CN109103971A - 一种主动均衡电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动均衡电路及方法，包括：控制电路，根据某单体电池电压与其他电池电压的差值，通过控制三极管的导通与关断，以控制与其相连接的功率变换电路的启停；功率变换电路，采集电池电压的电压值，当电池电压小于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒流源模式为电池充电；当电池电压大于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒压源模式为电池充电。本发明有益效果：采用电压源和电流源切换的控制策略，保证功率变换电路安全可靠运行。将充电控制电路和功率变换电路有效结合，替换掉现在广泛使用的充电芯片和隔离变换的方案，提高系统效率，降低系统成本。

Description

一种主动均衡电路及方法
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车和微电网储能系统领域，特别涉及一种锂电池管理系统，旨在提出一种低成本高效率的主动均衡电路及方法。
背景技术
为弥补某些电池老化所带来的电压、容量差异，可采用被动均衡或主动均衡方式解决差异问题。被动均衡技术通过在各单体电池两端并联放电电阻，充电过程中当单体电池压差超过一定阀值时，启动放电开关，多余的电池能量以热量的方式耗散。目前市场中主流的主动均衡电路多采用电压隔离变换和充电芯片相结合的方式，电压隔离变换电路实现电气隔离并将外部高电压转换为充电芯片所能接收的电压范围，充电芯片作为电流源结合系统充电电流需求完成充电过程。
采用上述现有方案能够完成电池的主动均衡功能，但是由于采用电压隔离变换电路和充电芯片两部分相结合的方案，充电芯片成本高，并且，实际运行时，电压隔离变换电路和充电芯片采用级联的模式，导致主动均衡电路的均衡效率降低并增加电路成本。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种主动均衡电路及方法，采用电压源和电流源切换的控制策略，保证功率变换电路安全可靠运行；将充电控制电路和功率变换电路有效结合，替换掉现在广泛使用的充电芯片和隔离变换的方案，提高系统效率，降低系统成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
在一个或多个实施方式中公开的一种主动均衡电路，包括：
控制电路，根据某单体电池电压与其他电池电压的差值，通过控制三极管的导通与关断，以控制与其相连接的功率变换电路的启停；
功率变换电路，采集电池电压的电压值，当电池电压小于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒流源模式为电池充电；当电池电压大于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒压源模式为电池充电。
进一步地，所述控制电路包括单片机、三极管Q1和三极管Q3；所述单片机与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与三极管Q3的基极连接。
进一步地，当检测到某节单体电池电压低于其他电池的电压超过设定阀值时，单片机输出高电平控制三极管Q1导通，三极管Q3的基极变为低电平，三极管Q3导通，控制电路开启，为功率变换电路供电，实现电池充电；
当检测到被充电电池电压与其他电池电压的压差低于设定阀值时，单片机输出低电平控制三极管Q1关断，三极管Q3的基极变为高电平，三极管Q3关断，控制电路关闭。
进一步地，所述功率变换电路包括：隔离变压器、控制器和运算放大器U2A和运算放大器U2B；
运算放大器U2A的正极输入端输入电池电压信号，运算放大器U2B的正极输入端输入充电电流信号转换的电压信号；
所述运算放大器U2A和运算放大器U2B的输出端分别通过光耦U24连接至控制器；所述控制器与MOS管Q2连接后，连接至隔离变压器的原边，所述隔离变压器的副边连接充电电池。
进一步地，当运算放大器U2A的输出端电压大于运算放大器U2B的输出端电压时，运算放大器U2A的输出端电压大于光耦导通的基准电压，运算放大器U2A的输出端电压通过光耦反馈至控制器，控制器根据反馈的电压值，通过控制输出PWM信号占空比，控制MOS管Q2的导通和关闭，实现以恒流源方式为电池充电。
进一步地，当运算放大器U2A的输出端电压小于运算放大器U2B的输出端电压时，运算放大器U2B的输出端电压大于光耦导通的基准电压，运算放大器U2B的输出端电压通过光耦反馈至控制器，控制器根据反馈的电压值，通过控制输出PWM信号占空比，控制MOS管Q2的导通和关闭，实现以恒压源方式为电池充电。
进一步地，MOS管Q2导通时，隔离变压器的原边线圈存储能量，当MOS管Q2关断后，隔离变压器原边线圈存储的能量传递到隔离变压器副边线圈，然后经过整流和滤波后为电池充电。
在一个或多个实施方式中公开的一种主动均衡电路的工作方法，包括：
当检测到某节单体电池电压低于其他电池的电压超过设定阀值时，控制电路开启，为功率变换电路供电；
功率变换电路采集电池电压，当电池电压小于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒流源模式为电池充电；当电池电压大于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒压源模式为电池充电；
当检测到被充电电池电压与其他电池电压的压差低于设定阀值时，控制电路关闭，功率变换电路停止为电池充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用电压源和电流源切换的控制策略，保证功率变换电路安全可靠运行。
将充电控制电路和功率变换电路有效结合，替换掉现在广泛使用的充电芯片和隔离变换的方案，提高系统效率，降低系统成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是控制电路结构示意图；
图2是功率变换电路结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在一个或多个实施例中，公开了一种主动均衡电路，包括：控制电路和功率变换电路，控制电路根据系统均衡要求控制功率变换电路是否对电池进行充电。功率变换电路实现电能变换。
控制电路包括：单片机、三极管Q1和三极管Q3；单片机与三极管Q1的基极连接，通过输出高低电平控制三极管Q1的导通或关闭，三极管Q1的集电极与三极管Q3的基极连接，三极管Q1导通时，三极管Q3的基极变为低电平，三极管Q3导通；三极管Q1关闭时，三极管Q3的基极变为高电平，三极管Q3关闭。
控制电路具体结构如图1所示，包括：单片机经过电阻R69与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极经过电阻R68与三极管Q3的基极连接，三极管Q1的发射极接地，在三极管Q1的基极和发射极之间串联电阻R70；三极管Q3的发射极分别连接+24V电源和电容C37的一端，电容C37的另一端接地；三极管Q3的集电极连接功率变换电路，在三极管Q3的发射极与三极管Q1的集电极之间串联电阻R18。
当检测到某节单体电池电压低于其他电池电压超过一定阀值时，系统启动主动均衡控制电路。单片机输出的控制信号CTRL变为高电平，控制三极管Q1导通，三极管Q3的基极变为低电平，Q3导通，实现控制电路开启，进而为功率变换电路供电，实现电池充电。
当检测到被充电电池电压与其他电池电压压差低于一定阀值时，单片机输出的控制信号CTRL变为低电平，控制三极管Q1关断，三极管Q3的基极变为高电平，Q3关断，实现控制电路关闭。
功率变换电路的作用是为电池充电，初始充电时，均衡电路工作于电流源模式，以恒定电流对电池充电，当电池电压达到一定阀值时，为防止电池过充，切换为电压源模式，以恒定电压对电池充电，随着充电过程的进行，充电电流逐步减小，直至充到指定电压值。这样能够避免电池出现过充的问题。
功率变换电路结构如图2所示，包括：隔离变压器、控制器和运算放大器U2A和运算放大器U2B；
隔离变压器的原边和副边是完全电气隔离的，隔离变压器的原边是低电压，副边是高电压，一是为了安全，实现高低电压隔离，二是给不同参考地之间实现隔离。
隔离变压器的副边经过二极管D5整流以及电容CA4、电容CA5和后续并联电容滤波后实现给电池充电。给电池充电时，发光二极管LED9导通，起到充电指示的作用。
运算放大器U2A的正极输入端分别连接电阻R4的一端和电阻R6的一端，电阻电阻R6的另一端接地，电阻R4的另一端连接电池电压；正常情况下，电阻R4的另一端接3.2V～4.2V电压，但是当给多节电池充电时，也可以接更高的电压，比如图2中，给4节电池充电，因此，电阻R4的另一端连接18V电压。运算放大器U2A的负极输入端串联电阻R8后接地。
运算放大器U2B的正极输入端连接电阻R2，电阻R2上流过的电流是电池充电电流，将充电电流转换为电压信号，实现电流采集。
运算放大器U2A和运算放大器U2B的输出端分别串联二极管后，经过电阻R13连接光耦U24的1号管脚，光耦U24的2号管脚连接光耦导通的基准电压U25；光耦U24的3号管脚和光耦U24的4号管脚分别连接控制器。
运放U2A输出的电压值是电池电压，运放U2B输出的电压值是充电电流信号转换的电压信号。
如图2所示，控制电路导通后输出的+24V作为输入电源与功率变换电路的+24V相连，功率变换电路开始为电池充电；
充电初期，电池电压较低，U2A输出电压大于U2B电压，且电压值大于光电耦合器导通的基准值U25，U2A电压通过光耦U24反馈至控制芯片，控制芯片根据反馈的电压值大小调节PWM信号占空比，控制MOS管Q2的开闭，实现功率控制，此时均衡电路工作于恒流源模式。
当MOS管Q2导通后，隔离变压器的原边线圈存储能量，当MOS管Q2关断后，隔离变压器原边线圈存储的能量传递到变压器副边线圈，然后经过D5整流和电容滤波后实现给电池充电。控制芯片U1循环输出PWM波控制Q2的开关，以此实现电池充电控制。
随着电池电压的升高，U2B输出电压大于U2A输出电压，且大于光电耦合器导通的基准值U25，此时光耦U24反馈的电压值为U2B输出电压，控制芯片根据该电压值调节PWM占空比，控制MOS管Q2的开闭，使均衡电路切换于恒压源模式，实现恒压充电。
当检测到电池电压充电至规定阀值时，系统通过单片机输出的CTRL引脚关断均衡电路的控制电路部分，完成主动均衡充电。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种主动均衡电路，其特征在于，包括：
控制电路，根据某单体电池电压与其他电池电压的差值，通过控制三极管的导通与关断，以控制与其相连接的功率变换电路的启停；
功率变换电路，采集电池电压的电压值，当电池电压小于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒流源模式为电池充电；当电池电压大于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒压源模式为电池充电。
2.如权利要求1所述的一种主动均衡电路，其特征在于，所述控制电路包括单片机、三极管Q1和三极管Q3；所述单片机与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与三极管Q3的基极连接。
3.如权利要求2所述的一种主动均衡电路，其特征在于，当检测到某节单体电池电压低于其他电池的电压超过设定阀值时，单片机输出高电平控制三极管Q1导通，三极管Q3的基极变为低电平，三极管Q3导通，控制电路开启，为功率变换电路供电，实现电池充电；
当检测到被充电电池电压与其他电池电压的压差低于设定阀值时，单片机输出低电平控制三极管Q1关断，三极管Q3的基极变为高电平，三极管Q3关断，控制电路关闭。
4.如权利要求1所述的一种主动均衡电路，其特征在于，所述功率变换电路包括：隔离变压器、控制器和运算放大器U2A和运算放大器U2B；
运算放大器U2A的正极输入端输入电池电压信号，运算放大器U2B的正极输入端输入充电电流信号转换的电压信号；
所述运算放大器U2A和运算放大器U2B的输出端分别通过光耦U24连接至控制器；所述控制器与MOS管Q2连接后，连接至隔离变压器的原边，所述隔离变压器的副边连接充电电池。
5.如权利要求4所述的一种主动均衡电路，其特征在于，当运算放大器U2A的输出端电压大于运算放大器U2B的输出端电压时，运算放大器U2A的输出端电压大于光耦导通的基准电压，运算放大器U2A的输出端电压通过光耦反馈至控制器，控制器根据反馈的电压值，通过控制输出PWM信号占空比，控制MOS管Q2的导通和关闭，实现以恒流源方式为电池充电。
6.如权利要求4所述的一种主动均衡电路，其特征在于，当运算放大器U2A的输出端电压小于运算放大器U2B的输出端电压时，运算放大器U2B的输出端电压大于光耦导通的基准电压，运算放大器U2B的输出端电压通过光耦反馈至控制器，控制器根据反馈的电压值，通过控制输出PWM信号占空比，控制MOS管Q2的导通和关闭，实现以恒压源方式为电池充电。
7.如权利要求5或6所述的一种主动均衡电路，其特征在于，MOS管Q2导通时，隔离变压器的原边线圈存储能量，当MOS管Q2关断后，隔离变压器原边线圈存储的能量传递到隔离变压器副边线圈，然后经过整流和滤波后为电池充电。
8.一种主动均衡电路的工作方法，其特征在于，包括：
当检测到某节单体电池电压低于其他电池的电压超过设定阀值时，控制电路开启，为功率变换电路供电；
功率变换电路采集电池电压，当电池电压小于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒流源模式为电池充电；当电池电压大于设定值时，通过调节PWM信号占空比，控制功率变换电路以恒压源模式为电池充电；
当检测到被充电电池电压与其他电池电压的压差低于设定阀值时，控制电路关闭，功率变换电路停止为电池充电。
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