專利名稱：一種用于串聯(lián)電池之間能量轉移的電池能量轉移電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電池均衡技術領域。
背景技術：
在現(xiàn)實中，串聯(lián)電池組被廣泛的使用，特別是動力電池組，串聯(lián)的電池單體個數(shù)越來越多，容量越來越大。在電池組中串聯(lián)的電池單體個數(shù)越多，電池單體的一致性就越顯重要，而且在電池組的多次充放電使用中，電池單體的容量差異就會愈來愈明顯，從而影響電池組的使用性能和使用壽命。因此有必要用電池組的均衡電路對電池單體進行均衡，減小電池單體間的差異。
電池均衡通常有兩種方式，一能量消耗法，通過耗能電路使電壓高的單體電池電壓下降，直到和電壓最低的單體電池一至。二是能量轉移法，通過儲能元件把電壓高的單體電池電能轉移到電壓低的單體電池中，最終使兩者電壓一至。在目前電池的均衡電路中，使用儲能電感的無損能量轉移是效率最高的均衡方式，電感儲存電能和釋放電能由電路中的開關器件控制完成，而開關器件導通和關斷則依靠外部電路產生的PWM信號驅動，最基本的PWM信號由振蕩電路產生的鋸齒波信號通過比較電路和取樣電路比較后產生，原則上每個電池單體至少有一個開關器件，而每個開關器件必須有自己單獨的PWM信號，由N個電池單體組成的電池組至少有N個鋸齒波信號電路和取樣比較電路，而鋸齒波信號電路和取樣電路在疊加串聯(lián)電源的狀態(tài)下，在電壓的波動中(在均衡電流的作用下，疊加串聯(lián)的電路必有電壓波動干擾)很難穩(wěn)定工作，并輸出穩(wěn)定可靠的PWM信號。有的均衡電路采用了單片機，用單片機產生PWM信號，但單片機無論用什么方式來產生PWM信號，都必需對單體電池進行高精度的測量采樣處理。高精度的測量采樣意味著采樣電路和調理電路復雜，造成系統(tǒng)成本升高，而且由于單片機外接端口數(shù)量的限制，對電池組中電池單體串聯(lián)的個數(shù)有一定的要求，對于串聯(lián)電池單體個數(shù)高的電池組只能采用多個單片機組合使用，這些客觀的原因造成了目前的無損主動均衡電路相對成本較高，難以在大眾領域推廣普及使用。發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種用于串聯(lián)電池之間能量轉移的電池能量轉移電路，通過自激振蕩工作方式實現(xiàn)電池能量轉移，對串聯(lián)電池中相鄰的電池進行能量轉移，解決了現(xiàn)有技術中單電感的自激振蕩開關電路輸出電流小、轉換效率低、不適用于電池均衡電路的問題。
本發(fā)明的具體技術方案是一種用于串聯(lián)電池之間能量轉移的電池能量轉移電路，所述串聯(lián)電池包括能量輸出電池和能量接收電池，能量輸出電池的正極和能量接收電池的負極連接或者能量輸出電池的負極和能量接收電池的正極連接，所述電池能量轉移電路包括
-自激振蕩開關電路，和所述能量輸出電池連接，吸收電池能量；
-輸出電路，和所述能量接收電池連接，向電池輸出能量；
所述自激振蕩開關電路包括電感電路、控制開關和閾值電壓比較電路，所述電感4電路的第二端和所述控制開關的第一端連接，所述電感電路包括串聯(lián)連接的電感和電流采樣電路，所述電流采樣電路的輸出端和所述閾值電壓比較電路的輸入端連接，所述閾值電壓比較電路的輸出端直接或通過一控制開關驅動電路和所述控制開關的控制端連接，其中，所述電感電路的第一端和所述控制開關的第二端作為與所述能量輸出電池連接的輸入端;
所述輸出電路的一端和所述控制開關的第一端連接，另一端作為與能量接收電池連接的輸出端，所述輸出電路由續(xù)流二極管或電容構成，所述續(xù)流二極管對所述電感續(xù)流， 所述電容通過所述控制開關和能量接收電池并聯(lián)；所述控制開關是半導體器件。
電輸出電路由電容構成，所述能量轉移電路還包括電感和續(xù)流二極管，所述電容通過所述電感和所述輸出端連接，所述電感和所述電容的連接點通過所述續(xù)流二極管和所述控制開關第二端連接，所述續(xù)流二極管對所述電感續(xù)流。
所述電感和所述控制開關的第一端連接，所述自激振蕩電路還包括電容，所述電感和所述電流采樣電路的連接點通過所述電容與所述控制開關第二端連接。
所述閾值電壓比較電路由電壓比較器構成，所述電壓比較器的另一輸入端和一參考電壓Vref連接。
所述閾值電壓比較電路由門電路構成，所述門電路除了輸出端和與所述電流采樣電路連接的輸入端外，其余的各端與相應的電平連接或在電路工作時與相應的電平連接， 使得該門電路具有閾值電壓。
所述門電路是或門電路或或非門電路，所述或門電路或或非門電路的兩輸入端相連接，或其中的一端與低電平連接或在電路工作時與低電平連接。
所述門電路是與門電路或與非門電路，所述與門電路或與非門電路的兩輸入端相連接，或其中的一端與高電平連接或在電路工作時與高電平連接。
所述閾值電壓比較電路是反相器，控制開關是MOS管。
本發(fā)明電池能量轉移電路，還包括
-分壓電路，對所述串聯(lián)電池按額定電壓進行比例分壓；
-電壓比較電路，所述電壓比較電路耦合在所述分壓電路和所述電池能量轉移電路之間，對所述分壓電路的輸出電壓和所述串聯(lián)電池的中間節(jié)點電壓進行比較，并輸出控制電平給所述閾值電壓比較電路，控制所述自激振蕩開關電路的工作狀態(tài)。
本技術方案提供的電池能量轉移電路，是對與之連接的兩個串聯(lián)的電池進行能量轉移，其中，輸出能量的電池稱為能量輸出電池，接收能量的電池稱為能量接收電池，能量輸出電池的正極和能量接收電池的負極連接或者能量輸出電池的負極和能量接收電池的正極連接。以本發(fā)明提供的電池能量轉移電路為單元電路構成的串聯(lián)電池組均衡電路，不需要產生PWM控制信號和測量電池的電壓，還可以采用數(shù)字門電路，大大簡化了系統(tǒng)結構， 增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并進一步降低整體電路的功耗，而且可以不受串聯(lián)電池在電池單體數(shù)量上的限制，有利于減小電路體積，降低電路成本，普及使用，具有輸出電流大，轉換效率高，工作穩(wěn)定，控制方便的優(yōu)點。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的實施例之一的電路；5
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圖具體實施方式
如圖I所示，本發(fā)明一種用于串聯(lián)電池之間能量轉移的電池能量轉移電路的能量輸出電池BI向下位的能量接收電池B2轉移能量，BI與自激振蕩開關電路連接，在自激振蕩開關電路中，電阻R5、R3和NPN三極管Q2組成電流采樣電路，并和電感LI構成了電感電路，控制開關由PMOS管G2構成，閾值電壓比較電路由電壓比較器NI構成，電阻R1、R2的分壓電壓V2是電壓比較電器的閾值電壓，Vl是電流采樣電路輸出的采樣電壓。續(xù)流二極管 Dl構成電池能量轉移電路的輸出電路。在自激振蕩開關電路的初始狀態(tài)，R5沒有電流經過，Q2截止，Vl大于v2，NI輸出低電平，(32導通，BI向LI充電，由于LI中的電流不能突變，流經R5的電流逐漸增大，當R5上的電壓接近O. 6V時，Q2開始導通，流經R3的電流增加，Vl下降，當Vl小于V2時NI的輸出躍變?yōu)楦唠娖剑珿2截止，LI進入放電過程，LI的電流通過Dl流入B2，在放電過程中，LI的電流逐漸減小，R5上的電壓逐漸降低，Q2集電極的電流減小，Vl上升，當Vl大于v2時，NI的輸出躍變?yōu)榈碗娖?，G2重新導通，LI再次進入充電過程，從新開始新的工作循環(huán)，NI的輸出信號通過MOS管的驅動電路進行電流放大后驅動控制開關G2，如果電池能量轉移電路設定的工作電流比較小，NI可以直接驅動G2，在電池能量轉移電路不斷的工作循環(huán)中，BI的能量向B2轉移。
如圖2所示，是本發(fā)明能量輸出電池BI向上位的能量接收電池B2轉移能量的電路，在自激振蕩開關電路中，電阻R5、R3和PNP三極管Ql組成電流采樣電路，并和電感LI 構成了電感電路，Vl是電流采樣電路的輸出電壓，控制開關由NMOS管Gl構成，閾值電壓比較電路由反相器Ul構成，反相器Ul的閾值電壓是閾值電壓比較電路的閾值電壓。在自激振蕩開關電路的初始狀態(tài)，R5沒有電流經過，Ql截止，Vl小于反相器閾值電壓，Ul輸出高電平，Gl導通，BI向LI充電，當R5上的電壓接近O. 6V時，Ql開始導通，vl上升，當Vl大于Ul的閾值電壓時，Ul的輸出躍變?yōu)榈碗娖?，Gl截止，LI進入放電過程，LI的電流經過Dl 流入B2，在放電過程中，LI的電流逐漸減小，R5上的電壓逐漸降低，Vl下降，當Vl小于Ul 的閾值電壓時，Ul的輸出躍變?yōu)楦唠娖剑珿l重新導通，LI再次進入充電過程，從新開始新的工作循環(huán)，在電路的工作循環(huán)中，BI向B2轉移量。
在圖I和圖2中，為了讓本領域的技術人員更好的理解電路的工作過程，圖中給出了兩個電流采樣電路的詳細結構，在現(xiàn)有的技術中，電流采樣電路有多種類型和結構方式， 技術人員從中了解到，在實際的應用中，可以根據(jù)電路的整體情況和電流采樣電路在電路中的不同位置采用合適的電流采樣電路。
在圖3中，本發(fā)明電池能量轉移電路中的輸出電路采用的是電容Cl，在自激振蕩電路中，閾電壓比較電路采用的是或非門門電路U2，U2其中的一腳接地，實際上構成了反相器，自激振蕩電路的結構和圖2中的一樣，電路工作原理和過程可以參見圖2，如果在電6路中用或門代替或非門，則門電路的輸出相位相反。在電池能量轉移電路的輸出電路中，當 Gl導通時，LI被BI充電，Cl上的電壓等于B2的電壓，當充電電流達到設定值時，Gl截止， LI放電，LI向Cl充電，Cl電壓上升，當LI放電過程結束時，Gl導通，由于此時Cl的電壓大于B2，C1向B2放電，直至Gl再次截止，Cl在自激振蕩電路的工作過程中將BI的能量向 B2轉移。
在圖4中，本發(fā)明的輸出電路采用的也是電容Cl，和圖3不同的是，在圖4中是能量輸出電池BI向上位的能量接收電池B2轉移能量，電流采樣電路是串聯(lián)在控制開關G2和電感LI之間，閾值電壓比較電路采用的是電壓比較器NI。除了電流采樣電路內部結構，自激振蕩開關電路的工作原理和工作過程參見圖I。和圖3—樣，在圖4中，Cl在控制開關 G2導通時向能量接收電池放電，在G2截止時被LI充電。和采用Dl作為輸出電路不同，圖 3和圖4中的B2是在LI的充電過程中接收能量，Cl在Gl或G2導通時直接向B2放電，電路的脈動系數(shù)較高，在以下的個實施例中對輸出電路進行了改進。
如圖5所不,在本發(fā)明的輸出電路中,增加了一個電感L2和一個續(xù)流二極管D2,輸出電路的工作過程是，當Gl導通時，B2的正極的電位和Cl相同，LI被BI充電，當Gl截止時，LI向Cl充電，由于L2的存在，LI實際上是通過D2向Cl充電，Cl電壓升高，當Gl再次導通時，Cl通過L2向B2放電，然后Gl截止，此時在LI向Cl充電的同時，L2中的電流繼續(xù)通過D2流入B2，直至Gl又一次導通，由此可見，B2在LI的充電過程和放電過程都有電流流入，L2和D2的存在使電路提高了工作效率，降低了脈動系數(shù)。
圖6中的輸出電路和圖5—樣,不同的是能量輸出電池BI向上位的能量接收電池轉移能量，LI的電流方向相反，電路分析可參見圖5。
圖7中，在本發(fā)明電池能量轉移電路的基礎上增加了電壓比較電路和分壓電路， 構成了一個自動電池能量轉移電路，電壓比較電路由電壓比較器N2和電阻R8構成，分壓電路由電阻R6、R7構成，在電阻取值中，R6和R7的阻值比等于BI和B2的額定電壓比，V3是 BI和B2連接點電壓，V4是分壓電路輸出電壓，根據(jù)電池的特性，電池的電壓和容量成正比， 當V3小于V4時，說明BI的電能比B2多，N2輸出高電平，電池能量轉移電路工作，BI向B2 轉移能量，當V3大于V4時，說明BI的電能比B2少，N2輸出低電平，Vl電平被拉低，v2大于Vl，NI輸出高電平，G2截止，電池能量轉移電路停止工作。在自激振蕩開關電路中，還有一個電容C2，用于調節(jié)白激振蕩開關電路的振蕩頻率。
在采用電壓比較器的閾值電壓比較電路中，電壓比較器的輸入端和電流采樣電路連接的極性可以根據(jù)整體電路的需要來改變，而且在電路靜態(tài)設定時對參考電壓和電流采樣電路的輸出電壓沒有特殊的要求，只要有相對的電壓差電路就能正常工作，當然這個電壓差相對要遠離比較器的輸入失調電壓。
在采用門電路的閾值電壓比較電路中，使用多個門電路串聯(lián)，可以改善輸出波形， 增強帶負載能力，如果其中連接有反相器，還可以改變閾值電壓比較器的輸出極性。
并且在電路中，至少有一個以上的電源供閾值電壓比較電路選擇。
補充說明的是，能量輸出電池或能量接收電池，可以是單個電池單體，也可以是由多個電池單體組成的電池單元，組成二者的電池單體個數(shù)也不一定要相同，也就是說可以在整個串聯(lián)電池組中的任意組合。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種用于串聯(lián)電池之間能量轉移的電池能量轉移電路，所述串聯(lián)電池包括能量輸出電池和能量接收電池，能量輸出電池的正極和能量接收電池的負極連接或者能量輸出電池的負極和能量接收電池的正極連接，所述電池能量轉移電路，其特征在于，包括一自激振蕩開關電路，和所述能量輸出電池連接，吸收電池能量一輸出電路，和所述能量接收電池連接，向電池輸出能量；所述自激振蕩開關電路包括電感電路、控制開關和閾值電壓比較電路，所述電感電路的第二端和所述控制開關的第一端連接，所述電感電路包括串聯(lián)連接的電感(LI)和電流采樣電路，所述電流采樣電路的輸出端和所述閾值電壓比較電路的輸入端連接，所述閾值電壓比較電路的輸出端直接或通過一控制開關驅動電路和所述控制開關的控制端連接，其中，所述電感電路的第一端和所述控制開關的第二端作為與所述能量輸出電池連接的輸入端;所述輸出電路的一端和所述控制開關的第一端連接，另一端作為與能量接收電池連接的輸出端，所述輸出電路由續(xù)流二極管(Dl)或電容(Cl)構成，所述續(xù)流二極管對所述電感 (LI)續(xù)流，所述電容(Cl)通過所述控制開關和能量接收電池并聯(lián)；其中，所述控制開關是半導體器件。
2.根據(jù)權利要求I的電池能量轉移電路，其特征在于所述電輸出電路由電容(Cl)構成，所述能量轉移電路還包括電感(L2)和續(xù)流二極管(D2)，所述電容(Cl)通過所述電感 (L2)和所述輸出端連接，所述電感(L2)和所述電容(Cl)的連接點通過所述續(xù)流二極管 (D2)和所述控制開關第二端連接，所述續(xù)流二極管(D2)對所述電感(LI)續(xù)流。
3.根據(jù)權利要求I的電池能量轉移電路，其特征在于所述電感(LI)和所述控制開關的第一端連接，所述自激振蕩電路還包括電容(C2)，所述電感(LI)和所述電流采樣電路的連接點通過所述電容(c2)與所述控制開關第二端連接。
4.根據(jù)權利要求I的電池能量轉移電路，其特征在于所述閾值電壓比較電路由電壓比較器構成，所述電壓比較器的另一輸入端和一參考電壓Vref連接。
5.根據(jù)權利要求I的電池能量轉移電路，其特征在于所述閾值電壓比較電路由門電路構成，所述門電路除了輸出端和與所述申流采樣電路連接的輸入端外，其余的各端與相應的電平連接或在電路工作時與相應的電平連接，使得該門電路具有閾值電壓。
6.根據(jù)權利要求5的電池能量轉移電路，其特征在于所述門電路是或門電路或或非門電路，所述或門電路或或非門電路的兩輸入端相連接，或其中的一端與低電平連接或在電路工作時與低電平連接。
7.根據(jù)權利要求5的電池能量轉移電路，其特征在于所述門電路是與門電路或與非門電路，所述與門電路或與非門電路的兩輸入端相連接，或其中的一端與高電平連接或在電路工作時與高電平連接。
8.根據(jù)權利要求I的電池能量轉移電路，其特征在于所述閾值電壓比較電路是反相器。
9.根據(jù)權利要求I的電池能量轉移電路，其特征在于，所述控制開關是MOS管。
10.根據(jù)權利要求I 3中任意一項的電池能量轉移電路，其特征在于，還包括一分壓電路，對所述串聯(lián)電池按額定電壓進行比例分壓；一電壓比較電路，所述電壓比較電路耦合在所述分壓電路和所述電池能量轉移電路之2間，對所述分壓電路的輸出電壓和所述串聯(lián)電池的中間節(jié)點電壓進行比較，并輸出控制電平給所述閾值電壓比較電路，控制所述自激振蕩開關電路的工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于串聯(lián)電池之間能量轉移的電池能量轉移電路，包括吸收電池能量的自激振蕩開關電路，和向電池輸出能量的輸出電路，自激振蕩開關電路包括電感電路、控制開關和閾值電壓比較電路，電輸出電路由電容構成，本發(fā)明提供的電池能量轉移電路為單元電路構成的串聯(lián)電池組均衡電路，不需要產生PwM控制信號和測量電池的電壓，解決了現(xiàn)有技術中單電感的自激振蕩開關電路輸出電流小、轉換效率低等的問題；并且采用數(shù)字門電路簡化了結構，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了整體電路功耗，而且可以不受串聯(lián)電池在電池單體數(shù)量上的限制，有利于減小電路體積，降低電路成本，普及使用，具有輸出電流大，轉換效率高，工作穩(wěn)定，控制方便的優(yōu)點。
文檔編號H02J7/00GK102916470SQ20121042980
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權日2012年11月1日
發(fā)明者邱紅原 申請人:邱紅原