CN101552479B - 一种直流降压电路 - Google Patents
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Abstract
一种直流降压电路，电池组直流母线的正极与第二开关器件、储能电感、第一开关器件、电池组直流母线的负极依次连接，构成储能电路回路；电池单元负极连接第二二极管阳极，第二二极管阴极通过所述储能电感，与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极连接电池单元正极，构成降压放电回路；由控制电路控制第一和第二开关器件的状态，交替重复进行同步导通和截止的操作。本发明有以下优点：不需要直流电与交流电的变换，避免了隔离变压器降压过程中存在的电能损失，结构简单、成本低，效率高；用于串联电池组电量均衡管理时，一个电池单元对应一个降压电路，模块化独立工作，可靠性高；降压比例控制灵活，可实现标准化、批量化生产。
Description
技术领域
本发明属直流降压电路技术领域，具体涉及一种用于串联电池组电量均衡的直流降压电路，特别涉及动力电池组的非能耗实时均衡技术的降压电路。
背景技术
随着大容量密度、高功率密度蓄电池的应用越来越普遍，电池组的均衡技术成为电池管理系统的主要任务。目前应用最多的铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池都存在单元电池之间的不一致现象。由于生产过程的差异，使用过程的性能变化和其他一些因素，这种差异无法完全消除。当电池组应用于像电动车辆等需要频繁充放电循环的场合时，为了得到足够的系统电压，需要通过电池组的串联提高供电电压。串联连接的电池单元的不均衡会降低整个电池组的有效容量，放电时只能放到容量最小的电池单元的下限，否则容量最小的电池单元会出现极性反转。串联充电时，电池组中单元容量最小的电池首先充满。如果此时停止充电，则整个电池组无法充满，电池组的容量不能得到有效利用。如果继续充电至所有电池单元的电池的荷电状态(SOC)至100％，则部分电池单元会出现过充。铅酸蓄电池虽然可以允许一定范围的过充，但必然产生能量浪费，降低充电效率。锂离子电池不允许过充，因此电池组的均衡更为重要。
目前，串联蓄电池组的均衡主要分为能耗法和非能耗法。能耗法是将电量高的电池单元的电量通过电阻转换成热量消耗掉，达到电池组均衡的目的。这种方法结构简单、成本低，在小容量、低功率的场合应用较多。但由于其工作原理的限制，无法满足大容量电池组的均衡，均衡时产生大量热量的同时，会降低电池组的充电效率。
非能耗式均衡的种类较多，其工作原理是将电量多的电池单元的电荷转移到电量低的单元或电池组的直流母线上。由于大容量串联电池组的电路设计要求，电池组的串联电路关系一般不能改变，因此每一个电池单元的正负极电压与电池组的直流母线电压之间不能隔离，电池单元的电量转移一般采用两种方法：一是隔离变压器法。通过单绕组DC/DC模块，将电池组直流母线的电压降压泵入电池单元。二是通过电池单元间的电量平衡电路逐级转移。隔离变压器法的主要缺点是电能传递效率低，电路元器件多，模块复杂，成本高，可靠性低。逐级转移法的缺点是电能转换次数多，能量损失大，均衡效率低。同时由于电能转移是逐级传递关系，如果一个模块出现故障，则整个系统的均衡效果会显著降低，降低了系统的可靠性。因此，串联电池组的非能耗均衡技术需要一种结构简单，效率高，成本低，模块能够独立工作的电量转移电路，以实现大容量串联电池组的高效、可靠、低成本的均衡管理。
发明内容
本发明的目的是将传统的Buck降压电路加以改进，充分利用电感储能降压原理，提供一种结构简单成本低、模块能够独立工作效率高、用于串联电池组电量均衡的一种直流降压电路。
为实现上述发明的目的，采用的技术方案是：一种直流降压电路，电池组直流母线的正极连接第二开关器件的输入端，第二开关器件的输出端连接储能电感的一端，储能电感的另一端连接第一开关器件的输入端，第一开关器件的输出端连接电池组直流母线的负极，构成储能电路回路；电池单元负极连接第二二极管阳极，储能电感与第二开关器件的输出端相连接的公共端，与第二二极管的阴极连接，储能电感与第一开关器件的输入端相连接的公共端，与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极连接电池单元正极。构成降压放电回路；第一和第二开关器件的状态由控制电路控制。
当第一和第二开关器件同时处于导通状态时，电池组直流母线的电压施加到储能电感的两端，并且与储能电感的剩余电流同向，直流电流的流动方向为电池组直流母线正极→第二开关器件→储能电感→第一开关器件→电池组直流母线负极。储能电感的电流增大，此阶段为储能阶段。此时电池组直流母线的负极电势低于电池单元正极电势，由于第一二极管的反向截止作用，电池单元的正极电流不会流到电池组直流母线负极。同时，电池组直流母线的正极电势高于电池单元负极电势，由于第二二极管的反向截止作用，电池组直流母线正极的电流也不会流到电池单元的负极。
当第一和第二开关器件同时处于截止状态时，储能电感中的电能在电感降压的原理作用下迅速降低至电池单元电压，储能电感在所述储能阶段储存的电能以直流电流的方式泵送入电池单元。
所述控制电路通过驱动电路分别与第一开关器件和第二开关器件的控制端连接，通过信号检测电路分别与电池单元的正极和负极连接，控制电路通过预先设定的均衡检测方法，判断电池单元的均衡状态并发出控制信号，经过驱动电路控制开关器件按照前面所述的降压原理进行同步导通和截止的重复循环操作，则电池组直流母线的电量不断通过与之对应的降压电路转移到电池单元中，实现电池组的非能耗均衡。
本发明相对现有其他电能转移方式，有以下优点：
1.效率高。隔离变压器降压需要两次直流电与交流电的变换，变压器本身也存在损失。本发明避免了隔离变压器法降压过程中存在的电能损失，效率高。
2.结构简单、成本低。本发明直流降压电路不需要直流电与交流电的变换，原理上只需要五个元器件，结构简单，成本大大降低。
3.可靠性高。本发明在应用于电池组电能均衡管理时，每一个电池单元对应一个降压电路，模块式独立工作，任一个出现故障，不会影响其它单元的功能，整个系统的可靠性提高。
4.可实现标准化、批量化生产。本发明的降压比例控制灵活，在一定功率和降压比范围内可以实现电路统一设计，只是改变控制信号，有利于降低成本，方便系统维护。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明原理框图；
图2为串联电池组电量均衡系统直流降压电路原理框图。
具体实施方式
将本发明应用于三节串联电池组的均衡管理，原理框图如图2所示。在图2中，每一个所述降压电路与一套控制电路构成一个独立的均衡管理模块，每一个电池单元连接一个所述管理模块。图2仅详细标明了电池单元106连接的模块原理框图。
一种直流降压电路，其特征在于：电池组直流母线的正极连接第二开关器件101的输入端，第二开关器件101的输出端连接储能电感102的一端，所述储能电感102的另一端连接第一开关器件100的输入端，第一开关器件100的输出端连接电池组直流母线的负极，构成储能电路回路；电池单元106负极连接第二二极管104的阳极、第二二极管104的阴极通过所述储能电感102、连接第一二极管103阳极、第一二极管103阴极与电池单元106正极连接，构成降压放电回路；所述第一开关器件100和所述第二开关器件101的开关状态受控制电路107控制。
第一开关器件100、第二开关器件101优选采用MOSFET或IGBT器件。虽然第一开关器件100、第二开关器件101原理上可以选用不同的开关器件，但选用相同的器件更为适合。器件的电压和电流等级应该考虑模块的最大适用范围。分别连接第一开关器件100的输入端和第二开关器件101的输出端的储能电感102的电感值与电路的工作频率等有关，但应该综合考虑器件成本和工作效率的相互影响。
第一二极管103、第二二极管104优选导通压降小的快恢复或超快恢复二极管。
均衡管理模块的控制电路107通过驱动电路分别与两个开关器件100和101的控制端连接，控制电路107通过信号采集电路分别与电池单元106的正极和负极连接。控制电路通过预先设定的均衡检测方法，判断电池单元的均衡状态。当检测到与之相连接的电池单元电量过高时，控制电路发出控制信号，经过驱动电路控制开关器件100、101按照前面所述的降压原理进行同步导通和截止的循环操作。
开关器件的占空比控制电量的转移功率和降压比例。第一开关器件100和第二开关器件101并不要求绝对的同步导通和截止控制，实际的电路也不能实现绝对同步。但同步与否并不影响本发明在降压原理上的一致性。
图2中的电容105的作用主要是平滑滤波，原理上不具有必须性。但实际设计中，引入电容105并选用合适的参数和种类可以有效改善本发明的均衡性能。
本实施例中电池单元106并不局限于电池单体。对于多级叠加的拓扑结构，电池单元106可以是集成在一起的电池组。
尽管本发明已经结合附图和实施例进行了详细描述，但是应当理解本发明不受在此公开的具体说明的限制，许多对于本领域的专业技术人员显而易见的其他改变都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种直流降压电路，其特征在于：电池组直流母线的正极连接第二开关器件(101)的输入端，第二开关器件(101)的输出端连接储能电感(102)的一端，所述储能电感(102)的另一端连接第一开关器件(100)的输入端，第一开关器件(100)的输出端连接电池组直流母线的负极，构成储能电路回路；电池单元(106)负极连接第二二极管(104)的阳极，第二二极管(104)的阴极通过所述储能电感(102)连接第一二极管(103)阳极，第一二极管(103)阴极与电池单元(106)正极连接，构成降压放电回路；所述第一开关器件(100)的输入端连接第一二极管(103)的阳极，所述第二开关器件(101)的输出端连接第二二极管(104)的阴极，所述第一开关器件(100)和所述第二开关器件(101)的开关状态受控制电路(107)控制。
2.根据权利要求1所述一种直流降压电路，其特征在于：所述控制电路(107)通过驱动电路分别与所述第一开关器件(100)和第二开关器件(101)的控制端连接，通过信号检测电路分别与所述电池单元(106)的正极和负极连接，所述控制电路(107)通过预先设定的均衡检测方法，判断所述电池单元(106)的均衡状态并发出控制信号，经过驱动电路控制所述第一开关器件(100)和第二开关器件(101)交替循环进行同步导通和截止的操作。
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