CN102025177B - 蓄电池组电压均衡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓄电池组电压均衡器，包括蓄电池组、能量转移载体(301)、均衡控制系统(302)以及两级开关，其中，所述能量转移载体(301)为能够充放电的介质；所述两级开关包括一级开关和二级开关。本发明针对能量转移型均衡方法中开关的选择问题，设计出由两级开关和一个能量转移载体构成的均衡充电电路，并设计了完善的控制策略，既避免了开关在投切过程中产生电弧，又避免了开关管压降影响均衡效果。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池领域，尤其涉及一种蓄电池组电压均衡器。
背景技术
蓄电池广泛应用于军事、航天、工农业生产、通信、UPS(Uninterruptible Power Supply，不间断电源)、电动汽车、新能源储能等领域，由于单体电池电压容量有限，一般将多只单体电池串联以满足电压要求。串联电池组放电时，电压最低的电池单体最容易过放电，反之，向串联电池组充电时，电压最高的电池单体最容易过充电。随着充放电的循环使用，电池组间不一致性越来越严重，导致电池组的寿命明显低于预计使用年限。但在目前制造工艺水平及应用条件下，单体电池在长期使用过程中的性能差异是不可避免的。因此对电池组均衡充电管理是当前提高电池组寿命的有效方法。目前实现电池均衡的依据是电池电压，目标是使串联电池组的每个单体电池电压相等。目前电池组的均衡电路主要可概括为能量耗散型和能量转移型两大类。
能量耗散型均衡电路是将每个单体电池并联分流支路，将电压高的电池的电量通过分流支路消耗掉，以达到各单体电池电压均衡的目的，图1所示为通过分流电阻实现均衡充电功能的电路，其中B1～B4为四个单体电池，S1～S4为四个普通开关，R为电阻。这种方式实时检测各个单体电池的电压，通过控制信号控制开关的导通、断开，对电压高的单体电池进行耗能，直到各个单体电池的电压均衡。这种方法结构简单，是目前应用最为广泛的方法。但是这种方法浪费能源。
能量转移型均衡电路是利用电感或电容储能元件，把电池组中容量高的单体电池的能量通过储能元件转移到容量低的单体电池中，直到各个单体电池的容量均衡。图2所示为一种电容均衡法实现均衡的电路原理图。其中B1～B4为四个单体电池，S1～S5为五个普通开关，SPDT 1(Single Pole Double Throw，单刀双掷)、SPDT2是两个单刀双掷开关(可以采用电子开关或机械开关)，C1为电容。该方法在均衡充电时，使电容依次与单体电池相接，通过电容的充放电作用，将高电压的单体电池的能量转移到电压低的电池中。通过开关的来回切换，最终使电压均衡。该方案相比于能量耗散型节约了能量，但是这种方法若采用机械开关，在均衡充电过程中开关要频繁切换，很难达到高频切换的要求，而且在电路瞬间导通时会产生电弧，引起触头烧蚀；若选用电子开关，其开关本身存在电压降，单纯选用电子开关电池组的均衡充电效果较差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题在于：如何提供一种能够避免开关投切过程产生电弧，又避免开关管压降影响均衡效果。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种蓄电池组电压均衡器，包括蓄电池组，还包括能量转移载体、均衡控制系统以及两级开关，其中，
所述能量转移载体为能够充放电的介质；
所述两级开关包括一级开关和二级开关；所述一级开关由机械开关组成，且分为两组：L组和R组，L组开关与所述蓄电池组中每个电池的正极相连，R组开关与所述蓄电池组中每个电池的负极相连；所述二级开关为复合开关K，所述复合开关K包括机械开关S与双向电子开关T，机械开关S与双向电子开关T并联；所述L组开关的另一端与复合开关K的一端相连；所述R组开关的另一端与能量转移载体的一端相连，所述复合开关K的另一端与能量转移载体的另一端相连。
所述均衡控制系统用于通过分析所采集的电压信号，来控制所述两级开关的导通或断开关断。
其中，所述能量转移载体包括若干个超级电容C和一个限流电阻RM，所述若干个超级电容C与所述一个限流电阻RM串联。
其中，所述能量转移载体包括一个超级电容C和一个限流电阻RM，所述一个超级电容C与所述一个限流电阻RM串联。
其中，所述蓄电池组为串联蓄电池组。
其中，所述一级开关由继电器或接触器组成，所述机械开关S为继电器或接触器。
其中，所述双向电子开关T的结构为：由一个双向晶闸管构成，由两个晶闸管反向并联构成，由两个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)反向串联构成，或者由两个MOSFET(功率场效应晶体管)反向串联构成。
(三)有益效果
本发明针对能量转移型均衡方法中开关的选择问题，设计出由两级开关和一个能量转移载体构成的均衡充电电路，并设计了完善的控制策略，既避免了机械开关在投切过程中产生电弧，又避免了电子开关管压降对均衡充电的影响，节能安全有效，具有实用价值。
附图说明
图1是现有技术中的电阻耗散型均衡电路原理图；
图2是现有技术中用电容均衡法实现的均衡电路原理图；
图3是本发明的电压均衡器结构示意图；
图4是本发明的电压均衡器中开关模块T的结构示意图；
图5是本发明的电压均衡器在一个充放电周期内的工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
本发明的电压均衡器采用能量转移型均衡充电方法实现电压均衡。如图3所示，本发明实施例的电压均衡器包括能量转移载体301、两级开关、均衡控制系统302，以及均衡对象：串联蓄电池组B1～B4(以下简称为电池组)，能量转移载体301由超级电容(也可称作电容电池)C和限流电阻RM构成，也可采用其它具有较大电容量并能够快速充放电的介质。根据单体电池(即一个电池)的电压幅值和均衡容量要求，可以将若干超级电容串并联；为了限制最大充电电流，可与该超级电容器组串联一限流电阻。
与电池组B1～B4相连接的一级开关采用机械开关如继电器或接触器。一级开关可分为两组：L组和R组(以下简称L和R)。它们与电池组的关系是：L组开关与每只电池的正极相连，R组与每只电池的负极相连。具体来说，L1～L4的一端分别与B1～B4的正极连接，R1～R4的一端分别与B1～B4的负极连接。
与能量转移载体301相连接的二级开关采用复合开关。复合开关K为机械开关S(可由继电器或接触器构成)与双向电子开关T并联，其中双向电子开关有三种结构，如图4所示。其中图4中a为双向晶闸管，b为两只晶闸管反向并联，c为两个IGBT或MOSFET反向串联。
L1～L4的公共端与B1～B4的复合开关K的一端连接；R1～R4的公共端与能量转移载体的一端相连，复合开关K的另一端与能量转移载体的另一端相连。
图3为4个单体电池串联，当串联的数量增加或减少时，只需增加一级开关的数量，二级开关不变。
以下描述本发明实施例的均衡器的工作原理。
均衡控制系统302采集电池组B1～B4中每个单体电池的电压，作为启动均衡控制系统的依据。所有一、二级开关的投切(“投“指导通，“切”指关断)都由均衡控制系统302进行控制，投切时序由均衡控制方法决定。均衡控制系统302由两种工作状态组成：检查状态和均衡状态。均衡控制系统302采集每个单体电池的电压(UB1～UB4)，并找出电压最大的单体电池和电压最小的单体电池。当最大电压差大于或等于阈值时，即启动均衡过程，进入均衡状态，否则处于检查状态。其中阈值一般小于单体电池电压的百分之五。一般情况下能量转移载体301的容量远小于单体电池的容量，因此一次电池均衡过程需要多个充放电周期，每个周期只实现部分电量转移。其中，UB1-UB4指采集到的电压值作为输入信号送到均衡控制系统302，S、T、R1...R4、L1...L4作为控制信号由均衡控制系统302输出。
当均衡控制系统处于检查状态时，只是不断地检查各单体电池的电压，一、二级开关都处于断开状态。
当均衡控制系统302处于均衡状态时，经历多个充放电周期，直至最大电压差小于阈值。一个充放电周期包括由电压最高的单体电池向能量转移载体充电的过程和能量转移载体向电压最低的单体电池放电的过程。具体工作过程描述如下：首先均衡控制系统控制一级开关L和R，使电压最大的单体电池通过相应的一级开关与二级开关输入侧导通，之后控制二级开关K按一定时序导通，使电压最大的单体电池向能量转移载体充电，并且抑制导通过程的电弧；当充电过程结束后，按一定时序控制二级开关K断开，切换一级开关，使电压最低的单体电池通过相应的一级开关与二级开关输入侧导通，再按一定时序导通二级开关K，在该时序抑制开关投切过程的电弧，使能量转移载体向该单体电池放电。
上述工作过程中，关键是构成二级开关K的S和T的时序控制，既要保证导通或断开时无电弧，又要保证可靠导通和断开。
一个充放电周期的工作时序如图5所示，其中横坐标为时间，单位是秒，纵坐标表示开关导通或断开状态，高电平表示导通，低电平表示关断。
均衡控制系统302的具体工作过程如下。
S101、判断各单体电池电压，找出电压最大的单体和电压最小的单体，当最大电压差大于或等于阈值时，启动均衡功能，此处假设为B1电压最大和B4电压最小。
S102、B1为能量转移载体充电。在t0时刻闭合相应的一级开关L、R，此处为L1和R1，至时刻t1(在t1-t0保证开关L1和R1可靠闭合，即为开关的投切稳定时间)后，向电子开关T发触发导通信号(对于不同的电子开关结构，触发信号的形式不同，目的是使相应的电子开关导通)，至时刻t2(间隔时间为t2-t1，最小应为电子开关T的导通延时时间)后，闭合S，由于电子开关T已闭合，这时闭合开关S不会产生电弧。S闭合后，由于开关S的内阻很小，将T短路，这样可避免在均衡过程中电子开关管压降的影响。至时刻t3(间隔时间为t3-t2，最小应为开关S的投切稳定时间)后，断开电子开关T，能量转移载体的充电电流流过开关S。
其中开关S导通后，需要根据电子开关T的不同结构，采用相应的方式断开T。当电子开关T采用双向晶闸管或两只晶闸管反向并联时(即图4中的a和b)，开关S闭合后，能量转移载体的充电电流基本都流过S，流过电子开关T的电流几乎为零，晶闸管的电流小于维持电流(是晶闸管的额定参数之一，指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安)时开关T自然断开，所以在开关S导通后，直接撤掉T的触发脉冲即可。当电子开关T采用图4中c的结构时，则在开关S闭合后经过一个开关稳定延时，向T发断开信号即可断开。
S103、充电至时刻t4(间隔时间为t4-t3，此段时间为B1向能量转移载体的充电时间，由开关频率和能量转移载体的容量决定，一般来说，开关频率越高，该时间越短，能量转移载体可取较小容量)后，向电子开关T发触发导通信号，至时刻t5(间隔时间为t5-t4，最小应为电子开关T的导通延时时间)后，断开S，能量转移载体充电电流由S转移至T，这样可避免断开过程中产生电弧，至时刻t6(间隔时间为t6-t5，最小应为开关S的投切稳定时间)后，断开电子开关T，至时刻t7(间隔时间为t7-t6，最小应为电子开关T的断开延时时间)后，再断开相应的一级开关L、R，此处为L1和R1，至此完成一个由电压最高的单体电池向能量转移载体充电的过程。延时至时刻t8(间隔时间为t8-t7，最小应为开关L、R的投切稳定时间)开始向电压最低的单体电池放电的过程。
S104、在t8时刻闭合相应的一级开关L、R，此处为L4、R4，至时刻t9(间隔时间为t9-t8，这段时间保证开关L4和R4可靠闭合，即为开关投切稳定时间)后，向电子开关T发触发导通信号，至时刻t10(间隔时间为t10-t9，最小应为电子开关T的导通延时时间)后，闭合S，这样可避免闭合S时产生电弧。S闭合后，由于开关S的内阻很小，将T短路，这样可避免在均衡过程中电子开关管压降的影响，至时刻t11(间隔时间为t11-t10，最小应为开关S的投切稳定时间)后，断开电子开关T，能量转移载体的充电电流流过开关S。
开关S导通后，需要根据电子开关T的不同结构，如前述采用相应的断开方式。
S105、充电至时刻t12(间隔时间为t12-t11，此段时间与前述充电时间的决定因素相同)后，向电子开关T发触发导通信号，至时刻t13(间隔时间为t13-t12，最小应为电子开关T的导通延时时间)后，断开S，能量转移载体的充电电流转移至T，这样可避免断开过程中产生电弧，至时刻t14(间隔时间为t14-t13，最小应为开关S的投切稳定时间)后，断开电子开关T，至时刻t15(间隔时间为t15-t14，最小应为电子开关的T的断开延时时间)后，再断开相应的一级开关L、R，此处为L4和R4。
S106、重复步骤S101～S106，直到最大电压差小于阈值。
一个充放电周期中的充电时间和放电时间有两种控制方式：时间控制和电压控制。时间控制方式是每个充放电周期时间固定；而电压控制方式是由所设定的能量转移载体和单体电池电压差的阈值来确定充放电时间，当电压差大于阈值时一直进行充电或放电，直至电压差小于阈值才进行充放电过程的切换，也可通过判断充放电电流小于阈值时进行充放电过程的切换。
本发明可适用于多种储能载体，既适用于锂电池，也适用于铅酸电池，对电池串联个数不限。当用于电池并联的情况，只能将并联电池组作为一个均衡对象来处理。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种蓄电池组电压均衡器，包括蓄电池组，其特征在于，还包括能量转移载体(301)、均衡控制系统(302)以及两级开关，其中，
所述能量转移载体(301)为能够充放电的介质；
所述两级开关包括一级开关和二级开关；所述一级开关由机械开关组成，且分为两组：L组和R组，L组开关与所述蓄电池组中每个电池的正极相连，R组开关与所述蓄电池组中每个电池的负极相连；所述二级开关为复合开关K，所述复合开关K包括机械开关S与双向电子开关T，所述机械开关S与双向电子开关T并联；所述L组开关的另一端与复合开关K的一端相连；所述R组开关的另一端与能量转移载体(301)的一端相连，所述复合开关K的另一端与能量转移载体(301)的另一端相连；
所述均衡控制系统(302)用于通过分析所采集的电压信号，来控制所述两级开关的导通或关断，其中，所述均衡控制系统具体用于采集电池组中每个单体电池的电压，作为启动所述均衡控制系统(302)的依据。
2.如权利要求1所述的蓄电池组电压均衡器，其特征在于，所述能量转移载体(301)包括若干个超级电容C和一个限流电阻RM，所述若干个超级电容C与所述一个限流电阻RM串联。
3.如权利要求1所述的蓄电池组电压均衡器，其特征在于，所述能量转移载体(301)包括一个超级电容C和一个限流电阻RM，所述一个超级电容C与所述一个限流电阻RM串联。
4.如权利要求1所述的蓄电池组电压均衡器，其特征在于，所述蓄电池组为串联蓄电池组。
5.如权利要求1所述的蓄电池组电压均衡器，其特征在于，所述一级开关由继电器或接触器组成，所述机械开关S为继电器或接触器。
6.如权利要求1～5任一项所述的蓄电池组电压均衡器，其特征在于，所述双向电子开关T的结构为：由一个双向晶闸管构成，由两个晶闸管反向并联构成，由两个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，或者由两个功率场效应晶体管反向串联构成。
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