基于外部控制正激電路的電池組雙向主動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均衡電路,包括多個串聯(lián)連接的電池組,每個電池組與與其相鄰的電池組之間均設有可主動雙向均衡能量的均衡電路,所述均衡電路包括對與其相連的電池組進行電壓采樣比較后輸出控制信號的控制電路,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。本實用新型采用階梯式均衡結構,實現(xiàn)同一時間同時對多個電池組進行均衡,有效提升了整體的均衡效率,適用于電壓較高的儲能技術以及大型電動設備的高電壓動力電池組。而且采用正激拓撲結構的能量上傳和能量下傳電路,能很好地實現(xiàn)無損能量轉移,不會產(chǎn)生大量的熱量也不會浪費能量,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均衡電路
【技術領域】
[0001]本實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均衡電路。
【背景技術】
[0002]動力電池以高安全性、動力、環(huán)保及長壽命而成為電動汽車動力電源的最佳選擇。但是在應用中會有一致性的問題,一致性的問題嚴重縮短了電池的循環(huán)壽命,遠遠達不到動力汽車電池8-10年使用壽命的要求。本次設計正是針對電池這一缺陷,徹底解決電池一致性問題,延長了電池壽命。
[0003]動力電池是電動汽車的核心能源,但是目前許多動力電池存在比能量低下、電池一次充電速度較慢、電動汽車續(xù)駛里程較短等問題。同時,電動汽車動力電池的充電方法和充電均衡性問題,也一直困擾著電動汽車的普及與應用。針對這種情況,對電動汽車動力電池的充電方法和均衡充電問題進行研宄,將具有重要的意義和應用價值。
[0004]目前根據(jù)均衡方式是否全部消耗能量轉化成熱能可以分為“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電壓檢測電路檢測到某個單體電池的電壓超過了一定范圍時,均流電阻上的電流就會發(fā)生變化。也就是說,如果有單體電池的端電壓超過設定的上限或下限電壓,這幾個單體電池多余的能量就會通過電阻發(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移從而實現(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換元件,可以是數(shù)字器件,也可以是模擬器件。由于能量轉換裝置也需要消耗部分能量,因此非耗散型均衡方式的轉換效率大約都在85~95%之間,也就是會消耗5~15%的能量。
[0007]能量耗散型均衡方式,比如開關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定值開啟對應的均衡開關,并通過均流電阻消耗單體電池能量最終達到各個單體電池均充滿而無過充狀態(tài)。預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,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到了滿容量,實現(xiàn)均衡的目的。在放電階段開關并不會閉合使均流電阻工作,主要考慮的原因是電池泄放電再對單體電池進行放電并沒有起到延長電池組放電時間和增加對外供電的能力。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小很多,但是一般這種均衡方式電路結構會復雜一點。無能耗的均衡方法是通過電壓或電流轉移元件將能量從不均衡的單體電池轉移到其他單體電池上,從而達到整體均衡。轉移元件主要是能量轉換元件,必須能夠儲存能量。通過元器件實現(xiàn)了能量的傳遞和轉移,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構如圖2所示,在該設計中選用12芯電池組為均衡對象,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。副邊每個抽頭輸出電壓均為電池組平均到每個單體電池的電壓。通過變壓器將原邊電池組的能量分配到各個電池組,實現(xiàn)電池電壓的動態(tài)平衡。此種均衡方式是通過變壓器來實現(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,但是當電池過多時變壓器占用的體積太大,難以集成化,小型化。同一時間只能對一節(jié)電池均衡,均衡效率太低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本實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均衡電路。
[0010]本實用新型采用的技術方案是:
[0011 ] 基于外部控制正激電路的電池組雙向主動均衡電路,包括多個串聯(lián)連接的電池組,其特征在于:每個電池組與與其相鄰的電池組之間均設有可主動雙向均衡能量的均衡電路,所述均衡電路包括對與其相連的電池組進行電壓采樣比較后輸出控制信號的控制電路,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端的相鄰電池組時,相應均衡電路的控制電路輸出能量上傳信號給相應的能量上傳電路,能量上傳電路將能量高的電池組往能量低的電池組轉移能量,當所述控制電路檢測到電池組的容量大于其負端的相鄰電池組或小于其正端的相鄰電池組時,相應均衡電路的控制電路輸出能量下傳信號給相應的能量下傳電路,能量下傳電路將能量高的電池組往能量低的電池組轉移能量,當控制電路檢測到相鄰的電池組之間的容量趨向均衡,則輸出停止信號給能量上傳電路或能量下傳電路。本實用新型采用一種階梯式的均衡結構,在同一時間所有的均衡電路一起工作,實現(xiàn)同一時間同時對多個電池組進行均衡,有效提升了整體的均衡效率,適用于電壓較高的儲能技術以及大型電動設備的高電壓動力電池組。而且采用正激拓撲結構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,負載電流對輸出電壓的影響較小,負載能力相對來說比較強,輸出電壓的紋波比較小,能很好地實現(xiàn)無損能量轉移,不會產(chǎn)生大量的熱量也不會浪費能量,節(jié)省成本,降低功耗。
[0012]進一步,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現(xiàn)能量轉移的MOS開關管。能量上傳電路或能量下傳電路在接收到控制電路發(fā)送的能量傳輸信號時,通過正激控制器,輸出GATE驅動信號給MOS開關管,使其導通開始能量傳輸轉移。
[0013]進一步,所述電池組是由一個電池或是一個以上電池串聯(lián)形成的電池串。
[0014]本實用新型的有益效果:
[0015]1、適用于電壓較高的電池組,電池組可以達到180V,甚至可以更高,到3、4百伏;屬于能量轉移式均衡,不會產(chǎn)生大量的熱同時也不會浪費能量;階梯式均衡結構保證整體的均衡效果;均衡電路具有使能功能,方便調(diào)試;均衡電路外部結構簡單,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,是通過變壓器將能量反饋回主回路,達到無損吸收的效果,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;正激式變壓器開關電源的變壓器要比反激式變壓器開關電源的變壓器多一個繞組,可以有效吸收反電勢,功率可以比反激式電路高的多;MOS開關管的電壓應力相對反激要小;
[0018]4、無需設計專用集成控制芯片,普通芯片就可實現(xiàn),而且用的都是常用元件,容易實現(xiàn),成本低;
[0019]5、均衡電路外部結構簡單,便于調(diào)試;采用模塊化設計,更方便維修。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是開關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是本實用新型的結構示意圖。
[0023]圖4是本實用新型的均衡電路的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合具體實施例來對本實用新型進行進一步說明,但并不將本實用新型局限于這些【具體實施方式】。本領域技術人員應該認識到,本實用新型涵蓋了權利要求書范圍內(nèi)所可能包括的所有備選方案、改進方案和等效方案。
[0025]參照圖3、圖4,基于外部控制正激電路的電池組雙向主動均衡電路,包括多個串聯(lián)連接的電池組1,每個電池組I與與其相鄰的電池組I之間均設有可主動雙向均衡能量的均衡電路2,所述均衡電路2包括對與其相連的電池組I進行電壓采樣比較后輸出控制信號的控制電路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或小于其負端的相鄰電池組I時,相應均衡電路2的控制電路21輸出能量上傳信號給相應的能量上傳電路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移能量,當所述控制電路21檢測到電池組I的容量大于其負端的相鄰電池組I或小于其正端的相鄰電池組I時,相應均衡電路2的控制電路21輸出能量下傳信號給相應的能量下傳電路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移能量,當控制電路21檢測到相鄰的電池組I之間的容量趨向均衡,則輸出停止信號給能量上傳電路22或能量下傳電路23。本實用新型采用一種階梯式的均衡結構,在同一時間所有的均衡電路一起工作,實現(xiàn)同一時間同時對多個電池組進行均衡,有效提升了整體的均衡效率,適用于電壓較高的儲能技術以及大型電動設備的高電壓動力電池組。而且采用正激拓撲結構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,負載電流對輸出電壓的影響較小,負載能力相對來說比較強,輸出電壓的紋波比較小,能很好地實現(xiàn)無損能量轉移,不會產(chǎn)生大量的熱量也不會浪費能量,節(jié)省成本,降低功耗。
[0026]本實施例的所述正激電路采用正激式變壓器開關電源,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現(xiàn)能量轉移的MOS開關管。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)送的能量傳輸信號時,通過正激控制器,輸出GATE驅動信號給MOS開關管,使其導通開始能量傳輸轉移。本實施例所述電池組可以是一個電池,也可以是一個以上電池串聯(lián)形成的電池串。
[0027]本實用新型的工作原理:
[0028]參照圖3,根據(jù)均衡內(nèi)部的電路拓撲,將電池組I能量轉移的兩個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移能量稱為下傳狀態(tài),從電池組I總負開始,下電池組向上電池組轉移能量稱為上傳狀態(tài)。以最下端的兩個電池組I均衡為例,均衡電路2上電后,經(jīng)過啟動電路分別給正激控制器和控制電路21的運放供電,控制電路21比較節(jié)點GND與A之間的電壓值和節(jié)點A與B之間的電壓值,判斷兩個電池組電壓的大小。若節(jié)點GND與A之間的電壓較低,控制電路21會輸出能量下傳信號給能量下傳電路23的正激控制器,該正激控制器輸出Gate驅動信號控制MOS開關管,使其導通能量開始向下轉移;若節(jié)點A與B之間的電壓較低,控制電路21會輸出能量上傳信號給能量上傳電路22的正激控制器,該正激控制器輸出Gate驅動信號控制MOS開關管,使其導通能量開始向上轉移。如果兩個電池組I的電壓相近,控制電路21輸出給兩個方向功率電路的都為低電平信號,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是同時工作的,以最下端的3個電池組I為例,若中間電池組的容量偏低,相應的均衡電路2就會將其下電池組和其上電池組中的能量向中間電池組中轉移,當容量相近時,相應的均衡電路2會自動關掉均衡電流,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用性。
【權利要求】
1.基于外部控制正激電路的電池組雙向主動均衡電路,包括多個串聯(lián)連接的電池組,其特征在于:每個電池組與與其相鄰的電池組之間均設有可主動雙向均衡能量的均衡電路,所述均衡電路包括對與其相連的電池組進行電壓采樣比較后輸出控制信號的控制電路,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端的相鄰電池組時,相應均衡電路的控制電路輸出能量上傳信號給相應的能量上傳電路,能量上傳電路將能量高的電池組往能量低的電池組轉移能量,當所述控制電路檢測到電池組的容量大于其負端的相鄰電池組或小于其正端的相鄰電池組時,相應均衡電路的控制電路輸出能量下傳信號給相應的能量下傳電路,能量下傳電路將能量高的電池組往能量低的電池組轉移能量,當控制電路檢測到相鄰的電池組之間的容量趨向均衡,則輸出停止信號給能量上傳電路或能量下傳電路。
2.如權利要求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現(xiàn)能量轉移的MOS開關管。
3.如權利要求1或2所述的基于外部控制正激電路的電池組雙向主動均衡電路,其特征在于:所述電池組是一個電池或是一個以上電池串聯(lián)形成的電池串。
【文檔編號】H02J7/00GK204258369SQ201420737873
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】張云程, 奚淡基, 黃顥冰, 任遠程, 周遜偉 申請人:杭州協(xié)能科技有限公司