CN102651563A - 电池能量平衡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池能量平衡电路，包括依次串联输出的第一电池组和第二电池组，每个电池组包括电池、两个开关管、两个二极管；同时电池能量平衡电路还包括控制器以及谐振阻抗；电池通过电池能量平衡电路进行周期性的能量传递，控制器通过接通第一开关管将第一电池的能量传递给谐振阻抗，控制器通过接通第二开关管将谐振阻抗的能量传递给第二电池；控制器通过接通第四开关管将第二电池的能量传递给谐振阻抗，控制器通过接通第三开关管将谐振阻抗的能量传递给第一电池。本发明的电池能量平衡电路采用开关电容和谐振电感的串联谐振实现零电流接通或断开开关管，高效，能量传递时不会造成大的能量传导损失或开关损失。

Description

电池能量平衡电路
技术领域
本发明涉及电池电路应用领域，更具体地说，涉及一种采用开关电容谐振实现零电流开关的电池能量平衡电路。
背景技术
随着社会的发展，例如铅酸电池和锂电池等可充电电池大量用于便携式设备领域、工业领域以及电力和混合动力汽车领域。锂电池的电压范围大致为3V至4.3V，为了获得更高的电压，一般采用多个锂电池串联形成电池组来实现。因此在串联电池组的能量存储装置中，电池能量平衡是考核电池组好坏很关键的因素。
电池能量平衡方法中，最简单和最直接的就是通过放电电阻对电池进行放电。这种方法的缺陷是放电电阻上要消耗能量从而造成电池的能量损失。不消耗能量的电池能量平衡方法也有，例如通过快速电容器、反激式转换器和双向buck-boost(冲跳升压)能量泵技术实现电池的电量平衡。这些方法避免了在电阻上直接的能量消耗。但是，通过快速电容器实现电池电量平衡，电路可能承受大的电流尖峰从而造成较高的传导损失。具有反激式转换器或buck-boost转换器的电池能量平衡电路内大都包括大体积的磁性部件使得电池能量平衡电路的成本很高；同时因为它们都是硬开关电路，在开关上的电磁干扰和开关损耗都很大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的电池能量平衡电路的消耗电池能量、造成能量的传导损失或开关损失的缺陷，提供一种采用开关电容谐振实现零电流开关的高效的非损耗的电池能量平衡电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电池能量平衡电路，包括依次串联输出的第一电池组和第二电池组，其中所述第一电池组包括：第一电池、第一开关管、第二开关管、与所述第一开关管相应的第一二极管以及与所述第二开关管相应的第二二极管；所述第二电池组包括：第二电池、第三开关管、第四开关管、与所述第三开关管相应的第三二极管以及与所述第四开关管相应的第四二极管；所述第一开关管的输入端与所述第一二极管的阴极连接，所述第一开关管的输出端与所述第一二极管的阳极连接；所述第二开关管的输入端与所述第二二极管的阴极连接，所述第二开关管的输出端与所述第二二极管的阳极连接；所述第一开关管的输入端与所述第一电池的正极连接，所述第一开关管的输出端与所述第二开关管的输入端连接，所述第二开关管的输出端与所述第一电池的负极连接；所述第三开关管的输入端与所述第三二极管的阴极连接，所述第三开关管的输出端与所述第三二极管的阳极连接；所述第四开关管的输入端与所述第四二极管的阴极连接，所述第四开关管的输出端与所述第四二极管的阳极连接；所述第三开关管的输入端与所述第二电池的正极连接，所述第三开关管的输出端与所述第四开关管的输入端连接，所述第四开关管的输出端与所述第二电池的负极连接；所述电池能量平衡电路还包括控制器以及依次串联开关电容和谐振电感的谐振阻抗；所述控制器分别与所述第一开关管的控制端、所述第二开关管的控制端、所述第三开关管的控制端、所述第四开关管的控制端连接，所述第二开关管的输出端与所述第三开关管的输入端连接，所述第一开关管的输出端与所述第三开关管的输出端通过所述谐振阻抗连接；所述电池通过所述电池能量平衡电路进行周期性的能量传递，当所述第一电池的电压大于所述第二电池的电压时，所述控制器通过接通所述第一开关管将所述第一电池的能量传递给所述谐振阻抗，所述控制器通过接通所述第二开关管将所述谐振阻抗的能量传递给所述第二电池；当所述第二电池的电压大于所述第一电池的电压时，所述控制器通过接通所述第四开关管将所述第二电池的能量传递给所述谐振阻抗，所述控制器通过接通所述第三开关管将所述谐振阻抗的能量传递给所述第一电池；所述电池能量平衡电路同一时间只有一个开关管接通。
在本发明所述的电池能量平衡电路中，所述控制器控制所述开关管在一个能量传递周期中的接通时间大于所述谐振阻抗的半个谐振周期，小于半个所述能量传递周期。
在本发明所述的电池能量平衡电路中，所述电池能量平衡电路包括依次串联输出的n个电池组，n为大于2的整数。
在本发明所述的电池能量平衡电路中，所述开关管为金属氧化物半导体场效应管和/或绝缘栅双极性晶体管。
在本发明所述的电池能量平衡电路中，所述二极管为肖特基二极管、快速恢复二极管、软恢复二极管和/或超快恢复二极管。
在本发明所述的电池能量平衡电路中，所述开关管为半导体开关管和/或有源开关管。
实施本发明的电池能量平衡电路，具有以下有益效果：采用开关电容和电感的串联谐振实现零电流接通或断开开关管，高效，能量传递时不会造成能量的传导损失或开关损失。
通过控制开关管的接通时间可以很好的利用谐振阻抗快速的传递能量。开关管和二极管可以采用多种元器件供用户选择。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的电池能量平衡电路的第一优选实施例的电路结构示意图；
图2是本发明的电池能量平衡电路的第一优选实施例的第一步能量传递的示意图；
图3是本发明的电池能量平衡电路的第一优选实施例的第二步能量传递的示意图；
图4是本发明的电池能量平衡电路的第一优选实施例的第三步能量传递的示意图；
图5是本发明的电池能量平衡电路的第一优选实施例的第四步能量传递的示意图；
图6是本发明的电池能量平衡电路的第二优选实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在图1所示的本发明的电池能量平衡电路的第一优选实施例的电路结构示意图中，所述电池能量平衡电路包括依次串联输出的第一电池组和第二电池组，第一电池组包括第一电池27、第一开关管29、第二开关管30、与所述第一开关管29相应的第一二极管31以及与所述第二开关管30相应的第二二极管32；第二电池组包括第二电池28、第三开关管34、第四开关管33、与所述第三开关管34相应的第三二极管36以及与所述第四开关管33相应的第四二极管35。所述第一开关管29的输入端与所述第一二极管31的阴极连接，第一开关管29的输出端与第一二极管31的阳极连接；第二开关管30的输入端与第二二极管32的阴极连接，所述第二开关管30的输出端与所述第二二极管32的阳极连接；所述第一开关管29的输入端与所述第一电池27的正极连接，所述第一开关管29的输出端与所述第二开关管30的输入端连接，所述第二开关管30的输出端与所述第一电池27的负极连接。所述第三开关管34的输入端与所述第三二极管36的阴极连接，所述第三开关管34的输出端与所述第三二极管36的阳极连接；所述第四开关管33的输入端与所述第四二极管35的阴极连接，所述第四开关管33的输出端与所述第四二极管35的阳极连接；所述第三开关管34的输入端与所述第二电池28的正极连接，所述第三开关管34的输出端与所述第四开关管33的输入端连接，所述第四开关管33的输出端与所述第二电池28的负极连接。所述电池能量平衡电路还包括控制器65以及依次串联开关电容37和谐振电感38的谐振阻抗；所述控制器65分别与第一开关管29的控制端、第二开关管30的控制端、第三开关管34的控制端、第四开关管33的控制端连接，第二开关管30的输出端与第三开关管34的输入端连接，第一开关管29的输出端与第三开关管34的输出端通过谐振阻抗连接。电池通过所述电池能量平衡电路进行周期性的能量传递，当第一电池27的电压大于第二电池28的电压时，控制器65通过接通第一开关管29将第一电池27的能量传递给谐振阻抗，控制器65通过接通第二开关管30将谐振阻抗的能量传递给第二电池28；当第二电池28的电压大于第一电池27的电压时，控制器65通过接通第四开关管33将第二电池28的能量传递给谐振阻抗，控制器65通过接通第三开关管34将谐振阻抗的能量传递给第一电池27。电池能量平衡电路同一时间只有一个开关管接通。
不论电池间的电压差异的大小，本发明中所有的开关管都是在零电流的情况下进行开关操作，因此所有开关管的开关损耗很小，并且本电路中没有磁性部件，仅仅使用相当小的谐振电感38用于与开关电容形成谐振。同时每个谐振阻抗都会限制电流的突然变化使得不会有电流尖峰的产生。
本发明的电池能量平衡电路使用时，当第一电池27的电压大于第二电池28的电压时，第一电池27通过控制器65周期性的循环控制第一开关管29和第二开关管30将能量传递该第二电池28，如果第一电池27的电压等于第二电池28的电压时，则停止能量传递。当控制器65接通第一开关管29时，第一电池27的能量传递到连接在第一电池组和第二电池组之间的谐振阻抗，能量传递完毕后，控制器65控制断开第一开关管29，接通第二开关管30，这时谐振阻抗上的能量传递到第二电池组中的第二电池28即给第二电池28充电。这样即实现了第一电池27的能量无损耗或者低损耗的传递到了第二电池28上。第二电池28到第一电池27的能量传递也同理，直到两个电池的电压相等时停止能量传递。
下面通过图1-图5的本发明的电池能量平衡电路的第一优选实施例具体说明本发明的工作原理。
如图1所示，假设第一电池27的电压为V1，第二电池28的电压为V2，V1大于V2，这时第一开关管29和第二开关管30工作，使得第一电池27的能量传递到第二电池28，具体分四个步骤。
第一步骤：如图2所示，在这个步骤中，第一开关管29依旧断开，第二开关管30在步骤开始时依旧接通，开关电容37的电压Vc1为负(图1中定义了Vc1的方向)使得第二二极管32和第三二极管36正向导通，当第二二极管32导通后在零电流的情况下断开第二开关管30，同时流经谐振电感38的电流Il1从零开始增大，随后来到第二步骤。
第二步骤：如图3所示，在这个步骤中，第一开关管29接通，第二开关管30依旧接通。第一开关管29接通后第二二极管32反向截止，这时第一开关管29和第三二极管36导通，开关电容37和谐振电感38发生谐振，谐振电感38的电流Il1由正变为零，同时开关电容37的电压Vc1由负变为正，能量有第一电池27传递出来存储在谐振电感38中，随后来到第三步骤。
第三步骤：如图4所示，在这个步骤中，第二开关管30依旧断开，第一开关管29在步骤开始时依旧接通然后断开，因为开关电容37的电压Vc1大于第一电池27的电压V1和第二电池28的电压V2之和，第一二极管31和第四二极管35正向导通，开关电容37和谐振电感38发生谐振，谐振电感38的电流Il1由零变为负。因为第一二极管31导通时第一开关管29断开，第一开关管29可在零电流的情况下断开，随后来到第四步骤。
第四步骤：如图5所示，在这个步骤中，第一开关管29依旧断开，第二开关管30接通，第一二极管31在第二开关管30接通后反向截止，第四二极管35导通，谐振电感38的电流Il1由负变为零，开关电容37的电压Vc1也由正变为负，当第一电池27的电压V1等于第二电池28的电压V2时，所有的为二极管都反向截止，不产生能量的传递，即完成了第一电池27的能量到第二电池28的传递。
如V1小于V2，这时第三开关管34和第四开关管33工作，使得第二电池28的能量传递到第一电池27，其中步骤一、步骤三和上述的步骤相同。步骤二中，则接通第四开关管33，第四开关管33接通后第三二极管36反向截止，这时第二二极管32和第四开关管33导通，开关电容37和谐振电感38发生谐振，谐振电感38的电流Il1由正变为零，同时开关电容37的电压Vc1由负变为正，能量有第二电池28传递出来存储在谐振电感38中，步骤四中，则接通第三开关管34，第四二极管35在第三开关管34接通后反向截止，第一二极管31导通，谐振电感38的电流Il1由负变为零，开关电容37的电压Vc1也由正变为负，当第一电池27的电压V1等于第二电池28的电压V2时，所有的为二极管都反向截止，不产生能量的传递，即完成了第二电池28的能量到第一电池27的传递。
在本发明所述的电池能量平衡电路的优选实施例中，控制器65控制开关管在一个能量传递周期中的接通时间大于所述谐振阻抗的半个谐振周期，小于半个所述能量传递周期。这样可以在一个能量传递周期中可以最大限度的传递能量，实现快速的能量传递。本发明的电池能量平衡电路基于双向转换模式下的开关电容谐振技术，本电路还可包括依次串联的n个电池组，n为大于2的整数，每个电池组包括一个用于充电的开关管和一个用于放电的开关管。它们在一个能量传递周期中分别接通断开一次，每次接通近半个能量传递周期，每次接通断开之间间隔一个短暂的过度期避免器件的短路和损坏。开关管的接通断开通过控制器65控制，通过谐振电感38和开关电容37组成的谐振阻抗获得零电流开关的效果。在进行能量传递时，同一时间只有一个开关管接通。在某个电池组工作时，如相应的电池具有高电压则传递能量给低电压的电池；如相应的电池电压较低则不传递能量；当所有的电池的电压都相等时，能量传递自然停止。如图6所示，多个串联的电池组两两之间通过谐振阻抗连接起来，控制器65通过控制开关管的接通断开同一时间实现相邻的两个电池组之间的能量传递，具体的实现过程同上所述，最终实现所有电池组电量的统一。
作为本发明的所述的电池能量平衡电路中，所述开关管可为金属氧化物半导体场效应管和/或绝缘栅双极性晶体管，所述二极管为肖特基二极管、快速恢复二极管、软恢复二极管和/或超快恢复二极管，所述开关管为半导体开关管和/或有源开关管。开关管和二极管可以采用多种元器件供用户选择。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种电池能量平衡电路，包括依次串联输出的第一电池组和第二电池组，其特征在于，
所述第一电池组包括：第一电池(27)、第一开关管(29)、第二开关管(30)、与所述第一开关管(29)相应的第一二极管(31)以及与所述第二开关管(30)相应的第二二极管(32)；
所述第二电池组包括：第二电池(28)、第三开关管(34)、第四开关管(33)、与所述第三开关管(34)相应的第三二极管(36)以及与所述第四开关管(33)相应的第四二极管(35)；
所述第一开关管(29)的输入端与所述第一二极管(31)的阴极连接，所述第一开关管(29)的输出端与所述第一二极管(31)的阳极连接；所述第二开关管(30)的输入端与所述第二二极管(32)的阴极连接，所述第二开关管(30)的输出端与所述第二二极管(32)的阳极连接；所述第一开关管(29)的输入端与所述第一电池(27)的正极连接，所述第一开关管(29)的输出端与所述第二开关管(30)的输入端连接，所述第二开关管(30)的输出端与所述第一电池(27)的负极连接；
所述第三开关管(34)的输入端与所述第三二极管(36)的阴极连接，所述第三开关管(34)的输出端与所述第三二极管(36)的阳极连接；所述第四开关管(33)的输入端与所述第四二极管(35)的阴极连接，所述第四开关管(33)的输出端与所述第四二极管(35)的阳极连接；所述第三开关管(34)的输入端与所述第二电池(28)的正极连接，所述第三开关管(34)的输出端与所述第四开关管(33)的输入端连接，所述第四开关管(33)的输出端与所述第二电池(28)的负极连接；
所述电池能量平衡电路还包括控制器(65)以及依次串联开关电容(37)和谐振电感(38)的谐振阻抗；所述控制器(65)分别与所述第一开关管(29)的控制端、所述第二开关管(30)的控制端、所述第三开关管(34)的控制端、所述第四开关管(33)的控制端连接，所述第二开关管(30)的输出端与所述第三开关管(34)的输入端连接，所述第一开关管(29)的输出端与所述第三开关管(34)的输出端通过所述谐振阻抗连接；
所述电池通过所述电池能量平衡电路进行周期性的能量传递，当所述第一电池(27)的电压大于所述第二电池(28)的电压时，所述控制器(65)通过接通所述第一开关管(29)将所述第一电池(27)的能量传递给所述谐振阻抗，所述控制器(65)通过接通所述第二开关管(30)将所述谐振阻抗的能量传递给所述第二电池(28)；当所述第二电池(28)的电压大于所述第一电池(27)的电压时，所述控制器(65)通过接通所述第四开关管(33)将所述第二电池(28)的能量传递给所述谐振阻抗，所述控制器(65)通过接通所述第三开关管(34)将所述谐振阻抗的能量传递给所述第一电池(27)；
所述电池能量平衡电路同一时间只有一个开关管接通。
2.根据权利要求1所述的电池能量平衡电路，其特征在于，所述控制器(65)控制所述开关管在一个能量传递周期中的接通时间大于所述谐振阻抗的半个谐振周期，小于半个所述能量传递周期。
3.根据权利要求1或2所述的电池能量平衡电路，其特征在于，所述电池能量平衡电路包括依次串联输出的n个电池组，n为大于2的整数。
4.根据权利要求1所述的电池能量平衡电路，其特征在于，所述开关管为金属氧化物半导体场效应管和/或绝缘栅双极性晶体管。
5.根据权利要求1所述的电池能量平衡电路，其特征在于，所述二极管为肖特基二极管、快速恢复二极管、软恢复二极管和/或超快恢复二极管。
6.根据权利要求1所述的电池能量平衡电路，其特征在于，所述开关管为半导体开关管和/或有源开关管。
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