CN102593925A - 动力电池组电压变换系统与变换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动力电池组电压变换系统与变换方法，其特征在于包括对动力电池组模块进行采样的电压检测模块，用于实现电池动态连接的开关矩阵，用于控制开关矩阵中各个开关开闭和电压信号采集的控制模块；所述的控制模块分别与电压检测模块与开关矩阵相连，根据各单体电池的电压值和输出电压的目标值信息计算优化后的电池连接方式；所述的变换方法是利用单体电池本身具有的电压离散特点，优化选择单体电池的数量，通过开关矩阵实现动态连接功能。本发明的能量转换效率达95％，无需使用传统DC/DC，不会产生电磁干扰，整个电池组工作寿命期间，提高能量使用效率和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力电池组电压变换系统与变换方法，更确切地说本发明涉及一种基于开关矩阵的高效动力电池组电压变换方法与系统。属于电源管理技术领域。
背景技术
蓄电池是国家新能源发展的重要技术，在国民经济各个领域中应用广泛。现有技术中汽车、电动车、船舶、潜水艇、通讯机站备用直流电源、UPS电源、电动工具、视听电子产品等很多设备都需要使用蓄电池。单体电池往往电压较低，如镍氢电池1.2伏、锂离子电池3.7伏。当蓄电池应用于功率要求较大或者电压要求较高的设备时，一般需要采用多节单体电池进行串联使用，以满足负载对电压和功率的需求。另一方面负载可能在不同的工作模式需要不同的电压，如电动车在爬坡时往往比在平地行驶时消耗更多电力。针对负载实时动态需求提供不同电压，可以有效减少系统的能耗，极大提高电池能源使用效率。为了使输出电压多样化，目前主要使用各种电压变换器来实现，如直流/直流变换(DC/DC)与低压差线性电压变换器(LDO)等。这两种电压变换方法各有优劣。DC/DC适用范围广，转换效率高，既可以提高电压，也可以降低输出电压。但是DC/DC电压变换器由于使用高速开关，产生的电磁干扰大，而且结构复杂，电路版面面积较大，成本也相对高。而LDO电压变换器，一般用作降压器，结构简单，成本低。但是只有当输入输出电压压差较小时，LDO才可以取得比较高的转换效率。不管是DC/DC还是LDO，它们都来源于以市电为基础的传统电源管理领域，没有充分利用电源电池本身的特性，还有很大的提升空间。如何将电源电池本身的特性引入电源管理系统中，以提高能量转换效率，有望成为新的突破点，从而引导出本发明的构思。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动力电池组电压变换系统与方法。本发明充分利用了电池本身具有的电压离散特点，优化选择单体电池的使用数量，通过开关矩阵实现动态连接功能，达到输出电压多样化的目的。即使使用固定数量的单体电池，各个单体电池间的不同连接结构也可以产生不同的输出电压。
为了达到上述目标，本发明采用的技术方案是：
一种高效动力电池组电压变换系统，所述动力电池组至少由两个电池单体串联构成。所述的动力电池组电压变换方案包括对所述动力电池组进行采样的电压监测模块，用于实现电池动态连接的开关矩阵，用于控制开关矩阵中各个开关开闭和电压信号采集的控制模块；所述控制模块分别与电压监测模块与开关矩阵相连，根据各单体电池的电压值和输出电压的目标值等信息计算优化后的电池连接方式。
上述用于单体电池动态连接的开关矩阵，可以使用机械开关或者继电器、MOSFET等电子开关以导通网络的形式实现。通过控制每个开关的开闭来形成不同的通路，连接单体电池对外供电。
上述电压监测模块用于测量每个单体电池的电压值，可以使用开关矩阵形成测量信号的选通路径，也可以使用单独的测量模块，如采用电阻分压与单刀多掷开关等。电压监测模块需要把每个单体电池电压的测量值发送到控制模块。
上述控制模块是整个系统的控制核心，它需要同时和电压监测模块和开关矩阵模块进行通讯。该控制模块利用一定的算法策略(如电压为优化目标的贪心算法)，针对不同的负载电压需求，计算最佳的电池组合方式和相应的连接方式，然后向开关矩阵模块输出各个开关的控制信号。
上述电池组电压变换方法，主要包含如下步骤：
步骤1、获取负载所需的供电电压；
步骤2、通过电压监测模块测量每个单体电池的端电压，并传送给控制模块；
步骤3、控制模块根据负载所需电压和每个单体电池电压，判断需要使用哪些单体电池，并优化单体电池的连接结构。
步骤4、控制模块根据单体电池的连接结构要求判断开关矩阵中每个开关的工作状态，并向开关矩阵模块输出相应控制信号。
步骤5、电源系统以负载所需电压对外供电，当负载所需电压变化或者所用单体电池电压下降较大时可以动态调整，重新实施整个过程。
本发明主要通过调整单体电池的使用数量来输出不同的负载电压，当负载需要较高的电压时，增加单体电池的数量，反之则减少。如果负载对输出电压要求较高，可以在整个系统之后连接一个LDO电压变换器。由于通过调整单体电池数量，输出电压跟负载需求电压压差已经很小(小于4伏)，LDO可以达到很高的转换效率。与现有方法相比，本发明具备以下优点与效果：
本发明具有很高的能量转换效率，在大部分情况下可以达到95％。由于优化选择了单体电池的使用数量，通过开关矩阵形成了最高效的电池连接，在输入输出压差很小的情形下使用LDO，整个系统具有非常高的能量使用效率；同时因为无需使用传统DC/DC，不会产生电磁干扰，可以形成高质量的电源输出；最后通过控制器循环工作，可以根据负载实时需求进行动态输出调整，在电池组的整个工作寿命期间，提高能量使用效率和安全性。
附图说明
图1为本发明提供的动力电池组电压变换系统。
图2为一种开关矩阵的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的保护范围和实施不限于此。
参见图1，图1给出了本发明示例的总体结构图，其中，动力电池组模块由C1、C2、C3……、Cn等n个电池单体组成，n＞1，即至少由两个单体电池组成。电压监测模块由电压采样电路和接口电路组成，用来测量各个电池单体的端电压。控制模块根据各个电池端电压和负载所需电压来优化选择所需串联的电池和连接方式以及判断开关矩阵中的相应开关状态。
图2为开关矩阵的一种实现方式结构示意图，每个电池单体对应三个开关(正负极和公共引线各接一个开关)。如果控制模块计算的优化连接方式中包括该电池时，则和正负极连接的开关闭合，而对位公共引线的开关打开。若控制模块计算的优化连接方式中不包括该电池，则和正负极连接的开关打开，而对位公共引线的开关闭合。
整个系统的工作实施流程如图2。假设负载所需供电电压为V，电压监测模块测得各单体电池的电压依次为V1、V2……、Vn。以单体电压高为选择标准，不断增加串联电池的数量，直到已选单体电池的电压和大于V为止。假设在上述遴选过程中，C1、C3被选中串联对外供电，则开关矩阵中各开关控制状态如下：树列开关中1、2、5、6闭合，其它打开；公共引线中开关7、9打开，其它开关闭合。经过上述过程后，电池组由C1的正极和Cn的负极引出以V伏输出对负载供电，完成电池组的电压变换功能。
Claims (7)
1.一种动力电池组电压变换系统，其特征在于包括对动力电池组模块进行采样的电压监测模块，用于实现电池动态连接的开关矩阵，用于控制开关矩阵中各个开关开闭和电压信号采集的控制模块；所述的控制模块分别与电压检测模块与开关矩阵相连，根据各单体电池的电压值和输出电压的目标值信息计算优化后的电池连接方式；
其中，所述的动力电池组模块由C1、C2、C3……Cn个n个电池单体组成，且n＞1，即至少由两个单体电池串联构成。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于：
①用于单体电池动态连接的开关矩阵，使用机械开关或者继电器、MOSFET电子开关以导通网络的形式实现，通过控制每个开关的开闭以形成不同的通路，连接单体电池对外供电；
②电压监测模块由电压采样电路和接口电路组成，用于测量每个单体电池的电压值，使用开关矩阵形成测量信号的选通路径，或使用电阻分压或单刀多掷开关单独的测量模块；
③控制模块同时和电压监测模块和开关矩阵模块进行通讯，控制模块利用以电压优化目标的贪心算法策略，针对不同的负载电压需求，计算最佳的电池组合方式和相应的连接方式，然后向开关矩阵模块输出各个开关的控制信号。
3.按权利要求1或2所述的系统，其特征在于电压监测模块将每个单体电池的电压测量值发送给控制模块。
4.利用权利要求1或2所述的电压变换系统的电池组电压变换方法，其特征在于通过调整单体电池的使用数量来输出不同的负载电压，当负载需要较高的电压时，增加单体电池的数量，反之则减少；具体步骤是：
步骤1、获取负载所需的供电电压；
步骤2、通过电压监测模块测量每个单体电池的端电压，并传送给控制模块；
步骤3、控制模块根据负载所需电压和每个单体电池电压，判断需要使用单体电池数量，并优化单体电池的连接结构；
步骤4、控制模块根据单体电池的连接结构要求判断开关矩阵中每个开关的工作状态，并向开关矩阵模块输出相应控制信号；
步骤5、电源系统以负载所需电压对外供电，当负载所需电压变化或者所用单体电池电压下降较大时可以动态调整，重新实施整个过程。
5.按权利要求4所述的电压变换方法，其特征在于当每个电池单体对应正负极和公共引线各接一个开关共三个开关时，其控制模块计算的优化连接方式中包括该电池时，则和正负极连接的开关闭合，而对位公共引线的开关打开；若控制模块计算的优化连接方式中不包括该电池，则和正负极连接的开关打开，而对位公共引线的开关闭合。
6.按权利要求4所述的电压变换方法，其特征在于当负载所需供电电压为V，电压监测模块测得各单体电池的电压依次为V1、V2……、Vn，n＞1，以单体电压高的为选择标准，不断增加串联电池的数量，直到已选单体电池的电压和大于V为止。
7.按权利要求4所述的变换方法，其特征在于当负载对输出电压要求高时，在整个系统之后连接一个LDO电压变换器，通过调整单位电池数量，使输出电压与负载要求电压压值小于4伏，使转换效率提高。
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