)用新型采用一種階梯式的均衡結(jié)構(gòu)，在同一時(shí)間所有的均衡電路一起工作，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間同時(shí)對(duì)多個(gè)電池組進(jìn)行均衡，有效提升了整體的均衡效率，適用于電壓較高的儲(chǔ)能技術(shù)以及大型電動(dòng)設(shè)備的高電壓動(dòng)力電池組。而且采用正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能量上傳和能量下傳電路，輸出電壓的線性調(diào)整率較好，負(fù)載電流對(duì)輸出電壓的影響較小，負(fù)載能力相對(duì)來說比較強(qiáng)，輸出電壓的紋波比較小，能很好地實(shí)現(xiàn)無損能量轉(zhuǎn)移，不會(huì)產(chǎn)生大量的熱量也不會(huì)浪費(fèi)能量，節(jié)省成本，降低功耗。
[0012]進(jìn)一步，所述正激電路包括與控制電路連接的正激控制器，所述正激控制器的輸出端連接有由其控制開斷實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的MOS開關(guān)管。能量上傳電路或能量下傳電路在接收到控制電路發(fā)送的能量傳輸信號(hào)時(shí)，通過正激控制器，輸出GATE驅(qū)動(dòng)信號(hào)給MOS開關(guān)管，使其導(dǎo)通開始能量傳輸轉(zhuǎn)移。
[0013]進(jìn)一步，所述電池組是由一個(gè)電池或是一個(gè)以上電池串聯(lián)形成的電池串。
[0014]本實(shí)用新型的有益效果:
[0015]1、適用于電壓較高的電池組，電池組可以達(dá)到180V，甚至可以更高，到3、4百伏；屬于能量轉(zhuǎn)移式均衡，不會(huì)產(chǎn)生大量的熱同時(shí)也不會(huì)浪費(fèi)能量；階梯式均衡結(jié)構(gòu)保證整體的均衡效果；均衡電路具有使能功能，方便調(diào)試；均衡電路外部結(jié)構(gòu)簡單，便于操作；
[0016]2、采用無損吸收電路，相較以往用的RCD有損吸收電路，通過電阻將能量消耗的方式有較大改進(jìn)，是通過變壓器將能量反饋回主回路，達(dá)到無損吸收的效果，這樣做一方面節(jié)省成本，另一反面在很大程度上降低了功耗；
[0017]3、輸出電壓的線性調(diào)整率好；正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器多一個(gè)繞組，可以有效吸收反電勢，功率可以比反激式電路高的多；MOS開關(guān)管的電壓應(yīng)力相對(duì)反激要??；
[0018]4、無需設(shè)計(jì)專用集成控制芯片，普通芯片就可實(shí)現(xiàn)，而且用的都是常用元件，容易實(shí)現(xiàn)，成本低；
[0019]5、均衡電路外部結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)試；采用模塊化設(shè)計(jì)，更方便維修。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是開關(guān)控制均流電阻均衡充電電路。
[0021]圖2是反激式多抽頭變壓器均衡電路。
[0022]圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4是本實(shí)用新型的均衡電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例來對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明，但并不將本實(shí)用新型局限于這些【具體實(shí)施方式】。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本實(shí)用新型涵蓋了權(quán)利要求書范圍內(nèi)所可能包括的所有備選方案、改進(jìn)方案和等效方案。
[0025]參照?qǐng)D3、圖4，基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路，包括多個(gè)串聯(lián)連接的電池組1，每個(gè)電池組I與與其相鄰的電池組I之間均設(shè)有可主動(dòng)雙向均衡能量的均衡電路2，所述均衡電路2包括對(duì)與其相連的電池組I進(jìn)行電壓采樣比較后輸出控制信號(hào)的控制電路21，所述控制電路21上連接有能量上傳電路22和能量下傳電路23，所述能量上傳電路22和能量下傳電路23均是正激電路，當(dāng)所述控制電路21檢測到電池組I的容量大于其正端的相鄰電池組I或小于其負(fù)端的相鄰電池組I時(shí)，相應(yīng)均衡電路2的控制電路21輸出能量上傳信號(hào)給相應(yīng)的能量上傳電路22，能量上傳電路22將能量高的電池組往能量低的電池組轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)所述控制電路21檢測到電池組I的容量大于其負(fù)端的相鄰電池組I或小于其正端的相鄰電池組I時(shí)，相應(yīng)均衡電路2的控制電路21輸出能量下傳信號(hào)給相應(yīng)的能量下傳電路23，能量下傳電路23將能量高的電池組往能量低的電池組轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)控制電路21檢測到相鄰的電池組I之間的容量趨向均衡，則輸出停止信號(hào)給能量上傳電路22或能量下傳電路23。本實(shí)用新型采用一種階梯式的均衡結(jié)構(gòu)，在同一時(shí)間所有的均衡電路一起工作，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間同時(shí)對(duì)多個(gè)電池組進(jìn)行均衡，有效提升了整體的均衡效率，適用于電壓較高的儲(chǔ)能技術(shù)以及大型電動(dòng)設(shè)備的高電壓動(dòng)力電池組。而且采用正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能量上傳和能量下傳電路，輸出電壓的線性調(diào)整率較好，負(fù)載電流對(duì)輸出電壓的影響較小，負(fù)載能力相對(duì)來說比較強(qiáng)，輸出電壓的紋波比較小，能很好地實(shí)現(xiàn)無損能量轉(zhuǎn)移，不會(huì)產(chǎn)生大量的熱量也不會(huì)浪費(fèi)能量，節(jié)省成本，降低功耗。
[0026]本實(shí)施例的所述正激電路采用正激式變壓器開關(guān)電源，包括與控制電路21連接的正激控制器，所述正激控制器的輸出端連接有由其控制開斷實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的MOS開關(guān)管。能量上傳電路22或能量下傳電路23在接收到控制電路21發(fā)送的能量傳輸信號(hào)時(shí)，通過正激控制器，輸出GATE驅(qū)動(dòng)信號(hào)給MOS開關(guān)管，使其導(dǎo)通開始能量傳輸轉(zhuǎn)移。本實(shí)施例所述電池組可以是一個(gè)電池，也可以是一個(gè)以上電池串聯(lián)形成的電池串。
[0027]本實(shí)用新型的工作原理:
[0028]參照?qǐng)D3，根據(jù)均衡內(nèi)部的電路拓?fù)洌瑢㈦姵亟MI能量轉(zhuǎn)移的兩個(gè)方向分別稱為能量上傳態(tài)和能量下傳。從電池組I總正開始，上電池組向下電池組轉(zhuǎn)移能量稱為下傳狀態(tài)，從電池組I總負(fù)開始，下電池組向上電池組轉(zhuǎn)移能量稱為上傳狀態(tài)。以最下端的兩個(gè)電池組I均衡為例，均衡電路2上電后，經(jīng)過啟動(dòng)電路分別給正激控制器和控制電路21的運(yùn)放供電，控制電路21比較節(jié)點(diǎn)GND與A之間的電壓值和節(jié)點(diǎn)A與B之間的電壓值，判斷兩個(gè)電池組電壓的大小。若節(jié)點(diǎn)GND與A之間的電壓較低，控制電路21會(huì)輸出能量下傳信號(hào)給能量下傳電路23的正激控制器，該正激控制器輸出Gate驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制MOS開關(guān)管，使其導(dǎo)通能量開始向下轉(zhuǎn)移；若節(jié)點(diǎn)A與B之間的電壓較低，控制電路21會(huì)輸出能量上傳信號(hào)給能量上傳電路22的正激控制器，該正激控制器輸出Gate驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制MOS開關(guān)管，使其導(dǎo)通能量開始向上轉(zhuǎn)移。如果兩個(gè)電池組I的電壓相近，控制電路21輸出給兩個(gè)方向功率電路的都為低電平信號(hào)，保證能量上傳電路22和能量下傳電路23的正激控制器都不處于工作狀態(tài)。均衡電路2是同時(shí)工作的，以最下端的3個(gè)電池組I為例，若中間電池組的容量偏低，相應(yīng)的均衡電路2就會(huì)將其下電池組和其上電池組中的能量向中間電池組中轉(zhuǎn)移，當(dāng)容量相近時(shí)，相應(yīng)的均衡電路2會(huì)自動(dòng)關(guān)掉均衡電流，該均衡電路2接線簡單易操作，并且模塊具有使能功能，大大增加了電路的實(shí)用性。
【權(quán)利要求】
1.基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路，包括多個(gè)串聯(lián)連接的電池組，其特征在于:每個(gè)電池組與與其相鄰的電池組之間均設(shè)有可主動(dòng)雙向均衡能量的均衡電路，所述均衡電路包括對(duì)與其相連的電池組進(jìn)行電壓采樣比較后輸出控制信號(hào)的控制電路，所述控制電路上連接有能量上傳電路和能量下傳電路，所述能量上傳電路和能量下傳電路均是正激電路，當(dāng)所述控制電路檢測到電池組的容量大于其正端的相鄰電池組或小于其負(fù)端的相鄰電池組時(shí)，相應(yīng)均衡電路的控制電路輸出能量上傳信號(hào)給相應(yīng)的能量上傳電路，能量上傳電路將能量高的電池組往能量低的電池組轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)所述控制電路檢測到電池組的容量大于其負(fù)端的相鄰電池組或小于其正端的相鄰電池組時(shí)，相應(yīng)均衡電路的控制電路輸出能量下傳信號(hào)給相應(yīng)的能量下傳電路，能量下傳電路將能量高的電池組往能量低的電池組轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)控制電路檢測到相鄰的電池組之間的容量趨向均衡，則輸出停止信號(hào)給能量上傳電路或能量下傳電路。
2.如權(quán)利要求1所述的基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路，其特征在于:所述正激電路包括與控制電路連接的正激控制器，所述正激控制器的輸出端連接有由其控制開斷實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的MOS開關(guān)管。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于外部控制正激電路的電池組雙向主動(dòng)均衡電路，其特征在于:所述電池組是一個(gè)電池或是一個(gè)以上電池串聯(lián)形成的電池串。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK204258369SQ201420737873
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】張?jiān)瞥? 奚淡基, 黃顥冰, 任遠(yuǎn)程, 周遜偉 申請(qǐng)人:杭州協(xié)能科技有限公司