CN107994628B - 一种自动均压的电池充放电测试电路及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动均压的电池充放电测试电路，包括AC‑DC电源模块，所述电路上设有多路输出，用于连接待充放电测试的电池；所述待测试电池串联于电路中，每单节电池正极连接电路输出正端，负极连接电源输出电路，最底侧电池负端与电路接地线相连接；所述电路包括均压电路，所述均压电路包括双向升降压电路和超级电容，所述双向升降压电路输入侧串行连接于高压直流母线上，输出侧则为各路独立输出；所述超级电容串联于高压直流母线上；本发明中的电池充放电测试电路可以通过直流母线输入串联的方式将每个充放电DC‑DC模块的输入电压降低，以减小输入输出的电压变比；通过均压电路控制串联的超级电容端电压一致。

Description

一种自动均压的电池充放电测试电路及其使用方法

技术领域

本发明属于本发明属于电源技术领域，具体涉及一种带自动均压电路的直流输入侧串联，输出侧多路独立输出接多节电池的电池充放电测试的电源。

背景技术

二次电池即可充电电池，自发明以来得到了广泛的应用，从农业、工业到生活的方方面面都有二次电池的身影。由于具备重复的充放电功能，二次电池相较于一次电池具备无可媲美的优势，越来越多的被应用于能源储备、电子通讯、动力设备等重要领域。随着二次电池开发研究的深入和应用领域的不断拓广，二次电池性能参数的测试显得十分重要。在各种二次电池性能参数当中循环寿命、放电容量、充放电效率、放电倍率性能等充放电特征参数都可以通过循环充放电测试获得，是评价电池性能重要指标。

二次电池测试中最常见的即循环充放电测试，该项测试可反映电池在实际应用过程中的性能差异及电池之间的不同特性，针对不同的充放电测试，如恒流、恒压、均衡功率等充放电测试设置有不同种类的电池测试系统及设备。现有技术中的二次电池充放电系统往往存在功能单一、测试精度不高、稳定性差等不同的缺点，由于电池型号种类繁多，也难以开发出具有对所有电池均能够稳定测试的电池充放电测试系统。以锂离子电池为例，目前的锂电池充放电设备一般都是针对一组串联的锂电池或者单节锂电池进行充放电测试。单节锂电池由于电池电压较低，锂电池充放电设备充电时需要实现AC-DC模块整流和DC-DC模块降压，放电时需要实现DC-DC模块升压和DC-AC模块逆变，整体效率较低。且每台设备只能测试一节锂电池，多节锂电池的测试需要多台设备，且多为单向的充电电源，多路双向的电源较少，导致占用较大空间，成本也更高。工厂测试中，如电池功率较大，需要采用三相交流电输入，导致直流母线电压较高，而每节电池的端电压只有几伏，充放电时升降压的倍数过高，导致体积较大，影响效率。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种带自动均压的输入串联输出多路的电池充放电测试电源及其使用方法，可以通过直流母线输入串联的方式将每个充放电DC-DC模块的输入电压降低，以减小输入输出的电压变比；通过均压电路控制串联的超级电容端电压一致。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供了一种自动均压的电池充放电测试电路，包括AC-DC电源模块，所述电路上设有多路输出，用于连接待充放电测试的电池；所述待测试电池串联于电路中，每单节电池正极连接电路输出正端，负极连接电路输出负端，最底侧电池负端与电路接地线相连接；

所述电路包括均压电路，所述均压电路包括双向升降压电路和超级电容，所述双向升降压电路输入侧串行连接于高压直流母线上，输出侧则为各路独立输出；所述超级电容串联于高压直流母线上；

所述双向升降压电路包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、电感以及待测试电池，所述待测试电池作为该电路的负载；还包括高频变压器；

所述高频变压器正端与电源输入端以及第一功率开关管的c极相连，变压器负端与第一二极管正极相连，第一功率开关管的E极与电源输出负端相连，电池与电感及第三功率开关管串联，且与第二功率开关管、第三二极管并联，第二功率开关管与第三功率开关管的G极相连，第二功率开关管上并联第二二极管。

进一步地，所述双向升降压电路中测试电路的数量大于等于2。

本发明中还提供上述自动均压的电池充放电测试电路的使用方法，包括如下步骤：

S01：将电池装设于测试电路中，电池充电测试时，双向升降压电路中的第三功率开关管工作，使双向升降压电路处于降压模式，电流从高压直流母线侧向电池侧流动，通过第三功率开关管控制双向升降压电路的输出电压和电流，即控制电池的充电电压和电流，第二功率开关管则用于同步整流；

S02：电池放电测试时，双向升降压电路的第二功率开关管工作，控制双向升降压电路处于升压模式，电流从电池侧向高压直流母线侧流动，通过第二功率开关管控制双向升降压电路的反向输出电压和电流，即控制电池的放电电压和电流，第三功率开关管则用于同步整流。

进一步地，测试电路超级电容两侧设有电压检测装置、超级电容控制电路及超级电容电压均衡电路；测试电路的数量大于等于2、当每一测试电路中超级电容两侧电压不均衡时，控制电路控制电压低的超级电容所对应的超级电容均衡电路工作，为其补充电量，抬升其电压，使其达到和其它超级电容相同的电压值。

本发明具有以下优点：

1、本发明提供了一种带自动均压的输入串联输出多路的电池充放电测试电路及其使用方法，可以通过直流母线输入串联的方式将每个充放电DC-DC模块的输入电压降低，以减小输入输出的电压变比；通过均压电路控制串联的超级电容端电压一致。

2、本发明中的测试电路采用串联输入、分别输出的拓扑结构，提高了系统效率，集成度也更高。串联输入采用电容分压，利用主动均衡系统实现电容均压。

附图说明

图1为本发明中自动均压的电池充放电测试电路整体结构示意图；

图2为本发明中自动均压的电池充放电测试电路测试模式示意图；

图3为本发明中自动均压的电池充放电测试电路放电测试模式示意图；

图4为本发明中自动均压的电池充放电测试电路均衡过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

本发明实施例中提供的自动均压电池充放电测试电路的整体结构及充放电测试模式示意图、电路均衡过程示意图如附图1-4所示。

本实施例中的双向AC-DC电源为系统中的电源提供一个稳定的高压直流母线。实施例中的自动均压电池充放电测试电路上设有多路输出，用于连接待充放电测试的电池B1、B2，待测试电池B1、B2串联于电路中，每单节电池正极连接电路输出正端，负极连接电路输出负端，最底侧电池负端与电路接地线相连接。

电路上还包括均压电路，该均压电路包括双向升降压电路和超级电容。如附图，电池B1、电池B2分属所在的第一均压电路和第二均压电路。第一均压电路包括该电路中的双向升降压电路和超级电容C1，第二均压电路包括该电路中的双向升降压电路和超级电容C2。

电池B1所在的第一均压电路中的双向升降压电路包括第一功率开关管K11、第二功率开关管K12、第三功率开关管K13、第一二极管D11、第二二极管D12、第三二极管D13、电感L1以及待测试电池B1，所述待测试电池作为该电路的负载；还包括高频变压器T1。高频变压器T1正端与电源输入端以及第一功率开关管K11的c极相连，变压器T1负端与第一二极管D11正极相连，第一功率开关管K11的E极与电源输出负端相连，电池B1与电感L1及第三功率开关管D13串联，且与第二功率开关管D12、第三二极管K13并联，第二功率开关管D12与第三功率开关管D13的G极相连，第二功率开关管D12上并联第二二极管D12。

同样的，电池B2所在的第二均压电路中的双向升降压电路包括第一功率开关管K21、第二功率开关管K22、第三功率开关管K23、第一二极管D21、第二二极管D22、第三二极管D23、电感L2以及待测试电池B2，所述待测试电池作为该电路的负载；还包括高频变压器T2。高频变压器T2正端与电源输入端以及第一功率开关管K21的c极相连，变压器T2负端与第一二极管D21正极相连，第一功率开关管K21的E极与电源输出负端相连，电池B2与电感L2及第三功率开关管D23串联，且与第二功率开关管D22、第三二极管K23并联，第二功率开关管D22与第三功率开关管D23的G极相连，第二功率开关管D22上并联第二二极管D22。

上述双向升降压电路输入侧串行连接于高压直流母线上，输出侧则为各路独立输出；超级电容C1、C2串联于高压直流母线上。上述双向升降压电路中测试电路的数量大于等于2，即在实际应用过程中，可以同时在电路中并联相同构成的双向升降压电路和超级电容，可同时用于测试电池B1、B2、B3、B4……乃至BN。

上述自动均压的电池充放电测试电路的使用方法包括如下步骤，如附图2-4所示：

S01：将电池装设于测试电路中，电池充电测试时，双向升降压电路中的第三功率开关管K13、K23工作，使双向升降压电路处于降压模式，电流从高压直流母线侧向电池侧流动，通过第三功率开关管K13、K23控制双向升降压电路的输出电压和电流，即控制电池的充电电压和电流，第二功率开关管K12、K22则用于同步整流；

S02：电池放电测试时，双向升降压电路的第二功率开关管K12、K22工作，控制双向升降压电路处于升压模式，电流从电池侧向高压直流母线侧流动，通过第二功率开关管K12、K22控制双向升降压电路的反向输出电压和电流，即控制电池的放电电压和电流，第三功率开关管K13、K23则用于同步整流。

进一步进行改进，测试电路超级电容两侧还可设有电压检测装置、超级电容控制电路及超级电容电压均衡电路。当测试电路的数量大于等于2、当每一测试电路中超级电容两侧电压不均衡时，控制电路控制电压低的超级电容所对应的超级电容均衡电路工作，为其补充电量，抬升其电压，使其达到和其它超级电容相同的电压值。

由上述实施例可以看出，本发明采用AC-DC模块整流/逆变，多个双向DC-DC模块输入串联，用于高压到低压变换，整流后的高压直流母线经过电容或超级电容分压，再由双向DC-DC模块进行电压和电流的控制，充电使用降压拓扑，放电使用升压拓扑。每一个超级电容和对应的电池之间电压差别较小，使得DC-DC模块的电压变比很小，利于实现模块的小型化和效率的优化。由于各个电池的充放电状态不一定一致，使得串联的电容上电量不一致，差别较大时会影响系统工作。因此设计了主动均压电路，设计反激变换器用来实现各个电容的均压调节，反激变换器的能量输入来自于DC直流母线，因为均压所需要的能量较小，反激变换器功率和体积可以做的很小。DC直流母线的电压则由双向AC-DC模块控制，通过整流或逆变实现DC直流母线电压的稳定。

本发明中的测试电源系统可以处于一下几种工作模式：

（1）充电测试模式：串联的各个双向DC-DC模块处于降压模式，通过BUCK电路为电池充电，开关管Kn3控制电压和电流，开关管Kn2做同步整流，提高效率；AC-DC模块工作在PFC整流状态，从电网输入能量。（n为均压电路序号）

（2）放电测试模式：串联的各个双向DC-DC模块处于降压模式，通过BOOST电路为电池放电，开关管Kn2控制电压和电流，开关管Kn3做同步整流，提高效率；AC-DC模块工作在逆变状态，向电网馈入能量。

（3）停止模式：各节电池既不充电也不放电，处于未工作模式。

（4）均衡模式：当电池充电或放电时，由于各节电池的性能差异，会导致充放电测试的电流不一样，因此串联在直流母线上的电容C1，C2，……，Cn会发生电量差异，电压不一致。通过由反激变换器构成的均衡电路则启动工作，为电压低的电容补充电量，维持系统各个串联电容的电压均衡。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种自动均压的电池充放电测试电路，包括AC-DC电源模块，其特征在于：

所述测试电路上设有两个或两个以上输出电路，分别用于连接待测试电池；所述待测试电池串联于电路中，每单节电池正极连接电路输出正端，负极连接电路输出负端，最底侧电池负端与电路接地线相连接；

所述测试电路包括两个或两个以上均压电路，每个均压电路包括双向升降压电路和超级电容，所述双向升降压电路输入侧串行连接于高压直流母线上，输出侧则为各路独立输出；所述超级电容串联于高压直流母线上；

所述每个双向升降压电路包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、电感以及待测试电池，所述待测试电池作为该双向升降压电路的负载；每个双向升降压电路还包括高频变压器；

所述高频变压器正端与电源输入端以及第一功率开关管的C极相连，变压器负端与第一二极管正极相连，第一功率开关管的E极与电源输出负端相连，所述待测试电池与电感及第三功率开关管串联，且与第二功率开关管、第三二极管并联，第二功率开关管与第三功率开关管的G极相连，第二功率开关管上并联第二二极管；

测试电路的超级电容两侧设有电压检测装置、超级电容控制电路及超级电容电压均衡电路；当均压电路中超级电容两侧电压不均衡时，控制电路控制电压低的超级电容所对应的超级电容均衡电路工作，为其补充电量，抬升其电压，使其达到和其它超级电容相同的电压值；

所述自动均压的电池充放电测试电路，测试时包括如下步骤：

S01：将电池装设于测试电路中，电池充电测试时，双向升降压电路中的第三功率开关管工作，使双向升降压电路处于降压模式，电流从高压直流母线侧向电池侧流动，通过第三功率开关管控制双向升降压电路的输出电压和电流，即控制电池的充电电压和电流，第二功率开关管则用于同步整流；

S02：电池放电测试时，双向升降压电路的第二功率开关管工作，控制双向升降压电路处于升压模式，电流从电池侧向高压直流母线侧流动，通过第二功率开关管控制双向升降压电路的反向输出电压和电流，即控制电池的放电电压和电流，第三功率开关管则用于同步整流。