CN102904296A - 一种基于正激dc/dc变换器的双向无损均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正激DC/DC变换器的双向无损均衡电路串联的电池组、正负极切换电路、矩阵开关电路、电压采集电路和车载24V铅酸电池，正激DC/DC变换器的输入端与车载24V铅酸电池相连，其输出端与正负极切换电路相连，矩阵开关电路一端与电池组的各电池单体的正负极连接，另一端与正负极切换电路相连，电压采集电路一端通过电压检测排线与电池组的相应的电池单体相连，另一端接入主控模块，正激DC/DC变换器、正负极切换电路和矩阵开关的控制信号分别接入主控模块中。本发明均衡电流大，使得均衡时间缩短，提高了均衡效率；电路设计简单，成本低，体积小，易于实现。
Description
技术领域
本发明设计了一种基于正激DC/DC变换器的双向无损均衡电路，属于电池保护技术领域。
背景技术
随着能源危机和环境污染的加剧，节能环保的电动汽车成为研究的热点。动力锂电池具有能量密度高，循环寿命长，自动放率低，污染小等优点，逐渐成为电动汽车的首选动力源。为确保锂电池安全、长寿命运行，需对动力锂电池组进行正确有效地管理，动力锂电池组的性能参数检测和控制成为影响电动汽车性能的关键因素。
电动汽车发展的三大关键技术是：电池，电机和电控，其中电池又是重中之重。虽然近年来锂电池技术有了巨大的进步，锰酸锂电池、钴酸锂电池、磷酸铁锂电池等相继出现，锂电池性能提高明显；但锂电池组内单体电池间的不一致性依然存在。在电池组的使用过程中，由于单体电池之间存在差异，电池组的容量由组内最低的单体电池容量决定。在串联电池组内，虽然通过每个单体的电流相同，但是由于其容量的差异，容量大的单体总是会浅充浅放，而容量小的单体总是会过充过放，这样就造成了容量大的单体衰减缓慢，寿命延长，容量小的单体衰减加快，寿命缩短，两者之间的差异越来越大，造成恶性循环。因此，小容量的电池的失效会造成整个电池组提前失效。
电源管理系统的均衡功能可以有效地均衡锂电池组内的不一致性，削平电池间的差异，对于延长电池组寿命降低成本具有重要意义。
最常见的方法是在电池两端并联一个旁路电阻，通过一个开关来控制电阻回路的通断，当电池间的差异较大时，表现为单体电池的电压差较大，选取电压较高的部分单体电池，可以通过控制开关导通并联的电阻回路将其的能量释放掉一部分，最终使得每个单体电池间的电压差维持在一个合理的范围内。由于单体电池内多余的电量被旁路电阻白白消耗，所以造成电池能量的浪费，电阻放电会产生较大的热量，故采用这种方式的均衡电流也较小。
发明内容
本发明的目的是克服现有均衡方案的不足之处，提供一种能进行能量双向无损转移，均衡电流大，均衡效率高的基于正激DC/DC变换器的无损均衡电路。
本发明采用的技术方案是：
一种正激DC/DC变换器的双向无损均衡电路，包括有正激DC/DC变换器，正激DC/DC变换器包括有双向正激电路和有源箝位电路，其特征在于：还包括有串联的电池组、正负极切换电路、矩阵开关电路、电压采集电路和车载24V铅酸电池，正激DC/DC变换器的输入端与车载24V铅酸电池相连，其输出端与正负极切换电路相连，矩阵开关电路一端与电池组的各电池单体的正负极连接，另一端与正负极切换电路相连，电压采集电路一端通过电压检测排线与电池组的相应的电池单体相连，另一端接入主控模块，正激DC/DC变换器、正负极切换电路和矩阵开关的控制信号分别接入主控模块中。
矩阵开关电路的矩阵开关采用N选1的矩阵，其一端通过电压检测排线连接在相应的电池单体的正负极上，另一端与正负极切换电路相连。主控模块是由MCU单片机组成，它的输入端口接收来自电压采集电路采集的电压信号，并在其内部进行A/D转换，其输出端口输出对N选1的矩阵开关、正负极切换电路和正激DC/DC变换器的控制信号。
本发明的工作原理是：
本发明通过主控模块MCU单片机与采集电路配合工作对单体电池的电压进行实时监测，得到各个单体电池电压的实时数据，并确定最高和最低单体电池的位置。当单体电池的电压高于我们设定的阈值时，主控模块使能相应的矩阵开关电路、正负极切换电路以及正激DC/DC变换器，这时相应单体电池正负极通过矩阵开关、正负极切换电路连接到正激DC/DC变换器的输出端。然后通过正激DC/DC变换器将电池单体的多余的电量返回到车载24V铅酸电池中；当单体电池的电压低于我们设定的阈值时，主控模块使能相应的矩阵开关电路、正负极切换电路以及正激DC/DC变换器，使欠压单体正负极连接到正激DC/DC变换器的输出端，此时车载24V铅酸电池中的电量会通过正激DC/DC变换器转移到欠压单体电池中。上述过程重复进行，使电池组中单体电池的压差保持在一个合理的范围内，即电池组的单体电池保持一个很好的均衡性。
与现有技术相比，本发明的优点体现在：
1、均衡中多余的电量转移到车载24V铅酸电池中，避免了电量的浪费；
2、欠压单体能通过车载24V铅酸电池得到相应的电量，实现了双向均衡，使单体电池保持在一个很好的均衡性；
3、均衡电流大，使得均衡时间缩短，提高了均衡效率；
4、电路设计简单，成本低，体积小，易于实现。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种正激DC/DC变换器的双向无损均衡电路，包括有正激DC/DC变换器1，正激DC/DC变换器1包括有双向正激电路2和有源箝位电路3，还包括有串联的电池组4、正负极切换电路5、矩阵开关电路6、电压采集电路7和车载24V铅酸电池8，正激DC/DC变换器1的输入端与车载24V铅酸电池8相连，其输出端与正负极切换电路5的SQ1~SQ相连，矩阵开关电路6的矩阵开关元件S1~Sn一端与电池组4的各电池单体B1~Bn的正负极连接，另一端与正负极切换电路5的SQ1~SQ4相连，电压采集电路7一端通过电压检测排线9与电池组4的相应的电池单体相连，另一端接入主控模块10的CR1输入端口处，正激DC/DC变换器1的双向正激电路2和有源箝位电路3的控制端分别接入主控模块MCU单片机K9~K11输出端口，正负极切换电路5和矩阵开关6的的控制端分别接入主控模块10MCU单片机K1~K8端口。
其工作过程是：
系统上电，立即按照设定的程序运行。这时，电压采集电路7对电池组4中的每个单体电池电压进行循环采集，并把采集的电压信号传到主控模块10中，并主控模块10中进行A/D转换。
若t0时刻主控模块10检测到某一节单体电池电压低于我们设定的阈值电压时（以单体电池B2为例说明），即此时单体电池过放，处于欠压状态。主控模块10的MCU单片机输出端口K6，K7，K2，K3发出使能信号，这样单体电池B2的正负极通过电压检测排线，矩阵开关电路6和正负极切换电路5连接到了正激DC/DC变换器1的输出端，同时主控模块10的MCU单片机输出端口K11也发出使能信号，使正激DC/DC变换器1一次侧的开关管Q1闭合。此时，正激DC/DC变换器一侧绕组和二次侧绕组的同名端相对于异名端为正。这样电流就由车载24V铅酸电池的正极经端口P+，并经滤波电容C1作用，沿着正激DC/DC变换器1的一次侧变压器绕组和一次侧的开关管，然后从端口P-到达其负极。正激DC/DC变换器1的二次侧的电流从二次侧绕组的同名端流出到L1,C3中。这部分电流从正激DC/DC变换器1的二次侧绕组的同名端输出后经过已经接通的正负极切换电路5，矩阵开关电路6流到电池单体B2中,并从正激DC/DC变换器1的二次侧开关管Q3寄生二极管返回二次侧绕组的异名端。经过时间T1（开关周期）之后，主控模块10的单片机MCU的输出端口K11输出低电平，此电平使正激DC/DC变换器一次侧的开关管Q1关闭，此时正激DC/DC变换器1的一次侧和二次侧绕组的同名端相对于异名端为负，且关断瞬间一次侧绕组的异名端电压约为2倍的车载24V铅酸电池电压。由于电感L1电流不能突变，所以电感的极性反向以尽量保持电流不变。电感L1电流此时沿同一方向流动，从其输出端流出，经过负载（部分经过滤波电容C3）和续流二极管D1返回电感L1。同时主控模块10的MCU单片机输出端口K10发出使能信号，使有源箝位电路3的复位开关管Q2导通，这样励磁电流从Q1转移到流过有源箝位电路箝位电容C2和复位开关管Q2，并在时刻t1时，励磁电感中的电流降低到零，同时开始沿相反方向建立电流，此电流来源于箝位电容C1，等箝位电容C2电压回到起始电位，而复位时间结束时的磁化电流幅度达到与复位时间开始电流相同的水平（极性相反）。这时，主控模块10控制正激DC/DC变换器1的一次侧开关管Q1导通，复位开关Q2关闭，此即为一个工作周期。这样的过程将重复进行，直至欠压单体的电压到达正常水平。
若t0时刻主控模块10检测到某一节单体电池的电压高于我们设定的阈值电压时(以单体电池B2为例)，即此时单体过充，主控模块10的MCU单片机K6，K7，K2，K3发出使能信号，这样单体电池B2的正负极通过电压检测排线，矩阵开关电路6和正负极切换电路5连接到正激DC/DC变换器1的输出端，同时主控模块10的MCU单片机输出端口K9也发出使能信号，使正激DC/DC变换器1的二次侧的开关管Q3闭合，这就有电流通过从电池单体B2的正极，正激DC/DC变换器1的二次侧的绕组和变换器二次侧的开关管Q3流到负极，此时正激DC/DC变换器1的一次侧与二次侧绕组的同名端相对于异名端为正，这样正激DC/DC变换器1的一次侧的电流通过一次侧的绕组和一次侧开关管Q1，并经过滤波电容C1的作用流到车载24V铅酸电池中。在经过时间T2后，主控模块MCU单片机输出端口K9发出低电平，此时二次侧的开关管Q3断开，正激DC/DC变换器一次侧与二次侧绕组的异名端相对于同名端为正，由于一次侧的电容C1在一次侧导通期间储存了部分能量，这时它将释放出来，并通过端口P+,P-送到车载24V铅酸电池中。并在时刻t2时，主控模块重新使二次侧开关管Q3导通，此即为一个工作周期。这样的过程将重复进行，直至过充单体的电压恢复到正常水平。
综上所述，即为一种基于正激DC/DC变换器的双向无损均衡电路的工作原理，即当电池单体电量过多时，让多余的电量转移到车载24V铅酸电池中，当电池单体电量过低时，让车载24V铅酸电池中的电量转移到欠压电池单体中。
Claims (3)
1.一种正激DC/DC变换器的双向无损均衡电路，包括有正激DC/DC变换器，正激DC/DC变换器包括有双向正激电路和有源箝位电路，其特征在于：还包括有串联的电池组、正负极切换电路、矩阵开关电路、电压采集电路和车载24V铅酸电池，正激DC/DC变换器的输入端与车载24V铅酸电池相连，其输出端与正负极切换电路相连，矩阵开关电路一端与电池组的各电池单体的正负极连接，另一端与正负极切换电路相连，电压采集电路一端通过电压检测排线与电池组的相应的电池单体相连，另一端接入主控模块，正激DC/DC变换器、正负极切换电路和矩阵开关的控制信号分别接入主控模块中。
2.根据权利要求1所述的正激DC/DC变换器的双向无损均衡电路，其特征在于：所述的主控模块采用MCU单片机。
3.根据权利要求1所述的正激DC/DC变换器的双向无损均衡电路，其特征在于：所述的矩阵开关电路的矩阵开关采用N选1的矩阵。
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