CN107040002B

CN107040002B - 均衡式充放电装置及方法

Info

Publication number: CN107040002B
Application number: CN201610078175.3A
Authority: CN
Inventors: 刘晓刚
Original assignee: Shenzhen Ailanbo Power Electronics Co Ltd
Current assignee: LLAB HUIZHOU Corp.
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2019-08-20
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: CN107040002A

Abstract

本发明提供一种均衡式充放电装置及方法，涉及电池充放电管理领域，能够以较简单的电路结构，实现充放电自动均衡。所述装置具备：串联的多节电池；电感变压器，其具有原边绕组及分别与多节电池并联的多个次级绕组；多个开关管，用于将电路切换至不同的充放电模式；以及开关管控制器，用于控制多个开关管的导通与关断；在充放电模式切换为均衡模式的情况下，原边绕组及次级绕组均处于导通状态，次级绕组以不同的电流为每节电池充电；在充放电模式切换为非均衡模式的情况下，原边绕组处于导通状态而次级绕组处于断开状态，原边绕组与多节电池串联，每节电池以相同的电流进行充放电。

Description

均衡式充放电装置及方法

技术领域

本发明涉及电池充放电管理领域，更具体地说，涉及一种均衡式充放电装置及方法。

背景技术

多节可充电电池串联而成的电池组，能够提供较高的串联电压，可应用于新能源汽车的电池管理系统，或与新能源汽车匹配的充电桩，无人机飞行器电池充放电管理等充放电装置。

由于各电池单体的充放电特性有差别，为了防止个别电池过充或长期未充满造成电池组的寿命缩短，已知采用电池管理系统(Battery Management System，BMS)，通过分别测量充电过程中每节电池单体的电压并根据所测量得到的电压分别为电池单体进行充电的均衡充电技术。

然而，在实现上述现有技术的过程中，发明人发现，这种均衡充电技术依赖于BMS系统对每节电池单体电压的检测，其实质上是人为地控制充电过程以实现均衡充电的目的。

发明内容

本发明提供一种均衡式充放电装置及方法，其能够在不依赖对电池组的每节电池电压的检测的情况下，以较简单的电路结构，实现充放电自动均衡的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种均衡式充放电装置，具备：

串联的多节电池，

电感变压器，其具有原边绕组及分别与多节电池并联的多个次级绕组，

多个开关管，用于将电路切换至不同的充放电模式，所述充放电模式包括均衡模式与非均衡模式，

以及开关管控制器，用于控制所述多个开关管的导通与关断；

其中，在所述开关管控制器通过控制所述多个开关管的通断，将所述充放电模式切换为均衡模式的情况下，所述原边绕组及所述次级绕组均处于导通状态，所述次级绕组以不同的电流为每节电池充电，

在所述开关管控制器通过控制所述多个开关管的通断，将所述充放电模式切换为非均衡模式的情况下，所述原边绕组处于导通状态而所述次级绕组处于断开状态，所述原边绕组与所述多节电池串联，每节电池以相同的电流进行充放电。

可选地，均衡式充放电装置还具备平衡电感，其与所述原边绕组串联后连接在电源输入输出端口的两端。

可选地，所述电池为N节，所述次级绕组为N个，所述开关管为N+2个，对于每节电池，一个所述次级绕组与一个所述开关管串联后再与该节电池并联，

对于N+2个开关管中未与所述次级绕组串联的第一开关管，其第一端连接N节电池的总正极，第二端连接所述原边绕组的第一端，

对于N+2个开关管中未与所述次级绕组串联的第二开关管，其第一端连接所述原边绕组的第一端，第二端连接所述电源输入输出端口的一端，

在所述开关管控制器控制与所述次级绕组串联的N个开关管及所述第二开关管导通，同时控制所述第一开关管关断时，所述充放电模式被切换为均衡模式，对应于N节所述电池的不同电压，N个所述次级绕组分别以不同的电流为每节电池充电，

在所述开关管控制器控制与所述次级绕组串联的N个开关管及所述第二开关管关断，同时控制所述第一开关管导通时，所述充放电模式被切换为非均衡模式，每节电池以相同的电流进行充放电。

可选地，所述电池为2节，所述次级绕组为2个，所述开关管为4个，

对于第一节电池，第一个次级绕组与第三开关管串联后再与该第一节电池并联，其中，所述第一个次级绕组的第一端与所述第一节电池的正极连接，第二端与所述第三开关管连接，

对于第二节电池，第二个次级绕组与第四开关管串联后再与该第二节电池并联，其中，所述第二个次级绕组的第一端与所述第二节电池的正极连接，第二端与所述第四开关管连接，

所述第一个次级绕组的第一端与所述第二个次级绕组的第一端相对所述原边绕组的第一端为异名端。

可选地，在所述均衡模式下，所述次级绕组以第一电流为所述第一节电池充电，以第二电流为所述第二节电池充电，其中，当所述第一节电池的电压高于所述第二节电池的电压时，所述第一电流低于所述第二电流。

可选地，在每节电池两端并联有一个电容，N节串联的电池的两端也并联一个电容，所述电源输入输出端口的两端也并联一个电容。

可选地，所述多个开关管为MOSFET金属-氧化层半导体场效晶体管，所述MOSFET的栅极与所述开关管控制器连接。

可选地，开关管控制器用于产生PWM信号，并根据所述PWM信号控制所述多个开关管的导通与关断。

另一方面，构造一种均衡式充放电方法，应用于上述均衡式充放电装置，包括如下步骤：

S1、在电源输入输出端口的两端连接有电源的情况下，当开关管控制器通过控制多个开关管的通断，将充放电模式切换为均衡模式时，电感变压器的原边绕组及次级绕组均处于导通状态，所述原边绕组通过所述次级绕组以不同的电流为每节电池充电，

S2、当所述开关管控制器通过控制所述多个开关管的通断，将所述充放电模式切换为非均衡模式时，所述原边绕组处于导通状态而所述次级绕组处于断开状态，所述原边绕组与所述多节电池串联，电源以相同的电流为每节电池进行充电，

S3、在电源输入输出端口的两端连接有负载的情况下，当所述开关管控制器通过控制所述多个开关管的通断，将所述充放电模式切换为非均衡模式时，所述原边绕组处于导通状态而所述次级绕组处于断开状态，所述原边绕组与所述多节电池串联，串联的多节电池相对负载以相同的电流进行放电，同时，所述次级绕组上蓄能而产生感应电动势，

S4、当开关管控制器通过控制多个开关管的通断，将充放电模式切换为均衡模式时，所述次级绕组上的所述感应电动势以不同的电流为每节电池充电，其中，步骤S4中的充电电流与步骤S3中的放电电流的方向相反。

本发明提供的均衡式充放电装置是一个既可以充电自动平衡，也可以放电自动平衡的二合一控制电路，正向升压充电，逆向降压输出，具有效率高、成本低、电路简单等特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明一实施例所涉及的均衡式充放电装置的电路示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明的一实施例所涉及的均衡式充放电装置的电路示意图。如图1所示，均衡式充放电装置10主要具备：串联的多节电池(在本实施例中以两节电池BT1、BT2为例)、电感变压器、多个开关管(在本实施例中以四个MOSFET开关管Q1A、Q1B、Q2、Q3为例)以及开关管控制器。

串联的多节电池BT1、BT2为可充电电池，例如可充电锂电池。

电感变压器具有原边绕组T1B与次级绕组T1A。原边绕组T1B的第一端(标号为4)与后述的第一开关管Q2及第二开关管Q3连接，第二端(标号为3)与后述的平衡电感L1连接。次级绕组T1A包括多个，与多节电池一一对应。在本实施例中，标号1、2之间的第一个次级绕组与电池BT1并联，标号5、6之间的第二次级绕组与电池BT2并联。并联之后的两组电池与次级绕组所构成的组件的一端，即电池组的总正极BAT+与后述的第一开关管Q2的第一端连接，另一端接地，使得当第一开关管Q2导通时，该组件与原边绕组T1B串联。

对于电感变压器，对应于其原边绕组T1B与每个次级绕组T1A之间的匝数比，原边绕组T1B与次级绕组T1A在工作时所产生的电动势的比例满足相应的匝数比关系。另外，电感变压器的原边绕组T1B与次级绕组T1A分别单独作为电感起作用时，还进行储能。电感变压器用于对电池组进行均衡式充放电，后述说明中将对此进行具体说明。

开关管的导通或关断，可将均衡式充放电装置10的电路切换到不同的充放电模式，所述充放电模式包括后述的均衡模式与非均衡模式。开关管例如可采用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)，但本发明对此不作限定，还可采用其他可在开关管控制器的控制下导通或关断的开关管。

在本实施例中，电池为两节BT1、BT2，可对应于每节电池设置一个开关管，在此，对应于第一节电池BT1可设置开关管Q1A(第三开关管)、对应于第二节电池BT2设置开关管Q1B(第四开光管)。并且，对于每节电池，一个次级绕组T1A与一个开关管串联后再与该节电池并联。在此，对于第一节电池BT1，标号1、2之间的第一个次级绕组与第三开关管Q1A串联后再与该节电池BT1并联；对于第二节电池BT2，标号5、6之间的第二个次级绕组与第四开关管Q1B串联后再与该节电池BT2并联。据此，开关管Q1A、Q1B能够分别控制与之串联的次级绕组的通断。

更具体地，对于N型MOSFET管的开关管Q1A、Q1B，其源极连接电池BT1、BT2的负极，漏极连接次级绕组T1A的一端(标号为2、6，记作第二端)。另外，其栅极连接开关管控制器，由开关管控制器提供栅极信号。

除了与次级绕组的串联的开关管Q1A、Q1B之外，还包括作为主开关元件的第一开关管Q2及第二开关管Q3。第一开关管Q2及第二开关管Q3同样可采用MOSFET管。

第一开关管Q2串联在电池组的总正极与原边绕组T1B的一端(标号4)之间，原边绕组T1B的这一端可称为第一端。也即，第一开关管Q2的第一端连接电池组的总正极BAT+，第二端连接原边绕组T1B的第一端。更具体地，对于P型MOSFET管的第一开关管Q2，其源极连接电池组的总正极BAT+，漏极连接原边绕组T1B的第一端。另外，其栅极连接开关管控制器，由开关管控制器提供栅极信号。

第二开关管Q3串联在原边绕组T1B的第一端与电源的一端(具体可为接地端)之间。也即，第二开关管Q3的第一端连接原边绕组T1B的第一端，第二端连接电源的接地端。更具体地，对于N型MOSFET管的第二开关管Q3，其漏极连接原边绕组T1B的第一端，源极连接电源的接地端。另外，其栅极连接开关管控制器，由开关管控制器提供栅极信号。

在本实施例中，次级绕组T1A的标号为1、5的这一端(第一端)与原边绕组T1B的第一端为异名端，与原边绕组T1B的第二端(标号为3)为同名端，但并不限于此。

开关管控制器用于控制每个开关管Q1A、Q1B、Q2、Q3的导通与关断，可采用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制器。开关管控制器可输出脉冲信号作为各开关管Q1A、Q1B、Q2、Q3的栅极信号。对于脉冲信号，在一个脉冲周期中，高电平可使开关管导通，低电平可使开关管关断(即截止)。开关管控制器通过控制各开关管Q1A、Q1B、Q2、Q3的通断，能够将均衡式充放电装置10的充电电路切换到不同的工作模式，即后述的均衡充电电路与非均衡充电电路。

此外，在电池BT1的两端，可并联电容C1，在电池BT2的两端，可并联电容C2。在两节电池串联之后的两端，即总正极BAT+与接地端SGND之间可并联电容C3。在外接电源的输入输出端，可并联电容C4。

以下，对均衡式充放电装置10的工作原理进行说明。均衡式充放电装置10具有充电自动平衡功能及放电自动平衡功能。在本实施例中，充电自动平衡功能是指，无需对电池组的每节电池电压进行检测的情况下，以较小的电流对电压高的电池进行充电，而以较大的电流对电压低的电池进行充电，使得电压不同的电池基本同时到达充满状态，防止高电压电池的过充或低电压电池的充电不足；放电自动平衡功能是指，无需对电池组的每节电池电压进行检测的情况下，使电压高的电池较大的电流进行放电，而电压低的电池以较小的电流进行放电，使得电压不同的电池在放电过程中电量的消耗程度基本相同，防止高电压电池的电量消耗慢或低电压电池的电量消耗快。

首先，对均衡式充放电装置10的充电自动平衡功能进行说明。在电源输入输出端连接有电源的情况下，当原边绕组T1B及次级绕组T1A均处于导通状态时，电路作为均衡充电电路(对应均衡充电模式)，由原边绕组T1B通过次级绕组T1A为电池充电。

具体地，在开关管控制器控制与次级绕组T1A串联的开关管Q1A、Q1B及第二开关管Q3导通，同时控制第一开关管Q2关断时，电路被切换为均衡充电电路。根据原边绕组T1B与次级绕组T1A上的电动势满足严格的匝数比的特性，可通过设置原边绕组T1B与次级绕组T1A之间的匝数比来设置两者间的感应电动势关系。

在次级绕组T1A侧，当第一开关管Q2关断且开关管Q1A导通时，第一节电池BT1与标号1、2之间的第一个次级绕组形成闭合回路。假设该次级绕组上的感应电动势为ε，电池BT1上的压降为V_BT1，而整个闭合回路(包括该电池BT1)的内阻为r，则该闭合回路上的电流i＝(ε-V_BT1)/r。即，通过电流i为电池BT1充电，随着充电的进行，V_BT1会增大，直至到达ε，此时，电池BT1充满(可预先设置ε等于电池BT1的设定充满电压)。第二节电池BT2与标号5、6之间的第二个次级绕组形成闭合回路也是类似的。

两节电池BT1、BT2所对应的闭合回路的不同之处在于，初始的电池压降V_BT1与内阻r不同，这是由各电池单体的充放电特性之间的差别造成的，广泛存在于各种充电装置的电池组中。然而，在本实施例提供的均衡充电电路中，由于对两电池BT1、BT2的充电电流满足i＝(ε-V_BT1)/r这一关系，因此，在内阻r基本相等的情况下，电池压降V_BT1越大，充电电流i就越小(当电池压降V_BT1大于ε时，充电电流i可为负值)，反之，电池压降V_BT1越小，充电电流i就越大。也就是说，利用较小的充电电流i(第一电流)对电池压降V_BT1较大电池进行充电，利用较大的充电电流i(第二电流)对电池压降V_BT1较小电池进行充电，即对电池压降V_BT1较大电池进行慢充，对电池压降V_BT1较小电池进行快充。因此，能够有利于拉齐两电池BT1、BT2之间的压降，即能够进行充电的均衡化。

另一方面，当原边绕组T1B处于导通状态而次级绕组T1A处于断开状态时，电路作为非均衡充电电路(非均衡充电模式)，由外接电源对电池进行无均衡的直通充电。

具体地，在开关管控制器控制与次级绕组T1A串联的开关管Q1A、Q1B及第二开关管Q3关断，同时控制第一开关管Q2导通时，电路被切换为非均衡充电电路。在非均衡充电电路中，两节电池BT1、BT2与原边绕组T1B串联后再接入电源两端，因此，通过两节电池BT1、BT2的充电电流相同。并且，此时的充电电流可设置得较大，例如，可设置得比均衡充电电路中的充电电流i要大，因此，此时能够同步快速对两节电池BT1、BT2进行充电，确保较高的充电速率。

也就是说，在均衡充电模式下(对应均衡充电电路)，为了以更小的单位更精确地均衡两电池BT1、BT2之间的压降V_BT1，充电电流i可设置得较小，此时的充电速率较低，但是，在非均衡充电模式(对应非均衡充电电路)，可设置较大的充电电流同步为两电池BT1、BT2充电，从而取得较高充电速率。由此可见，根据本实施例提供的均衡式充放电装置，能够在实现较精确的均衡效果的同时，保证较高的充电速率。

需要说明的是，在均衡充电阶段，原边绕组T1B与次级绕组T1A还进行了储能，因此，当电路切换为非均衡充电电路时能够快速而进行充电。

由上可知，根据本实施例提供的均衡式充放电装置，无需对电池组的每节电池电压的检测，能够以较简单的电路结构，实现充电自动均衡的目的。

在上述实施例的一个更具体的实现方式中，均衡式充放电装置10还具备平衡电感L1(为纯电感)，其与原边绕组T1B串联后连接在电源的两端。在均衡充电模式，平衡电感L1与原边绕组T1B及电源间构成串联回路。假设电源的输入电压为Vin，平衡电感L1上的压降为V_L，则原边绕组T1B上电动势为Ε＝Vin-V_L。

如上所述，在次级绕组T1A侧，随着充电的进行，电池BT1、BT2上的压降V_BT1、V_BT2会逐渐接近感应电动势ε，使得充电电流i产生变小的趋势，同时，次级绕组T1A会具有抵抗该充电电流i变小的趋势，也即，感应电动势ε有随着V_BT1、V_BT2的增大而增大的趋势。由于原边绕组T1B上的电动势Ε与次级绕组T1A的感应电动势ε满足线圈匝数比关系，因此，相应地，为次级绕组T1A提供能量的原边绕组T1B上的电动势Ε也具有随着V_BT1、V_BT2的增大而增大的趋势。然而，电源的输入电压Vin一般保持为恒压，因此，存在原边绕组T1B上的电动势Ε需变化与电源的输入电压Vin为恒压的矛盾。为此，在本实现方式中，通过增加一个平衡电感L1，利用该平衡电感L1在均衡充电电路中所分得电压V_L的变化，从而实现原边绕组T1B上的电动势Ε随V_BT1、V_BT2的变化而变化。也就是说，通过增加平衡电感L1，在电源的输入电压Vin保持为恒压时，也能实现感应电动势ε随着V_BT1、V_BT2变化而变化。因此，对于每节电池，能够保证在均衡充电模式以恒流i进行充电。

接着，对均衡式充放电装置10的放电自动平衡功能进行说明。在上述的外接电源的输入端连接负载的情况下，在电池组可逆向降压输出时，把电池组当作输入端，电容C4当作输出端，得到一个典型的BUCK降压拓扑结构。

具体地，当第一开关管Q2导通，第二开关管Q3、第三开关管Q1A、第四开关管Q1B关断时，电流I1经第一开关管Q2、原边绕组T1B和平衡电感L1输出到输出端口(即电容C4两端)，此过程中电感变压器的原边绕组T1B和平衡电感L1都处于储能过程，对应的次级绕组T1A的会产生一个感应电动势ε，感应电动势ε的方向由同名端决定。在本实施例中，标号1的一端为负，标号2的一端为正；标号5的一端为负，标号6的一端为正。由于此时第二开关管Q3、第三开关管Q1A、第四开关管Q1B都是关断的，所以次级绕组T1A与电池BT1、BT2之间都无法形成回路，无电流流经次级绕组T1A，即，此时电池放电无自动平衡功能，进行普通放电(无均衡放电模式)。

当第二开关管Q3、第三开关管Q1A、第四开关管Q1B导通，第一开关管Q2关断时，原边绕组T1B和平衡电感L1通过第二开关管Q3续流输出到输出端口(即电容C4两端)，此时电感变压器的次级绕组T1A的感应电动势ε的方向为：标号1的一端为正，标号2的一端为负；标号5的一端为正，标号6的一端为负。由于此时第三开关管Q1A、第四开关管Q1B是导通的，电池BT1、BT2与次级绕组T1A之间分别形成了回路，并对电池进行充电，假设各自的闭合回路的内阻为r，则充电电流为i＝(ε-V_BT1)/r。由此可知，电池电压高的充电电流小，电池电压低的充电电流大。由于此时是电池降压输出放电，假设无平衡电路时(即无均衡放电模式下)的电池放电电流为I1，则每个电池端的放电电流i’＝I1-i(由于普通放电时的放电电流I1与充电电流i之间的方向相反)(对应均衡放电模式)。由此可知，电池电压高的电池放电电流大，电池电压低的电池放电电流小，达到电池自动平衡的效果。

综上可知，均衡式充放电装置是一个既可以充电自动平衡，不依赖于对电池组的每节电池电压的检测，也可以放电自动平衡的二合一控制电路，正向升压充电，逆向降压输出，具有效率高、成本低、电路简单等特点。

另外，虽然在上述实施例中以两节电池为例进行说明，但可为两节以上的电池。具体地，设电池为N节(N大于2)，则对应地，次级绕组为N个，开关管为N+2个。对于每节电池，一个次级绕组与一个开关管串联后再与该节电池并联。

对于N+2个开关管中未与次级绕组串联的第一开关管，其第一端连接N节电池的总正极，第二端连接原边绕组的第一端；对于N+2个开关管中未与次级绕组串联的第二开关管，其第一端连接原边绕组的第一端，第二端连接电源输入输出端口的一端。

在开关管控制器控制与次级绕组串联的N个开关管及第二开关管导通，同时控制第一开关管关断时，充放电模式被切换为均衡模式，对应于N节电池的不同电压，N个次级绕组分别以不同的电流为每节电池充电。

在开关管控制器控制与次级绕组串联的N个开关管及第二开关管关断，同时控制第一开关管导通时，充放电模式被切换为非均衡模式，每节电池以相同的电流进行充放电。

对应于上述实施例，本发明的实施例还提供了一种均衡式充放电方法，可应用于上述实施例所述均衡式充放电装置，包括如下步骤：

关于均衡式充放电方法的实现，可参照上述实施例，在此不再赘述。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种均衡式充放电装置，其特征在于，具备：

串联的多节电池，

电感变压器，其具有原边绕组及分别与多节电池并联的多个次级绕组,

开关管控制器，用于控制所述多个开关管的导通与关断；

以及平衡电感，其与所述原边绕组串联后连接在电源输入输出端口的两端；

所述电池为N节，所述次级绕组为N个，所述开关管为N+2个，对于每节电池，一个所述次级绕组与一个所述开关管串联后再与该节电池并联，

2.根据权利要求1所述的均衡式充放电装置，其特征在于，

所述电池为2节，所述次级绕组为2个，所述开关管为4个，

3.根据权利要求2所述的均衡式充放电装置，其特征在于，在所述均衡模式下，所述次级绕组以第一电流为所述第一节电池充电，以第二电流为所述第二节电池充电，其中当所述第一节电池的电压高于所述第二节电池的电压时，所述第一电流低于所述第二电流。

4.根据权利要求2至3任一项所述的均衡式充放电装置,其特征在于,在每节电池两端并联有一个电容，N节串联的电池的两端也并联一个电容，所述电源输入输出端口的两端也并联一个电容。

5.根据权利要求2至3任一项所述的均衡式充放电装置，其特征在于,所述多个开关管为MOSFET金属-氧化层半导体场效晶体管，所述MOSFET的栅极与所述开关管控制器连接。

6.根据权利要求5所述的均衡式充放电装置，其特征在于，开关管控制器用于产生PWM信号，并根据所述PWM信号控制所述多个开关管的导通与关断。

7.一种均衡式充放电方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述的均衡式充放电装置，包括如下步骤：

S2、当所述开关管控制器通过控制所述多个开关管的通断，将充放电模式切换为非均衡模式时，所述原边绕组处于导通状态、而所述次级绕组处于断开状态，所述原边绕组与所述多节电池串联，电源以相同的电流为每节电池进行充电，

S3、在电源输入输出端口的两端连接有负载的情况下，当所述开关管控制器通过控制所述多个开关管的通断，将所述充放电模式切换为非均衡模式时，所述原边绕组处于导通状态、而所述次级绕组处于断开状态，所述原边绕组与所述多节电池串联，串联的多节电池相对负载以相同的电流进行放电，同时，所述次级绕组上蓄能而产生感应电动势，

S4、当开关管控制器通过控制多个开关管的通断，将充放电模式切换为均衡模式时，所述次级绕组上的所述感应电动势以不同的电流为每节电池充电，其中步骤S4中的充电电流与步骤S3中的放电电流的方向相反。