CN105811497A - 一种集中式dc-dc电池均衡器 - Google Patents

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陈蓓
李劲
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Abstract

本发明属于电池组能量均衡技术领域,尤其涉及一种集中式DC‑DC电池均衡器,包括,DC‑DC变换器,用于将一由多节单体电池串联而成的电池组提供的输入电压转换为一输出电压;选通开关阵列,包括多个可控开关,每一节单体电池的两端分别通过一可控开关连接第一交汇节点及第二交汇节点,于任一单体电池需要均衡时,控制单体电池的两端分别与第一交汇节点及第二交汇节点导通;H桥电路,包括多个连接于输出电压、第一交汇节点、第二交汇节点之间的MOS管,通过调节MOS管的占空比以调节输出电压的能量转换至相对应的单体电池中。本发明采取有效的均衡措施延长电池组的使用寿命,提高电池组的充放电容量,控制简单并且有效节省了电路成本。

Description

一种集中式DC-DC电池均衡器
技术领域
[0001]本发明属于电池组能量均衡技术领域,尤其涉及一种电池均衡器。
背景技术
[0002]由于蓄电池单体的标称电压比较低,因此实际应用中需要多个单体电池串联使用来满足不同的电压需求。但在使用过程中串联的各单体电池之间荷电状态或端电压不一致的情况普遍存在,充电过程中只要有一个单体电池被充满或达到充电截止电压时则充电必须停止;而在放电过程中只要有一个电池被放空或达到放电截止电压时必须停止放电。如果不采取均衡措施,串联单体电池间的不均衡程度会随着充放电循环次数的增加而加剧,电池组的充放电容量也会逐渐降低,最终使电池组提前报废。现有技术中一些基于不同原理的均衡电路一定程度上可以实现电池组的均衡作用,但却不同程度地存在成本过高、控制复杂、耗能、耗时等缺陷。
发明内容
[0003]针对以上技术问题,提供一种集中式DC-DC电池均衡器,以解决现有技术的均衡电路成本过尚、控制复杂、耗能、耗时等缺陷;
[0004]具体技术方案如下:
[0005] —种集中式DC-DC电池均衡器,其中,包括,
[0006] DC-DC变换器,用于将一由多节单体电池串联而成的电池组提供的输入电压转换为一输出电压;
[0007] 选通开关阵列,包括多个可控开关,每一节所述单体电池的两端分别通过一可控开关连接一第一交汇节点及一第二交汇节点,于任一所述单体电池需要均衡时,控制所述单体电池的两端分别与所述第一交汇节点及所述第二交汇节点导通;
[0008] H桥电路,包括多个连接于所述输出电压、所述第一交汇节点、所述第二交汇节点之间的MOS管,通过调节所述MOS管的占空比以调节所述输出电压的能量转换至相对应的所述单体电池中。
[0009] 上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,所述选通开关阵列中,编号为奇数的每一节所述单体电池的正极分别通过一可控开关连接所述第一交汇节点,编号为奇数的每一个所述单体电池的负极分别通过一可控开关连接所述第二交汇节点。
[0010]上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,所述H桥电路包括:
[0011]第一 MOS管,于一第一脉冲宽度调制信号的作用下可控制地导通或关断所述第二交汇节点与所述DC-DC变换器的第一输出端;
[0012]第二 MOS管,于一第二脉冲宽度调制信号的作用下可控制地导通或关断所述第一交汇节点与所述DC-DC变换器的第一输出端;
[0013]第三MOS管,于所述第二脉冲宽度调制信号的作用下可控制地导通或关断所述第二交汇节点与所述DC-DC变换器的第二输出端;
[0014]第四MOS管,于所述第一脉冲宽度调制信号的作用下可控制地导通或关断所述第一交汇节点与所述DC-DC变换器的第二输出端。
[0015] 上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,还包括:
[0016]电池信息采集模块,与所述电池组的每一节所述单体电池连接,用于获取每一节所述单体电池的电量信息;
[0017]控制模块,与所述电池信息采集模块连接,依据所述单体电池的电量信息产生所述可控开关的控制信号及所述MOS管的控制信号。
[0018] 上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,所述可控开关包括采用继电器组成的开关。
[0019] 上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,所述可控开关包括由金属氧化物半导体场效应晶体管组成的开关器件。
[0020]上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,所述可控开关包括由绝缘栅双极型晶体管组成的开关器件。
[0021]上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,所述电池组采用24节磷酸铁锂电池串联而成,每一节所述单体电池的标称电压为2.2V。
[0022] 上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,所述DC-DC变换器采用降压型电源转换器。
[0023]上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,所述降压型电源转换器的输入电压范围为35V-65V,输出电压为5V。
[0024]有益效果:以上技术方案采取有效的均衡措施可以延长电池组的使用寿命,提高电池组的充放电容量,控制简单并且有效节省了电路成本。
附图说明
[0025]图1为本发明的原理框图;
[0026]图2为本发明的电路结构不意图;
[0027]图3为本发明的一种具体实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
[0028]下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0029]需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。
[0031]参照图1、图2,一种集中式DC-DC电池均衡器,其中,包括,
[0032] DC-DC变换器,用于将一由多节单体电池串联而成的电池组3提供的输入电压转换为一输出电压;DC-DC变换器即图1和图2中的DC-DCl,电池组3由η个单体电池batl、bat2、…、batn-3、batn-2、batn_l、batn 等串联而成;
[0033]选通开关阵列2,包括多个可控开关,每一节单体电池的两端分别通过一可控开关连接一第一交汇节点Xl及一第二交汇节点x2,于任一单体电池需要均衡时,控制单体电池的两端分别与第一交汇节点xl及第二交汇节点x2导通;图2中示意性地示出可控开关KO、KU...、Κη-4、Κη-3、Κη-2、Κη-1、Κη ;
[0034] H桥电路,如图2中虚线框所示,包括多个连接于DC-DC变换器的输出电压、第一交汇节点X1、第二交汇节点χ2之间的MOS管,通过调节MOS管的占空比以调节输出电压的能量转换至相对应的单体电池中。
[0035]本发明采用集中式DC-DC拓扑结构,通过控制H桥电路中MOS管的导通时间,保证单体电池均衡容量的可控,降低了 DC-DC变换器的设计要求和系统控制复杂度。
[0036] 上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,选通开关阵列2中,编号为奇数的每一节单体电池的正极分别通过一可控开关连接第一交汇节点xl,编号为奇数的每一个单体电池的负极分别通过一可控开关连接第二交汇节点x2。
[0037]上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,H桥电路3包括:
[0038] 第一MOS管Ql,于一第一脉冲宽度调制信号PWMl的作用下可控制地导通或关断第二交汇节点x2与DC-DC I的第一输出端;
[0039]第二 MOS管Q2,于一第二脉冲宽度调制信号PWM2的作用下可控制地导通或关断第一交汇节点xl与DC-DC I的第一输出端;
[0040]第三MOS管Q3,于第二脉冲宽度调制信号PWM2的作用下可控制地导通或关断第二交汇节点x2与DC-DC I的第二输出端;
[0041]第四MOS管Q4,于第一脉冲宽度调制信号PWMl的作用下可控制地导通或关断第一交汇节点xl与DC-DC I的第二输出端。
[0042]本发明利用MOS管的可控特性,通过控制MOS管的占空比,降低均衡时对单体电池充电的苛刻要求,达到控制均衡电流的目的,从而降低了DC-DC变换器的设计成本和控制策略复杂度,使系统简化,即DC-DC变换器只需要考虑电压与电压的转换。在整组电池需要均衡时,通过控制H桥电路,给低电压的单体电池进行充电,电路简单实用。同时利用H桥电路的极性切换功能,减少了电池侧开关数量,降低了线路复杂度,节省了成本。
[0043]该电池均衡器的工作过程如下:
[0044]首先DC-DC把电池组的电压转换为一个合理的电压值,当需要均衡时,给电量低的单体电池提供能量。
[0045] 假设单体电池batn的电池电量过低,这时可控开关Kn、可控开关Kn-1闭合,其他可控开关断开,通过调节第二MOS管Q2、第三MOS管Q3的控制信号,即第二脉冲宽度调制信号P丽2的占空比,把能量从电池组转移到电池电量过低的batn中,直至无须均衡断开所有可控开关。
[0046] 假设电池batn-Ι的电池电量过低,这时可控开关Kn-1、可控开关Kn-2闭合,其他可控开关断开,通过调节第一MOS管Q1、第四MOS管Q4的控制信号,即第一脉冲宽度调制信号P丽I的占空比,把能量从电池组转移到电池电量过低的batn-Ι中,直至无须均衡断开所有可控开关。
[0047] 假设电池batn-2的电池电量过低,这时可控开关Kn-2、可控开关Kn-3闭合,其他可控开关断开,通过调节第二MOS管Q2、第三MOS管Q3的控制信号,即第二脉冲宽度调制信号P丽2的占空比,把能量从电池组转移到电池电量过低的batn-2中,直至无须均衡断开所有可控开关。以此类推。
[0048] 上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,还包括:
[0049]电池信息采集模块,与电池组的每一节单体电池连接,用于获取每一节单体电池的电量信息;
[0050]控制模块4,与电池信息采集模块连接,依据单体电池的电量信息产生可控开关的控制信号及MOS管的控制信号。
[0051]控制模块4可以采用一微控制器,微控制器设置电池信息采集接口 41,通过电池信息采集接口 41连接电池信息采集模块。
[0052] 上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,可控开关可以包括采用继电器组成的开关。还可以包括由金属氧化物半导体场效应晶体管组成的开关器件。可控开关还可以采用由绝缘栅双极型晶体管组成的开关器件。
[0053] 一种具体实施例,如图3所示,上述的一种集中式DC-DC电池均衡器,电池组可以采用24节磷酸铁锂电池串联而成,每一节单体电池的标称电压为2.2V,上述的DC-DC变换器采用降压型电源转换器,设计隔离型DC-DC变换器,输入范围35V-65V,输出为5V;H桥电路的MOS管均采用10A、20V的MOS管,可控开关Kl至K24选用1A的继电器,组成所需的集中式DC-DC电池均衡器。
[0054]上述电路根据现有各种均衡方法技术上的不足,从均衡系统的可靠性、速率、效率、体积、成本等方面出发,利用能量传输元件,通过开关器件使能量在单体电池与电池组之间进行能量转移。理想情况下它是一种非能耗的均衡方案,但在实际应用中由于开关器件的开关损耗,因此均衡过程中也有少量的能量损耗在均衡电路中,与完全耗能的电阻均衡相比,这种均衡方案具有明显的节能优势。同时加入的H桥电路能够减少了电池侧开关数量,降低了线路复杂度,节省了成本。采取有效的均衡措施延长了电池组的使用寿命,提高电池组的充放电容量。
[0055]以上仅为本发明较佳的实施例,并非因此限制本发明的实施方式及保护范围,对于本领域技术人员而言,应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案,均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,包括, DC-DC变换器,用于将一由多节单体电池串联而成的电池组提供的输入电压转换为一输出电压; 选通开关阵列,包括多个可控开关,每一节所述单体电池的两端分别通过一可控开关连接一第一交汇节点及一第二交汇节点,于任一所述单体电池需要均衡时,控制所述单体电池的两端分别与所述第一交汇节点及所述第二交汇节点导通; H桥电路,包括多个连接于所述输出电压、所述第一交汇节点、所述第二交汇节点之间的MOS管,通过调节所述MOS管的占空比以调节所述输出电压的能量转换至相对应的所述单体电池中。
2.根据权利要求1所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,所述选通开关阵列中,编号为奇数的每一节所述单体电池的正极分别通过一可控开关连接所述第一交汇节点,编号为奇数的每一个所述单体电池的负极分别通过一可控开关连接所述第二交汇节点。
3.根据权利要求1所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,所述H桥电路包括: 第一 MOS管,于一第一脉冲宽度调制信号的作用下可控制地导通或关断所述第二交汇节点与所述DC-DC变换器的第一输出端; 第二 MOS管,于一第二脉冲宽度调制信号的作用下可控制地导通或关断所述第一交汇节点与所述DC-DC变换器的第一输出端; 第三MOS管,于所述第二脉冲宽度调制信号的作用下可控制地导通或关断所述第二交汇节点与所述DC-DC变换器的第二输出端; 第四MOS管,于所述第一脉冲宽度调制信号的作用下可控制地导通或关断所述第一交汇节点与所述DC-DC变换器的第二输出端。
4.根据权利要求1所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,还包括: 电池信息采集模块,与所述电池组的每一节所述单体电池连接,用于获取每一节所述单体电池的电量信息; 控制模块,与所述电池信息采集模块连接,依据所述单体电池的电量信息产生所述可控开关的控制信号及所述MOS管的控制信号。
5.根据权利要求1所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,所述可控开关包括采用继电器组成的开关。
6.根据权利要求1所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,所述可控开关包括由金属氧化物半导体场效应晶体管组成的开关器件。
7.根据权利要求1所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,所述可控开关包括由绝缘栅双极型晶体管组成的开关器件。
8.根据权利要求1所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,所述电池组采用24节磷酸铁锂电池串联而成,每一节所述单体电池的标称电压为2.2V。
9.根据权利要求1所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,所述DC-DC变换器采用降压型电源转换器。
10.根据权利要求9所述的一种集中式DC-DC电池均衡器,其特征在于,所述降压型电源 转换器的输入电压范围为35V-65V,输出电压为5V。
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