CN103441554A - 一种串联电池组充放电电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联电池组充放电电路，包括反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路、控制电源电路，还包括多路高频变压器和N个高频整流回路，多路高频变压器包括初级绕组和N个次级绕组；所述控制电源电路和调节驱动与保护电路相连接，反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路依次相连，功率开关电路还和多路高频变压器的初级绕组相连，多路高频变压器的每个次级绕组均经过高频整流回路和单体电池相连接，N个单体电池串联组成电池组。本发明提供了所述串联电池组充放电电路的工作方法。本发明可以提升充电时均衡充电电流，降低电池在充放电过程中因不均衡充放电引起的失效，从而极大提升成组电池的寿命。

Description

一种串联电池组充放电电路及其工作方法

技术领域

本发明公开了一种串联电池组充放电电路及其工作方法，涉及串联电池组管理装置的技术领域。

背景技术

电池在串联工作状态下，由于其个体的不一致性，使其存在容量差异，在充放电过程中也会使其容量差异逐渐增大，最终个别电池的寿命提前到期导致整组电池报废。

为解决上述问题，研究人员进行了大量的工作，现有技术主要包括以下几种方法：

一、均衡充电：在串联充电时，通过并接在每个电池上的放电回路控制充电电压，使其与其它电池的充电电压一致，保证高容量电池电压不过充的情况下，尽量多为低容量电池充电。

二、电容切换补偿：通过开关网络将电压过高的电池容量转移到电容上，再将电容上的电能通过开关网络转移到低电压电池上。

三、冗余电池切换补偿：每组电池备用一定比例的冗余电池，当发现电压低的电池时，用开关网络用冗余电池取代低电压电池给系统供电。

以上几个模式有多种解决方案，但都有缺陷。

方法一能延长电池寿命，但由于均衡电流有限，且单体电池寿命本身有不确定性，因此只是一种治标不治本的方案，在电池组配容差异较大时并不能解决根本问题，在电池组中少数电池损坏时，整组电池都不能工作。

方法二基本上还是均衡概念，其开关网络复杂，在可操作性及成本控制方面存在比较大的缺陷。

方法三的优点在于解决了配容差异大也能均衡，个别电池损坏也不影响整组电池工作。其缺点一是要用大量功率器件作开关元件，二是要有一定比例的冗余电池（20%左右），从而导致整组电池的成本急剧上升，实用性大打折扣。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种串联电池组充放电电路。在电池组充电和放电过程中均能大电流无损均衡。最大限度保证各个电池在寿命周期内的一致性，提高单体电池的寿命,从而保证成组电池的寿命；在少量电池失效时，整组电池仍能正常工作，并由此大大提升电池组的使用寿命。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种串联电池组充放电电路，包括反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路、控制电源电路，所述控制电源电路和调节驱动与保护电路相连接，反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路依次相连，其特征在于：还包括多路高频变压器和N个高频整流回路，多路高频变压器包括初级绕组和N个次级绕组，其中，N的取值为自然数；

多路高频变压器的初级绕组与功率开关电路相连，多路高频变压器的N个次级绕组分别对应连接N个高频整流回路，N个高频整流回路分别对应连接N个单体电池，N个单体电池依次串联组成电池组。

本发明还公开了一种所述串联电池组充放电电路的工作方法，多路高频变压器的次级绕组、高频整流回路、单体电池依次连接组成该单体电池的补充充电电路，

充电时，充电电流分配到各单体电池的补充充电电路中，单体电池的电压大小决定其得到的充电电流大小，单体电池的电压越高得到的充电电流越小，单体电池的电压越低得到充电电流越大； 

放电时，补充充电电路将补充电流分配给各单体电池，单体电池的电压下降速度越快得到的补充电流越大，单体电池电压下降速度越慢得到的补充电流越小。 

作为本发明的进一步优选方案，在电池组中，对于已经能量耗尽的单体电池，由补充充电电路为其补充与单体电池正常工作时的放电电流等额的电流，补充充电电路替代能量耗尽的单体电池工作。 

作为本发明的进一步优选方案，充电电流的大小为电池组工作电流的1%至5%。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.提升充电时均衡充电电流：本技术采用后，均衡电流大幅提升后带来二大优势。一是可全面补偿均衡电流，二是因为均衡电流大，对电池本身生产的容量一致性要求大大降低，从而节省生产成本。

2.降低电池在充放电过程中因不均衡充放电引起的失效：本发明的采用，保障电池的充电和放电过程均有均衡，不但防止了因不均衡充电过程引起电池失效，也防止了因不均衡放电过程引起的电池失效。

3.极大提升成组电池的寿命：本发明的最大优势在于当电池组中有个别电池已经失效时，本装置能从其它电池中抽取部份能量来代替失效电池工作，从而保证整组电池在端电压正常的状态下继续供电，保证未失效部份的电池的能量能充分释放。

附图说明

图1是本发明的电路结构框图。

具体实施方式

本发明的核心要点是用电力电子技术将部份能量从整组电池抽出补充到容量偏低的电池上，实现成本低，补偿能力强，将成组电池寿命提升到接近单体电池寿命水平。

本发明的电路原理具体如下：整个电路类似于一个开关电源，开关电源的实际输出功率取决于电池组回路上充电电流或放电电流的大小。电路按回路上该电流的正负判断电池处于充电、放电和断开三种状态，高频变压器的N个次级整流电路要求参数一致性较高，它们的输出电压在相同负载情况下是基本一致的。

充电：充电时，取较小能量（工作电流1~5%）为各单体电池补充能量，当某个单体电池电压较低时，其次级变压器绕组会从初级获取更多能量（充电电流增大）。而电压较高的单体电池会取得较平均电流更小的能量。这种结构保证了充电过程各电池的均衡充电，不会导致过充和充电不足的情况出现，从而消除充电不均衡导致电池特性变坏的情况发生。同时这种方法比传统并接放电电路的方法更节省能量，并能为电池提供更大的均衡电流（例于50AH48V电池组1C充电时，传统方法最大均衡电流约为100mA，而本方法最小可提供到4A以上）。

本发明的工作原理与工作过程具体如下：

主回路：主回路由功率开关电路、多路高频变压器、高频整流回路及反馈与采样电路组成。电路按系统充电或放电电流的大小，按一定比例（一般低于20%）控制开关电源的总体输出功率，经高频变压器后分为N个隔离的补充电源，经整流后分别给各单体电池提供充电电流，这些电源的输出阻抗在设计时要基本保持一致,充电情况下在各单体电池电压相等时，它们从各供电电源所获取的电流是基本一致的。而当电池电压本身差异产生时，电压高的电池将会获得较少甚至得不到补充的充电电流，而电压较低的电池会从变压器获取更大的电流，从而使各电池充电电压得到均衡。放电时，各补充电源在电池电压一致时是均匀为每个单体电池补充的，在某些容量偏低的电池电压下降较快时，其补充电源同理会自动提供更大的补充电流，相反容量偏高的电池将减少得到的补充电流。极限情况下，某单体电池完全损坏时，其补充电源会将足够能量补充到这一节电池，取代本节电池本身，保证整组电池在正常端电压情况下释放出所有的容量。本系统可针对电池批量质量的好坏决定总体输出功率大小，从而达到补偿多个全废单体电池的目的。

调节与驱动电路：调节与驱动电路是控制开关电路的开关时间，从而控制整个补充供电系统输出功率的电路，其技术方案有多种成熟方案，不再赘述。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明所公开的串联电池组充放电电路，包括反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路、控制电源电路，还包括多路高频变压器和N个高频整流回路，多路高频变压器包括初级绕组和N个次级绕组，其中，N的取值为自然数；所述控制电源电路和调节驱动与保护电路相连接，反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路依次相连，功率开关电路还和多路高频变压器的初级绕组相连，多路高频变压器的每个次级绕组均经过高频整流回路和单体电池相连接，N个单体电池串联组成电池组。多路高频变压器的次级绕、高频整流回路、单体电池依次连接组成补充充电电路。

以48V磷酸铁锂电池为例说明如下：其单体电池寿命为3000次循环左右，而16节串联为48V后的成组寿命降为1500次~1800次，使用本技术后，寿命可提升至2800次（补充电源总功率电流为4A时）。上述电路在均衡充电时提供最大4A均衡电流，在放电时在12.5%的单体电池完全失效时，仍可保障未失效电池的容量正常输出供电。

本发明的电路原理具体如下：整个电路类似于一个开关电源，开关电源的实际输出功率取决于电池组回路上充电电流或放电电流的大小。电路按回路上该电流的正负判断电池处于充电、放电和断开三种状态，高频变压器的N个次级整流电路要求参数一致性较高，它们的输出电压在相同负载情况下是基本一致的。

充电：充电时，取较小能量（工作电流1~5%）为各单体电池补充能量，当某个单体电池电压较低时，其次级变压器绕组会从初级获取更多能量（补充充电电流增大）。而电压较高的单体电池会取得较平均电流更小的能量。这种结构保证了充电过程各电池的均衡充电，不会导致过充和充电不足的情况出现，从而消除充电不均衡导致电池特性变坏的情况发生。同时这种方法比传统并接放电电路的方法更节省能量，并能为电池提供更大的均衡电流（例于50AH48V电池组1C充电时，传统方法最大均衡电流约为100mA，而本方法最小可提供到4A以上）。

本发明的工作原理与工作过程具体如下：

主回路：主回路由功率开关电路、多路高频变压器、高频整流回路及反馈与采样电路组成。电路按系统充电或放电电流的大小，按一定比例（一般低于20%）控制开关电源的总体输出功率，经高频变压器后分为N个隔离的补充电源，经整流后分别给各单体电池提供补充电流，这些电源的输出阻抗在设计时要基本保持一致,充电情况下在各单体电池电压相等时，它们从各供电电源所获取的电流是基本一致的。而当电池电压本身差异产生时，电压高的电池将会获得较少甚至得不到补充的充电电流，而电压较低的电池会从变压器获取更大的电流，从而使各电池充电电压得到均衡。放电时，各补充电源在电池电压一致时是均匀为每个单体电池补充的，在某些容量偏低的电池电压下降较快时，其补充电源同理会自动提供更大的补充电流，相反容量偏高的电池将减少得到的补充电流。极限情况下，某单体电池完全损坏时，其补充电源会将足够能量补充到这一节电池，取代本节电池本身，保证整组电池在正常端电压情况下释放出所有的容量。本系统可针对电池批量质量的好坏决定总体输出功率大小，从而达到补偿多个全废单体电池的目的。

调节与驱动电路：调节与驱动电路是控制开关电路的开关时间，从而控制整个补充供电系统输出功率的电路，其技术方案有多种成熟方案，不再赘述。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，串联电池组充放电电路包括反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路、控制电源电路，还包括多路高频变压器和高频整流回路；所述反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路、控制电源电路、多路高频变压器、高频整流回路依次相连，调节驱动与保护电路还和控制电源电路相连接，高频整流回路和电池组相连，电池组由N个单体电池串联组成，其中，N为自然数。

以48V磷酸铁锂电池为例说明如下：其单体电池寿命为3000次循环左右，而16节串联为48V后的成组寿命降为1500次~1800次，使用本技术后，寿命可提升至2800次（补充电源总功率电流为4A时）。上述电路在均衡充电时提供最大4A均衡电流，在放电时在12.5%的单体电池完全失效时，仍可保障未失效电池的容量正常输出供电。

Claims (4)

1.一种串联电池组充放电电路，包括反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路、控制电源电路，所述控制电源电路和调节驱动与保护电路相连接，反馈与采样电路、调节驱动与保护电路、功率开关电路依次相连，其特征在于：还包括多路高频变压器和N个高频整流回路，多路高频变压器包括初级绕组和N个次级绕组，其中，N的取值为自然数；

多路高频变压器的初级绕组与功率开关电路相连，多路高频变压器的N个次级绕组分别对应连接N个高频整流回路，N个高频整流回路分别对应连接N个单体电池，N个单体电池依次串联组成电池组。

2.一种如权利要求1所述的串联电池组充放电电路的工作方法，其特征在于：多路高频变压器的次级绕组、高频整流回路、单体电池依次连接组成该单体电池的补充充电电路，

充电时，充电电流分配到各单体电池的补充充电电路中，单体电池的电压大小决定其得到的充电电流大小，单体电池的电压越高得到的充电电流越小，单体电池的电压越低得到充电电流越大； 

放电时，补充充电电路将补充电流分配给各单体电池，单体电池的电压下降速度越快得到的补充电流越大，单体电池电压下降速度越慢得到的补充电流越小。

3.如权利要求2所述的一种串联电池组充放电电路的工作方法，其特征在于：在电池组中，对于已经能量耗尽的单体电池，由补充充电电路为其补充与单体电池正常工作时的放电电流等额的电流，补充充电电路替代能量耗尽的单体电池工作。

4.如权利要求2所述的一种串联电池组充放电电路的工作方法，其特征在于：充电电流的大小为电池组工作电流的1%至5%。

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