新型Buck-Boost變換器及充放電電路與均衡電路的一體化設(shè)計(jì)電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及多節(jié)電池串聯(lián)的均衡電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種新型Buck-Boost 變換器W及充放電電路與均衡電路的一體化設(shè)計(jì)電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 單體裡電池根據(jù)自身的化學(xué)特性電壓通常在3. 2V，為了可W應(yīng)用到混合動(dòng)力汽 車、純電動(dòng)汽車、不間斷電源、風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)等場(chǎng)合，得到更高的電池組電壓，單體電池通 常串聯(lián)起來(lái)，用于滿足負(fù)載高壓特性。多節(jié)單體電池串聯(lián)成一組后電流相等，可通過(guò)電壓反 映各節(jié)電池運(yùn)行情況。由于各單體電池在初始容量、內(nèi)阻、自放電率等方面不同使得電池間 具有不同的充放電特性，并且電池在進(jìn)行過(guò)多次充放電循環(huán)后還會(huì)擴(kuò)大該種不一致現(xiàn)象， 進(jìn)而導(dǎo)致整組電池輸出功率減小，電池利用率下降。若不采取有效措施還會(huì)造成單體電池 的過(guò)充電和過(guò)放電，運(yùn)不僅損壞電池，還可能產(chǎn)生大量熱量，引起電池燃燒甚至爆炸，嚴(yán)重 影響系統(tǒng)安全。因此，針對(duì)串聯(lián)動(dòng)力電池組采取適當(dāng)均衡方法來(lái)補(bǔ)償電池間性能差異是非 常必要的。
[0003] 對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡的電路主要有兩種類型：一是能量耗散型，即給電池組中 每節(jié)單體電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻，將多余能量消耗掉，達(dá)到均衡目的；二是能量轉(zhuǎn)移型，即 采用電感、電容作為儲(chǔ)能元件，利用常見(jiàn)電源變換電路將多余能量在電池間進(jìn)行重新分配， 達(dá)到電池間能量轉(zhuǎn)移。能量耗散型電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是效率低下，無(wú)法控制分流電流，存在能 量浪費(fèi)和熱管理等問(wèn)題，因此其應(yīng)用受到限制。能量轉(zhuǎn)移型電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但是耗能很 小，電壓均衡速度快，應(yīng)用較為廣泛。
[0004] 大容量串聯(lián)蓄電池組的均衡速度通常要求很快，多W雙向Buck-boost變換器和 電感組合作為均衡電路，通過(guò)比較相鄰電池間的電壓，將高電壓電池的能量轉(zhuǎn)移到低電壓 電池，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組之間的均壓控制。 陽(yáng)0化]眾所周知，雙向Buck-Boost變換器除了能作均衡電路，還可作為主電路對(duì)蓄電池 組進(jìn)行充放電控制。目前常見(jiàn)的工作模式是充放電電路對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制，均衡電 路對(duì)串聯(lián)電池組之間進(jìn)行電壓均衡控制，兩套電路分別設(shè)計(jì)，互不影響，互不干設(shè)。如果能 夠提出一種新型電路拓?fù)?，同時(shí)滿足充放電和均衡兩種控制要求，可大大簡(jiǎn)化整個(gè)電路結(jié) 構(gòu)，減少開(kāi)關(guān)器件數(shù)量，降低損耗和控制難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種新型Buck-Boost變換器，W及，集充放電 電路與均衡電路為一體的一體化設(shè)計(jì)電路，具備蓄電池充放電及均衡電池組電壓的雙重功 能，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
[0007] 基于上述目的，本發(fā)明提供的新型Buck-Boost變換器，適用于n個(gè)電池單體串聯(lián) 的蓄電池組，包括2個(gè)充放電主電路電感、n-1個(gè)均衡電感、n+2個(gè)可控開(kāi)關(guān)；其中，n為大于 等于I的自然數(shù)；
[0008] 可控開(kāi)關(guān)為并聯(lián)有續(xù)流二極管的IGBT模塊，續(xù)流二極管的正極與IGBT模塊的發(fā) 射極相連，續(xù)流二極管的負(fù)極與IGBT模塊的集電極相連；
[0009] 第一可控開(kāi)關(guān)至第n可控開(kāi)關(guān)依次串聯(lián)，且第一可控開(kāi)關(guān)的集電極連接直流母線 正極并經(jīng)第一充放電主電路電感連接第一電池單體的正極，第n可控開(kāi)關(guān)的發(fā)射極連接直 流母線負(fù)極并經(jīng)第二充放電主電路電感連接第n電池單體的負(fù)極，第一電池單體至第n-1 電池單體的負(fù)極分別經(jīng)第一均衡電感至第n-1均衡電感連接第一可控開(kāi)關(guān)至第n-1可控開(kāi) 關(guān)的發(fā)射極；
[0010] 第n+1可控開(kāi)關(guān)串聯(lián)在直流母線正極上，第n巧可控開(kāi)關(guān)串聯(lián)在直流母線負(fù)極上。
[0011] 在一些實(shí)施方式中，在直流母線正極與直流母線負(fù)極之間還并聯(lián)有濾波電容。
[0012] 從上面所述可W看出，本發(fā)明提供的新型Buck-Boost變換器，W雙向Buck-Boost 變換器和電感組合應(yīng)用，對(duì)串聯(lián)蓄電池組之間進(jìn)行均壓控制；它通過(guò)比較相鄰電池單體間 的電壓，通過(guò)變換器將高電壓電池單體的能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池單體中去，從而達(dá)到電壓 均衡的效果；雙向Buck-Boost變換器與電感組合構(gòu)成的新型Buck-Boost變換器，除了能作 串聯(lián)蓄電池組均衡電路外，還可作為主電路對(duì)蓄電池組進(jìn)行充放電控制。本發(fā)明提供的新 型Buck-Boost變換器，同時(shí)滿足充放電和均衡兩種要求，可大大簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，減少了開(kāi) 關(guān)器件數(shù)量。
[0013] 另一方面，基于新型Buck-Boost變換器，本發(fā)明還提供了一種充放電電路與均衡 電路的一體化設(shè)計(jì)電路，包括：驅(qū)動(dòng)模塊、控制單元、電池端電壓采集電路，W及，如上所述 的新型Buck-Boost變換器；
[0014] 所述驅(qū)動(dòng)模塊分別連接n巧個(gè)可控開(kāi)關(guān)的口極并控制可控開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷；
[0015] 所述電池端電壓采集電路分別連接n個(gè)電池單體并持續(xù)采集各電池單體的電壓 信號(hào)；
[0016] 所述控制單元分別連接驅(qū)動(dòng)模塊和電池端電壓采集電路，用于向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控 制信號(hào)W及接收電池端電壓采集電路反饋的各電池單體的電壓信號(hào)；
[0017] 在充電階段，所述控制單元向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出充電控制信號(hào)W使驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)第 n+1可控開(kāi)關(guān)和第n+2可控開(kāi)關(guān)的同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，并控制第一可控開(kāi)關(guān)至第n可控開(kāi)關(guān)的 始終關(guān)斷，所述充電控制信號(hào)為具有第一占空比的脈沖信號(hào)；
[001引在放電階段，所述控制單元向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出放電控制信號(hào)W使驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)第一 可控開(kāi)關(guān)至第n可控開(kāi)關(guān)的同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，并控制第n+1可控開(kāi)關(guān)和第n+2可控開(kāi)關(guān)的 始終關(guān)斷，所述放電控制信號(hào)為具有第二占空比的脈沖信號(hào)；
[0019] 充放電停止后，當(dāng)控制單元根據(jù)電池端電壓采集電路反饋的各電池單體的電壓信 號(hào)檢測(cè)到相鄰的電池單體的電壓信號(hào)的差值超出第一均衡闊值時(shí)，所述控制單元向驅(qū)動(dòng)模 塊發(fā)出均衡控制信號(hào)W使驅(qū)動(dòng)模塊控制電壓較高的電池單體對(duì)應(yīng)的可控開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，直至 相鄰的電池單體的電壓信號(hào)的差值低于第二均衡闊值時(shí)，關(guān)斷該可控開(kāi)關(guān)。
[0020] 在一些實(shí)施方式中，第一可控開(kāi)關(guān)至第n可控開(kāi)關(guān)中，相鄰的兩個(gè)可控開(kāi)關(guān)由一 個(gè)IGBT模塊提供。
[0021] 在一些實(shí)施方式中，所述電池端電壓采集電路包括：n個(gè)同步采樣繼電器，n個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換采樣繼電器，n個(gè)保持電容，繼電器驅(qū)動(dòng)電路，放大、分壓A/D轉(zhuǎn)換電路；
[0022] n個(gè)同步采樣繼電器分別對(duì)應(yīng)于n個(gè)電池單體并聯(lián)，n個(gè)保持電容分別對(duì)應(yīng)于n個(gè) 同步采樣繼電器并聯(lián)，n個(gè)A/D轉(zhuǎn)換采樣繼電器分別對(duì)應(yīng)于n個(gè)保持電容并聯(lián)，且n個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換采樣繼電器分別連接放大、分壓A/D轉(zhuǎn)換電路；
[0023] 所述繼電器驅(qū)動(dòng)電路分別連接n個(gè)同步采樣繼電器和n個(gè)A/D轉(zhuǎn)換采樣繼電器， 且所述控制單元連接并控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)所述控制單元連接放大、分壓A/D轉(zhuǎn)換 電路并接收其采集的電池單體的電壓信號(hào)；
[0024] 在電壓信號(hào)采集階段，控制單元向繼電器驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送電壓采樣控制信號(hào)，繼電 器驅(qū)動(dòng)電路控制n個(gè)同步采樣繼電器同時(shí)導(dǎo)通，n個(gè)電池單體分別對(duì)n個(gè)保持電容充電；當(dāng) n個(gè)保持電容趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)認(rèn)定為保持狀態(tài)，此時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制n個(gè)同步采樣繼電器 同時(shí)斷開(kāi)，其輸出保持為斷開(kāi)瞬間的電壓，n個(gè)保持電容上的電壓即是所對(duì)應(yīng)電池單體的電 壓測(cè)量值；之后繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制n個(gè)A/D轉(zhuǎn)換采樣繼電器依次閉合，n個(gè)保持電容的電 壓逐個(gè)依次地經(jīng)放大、分壓A/D轉(zhuǎn)換電路的放大、分壓和A/D轉(zhuǎn)換后，逐個(gè)依次地完成對(duì)應(yīng) 電池單體的電壓信號(hào)的采集；下一個(gè)采樣時(shí)間重復(fù)前述步驟。
[00巧]在一些實(shí)施方式中，n個(gè)同步采樣繼電器和n個(gè)A/D轉(zhuǎn)換采樣繼電器均選用 photoMOS繼電器D
[0026] 在一些實(shí)施方式中，所述均衡控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間滿足：
[0027] r:心136()()