CN105406526B - 新型Buck‑Boost变换器及充放电电路与均衡电路的一体化设计电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型Buck‑Boost变换器，适用于n个电池单体串联的蓄电池组，包括2个充放电主电路电感、n‑1个均衡电感、n+2个可控开关；其中，n为大于等于1的自然数；可控开关为并联有续流二极管的IGBT模块；第一可控开关至第n可控开关依次串联，第一电池单体至第n‑1电池单体的负极分别经第一均衡电感至第n‑1均衡电感连接第一可控开关至第n‑1可控开关的发射极；第n+1可控开关串联在直流母线正极上，第n+2可控开关串联在直流母线负极上。本发明还提供了一种充放电电路与均衡电路的一体化设计电路，包括驱动模块、控制单元、电池端电压采集电路、新型Buck‑Boost变换器。本发明提出的新型Buck‑Boost变换器以及充放电电路与均衡电路的一体化设计电路，具备蓄电池充放电及均衡电池组电压的功能。
Description
技术领域
本发明涉及多节电池串联的均衡电路技术领域，特别是指一种新型Buck-Boost变换器以及充放电电路与均衡电路的一体化设计电路。
背景技术
单体锂电池根据自身的化学特性电压通常在3.2V，为了可以应用到混合动力汽车、纯电动汽车、不间断电源、风光储微网系统等场合，得到更高的电池组电压，单体电池通常串联起来，用于满足负载高压特性。多节单体电池串联成一组后电流相等，可通过电压反映各节电池运行情况。由于各单体电池在初始容量、内阻、自放电率等方面不同使得电池间具有不同的充放电特性，并且电池在进行过多次充放电循环后还会扩大该种不一致现象，进而导致整组电池输出功率减小，电池利用率下降。若不采取有效措施还会造成单体电池的过充电和过放电，这不仅损坏电池，还可能产生大量热量，引起电池燃烧甚至爆炸，严重影响系统安全。因此，针对串联动力电池组采取适当均衡方法来补偿电池间性能差异是非常必要的。
对串联电池组进行均衡的电路主要有两种类型：一是能量耗散型，即给电池组中每节单体电池并联一个分流电阻，将多余能量消耗掉，达到均衡目的；二是能量转移型，即采用电感、电容作为储能元件，利用常见电源变换电路将多余能量在电池间进行重新分配，达到电池间能量转移。能量耗散型电路结构简单但是效率低下，无法控制分流电流，存在能量浪费和热管理等问题，因此其应用受到限制。能量转移型电路结构相对复杂，但是耗能很小，电压均衡速度快，应用较为广泛。
大容量串联蓄电池组的均衡速度通常要求很快，多以双向Buck-boost变换器和电感组合作为均衡电路，通过比较相邻电池间的电压，将高电压电池的能量转移到低电压电池，实现串联电池组之间的均压控制。
众所周知，双向Buck-Boost变换器除了能作均衡电路，还可作为主电路对蓄电池组进行充放电控制。目前常见的工作模式是充放电电路对蓄电池进行充放电控制，均衡电路对串联电池组之间进行电压均衡控制，两套电路分别设计，互不影响，互不干涉。如果能够提出一种新型电路拓扑，同时满足充放电和均衡两种控制要求，可大大简化整个电路结构，减少开关器件数量，降低损耗和控制难度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种新型Buck-Boost变换器，以及，集充放电电路与均衡电路为一体的一体化设计电路，具备蓄电池充放电及均衡电池组电压的双重功能，克服了现有技术的缺陷。
基于上述目的，本发明提供的新型Buck-Boost变换器，适用于n个电池单体串联的蓄电池组，包括2个充放电主电路电感、n-1个均衡电感、n+2个可控开关；其中，n为大于等于1的自然数；
可控开关为并联有续流二极管的IGBT模块，续流二极管的正极与IGBT模块的发射极相连，续流二极管的负极与IGBT模块的集电极相连；
第一可控开关至第n可控开关依次串联，且第一可控开关的集电极连接直流母线正极并经第一充放电主电路电感连接第一电池单体的正极，第n可控开关的发射极连接直流母线负极并经第二充放电主电路电感连接第n电池单体的负极，第一电池单体至第n-1电池单体的负极分别经第一均衡电感至第n-1均衡电感连接第一可控开关至第n-1可控开关的发射极；
第n+1可控开关串联在直流母线正极上，第n+2可控开关串联在直流母线负极上。
在一些实施方式中，在直流母线正极与直流母线负极之间还并联有滤波电容。
从上面所述可以看出，本发明提供的新型Buck-Boost变换器，以双向Buck-Boost变换器和电感组合应用，对串联蓄电池组之间进行均压控制；它通过比较相邻电池单体间的电压，通过变换器将高电压电池单体的能量转移到低电压电池单体中去，从而达到电压均衡的效果；双向Buck-Boost变换器与电感组合构成的新型Buck-Boost变换器，除了能作串联蓄电池组均衡电路外，还可作为主电路对蓄电池组进行充放电控制。本发明提供的新型Buck-Boost变换器，同时满足充放电和均衡两种要求，可大大简化电路结构，减少了开关器件数量。
另一方面，基于新型Buck-Boost变换器，本发明还提供了一种充放电电路与均衡电路的一体化设计电路，包括：驱动模块、控制单元、电池端电压采集电路，以及，如上所述的新型Buck-Boost变换器；
所述驱动模块分别连接n+2个可控开关的门极并控制可控开关的导通与关断；
所述电池端电压采集电路分别连接n个电池单体并持续采集各电池单体的电压信号；
所述控制单元分别连接驱动模块和电池端电压采集电路，用于向驱动模块发出控制信号以及接收电池端电压采集电路反馈的各电池单体的电压信号；
在充电阶段，所述控制单元向驱动模块发出充电控制信号以使驱动模块驱动第n+1可控开关和第n+2可控开关的同时导通或关断，并控制第一可控开关至第n可控开关的始终关断，所述充电控制信号为具有第一占空比的脉冲信号；
在放电阶段，所述控制单元向驱动模块发出放电控制信号以使驱动模块驱动第一可控开关至第n可控开关的同时导通或关断，并控制第n+1可控开关和第n+2可控开关的始终关断，所述放电控制信号为具有第二占空比的脉冲信号；
充放电停止后，当控制单元根据电池端电压采集电路反馈的各电池单体的电压信号检测到相邻的电池单体的电压信号的差值超出第一均衡阈值时，所述控制单元向驱动模块发出均衡控制信号以使驱动模块控制电压较高的电池单体对应的可控开关的导通，直至相邻的电池单体的电压信号的差值低于第二均衡阈值时，关断该可控开关。
在一些实施方式中，第一可控开关至第n可控开关中，相邻的两个可控开关由一个IGBT模块提供。
在一些实施方式中，所述电池端电压采集电路包括：n个同步采样继电器，n个A/D转换采样继电器，n个保持电容，继电器驱动电路，放大、分压A/D转换电路；
n个同步采样继电器分别对应于n个电池单体并联，n个保持电容分别对应于n个同步采样继电器并联，n个A/D转换采样继电器分别对应于n个保持电容并联，且n个A/D转换采样继电器分别连接放大、分压A/D转换电路；
所述继电器驱动电路分别连接n个同步采样继电器和n个A/D转换采样继电器，且所述控制单元连接并控制继电器驱动电路，同时所述控制单元连接放大、分压A/D转换电路并接收其采集的电池单体的电压信号；
在电压信号采集阶段，控制单元向继电器驱动电路发送电压采样控制信号，继电器驱动电路控制n个同步采样继电器同时导通，n个电池单体分别对n个保持电容充电；当n个保持电容趋于稳态时认定为保持状态，此时继电器驱动电路控制n个同步采样继电器同时断开，其输出保持为断开瞬间的电压，n个保持电容上的电压即是所对应电池单体的电压测量值；之后继电器驱动电路控制n个A/D转换采样继电器依次闭合，n个保持电容的电压逐个依次地经放大、分压A/D转换电路的放大、分压和A/D转换后，逐个依次地完成对应电池单体的电压信号的采集；下一个采样时间重复前述步骤。
在一些实施方式中，n个同步采样继电器和n个A/D转换采样继电器均选用photoMOS继电器。
在一些实施方式中，所述均衡控制信号的持续时间满足：
其中，0.1C为均衡电流，C为电池单体容量，△U为电池单体之间的电压差，U为电池单体的标称。
从上面所述可以看出，本发明提供的充放电电路与均衡电路的一体化设计电路，该结构基于双向Buck-Boost变换器，在不同的控制策略下，既能对蓄电池进行大电流充放电控制，又能在充放电的间隙对串联蓄电池组实现大电流快速电压均衡，能够同时实现充放电控制与均衡控制两种功能。该电路能够减小蓄电池控制系统体积，简化电路结构，降低控制难度，并提高均衡速度。
附图说明
图1为本发明提供的新型Buck-Boost变换器实施例的电路结构示意图；
图2为本发明提供的基于新型Buck-Boost变换器的蓄电池充放电电路与均衡电路的一体化设计电路实施例的电路结构示意图；
图3为本发明提供的蓄电池充放电电路与均衡电路的一体化设计电路实施例中，电池端电压采集电路的电路结构示意图；
图4为本发明提供的蓄电池充放电电路与均衡电路的一体化设计电路实施例中，以两节相邻电池为例的充电及其均衡效果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
Buck-Boost变换器，也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，其输出电压的极性与输入电压相同。Buck-Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。
基于Buck-Boost变换器的基本结构，本发明的第一方面提出了一种新型Buck-Boost变换器。如图1所示，为本发明提供的新型Buck-Boost变换器实施例的电路结构示意图。
所述新型Buck-Boost变换器，适用于n个电池单体串联的蓄电池组，包括2个充放电主电路电感、n-1个均衡电感、n+2个可控开关；其中，n为大于等于1的自然数；
可控开关为并联有续流二极管的IGBT模块，续流二极管的正极与IGBT模块的发射极相连，续流二极管的负极与IGBT模块的集电极相连；
第一可控开关Q1至第n可控开关Qn依次串联，且第一可控开关Q1的集电极连接直流母线正极并经第一充放电主电路电感Ln+1连接第一电池单体B1的正极，第n可控开关Qn的发射极连接直流母线负极并经第二充放电主电路电感Ln连接第n电池单体Bn的负极，第一电池单体B1至第n-1电池单体Bn-1的负极分别经第一均衡电感L1至第n-1均衡电感Ln-1连接第一可控开关Q1至第n-1可控开关Qn-1的发射极；
第n+1可控开关Qn+1串联在直流母线正极上，第n+2可控开关Qn+2串联在直流母线负极上。
所述新型Buck-Boost变换器，通过设计不同的可控开关控制策略，可完成对蓄电池组的充放电以及解决相邻电池单体间的电压不均衡的问题；
例如，充电阶段，第一可控开关Q1至第n可控开关Qn始终关断，通过占空比可控的脉冲信号(PWM信号)控制第n+1可控开关Qn+1、第n+2可控开关Qn+2的导通和关断时间；当第n+1可控开关Qn+1、第n+2可控开关Qn+2导通时，电流由直流母线侧经第n+1可控开关Qn+1、第一充放电主电路电感Ln+1、第一电池单体B1至第n电池单体Bn、第二充放电主电路电感Ln、第n+2可控开关Qn+2形成回路，对蓄电池组充电，第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln储存能量，此时所述新型Buck-Boost变换器工作在降压模式(即Buck变换器状态)；当第n+1可控开关Qn+1、第n+2可控开关Qn+2关断时，第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln通过第一二极管D1至第n二极管Dn续流，基于电感储存的能量继续对蓄电池组充电。
放电阶段，第n+1可控开关Qn+1、第n+2可控开关Qn+2始终关断，应用PWM信号为第一可控开关Q1至第n可控开关Qn(全控器件)提供完全一样的开通关断信号；当第一可控开关Q1至第n可控开关Qn导通时，第一电池单体B1至第n电池单体Bn串联的蓄电池组通过第一充放电主电路电感Ln+1、第一可控开关Q1至第n可控开关Qn、第二充放电主电路电感Ln放电，第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln储存能量；当第一可控开关Q1至第n可控开关Qn关断时，第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln电流经第n+1二极管Dn+1、第n+2二极管Dn+2续流，向直流母线侧放电，此时所述新型Buck-Boost变换器工作在升压模式(即Boost变换器状态)。因此，所述新型Buck-Boost变换器能够实现蓄电池的充放电控制。
本发明提供的新型Buck-Boost变换器在现有Buck-Boost电路的基础上提供了一种电池均衡电路。该电路为主动均衡电路，可以在任意两节相邻电池间转移能量，每两节电池之间的均衡电路由可控开关和均衡电感构成。串联蓄电池组充放电过程结束后，当第k电池单体Bk(k取1到n-1)的端电压高于第k+1电池单体Bk+1时，控制第k可控开关Qk使之导通，第k电池单体Bk放电，第k均衡电感Lk储能，一段时间后控制第k可控开关Qk关断，第k均衡电感Lk的电流经第k+1二极管Dk+1续流，向第k+1电池单体Bk+1充电；反之，当第k+1电池单体Bk+1的端电压高于第k电池单体Bk时，控制第k+1可控开关Qk+1导通，第k+1电池单体Bk+1放电，第k均衡电感Lk储能，之后控制第k+1可控开关Qk+1断开，第k均衡电感Lk的电流经第k二极管Dk续流，对第k电池单体Bk充电，从而完成相邻电池单体的电压均衡。
较佳的，在直流母线正极与直流母线负极之间还并联有滤波电容(未示出)，用于过滤交流杂质信号；第一可控开关Q1至第n可控开关Qn均为IGBT模块。
从上面所述可以看出，本发明提供的新型Buck-Boost变换器，以双向Buck-Boost变换器和电感组合应用，对串联蓄电池组之间进行均压控制；它通过比较相邻电池单体间的电压，将高电压电池单体的能量通过变换器转移到低电压电池单体中去，从而达到电压均衡的效果；双向Buck-Boost变换器与电感的组合构成的新型Buck-Boost变换器，除了能作串联蓄电池组均衡电路外，还可作为主电路对蓄电池组进行充放电控制。本发明提供的新型Buck-Boost变换器，同时满足充放电和均衡两种要求，可大大简化电路结构，减少了开关器件数量。
基于Buck-Boost变换器的基本结构，本发明的第二方面还提出了一种充放电电路与均衡电路的一体化设计电路。如图2所示，为本发明提供的蓄电池充放电电路与均衡电路的一体化设计电路实施例的电路结构示意图。
所述充放电电路与均衡电路的一体化设计电路，包括：驱动模块、控制单元(可选为DSP)、电池端电压采集电路，以及，如上所述的新型Buck-Boost变换器的任一实施例；可选的，主电路由n+2个可控开关、第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln以及滤波电容(未示出)和蓄电池组构成，可控开关可选为并有续流二极管的IGBT模块，用于控制充放电电路和均衡电路，电感的作用是储存或释放能量，滤波电容起滤波作用；
所述驱动模块分别连接n+2个可控开关的基极并控制可控开关的导通与关断，从而使充放电电路与均衡电路的一体化设计电路作为充电电路、放电电路或均衡电路来完成充放电或电压均衡；
所述电池端电压采集电路分别连接n个电池单体并持续采集(可选为按一定预设频率进行电压采集)各电池单体的电压信号；
所述控制单元分别连接驱动模块和电池端电压采集电路，用于向驱动模块发出控制信号以及接收电池端电压采集电路反馈的各电池单体的电压信号；
结合参照附图4，在充电阶段，所述控制单元向驱动模块发出充电控制信号以使驱动模块驱动第n+1可控开关Qn+1和第n+2可控开关Qn+2的同时导通或关断，并控制第一可控开关Q1至第n可控开关Qn的始终关断，所述充电控制信号为具有第一占空比(第一占空比可根据电池单体的标称电压来进行设计，可选的，以充放电效率最大化为标准)的脉冲信号(其为PWM(脉冲宽度调制)信号)；在此阶段，第一可控开关Q1至第n可控开关Qn始终关断，通过占空比可控的脉冲信号(PWM信号)控制第n+1可控开关Qn+1、第n+2可控开关Qn+2的导通和关断时间；当第n+1可控开关Qn+1、第n+2可控开关Qn+2导通时，电流由直流母线侧经第n+1可控开关Qn+1、第一充放电主电路电感Ln+1、第一电池单体B1至第n电池单体Bn、第二充放电主电路电感Ln、第n+2可控开关Qn+2形成回路，对蓄电池组充电，第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln储存能量，此时所述新型Buck-Boost变换器工作在降压模式(即Buck变换器状态)；当第n+1可控开关Qn+1、第n+2可控开关Qn+2关断时，第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln通过第一二极管D1至第n二极管Dn续流，基于电感储存的能量继续对蓄电池组充电。
在放电阶段，所述控制单元向驱动模块发出放电控制信号以使驱动模块驱动第一可控开关Q1至第n可控开关Qn的同时导通或关断，并控制第n+1可控开关Qn+1和第n+2可控开关Qn+2的始终关断，所述放电控制信号为具有第二占空比(同理，第二占空比也可根据电池单体的标称电压来进行设计，可选的，以充放电效率最大化为标准)的脉冲信号(其为PWM(脉冲宽度调制)信号)；在此阶段，第n+1可控开关Qn+1、第n+2可控开关Qn+2始终关断，应用PWM信号为第一可控开关Q1至第n可控开关Qn(全控器件)提供完全一样的开通关断信号；当第一可控开关Q1至第n可控开关Qn导通时，第一电池单体B1至第n电池单体Bn串联的蓄电池组通过第一充放电主电路电感Ln+1、第一可控开关Q1至第n可控开关Qn、第二充放电主电路电感Ln放电，第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln储存能量；当第一可控开关Q1至第n可控开关Qn关断时，第一充放电主电路电感Ln+1、第二充放电主电路电感Ln电流经第n+1二极管Dn+1、第n+2二极管Dn+2续流，向直流母线侧放电，此时所述新型Buck-Boost变换器工作在升压模式(即Boost变换器状态)。因此，所述新型Buck-Boost变换器能够实现蓄电池的充放电控制。
充放电停止后，当控制单元根据电池端电压采集电路反馈的各电池单体的电压信号检测到相邻的电池单体的电压信号的差值超出第一均衡阈值时，所述控制单元向驱动模块发出均衡控制信号以使驱动模块控制电压较高的电池单体对应的可控开关的导通，直至相邻的电池单体的电压信号的差值低于第二均衡阈值时，关断该可控开关；在此阶段，当第k电池单体Bk(k取1到n-1)的端电压高于第k+1电池单体Bk+1时，控制第k可控开关Qk使之导通，第k电池单体Bk放电，第k均衡电感Lk储能，一段时间后控制第k可控开关Qk关断，第k均衡电感Lk的电流经第k+1二极管Dk+1续流，向第k+1电池单体Bk+1充电；反之，当第k+1电池单体Bk+1的端电压高于第k电池单体Bk时，控制第k+1可控开关Qk+1导通，第k+1电池单体Bk+1放电，第k均衡电感Lk储能，之后控制第k+1可控开关Qk+1断开，第k均衡电感Lk的电流经第k二极管Dk续流，对第k电池单体Bk充电，从而完成相邻电池单体的电压均衡。
更具体地，以第一电池单体B1和第二电池单体B2为具体示例：当第一电池单体B1的端电压高于第二电池单体B2时控制第一可控开关Q1使之导通，第一电池单体B1放电，第一均衡电感L1储能，一段时间后控制第一可控开关Q1关断，第一均衡电感L1的电流经第二二极管D2续流，向第二电池单体B2充电；反之，当第二电池单体B2的端电压高于第一电池单体B1时，控制第二可控开关Q2导通，第二电池单体B2放电，第一均衡电感L1储能，之后控制第二可控开关Q2关断，第一均衡电感L1的电流经第一二极管D1续流，向第一电池单体B1充电。
由此可见，控制单元、驱动单元及电池端电压采集电路又可完成电池均衡功能，其均衡策略还可具体为：蓄电池组可采用串联锂电池组，电池单体的标称电压可选为3.2V。当电池单体不与充放电主电路进行能量交换时，若检测到相邻电池单体的电压差大于0.01V(第一均衡阈值)，则控制电压较高的电池单体放电，将能量转移至电压较低的电池单体，均衡电流维持在0.1C(C为电池容量)左右，进行恒流均衡控制；直至相邻电池单体的电压差小于0.003V(第二均衡阈值)时，停止均衡控制。本设计适用于大功率储能场合，以上图2的4节电池单体为例，假设第一电池单体B1、第二电池单体B2、第三电池单体B3、第四电池单体B4的电压差(VB1-VB2)、(VB2-VB3)、(VB4-VB3)皆大于0.01V，则驱动模块同时触发第一可控开关K1、第二可控开关K2和第四可控开关K4导通；若(VB1-VB2)小于0.003V，而(VB2-VB3)和(VB4-VB3)仍大于等于0.003V，则第一可控开关K1断开，第二可控开关K2、第四可控开关K4仍保持导通；当第一电池单体B1与第二电池单体B2、第二电池单体B2与第三电池单体B3、第三电池单体B3与第一电池单体四B4之间的电压差均小于0.003V时，可控开关停止导通，均衡完成。其他情况与此类似，不再赘述。
进一步的，所述均衡控制信号的持续时间则满足：
其中，0.1C为均衡电流，C为电池单体容量，△U为电池单体之间的电压差，U为电池单体的标称。
较佳的，如图2所示，第一可控开关Q1至第n可控开关Qn中，相邻的两个可控开关由一个IGBT模块提供，图2中，第一可控开关Q1和第二可控开关Q2由一个IGBT模块提供，第三可控开关Q3和第四可控开关Q4由一个IGBT模块提供，……依次类推；从而充分利用IGBT模块的特性来提高所述充放电电路与均衡电路的一体化设计电路的灵敏性和工作效率。
进一步的，如图3所示，所述电池端电压采集电路包括：n个同步采样继电器K1，n个A/D转换采样继电器K2，n个保持电容C，继电器驱动电路，放大、分压A/D转换电路；
n个同步采样继电器K1分别对应与n个电池单体并联，n个保持电容C分别对应与n个同步采样继电器K1并联，n个A/D转换采样继电器K2分别对应与n个保持电容C并联，且n个A/D转换采样继电器K2分别连接放大、分压A/D转换电路；
所述继电器驱动电路分别连接n个同步采样继电器K1和n个A/D转换采样继电器K2，且所述控制单元连接并控制继电器驱动电路，同时所述控制单元连接放大、分压A/D转换电路并接收其采集的电池单体的电压信号；
在电压信号采集阶段，控制单元向继电器驱动电路发送电压采样控制信号，继电器驱动电路控制n个同步采样继电器K1同时导通，n个电池单体分别对n个保持电容C充电；当n个保持电容C趋于稳态时认定为保持状态，此时继电器驱动电路控制n个同步采样继电器K1同时断开，其输出保持为断开瞬间的电压，n个保持电容C上的电压即是所对应电池单体的电压测量值；之后继电器驱动电路控制n个A/D转换采样继电器K2依次闭合，n个保持电容C的电压逐个依次地经放大、分压A/D转换电路的放大、分压和A/D转换后，逐个依次地完成对应电池单体的电压信号的采集(亦即首先闭合第一个A/D转换采样继电器，与其对应的保持电容C的电压被放大、分压A/D转换电路进行放大、分压、A/D转换，然后发送给控制单元，即完成对第一电池单体B1的电压信号采集；接下来再断开第一个A/D转换采样继电器并闭合第二个A/D转换采样继电器，重复同样的步骤，完成对第二电池单体B2的电压信号采集；依次进行上述步骤，直至采集完第n电池单体Bn的电压信号)；下一个采样时间重复前述步骤。
通过这种电池端电压采集电路的设计，使得蓄电池组的各电池单体的电压采集电路互相隔离，又能进行同时采集。
可选的，n个同步采样继电器K1和n个A/D转换采样继电器K2均选用photoMOS继电器。
从上述实施例可以看出，本发明提供的充放电电路与均衡电路的一体化设计电路，该结构基于新型Buck-Boost变换器，在不同的控制策略下，既能对蓄电池进行大电流充放电控制，又能在充放电的间隙对串联蓄电池组实现大电流快速电压均衡，能够同时实现充放电控制与均衡控制两种功能。该电路能够减小蓄电池控制系统体积，简化电路结构，降低控制难度，并提高均衡速度。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种充放电电路与均衡电路的一体化设计电路，其特征在于，包括：驱动模块、控制单元、电池端电压采集电路，以及，新型Buck-Boost变换器；
所述新型Buck-Boost变换器，适用于n个电池单体串联的蓄电池组，包括2个充放电主电路电感、n-1个均衡电感、n+2个可控开关；其中，n为大于2的自然数；
可控开关为并联有续流二极管的IGBT模块，续流二极管的正极与IGBT模块的发射极相连，续流二极管的负极与IGBT模块的集电极相连；
第一可控开关至第n可控开关依次串联，且第一可控开关的集电极连接第n+1可控开关发射极并经第一充放电主电路电感连接第一电池单体的正极，第n可控开关的发射极连接第n+2可控开关集电极并经第二充放电主电路电感连接第n电池单体的负极，第一电池单体至第n-1电池单体的负极分别经第一均衡电感至第n-1均衡电感连接第一可控开关至第n-1可控开关的发射极；
第n+1可控开关串联在直流母线正极上，第n+2可控开关串联在直流母线负极上；
所述驱动模块分别连接n+2个可控开关的基极并控制可控开关的导通与关断；
所述电池端电压采集电路分别连接n个电池单体并持续采集各电池单体的电压信号；
所述控制单元分别连接驱动模块和电池端电压采集电路，用于向驱动模块发出控制信号以及接收电池端电压采集电路反馈的各电池单体的电压信号；
在充电阶段，所述控制单元向驱动模块发出充电控制信号以使驱动模块驱动第n+1可控开关和第n+2可控开关的先同时导通、后同时关断，并控制第一可控开关至第n可控开关的始终关断，所述充电控制信号为具有第一占空比的脉冲信号；
在放电阶段，所述控制单元向驱动模块发出放电控制信号以使驱动模块驱动第一可控开关至第n可控开关的先同时导通、后同时关断，并控制第n+1可控开关和第n+2可控开关的始终关断，所述放电控制信号为具有第二占空比的脉冲信号；
充放电停止后，当控制单元根据电池端电压采集电路反馈的各电池单体的电压信号检测到相邻的电池单体的电压信号的差值超出第一均衡阈值时，所述控制单元向驱动模块发出均衡控制信号以使驱动模块控制电压较高的电池单体对应的可控开关的导通，直至相邻的电池单体的电压信号的差值低于第二均衡阈值时，关断该可控开关。
2.根据权利要求1所述的一体化设计电路，其特征在于，在直流母线正极与直流母线负极之间还并联有滤波电容。
3.根据权利要求1所述的一体化设计电路，其特征在于，第一可控开关至第n可控开关中，相邻的两个可控开关由一个IGBT模块提供。
4.根据权利要求1所述的一体化设计电路，其特征在于，所述电池端电压采集电路包括：n个同步采样继电器，n个A/D转换采样继电器，n个保持电容，继电器驱动电路，放大、分压A/D转换电路；
n个同步采样继电器分别对应与n个电池单体并联，n个保持电容分别对应与n个同步采样继电器并联，n个A/D转换采样继电器分别对应与n个保持电容并联，且n个A/D转换采样继电器分别连接放大、分压A/D转换电路；
所述继电器驱动电路分别连接n个同步采样继电器和n个A/D转换采样继电器，且所述控制单元连接并控制继电器驱动电路，同时所述控制单元连接放大、分压A/D转换电路并接收其采集的电池单体的电压信号；
在电压信号采集阶段，控制单元向继电器驱动电路发送电压采样控制信号，继电器驱动电路控制n个同步采样继电器同时导通，n个电池单体分别对n个保持电容充电；当n个保持电容趋于稳态时认定为保持状态，此时继电器驱动电路控制n个同步采样继电器同时断开，其输出保持为断开瞬间的电压，n个保持电容上的电压即是所对应电池单体的电压测量值；之后继电器驱动电路控制n个A/D转换采样继电器依次闭合，n个保持电容的电压逐个依次地经放大、分压A/D转换电路的放大、分压和A/D转换后，逐个依次地完成对应电池单体的电压信号的采集；下一个采样时间重复前述步骤。
5.根据权利要求4所述的一体化设计电路，其特征在于，n个同步采样继电器和n个A/D转换采样继电器均选用photoMOS继电器。
6.根据权利要求1所述的一体化设计电路，其特征在于，所述均衡控制信号的持续时间满足：
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>U</mi>
</mrow>
<mi>U</mi>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mi>C</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>0.1</mn>
<mi>C</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>3600</mn>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>36000</mn>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>U</mi>
</mrow>
<mi>U</mi>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>s</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，0.1C为均衡电流，C为电池单体容量，△U为电池单体之间的电压差，U为电池单体的标称。
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