CN103762631B - 一种主动型电压均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动型电压均衡装置，包括N节相互串联的储能器件，储能器件连接有电压检测系统，电压检测系统的输出端与处理器的输入端相连，处理器输出控制信号至均衡功能电路，其中，每相邻两节储能器件两端连接一均衡模块，N-1个均衡模块共同构成均衡功能电路；所述均衡模块包括能量暂存与转移回路以及分别控制回路开关MOSFET的驱动电路。该装置能够将电压高的储能器件的部分电能转移给电压低的储能器件，解决现有均衡装置效率低、发热严重、速度慢、驱动电路不可靠等问题。

Description

一种主动型电压均衡装置

技术领域

本发明涉及电压均衡装置，尤其涉及一种主动型电压均衡装置。

背景技术

目前，广泛使用的电压均衡技术主要采用大功率电阻为能量损耗器件，通过开关网络控制将电压高的储能器件的部分电能转换为热能损耗掉，这种被动均衡技术虽然得到了成熟的使用，但存在效率低、均衡电流较大时发热严重的问题，在一些对效率和散热要求高的场合几乎无法使用，在此情况下，采用效率高、发热量小的能量转移型主动电压均衡装置具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种主动型电压均衡装置，能够将电压高的储能器件的部分电能转移给电压低的储能器件，解决现有均衡装置效率低、发热严重、速度慢、驱动电路不可靠等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种主动型电压均衡装置，包括N节相互串联的储能器件，储能器件连接有电压检测系统，电压检测系统的输出端与处理器的输入端相连，处理器输出控制信号至均衡功能电路，每相邻两节储能器件上连接一均衡模块，N-1个均衡模块共同构成均衡功能电路；所述均衡模块包括能量暂存与转移回路以及分别控制回路开关MOSFET的两个驱动电路。

所述驱动电路包括均衡状态指示电路、RC电路和推挽式输出电路，PWM信号和来自处理器的控制信号经与非门U1后，一方面直接送入与非门U2的一个输入端，同时又经RC电路送入U2的另一输入端；另一方面经非门U3反相后一路送入与门U4的一个输入端，另一路通过另一RC电路后送入U4的另一个输入端；U1的输出同时与均衡状态指示电路相连；U2的输出经加速电容C2、电阻R3和下拉电阻R4后送入NPN三极管Q1的基极；U4的输出经加速电容C4、电阻R7和下拉电阻R8后送入NPN三极管Q2的基极，Q1的集电极经电阻R5上拉后输出给NPN三极管Q3的基极；三极管Q2的集电极经R9上拉后输出给PNP三极管Q4的基极；Q3和Q4构成推挽输出电路，其输出端与能量暂存与转移回路连接。

所述能量暂存与转移回路由PMOS管Q9、Q10、电感L1、储能器件BAT1和BAT2构成，BAT1的正极接Q9的源极、Q3的集电极和上拉电阻R5，BAT1的负极经电感L1后接Q9的漏极、Q10的源极、Q7的集电极和上拉电阻R14，BAT2的负极接Q10的漏极。

所述驱动电路包括均衡状态指示电路、RC电路和推挽式输出电路，PWM信号和来自处理器的控制信号经与非门U9后，U9的输出信号一方面直接送入与非门U10的一个输入端，同时又经RC电路送入U10的另一个输入端；另一方面U9的输出经非门U11反相后一路直接送入与门U12的一个输入端，另一路通过另一RC电路延时后送入U12的另一个输入端；U9的输出同时与均衡状态指示电路相连；U10的输出经电容C10、电阻R22和上拉电阻R21后送入NPN三极管Q11的基极，U12的输出经电容C12、电阻R26和上拉电阻R25后送入NPN三极管Q12的基极，三极管Q11的集电极经电阻R23上拉后输出给NPN三极管Q13的基极；三极管Q12的集电极经R27上拉后输出给PNP三极管Q14的基极；Q13和Q14构成推挽输出电路，其输出端与能量暂存与转移回路连接。

能量暂存与转移回路由NMOS管Q19、Q20、电感L2、储能器件BAT3和BAT4构成，BAT3的正极接Q19的漏极，BAT3的负极经电感L2后接Q19的源极和Q10的漏极，BAT4的负极接Q20的源极。

所述储能器件中以第1节负极电压为参考地，当某节储能器件的正极对地电压为8～11V时，以该节储能器件为分界点，以下部分的能量暂存与转移回路采用NMOS管，以上部分则采用PMOS管实现。

本发明带来的有益效果为：1.对电压均衡过程以能量转移的形式实现，属于一种主动型的均衡策略，将相邻的两节储能器件中电压高的部分能量传递给电压低的器件，提高了均衡的效率，并有效避免了被动的损耗型均衡中存在的严重发热问题，从而提高了工作效率，并延长了使用寿命。

2.根据具体的储能器件串联情况，灵活采用PMOS管和NMOS管相结合的方式构成整个系统的电压均衡装置，可靠性强。

3.采用了加速电容改善了输出控制信号的上升沿。

4.采用RC延时电路产生一定的死区时间，确保推挽输出级的对管不会同时处于导通状态，提高了电路的可靠性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为采用PMOS管的均衡模块电路图；

图3为采用NMOS管的均衡模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于各类串联结构的储能系统的电压均衡装置，包括N节相互串联的储能器件，储能器件连接有电压检测系统，电压检测系统的输出端与处理器的输入端相连，处理器输出控制信号至均衡功能电路，每相邻两节储能器件上连接一均衡模块，N-1个均衡模块共同构成均衡功能电路；所述均衡模块包括能量暂存与转移回路以及分别控制回路开关MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）的两个驱动电路。

该均衡装置采用相邻两节储能器件依次相互均衡的方式实现整个储能模块的电压均衡功能，相邻两节储能器件的均衡模块电路是一个相对独立的电路，均衡装置的规模大小取决于储能模块所串联的储能器件的多少，若串联的储能器件的节数为n，则第1节与第2节、第2节与第3节、第3节与第4节……，第（n-1）节与第n节之间分别使用一个独立的均衡模块，因此共需（n-1）个相对独立的均衡模块，具体连接方式如图1所示。

在具体应用中，需根据储能器件串联节数和单体电压的不同情况在电压较高的高端采用PMOS管作为开关器件实现能量暂存和转移回路的控制，在电压较低的低端则采用NMOS管实现回路控制。一般地，NMOS管驱动电路的电压在12V左右，因此串联的储能器件中以第1节负极电压为参考地，当某节正极对地电压达到9V左右时，应以该节储能器件为分界点，以下部分的均衡模块采用NMOS管实现，以上部分则用PMOS管实现。图2和图3分别为采用PMOS管和NMOS管作为回路控制开关的均衡电路单元。

图2中，方框1和方框2中分别为PMOS管Q9和Q10的驱动电路，方框3中为处于电压高端的某相邻两节储能器件BAT1和BAT2均衡电路的能量暂存与转移回路。

Q9的驱动电路中，首先经与非门U1输入均衡控制信号CONTROL1和50%占空比的数Khz频率的PWM信号；U1的输出信号一方面直接送入与非门U2的一个输入端，同时又经由R1和C1构成的RC电路延时后送入U2的另一个输入端，另一方面U1的输出经非门U3反相后一路直接送入与门U4的一个输入端，另一路通过由R6和C3构成的RC电路延时后送入U4的另一个输入端；RC延时电路用来产生一定的死区时间保护后级的推挽对管Q3和Q4，确保其不会同时处于导通状态；U1的输出同时控制由R2和D1构成的均衡状态指示电路；U2的输出经电容C2、电阻R3和下拉电阻R4后送入NPN三极管Q1的基极，其中的C2称为加速电容，用来改善Q1集电极输出信号的上升沿，从而提高了工作效率及其稳定性；U4的输出经电容C4、电阻R7和下拉电阻R8后送入NPN三极管Q2的基极，其中的C4为加速电容，用来改善Q2集电极输出信号的上升沿；三极管Q1的集电极经电阻R5上拉后输出给NPN三极管Q3的基极；三极管Q2的集电极经R9上拉后输出给PNP三极管Q4的基极；Q3和Q4构成推挽输出电路，其输出用来控制PMOS管Q9。

Q10的驱动电路与Q9的相同，其输入控制信号为CONTROL2。其中的三极管Q5集电极经上拉输出给NPN三极管Q7的基极，三极管Q6集电极经上拉输出给PNP三极管Q8的基极；Q7和Q8构成推挽输出电路，它们的发射极输出给PMOS管Q10，用来控制其通断。

能量暂存与转移回路是实现电压均衡功能的核心，由PMOS管Q9、Q10、电感L1、储能器件BAT1和BAT2构成。其中Q9和Q10用来实现能量暂存和转移的控制，电感L1用来暂存能量和续流。VN+2为BAT1的正极，接Q9的源极、Q3的集电极和上拉电阻R5，VN+1为BAT1的负极和BAT2的正极，经电感L1后接Q9的漏极、Q10的源极、Q7的集电极和上拉电阻R14，VN为BAT2的负极，接Q10的漏极。

均衡装置工作时，首先需要电压检测系统检测储能器件BAT1和BAT2的电压，处理器根据设置的均衡控制条件确定均衡控制策略，输出对应的均衡控制信号。

若不需要均衡，则控制信号CONTROL1和CONTROL2均为低电平，U1和U5输出高电平，U4迅速输出低电平，Q2和Q4先行截止；U2经延时后输出低电平，Q1截止，Q3导通，推挽输出高电平使Q9截止，延时电路确保推挽电路相应管子的导通和截止顺序；同理，低电平的CONTROL2信号也使得Q10处于截止状态；U1和U5输出的高电平信号使指示灯D1和D2处于灭的状态。

若BAT1的电压高于BAT2的电压，并同时满足其它均衡启动条件，则控制信号CONTROL1为高电平，CONTROL2为低电平，Q10处于始终截止的状态。CONTROL1的高电平使得U1输出PWM信号，该信号点亮指示灯D1，表明BAT1处于被均衡的状态；PWM的下降沿到来时，U2迅速跳变为高电平，使Q1导通，Q3截止，U3迅速跳变为高电平，U4则经延时后跳变为高电平，使Q2导通，Q4导通，推挽电路输出低电平，Q9导通，BAT1放电，释放的能量暂存于L1中，由Q9、L1和BAT1构成的回路中有逆时针的电流流过；在PWM信号的低电平期间，Q9持续导通，L1中电流持续增大；PWM的上升沿到来时，U3迅速跳变为低电平，U4迅速跳变为低电平，Q2迅速截止，Q4截止，U2输出经延时后跳变为低电平，Q1截止，Q3导通，推挽电路输出高电平，Q9截止，由于电感L1中的电流不能突变，L1中自左至右的电流通过由L1、BAT2和Q10上的体二极管构成的回路进行续流，从而将L1中存储的能量释放出来，并充入BAT2中；在PWM信号高电平期间，随着L1中能量的释放，充电回路中的电流逐渐减小，直到为零；在CONTROL1持续高电平期间，随着PWM信号的周期性变换，周而复始地实现了BAT1放电,BAT2充电的电压均衡过程。

同理，若BAT2的电压高于BAT1的电压，则控制信号CONTROL1为低电平，CONTROL2为高电平，Q9始终处于截止状态，Q10则周期性地导通和截止，续流时通过Q9的体二极管构成回路，工作过程与BAT1电压高于BAT2时类似。

图3中，方框4和方框5中分别为NMOS管Q19和Q20的驱动电路，方框6中为处于电压低端的某相邻两节储能器件BAT3和BAT4均衡电路的能量暂存与转移回路。

Q19的驱动电路中，首先经与门U9输入均衡控制信号CONTROL3和50%占空比的数Khz频率的PWM信号；U9的输出信号一方面直接送入与非门U10的一个输入端，同时又经由R19和C9构成的RC电路延时后送入U10的另一个输入端，另一方面U9的输出经非门U11反相后一路直接送入与门U12的一个输入端，另一路通过由R24和C11构成的RC电路延时后送入U12的另一个输入端；RC延时电路产生一定的死区时间保护后级推挽对管Q13和Q14，确保其不会同时处于导通状态；U9的输出同时控制由R20和D3构成的均衡状态指示电路；U10的输出经电容C10、电阻R22和上拉电阻R21后送入NPN三极管Q11的基极，其中的C10为加速电容，用来改善Q11集电极输出信号的上升沿；U12的输出经电容C12、电阻R26和上拉电阻R25后送入NPN三极管Q12的基极，其中的12为加速电容，用来改善Q12集电极输出信号的上升沿；三极管Q11的集电极经电阻R23上拉后输出给NPN三极管Q13的基极；三极管Q12的集电极经R27上拉后输出给PNP三极管Q14的基极；上拉电阻R21、R23和三极管Q13的集电极连接的12V电压由系统提供，用来为NMOS管提供必要的UGS电压；Q13和Q14构成推挽输出电路，其输出用来控制NMOS管Q19。

Q20的驱动电路与Q19的相同，其输入控制信号为CONTROL4。其中的三极管Q15集电极经上拉输出给NPN三极管Q17的基极，三极管Q16集电极经上拉输出给PNP三极管Q18的基极；Q17和Q18构成推挽输出电路，它们的发射极输出给NMOS管Q20，用来控制其通断。

图3中的能量暂存与转移回路由NMOS管Q19、Q20、电感L2、储能器件BAT3和BAT4构成。其中Q19和Q20用来实现能量暂存和转移的控制，电感L2用来暂存能量和续流。V3为BAT3的正极，接Q19的漏极，V2为BAT3的负极和BAT4的正极，经电感L2后接Q19的源极和Q10的漏极，V1为BAT4的负极，接Q20的源极。

图3中的均衡电路工作时，同样需要电压检测系统检测BAT3和BAT4的电压，处理器根据设置的均衡控制条件确定均衡控制策略，输出对应的均衡控制信号CONTROL3和CONTROL4。

若不需要均衡，则控制信号CONTROL3和CONTROL4均为低电平，U9和U13输出低电平，U10迅速输出高电平，Q11导通，Q13截止；U11输出高电平，U12经延时后输出高电平，Q12导通，Q14导通，推挽电路输出低电平使Q19截止，延时电路确保推挽电路相应管子的导通和截止顺序；同理，低电平的CONTROL4信号也使得Q20处于截止状态；U9和U13输出的低电平使指示灯D3和D4处于灭的状态。

若BAT3的电压高于BAT4的电压，并同时满足其它均衡启动条件，则控制信号CONTROL3为高电平，CONTROL4为低电平，Q20处于始终截止的状态。CONTROL3的高电平使得U9输出PWM信号，该信号点亮指示灯D3，表明BAT3处于被均衡的状态；PWM的上升沿到来时，U11迅速跳变为低电平，U12立即输出低电平，使Q12截止，Q14截止，U10则经延时后跳变为低电平，使Q11截止，Q13导通，推挽电路输出高电平，Q19导通，BAT3放电，释放的能量暂存于L2中，由Q19、L2和BAT3构成的回路中有逆时针的电流流过；在PWM信号的高电平期间，Q19持续导通，L2中电流持续增大；PWM的下降沿到来时，U10迅速跳变为高电平，Q11迅速导通，Q13截止，U11输出跳变为高电平，经延时输入给U12后跳变为高电平，Q12导通，Q14导通，推挽电路输出低电平，Q19截止，由于电感L2中的电流不能突变，L2中自左至右的电流通过由L2、BAT4和Q20上的体二极管构成的回路进行续流，从而将L2中存储的能量释放出来，并充入BAT4中；在PWM信号低电平期间，随着L2中能量的释放，充电回路中的电流逐渐减小，直到为零；在CONTROL3持续高电平期间，随着PWM信号的周期性变换，周而复始地实现了BAT3放电,BAT4充电的电压均衡过程。

同理，若BAT4的电压高于BAT3的电压，则控制信号CONTROL3为低电平，CONTROL4为高电平，Q19始终处于截止状态，Q20则周期性地导通和截止，续流时通过Q19的体二极管构成回路，工作过程与BAT3电压高于BAT4时类似。

Claims (5)

1.一种主动型电压均衡装置，包括N节相互串联的储能器件，储能器件连接有电压检测系统，电压检测系统的输出端与处理器的输入端相连，处理器输出控制信号至均衡功能电路，其特征在于：每相邻两节储能器件上连接一均衡模块，N-1个均衡模块共同构成均衡功能电路；所述均衡模块包括能量暂存与转移回路以及分别控制回路开关MOSFET的两个驱动电路；

所述驱动电路包括均衡状态指示电路、RC电路和推挽式输出电路，PWM信号和来自处理器的控制信号经与非门U1后，一方面直接送入与非门U2的一个输入端，同时又经RC电路送入U2的另一输入端；另一方面经非门U3反相后一路送入与门U4的一个输入端，另一路通过另一RC电路后送入U4的另一个输入端；U1的输出同时与均衡状态指示电路相连；U2的输出经加速电容C2、电阻R3和下拉电阻R4后送入NPN三极管Q1的基极；U4的输出经加速电容C4、电阻R7和下拉电阻R8后送入NPN三极管Q2的基极；Q1的集电极经电阻R5上拉后输出给NPN三极管Q3的基极；三极管Q2的集电极经R9上拉后输出给PNP三极管Q4的基极；Q3和Q4构成推挽输出电路，其输出端与能量暂存与转移回路连接。

2.根据权利要求1所述的一种主动型电压均衡装置，其特征在于：所述能量暂存与转移回路由PMOS管Q9、Q10、电感L1、储能器件BAT1和BAT2构成，BAT1的正极接Q9的源极、Q3的集电极和上拉电阻R5，BAT1的负极经电感L1后接Q9的漏极、Q10的源极、Q7的集电极和上拉电阻R14，BAT2的负极接Q10的漏极。

3.一种主动型电压均衡装置，其特征在于：与权利要求1所不同的是，所述下拉电阻由上拉电阻代替。

4.根据权利要求3所述的一种主动型电压均衡装置，其特征在于：能量暂存与转移回路由NMOS管Q19、Q20、电感L2、储能器件BAT3和BAT4构成，BAT3的正极接Q19的漏极，BAT3的负极经电感L2后接Q19的源极和Q20的漏极，BAT4的负极接Q20的源极。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种主动型电压均衡装置，其特征在于：所述储能器件中以第1节负极电压为参考地，当某节储能器件的正极对地电压为8～11V时，以该节储能器件为分界点，以下部分的能量暂存与转移回路采用NMOS管，以上部分则采用PMOS管实现。