CN103607027A - 模块化电池均衡与充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池均衡和电池充电技术领域，具体涉及一种模块化电池均衡与充电系统，包括AC/DC变换器，其输出端与直流总线相连，直流总线分别与N个电池充电与均衡模块并联，N为正整数，N个电池充电与均衡模块分别为模块1-模块N，其通信端口与通信总线连接，电源端口与12V隔离辅助电源连接，电池端口与电池包中的对应电池单体并联。模块1的驱动电源端口连接隔离驱动电源，模块2-模块N的驱动电源端口分别与对应电池单体的负极及上一节电池的正极连接。本发明集充电、均衡、PFC及电池管理于一个系统中，有效地减小系统的尺寸，增加系统效率并大大降低系统的成本，采用模块化设计方法，具有便于维修、更换、扩容等优点。
Description
技术领域
本发明属于电池均衡和电池充电技术领域，具体涉及一种模块化电池均衡与充电系统。
背景技术
随着技术的进步与发展，电动汽车等新能源技术得到了飞速的发展，电池作为重要储能单元得到了广泛的运用。由于电池单体的低电压特性，用于电动汽车等驱动设备上的电池包往往需要大量的电池单体串联而成，以满足驱动的电压和功率需求。然而，由于电池在制造、初始容量、环境温度等方面的影响，电池之间存在差异，从而使串联成组的电池包在实际应用中造成某些电池单体过充电和过放电等现象，大大地影响电池包的使用特性和寿命，甚至有爆炸的危险。电池均衡能在很大程度上减低电池单体之间的不一致性，从而有效的避免电池包中某些电池单体的过充电或过放电的发生，保持电池包的使用特性，电池均衡在电池包的使用过程中显得尤为重要。
为了保证在电池均衡过程中电池能量的可回收利用，常用的方法是利用电力电子技术设计大量的DC/DC变换器，通过控制这些DC/DC变换器使电池能量冲高能量电池单体转移到低能量电池单体，从而使电池包中的电池单体保持均衡。
现有的电池均衡系统往往只考虑电池的均衡，而没有有效的整合其他功能，因而单独的电池均衡系统往往因为功能单一、成本高昂等因素不能得到很好的市场推广。
同时，电池充电系统在电池应用中也有着举足轻重的作用。然而，电池充电系统往往只从充电系统的电力电子角度考虑，很少考虑电池端的因素，很少有电池充电系统兼具电池均衡的功能。因而，在电池充电过程中，只要电池包中有一节电池单体达到充电终止状态，对整个电池包的充电就得终止，因而不能使电池包获得应有能量。
因此，在电动汽车等电池应用场合，如何很好的解决以上问题，提高均衡系统的市场推广率并使电池包获得足够的电池能量是一个亟待解决的问题。
发明内容
为克服上述技术中的不足，本发明的目的在于：提供一种模块化电池均衡与充电系统，集充电、均衡、功率因素校正（以下简称PFC）及电池管理于一个电路系统模块中，有效地减小了系统的尺寸，增加了系统的效率并大大降低了系统的成本，采用模块化设计方法，具有便于维修、更换、扩容等优点。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
所述模块化电池均衡与充电系统，包括AC/DC变换器、直流总线和通信总线，AC/DC变换器输入端与市电相连，AC/DC变换器的输出端与直流总线相连，还包括N个电池充电与均衡模块和一个电池包，N为大于1的正整数，电池充电与均衡模块分别为模块1，模块2，…，模块N，电池包包括N个串联的电池单体，分别为B1，B2，…，BN，每个电池充电与均衡模块均设有控制器、电源端口、直流总线端口、通信端口、电池端口、电压检测电路和DC/DC变换器，电池充电与均衡模块分别通过其直流总线端口与直流总线相连，控制器上设有电源端口和通信端口，电源端口与12V隔离辅助电源相接，通信端口与通信总线相接，控制器还分别连接电压检测电路和DC/DC变换器，DC/DC变换器输出端连接电池端口。
其中，所述DC/DC变换器采用隔离型双向DC/DC转换器，将直流总线上的直流电能转换成电池单体所需直流电能，并对对应的电池单体充电，隔离电源可以保证操作人员的安全，消除安全隐患。
其中，所述DC/DC转换器内设同步整流模块，能大大减少金氧半场效晶体管的功率损耗，大大提高DC/DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。
其中，所述DC/DC变换器内设隔离驱动模块，隔离驱动模块设有驱动电源端口，模块1的驱动电源端口与隔离驱动电源相连接，模块2，模块3，…，模块N中的驱动电源端口分别与对应电池单体的负极和上一节电池单体的正极相连接，通过相邻电池单体正负极之间的电压差提供隔离驱动电源，隔离驱动电源一般取4V，灵活运用电路组件，减小了电池充电与均衡模块的尺寸，降低了电池充电与均衡模块的生产成本。
其中，所述12V隔离辅助电源通过AC/DC转换器连接隔离DC/DC变换器转换而来，或通过电池包连接隔离DC/DC变换器转换而来，做到资源的充分利用，降低成本和产品尺寸。
其中，所述隔离驱动电源隔离通过隔离DC/DC变换器从12V隔离辅助电源取电，或通过隔离DC/DC变换器从电池包取电，做到资源的充分利用，降低成本和产品尺寸。
其中，所述通信总线采用CAN总线，现场总线可以实时、快速地实现信息传输，各电池充电与均衡模块间可以互相通信，共享对应电池单体的信息。
其中，所述AC/DC变换器采用整流桥电路，成功实现市电到直流电的转换。
在电池包充电过程中，AC/DC变换器将电网交流电转换为直流电并输出到直流总线。电池充电与均衡模块通过DC/DC变换器将直流总线上的直流电能转换成电池单体所需直流电能，并对对应的电池单体充电，各电池充电与均衡模块通过通信总线分享的实时充电信息，协同控制实现PFC功能。与此同时，电池充电与均衡模块通过电压检测电路检测各电池单体的电压，当发生不均衡状态时，各电池充电与均衡模块通过调整各自的DC/DC变换器的输出，实现电池包中各电池单体的能量均衡。在非充电状态下，如有不均衡状态发生，具有较高能量电池单体对应的电池充电与均衡模块通过对其DC/DC变换器的控制，向直流总线输出电能，从而对该电池单体放电。同时，具有较低能量的电池单体对应的电池充电与均衡模块控制其DC/DC变换器使其对该电池单体充电，重复该动作直到实现电池包中所有电池单体的均衡。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明集功率因素校正、电池均衡和电池充电于一个电路系统模块中，有效地减小了控制系统的尺寸，增加了系统的效率并大大降低了系统的成本。
2.本发明采用同步整流技术，能大大减少金氧半场效晶体管的功率损耗，同时，本发明可工作于断续模式，可实现软开关技术，因而可大大提高充电和均衡过程的效率。
3.本发明基于模块化设计，具有便于维修、更换、扩容等优点。
4.本发明通信接口能实现电池单体之间的通信，能用于定位不能正常工作的电池，实现电池包的故障诊断。
附图说明
图1本发明的总体结构图。
图2电池充电与均衡模块电路实施例电路原理图。
图3充电过程中的控制逻辑流程图。
图4充电过程中电池包中有电池单体处于不均衡状态时的能量流动示意图。
图5非充电过程中电池包中有电池单体处于不均衡状态时的能量流动示意图。
图中：1、AC/DC变换器；2、12V隔离辅助电源；3、直流总线；4、通信总线；5、电池充电与均衡模块；6、电池包；7、驱动电源端口；8、电源端口；9、直流总线端口；10、通信端口；11、电池端口；12、隔离驱动电源；13、变压器；14、光电隔离器；15、隔离驱动模块；16、控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
如图1所示，本发明一种模块化电池均衡与充电系统，包括AC/DC变换器1、直流总线3和通信总线4，AC/DC变换器输入端与市电相连，AC/DC变换器1的输出端与直流总线3相连，还包括N个电池充电与均衡模块和一个电池包6，N为大于1的正整数，电池充电与均衡模块5分别为模块1，模块2，…，模块N，电池包包括N个串联的电池单体，分别为B1，B2，…，BN，每个电池充电与均衡模块5均设有控制器16、电源端口8、直流总线端口9、通信端口10、电池端口11、电压检测电路和DC/DC变换器，电池充电与均衡模块5分别通过其直流总线端口9与直流总线3相连，控制器16上设有电源端口8和通信端口10，电源端口8与12V隔离辅助电源2相接，通信端口10与通信总线4相接，控制器16还分别连接电压检测电路和DC/DC变换器，DC/DC变换器输出端连接电池端口11。
其中，DC/DC变换器采用隔离型双向DC/DC转换器，将直流总线3上的直流电能转换成电池单体所需直流电能，并对对应的电池单体充电，隔离电源可以保证操作人员的安全，消除安全隐患；DC/DC转换器内设同步整流模块，能大大减少金氧半场效晶体管的功率损耗，大大提高DC/DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压；DC/DC变换器内设隔离驱动模块15，隔离驱动模块15设有驱动电源端口7，模块1的驱动电源端口7与隔离驱动电源12相连接，模块2，模块3，…，模块N中的驱动电源端口7分别与对应电池单体的负极和上一节电池单体的正极相连接，通过相邻电池单体正负极之间的电压差提供隔离驱动电源12，隔离驱动电源12一般取4V，灵活运用电路组件，减小了电池充电与均衡模块5的尺寸，降低了电池充电与均衡模块5的生产成本；12V隔离辅助电源2可以通过AC/DC转换器1连接隔离DC/DC变换器转换而来，也可以通过电池包6连接隔离DC/DC变换器转换而来，做到资源的充分利用，降低成本和产品尺寸；隔离驱动电源12通过隔离DC/DC变换器从12V隔离辅助电源2取电，或通过隔离DC/DC变换器从电池包6取电，做到资源的充分利用，降低成本和产品尺寸；通信总线4采用CAN总线，现场总线可以实时、快速地实现信息传输，各电池充电与均衡模块5间可以互相通信，共享对应电池单体的信息；AC/DC变换器1采用整流桥电路，成功实现市电到直流电的转换。
在电池包6充电过程中，AC/DC变换器1将电网交流电转换为直流电并输出到直流总线3。电池充电与均衡模块5通过DC/DC变换器将直流总线3上的直流电能转换成电池单体所需直流电能，并对对应的电池单体充电，各电池充电与均衡模块5通过通信总线4分享的实时充电信息，协同控制实现PFC功能。与此同时，电池充电与均衡模块5通过电压检测电路检测各电池单体的电压，当发生不均衡状态时，各电池充电与均衡模块5通过调整各自的DC/DC变换器的输出，实现电池包6中各电池单体的能量均衡。在非充电状态下，如有不均衡状态发生，具有较高能量电池单体对应的电池充电与均衡模块5通过对其DC/DC变换器的控制，向直流总线3输出电能，从而对该电池单体放电。同时，具有较低能量的电池单体对应的电池充电与均衡模块5控制其DC/DC变换器使其对该电池单体充电，重复该动作直到实现电池包6中所有电池单体的均衡。
电池充电与均衡模块5实施例电路原理图如图2所示，i=1，2，…，N，电池充电与均衡模块电路包括一个控制器16、一个缓冲电容Ci、一个变压器13、一个主金氧半场效晶体管Mi、一个次级金氧半场效晶体管Si、一个电阻Ri、一个光电隔离器14、一个隔离驱动模块15。缓冲电容Ci与变压器13的初级线圈形成共振电路，变压器13包括一个初级线圈W1i和两个次级线圈W2i和W2i’。
控制器16通过电源端口8与12V隔离辅助电源2连接，为控制器16供电；控制器16通过通信接口COMM1、COMM2与通信总线4连接，实现与其他电池充电与均衡模块5通信；控制器16通过VD+和VD-端口检测次级线圈W2i’的电压，同时间接检测次级线圈W2i的电压，从而实现对电池单体的电压检测；控制器16通过CS端口检测流过变压器初级线圈W1i的电流，可以采用霍尔型电流传感器检测，也可通过检测电阻Ri的压差获得；控制器16通过SG1和SG2端口分别控制主金氧半场效晶体管Mi和次级金氧半场效晶体管Si，由控制器端口SG1产生的控制信号直接与金氧半场效晶体管Mi连接并对其进行控制，而SG2产生的控制信号先要经过光电隔离器14进行光电隔离，然后通过隔离驱动模块15来驱动次级金氧半场效晶体管Si。
本发明充电过程中的控制逻辑流程如图3所示，当电池包6充电刚开始时，逻辑电路判断对应的电池单体Bi是否为充满状态。如果该电池单体Bi为充满状态，则对应模块的两个金氧半场效晶体管Mi和Si均被关闭。如果该电池单体Bi为未充满状态，则主金氧半场效晶体管Mi将打开并保证此时次级金氧半场效晶体管Si为关闭状态。此时，通过变压器初级线圈W1i的电流iMi将线性增加并将AC/DC变换器转换出来的直流总线上的能量存储于变压器初级线圈W1i中。当电流iMi达到预设的峰值ipeak，主金氧半场效晶体管Mi将关闭，然后次级金氧半场效晶体管Si打开，从而使存储于初级线圈中的能量转移到次级线圈，并最终转移到对应的电池单体Bi，对该电池单体Bi充电。当电流iMi达到零时，关闭次级金氧半场效晶体管Si并打开主金氧半场效晶体管Mi。接下来，电压检测电路将检测该电池单体Bi所处的状态。如果该电池单体Bi充满了，则所述两个金氧半场效晶体管Mi和Si将被关闭，该电池单体的充电过程结束。一直重复以上过程，直到电池包6中所有电池单体均达到充满状态，整个电池包6的充电过程结束。本发明所用电池单体均有各自的充电电流，能充分发挥每个充电单元的充电能力，能在最短时间为电池包6充上最多的电量，大大减短了充电时间。
充电过程中电池包6内有电池单体处于不均衡状态时的能量流动情况如图4所示，箭头表示能量流动方向，假设电池单体B1电压高于其他所有电池单体B2-BN，与电池单体B1并联连接的变压器次级线圈W21将会比其他变压器次级线圈W21-W2N具有更高的电压，因而更多的能量将被存储于其中，该能量可以被转移回初级线圈W11，这部分能量加上AC/DC变换器1上的能量将流向并联的电池充电与均衡模块5，并被转移到与较低电压单体并联的电池充电与均衡模块5。通过各电池充电与均衡模块5的变压器13，电池单体B1的能量将被转移到低电压的电池单体。该过程重复的运行，从而实现各电池单体间的均衡。因而，在充电过程中，当电池包6中电池单体间出现不均衡状况时，电池单体能自动实现均衡从而使各电池单体达到相同的状态。
非充电过程中出现不均衡时的能量流动如图5所示，箭头表示能量流动方向，在非充电过程中，电池充电与均衡模块5中的控制器16不停地检测各电池单体的电压。当有不均衡状况发生时，假设电池单体B1有最高电压而电池单体B2有最低电压，电池单体B1并联连接的变压器次级线圈W21储存的能量被转移回初级线圈W11，这部分能量将流向并联的电池充电与均衡模块5，并被转移到与电池单体B2并联的电池充电与均衡模块5，电池单体B1的能量被转移到电池单体B2，通过该过程的不断重复，直到其他情况的出现如最大电压或最小电压的电池单体改变或各电池单体均达到均衡状态等。通过该过程，所有的电池单体均能达到均衡状态。
Claims (10)
1.一种模块化电池均衡与充电系统，包括AC/DC变换器（1）、直流总线（3）和通信总线（4），AC/DC变换器（1）输入端与市电相连，AC/DC变换器（1）的输出端与直流总线（3）相连，其特征在于，还包括N个电池充电与均衡模块（5）和一个电池包（6），N为大于1的正整数，电池充电与均衡模块（5）分别为模块1，模块2，…，模块N，电池包（6）包括N个串联的电池单体，分别为B1，B2，…，BN，每个电池充电与均衡模块（1）均设有控制器（16）、电源端口（8）、直流总线端口（9）、通信端口（10）、电池端口（8）、电压检测电路和DC/DC变换器，电池充电与均衡模块（5）分别通过其直流总线端口（9）与直流总线（3）相连，控制器（16）上设有电源端口（8）和通信端口（10），电源端口（8）与12V隔离辅助电源（2）相接，通信端口（10）与通信总线（4）相接，控制器（16）还分别连接电压检测电路和DC/DC变换器，DC/DC变换器输出端连接电池端口（11）。
2.根据权利要求1所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述DC/DC变换器采用隔离型双向DC/DC转换器。
3.根据权利要求1或2所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述DC/DC转换器内设同步整流模块。
4.根据权利要求3所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述DC/DC变换器内设隔离驱动模块，隔离驱动模块设有驱动电源端口，模块1的驱动电源端口（7）与隔离驱动电源（12）相连接，模块2，模块3，…，模块N中的驱动电源端口（7）分别与对应电池单体的负极和上一节电池单体的正极相连接。
5.根据权利要求1所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述12V隔离辅助电源（2）由AC/DC转换器（1）连接隔离DC/DC变换器构成。
6.根据权利要求1所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述12V隔离辅助电源（2）由电池包（6）连接隔离DC/DC变换器构成。
7.根据权利要求4所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述隔离驱动电源（12）由12V隔离辅助电源（2）连接隔离DC/DC变换器构成。
8.根据权利要求4所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述隔离驱动电源（12）由电池包（6）连接隔离DC/DC变换器构成。
9.根据权利要求1、2或3所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述通信总线（4）采用CAN总线。
10.根据权利要求1、2或3所述的模块化电池均衡与充电系统，其特征在于，所述AC/DC变换器（1）采用整流桥电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 255144 No. 139, Longquan Road, Zichuan District, Shandong, Zibo Applicant after: ZIBO MINGTAI ELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Zichuan district towns like Zi River and two streets 255100 Shandong city of Zibo province No. 74 Applicant before: ZIBO MINGTAI ELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Modular battery equalizing and charging system Effective date of registration: 20191122 Granted publication date: 20160817 Pledgee: Zibo Zichuan District sub branch of China Post Savings Bank Co.,Ltd. Pledgor: ZIBO MINGTAI ELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2019370000099 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20221101 Granted publication date: 20160817 Pledgee: Zibo Zichuan District sub branch of China Post Savings Bank Co.,Ltd. Pledgor: ZIBO MINGTAI ELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2019370000099 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |