CN106451645A - 一种串并联转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种串并联转换器，属于电工技术领域。对应于电池组中的n个电池单体E1、E2、...、En，该转换器仅需要1个n刀双掷开关K和n只二极管D1、D2、...、Dn，其中n只二极管D1、D2、...、Dn仅用在充电回路之中。二极管的正极分别与电池单体的负极相连，再分别与n刀双掷开关中的常开触点连接；将二极管的负极并联，再与n刀双掷开关中K_n的常闭触点An连接，把双掷开关中K_1～K_n‑1的常闭触点A1～An‑1并联，再与电池单体E1的正极连接并且用导线引出，作为与外部设备连接的正极端口＋In&Out。电池单体E2～En的正极分别与双掷开关中的刀极K_1～K_n‑1连接，双掷开关中的刀极K_n用导线引出，作为与外部设备连接的负极端口－In&Out。本发明零部件少，制作简单，性价比高。

Description

一种串并联转换器

技术领域

本发明涉及一种串并联转换器，属于电工技术领域。

背景技术

由于新能源技术的迅猛发展和材料科学的持续进步，各种可反复充电的电池正在越来越多的范畴中取代一次性电池，逐渐成为在移动中供电的首选能源。荷载（用电器）要求的电压常常高于单个电池输出的电压，故需要将n个电池单体串联成组以提供适当的电压输出，但由于转换手段复杂和大功率电子元件的功耗大、寿命短等原因，迄今这些电池组基本上采用串联充电方式。

对电池组进行串联充电的缺陷是明显的。由于各电池内部的材料、尺寸和化学反应不能确保一致，各电池单体放电之后的端电压具有不可忽略的差别。电池组在串联充电的过程中，各电池单体流过的电流相同，于是端电压高的电池充电功率大而端电压低的电池充电功率小，由此很容易导致原本端电压高的电池过充、原本端电压低的电池充不满，形成充电、供电的恶性循环，从而显著降低了电池组的输出功率并大大降低了电池单体的使用寿命。对于铅酸蓄电池这类端电压不能过低、而又没有保护措施的常用动力电池组而言，串联充电造成的损伤尤为严重。

为了解决这个问题，已经出现了几种电池串、并联的转换方案，例如“并联充电串联放电的控制电路”、“串联蓄电池组的并联充电电路及保护电路”，等。这些电路属于自动控制类型，都采用电子元件实施监测和转换，其特点是转换速度快，但是其充电、放电电流都流过了电子元件，而这必然造成较大的功率热损耗。由于大功率电子元件的价格贵、能耗大、连续使用的寿命短，与电池组、充电器相比其费用高昂，使得这类产品在民用领域的推广举步维艰。

在国家自然科学基金项目（50869003、41462013、51069003）、云南省教育厅科学研究基金项目（2015Y072）的资助下，中国中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司的杨宇璐提出了创意，并与昆明理工大学的杨华舒、吴霞、周新伟、李东、董卫等师生组成专题组，弄清了蓄电池组在充电、放电过程中的电流变化和区别，基于半导体器件的特点和无功耗转换的优势，侧重研究了手动开关+电子元件来实施串并联转换的廉价技术方案。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种串并联转换器。已有的电池串、并联转换装置，影响其推广的关键因素是电子元件的功耗太大。若设法将其功耗明显降下来，则不仅可以节省耗电量，更能在大大减少电子元件成本的同时显著延长其寿命。

几乎所有品种的蓄电池都有一个共同的特点，那就是充电电流都远低于电池的容量，甚至远低于电池的供电电流。以单位电能单价最低的铅酸蓄电池为例，其充电电流仅相当于供电电流的1/5～1/10或者更低，充电电流太大将严重影响电池寿命乃至即刻毁坏电池。此外电池是容性的而负荷常常是感性的，从供电状态无隙转换到充电状态可能导致瞬间大电流或者高电压冲击，这正是导致前述已有的串并联转换装置损坏的原因之一。采用手动转换虽然速度较慢，但转换过程无电能损耗，而这就保证了电池组和转换元器件的安全，更具有价格低廉、操作简单的优势。

本发明通过以下技术方案实现：

一种串并联转换器，对应于电池组中的n个电池单体E1、E2、...、En，该转换器仅需要1个n刀双掷开关K和n只二极管D1、D2、...、Dn，其中n只二极管D1、D2、...、Dn仅用在充电回路之中。

所述二极管D1～Dn的正极分别与电池单体E1～En的负极相连，再分别与n刀双掷开关中K_1～K_n的常开触点B1～Bn连接；将二极管D1～Dn的负极并联，再与n刀双掷开关中K_n的常闭触点An连接。把双掷开关中K_1～K_n-1的常闭触点A1～An-1并联，再与电池单体E1的正极连接并且用导线引出，作为与外部设备连接的正极端口＋In&Out。电池单体E2～En的正极分别与双掷开关中的刀极K_1～K_n-1连接；双掷开关中的刀极K_n用导线引出，作为与外部设备连接的负极端口－In&Out。

所述n刀双掷开关K采用转动、拨动或扭摆换挡方式，基体采用塑料、胶木或陶瓷材料制成。

所述n刀双掷开关K采用继电器或接触器来替代。

所述二极管采用半导体直插式、贴片式或集成式，或者采用其它单向导电材料和工艺制作。

本串并联转换器的工作原理为：

充电前，将双掷开关（K）转动（或拨动）连接A触点，充电电流经过各刀的A端（A1、A2、...、An），以并联方式分别充入各电池单体（E1、E2、...、En）内。供电时将双掷开关转动，使各刀连接B触点（B1、B2、...、Bn触点），组内全部电池单体即被串联为电池组整体，以便提供负荷所需的较高电压。转换器中各二极管（D）均未接入大电流的供电回路，因此价格低廉且大大延长了寿命；电池组的充电输入和供电输出均采用同一端口（例如同一个插座）且极性不变，简化了应用时的操作步骤。由于蓄电池的供电电压通常大大高于电池单体的充电电压，即便一时忘记了转动开关，也不会造成什么损害：若没有转换而导致电池组串联充电，则现在市售的低压充电器都会有“充电无效”（即充电结束）的显示灯亮；反之，若没有转换而导致电池组并联供电，则由于各二极管的反向隔离作用，根本就不会有电能输出。

综上所述，本项目的原理成熟、制造和操作简单，造价低廉并且运行可靠、寿命长，只需转动或拨动一个双掷开关，即可实现并联充电、串联供电的转换。由此解决了电池组串联充电时各电池的充电电压不均衡、充电效率差的问题，降低了电池组对各电池单体的匹配一致性要求，并且有效缩短了充电时间，能够在增加蓄电池组功率的同时显著延长其使用寿命。

本发明的有益效果是：

（1）解决了电子元件功耗大、寿命短的关键性难题

与现有的电池组充、供电全电子转换装置比较，本转换器中的半导体元件仅有二极管，而且只用在电流明显较小的充电回路之中，因此功耗低，其寿命得以数倍增加。串联、并联转换采用手动开关的无电耗转动，避免了电火花对触点的破坏，故大大延长了转换开关的寿命。

（2）零部件少，制作简单

对应于n个电池单体构成的电池组，本转换器只用一个n刀双掷开关和n只二极管，部件的数量少。二极管可以直接焊在开关的引脚之上，从而省去了电路板并且简单可靠，批量制造方便快捷。

（3）便于安装，操作简便

如上所述，本转换器成品的外形和尺寸与一个普通的旋转双掷开关（或拨动开关）差别不大，安装时只需要固定住这一个开关即可。由于其尺寸小、外部接线少，很容易装入电池组的盒子之中，也很容易紧靠着原有的充电插座安装。

（4）性价比高，安全可靠

本转换器的功耗低、部件少，制作简单、安装容易，因此造价相对低廉。使用的两种部件都历经了近百年的大量应用，其中的二极管仅在充电过程中通过较小的电流，并且手动转换避免了瞬间大电流或者高电压冲击，因此本转换器安全可靠、寿命长。

附图说明

图1是本发明实施例1的3个电池单体的串并联转换器电路图；

图2是本发明实施例2的4个电池单体的串并联转换器电路图。

图3是本发明实施例3的4个电池单体的串并联转换器采用继电器电路图。

图中：E1、E2、...、En—电池组之中的n个蓄电池单体；D1、D2、...、Dn—各蓄电池单体对应的充电二极管；K_1、K_2、...、K_n—同一个双掷开关K上的n条刀极，其对应的A1、A2、...、An以及B1、B2、...、Bn触点分别连接充电、供电回路。J_1、J_2、...、J_n—同一个继电器J上的n条刀极，其对应的常闭触点A1、A2、...、An以及常开触点B1、B2、...、Bn分别连接供电、充电回路；L—与继电器配合的扭子开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

3个电池单体（E1～E3）构成电池组，所需的串并联转换器原理和电路如图1所示。电池单体为电动自行车常用的12V12AHr铅酸蓄电池，则充电电流＜2.4A，3个电池单体构成的电池组电压为36V。D1～D3选用3只价廉质优的IN5406型整流二极管；K-1～K-3合用1个蘑菇头按钮开关（LAY37型，2层积木式4组联动触点，空闲1组）。将二极管（D1～D3）按照图1分别焊接在按钮开关各刀对应的触点（A常闭、B常开）的引脚上，与蘑菇头按钮开关构成一个整体。至此，串并联转换器制作完成。

二极管D1～D3的正极分别与电池单体E1～E3的负极相连，再分别与蘑菇头按钮开关中K_1～K_3的常开触点B1～B3连接；将二极管D1～D3的负极并联，再与蘑菇头按钮开关中K_3的常闭触点A3连接。把蘑菇头按钮开关中K_1～K_2的常闭触点A1～A2并联，再与电池单体E1的正极连接并且用导线引出，作为与外部设备连接的正极端口（＋In&Out）。电池单体E2～E3的正极分别与蘑菇头按钮开关中的刀极K_1～K_2连接；刀极K_3用导线引出，作为与外部设备连接的负极端口（－In&Out）。

电动自行车出厂前，可将本串并联转换器装配在充电口旁。用导线将各电池单体的正、负极分别与蘑菇头开关的对应刀极或者对应触点的引脚焊接，并将图1中的充电端口（+In&Out和-In&Out）按正、负极分别连接到原有充电口的引脚上。电动自行车的其余电路无需改变，但应配用14V的充电器。使用时按下或者释放按钮开关的蘑菇头，即可由电池组驱动行驶，或者对铅酸蓄电池进行充电。

实施例2

4个电池单体（E ₁～E ₄）构成电池组，所需的串并联转换器原理和电路如图2所示。电池单体为笔记本电脑的3.6V4.4AHr锂离子电池，则在线电流≯5A，充电电流≯2A，4个电池单体构成的电池组电压为14.4V。D1～D4选用4只价廉质优的MBR5200型肖特基二极管；K-1～K-4合用1个陶瓷旋转双掷开关（KCZ型，4刀2档2层），分别将每一刀的2层引脚都并联起来作为一组（例如K-1），以2重冗余来增强开关的可靠性和寿命。将二极管（D1～D4）按照图2分别焊接在开关各刀对应触点（A、B）的引脚上，与陶瓷旋转开关构成一个整体。至此，串并联转换器制作完成。

二极管D1～D4的正极分别与电池单体E1～E4的负极相连，再分别与4刀双掷开关中K_1～K_4的常开触点B1～B4连接；将二极管D1～D4的负极并联，再与4刀双掷开关中K_4的常闭触点A4连接。把双掷开关中K_1～K_3的常闭触点A1～A3并联，再与电池单体E1的正极连接并且用导线引出，作为与外部设备连接的正极端口（＋In&Out）。电池单体E2～E4的正极分别与双掷开关中的刀极K_1～K_3连接；刀极K_4用导线引出，作为与外部设备连接的负极端口（－In&Out）。

锂电池组出厂前，可将本串并联转换器装配在电池盒不影响使用的内侧面上。按照图2，用导线将各电池单体的正、负极分别与旋转开关的对应引脚焊接，并将图中的充电端口（+In&Out和-In&Out）按正、负极分别连接到电池盒原有的充电引脚上。锂电池组的其余电路无需改变，但应配用4.2V（电池单体无保护电路）或者5V（电池单体有保护电路）的充电电压。使用时转动旋转双掷开关，即可进行在线充电，或者由电池组为笔记本电脑提供14.4V的电源。

实施例3

4个电池单体（E ₁～E ₄）构成电池组，采用图3所示的串并联转换器原理和电路，本实施例采用1个四联继电器J和1个扭子开关L代替双掷开关中的刀极和触点，相对于前两例而言造价略高。电池单体为电动自行车常用的12V12AHr铅酸蓄电池，则充电电流＜2.4A，4个电池单体构成的电池组电压为48V。D1～D4选用4只价廉质优的IN5406型整流二极管，J-1～J-4合用1个MY4N-J型四联继电器，L选用1只价廉质优的MTS-102型扭子开关。将二极管（D1～D4）按照图3分别焊接在继电器各刀对应的触点（A常闭、B常开）的引脚上，与继电器构成一个整体；将继电器的电磁线圈J与扭子开关L串联，再按图3把两端分别用导线连接到充电端口（In&Out）的正极和负极。至此，串并联转换器制作完成。

二极管D1～D4的正极分别与电池单体E1～E4的负极相连，再分别与继电器之中J_1～J_4的常闭触点A1～A4连接；将二极管D1～D4的负极并联，再与继电器之中J_4的常开触点B4连接。把继电器之中J_1～J_3的常开触点B1～B3并联，再与电池单体E1的正极连接并且用导线引出，作为与外部设备连接的正极端口（＋In&Out）。电池单体E2～E4的正极分别与继电器之中的刀极J_1～J_3连接；刀极J_4用导线引出，作为与外部设备连接的负极端口（－In&Out）。

电动自行车出厂前，可将本串并联转换器装配在充电口旁。用导线将各电池单体的正、负极分别与继电器之中的对应刀极或者对应触点的引脚焊接，并将图3中的充电端口（+In&Out和-In&Out）按正、负极分别连接到原有充电口的引脚上。电动自行车的其余电路无需改变，但应配用14V的充电器。使用时扭动开关使L的触点闭合或者不闭合，即可对铅酸蓄电池进行充电，或者由电池组驱动行驶。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种串并联转换器，其特征在于：对应于电池组中的n个电池单体E1、E2、...、En，该转换器仅需要1个n刀双掷开关K和n只二极管D1、D2、...、Dn，其中n只二极管D1、D2、...、Dn仅用在充电回路之中。

2.根据权利要求1所述的串并联转换器，其特征在于：所述二极管D1～Dn的正极分别与电池单体E1～En的负极相连，再分别与n刀双掷开关中K_1～K_n的常开触点（B1～Bn）连接；将二极管D1～Dn的负极并联，再与n刀双掷开关中K_n的常闭触点（An）连接；把双掷开关中K_1～K_n-1的常闭触点（A1～An-1）并联，再与电池单体E1的正极连接并且用导线引出，作为与外部设备连接的正极端口（＋In&Out），电池单体E2～En的正极分别与双掷开关中的刀极K_1～K_n-1连接；双掷开关中的刀极K_n用导线引出，作为与外部设备连接的负极端口（－In&Out）。

3.根据权利要求1或2所述的串并联转换器，其特征在于：所述n刀双掷开关K采用转动、拨动或扭摆换挡方式，基体采用塑料、胶木或陶瓷材料制成。

4.根据权利要求3所述的串并联转换器，其特征在于：所述n刀双掷开关K采用继电器或接触器来替代。

5.根据权利要求1或2所述的串并联转换器，其特征在于：所述二极管采用半导体直插式、贴片式或集成式，或者采用其它单向导电材料和工艺制作。