CN110601290A - 一种三电平电池组的充放电电路 - Google Patents
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Abstract
一种三电平电池组的充放电电路，在锂电池组的正极至中性极间的正极组和中性极至负极间的负极组的两端分别并联设有第一分流单元和第二分流单元，并由BMS控制单元监测正极组和负极组的电压，在正极组电压高于负极组电压时，控制第一开关闭合和第二开关断开，在正极组电压低于负极组电压时，控制第一开关断开和第二开关闭合，从而实现锂电池组正负两端充电电压的均衡。本发明的充放电电路，采用单电平的充电机配合组间均衡电路，实现了对三电平电池组的均衡充电，有效地延长了电池组的放电时间和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及UPS行业的锂电池技术领域，更具体来讲，涉及一种三电平电池组的充放电电路。
背景技术
带中线的三电平电池组与UPS母线连接，在放电时由于UPS端负载水平的波动，使得电池组的正极和负极放电不均衡，而在充电时，正极和负极又通过同一充电回路一起充电。久而久之，电池正、负两端的放电电压不一致，从而使电池组放电能力变差。若考虑采用对正极和负极各设一充电回路分开充电，不仅导致硬件成本过高，还增大了装置的体积，与小型精细化的设计方向相去甚远。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种三电平电池组的充放电电路。
为实现上述目的，本发明提供了一种三电平电池组的充放电电路，用于在UPS设备中对电池组进行充放电；所述UPS设备具有母线，其具有高电位端、低电位端和中电位端，并电连接电池组以在充放电时分别作为电源和负载；所述电路包括：
锂电池组，包括多个电池单元，并具有正极、负极和中性极，其分别与母线的高电位端、低电位端和中电位端电连接；所述正极至中性极间的电池单元构成正极组，所述中性极至负极间的电池单元构成负极组；
直流充电机，其输入端电连接母线的高电位端和低电位端，其输出端电连接锂电池组的正极和负极，以建立充电回路；其还控制所述充电回路的闭合或断开，并调整充电电压和充电电流；
第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的正极和负极分别连接锂电池组的正极和母线的高电位端，所述第二二极管的正极和负极分别连接母线的低电位端和锂电池组的负极，以建立放电回路；
第一分流单元和第二分流单元；所述第一分流单元包括第一分流电阻和第一开关，其并联设于正极组的两端；所述第二分流单元包括第二分流电阻和第二开关，其并联设于负极组的两端；
BMS控制单元，其电连接锂电池组以检测其充电电压，并电连接第一开关和第二开关；其在正极组电压高于负极组电压时，控制第一开关闭合，第二开关断开；其在正极组电压低于负极组电压时，控制第一开关断开，第二开关闭合。
在某一实施例中：所述第一开关和第二开关为继电器或接触器。
在某一实施例中：所述BMS控制单元电连接每个电池单元，以分别获取其充电电压，并经累加计算获得所述正极组电压和负极组电压。
在某一实施例中：还包括电流传感器，其电连接所述BMS控制单元，并设于所述充电回路上，用以检测锂电池组的充电电流；
所述BMS控制单元还电连接所述直流充电机，以根据所检测的充电电流和充电电压控制直流充电机闭合或断开充电回路，或调整充电电压和充电电流。
在某一实施例中：所述BMS控制单元通过CAN总线与直流充电机进行通信。
在某一实施例中：还包括直流断路器，其设于母线和锂电池组间，用于控制母线和锂电池组间电连接的通断。
在某一实施例中：所述直流断路器为三极断路器，其分别用于控制所述正极与高电位端、负极与低电位端、中性极与中电位端间电连接的通断。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明实施例的三电平电池组充放电电路，通过在锂电池组的正极至中性极间的正极组和中性极至负极间的负极组的两端分别并联设有第一分流单元和第二分流单元，并由BMS控制单元监测正极组和负极组的电压，在正极组电压高于负极组电压时，控制第一开关闭合和第二开关断开，以使第一分流电阻分去正极组的一部分充电电流，从而使正极组和负极组的电压接近一致；而在正极组电压低于负极组电压时，控制第一开关断开和第二开关闭合，以使第二分流电阻分去负极组的一部分充电电流，从而也能使正极组和负极组的电压接近一致；
(2)本发明实施例的三电平电池组充放电电路，采用单电平的充电机，并配合组间均衡电路，实现了对三电平电池组的均衡充电，解决了由于电池放电不平衡而导致的充电不平衡的问题，在充电过程中对电池长期放电不平衡造成的电池内部电解质不平衡的问题进行了校正，有效地延长了电池组的放电时间和使用寿命；
(3)本发明实施例的三电平电池组充放电电路，未采用正极组和负极组分开充电的构造，而是通过二极管的截止特性在时序上分开充电回路与放电回路，放电回路能够始终处于准备状态，确保UPS设备使用锂电池组放电的连续性和可靠性，其还有效地节约了成本，维持了UPS设备的小体积优势；
(4)本发明实施例的三电平电池组充放电电路，直流充电机可内置于电池组，使得UPS设备可以对锂电池组进行无线通信充电，并且该充放电电路可无缝替换原有的铅酸电池组，方便UPS设备的改造；
(5)本发明实施例的三电平电池组充放电电路，第一开关和第二开关为继电器或接触器，以实现分流支路的快速通断响应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的电路结构图；
图2是本发明实施例的芯片引脚连接示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本发明实施例，本领域的普通技术人员在不作出创造性劳动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。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了孔组别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体保护范围。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“固接”或“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸地固定连接、可拆卸地固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
本发明实施例提供了一种三电平电池组的充放电电路，用于在UPS设备中对电池组进行充放电。所述UPS设备具有母线，其具有高电位端A’、低电位端B’和中电位端C’，并电连接电池组以在充放电时分别作为电源和负载。
具体的，所述电路包括：锂电池组、直流充电机、第一二极管和第二二极管、第一分流单元和第二分流单元和BMS控制单元。
所述锂电池组包括多个电池单元，并具有正极A、负极B和中性极C，其分别与母线的高电位端A’、低电位端B’和中电位端C’电连接，以初步构建充放电回路。其中，本发明实施例定义所述正极A至中性极C间的电池单元构成正极组，所述中性极C至负极B间的电池单元构成负极组。
所述直流充电机的输入端电连接母线的高电位端A’和低电位端B’，其输出端电连接锂电池组的正极A和负极B，以在母线和锂电池组间建立充电回路。该直流充电机用于控制所述充电回路的闭合或断开，以控制锂电池组的充电过程。此外，其还能够调整充电电压和充电电流，以匹配锂电池的充电策略。
所述第一二极管的正极和负极分别连接锂电池组的正极A和母线的高电位端A’，所述第二二极管的正极和负极分别连接母线的低电位端B’和锂电池组的负极B。其分别并联设于直流充电机相应的输入端和输出端之间，以建立放电回路。
所述第一分流单元包括第一分流电阻和第一开关，其并联设于正极组的两端；所述第二分流单元包括第二分流电阻和第二开关，其并联设于负极组的两端。
所述BMS控制单元电连接锂电池组以检测其充电电压，其还电连接第一开关和第二开关，以在正极组电压高于负极组电压时，控制第一开关闭合，第二开关断开；并在正极组电压低于负极组电压时，控制第一开关断开，第二开关闭合。
在上述电路中，通过在锂电池组的正极A至中性极C间的正极组和中性极C至负极B间的负极组的两端分别并联设有所述第一分流单元和第二分流单元，并由BMS控制单元监测正极组和负极组的电压，在正极组电压高于负极组电压时，控制第一开关闭合和第二开关断开，以使第一分流电阻分去正极组的一部分充电电流，从而使正极组和负极组的电压接近一致；而在正极组电压低于负极组电压时，控制第一开关断开和第二开关闭合，以使第二分流电阻分去负极组的一部分充电电流，从而也能使正极组和负极组的电压接近一致。
本发明实施例的充放电电路，采用单电平的充电机，并配合组间均衡电路，实现了对三电平电池组的均衡充电，解决了由于电池放电不平衡而导致的充电不平衡的问题，在充电过程中对电池长期放电不平衡造成的电池内部电解质不平衡的问题进行了校正，有效地延长了电池组的放电时间和使用寿命。因此，本发明实施例的电路未采用正极组和负极组分开充电的构造，而是通过二极管的截止特性在时序上分开充电回路与放电回路，放电回路能够始终处于准备状态，确保UPS设备使用锂电池组放电的连续性和可靠性，其还有效地节约了成本，维持了UPS设备的小体积优势。
此外，直流充电机可内置于电池组，使得UPS设备可以对锂电池组进行无线通信充电，并且该充放电电路可无缝替换原有的铅酸电池组，方便UPS设备的改造。
具体结构中，所述第一开关和第二开关为继电器或接触器，以实现分流支路的快速通断响应。此外，所述BMS控制单元电连接每个电池单元，以分别获取其充电电压，并经累加计算获得所述正极组电压和负极组电压。
进一步的，所述电路还包括电流传感器，其电连接所述BMS控制单元，并设于所述充电回路上，用以检测锂电池组的充电电流。本实施例中，所述电流传感器为霍尔电流传感器，其设于锂电池组的正极和直流充电机的输出端之间。在此基础上，所述BMS控制单元还电连接所述直流充电机，以根据所检测的充电电流和充电电压并结合BMS控制单元内置的充电策略来控制直流充电机闭合或断开充电回路，或调整充电电压和充电电流。值得说明的是，上述BMS控制单元的充电策略为现有技术，本发明不再赘述。优选的，所述BMS控制单元通过CAN总线与直流充电机进行稳定通信，以将控制信号传递给直流充电机。
一实施例中，所述电路还包括直流断路器，其设于母线和锂电池组间，用于控制母线和锂电池组间电连接的通断，以在放电过程供UPS设备切换是否通过锂电池组对UPS负载进行供电。具体的，所述直流断路器为三极断路器，其分别用于控制所述正极A与高电位端A’、负极B与低电位端B’、中性极C与中电位端C’间电连接的通断。
参照图2，本实施例中，所述BMS控制单元包括BMS控制芯片和电压采集芯片。所述BMS控制芯片的型号为PIC32MX795F512L，其通过CAN总线与型号为LT6811的电压采集芯片电连接，该LT6811电压采集芯片电连接各电池单元，以获得所述锂电池组的电压，以供BMS控制芯片进行控制。此外，本实施例中，所述CAN总线采用TD301DCAN的CAN芯片，其电连接所述BMS控制芯片的C1RX引脚和C1TX引脚，其CANH引脚和CANL引脚均电连接所述直流充电机。所述BMS控制芯片的RG12引脚和RG13引脚电连接驱动芯片ULN2003，其RLY-A引脚和RLY-B引脚分别电连接所述第一开关和第二开关的信号输入端。所述BMS控制芯片的AN3引脚电连接驱动芯片TL072，其Isamp引脚电连接所述电流传感器。
本发明的具体工作原理介绍如下：
在充电时，由UPS设备给锂电池充电，电流从母线的高电位端A’流入直流断路器，再进入直流充电机，穿过霍尔电流传感器，流经正极A进行充电，途经中性极C，再由负极B流经直流充电机和直流断路器，最后回到母线的低电位端B’。其中，BMS控制单元实时监控锂电池组的充电总电流、总电压、各单体电池电压和温度，根据锂电池组的充电策略通过CAN总线与直流充电机通信，并控制其设定充电电压、充电电流、闭合或断开充电回路，实现充电或停止充电。当出现正极组和负极组的电压不一致时，如正极组的电压高于负极组，则闭合第一开关，使第一分流电阻分掉正极组的一部份电流，从而使正极组和负极组电压接近一致。反之当负极组的电压高于正极组时，则闭合第二开关，使第二分流电阻分掉负极组的一部份电流，从而也实现正极组和负极组的电压接近一致。
放电时由锂电池组给UPS负载供电，正电平由锂电池组的正极A流经电流传感器，再经过第一二极管流经直流断路器，输出到母线的高电位端A’，再由母线的中电位端C’，经过直流断路器回到的锂电池组的中性极C；负电平则由中性极C流经直流断路器，进入母线的中电位端C’，再由母线的低电位端B’流出，经过直流断路器和第二二极管，回到锂电池组的负极B。同时，BMS控制单元实时采集并记录锂电池组的放电电流与各单体电压，用于内部计算，但其不会断开锂电池组与UPS设备的供电，锂电池组与母线的脱开与闭合由UPS设备内部决策，其中，所述直流断路器用于手动开闭锂电池组与UPS母线的电连接。
上述说明书和实施例的描述，用于解释本发明保护范围，但并不构成对本发明保护范围的限定。通过本发明或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本发明实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种三电平电池组的充放电电路，用于在UPS设备中对电池组进行充放电；所述UPS设备具有母线，其具有高电位端、低电位端和中电位端，并电连接电池组以在充放电时分别作为电源和负载；其特征在于，所述电路包括：
锂电池组，包括多个电池单元，并具有正极、负极和中性极，其分别与母线的高电位端、低电位端和中电位端电连接；所述正极至中性极间的电池单元构成正极组，所述中性极至负极间的电池单元构成负极组；
直流充电机，其输入端电连接母线的高电位端和低电位端，其输出端电连接锂电池组的正极和负极，以建立充电回路；其还控制所述充电回路的闭合或断开，并调整充电电压和充电电流；
第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的正极和负极分别连接锂电池组的正极和母线的高电位端，所述第二二极管的正极和负极分别连接母线的低电位端和锂电池组的负极，以建立放电回路；
第一分流单元和第二分流单元；所述第一分流单元包括第一分流电阻和第一开关，其并联设于正极组的两端；所述第二分流单元包括第二分流电阻和第二开关，其并联设于负极组的两端；
BMS控制单元，其电连接锂电池组以检测其充电电压，并电连接第一开关和第二开关；其在正极组电压高于负极组电压时，控制第一开关闭合，第二开关断开；其在正极组电压低于负极组电压时，控制第一开关断开，第二开关闭合。
2.如权利要求1所述的一种三电平电池组的充放电电路，其特征在于：所述第一开关和第二开关为继电器或接触器。
3.如权利要求1所述的一种三电平电池组的充放电电路，其特征在于：所述BMS控制单元电连接每个电池单元，以分别获取其充电电压，并经累加计算获得所述正极组电压和负极组电压。
4.如权利要求1所述的一种三电平电池组的充放电电路，其特征在于：还包括电流传感器，其电连接所述BMS控制单元，并设于所述充电回路上，用以检测锂电池组的充电电流；
所述BMS控制单元还电连接所述直流充电机，以根据所检测的充电电流和充电电压控制直流充电机闭合或断开充电回路，或调整充电电压和充电电流。
5.如权利要求4所述的一种三电平电池组的充放电电路，其特征在于：所述BMS控制单元通过CAN总线与直流充电机进行通信。
6.如权利要求1所述的一种三电平电池组的充放电电路，其特征在于：还包括直流断路器，其设于母线和锂电池组间，用于控制母线和锂电池组间电连接的通断。
7.如权利要求6所述的一种三电平电池组的充放电电路，其特征在于：所述直流断路器为三极断路器，其分别用于控制所述正极与高电位端、负极与低电位端、中性极与中电位端间电连接的通断。
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- 2019-09-06 CN CN201910842308.3A patent/CN110601290B/zh active Active
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