CN104393651B - 双向无损主动均衡装置 - Google Patents

双向无损主动均衡装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双向无损主动均衡装置，包括主控电路、双向反激DC/DC电路、总体侧PWM波产生电路、单体侧PWM波产生电路、总体侧稳压电路、单体侧稳压电路、保护电路。本发明不需要外接储能元件，而是使用电池组代替储能元件。在单体电压过高是由电池单体对电池组充电使电池电压下降；当电池电压过低时由电池组对该电池进行充电使单体电压升高。本发明能够实现电池单体之间的均衡，在均衡开始时，均衡电路以恒定的电流对电池进行充电；当达到设定电压时以恒定的电压对电池充电。

Description

双向无损主动均衡装置
技术领域
本发明涉及动力电池充放电的均衡控制装置，尤其涉及一种双向无损主动均衡装置。
背景技术
动力电池在充放电和使用过程中存在不一致性，若这种不一致得不到及时抑制和平衡，将会使得电池间的不平衡性不断加剧，最终影响整个电池组的工作。因此有效的电池均衡对电池系统持续可靠地工作具有重要意义。目前市场上使用的均衡控制方法大多采用能量耗尽性或单端均衡，前者造成了能量的浪费，后者只能做到单方向均衡，因此实用性不强。
与本发明最相近的实现方案是一种基于正向DC/DC变换器的双向无损均衡，该方案采用MOS切换矩阵电路采集单体电压和控制均衡电路，实现电池单体的均衡。
现有技术需要外加储能设备，当电池单体出现不一致时，主要表现在：当电池单体高于其他单体电压时，该电池向储能元器件充电；当电池单体电压低于其他单体电压时，由储能元器对该单体充电。
现有技术存在以下不足之处：在电池工作时无法完成均衡，即均衡必须在停车情况下才能完成。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双向无损主动均衡装置，用于动力电池使用或充放电过程中的均衡控制。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：双向无损主动均衡装置，包括主控电路、双向反激DC/DC电路、总体侧PWM波产生电路、单体侧PWM波产生电路、总体侧稳压电路、单体侧稳压电路、保护电路；
主控电路包括单片机；单片机包括单体电池采集端和控制端，控制端包括SW1、SW2、CT1、CT2四个输出端口；
双向反激DC/DC电路包括电阻R1～R4、电容C1～C4、二极管D1～D5、三极管Q1～Q2、变压器B1；双向反激DC/DC电路分为单体侧电路和总体侧电路；
总体侧电路的构成是：电容C2与电阻R1并联后一端与变压器B1初级绕组的一端连接，电容C2与电阻R1并联后另一端与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极与变压器B1初级绕组的另一端连接；二极管D3的正极与变压器B1初级绕组的另一端连接，二极管D3的负极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的发射极与电阻R2连接，二极管D2的负极连接到二极管D3的正极，二极管D2的正极连接到三极管Q1的发射极；电容C1的一端连接到电容C2与电阻R1并联后与变压器B1初级绕组的连接处且通过开关SW1引出，电容C1的另一端与电阻R2的另一端连接；三极管Q1的发射极引出为IS1端口，三极管Q1的基极引出为COUT1端口；
单体侧电路的构成是：电容C4与电阻R3并联后一端与变压器B1次级绕组的一端连接，电容C4与电阻R3并联后另一端与二极管D4的负极连接，二极管D4的正极与变压器B1次级绕组的另一端连接；变压器B1次级绕组的另一端与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极与电阻R4连接，二极管D5的负极连接到二极管D4的正极，二极管D5的正极连接到三极管Q2的发射极；电容C3的一端连接到电容C4与电阻R3并联后与变压器B1次级绕组的连接处且通过开关SW2引出，电容C3的另一端与电阻R4的另一端连接；三极管Q2的发射极引出为IS2端口，三极管Q2的基极引出为COUT2端口；
总体侧PWM波产生电路包括电流模式PWM控制器U1、电阻R5～R6、电容C5～C7；电阻R5与电容C5并联且跨接在电流模式PWM控制器U1的COMP引脚、VFB引脚之间，且COMP引脚为COMP1端口，VFB引脚为VFB1端口；电流模式PWM控制器U1的ISENSE引脚为IS1端口，电流模式PWM控制器U1的RT/CT引脚依次串联电阻R6、电容C6后接地并设为VRE1端口，电容C7跨接在电流模式PWM控制器U1的RT/CT引脚和VRE1端口之间；电流模式PWM控制器U1的VREF引脚为VRE1端口，电流模式PWM控制器U1的VCC引脚连接到+12V电源，电流模式PWM控制器U1的VOUT引脚为COUT1端口，电流模式PWM控制器U1的GND引脚为接地端；
单体侧PWM波产生电路包括电流模式PWM控制器U2、电阻R7～R8、电容C8～C10；电阻R7与电容C8并联且跨接在电流模式PWM控制器U2的COMP引脚、VFB引脚之间，且COMP引脚为COMP2端口，VFB引脚为VFB2端口；电流模式PWM控制器U2的ISENSE引脚为IS2端口，电流模式PWM控制器U2的RT/CT引脚依次串联电阻R8、电容C9后接地并设为VRE2端口，电容C10跨接在电流模式PWM控制器U2的RT/CT引脚和VRE2端口之间；电流模式PWM控制器U2的VREF引脚为VRE2端口，电流模式PWM控制器U2的VCC引脚连接到+12V电源，电流模式PWM控制器U2的VOUT引脚为COUT2端口，电流模式PWM控制器U2的GND引脚为接地端；
总体侧稳压电路包括电阻R9～R11、可控硅二极管T1、光电耦合器P1；光电耦合器P1的阳极与可控硅二极管T1的阴极连接，光电耦合器P1的阴极通过电阻R11与可控硅二极管T1的阴极连接，电阻R9一端与可控硅二极管T1阳极连接且连接到总体电源正极；电阻R9的另一端与可控硅二极管T1的栅极连接且连接到电阻R10的一端，电阻R10的另一端与可控硅二极管T1的阴极连接且连接到总体电源负极；光电耦合器P1的集电极引出为COMP1端口，光电耦合器P1的发射极引出为VFB1端口；
单体侧稳压电路包括电阻R12～R14、可控硅二极管T2、光电隔离器P2；光电隔离器P2的阳极与可控硅二极管T2的阴极连接，光电隔离器P2的阴极通过电阻R14与可控硅二极管T2的阴极连接，电阻R12一端与可控硅二极管T2阳极连接且连接到单体电源正极；电阻R12的另一端与可控硅二极管T2的栅极连接且连接到电阻R13的一端，电阻R13的另一端与可控硅二极管T2的阴极连接且连接到单体电源负极；光电隔离器P2的集电极引出为COMP2端口，光电隔离器P2的发射极引出为VFB2端口；
保护电路包括电阻R15～R18、三极管Q3～Q5；三极管Q3的集电极与三极管Q4的基极连接，三极管Q4的集电极与三极管Q5的集电极连接且引出为COMP1端口；三极管Q3的基极通过电阻R15引出为CT1端口，三极管Q3的集电极通过电阻R16连接到电源+5V，三极管Q3的发射极接地；三极管Q4的发射极通过电阻R18接地；三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极通过电阻R17引出为CT2端口；
主控电路、双向反激DC/DC电路、总体侧PWM波产生电路、单体侧PWM波产生电路、总体侧稳压电路、单体侧稳压电路、保护电路的同名端口相互连接。
作为优选，单片机的型号为MC9S08DZ60。
作为优选，电流模式PWM控制器U1、U2的型号为UC2843。
作为优选，可控硅二极管T1、T2的型号为TL431。
作为优选，三极管Q3～Q5的型号为BCW71。
本发明的有益效果是：
1)相对于传统耗散性均衡，本发明降低了能量损耗，提高能量利用效率；
2)双向无损均衡解决了单体向总体侧充电，同时解决了总体向单体的补电；
3)RCD吸收电路很好地解决了变压器运行时产生的瞬时大电流，减弱对电路的冲击。
4)保护电路避免了整个装置处于同时工作即放电又充电的错误状态，提高了系统的可靠性。
本发明不需要外接储能元件，而是使用电池组代替储能元件。在单体电压过高是由电池单体对电池组充电使电池电压下降；当电池电压过低时由电池组对该电池进行充电使单体电压升高。本发明能够实现电池单体之间的均衡，在均衡开始时，均衡电路以恒定的电流对电池进行充电；当达到设定电压时以恒定的电压对电池充电。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明双向无损主动均衡装置实施例的双向反激DC/DC电路图。
图2是本发明双向无损主动均衡装置实施例的总体侧PWM产生电路图。
图3是本发明双向无损主动均衡装置实施例的单体侧PWM产生电路图。
图4是本发明双向无损主动均衡装置实施例的总体侧稳压电路图。
图5是本发明双向无损主动均衡装置实施例的单体侧稳压电路图。
图6是本发明双向无损主动均衡装置实施例的保护电路图。
图7是本发明双向无损主动均衡装置实施例的主控电路图。
具体实施方式
一种用于动力电池充电的双向无损均衡装置，由主控电路(图7)、双向反激DC/DC电路(图1)、总体侧PWM波产生电路(图2)、单体侧PWM波产生电路(图3)、总体侧稳压电路(图4)、单体侧稳压电路(图5)、保护电路(图6)组成。
其中双向反激DC/DC电路用于实现电压的升降，PWM波产生电路为双向反激DC/DC电路提供驱动，保护电路主要为实现电路的可靠运行。
在本实施例中，在双向反激DC/DC电路(图1)中设有RCD尖峰吸收电路，TL431稳压电路与UC2843配合使用，主控电路与电池组单体电压采集单元(即单体电压采集模块)连接，并通过控制变压器的工作将电压较大的单体电池均衡给能量较小的单体(即将电压较大的电池单体的能量转移到电压较小的电池单体上)。
主控电路用于采集电池组中每个单体的电压并比较每个单体之间的电压关系，以及控制双向反激DC/DC电路的均衡方向和置均衡控制标志位CT1和CT2。
总体侧PWM波产生电路(图2)和单体侧PWM波产生电路(图3)主要为双向反激DC/DC电路提供驱动信号，电路中UC2843芯片配合TL431稳压电路，根据外围电路中电压的变化采用反馈调节使得双向反激DC/DC电路(图1)的输出端输出稳定的电压对电池充电。
本实施例各电路的连接：
总体侧稳压电路(图4)的输出端口COMP1和VFB1与总体侧PWM波产生电路(图2)的COMP1和VFB1端口连接。总体侧PWM波产生电路(图2)的IS1端口与双向反激DC/DC电路(图1)的R2高电平侧连接并采集R2两侧的电压，同时总体侧PWM波产生电路(图2)的COUT1端口连接到双向反激DC/DC电路(图1)中三极管Q1的基极COUT1端口。单体侧稳压电路(图5)的输出端口COMP2和VFB2连接在单体侧PWM波产生电路(图3)的COMP2和VFB2端口上，单体侧PWM波产生电路(图3)的IS2端口与双向反激DC/DC电路(图1)的R4高电平侧连接并采集R4两侧的电压，同时单体侧PWM波产生电路(图3)中的COUT2端口连接到双向反激DC/DC电路(图1)中三极管Q2的基极COUT2端口。双向反激DC/DC电路(图1)的单体侧的正负极与单体电池的正负极连接，总体侧的正负极连接到电池组的总正和总负。主控电路(图7)的单体电压采集端通过单体电压采集模块(通常使用LTC680X系列芯片或光耦切换电路)与电池组中对应的每一个单体电池的正负极连接，主控电路控制端的CT1、CT2输出端口连接到保护电路(图6)中的CT1和CT2端口。
工作过程：
本实施例配合使用单体电压采集模块LTC6802或开关轮换电路采集电池组(本实施例采用12节锂离子电池单体串联)的单体电压。将采集到的单体电压输入到主控电路中的单片机MC9S08DZ60，比较单体电压与基准电压(该基准电压根据具体箱体电压设定)的大小。当单体电压低于基准电压，表明单体处于欠压状态，主控电路(图7)控制开关SW1、SW2闭合，同时置CT1为高电平、CT2为低电平，完成电池箱体向单体侧补电。此时总体侧的驱动芯片U1以最大占空比(U1的最大占空比为51％)开始工作，单体侧的电压V+升高从而流经R14的电流发上变化，该电流流经线性光耦P1控制U2的PWM波调整引脚COMP的电平发生变化，使PWM波的占空比随外部电压的变化而改变，由于本实施例中用到了稳压二极管TL431能够稳定电路的输出电压(本实施例中设定的电压为4.05V)，进而能够以恒定的电压对单体充电。同时由于UC2843的ISENSE控制脚(该引脚的最大输入电压为1V，超过1V芯片自动关断)控制均衡电路最大的充电电流，保证电路的稳定可靠。当采集到的单体电压高于预设的电压时，主控电路(图7)控制开关SW1、SW2闭合，CT1为低电平、CT2为高电平。此时单体侧的驱动芯片U2以最大占空比(U2的最大占空比为51％)控制Q2开始工作，使得单体电压降低。同样使用线性光耦P2产生随外部电压变化的PWM波，同时稳压二极管T1产生一个稳定的电压(此时的电压为40.25V)给总体充电，U2的ISENSE脚控制单体向总体充电的最大电流。由于双向反激DC/DC电路(图1)在正常工作时因为PWM波的控制使得变压器在开通和关断的瞬间都会产生很大的瞬变电流对电路有很大的影响，本实施例中采用RCD吸收电路，保证电路的可靠。在电路正常工作的过程中由于单体电压在同一时刻有可能出现既有高于设定电压又有低于设定电压的单体，此时电路无法正常工作，为保证电路的可靠，本实施例采用了单片机控制电路即：设单体电压高于设定电压时单体向总体充电的优先级高于单体欠压总体向单体补电的优先级。此时主控电路的单片机(图7)MC9S08DZ60的控制输出端口CT1和CT2将同时为高电平，使得三极管Q3、Q5工作，U1的COMP引脚被拉低，UC2843停止工作，只有单体侧向总体侧充电的电路工作，实现保护电路的作用。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.双向无损主动均衡装置，其特征在于：包括主控电路、双向反激DC/DC电路、总体侧PWM波产生电路、单体侧PWM波产生电路、总体侧稳压电路、单体侧稳压电路、保护电路；
所述主控电路包括单片机；所述单片机包括单体电池采集端和控制端，控制端包括SW1、SW2、CT1、CT2四个输出端口；
所述双向反激DC/DC电路包括电阻R1～R4、电容C1～C4、二极管D1～D5、三极管Q1～Q2、变压器B1；所述双向反激DC/DC电路分为单体侧电路和总体侧电路；
所述总体侧电路的构成是：电容C2与电阻R1并联后一端与变压器B1初级绕组的一端连接，电容C2与电阻R1并联后另一端与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极与变压器B1初级绕组的另一端连接；二极管D3的正极与变压器B1初级绕组的另一端连接，二极管D3的负极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的发射极与电阻R2连接，二极管D2的负极连接到二极管D3的正极，二极管D2的正极连接到三极管Q1的发射极；电容C1的一端连接到电容C2与电阻R1并联后与变压器B1初级绕组的连接处且通过开关SW1引出，电容C1的另一端与电阻R2的另一端连接；三极管Q1的发射极引出为IS1端口，三极管Q1的基极引出为COUT1端口；
所述单体侧电路的构成是：电容C4与电阻R3并联后一端与变压器B1次级绕组的一端连接，电容C4与电阻R3并联后另一端与二极管D4的负极连接，二极管D4的正极与变压器B1次级绕组的另一端连接；变压器B1次级绕组的另一端与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极与电阻R4连接，二极管D5的负极连接到二极管D4的正极，二极管D5的正极连接到三极管Q2的发射极；电容C3的一端连接到电容C4与电阻R3并联后与变压器B1次级绕组的连接处且通过开关SW2引出，电容C3的另一端与电阻R4的另一端连接；三极管Q2的发射极引出为IS2端口，三极管Q2的基极引出为COUT2端口；
总体侧PWM波产生电路包括电流模式PWM控制器U1、电阻R5～R6、电容C5～C7；所述电阻R5与电容C5并联且跨接在电流模式PWM控制器U1的COMP 引脚、VFB引脚之间，且COMP引脚为COMP1端口，VFB引脚为VFB1端口；电流模式PWM控制器U1的ISENSE引脚为IS1端口，电流模式PWM控制器U1的RT/CT引脚依次串联电阻R6、电容C6后接地并设为VRE1端口，电容C7跨接在电流模式PWM控制器U1的RT/CT引脚和VRE1端口之间；电流模式PWM控制器U1的VREF引脚为VRE1端口，电流模式PWM控制器U1的VCC引脚连接到+12V电源，电流模式PWM控制器U1的VOUT引脚为COUT1端口，电流模式PWM控制器U1的GND引脚为接地端；
单体侧PWM波产生电路包括电流模式PWM控制器U2、电阻R7～R8、电容C8～C10；所述电阻R7与电容C8并联且跨接在电流模式PWM控制器U2的COMP引脚、VFB引脚之间，且COMP引脚为COMP2端口，VFB引脚为VFB2端口；电流模式PWM控制器U2的ISENSE引脚为IS2端口，电流模式PWM控制器U2的RT/CT引脚依次串联电阻R8、电容C9后接地并设为VRE2端口，电容C10跨接在电流模式PWM控制器U2的RT/CT引脚和VRE2端口之间；电流模式PWM控制器U2的VREF引脚为VRE2端口，电流模式PWM控制器U2的VCC引脚连接到+12V电源，电流模式PWM控制器U2的VOUT引脚为COUT2端口，电流模式PWM控制器U2的GND引脚为接地端；
所述总体侧稳压电路包括电阻R9～R11、可控硅二极管T1、光电耦合器P1；所述光电耦合器P1的阳极与可控硅二极管T1的阴极连接，光电耦合器P1的阴极通过电阻R11与可控硅二极管T1的阴极连接，电阻R9一端与可控硅二极管T1阳极连接且连接到总体电源正极；电阻R9的另一端与可控硅二极管T1的栅极连接且连接到电阻R10的一端，电阻R10的另一端与可控硅二极管T1的阴极连接且连接到总体电源负极；光电耦合器P1的集电极引出为COMP1端口，光电耦合器P1的发射极引出为VFB1端口；
所述单体侧稳压电路包括电阻R12～R14、可控硅二极管T2、光电隔离器P2；所述光电隔离器P2的阳极与可控硅二极管T2的阴极连接，光电隔离器P2的阴极通过电阻R14与可控硅二极管T2的阴极连接，电阻R12一端与可控硅二极管T2阳极连接且连接到单体电源正极；电阻R12的另一端与可控硅二 极管T2的栅极连接且连接到电阻R13的一端，电阻R13的另一端与可控硅二极管T2的阴极连接且连接到单体电源负极；光电隔离器P2的集电极引出为COMP2端口，光电隔离器P2的发射极引出为VFB2端口；
所述保护电路包括电阻R15～R18、三极管Q3～Q5；所述三极管Q3的集电极与三极管Q4的基极连接，三极管Q4的集电极与三极管Q5的集电极连接且引出为COMP1端口；三极管Q3的基极通过电阻R15引出为CT1端口，三极管Q3的集电极通过电阻R16连接到电源+5V，三极管Q3的发射极接地；三极管Q4的发射极通过电阻R18接地；三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极通过电阻R17引出为CT2端口；
所述主控电路、双向反激DC/DC电路、总体侧PWM波产生电路、单体侧PWM波产生电路、总体侧稳压电路、单体侧稳压电路、保护电路的同名端口相互连接。
2.根据权利要求1所述的双向无损主动均衡装置，其特征在于：所述单片机的型号为MC9S08DZ60。
3.根据权利要求1所述的双向无损主动均衡装置，其特征在于：所述电流模式PWM控制器U1、U2的型号为UC2843。
4.根据权利要求1所述的双向无损主动均衡装置，其特征在于：所述可控硅二极管T1、T2的型号为TL431。
5.根据权利要求1所述的双向无损主动均衡装置，其特征在于：所述三极管Q3～Q5的型号为BCW71。
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