CN102916412B - 电池/电容组串联逃逸电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电池/电容组串联逃逸电路，所述电池/电容组由至少一个单体相互串联而成；所述逃逸电路包括控制器、开关和并联二极管，其中，开关的数量等于单体的数量，所述开关的功率端子与单体并联，而开关的控制极连接控制器，通过控制极进行开关开通和关断的控制；并联二极管的数量与单体的数量相同，并与单体一一对应进行并联，且控制器的采样端子与并联二极管的两端相连，根据流过并联二极管的电流方向控制开关的开通和关断。此种电路结构可规避由于串联的电池/电容单体由于开路或者由于内阻较大而导致的并联二极管发热而导致整个电池/电容组失效，从而延长电池/电容组的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种单体电池或电容装配成电池电容组的串联的方法，尤其适用于多只单体电池及电容串联的大型电池组结构。
背景技术
如图1所示：这种n个电池V10、V20、……、V(n-1)0、Vn0或者电容的连接方式为传统的串联方式，这种串联方式可靠性较差，当任何一个电池或者电容没有电能输出能力而其内阻又较高时，会导致整个供电系统的失效，即便其他的电池或者电容都完好的情况下，其中一个电池一旦失效，系统将立即失效。
目前电池/电容组中的串联方法都是通过电池/电容单体的直接串联，或者给每个单体并联一个单向导通的二极管，这种连接形式存在着以下几个问题：
（1）由于电池单体的内阻及容量及外部环境的差异，导致电池在充放电的过程中存在严重的不均压不均流现象；
（2）由于电池个体的差异而造成的并联不均流问题导致某一个电池一直工作在过载状态，从而加速了电池单体寿命的衰减；
（3）对于没有并联二极管的电池/电容组串联，如果一个电池开路，整个串联的模组将全部失效；
（4）对于有并联二极管的电池/电容组串联电路，如果流过二极管的电流过大，在二级管上将产生较大的功耗，从而将导致系统效率及可靠性的降低，一旦并联二极管烧坏，整个电池电容组将会失效。
电容组通常也是将若干电容单体进行并联组成，因此同样存在着上述问题。
基于此，本发明人对现有电池组及电容组中电池/电容单体的串联形式进行改进，从而使每个电池/电容组能够低功耗安全逃逸，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种电池/电容组串联逃逸电路，其可规避由于串联的电池/电容单体由于开路或者由于内阻较大而导致的并联二极管发热而导致整个电池/电容组失效，从而延长电池/电容组的寿命。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种电池/电容组串联逃逸电路，所述电池/电容组由至少一个单体相互串联而成；所述逃逸电路包括控制器、开关和并联二极管，其中，开关的数量等于单体的数量，所述开关的功率端子与单体并联，而开关的控制极连接控制器，通过控制极进行开关开通和关断的控制；并联二极管的数量与单体的数量相同，并与单体一一对应进行并联，且控制器的采样端子与并联二极管的两端相连，根据流过并联二极管的电流方向控制开关的开通和关断。
上述单体是电池单体、电容单体或电池单体与电容单体混合连接的混合模组。
上述电池单体是单个电池、相互串联的至少两个电池或混合连接的电池包。
上述电容单体是单个电容、相互串联的至少两个电容或混合连接的电容包。
上述开关是机械开关或由三极管、MOSFET、IGBT、JFET、可控硅等电子元件组成的电子开关。
通过对串联开关的控制抑制当电池/电容组在并联二极管导通时功耗过大的问题。
上述开关可以工作在直接导通状态，也可以工作在由电池包或电池单体的控制系统进行控制的闭环调整占空比状态。
通过对并联开关的控制抑制当电池/电容组在内阻过大而导致的整个电池或电容组的失效问题。
控制电路将根据并联二极管的导通状态来开通和关断与二极管并联的开关。
并联在单体中的开关可以工作在如下三种工作状态：开关状态、闭环调节特定占空比状态和线性调节状态。
上述并联二极管是与开关并联的独立二极管或开关体内寄生二极管。
采用上述方案后，本发明彻底改变了传统对电池或者电容串联时对单体一致性的依赖，从根本上解决了当电池组或电容组损坏的顽疾，从而让每一个电池或电容单体都能根据外部的情况安全逃逸，从而提高了电池或电容系统的利用效率可靠性。此外，如果某一个电池损害或者内阻突然增大，开关自动将其从系统中剥离，从而极大提高电池组的可靠性，同时通过对开关的控制可以较大地减少并联二极管上的功耗，从而提高系统的可靠性；通过对电池组或电容组并联的开关可以有效地减少流过并联二极管的电流，从而提高系统的可靠性。
附图说明
图1是传统的电池组的串联示意图；
图2是本发明第一实施例的示意图；
图3是本发明第二实施例的示意图；
图4是本发明第三实施例的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开一种电池/电容组串联逃逸电路，用以延长电池/电容组的使用寿命，所述电池/电容组由至少两个单体相互串联而成，所述单体是指电池单体、电容单体或电池单体与电容单体混合连接的混合模组，其中，电池单体可以是单个电池、相互串联的至少两个电池或至少三个电池通过串并混合连接而成的电池包，所述电容单体可以是单个电容、相互串联的至少两个电容或至少三个电容通过串并混合连接而成的电容包；前述均为现有结构，不再赘述。
本发明的改进点在于：所述逃逸电路包括并联二极管、开关和控制电路，所述开关可以是机械开关或电子开关，开关的控制极连接控制电路，通过控制极进行开关及开通占空比的控制；并联二极管的数量与单体的数量相同，并与单体一一对应进行并联，且控制电路根据并联二极管的电流控制开关的开通或关断。此种电路结构可规避当单体内部等效阻抗较大而造成的电流回路通过并联二极管，由于并联二极管的正向导通压降较高，当流过较大电流时，并联二极管上的功耗较大而带来的可靠性问题，规避当单体内阻较高时或者由于某个单体失效而造成的整个电池/电容组失效，同时可以抑制当电流过大时二极管的功耗较大的问题，从而延长电池/电容组的寿命。
本发明从根本上解决了当电池组或电容组串联易于损坏的顽疾，从而让每一个电池或电容单体都能根据外部的情况安全逃逸，从而提高了电池或电容系统的利用效率可靠性。此外，如果某一个电池损害或者内阻突然增大，开关自动将其从系统中剥离，从而极大提高电池组的可靠性，同时通过对开关的控制可以较大地降低并联二极管上的功耗，从而提高系统的可靠性；通过对电池组或电容组并联的开关可以有效地减少流过并联二极管的电流，从而提高系统的可靠性。
配合图2所示，是本发明的第一实施例，其是以单个电池或电容构成的单体的结构图进行分析，其中V1为电池，电容的连接与此相同，电池V1的正极端子与电池组的引线端子BUS(+)相连，负极端子与电池V2的正极端子相连，开关管S1的集电极与电池V1的正极端子相连，发射极与电池V1的负极端子相连，开关管S1的基极与驱动器DR1的输出端相连；DR1为驱动器，其输入信号与控制器U1的输出引脚相连；控制器U1根据电阻R1和R2进行分压采样电池V1两端的电压，当电池V1两端的电压低于并联二极管D1的反向偏置电压时，开关管S1的并联二极管D1导通；当D1导通时，R1和R2分压采样得到的为负值，控制器U1立即输出高信号或者一定占空比的开关信号；当开关管S1导通时，其正向电压很低，从而使本应该流过并联二极管D1的电流通过开关管S1，从而降低系统电流在并联二极管D1上的损耗。
在整个系统中，有n个由相同的单体V1-Vn构成的系统进行串联，对应各单体的逃逸电路结构相同，当某几个电池开路或者由于内阻较高时，与其对应的并联二极管将会导通，从而并联的开关导通，从而可以大幅度降低由于电池或者电容单体损耗而造成的系统的过早损坏，或者流经并联二极管的电流过大而导致的发热量严重而导致的系统可靠性降低。
参照图3，为本发明的第二实施例，其中V11、V21、…、Vn1均为以多个电池并联构成的电池单体，电容单体的结构与此原理相同；电池单体V11的正极端子与BUS(+)相连，电池单体V21的正极端子与V11的负极端子相连;依此类推，电池单体Vn1的正极端子与电池单体V(n-1)1的负极端子相连，电池单体Vn1的负极端子与电池组的BUS(-)相连；以与BUS(+)相连的单体为例：二极管D10与电容C11串联构成供电储能单元，电阻R11和稳压管Z11串联构成的电压基准电路连接三极管Q11的基极，三极管Q11的发射极与三极管Q21的发射极相连，并共同通过电阻R41连接到电池单体V11的负极端子，所述三极管Q11的集电极经由电阻R31连接二极管D11的阴极；三极管Q21的集电极连接开关管S11的基极，所述集电极还经由电阻R51连接二极管D11的阴极；由电阻R61、R21串联构成的分压电路，电阻R61、R21之间的连接点与三极管Q21的基极连接，所述三极管Q21通过分压电路对电池单体V11两端的电压采样，当V11两端的电压较低时，并联二极管D11反向偏置导通，三极管Q11导通，从而使三极管Q21反向截止，从而三极管Q21的集电极输出高压，使得开关管S11导通，进而使流过并联二极管D11的电流直接通过开关管S11给系统供电。
图4所示是本发明的第三较佳实施例，其中，V12、V22、…、Vn2是以多个电池并联构成的电池单体，电容单体的结构与此原理相同；电池单体V12的正极端子与电池组的BUS(+)相连，所述电池单体V22的正极端子与电池单体V12的负极端子相连，依此类推，电池单体Vn2的正极端子与电池单体V(n-1)2的负极端子相连，电池单体Vn2的负极端子与电池组的BUS(-)相连；以与BUS(+)相连的电池单体V12为例：二极管D20与电容C12构成供电储能单元，再并联在电池单体V12的两端，具体来说，所述二极管D20的阳极连接电池单体V12的正极端子，D20的阴极经由电容C12连接V12的负极端子；三极管Q32的基极与集电极连接，所述三极管Q32的集电极还经由电阻R12连接二极管D20的阴极，三极管Q32的发射极与二极管D22的阳极连接，该二极管D22的阴极与电池单体V12的负极端子连接；三极管Q42的基极连接三极管Q32的基极，三极管Q42的集电极经由电阻R22连接二极管D20的阴极，三极管Q42的发射极连接二极管D32的阳极，该二极管D32的阴极连接电池单体V12的正极端子；反相器DR1的输入端连接三极管Q42的集电极，反相器DR1的输出端连接开关管S12的基极，所述开关管S12的集电极连接并联二极管D12的阴极，开关管S12的发射极连接并联二极管D12的阳极；当电池单体V12的两端电压较低时，并联二极管D21正向偏置导通，三极管Q42导通，反相器DR1输出为高，开关管S12导通，从而使流过并联二极管D12的电流直接通过开关管S12给系统供电，从而规避由于电流流过并联二极管D12而产生的功耗，当电池单体V12的电压开始慢慢回升时，流过开关管S12的电流反向，从而三极管Q32导通，S12截止，并联二极管D12反向截止，电池单体V12给系统直接供电。
需要说明的是，本发明一种电池/电容组串联逃逸电路，其中的开关管既可以工作在直接导通状态，也可以工作在由控制器进行控制的闭环调整占空比状态；控制器可以根据分压电路的反馈信号，通过与单体串联的开关进行占空比的调节，从而实现特定的输出电压或等效内阻；控制器可以根据单体的差异及采样信号的分析进行优化处理，对不同的单体采用不同驱动及控制策略，以达到最佳的充放电状态，从而延长电池或电容寿命；另外，基于本发明的技术思想，由多个电池单体并联后的电池组，可以通过串联开关后进行更大规模的并联及串联，从而构成更大的电池包。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电池/电容组串联逃逸电路，所述电池/电容组由至少两个单体相互串联而成；其特征在于：所述逃逸电路包括控制器、开关和并联二极管，其中，开关的数量等于单体的数量，所述开关的功率端子与单体并联，而开关的控制极连接控制器，通过控制极进行开关开通和关断的控制；并联二极管的数量与单体的数量相同，并与单体一一对应进行并联，且控制器的采样端子与并联二极管的两端相连，根据流过并联二极管的电流方向控制开关的开通和关断，当并联二极管导通时，开关开通，当并联二极管截止时，开关关断。
2.如权利要求1所述的电池/电容组串联逃逸电路，其特征在于：所述单体是电池单体、电容单体或电池单体与电容单体混合连接的混合模组。
3.如权利要求2所述的电池/电容组串联逃逸电路，其特征在于：所述电池单体是单个电池、相互串联的至少两个电池或混合连接的电池包。
4.如权利要求2所述的电池/电容组串联逃逸电路，其特征在于：所述电容单体是单个电容、相互串联的至少两个电容或混合连接的电容包。
5.如权利要求1所述的电池/电容组串联逃逸电路，其特征在于：所述开关是机械开关或电子开关。
6.如权利要求1所述的电池/电容组串联逃逸电路,其特征在于：所述与单体并联的开关工作在如下三种工作状态：开关状态、闭环调节特定占空比状态或线性调节状态。
7.如权利要求1所述的电池/电容组串联逃逸电路,其特征在于：所述并联二极管是与开关并联的独立二极管或开关体内寄生二极管。
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