CN103618352B - 一种电池组功率均衡电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电池组功率均衡电路，用于对串联电池组中的多个单体电池进行功率均衡。通过将被均衡电池的能量汇集到直流母线上，然后通过数据采集电路采集电池单体的电压并由主控单元判断出需要进行均衡处理的电池单体，将该电池单体接入均衡电路中，均衡过程中所要吸收的能量从直流母线上获得，所要释放的能量也释放到直流母线上，在直流母线侧完成电能的最终交互。

Description

一种电池组功率均衡电路

技术领域

本申请涉及电池管理技术领域，更具体地说，涉及一种电池组功率均衡电路。

背景技术

由于材料、制程的波动，使用条件的不同，均会造成电池在一定程度上产生差异，造成电池间的不均衡问题。在储能系统中大量电池串并联，电池的不均衡会造成明显的“木桶效应”，不进行均衡控制将严重影响系统使用性能。

现有的电池管理系统的均衡技术所针对的对象一般为电池单体容量较小的储能系统，采用电感、电容等储能元件对电池进行均衡控制，其均衡电流一般最大为3安培。但是，随着国内外储能市场的快速发展，在大功率储能系统中，单体容量在千安时级别以上的大容量电池得到了越来越多的使用，大容量电池的充放电电流为百安级以上，因此，均衡电流最大为3安培的电池管理系统远远不能满足大容量电池单体的均衡需求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种电池组功率均衡电路，用于解决现有电池组功率均衡技术无法满足大容量电池单体的均衡需求的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种电池组功率均衡电路，用于对串联电池组中的多个单体电池进行功率均衡，包括：

功率双向变换装置，其直流侧通过直流母线与所述串联电池组相连，交流侧与交流母线相连，用于对所述串联电池组进行充放电控制；

数据采集电路，与所述串联电池组相连，用于采集所述多个单体电池的电压信号并发送；

主控单元，与所述数据采集电路相连，用于处理所述电压信号，并根据处理结果判断出需要均衡的单体电池并发送单体电池选择命令，以及根据所述处理结果生成并发送脉冲宽度调制PWM信号；

功率驱动电路，与所述主控单元相连，用于接收所述PWM信号并进行驱动功率放大后发送；

电池单体选择电路，分别与所述主控单元、所述串联电池组相连，用于根据接收到的所述单体电池选择命令，将对应的单体电池接入电路；

DC/DC变换电路，分别与所述直流母线、所述功率驱动电路、所述电池单体选择电路相连，用于根据处理后的PWM信号对选择的电池单体进行升降压处理及能量转换。

优选地，所述DC/DC变换电路包括：一级DC/DC变换电路和二级DC/DC变换电路；

所述一级DC/DC变换电路分别与所述电池单体选择电路、所述功率驱动电路、所述二级DC/DC变换电路相连，所述二级DC/DC变换电路还分别与所述功率驱动电路、所述直流母线相连。

优选地，所述数据采集电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

所述第一电阻的一端与电池单体的一极相连，另一端通过所述第三电阻连接到所述运算放大器的输出端；

所述第二电阻的一端与电池单体的另一极相连，另一端通过所述第四电阻接地；

所述第一电阻和所述第三电阻的公共端作为所述运算放大器的反向输入端；

所述第二电阻和所述第四电阻的公共端作为所述运算放大器的同相输入端；

所述运算放大器的输出端连接所述主控单元。

优选地，所述主控单元的主控芯片为数字信号处理器DSP。

优选地，所述主控芯片具有16路AD转换端口，用于对16只串联单体电池进行电压数据处理。

优选地，所述主控单元包括PWM发生模块。

优选地，所述功率驱动电路包括：第一光耦、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一三极管和第二三极管；

所述第一光耦的第一输入端通过所述第五电阻接正向电压，所述第一光耦的第二输入端输入所述PWM信号；

所述第六电阻的一端接电源另一端通过依次串联的所述第七电阻和所述第八电阻接地；

所述第六电阻和所述第七电阻的公共端与所述第一光耦的第一输出端相连，所述第一光耦的第二输出端接地；

所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极相连，所述第七电阻和所述第八电阻的公共端与所述第一三极管的基极相连；

所述第一三极管的集电极接电源，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极相连，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极的公共端作为所述PWM信号的输出端；

所述第二三极管的集电极接地。

优选地，所述二级DC/DC变换电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一电感和第一电容；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管分别反向并联第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管的基极与所述功率驱动电路相连；

所述第一晶体管的发射极与所述第二晶体管的集电极相连，所述第一晶体管的集电极与所述第二晶体管的发射极作为所述二级DC/DC变换电路的第一端；

所述第三晶体管的发射极与所述第四晶体管的集电极相连，所述第三晶体管的集电极与所述第四晶体管的发射极作为所述二级DC/DC变换电路的第二端，所述二级DC/DC变换电路的第二端与所述直流母线相连；

所述第一晶体管的发射极与所述第三晶体管的发射极通过所述第一电感相连；

所述第二晶体管的发射极与所述第四晶体管的发射极相连；

所述二级DC/DC变换电路的第二端并联有所述第一电容。

优选地，所述一级DC/DC变换电路与所述二级DC/DC变换电路的电路结构一样，所述二级DC/DC变换电路的第一端与所述一级DC/DC变换电路的第二端相连，所述一级DC/DC变换电路的第一端与所述电池单体选择电路相连。

优选地，所述电池选择电路包括：多个3/8译码芯片，其中每个所述3/8译码芯片的三个输入接口与所述主控单元相连，所述3/8译码芯片的八路输出分别通过第二至第九光耦连接每个电池单体两端的继电器，每个3/8译码芯片可以完成4只电池单体的选择。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开的电池功率均衡电路通过采集电池单体的电压并判断出需要进行均衡处理的电池单体，将该电池单体接入均衡电路中，通过DC/DC转换将被均衡电池的能量汇集到直流母线上，均衡过程中所要吸收的能量从直流母线上获得，所要释放的能量也释放到直流母线上，在直流母线侧完成电能的最终交互。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例公开的一种电池组功率均衡电路整体结构框图；

图2为本申请实施例公开的另一种电池组功率均衡电路整体结构框图；

图3为本申请实施例公开的一级和二级DC/DC变换电路原理图；

图4为本申请实施例公开的数据采集电路原理图；

图5为本申请实施例公开的功率驱动电路原理图；

图6为本申请实施例公开的电池单体选择电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1，图1为本申请实施例公开的一种电池组功率均衡电路整体结构框图。

如图1所示，本实施例提供的均衡电路包括：功率双向变换装置100，其直流侧通过直流母线170与所述串联电池组110相连，交流侧与交流母线180相连，用于对所述串联电池组110进行充放电控制；

具体地，功率双向变换装置100是能量可以双向流动的电力电子装置，可以完成对电池的充放电控制，在串联电池组110的电压过低时，我们可以利用交流侧的市电或光伏电能对串联电池组110进行充电；当交流侧没有市电和光伏电能时，我们可以利用串联电池组110对交流电网进行放电。

数据采集电路120，与串联电池组110相连，用于采集所述多个单体电池的电压信号并发送；

具体地，数据采集电路120采集多个串联电池单体的电压信号，并将采集的所有电压信号都发送给主控单元130，供主控单元130分析处理。

主控单元130，与数据采集电路120相连，用于处理所述电压信号，并根据处理结果判断出需要均衡的单体电池并发送单体电池选择命令，以及根据所述处理结果生成并发送脉冲宽度调制PWM信号；

具体地，主控单元130可以采用具有16路AD转换端口的数字信号处理器DSP（digital signal processor），可满足16只电池单体电压检测要求。主控单元130内置有PWM发生模块，方便对DC/DC开关功率器件进行编程控制。主控单元130接收数据采集电路120发送的模拟电压信号，进行AD转换、数据运算处理，根据处理后的结果判断出需要进行均衡的单体电池，一方面将该单体电池的选择命令发送给单体电池选择电路140，另一方面生成脉冲宽度调制PWM信号，用于控制DC/DC变换电路160进行充电/放电的状态，使之与被均衡电池单体相对接。

功率驱动电路150，与所述主控单元130相连，用于接收所述PWM信号并进行驱动功率放大后发送；

电池单体选择电路140，分别与所述主控单元130、所述串联电池组110相连，用于根据接收到的所述单体电池选择命令，将对应的单体电池接入电路；

DC/DC变换电路160，分别与所述直流母线170相连、所述功率驱动电路150、所述电池单体选择电路140相连，用于根据处理后的PWM信号对选择的电池单体进行均衡升降压处理及能量转换。

本实施例公开的电池功率均衡电路通过采集电池单体的电压并判断出需要进行均衡处理的电池单体，将该电池单体接入均衡电路中，然后将被均衡电池的能量汇集到直流母线170上，均衡过程中所要吸收的能量从直流母线170上获得，所要释放的能量也释放到直流母线170上。另外，这种设计方式也方便了控制管理。

需要解释的是，如图1所示，上述电路能够满足一定数量的电池单体的均衡要求，如果电池单体的数量太多，我们可以通过增加相同的模块的形式，来为多个电池单体进行功率均衡处理。

参见图2，图2为本申请实施例公开的另一种电池组功率均衡电路整体结构框图。

如图2所示，在上一实施例的基础上，本实施例中将实施例一中的DC/DC变换电路160分为了一级DC/DC变换电路1600和二级DC/DC变换电路1601。所述一级DC/DC变换电路1600分别与所述电池单体选择电路140、所述功率驱动电路150、所述二级DC/DC变换电路1601相连，所述二级DC/DC变换电路1601还分别与所述功率驱动电路150、所述直流母线170相连。

采用两级设计方式，一方面可保证单体电池均衡管理的切入/切出的方便性，另一方面由于大容量单体电池的电压一般较低（多数为2V-12V之间），系统直流母线170电压一般在540V-820V范围内，为降低升降压控制难度，考虑采用两级能量变换方式来完成均衡任务。

参见图3，图3为本申请实施例公开的一级和二级DC/DC变换电路原理图。

如图3所示，一级DC/DC变换电路1600和二级DC/DC变换电路1601的电路拓扑结构可以是一样的。以二级DC/DC变换电路1601为例，对其电路图做如下描述：

二级DC/DC变换电路1601包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第一电感L1和第一电容C1；

第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4分别反向并联第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；

第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的基极与功率驱动电路150相连；

第一晶体管T1的发射极与第二晶体管T2的集电极相连，第一晶体管T1的集电极与第二晶体管T2的发射极作为二级DC/DC变换电路1601的第一端U1；

第三晶体管T3的发射极与第四晶体管T4的集电极相连，第三晶体管T3的集电极与第四晶体管T4的发射极作为二级DC/DC变换电路1601的第二端U2，二级DC/DC变换电路1601的第二端U2与直流母线170相连；

第一晶体管T1的发射极与第三晶体管T3的发射极通过第一电感L1相连；

第二晶体管T2的发射极与第四晶体管T4的发射极相连；

二级DC/DC变换电路1601的第二端U2并联有第一电容C1。

需要说明的是，二级DC/DC变换电路1601的结构和一级DC/DC变换电路1600一样，二者的连接关系为：对于一级DC/DC变换电路1600来说，U1侧为电池单体对接侧，U2与二级DC/DC变换电路1601的U1对接，二级DC/DC变换电路1601的U2与直流母线170进行对接。对于一级DC/DC变换电路1600来说，可根据升降压的变比需求进行多级处理。

升降压工作原理如下：

（1）正向降压：当电路中T1作为开关管斩波，T2、T3、T4处于截止状态不工作，电路为典型的Buck电路，U1降压得到U2；

（2）正向升压：当电路中T4作为开关管斩波，T1保持常通，T2、T3处于截止状态不工作，电路为典型的Boost升压电路，U1升压得到U2；

（3）反向降压：电路中T4作为开关管斩波，T1、T2、T3处于截止状态不工作，电路为反向的Buck电路，此时U2降压得到U1；

（4）反向升压：电路中T2作为开关管斩波，T3保持常通，T1、T4处于截止状态不工作，电路为反向Boost电路，U2升压得到U1。

其中，每个开关管的工作状态受主控单元130发出的脉冲宽度调制PWM信号的控制，通过不同工作状态的切换，由升降压来完成对系统中不同电压等级的对接，实现了大功率电池的均衡。

参见图4，图4为本申请实施例公开的数据采集电路原理图。

如图4所示，本实施例中数据采集电路包括运算放大器D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；

所述第一电阻R1的一端A1与电池单体的一极相连，另一端通过所述第三电阻R3连接到所述运算放大器D1的输出端A3；

所述第二电阻R2的一端A2与电池单体的另一极相连，另一端通过所述第四电阻R4接地；

所述第一电阻R1和所述第三电阻R3的公共端作为所述运算放大器D1的反向输入端；

所述第二电阻R2和所述第四电阻R4的公共端作为所述运算放大器D1的同相输入端；

所述运算放大器D1的输出端A3连接所述主控单元130。

具体地，若要对电池单体进行均衡管理，首先必须要精确的测量得到每个电池单体的电压。本实施例采用以运算放大器D1为核心器件的差分电路来完成，A1和A2分别为任意一个电池单体的正负极接入点，R1、R2、R3、R4为差分电路比例匹配电阻，可以通过调整这四个电阻之间的比值关系来得到所需要的输出电压范围，A3为单体电池电压的差分输出端，输出的电压模拟量供主控单元130处理。

参见图5，图5为本申请实施例公开的功率驱动电路原理图。

如图5所示，本实施例公开的功率驱动电路150包括：第一光耦G1、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一三极管Q1和第二三极管Q2；

所述第一光耦G1的第一输入端通过所述第五电阻R5接正向电压，所述第一光耦G1的第二输入端输入所述PWM信号；

所述第六电阻R6的一端接电源另一端通过依次串联的所述第七电阻R7和所述第八电阻R8接地；

所述第六电阻R6和所述第七电阻R7的公共端与所述第一光耦G1的第一输出端相连，所述第一光耦G1的第二输出端接地；

所述第一三极管Q1的基极与所述第二三极管Q2的基极相连，所述第七电阻R7和所述第八电阻R8的公共端与所述第一三极管Q1的基极相连；

所述第一三极管Q1的集电极接电源，所述第一三极管Q1的发射极与所述第二三极管Q2的发射极相连，所述第一三极管Q1的发射极与所述第二三极管Q2的发射极的公共端作为所述PWM信号的输出端；

所述第二三极管Q2的集电极接地。

具体地，本实施例电路采用光耦实现主控系统与功率电路的高低压隔离，驱动采用NPN和PNP背靠背三极管组成的推挽电路实现，该电路结构简单，瞬时驱动电流能力大，工作稳定性好。其中电阻R8为驱动电路保护电阻，光耦侧出现故障或人手触摸时的静电，都会给绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，带来毁灭性的损伤，添加电阻R4可以起到良好的保护作用。

参见图6，图6为本申请实施例公开的电池单体选择电路原理图。

本实施例公开的电池单体选择电路包括：多个3/8译码芯片。如图6所示，其中每个所述3/8译码芯片的三个输入接口S1、S2和S3与主控单元130的通用端口GPIO1、GPIO2、GPIO3相连，所述3/8译码芯片的八路输出D₁-D₈分别通过第二至第九光耦G2-G9连接每个电池单体两端的继电器，每个3/8译码芯片可以完成4只电池单体的选择。

需要说明的是，在每个单体电池的两极都分别设有一个继电器，通过闭合某两个继电器即可将对应的电池单体接入电路。假设电池单体的个数为N，则继电器的个数为2N。参见图6，我们以电池B1为例，在电池B1的正负两极B1_-和B1₊各存在一个继电器J1和J2，通过闭合J1和J2即可将电池B1接入电路。

需要说明的是，每个3/8译码器可完成4只电池单体的选择，因为原理相同，图6只是画出了一部分而已，其它的几路设计相同。为了完成对多只电池单体的均衡，可以增加译码器的个数。

具体地，工作过程为：主控单元130通过三个通用端口GPIO1、GPIO2、GPIO3发送电池单体选择命令给译码器，进行电池选择。被选中的电池所对应的D_X(1-8)为低电平输出，未被选中的为高电平输出，输出为低电平信号所对应的光耦为导通状态，只有光耦为导通状态时，其对应的继电器才能闭合，因此对应的电池单体通过继电器被接入均衡系统，接受均衡管理。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种电池组功率均衡电路，用于对串联电池组中的多个单体电池进行功率均衡，其特征在于，包括：

功率双向变换装置，其直流侧通过直流母线与所述串联电池组相连，交流侧与交流母线相连，用于对所述串联电池组进行充放电控制；

数据采集电路，与所述串联电池组相连，用于采集所述多个单体电池的电压信号并发送；

主控单元，与所述数据采集电路相连，用于处理所述电压信号，并根据处理结果判断出需要均衡的单体电池并发送单体电池选择命令，以及根据所述处理结果生成并发送脉冲宽度调制PWM信号；

功率驱动电路，与所述主控单元相连，用于接收所述PWM信号并进行驱动功率放大后发送；

电池单体选择电路，分别与所述主控单元、所述串联电池组相连，用于根据接收到的所述单体电池选择命令，将对应的单体电池接入电路；

DC/DC变换电路，分别与所述直流母线、所述功率驱动电路、所述电池单体选择电路相连，用于根据处理后的PWM信号对选择的电池单体进行升降压处理及能量转换；

其中，所述DC/DC变换电路包括：一级DC/DC变换电路和二级DC/DC变换电路；

所述一级DC/DC变换电路分别与所述电池单体选择电路、所述功率驱动电路、所述二级DC/DC变换电路相连，所述二级DC/DC变换电路还分别与所述功率驱动电路、所述直流母线相连；

所述二级DC/DC变换电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一电感和第一电容；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管分别反向并联第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管的基极与所述功率驱动电路相连；

所述第一晶体管的发射极与所述第二晶体管的集电极相连，所述第一晶体管的集电极与所述第二晶体管的发射极作为所述二级DC/DC变换电路的第一端；

所述第三晶体管的发射极与所述第四晶体管的集电极相连，所述第三晶体管的集电极与所述第四晶体管的发射极作为所述二级DC/DC变换电路的第二端，所述二级DC/DC变换电路的第二端与所述直流母线相连；

所述第一晶体管的发射极与所述第三晶体管的发射极通过所述第一电感相连；

所述第二晶体管的发射极与所述第四晶体管的发射极相连；

所述二级DC/DC变换电路的第二端并联有所述第一电容；

所述主控单元包括PWM发生模块。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述数据采集电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

所述第一电阻的一端与电池单体的一极相连，另一端通过所述第三电阻连接到所述运算放大器的输出端；

所述第二电阻的一端与电池单体的另一极相连，另一端通过所述第四电阻接地；

所述第一电阻和所述第三电阻的公共端作为所述运算放大器的反向输入端；

所述第二电阻和所述第四电阻的公共端作为所述运算放大器的同相输入端；

所述运算放大器的输出端连接所述主控单元。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主控单元的主控芯片为数字信号处理器DSP。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述主控芯片具有16路AD转换端口，用于对16只串联单体电池进行电压数据处理。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述功率驱动电路包括：第一光耦、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一三极管和第二三极管；

所述第一光耦的第一输入端通过所述第五电阻接正向电压，所述第一光耦的第二输入端输入所述PWM信号；

所述第六电阻的一端接电源另一端通过依次串联的所述第七电阻和所述第八电阻接地；

所述第六电阻和所述第七电阻的公共端与所述第一光耦的第一输出端相连，所述第一光耦的第二输出端接地；

所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极相连，所述第七电阻和所述第八电阻的公共端与所述第一三极管的基极相连；

所述第一三极管的集电极接电源，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极相连，所述第一三极管的发射极与所述第二三极管的发射极的公共端作为所述PWM信号的输出端；

所述第二三极管的集电极接地。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述一级DC/DC变换电路与所述二级DC/DC变换电路的电路结构一样，所述二级DC/DC变换电路的第一端与所述一级DC/DC变换电路的第二端相连，所述一级DC/DC变换电路的第一端与所述电池单体选择电路相连。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电池选择电路包括：多个3/8译码芯片，其中每个所述3/8译码芯片的三个输入接口与所述主控单元相连，所述3/8译码芯片的八路输出分别通过第二至第九光耦连接每个电池单体两端的继电器，每个3/8译码芯片完成4只电池单体的选择。