CN104659877B - 一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统，用于维护由单体电池组成的电池组，其包括供电电源、电子开关K1、电流传感器、电池管理系统主控制器、若干个电池管理系统从控制器，所述供电电源连接电流传感器，电流传感器分别连接电子开关K1和电池管理系统主控制器，电子开关分别连接电池管理系统主控制器和电池管理系统从控制器。本发明具有体积小、成本低、电源变换效率高、维护双向恒流、对供电电源要求低等优点，该系统能快速提高电池利用率，有效地延长电池组的使用寿命。

Description

一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统
技术领域
本发明涉及一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统，属于电池维护管理领域。
背景技术
目前，储能电站、电动汽车等应用场合都需要使用串联单体电池成电池组进行应用，单体电池由于生产工艺等原因导致各电池容量与性能的差异，在对电池组进行充放电的过程中，必然会扩大这种差异，进而增加电池过充过放的风险，同时电池组容量利用率降低，长此以往，这种恶性循环过程将加速电池的损坏。因此，为了进一步改善电池组一致性，提高电池组容量利用率，延长电池组使用寿命，需要对电池组进行必要的维护，对电池组中剩余容量偏低的电池进行维护充电，对电池组中剩余容量偏高的电池进行维护放电。
目前的维护方法主要分为能耗法和非能耗法。能耗法是将剩余容量偏高的单体电池通过电阻放电消耗掉多余的容量，从而使电池组中的各单体电池容量一致。这种方法简单、成本低，但其原理是将所有单体电池通过电阻放电达到与最低容量的单体电池一致，工作效率极低，同时浪费了多余的电量。非能耗法维护方式较多，主要有三种：第一种是能量在单体电池中逐级转移，将容量高的单体电池逐级转移到容量底的单体电池上，当需要容量转移的两节单体电池中间单体电池数较多时，维护效率就会大大降低。第二种是通过单向隔离维护电源对单体电池进行充电或者放电，这种方法需要将所有单体电池充电或者放电到相同的容量，均衡效率一般，同时不支持同步进行充放电维护。第三种是采用双向维护电源对电池组进行维护，对容量低的单体电池进行充电，对容量高的单体电池放电，相当于将容量高的单体电池电量通过两次变换转移到容量低的单体电池上，效率高，维护速度快。但该方法实现困难，成本较高，同时一般还需要外加中转电源，以达到能量平衡。
为了解决上述第三种非能耗型维护方法的技术不足，本发明提出了一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统。该系统能够在电池组运行过程中，对挑选出电池组中需要进行维护充电及维护放电的单体电池进行维护，同一时刻能同时进行维护充电及维护放电，有效的保证电池组的一致性，提高电池组能量利用率，进一步延长电池组的使用寿命。该系统提供的方案相对于现有技术，有效地降低了成本，克服了一般方案需要独立设备供电电源与均衡供电电源的不足，同时该系统不需要持续长期提供设备供电电源，该系统在设备正常运行后可独立运行，不需要供电电源。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统，用于维护由单体电池组成的电池组，其包括供电电源、电子开关K1、电流传感器、电池管理系统主控制器、若干个电池管理系统从控制器，所述供电电源连接电流传感器，电流传感器分别连接电子开关K1和电池管理系统主控制器，电子开关分别连接电池管理系统主控制器和电池管理系统从控制器，所述电池管理系统主控制器分别与若干个电池管理系统从控制器通讯连接，所述每个电池管理系统从控制器分别连接一个电池组；
所述的电池管理系统从控制器包括维护电路、单体电池采集电路及从控MCU，所述从控MCU分别与维护电路和单体电池采集电路相连接；
所述的电池管理系统主控制器包括电池组采集电路及主控MCU，所述主控MCU与电池组采集电路相连接，所述电池组采集电路连接电池组的两端；
所述的维护电路，包括PWM控制器、滤波电容LL1、场效应管Q1、变压器T、场效应管Q2、滤波电容LL2、选通开关K、信号切换电路、驱动电路、电压电流采样反馈电路，所述变压器T 的主线圈的a、b两端分别连接滤波电容LL1的一端和场效应管Q1的漏极，所述场效应管Q1的源极连接滤波电容LL1的另一端和接地，所述变压器T 的副线圈的c、d两端分别连接滤波电容LL2的一端和场效应管Q2的漏极，所述场效应管Q2的源极连接滤波电容LL2的另一端和电压电流采集反馈电路，所述场效应管Q1和场效应管Q2的栅极分别连接驱动电路，所述变压器T的主线圈的a端和副线圈的c端分别连接电压电流采集反馈电路，所述滤波电容LL1的两端分别与供电电源的正负极相连，所述PWM控制器分别与电压电流采样反馈电路、信号切换电路和供电电源相连接，所述信号切换电路与驱动电路相连接，所述电压电流采集反馈电路与选通开关相连接，所述选通开关与电池组中的单体电池相连接；
所述选通开关包括若干对正极开关和负极开关，所述选通开关中所有正极开关相互串联并连接到电压电流采集反馈电路，所述选通开关中所有负极开关相互串联并连接到电压电流采集反馈电路，所述每对正极开关和负极开关的一端分别与被测电池组中的电池的正负端。
优选的，所述每个维护电路中的PWM控制器分别通过电池管理系统主控制器通讯连接相连。
本发明的通讯方式可为CAN通讯、RS485通讯、GPRS、Wifi、2.4G、蓝牙等。
优选的，所述供电电源为开关电源或蓄电池等储能器件。
本专利的优点是：整个系统不需要持续或者长期的供电电源，当系统正常运行后，可控制断开供电电源，同时通过电流传感器、维护电路充放电维护通道的控制达到总线供电平衡，避免了其他系统方案需要独立稳定的长期供电电源及需要独立的均衡供电电源的缺陷。整个系统能在同一时刻对多节需要维护的电池进行维护充电及维护放电。通过信号切换电路把PWM控制器产生的PWM信号送到场效应管的驱动电路上，场效应管的驱动电路驱动场效应管，选通开关选通电池模块中的一节单体电池，实现对单体电池充电或者放电。PWM控制器产生PWMA和PWMB两路PWM信号，其中PWMA为主激励信号，PWMB为同步整流信号，充电时PWMA信号控制场效应管A，PWMB信号控制场效应管B，放电时PWMA信号控制场效应管B，PWMB信号控制场效应管A。通过电压电流采样反馈电路实现恒流的充电或放电，同过电压反馈实现过压保护。该基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统具有体积小、成本低、电源变换效率高、维护双向恒流、对供电电源要求低等优点，该系统能快速提高电池利用率，有效地延长电池组的使用寿命。
附图说明
图1是本发明所述一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统的结构示意图；
图2是本发明所述的维护电路的电路图；
图3是本发明所述的若干个维护电路的连接电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护系统，用于维护由单体电池组成的电池组，其包括供电电源、电子开关K1、电流传感器、电池管理系统主控制器、若干个电池管理系统从控制器，所述供电电源连接电流传感器，电流传感器分别连接电子开关K1和电池管理系统主控制器，电子开关分别连接电池管理系统主控制器和电池管理系统从控制器，所述电池管理系统主控制器分别与若干个电池管理系统从控制器通讯连接，所述每个电池管理系统从控制器分别连接一个电池组。
所述的电池管理系统从控制器包括维护电路、单体电池采集电路及从控MCU；所述的电池管理系统主控制器包括电池组采集电路及主控MCU。所述从控MCU分别与维护电路和单体电池采集电路相连接，所述单体电池采集电路连接单体电池两端，用于采集单体电池的电压、电流、温度等数据。所述主控MCU与电池组采集电路相连接，所述电池组采集电路连接电池组的两端，用于采集电池组整体的电压、电流、温度等数据。
如图2和3所示，所述的维护电路，包括PWM控制器、滤波电容LL1、场效应管Q1、变压器T、场效应管Q2、滤波电容LL2、选通开关K、信号切换电路1、驱动电路2、电压电流采样反馈电路3，所述变压器T 的主线圈的a、b两端分别连接滤波电容LL1的一端和场效应管Q1的漏极，所述场效应管Q1的源极连接滤波电容LL1的另一端和接地，所述变压器T 的副线圈的c、d两端分别连接滤波电容LL2的一端和场效应管Q2的漏极，所述场效应管Q2的源极连接滤波电容LL2的另一端和电压电流采集反馈电路3，所述场效应管Q1和场效应管Q2的栅极分别连接驱动电路2，所述变压器T的主线圈的a端和副线圈的c端分别连接电压电流采集反馈电路3，所述滤波电容LL1的两端分别与供电电源的正负极相连，所述PWM控制器分别与电压电流采样反馈电路3、信号切换电路1和供电电源相连接，所述信号切换电路1与驱动电路2相连接，所述电压电流采集反馈电路3与选通开关相连接，所述选通开关与被测电池组相连接；
所述选通开关包括若干对正极开关和负极开关，所述选通开关中所有正极开关相互串联并连接到电压电流采集反馈电路，所述选通开关中所有负极开关相互串联并连接到电压电流采集反馈电路，所述每对正极开关和负极开关的一端分别与电池组中的单体电池的正负端。
所述每个维护电路中的PWM控制器分别通过电池管理系统主控制器通讯连接相连。所述供电电源为开关电源或蓄电池等储能器件。
所述信号切换电路包括两个单刀双向开关K2、K3，所述单刀双向开关K2、K3的一端分别连接PWM控制器的PWMA端口和PWMB端口，单刀双向开关K2、K3的另一端连接驱动电路。所述驱动电路控制场效应管Q1、Q2的启动。所诉的电压电流采集反馈电路采用现有成熟技术实现。
本系统的工作原理：PWM控制器产生PWMA和PWMB两路PWM信号，其中PWMA为主激励信号，PWMB为同步整流信号，通过信号切换电路1把PWMA和PWMB分配到场效应管Q1和场效应管Q2上，充电时PWMA信号控制场效应管Q1，PWMB信号控制场效应管Q2，放电时PWMA信号控制场效应管Q2，PWMB信号控制场效应管Q1。选通开关K控制被测电池组中的其中一节单体电池被选中，可对被选中的单体电池进行充电或者放电。电压电流采样反馈电路13采集充电或放电电流大小并反馈给PWM控制器，实现恒流充电或放电，同时采集两边的电压，实现过压保护。充电过程中场效应管Q1和场效应管Q2的开关时序：一、场效应管Q1开通，场效应管Q2关断，供电电源中的能量通过场效应管Q1转移到变压器T中；二、场效应管Q1关断，场效应管Q2关断，变压器T中的能量通过场效应管Q2的体二极管转移到滤波电容LL2和单体电池中，该过程很短暂，为死区时间；三、场效应管Q1关断，场效应管Q2开通，变压器T中的能量通过场效应管Q2转移到滤波电容LL2和单体电池中，由于场效应管Q2的开通压降要比其体二极管导通压降低得多，所以利用场效应管Q2的开通进行同步整流可以大大提高该均衡电源的效率；四、场效应管Q1关断，场效应管Q2关断，该过程很短暂，为死区时间，至此一个循环结束，充电过程即为这四个过程的不断循环。同理，放电过程场效应管Q1和场效应管Q2的时序与充电过程对调。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明结构作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护方法，用于维护由单体电池组成的电池组，其特征在于：所述的隔离双向恒流维护方法采用隔离双向恒流维护系统，所述隔离双向恒流维护系统包括供电电源、电子开关K1、电流传感器、电池管理系统主控制器、若干个电池管理系统从控制器，所述供电电源连接电流传感器，电流传感器分别连接电子开关K1 和电池管理系统主控制器，电子开关分别连接电池管理系统主控制器和电池管理系统从控制器，所述电池管理系统主控制器分别与若干个电池管理系统从控制器通讯连接，每个电池管理系统从控制器分别连接一个电池组；
所述的电池管理系统从控制器包括维护电路、单体电池采集电路及从控MCU，所述从控MCU 分别与维护电路和单体电池采集电路相连接；
所述的电池管理系统主控制器包括电池组采集电路及主控MCU，所述主控MCU 与电池组采集电路相连接，所述电池组采集电路连接电池组的两端；
所述的维护电路，包括PWM 控制器、滤波电容LL1、场效应管Q1、变压器T、场效应管Q2、滤波电容LL2、选通开关K、信号切换电路、驱动电路、电压电流采样反馈电路，所述变压器T的主线圈的a、b 两端分别连接滤波电容LL1 的一端和场效应管Q1 的漏极，所述场效应管Q1的源极连接滤波电容LL1 的另一端和接地，所述变压器T 的副线圈的c、d 两端分别连接滤波电容LL2 的一端和场效应管Q2 的漏极，所述场效应管Q2 的源极连接滤波电容LL2 的另一端和电压电流采集反馈电路，所述场效应管Q1 和场效应管Q2 的栅极分别连接驱动电路，所述变压器T 的主线圈的a 端和副线圈的c 端分别连接电压电流采集反馈电路，所述滤波电容LL1 的两端分别与供电电源的正负极相连，所述PWM 控制器分别与电压电流采样反馈电路、信号切换电路和供电电源相连接，所述信号切换电路与驱动电路相连接，所述电压电流采集反馈电路与选通开关K相连接，所述选通开关K与被测电池组相连接；
所述选通开关K包括若干对正极开关和负极开关，所述选通开关K中所有正极开关相互串联并连接到电压电流采集反馈电路，所述选通开关K中所有负极开关相互串联并连接到电压电流采集反馈电路，每对正极开关和负极开关的一端分别与电池组中的单体电池的正负端；
对单体电池进行充电维护的方法包括如下步骤：一、场效应管Q1 开通，场效应管Q2 关断，供电电源中的能量通过场效应管Q1 转移到变压器T 中；二、场效应管Q1 关断，场效应管Q2 关断，变压器T 中的能量通过场效应管Q2 的体二极管转移到滤波电容LL2 和单体电池中，该过程很短暂，为死区时间；三、场效应管Q1 关断，场效应管Q2 开通，变压器T 中的能量通过场效应管Q2 转移到滤波电容LL2 和单体电池中；四、场效应管Q1 关断，场效应管Q2 关断，该过程很短暂，为死区时间，至此一个循环结束，充电过程即为这四个过程的不断循环；
对单体电池进行放电维护的方法包括如下步骤：一、场效应管Q2 开通，场效应管Q1 关断，单体电池中的能量通过场效应管Q2 转移到变压器T 中；二、场效应管Q2 关断，场效应管Q1 关断，变压器T 中的能量通过场效应管Q1 的体二极管转移到滤波电容LL1和供电电源中，该过程很短暂，为死区时间；三、场效应管Q2 关断，场效应管Q1 开通，变压器T 中的能量通过场效应管Q1 转移到滤波电容LL1和供电电源中；四、场效应管Q2 关断，场效应管Q1 关断，该过程很短暂，为死区时间，至此一个循环结束，放电过程即为这四个过程的不断循环。
2. 如权利要求1 所述的一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护方法，其特征在于：每个维护电路中的PWM 控制器分别通过电池管理系统主控制器通讯连接相连。
3. 如权利要求1 所述的一种基于共用设备供电电源的隔离双向恒流维护方法，其特征在于：所述供电电源为开关电源或蓄电池储能器件。
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