CN104300640A - 一种新型蓄电池组充电控制电路及其方法 - Google Patents

一种新型蓄电池组充电控制电路及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型蓄电池组充电控制电路及其方法，该控制电路包括n个充电控制小组，每个充电控制小组包括两个电池单体、电感、电容以及第一能量双向可控的电子开关、第二能量双向可控的电子开关，其中，该第一能量双向可控的电子开关与该电感串联接于一电池单体的正负极，该第二能量双向可控的电子开关与该电感串联接于另一电池单体的正负极，每个充电控制小组的拓扑结构相同，各充电控制小组之间通过该第一能量双向可控的电子开关连接该电容相连，通过本发明，能够在充电后期保证蓄电池组中的各个电池单体性能相当，以改进现有串联蓄电池组中能量的不均衡分布造成的对蓄电池的损害的问题。

Description

一种新型蓄电池组充电控制电路及其方法
技术领域
本发明关于蓄电池组能量均衡控制领域，特别是涉及一种新型蓄电池组充电控制电路及其方法。
背景技术
蓄电池的使用范围越来越广泛，而普通的蓄电池单体并不能满足大功率使用场合的要求，所以产生了蓄电池组，即将不同蓄电池单体进行串联和并联，然后作为所需要的系统电源使用，其中蓄电池单体的串联在使用中很常见。
尽管选作蓄电池组的蓄电池单体在连接之处的参数都相同，但是随着不断使用，蓄电池中各个单体的性能会逐渐显现出不一致性，继续使用蓄电池组，会造成蓄电池组内部各个单体的电压不一样，即某些时候蓄电池组中一些蓄电池单体已经充满，但是另一些没有充满，传统的充电方式继续充电将会导致蓄电池内部某些单体因过压或欠压而损坏，最终会导致蓄电池组的无法正常运行。
目前有很多方法解决这个问题，但是普遍现象是，电路简单的是消耗能量的电路，效率低，电路复杂的，拓扑复杂，因此，实有必要提出一种新的控制方案，其能够在充电后期保证蓄电池组中的各个电池单体性能相当。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种新型蓄电池组充电控制电路及其方法，其能够在充电后期保证蓄电池组中的各个电池单体性能相当，以改进现有串联蓄电池组中能量的不均衡分布造成的对蓄电池的损害的问题。
为达上述及其它目的，本发明提出一种新型蓄电池组充电控制电路，该控制电路包括n个充电控制小组，每个充电控制小组包括两个电池单体、电感、电容以及第一能量双向可控的电子开关、第二能量双向可控的电子开关，其中，该第一能量双向可控的电子开关与该电感串联接于一电池单体的正负极，该第二能量双向可控的电子开关与该电感串联接于另一电池单体的正负极，每个充电控制小组的拓扑结构相同，各充电控制小组之间通过该第一能量双向可控的电子开关连接该电容相连。
进一步地，各能量双向可控的电子开关采用脉冲宽度调制的方式进行控制。
进一步地，该能量双向可控的电子开关为双背靠背连接的金属-氧化层半导体场效晶体管或双背靠背连接的绝缘栅双极型晶体管或金属-氧化层半导体场效晶体管与二极管的串联或绝缘栅双极型晶体管与二极管的串联。
进一步地，该控制电路的电池单体的个数至少为4个。
为达到上述目的，本发明还提供一种新型蓄电池组充电控制方法，包括如下步骤：
步骤一，依次检测上下相邻两充电控制小组电池电量，根据两充电控制小组的电池电量关系确定各能量双向可控的电子开关的导通与关断，以实现各充电控制小组电池之间的能量平衡；
步骤二，当各充电控制小组之间的能量平衡后，再逐个检测各充电控制小组内部上下两个电池单体的电池电量，根据上下两个电池单体的电池电量关系确定小组内部各能量双向可控的电子开关的导通与关断，以实现各电池单体之间的能量平衡。
进一步地，步骤一进一步包括如下步骤：
当检测到上充电控制小组电池电量多于下充电控制小组电池电量，将上充电控制小组的第二能量双向可控的电子开关导通，上充电控制小组电感储存能量，同时下充电控制小组的电感释放能量给下充电控制小组的电池单体；
将下充电控制小组的下电池单体的第一能量双向可控的电子开关导通；
将所有电子开关都关断。
进一步地，步骤二进一步包括如下步骤：
当检测到上电池单体能量多于下电池单体，第一能量双向可控的电子开关开通，第二能量双向可控的电子开关关断，电感储能；
将该第一能量双向可控的电子开关关断，即第二能量双向可控的电子开关开通，电感释放能量，此时下电池单体从上电池单体获得能量；
当检测到下电池单体能量多于上电池单体，上述过程反之。
进一步地，能量的流动方向由能量双向可控的电子开关的占空比决定。
与现有技术相比，本发明一种新型蓄电池组充电控制电路及其方法通过将两个电池单体设为一组，并利用两个能量双向可控的电子开关与一个电感将两个电池单体连接，通过变换开关管的开通时间改变电路的具体工作方式，进而改变能量流动的方向，从而解决充电过程中，串联蓄电池组中各个单体储存电量的不一致性，从而延长蓄电池组的寿命。
附图说明
图1-1至图1-4为本发明中使用的电子开关的结构示意图；
图2为本发明一种新型蓄电池组充电控制电路之较佳实施例的电路示意图；
图3-1至图3-5为本发明较佳实施例的具体工作情况示意图；
图4为本发明一种新型蓄电池组充电控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1-1至图1-4为本发明中使用的电子开关的结构示意图。在本发明中，将传统电子开关管加以改造，变为能量双向可控的电子开关，其可以选择的方案有：双背靠背连接的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(图1-1)，IGBT与二极管的串联(图1-2)，双背靠背连接的金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET)(图1-3)，以及MOSFET与二极管的串联(图1-4)。
图2为本发明一种新型蓄电池组充电控制电路之较佳实施例的电路示意图。如图2所示，本发明一种新型蓄电池组充电控制电路包括n个充电控制小组(如图所示充电控制小组10/20/30/40)，每个充电控制小组k包括两个电池单体BATka、BATkb、电感Lk、电容Ck以及第一能量双向可控的电子开关Ska(上电子开关)、第二能量双向可控的电子开关Skb(下电子开关)，所有电池单体构成该充电控制电路的蓄电池组，该新型蓄电池组充电控制电路的蓄电池组包括偶数个电池单体BAT1a、BAT1b、……、BATna、BATnb(n>＝4)，电池组主体为串联结构，包括先并联再串联的电池组，即电池单体可以是单个电池先并联连接构成电池单体BATka、BATkb(k＝1，……，n)，并联连接的电池单体作为整体再串联，电池单体至少为4个，其中每两个电池单体BATka、BATkb(k＝1，……，n)率属于一充电控制小组k，每充电控制小组k内两个电池单体BATka、BATkb(k＝1，……，n)由两个能量双向可控的电子开关Ska、Skb与一个电感Lk连接，每个能量双向可控的电子开关采用脉冲宽度调制(PWM)的方式进行具体的控制，第一能量双向可控的电子开关Ska与该电感Lk依次串联接于一电池单体BATka(上电池单体)的正负极，该电感Lk与第二能量双向可控的电子开关Skb依次串联接于另一电池单体BATkb(下电池单体)的正负极，该电感Lk一端与电池单体BATka负极和BATkb正极相连，该电感Lk另一端与第一能量双向可控的电子开关Ska和第二能量双向可控的电子开关Skb公共端相连，每个充电控制小组的拓扑结构相同，各充电控制小组之间通过各第一能量双向可控的电子开关Ska与一电容Ck相连。
图3-1至图3-5为本发明较佳实施例的具体工作情况示意图。具体工作情况如下：
(1)充电控制小组内部能量的双向流动
a)检测到充电控制小组内上电池单体BATka能量多于下电池单体BATkb，上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关Ska)开通，下电子开关(即第二能量双向可控的电子开关Skb)关断，上电池单体BATka电流经上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关Ska)向电感Lk流动，电感Lk储能，如图3-1；
b)上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关Ska)关断，下电子开关(即第二能量双向可控的电子开关Skb)开通，电感Lk电流经下电池单体BATkb向下电子开关(即第二能量双向可控的电子开关Skb)流动，电感Lk释放能量，此时下电池单体BATkb从上电池单体BATka获得能量，如图3-2；
c)反之，下电池单体BATkb能量多于上电池单体BATka，过程为b)—>a)。
(2)充电控制小组之间能量的双向流动
a)检测到上充电控制小组电池BATk电量多于下充电控制小组电池BAT(k+1)电量，上充电控制小组k的下电子开关(即第二能量双向可控的电子开关Skb)导通，上充电控制小组之下电池单体BATkb电流经电感Lk向上充电控制小组控制电路的下电子开关(即第二能量双向可控的电子开关Skb)流动，上充电控制小组控制电路k的电感Lk储存能量，由于电容Ck在进行小组之间能量均衡前电压为BATkb和BAT(k+1)a之和，电容Ck电荷经Skb和L(k+1)向BAT(k+1)a流动，即上充电控制小组的电容Ck释放能量给下充电控制小组的电池单体BAT(k+1)a，同时下充电控制小组电感L(k+1)储存能量，如图3-3；
b)下充电控制小组k+1的的上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关S(k+1)a)导通，上充电控制小组电感Lk经电容Ck向下充电控制小组k+1的的上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关S(k+1)a)流动，电容Ck充电储能，下充电控制小组电感L(k+1)电流经下充电控制小组k+1的的上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关S(k+1)a)向下充电控制小组电池组之上电池单体BAT(k+1)a流动，上电池单体BAT(k+1)a获得能量，电流方向如图3-4；
c)所有电子开关都关闭，上充电控制小组电池组之下电池单体BATkb和下充电控制小组电池组之上电池单体BAT(k+1)a向电容Ck充电，能量流动如图3-5；
d)能量的流动方向由各电池负载的具体电量决定，所有的电子开关都通过脉冲宽度调制技术进行控制，通过控制不同电子开关的占空比，电路各模块就可以工作在上述不同的工作方式种，实现蓄电池组单体间能量的均衡。
(3)在本发明较佳实施例中，各充电控制小组之间能量平衡后，充电控制小组内部再进行能量的平均，从而实现整个蓄电池组各单体能量的均衡。
图4为本发明一种新型蓄电池组充电控制方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种新型蓄电池组充电控制方法，包括如下步骤：
步骤401，依次检测上下相邻两充电控制小组的电池电量，根据两充电控制小组的电池电量关系确定各能量双向可控的电子开关的导通与关断，以实现各小组电池之间的能量平衡。具体地说：
当检测到上充电控制小组电池电量多于下充电控制小组电池电量，上充电控制小组的下电子开关(即第二能量双向可控的电子开关)导通，上充电控制小组电感储存能量，同时下充电控制小组的电感释放能量给下充电控制小组的电池单体；
将下充电控制小组的下电池单体的上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关)导通；
将所有电子开关都关断。
步骤402，当各充电控制小组之间的能量平衡后，再逐个检测各充电控制小组内部上下两个电池单体的电池电量，根据上下两个电池单体的电池电量关系确定小组内部各能量双向可控的电子开关的导通与关断，以实现各电池单体之间的能量平衡。具体地说：
当检测到上电池单体能量多于下电池单体，上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关)开通，下电子开关(即第二能量双向可控的电子开关)关断，电感储能；
将上电子开关(即第一能量双向可控的电子开关)关断，下电子开关(即第二能量双向可控的电子开关)开通，电感释放能量，此时下电池单体从上电池单体获得能量；
当检测到下电池单体能量多于上电池单体，上述过程反之。
需要说明的是，在本发明中，能量的流动方向由电子开关的占空比决定。
综上所述，本发明一种新型蓄电池组充电控制电路及其方法通过将两个电池单体设为一组，并利用两个能量双向可控的电子开关与一个电感将两个电池单体连接，通过变换开关管的开通时间改变电路的具体工作方式，进而改变能量流动的方向，从而解决充电过程中，串联蓄电池组中各个单体储存电量的不一致性，从而延长蓄电池组的寿命。
本发明优点如下：
(1)能够实时监控蓄电池中各个单体的的状态信息。
(2)能够根据各个单体的实际能量储存情况进行能量流动的具体控制。
(3)具备自动监测和控制的作用，能够根据电池状态自动进行控制。
(4)本发明还具备电池工作状态通讯接口，能够将测量得到的电池工作状态信息传输到需要能量监测的场合。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种新型蓄电池组充电控制电路，其特征在于：该控制电路包括n个充电控制小组，每个充电控制小组包括两个电池单体、电感、电容以及第一能量双向可控的电子开关、第二能量双向可控的电子开关，其中，该第一能量双向可控的电子开关与该电感串联接于一电池单体的正负极，该第二能量双向可控的电子开关与该电感串联接于另一电池单体的正负极，每个充电控制小组的拓扑结构相同，各充电控制小组之间通过该第一能量双向可控的电子开关连接该电容相连。
2.如权利要求1所述的一种新型蓄电池组充电控制电路，其特征在于：各能量双向可控的电子开关采用脉冲宽度调制的方式进行控制。
3.如权利要求2所述的一种新型蓄电池组充电控制电路，其特征在于：该能量双向可控的电子开关为双背靠背连接的金属-氧化层半导体场效晶体管或双背靠背连接的绝缘栅双极型晶体管或金属-氧化层半导体场效晶体管与二极管的串联或绝缘栅双极型晶体管与二极管的串联。
4.如权利要求2所述的一种新型蓄电池组充电控制电路，其特征在于：该控制电路的电池单体的个数至少为4个。
5.一种新型蓄电池组充电控制方法，包括如下步骤：
步骤一，依次检测上下相邻两充电控制小组电池电量，根据两充电控制小组的电池电量关系确定各能量双向可控的电子开关的导通与关断，以实现各充电控制小组电池之间的能量平衡；
步骤二，当各充电控制小组之间的能量平衡后，再逐个检测各充电控制小组内部上下两个电池单体的电池电量，根据上下两个电池单体的电池电量关系确定小组内部各能量双向可控的电子开关的导通与关断，以实现各电池单体之间的能量平衡。
6.如权利要求5所述的一种新型蓄电池组充电控制方法，其特征在于，步骤一进一步包括如下步骤：
当检测到上充电控制小组电池电量多于下充电控制小组电池电量，将上充电控制小组的第二能量双向可控的电子开关导通，上充电控制小组电感储存能量，同时下充电控制小组的电感释放能量给下充电控制小组的电池单体；
将下充电控制小组的下电池单体的第一能量双向可控的电子开关导通；
将所有电子开关都关断。
7.如权利要求6所述的一种新型蓄电池组充电控制方法，其特征在于，步骤二进一步包括如下步骤：
当检测到上电池单体能量多于下电池单体，第一能量双向可控的电子开关开通，第二能量双向可控的电子开关关断，电感储能；
将该第一能量双向可控的电子开关关断，即第二能量双向可控的电子开关开通，电感释放能量，此时下电池单体从上电池单体获得能量；
当检测到下电池单体能量多于上电池单体，上述过程反之。
8.如权利要求7所述的一种新型蓄电池组充电控制方法，其特征在于：能量的流动方向由能量双向可控的电子开关的占空比决定。
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