CN104124722B - 一种恒流均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恒流均衡电路，包括串联电池组模块、变换器模块以及控制模块。串联电池组模块至少包括相互串联的第一电池组和第二电池组，控制模块与变换器模块以及串联电池组模块连接并构成通电回路，控制模块获取回路中的均衡电流，并根据均衡电流生成控制信号控制回路的通断。通过上述方式，可以实现恒流均衡电路的稳定，提高了恒流均衡电路的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理系统领域，特别是涉及一种恒流均衡电路。
背景技术
请参阅图1，图1为现有技术中的恒流均衡电路结构图。如图1所示，现有技术中的恒流均衡电路100是基于电感而设计的能量转移均衡电路。电池单元110、电感130和控制开关140形成第一回路，而电池单元120、电感130和控制开关150形成第二回路。控制开关140和控制开关150是一对相互互补的脉冲宽度调制(pulse-width modulation，PWM)控制信号来控制以轮流地开启和关闭，通过调节PWM控制信号的占空比，可以调节控制均衡电流的大小，从而利用电感130将电池单元110中的能量转移至电池单元120中，或者将电池单元120中的能量转移至电池单元110中。
在上述恒流均衡电路100中，由于会受到多方面的因素影响，例如温度变化、电池单元电压变化、器件差异、接线长度及其寄生阻抗等等，即使PWM控制信号的占空比不变，该恒流均衡电流100仍会有很大的差异，使得整个电路的均衡效果不理想；而且恒流均衡电路100中的均衡电流也可能会超过器件的额定值从而造成恒流均衡电路100失效。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种恒流均衡电路。
为解决上述技术问题，本发明提供一种恒流均衡电路，其包括：
串联电池组模块，至少包括第一电池组和第二电池组，第一电池组与第二电池组串联；
变换器模块，与串联电池组模块连接，用于为第一电池组与第二电池组之间提供能量交换；
控制模块，与变换器模块以及串联电池组模块连接并构成通电回路，用于获取回路中的均衡电流，并根据均衡电流生成控制信号控制回路的通断，以实现第一电池组与第二电池组之间的能量交换以及恒流均衡电路的稳定。
其中，控制模块包括电流检测隔离单元、嵌入式处理单元以及驱动缓冲隔离单元，电流检测隔离单元包括第一电流检测器和第二电流检测器；第一电流检测器连接在第一电池组的负极与变换器模块之间，第二电流检测器连接在第二电池组的正极与变换器模块之间，嵌入式处理单元连接第一电流检测器、第二电流检测器以及驱动缓冲隔离单元，驱动缓冲隔离单元还连接变换器模块。
其中，变换器模块包括电感单元、开关单元以及二极管单元，电感单元的一端连接第一电池组的正极以及第二电池组的负极，电感单元的另一端连接开关单元和二极管单元，开关单元和二极管单元的另两端均分别连接第一电流检测器和第二电流检测器；电流检测隔离单元、开关单元、电感单元以及串联电池组模块构成第一回路，电流检测隔离单元、二极管单元、电感单元以及串联电池组模块构成第二回路；第一回路与第二回路交替导通实现串联电池组模块的能量交换。
其中，开关单元包括第一开关以及第二开关，二极管单元包括第一二极管以及第二二极管，电感单元的一端与第一电池组的正极以及第二电池组的负极连接，电感单元的另一端与第一开关的一端、第二开关的一端、第一二极管的负极以及第二二极管的正极连接，第一开关的另一端与控制模块以及第一二极管的正极连接，第二开关的另一端与控制模块以及第二二极管的负极连接，第一开关和第二开关的控制端连接控制模块。
其中，恒流均衡电路还包括过流保护模块，过流保护模块包括第一过流保护器、第二过流保护器以及第三过流保护器；第一过流保护器连接在第一电池组的负极与第一电流检测器之间，第二过流保护器连接在第二电池组的正极与第二电流检测器之间，第三过流保护器连接在第一电池组的正极与电感单元的一端之间。
其中，恒流均衡电路还包括第一电容以及第二电容，用于吸收回路中均衡电流的高频电流成分；第一电容连接在电感单元的一端与第二二极管的负极之间，第二电容连接在电感单元的一端与第一二极管的正极之间。
其中，第一二极管和第二二极管均包括普通二极管、肖特基二极管、功率二极管或其它单向导通元件。
其中，第一开关和第二开关均包括金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、双极结型晶体管或可关断晶闸管。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过控制模块、变换器模块以及串联电池组模块相互连接构成通电回路，控制模块获取回路中的均衡电流，并根据均衡电流生成控制信号控制回路的通断，实现恒流均衡电路的稳定，提高了恒流均衡电路的可靠性和安全性。
附图说明
图1是现有技术中的恒流均衡电路结构图；
图2是本发明第一实施例的恒流均衡电路示意图。
具体实施方式
请参阅图2，图2是本发明第一实施例的恒流均衡电路示意图。如图2所示，恒流均衡电路200包括：串联电池组模块10、变换器模块20、控制模块30以及过流保护模块40。
串联电池组模块10至少包括第一电池组BT1和第二电池组BT2。第一电池组BT1与第二电池组BT2串联。在本发明的实施例中，第一电池组BT1和第二电池组BT2可以是电池单体或者由多个电池单体串联而成的电池组。在本发明的其它实施例中，串联电池组模块10可以包括多个电池组，每个电池组为电池单体或者由多个电池单体串联而成。
控制模块30与串联电池组模块10连接，其包括电流检测隔离单元301、嵌入式处理单元302以及驱动缓冲隔离单元303，电流检测隔离单元301包括第一电流检测器3002和第二电流检测器3001。第一电流检测器3002连接在第一电池组BT1的负极与变换器模块20之间，第二电流检测器3001连接在第二电池组BT2的正极与变换器模块20之间。即第一电流检测器3002的IP1+端连接第一电池组BT1的负极，第一电流检测器3002的IP1-端连接变换器模块20，第二电流检测器3001的IP2-端连接第二电池组BT2的正极，第二电流检测器3001的IP2+端连接变换器模块20。嵌入式处理单元302连接第一电流检测器3002、第二电流检测器3001以及驱动缓冲隔离单元303。驱动缓冲隔离单元303还连接变换器模块20。
在本发明的实施例中，电流检测隔离单元301包括两个独立的霍尔电流传感器ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路），优选地，型号为ACS712。在其它实施例中，电流检测隔离单元301包含检测电阻及隔离运放等分立器件组成的电流检测电路组合。驱动缓冲隔离单元303可以是无极性电容的组合或者总线驱动器与无极性电容的组合或者隔离驱动芯片的组合。
变换器模块20与控制模块30以及串联电池组模块10连接并构成通电回路，其包括电感单元L1、开关单元201、二极管单元202、第一电容C1以及第二电容C2。电感单元L1的一端连接第一电池组BT1的正极、第二电池组BT2的负极、第一电容C1的一端以及第二电容C2的一端，电感单元L1的另一端连接开关单元201和二极管单元202。第一电容C1的另一端连接第一电流检测器3002，第二电容C2的另一端连接第二电流检测器3001。开关单元201和二极管单元202的另两端均分别连接第一电流检测器3002和第二电流检测器3001。电流检测隔离单元301、开关单元201、电感单元L1以及串联电池组模块10构成第一回路，电流检测隔离单元301、二极管单元202、电感单元L1以及串联电池组模块10构成第二回路。第一回路与第二回路交替导通实现串联电池组模块10内各电池组的能量交换以及恒流均衡电路200的稳定，提高了恒流均衡电路200的可靠性和安全性。
在本发明的实施例中，开关单元201包括第一开关Q1以及第二开关Q2，二极管单元202包括第一二极管D1以及第二二极管D2。电感单元L1的一端与第一电容C1的一端、第二电容C2的一端、第一电池组BT1的正极以及第二电池组BT2的负极连接，电感单元L1的另一端与第一开关Q1的一端、第二开关Q2的一端、第一二极管D1的负极以及第二二极管D2的正极连接，第一开关Q1的另一端与控制模块30的第二电流检测器3001的IP1-端、第一电容C1的另一端以及第一二极管D1的正极连接，第二开关Q2的另一端与控制模块30的第一电流检测器3002的IP2+端、第二电容C2的另一端以及第二二极管D2的负极连接，第一开关Q1和第二开关Q2的控制端连接控制模块30。值得注意的是，开关单元201和二极管单元202可为两个独立的开关单元或者两者组成一个包含两个独立开关单元的开关器件，以提高集成度，减少面积，降低成本。第一二极管D1和第二二极管D2均包括普通二极管、肖特基二极管、功率二极管或其它单向导通元件。第一开关Q1和第二开关Q2均包括MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金氧半场效晶体管）或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或BJT（Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管）或GTO（Gate Turn-off Thyristor，可关断晶闸管）等半导体开关管。
在本发明的实施例中，过流保护模块40包括第一过流保护器F1、第二过流保护器F2以及第三过流保护器F3。第一过流保护器F1连接在第一电池组BT1的负极与第一电流检测器3002的IP1+端之间。第二过流保护器F2连接在第二电池组BT2的正极与第二电流检测器3001的IP2-端之间。第三过流保护器F3连接在第一电池组BT1的正极与电感单元L1的一端之间。其中，第一过流保护器F1、第二过流保护器F2以及第三过流保护器F3可以是PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)热敏电阻或保险丝或其它过流保护元件。
在本发明的实施例中，嵌入式处理单元302包括两个独立的PWM控制器，优选地，型号为UCC2803。嵌入式处理单元302分别接收第一电流检测器3002的输出电压V01和第二电流检测器3001的输出电压V02作为输入，并分别产生输出信号OUT1和输出信号OUT2。在其它实施例中，嵌入式处理单元302也可以通过模拟开关共享一个PWM控制器，优选地，型号为CD4051。此时，某一时刻嵌入式处理单元302只选通V01作为输入，而产生输出信号OUT1，或者某一时刻嵌入式处理单元302只选通V02作为输入，而产生输出信号OUT2。嵌入式处理单元302还可以是内含PWM控制器的MCU（Micro Control Unit，微控制单元）、CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、ARM（AdvancedReduced Instruction Set Computing Machines，高性能精简指令集处理器），可以同时接收V01和V02作为输入，分别产生输出信号OUT1和输出信号OUT2。PWM控制器内部集成了误差放大器并提供固定的阈值电压VREF作为比较基准。
第一电流检测器3002的输出电压V01和第二电流检测器3001的输出电压V02与均衡电流的大小成线性比例关系。另外，当均衡电流从第一电流检测器3002的IP1+端流入，从第一电流检测器3002的IP1-端流出，或者从第二电流检测器3001的IP2+端流入，从第二电流检测器3001的IP2-端流出时，则第一电流检测器3002的输出电压V01或第二电流检测器3001的输出电压V02的值大于其阈值电压VREF。当均衡电流从第一电流检测器3002的IP1-端流入，从第一电流检测器3002的IP1+端流出，或者从第二电流检测器3001的IP2-端流入，从第二电流检测器3001的IP2+端流出时，则第一电流检测器3002的输出电压V01或第二电流检测器3001的输出电压V02的值小于其阈值电压VREF。
初始状态时，开关单元201和二极管单元202都处于截止状态，第一电流检测器3002的IP1-端与IP1+端之间以及第二电流检测器3001的IP2-端与IP2+端之间均衡电流为零。第一电流检测器3002的输出电压V01和/或第二电流检测器3001的输出电压V02的值等于其阈值电压VREF。
当第一电池组BT1需要将能量转移至第二电池组BT2中时，因初始时第二电流检测器3001的IP2-端与IP2+端之间均衡电流为零，第二电流检测器3001的输出电压V02的值小于其阈值电压VREF，嵌入式处理单元302的输出信号OUT2为某一占空比的PWM信号，通过驱动缓冲隔离单元303后转换成波形陡峭的相同占空比的PWM控制信号BAL_N，控制第一开关Q1以相同的占空比交替导通和关断。其中，第三过流保护器F3、电感单元L1与第一开关Q1、第一电流检测器3002、第一过流保护器F1、第一电池组BT1形成第一回路；第三过流保护器F3、电感单元L1与第二二极管D2、第二电流检测器3001、第二过流保护器F2、第二电池组BT2形成第二回路。当第一开关Q1受控导通时，第二二极管D2反向截止，第一回路导通形成均衡电流对电感单元L1充电储能。当第一开关Q1受控关断时，由于电感单元L1电流不能突变，恒流均衡电路200通过第二回路将电感单元L1存储的能量转移到第二电池组BT2。上述过程不断地循环，即第一回路和第二回路交替地导通，从而将第一电池组BT1的能量转移至第二电池组BT2中。此时，利用第一电容C1吸收回路中的高频电流成分，使均衡电流变化趋于平滑。
当第二电流检测器3001检测到均衡电流超过设定值时，嵌入式处理单元302的输出信号OUT2的值大于嵌入式处理单元302中PWM控制器的阈值电压VREF，则控制减小输出信号OUT2的占空比，从而降低均衡电流；当第二电流检测器3001检测到均衡电流低于设定值时，嵌入式处理单元302的输出信号OUT2的值小于嵌入式处理单元302中PWM控制器的阈值电压VREF，则控制增大输出信号OUT2的占空比，从而增大均衡电流。上述过程不断地循环，以实现均衡电流的稳定，提高恒流均衡电路200的可靠性和安全性。
当第二电池组BT2需要将能量转移至第一电池组BT1中时，初始时因第一电流检测器3002的IP1-端与IP1+端之间电流为零，第一电流检测器3002的输出电压V01的值小于其阈值电压VREF，嵌入式处理单元302的输出信号OUT1为某一占空比的PWM信号，通过驱动缓冲隔离单元303后转换成波形陡峭的相同占空比的PWM控制信号BAL_P，控制第二开关Q2以相同的占空比交替导通和关断。其中，第三过流保护器F3、电感单元L1与第二开关Q2、第二电流检测器3001、第二过流保护器F2、第二电池组BT2形成第一回路；第三过流保护器F3、电感单元L1与第一二极管D1、第一电流检测器3002、第一过流保护器F1、第一电池组BT1形成第二回路。当第二开关Q2受控导通时，第一二极管D1反向截止，第一回路导通形成均衡电流对电感单元L1充电储能；当第二开关Q2受控关断时，由于电感单元L1电流不能突变，恒流均衡电路200通过第二回路将电感单元L1存储的能量转移到第一电池组BT1。上述过程不断地循环，即第一回路和第二回路交替地导通，从而将第二电池组BT2的能量转移至第一电池组BT1中。此时，利用第二电容C2吸收回路中的高频电流成分，使均衡电流变化趋于平滑。
当第一电流检测器3002检测到均衡电流超过设定值时，嵌入式处理单元302的输出信号OUT1的值大于嵌入式处理单元302中PWM控制器的阈值电压VREF，则控制减小输出信号OUT1的占空比，从而降低均衡电流；当第一电流检测器3002检测到均衡电流低于设定值时，嵌入式处理单元302的输出信号OUT1的值小于嵌入式处理单元302中PWM控制器的阈值电压VREF，则控制增大输出信号OUT1的占空比，从而增大均衡电流。上述过程不断地循环，以实现均衡电流的稳定，提高恒流均衡电路200的可靠性和安全性。
综上所述，本发明通过控制模块30、变换器模块20以及串联电池组模块10相互连接构成通电回路，控制模块30获取回路中的均衡电流，并根据均衡电流生成控制信号控制回路的通断，实现恒流均衡电路200的稳定，提高了恒流均衡电路200的可靠性和安全性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种恒流均衡电路，其特征在于，所述电路包括：
串联电池组模块，至少包括第一电池组和第二电池组，所述第一电池组与所述第二电池组串联；
变换器模块，与所述串联电池组模块连接，用于为所述第一电池组与所述第二电池组之间提供能量交换；
控制模块，与所述变换器模块以及所述串联电池组模块连接并构成通电回路，用于获取所述回路中的均衡电流，并根据所述均衡电流生成控制信号控制所述回路的通断，以实现所述第一电池组与所述第二电池组之间的能量交换以及所述恒流均衡电路的稳定；
其中，所述控制模块包括电流检测隔离单元、嵌入式处理单元以及驱动缓冲隔离单元，所述电流检测隔离单元包括第一电流检测器和第二电流检测器；所述第一电流检测器连接在所述第一电池组的负极与所述变换器模块之间，所述第二电流检测器连接在所述第二电池组的正极与所述变换器模块之间，所述嵌入式处理单元连接所述第一电流检测器、所述第二电流检测器以及所述驱动缓冲隔离单元，所述驱动缓冲隔离单元还连接所述变换器模块；
所述变换器模块包括电感单元、开关单元以及二极管单元，所述电感单元的一端连接所述第一电池组的正极以及所述第二电池组的负极，所述电感单元的另一端连接所述开关单元和所述二极管单元，所述开关单元和所述二极管单元的另两端均分别连接所述第一电流检测器和所述第二电流检测器；所述电流检测隔离单元、所述开关单元、所述电感单元以及所述串联电池组模块构成第一回路，所述电流检测隔离单元、所述二极管单元、所述电感单元以及所述串联电池组模块构成第二回路；所述第一回路与所述第二回路交替导通实现串联电池组模块的能量交换。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关单元包括第一开关以及第二开关，所述二极管单元包括第一二极管以及第二二极管，所述电感单元的一端与所述第一电池组的正极以及所述第二电池组的负极连接，所述电感单元的另一端与所述第一开关的一端、所述第二开关的一端、所述第一二极管的负极以及所述第二二极管的正极连接，所述第一开关的另一端与所述控制模块以及所述第一二极管的正极连接，所述第二开关的另一端与所述控制模块以及所述第二二极管的负极连接，所述第一开关和所述第二开关的控制端连接所述控制模块。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括过流保护模块，所述过流保护模块至少包括第一过流保护器、第二过流保护器以及第三过流保护器；所述第一过流保护器连接在所述第一电池组的负极与所述第一电流检测器之间，所述第二过流保护器连接在所述第二电池组的正极与所述第二电流检测器之间，所述第三过流保护器连接在所述第一电池组的正极与所述电感单元的一端之间。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第一电容以及第二电容，用于吸收所述回路中均衡电流的高频电流成分；所述第一电容连接在所述电感单元的一端与所述第二二极管的负极之间，所述第二电容连接在所述电感单元的一端与所述第一二极管的正极之间。
5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一二极管和所述第二二极管均包括普通二极管、肖特基二极管、功率二极管或其它单向导通元件。
6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关均包括金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、双极结型晶体管或可关断晶闸管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160629 Address after: 523808, Guangdong District, Songshan hi tech Industrial Development Zone, Dongguan, seven industrial North Road, 1 force science and technology center, 3 floor, B District Applicant after: DONGGUAN POWERWISE TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 523808 productivity building, Songshan science and Technology Industrial Park, Guangdong, Dongguan Province, room 401-403 Applicant before: Dongguan PowerWise New Energy 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: Constant current equalization circuit Effective date of registration: 20180129 Granted publication date: 20161228 Pledgee: The Bank of Dongguan Songshan Lake Science and technology branch of the Limited by Share Ltd. Pledgor: DONGGUAN POWERWISE TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: 2018440000033 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20220324 Granted publication date: 20161228 |
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| PP01 | Preservation of patent right | ||
| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20240104 Granted publication date: 20161228 |
|
| PD01 | Discharge of preservation of patent | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20161228 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |