CN104253460A - 一种电池堆及其供电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池堆及其供电控制方法。该电池堆用于为负载供电，包括供电控制系统和多个并联的电池组，其中供电控制系统由微控制装置和多组控制开关组成，微控制装置用于监控多个电池组的剩余电量并产生脉冲信号，多组控制开关与多个电池组一一对应串联，用于在脉冲信号的控制下分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个电池组为负载供电，且每组控制开关的导通时间与对应电池组的剩余电量成正比。本发明的电池堆根据各个电池组的剩余电量确定供电的时间比例，以对负载分时连续供电，从而能够实现对剩余电量的充分利用，同时无热损耗且可避免电池堆的环流现象的产生，易于实现、成本低。

Description

一种电池堆及其供电控制方法

技术领域

本发明涉及电池堆供电技术领域，具体而言涉及一种电池堆及其供电控制方法。

背景技术

能源是国民经济的支柱，是人类社会发展所必需的推动力。电池能够将化学能直接转化为电能对负载供电，具有能量转换效率高、洁净无污染、噪声低、模块结构性强等优点，势必成为未来清洁高效能源供应系统的重要组成部分。

由于电池在实际使用中受制造成本和空间的限制，其电容量不可能无限增大，为了获得电容量足够大的电池，一般将多个电池串联形成为一个电池组，再将容量相近的多个电池组并联组合为一个电池堆，如图1所示，由于实际中电池组的电压U1，U2，U3以及后续供电时的具体使用情况不可能完全一致，因此极易出现某个电池组的电压小于总输出电压U0的情况，此时输出电流会向该电池组回流，使该电池组成为其他电池组的负载，产生各个电池组之间的电流环流现象。并且由电池堆的总输出电压U0和各电池组的电流的以下计算公式，可知电池组的内阻越小，环流就越大。

$U0=(\frac{U1}{r1}+\frac{U2}{r2}+\frac{U3}{r3})/(\frac{1}{r1}+\frac{1}{r2}+\frac{1}{r3})I1=\frac{U1-U0}{r1},I2=\frac{U2-U0}{r2},I3=\frac{U3-U0}{r3}$

为避免上述电池堆的环流现象的出现，必须要限制电池堆的输出电流的方向，目前通用的做法是：在每个电池组对应的供电回路中串联一个防反二极管D（见图2所示），限制输出电流的方向，使其只向负载输出，以避免各电池组之间出现电流的环流。然而，防反二极管D在实际使用中效率低且热损耗很大，相应地散热设计复杂且成本较高。

综上所述，有必要提供一种电池堆及其供电控制方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种电池堆及其供电控制方法，以实现对剩余电量的充分利用，无热损耗且能够避免电池堆的环流现象的产生，成本低。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种电池堆，用于为负载供电，包括：多个并联的电池组；供电控制系统，由微控制装置和多组控制开关组成，微控制装置用于监控多个电池组的剩余电量并产生脉冲信号，多组控制开关与多个电池组一一对应串联，用于在脉冲信号的控制下分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个电池组为负载供电，且每组控制开关的导通时间与对应电池组的剩余电量成正比。

其中，电池堆还包括一电容，多个电池组的负极接地，正极通过电容接地。

其中，每组控制开关包括一个占空比控制开关和一个导通控制开关，占空比控制开关用于根据脉冲信号的占空比分时导通，其中占空比为根据监控的每一电池组的剩余电量确定的占空比控制开关导通的时间比例，导通控制开关用于选择性导通占空比控制开关与负载之间的供电回路。

其中，占空比控制开关和导通控制开关为MOS管或绝缘栅双极型晶体管。

其中，占空比的计算等式为：占空比=电池组的剩余电量/电池堆的总电量*100%。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种电池堆的供电控制方法，该电池堆用于为负载供电且包括多个并联的电池组，供电控制方法包括：监控多个电池组的剩余电量并据此产生脉冲信号；在脉冲信号的控制下，与多个电池组一一对应串联的多组控制开关分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个电池组为负载供电，且每组控制开关的导通时间与对应电池组的剩余电量成正比。

其中，供电控制方法还包括步骤：设置一电容，以使多个电池组的正极均通过电容接地。

其中，将每组控制开关设置有一个占空比控制开关和一个导通控制开关，占空比控制开关根据脉冲信号的占空比分时导通，其中占空比为根据监控的每一电池组的剩余电量确定的占空比控制开关导通的时间比例，导通控制开关选择性导通占空比控制开关与负载之间的供电回路。

其中，采用MOS管或绝缘栅双极型晶体管设置占空比控制开关和导通控制开关。

其中，占空比通过以下等式计算：占空比=电池组的剩余电量/电池堆的总电量*100%。

本发明的有益效果是：本发明设计具有供电控制系统和多个并联电池组的电池堆，通过供电控制系统中的微控制装置监控多个电池组的剩余电量并产生脉冲信号、与多个电池组一一对应串联的多组控制开关在脉冲信号的控制下分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个电池组为负载供电，且每组控制开关的导通时间与对应电池组的剩余电量成正比，从而实现对剩余电量的充分利用，同时无热损耗且可避免电池堆的环流现象的产生，易于实现、成本低。

附图说明

图1是现有技术中电池堆的电路原理图；

图2是现有技术中防环流的电路原理图；

图3是本发明电池堆一实施例的电路原理图；

图4是图3所示电池堆分时连续供电的时序示意图；

图5是本发明电池堆的供电控制方法一实施例的流程图。

具体实施方式

本发明揭示了一种电池堆及其供电控制方法，该电池堆主要通过供电控制系统监控并联的各个电池组的剩余电量并产生脉冲信号，继而控制与电池组串联的多组控制开关分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个电池组为负载供电，且每组控制开关的导通时间与对应电池组的剩余电量成正比，从而通过对负载的分时连续供电，实现对剩余电量的充分利用，同时无热损耗且避免环流现象的产生。需要说明的是，本发明的电池堆采用锂离子或锂聚合物化学电池，负载为电动汽车产品、电动摩托车产品、储能电站产品，当然并不限于上述举例。

下面结合附图3～5和实施例对本发明进行详细说明。

图3是本发明电池堆一实施例的电路原理图。本实施例以设置有三个电池组的电池堆进行描述。如图3所示，电池堆用于为负载L供电，包括供电控制系统310、电容C和并联的电池组U1、U2、U3。

在本实施例中，电池组U1、U2、U3的负极接地，正极通过电容C接地。供电控制系统310由微控制装置MCU1、MCU2、MCU3和控制开关Q1、Q2、Q3组成，控制开关Q1、Q2、Q3与电池组U1、U2、U3一一对应串联，即，控制开关Q1与电池组U1串联，控制开关Q2与电池组U2串联，控制开关Q3与电池组U3串联。并且，控制开关Q1包括占空比控制开关M11和导通控制开关M12，控制开关Q2包括占空比控制开关M21和导通控制开关M22，控制开关Q3包括占空比控制开关M31和导通控制开关M32。

图4是图3所示电池堆分时连续供电的时序示意图。在电池堆为负载L供电时，微控制装置MCU1、MCU2、MCU3用于对应监控电池组U1、U2、U3的剩余电量并产生脉冲信号，占空比控制开关M11、M21、M31用于根据脉冲信号的占空比分时连续导通，导通控制开关M12、M22、M32用于选择性导通占空比控制开关与负载L之间的供电回路。在本实施中，占空比为根据微控制装置MCU1、MCU2、MCU3监控的电池组U1、U2、U3的剩余电量确定的对应的占空比控制开关M11、M21、M31导通的时间比例，占空比的计算等式为：占空比=电池组的剩余电量/电池堆的总电量*100%。

具体举例而言：若微控制装置MCU1监控电池组U1的剩余电量为30Ah，微控制装置MCU2监控电池组U2的剩余电量为20Ah，微控制装置MCU3监控电池组U3的剩余电量为50Ah，则电池堆的总电量为30Ah+20Ah+50Ah=100Ah，通过占空比的计算等式可知：占空比控制开关M11的占空比为30%，占空比控制开关M21的占空比为20%，占空比控制开关M31的占空比为50%。若供电控制系统310设定的一个脉冲信号的周期T为100微秒，则电池组U1的供电时间为30微秒，电池组U2的供电时间为20微秒，电池组U3的供电时间为50微秒。

占空比控制开关M11在一个脉冲信号的周期T内导通30微秒，相应地导通控制开关M12导通30微秒，对应的电池组U1为负载L供电30微秒，此时占空比控制开关M21和导通控制开关M22、占空比控制开关M31和导通控制开关M32均断开。

在占空比控制开关M11导通30微秒后随即断开，占空比控制开关M21随即导通，并在一个脉冲信号的周期T内导通20微秒，相应地导通控制开关M22导通20微秒，对应的电池组U2为负载L供电20微秒，此时占空比控制开关M11和导通控制开关M12、占空比控制开关M31和导通控制开关M32均断开。

在占空比控制开关M21导通20微秒后随即断开，占空比控制开关M31随即导通，并在一个脉冲信号的周期T内导通50微秒，相应地导通控制开关M32导通50微秒，对应的电池组U3为负载L供电50微秒，此时占空比控制开关M11和导通控制开关M12、占空比控制开关M21和导通控制开关M22均断开。

在占空比控制开关M31和导通控制开关M32导通50微秒后随即断开，此时进入下一个脉冲信号周期，继续不间断的为负载L供电。

在本实施例中，电容C主要用于存储能量以及滤波，即保证电池组U1、U2、U3在供电切换时电池堆对负载L的供电连续性。另外，占空比控制开关M11、M21、M31和导通控制开关M12、M22、M32为MOS管或绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。

应理解，前述的占空比控制开关M11、M21、M31导通的先后顺序、微控制装置MCU1、MCU2、MCU3的设置数目及连接关系仅供说明举例，本发明可根据具体需求对占空比控制开关M11、M21、M31导通的先后顺序进行调整、将微控制装置MCU1、MCU2、MCU3集成为一个或改由外部控制器代替，只要能够在脉冲信号的控制下分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个电池组为负载L供电，且控制开关Q1、Q2、Q3中每组的导通时间与对应电池组的剩余电量成正比即可。

本实施例的电池堆根据各个电池组的剩余电量确定供电的时间比例，以对负载分时连续供电，从而能够实现对剩余电量的充分利用，并且无热损耗，易于实现、成本低。

图5是本发明电池堆的供电控制方法一实施例的流程图。本实施例的电池堆用于为负载供电且包括多个并联的电池组，如图5所示，电池堆的供电控制方法主要包括以下步骤：

步骤S510：监控多个电池组的剩余电量并据此产生脉冲信号；

步骤S520：在脉冲信号的控制下，与多个电池组一一对应串联的多组控制开关分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个电池组为负载供电，且每组控制开关的导通时间与对应电池组的剩余电量成正比。

在实际的供电过程中，本实施例通过将每组控制开关设置为包括具有一个占空比控制开关和一个导通控制开关以实现步骤S520，即，占空比控制开关根据步骤S510产生的脉冲信号的占空比分时导通，相应地导通控制开关根据占空比控制开关的导通情况选择性导通占空比控制开关与负载之间的供电回路，从而完成对负载的供电。在本实施例中，占空比为根据监控的每一电池组的剩余电量确定的占空比控制开关导通的时间比例，可通过等式进行计算：占空比=电池组的剩余电量/电池堆的总电量*100%。

在本实施例中，采用MOS管或绝缘栅双极型晶体管设置占空比控制开关和导通控制开关。另外，还设置电容C，使得多个电池组的正极均通过电容C接地，并通过电容C存储能量和滤波，从而保证各个电池组在供电切换时电池堆对负载L的供电连续性。

综上所述，本实施例的电池堆的供电方法主要通过监控各个电池组的剩余电量并产生脉冲信号，继而控制与电池组串联的多组控制开关分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个电池组为负载供电，且每组控制开关的导通时间与对应电池组的剩余电量成正比，从而通过对负载的分时连续供电，实现对剩余电量的充分利用，同时无热损耗且避免环流现象的产生，易于实现、成本低。

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 (10)

1.一种电池堆，用于为负载供电，其特征在于，所述电池堆包括：

多个并联的电池组；

供电控制系统，由微控制装置和多组控制开关组成，所述微控制装置用于监控所述多个电池组的剩余电量并产生脉冲信号，所述多组控制开关与所述多个电池组一一对应串联，用于在所述脉冲信号的控制下分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个所述电池组为所述负载供电，且每组所述控制开关的导通时间与对应所述电池组的剩余电量成正比。

2.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于，所述电池堆还包括一电容，所述多个电池组的负极接地，正极通过所述电容接地。

3.根据权利要求1所述的电池堆，其特征在于，每组所述控制开关包括一个占空比控制开关和一个导通控制开关，所述占空比控制开关用于根据所述脉冲信号的占空比分时导通，其中所述占空比为根据监控的每一所述电池组的剩余电量确定的所述占空比控制开关导通的时间比例，所述导通控制开关用于选择性导通所述占空比控制开关与所述负载之间的供电回路。

4.根据权利要求3所述的电池堆，其特征在于，所述占空比控制开关和导通控制开关为MOS管或绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求3所述的电池堆，其特征在于，所述占空比的计算等式为：

占空比=电池组的剩余电量/电池堆的总电量*100%。

6.一种电池堆的供电控制方法，所述电池堆用于为负载供电且包括多个并联的电池组，其特征在于，所述供电控制方法包括：

监控所述多个电池组的剩余电量并据此产生脉冲信号；

在所述脉冲信号的控制下，与所述多个电池组一一对应串联的多组控制开关分时连续导通，以使得在同一时刻仅有一个所述电池组为所述负载供电，且每组所述控制开关的导通时间与对应所述电池组的剩余电量成正比。

7.根据权利要求6所述的供电控制方法，其特征在于，所述供电控制方法还包括步骤：

设置一电容，以使所述多个电池组的正极均通过所述电容接地。

8.根据权利要求6所述的供电控制方法，其特征在于，将每组所述控制开关设置有一个占空比控制开关和一个导通控制开关，所述占空比控制开关根据所述脉冲信号的占空比分时导通，其中所述占空比为根据监控的每一所述电池组的剩余电量确定的所述占空比控制开关导通的时间比例，所述导通控制开关选择性导通所述占空比控制开关与所述负载之间的供电回路。

9.根据权利要求8所述的供电控制方法，其特征在于，采用MOS管或绝缘栅双极型晶体管设置所述占空比控制开关和导通控制开关。

10.根据权利要求8所述的供电控制方法，其特征在于，所述占空比通过以下等式计算：

占空比=电池组的剩余电量/电池堆的总电量*100%。