CN102904317A - 一种双向电能转移电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种双向电能转移电路，涉及一种用于串联电池组电量均衡的电能转移电路，属于电池组均衡电路技术领域。要解决的技术问题是克服现有技术直流升降压电路存在的开关器件多，驱动控制复杂，成本高的缺陷。其特征在于：串联电池组中的电池单元的正极和负极通过两个开关器件、两个储能电感、两个隔离电容分别与直流母线的正极、直流母线的负极连接。通过控制对应开关器件的导通和关断时序，实现电池单元的升降压操作和实现电池单元电能的输出和输入控制，从而实现不同数量串联电池组中电池单元的电能转移和达到均衡控制。本发明升降压比例、电能转移方向控制灵活，模块独立工作，结构简单，成本低，效率高，可靠性高。

Description

一种双向电能转移电路

技术领域

本发明属于电池组均衡电路技术领域，具体涉及一种用于串联电池组电量均衡的电能转移电路，特别涉及动力电池组的非能耗实时均衡技术的均衡电路。

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，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，都存在无法完全消除的单元电池之间的不一致现象。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之间的不均衡，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。但在大容量电池组的均衡场合，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，电池组电路的串联关系一般不能改变。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，通过隔离型DC / DC 模块，将电池组直流母线的电压降压泵入电池单元或将电池单元的电能升压后泵入电池组直流母线；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。同时由于电能是逐级传递，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，系统的可靠性差。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术串联电池组电池单元之间均衡的电路的缺陷，充分利用电感储能升压原理，改进传统的Boost 直流升压电路和Buck 直流降压电路，提供一种结构更为简单，高效率，低成本的双向电能转移电路，以实现大容量串联电池组的高效、可靠、低成本的均衡管理。为实现上述目的，采用的技术方案是：一种双向电能转移电路，包括直流母线、电池单元、开关器件、储能电感和隔离电容，其特征在于：电池单元Bl的正极连接第一储能电感L1 的一端，所述第一储能电感L1 的另一端连接第一隔离电容C1的一端和第一开关器件SW1的一端，所述第一开关器件SW1的另一端连接电池单元Bl的负极和第二隔离电容C2的一端；所述第一隔离电容C1的另一端连接第二储能电感L2的一端和第二开关器件SW2的一端：所述第二开关器件SW2的另一端连接直流母线正极；所述第二隔离电容C2的另一端连接第二储能电感L2的另一端和直流母线负极；第一开关器件SW1、第二开关器件SW2的状态由控制电路U1控制。

所述控制电路U1通过驱动电路分别与第一开关器件SW1、第二开关器件SW2的控制端连接，控制电路Ul的信号检测电路两端分别与电池单元Bl的正极和负极连接；控制电路发出控制信号，第一开关器件SW1、第二开关器件SW2交替进行导通和关断的循环操作，实现电池组的非能耗均衡。

电池单元输出电能时，首先第一开关器件SW1在控制电路的作用下处于导通状态时，第二开关器件SW2处于关断状态时，电池单元的电压施加到第一储能电感L1 的两端，并且与第一储能电感L1 的剩余电流同向。直流电流的流动回路为：电池单元正极→第一储能电感L1→第一开关器件SW1→电池单元负极。第一储能电感L1 的电流增大，此阶段为储能阶段。同时，第一隔离电容C1、第一开关器件SW1、第二隔离电容C2、第二储能电感L2构成另外一个电流回路。通过这个回路的电流流动，第一隔离电容C1和第二隔离电容C2将储存的电势能转移到第二储能电感L2中，为下一阶段的电能输出做准备。第一开关器件SW1在控制电路的作用下处于关断状态，同时第二开关器件SW2处于导通状态时，第一储能电感L1在上一阶段储存的电能通过第一隔离电容C1、第二开关器件SW2、直流母线正极、直流母线负极、第二隔离电容C2构成的回路转移到直流母线中。这个回路的电流方向是：电池单元正极→第一储能电感L1→第一隔离电容C1→第二开关器件SW2→直流母线正极→直流母线负极→第二隔离电容C2→电池单元负极。同时，第二储能电感L2中储存的电能也转移到直流母线中，这个回路的电流方向是：第二储能电感L2→第二开关器件SW2→直流母线正极→直流母线负极→第二储能电感L2。上述为电池单元输出电能的一个周期操作。控制电路Ul通过控制第一开关器件SW1和第二开关器件SW2导通和关断的时间比例，按设定的频率重复上述操作，可以相应控制电池单元输出电能的功率。

电池单元输入电能时，首先第二开关器件SW2在控制电路的作用下处于导通状态时，第一开关器件SW1处于关断状态时，直流母线电压施加到第一储能电感L1和第二储能电感L2的两端，并且与第一储能电感L1 的剩余电流同向。通过第一储能电感L1的电流回路是：直流母线正极→第二开关器件SW2→第一隔离电容C1→第一储能电感L1→电池单元正极→电池单元负极→第二隔离电容C2→直流母线负极。第一储能电感L1处于储能阶段。同时，通过第二储能电感L2的电流回路是：直流母线正极→第二开关器件SW2→第二储能电感L2→直流母线负极。第二储能电感L2处于储能阶段。经过设定时间，第二开关器件SW2在控制电路的作用下处于关断状态，第一开关器件SW1处于导通状态，通过第一储能电感L1的电路回路变为：第一储能电感L1→电池单元正极→电池单元负极→第一开关器件SW1→第一储能电感L1。第一储能电感L1中储存的电能输入到电池单元。同时，通过第二储能电感L2的电路回路是：第二储能电感L2→第二隔离电容C2→第一开关器件SW1→第一隔离电容C1→第二储能电感L2。第二储能电感L2中的电能转移到两个隔离电容里，并恢复隔离电容的状态，为下一个循环做准备。上述为电池单元输入电能的一个周期操作。控制电路（Ul ）通过控制第一开关器件SW1和第二开关器件SW2导通和关断的时间比例，按设定的频率重复上述操作，可以相应控制电池单元输入电能的功率。

控制电路通过预先设计的均衡检测方法，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电能输出或输入原理进行操作，则电池单元多余的电量不断通过与之对应的电能输出电路转移到直流母线中。或将直流母线的电能输入到电池单元，对电池单元的电能进行单独补充，两种操作结合运用，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。本发明仅采用两个开关器件进行控制，并且实现电池单元输出与输入回路之间电容的隔离，进一步提高了电路的能量转移效率，有效提高电路的可靠性和安全性。

 2 ．结构简单、成本低。本发明所公开的一种双向电能转移电路不需要直流电与交流电的变换，原理上只需要六个元器件，结构简单，成本大大降低。

3 ．同时实现电池单元电能的输出和输入操作，电池组管理系统的均衡效率高，既可以实现充电均衡，又可以实现放电均衡。

4 ．可靠性高。本发明应用于电池组电能均衡管理时，每一个电池单元对应一个双向电能转移电路，模块独立工作，任一个出现故障，不会影响其它单元的功能，提高了整个系统的可靠性。

5 ．可实现标准化、批量化生产。本发明的电能转移方向和功率控制灵活。同一电路可以适应不同串联级数的电池组，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双向电能转移电路原理框图。

具体实施方式

图1 为本发明原理框图。图示一种双向电能转移电路，包括直流母线、电池单元、开关器件、储能电感和隔离电容，其特征在于：电池单元Bl的正极连接第一储能电感L1 的一端，所述第一储能电感L1 的另一端连接第一隔离电容C1的一端和第一开关器件SW1的一端，所述第一开关器件SW1的另一端连接电池单元Bl的负极和第二隔离电容C2的一端；所述第一隔离电容C1的另一端连接第二储能电感L2的一端和第二开关器件SW2的一端：所述第二开关器件SW2的另一端连接直流母线正极；所述第二隔离电容C2的另一端连接第二储能电感L2的另一端和直流母线负极；第一开关器件SW1、第二开关器件SW2的状态由控制电路U1控制。

所述控制电路U1通过驱动电路分别与第一开关器件SW1、第二开关器件SW2的控制端连接，控制电路Ul的信号检测电路两端分别与电池单元Bl的正极和负极连接；控制电路发出控制信号，第一开关器件SW1、第二开关器件SW2交替进行导通和关断的循环操作，实现电池组的非能耗均衡。

以将本发明应用于三节串联电池组均衡管理为例，双向电能转移电路实施原理框图如图2 所示，图中以电池单元Bl 为例，详细标明了连接电路。每一个双向电能转移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，每一个所述管理模块之间通过通讯总线连接，每一个模块可以通过通讯总线读取系统中其他模块的信息。第一开关器件SW1、第二开关器件SW2优选采用MOSFET 或IGBT器件。器件的选用不改变本发明原理上的一致性。均衡管理模块的控制电路U1 通过驱动电路分别与第一开关器件SW1、第二开关器件SW2的控制端连接。控制电路Ul 通过信号检测电路与电池单元B1 的正极和负极连接。每一个控制模块通过通讯总线将和自己连接电池单元的信息发送给其他模块，并通过通讯总线读取其他电池单元的信息，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需要输出或输入电能时，控制电路发出控制信号。上述控制信号经过驱动电路控制第一开关器件SW1、第二开关器件SW2按照前面所述的输出电能、输入电能原理进行导通和关断的循环操作。开关器件的占空比控制电量的转移功率和输入、输出电压比例。开关器件并不要求绝对的同步导通和关断控制，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电能转移原理上的一致性。本实施例中电池单元B1 并不局限于电池单体，对于多级叠加的拓扑结构，电池单元B1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，本领域的普通技术人员所做的任何显而易见的改变或等同替代，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双向电能转移电路，包括直流母线、电池单元、开关器件、储能电感和隔离电容，其特征在于：电池单元Bl的正极连接第一储能电感L1 的一端，所述第一储能电感L1 的另一端连接第一隔离电容C1的一端和第一开关器件SW1的一端，所述第一开关器件SW1的另一端连接电池单元Bl的负极和第二隔离电容C2的一端；所述第一隔离电容C1的另一端连接第二储能电感L2的一端和第二开关器件SW2的一端：所述第二开关器件SW2的另一端连接直流母线正极；所述第二隔离电容C2的另一端连接第二储能电感L2的另一端和直流母线负极；第一开关器件SW1、第二开关器件SW2的状态由控制电路U1控制。

2. 根据权利要求1 所述一种双向能量转移电路，其特征在于：所述控制电路U1通过驱动电路分别与第一开关器件SW1、第二开关器件SW2的控制端连接，控制电路Ul的信号检测电路两端分别与电池单元Bl的正极和负极连接；控制电路发出控制信号，第一开关器件SW1、第二开关器件SW2交替进行导通和关断的循环操作，实现电池组的非能耗均衡。

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