CN114914976A - 宽电压充电异口bms拓扑、电池簇及其储能系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，包括至少一个电芯，电芯的正极顺次串联放电Mosfet、模组正端，电芯的负极连接充电负端/模组负端；其特征在于，所述电芯的正极还并联有充电正端，所述电芯的正极向充电正端之间的电路上顺次串联有防逆流Mosfet、降压电感、降压Mosfet；其中：降压Mosfet的栅极连接有驱动脉冲；本发明的有益效果是：1)本发明的拓扑结构可以适用不同的电压范围40‑1000Vdc；应用的场景很多；2)本发明的拓扑结构在给电池充电的同时还能给负载供电，不消耗电池能量；3)通过设置防逆流电路，可以有效防止电芯或电芯组的电压倒灌到充电正端，使端口不带电，消除安全隐患。

Description

宽电压充电异口BMS拓扑、电池簇及其储能系统及控制方法

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种充电BMS功率回路拓扑、电池簇及其储能系统及控制方法。

背景技术

目前给予锂电池模组的电压都是通过预配的充电器变压之后对电池管理系统BMS的电池簇进行充电，不同的电池管理系统需求的电压以及不同的充电环境导致充电很是困难。

如CN104578288B公开了一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路及其控制方法，属于蓄电池组能量均衡管理技术领域。本发明包括上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、主控开关M1和M2；电池组处于放电或静置状态时，电池组中具有最低荷电状态或最低端电压的第j个电池Cellj被均衡电路充电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从均衡器向电池Cellj转移；处于充电状态时，电池组中具有最高荷电状态或最高端电压的第i个电池Celli被均衡电路放电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从电池Celli向均衡器转移。本发明拓扑电路原理简单；均衡电流连续，且可控性强，均衡效率高。

又如CN112271767A公开了一种电池管理系统主动均衡拓扑电路、设备及系统。该电路包括：电芯选择阵列、双向BUCK-BOOST电路和双向反激DC/DC电路；双向反激DC/DC电路用于给电芯充电或放电；双向BUCK-BOOST电路连接于双向反激DC/DC电路和电芯选择阵列之间，用于对电芯电压进行升压或降压；电芯选择阵列，用于选通待充电或待放电的电芯。上述方式不必在DC/DC电路中设置较多数量的副边绕组，避免了由于绕组多可能会导致漏感大使得电路工作不稳定、充/放电效率低的问题，而且还避免了由于绕组多导致的制作困难、成本高、体积大的问题，同时使得能够进行充/放电的电芯数量不再受到限制。

上述两个现有技术做降压的目的是为调节电芯的电压平衡，其作用给单串电芯进行补电操作，让该结构电池电压进行一致；和本申请所要解决的问题问题无关，同时，市面上目前还没有适用一种宽电压40-1000Vdc的BMS拓扑结构出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种充电BMS功率回路拓扑、电池簇及其储能系统及控制方法。本发明提供了如下的技术方案：

一种宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，包括至少一个电芯，电芯的正极顺次串联放电Mosfet、模组正端，电芯的负极连接充电负端/模组负端；

其特征在于，所述电芯的正极还并联有充电正端，所述电芯的正极向充电正端之间的电路上顺次串联有防逆流Mosfet、降压电感、降压Mosfet；其中：降压Mosfet的栅极连接有驱动脉冲；

此外，还包括预充电路，所述预充电路包括相互串联的预充Mosfet、预充电阻，其中，预充电路的一端连接在电芯的正极与放电Mosfet之间的电路上，另一端连接在放电Mosfet和模组正端之间的电路上。

优先地，还包括防逆流比较器，所述防逆流比较器具有两个输入端子及输出端子，其中一个输入端子串联第二电阻之后连接在模组负端与电芯的负极之间的电路上且该输入端子还串联有第一电阻之后连接在充电正端与降压Mosfet之间的电路上、另一个输入端子串联第三电阻之后连接在模组负端与电芯的负极之间的电路上、输出端子与防逆流驱动Mosfet的G极连接，防逆流驱动Mosfet的G极连接在模组负端与电芯的负极之间的电路上。

优先地，还包括稳压电阻，所述稳压电阻一端连接在防逆流驱动Mosfet和电芯的正极之间的电路上，另一端连接在防逆流驱动Mosfet和防逆流Mosfet之间的电路上。

优先地，还包括降压续流二极管,所述降压续流二极管的阴极连接在降压电感与降压Mosfet之间的电路上、阳极连接在模组负端与电芯的负极之间的电路上。

优先地，还包括电容，所述电容的正极连接在充电正端与降压Mosfet之间的电路上、负极连接在模组负端与电芯的负极之间的电路上。

基于上述方案，所述电芯的负极与充电负端/模组负端连接的电路上设有保险丝。

基于上述宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，本发明还提出一种电池簇，所述电池簇为两个或两个以上相互并联的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构；

本发明还提出了一种车辆，所述车辆具有上述所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构；或所述车辆具有上述所述的电池簇。

本发明还提出了一种储能系统，所述储能系统具有上述所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构；或所述储能系统具有上述所述的电池簇。

基于上述结构，本发明还提出了一种宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构充电控制方法，包括如下步骤，

1)将充电器对应连接充电正端和充电负端/模组负端，负载连接模组正端(P+)和充电负端/模组负端；

2)当供电范围为40-1000Vdc的充电器连接到充电正端和充电负端/模组负端后，此时，防逆流比较器检测到充电器的电压后，控制依次驱动防逆流驱动Mosfet、防逆流Mosfet闭合，这样使防逆流回路闭合，防逆流功能失效，降压电路导通；

3)基于步骤2)由防逆流Mosfet、降压电感、降压Mosfet串联组成的降压电路把充电器的高电压降低到电芯或电芯组的电压之后给电芯或电芯组进行充电；

4)若此时负载处于连接状态，为了防止初始的时候电流过大，对负载造成冲击，先启动预充电阻和预充Mosfet对负载进行供电，当电压稳定后，切换到放电Mosfet进行对负载进行供电；

当充电器断开连接时，防逆流比较器检测不到充电器的电压，控制防逆流Mosfet、防逆流驱动Mosfet断开，防止电芯或电芯组的电压倒灌到充电正端，使端口不带电，消除安全隐患。

本发明的有益效果是：1)本发明的拓扑结构可以适用不同的电压范围40-1000Vdc；应用的场景很多；2)本发明的拓扑结构在给电池充电的同时还能给负载供电，不消耗电池能量；3)通过设置防逆流电路，可以有效防止电芯或电芯组的电压倒灌到充电正端，使端口不带电，消除安全隐患；4)通过接收不同范围的电压，经过降压电路减压之后对整个电池组进行充电，充电的同时，还可以对负载进行供电，和背景技术在技术方案上，产生的技术效果，使用的方法和应用的场景是完全不同的。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的充电BMS功率回路拓扑的示意图。

具体实施方式

实施例1

请重点参阅图1，本实施例所采用的Mosfet所使用的驱动信号为本领域的现有技术，本实施例不在赘述，一种宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，包括至少一个电芯B，电芯B可以有1个电池，也可以多个电池相互串联，电芯B的正极顺次串联放电MosfetQ_D、模组正端P+，电芯B的负极连接充电负端/模组负端P-；所述电芯B的负极与充电负端/模组负端连接的电路上设有保险丝。

电芯B的正极还并联有充电正端，所述电芯B的正极向充电正端C+之间的电路上顺次串联有防逆流MosfetQ_CC、降压电感L_BUCK、降压MosfetQ_BUCK；

其中：降压MosfetQ_BUCK的栅极连接有驱动脉冲Q_BUCK、降压MosfetQ_BUCK的栅极连接有驱动脉冲Q_BUCK用于驱动降压MosfetQ_BUCK开启和关闭，驱动脉冲Q_BUCK检测充电器是否有连接，有充电器连接则控制导通，降压MosfetQ_BUCK的S极连接C+、D极连接降压电感L_BUCK；防逆流MosfetQ_CC的S极连接B+、D极连接降压电感L_BUCK、G极连接防逆流驱动MosfetQ_CD的D极。通过上述结构，将模组负端P-和模组正端P+连接负载便可以对负载进行正常的供电。

防逆流MosfetQ_CC、降压电感L_BUCK、降压MosfetQ_BUCK三者组成了降压充电电路。

还包括预充电路，所述预充电路包括相互串联的预充MosfetQ_P、预充电阻R_P，其中，预充电路的一端连接在电芯B的正极与放电MosfetQ_D之间的电路上，另一端连接在放电MosfetQ_D和模组正端之间的电路上。为了防止初始的时候电流过大，对负载造成冲击，先启动预充电阻R_P和预充MosfetQ_P对负载进行供电，当电流稳定后，切换到放电MosfetQ_D进行对负载进行供电。其中：放电MosfetQ_D和预充MosfetQ_P的G极均连接对应的驱动，放电MosfetQ_D的D极连接模组正端，S极连接电芯B的正极；预充MosfetQ_P的D极连接模组正端，S极连接预充电阻R_P。

切换放电MosfetQ_D的标准为：当电芯的电压Vb-模组电压VP+<＝电芯的电压Vb*20％时便进行切换，具体如下：例如电芯为100V，首先是通过预充电阻R_P和预充MosfetQ_P对负载进行供电，由于输出的电压有电阻的存在是慢慢上升的，当升到80V时，其和电芯B之间差20V，此时便可以切换放电MosfetQ_D这条线路。

针对上述的降压电路，为了防止电压倒灌到充电正端，该电路还包括防逆流比较器U1，所述防逆流比较器U1具有两个输入端子及输出端子，其中一个输入端子串联第二电阻R₂之后连接在模组负端P-与电芯B的负极之间的电路上且该输入端子还串联有第一电阻R₁之后连接在充电正端C+与降压MosfetQ_BUCK之间的电路上、另一个输入端子串联第三电阻R₃之后连接在模组负端P-与电芯B的负极之间的电路上、输出端子与防逆流驱动MosfetQ_CD的G极连接，防逆流驱动MosfetQ_CD的S极连接在模组负端P-与电芯B的负极之间的电路上,防逆流驱动MosfetQ_CD的D极连接防逆流MosfetQ_CC的G极。

此外，上述的降压电路还包括稳压电阻R_CC，所述稳压电阻R_CC一端连接在防逆流驱动MosfetQ_CD和电芯B的正极之间的电路上，另一端连接在防逆流驱动MosfetQ_CD和防逆流MosfetQ_CC之间的电路上；稳压电阻R_CC的作用是稳定防逆流MosfetQ_CC的S极和G极的电压。

此外，上述的降压电路还包括降压续流二极管D_BUCK,所述降压续流二极管D_BUCK的阴极连接在降压电感L_BUCK与降压MosfetQ_BUCK之间的电路上、阳极连接在模组负端P-与电芯B的负极之间的电路上。降压续流二极管D_BUCK作用为续流用，当降压MosfetQ_BUCK断开的时候，降压电感L_BUCK电流通过降压续流二极管D_BUCK之后形成回路。

此外，上述的降压电路还包括电容C，所述电容C的正极连接在充电正端C+与降压MosfetQ_BUCK之间的电路上、负极连接在模组负端P-与电芯B的负极之间的电路上。当连接充电器时，接电电压会存在波动，电容(C)将波动过滤掉，起到稳压的作用。

基于上述结构，本发明还提出了一种宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构充电控制方法，包括如下步骤，

1)将充电器对应连接充电正端C+和充电负端/模组负端，负载连接模组正端P+和充电负端/模组负端P-；

2)当供电范围为40-1000Vdc的充电器连接到充电正端C+和充电负端/模组负端后，此时，防逆流比较器U1检测到充电器的电压后，控制依次驱动防逆流驱动MosfetQ_CD、防逆流MosfetQ_CC闭合，这样使防逆流回路闭合，防逆流功能失效，降压电路导通；

原理如下:R3没有电压，当连接充电器之后，R1和R2分压并输入到U1的正极，U1的正极电压比负极电压高，这样U1的输出高电平便驱动防逆流驱动MosfetQ_CD导通，之后防逆流驱动MosfetQ_CD再驱动防逆流MosfetQ_CC导通，此时降压MosfetQ_BUCK也被驱动导通，这样降压电路导通；

3)基于步骤2)由防逆流MosfetQ_CC、降压电感L_BUCK、降压MosfetQ_BUCK串联组成的降压电路把充电器的高电压降低到电芯B或电芯组的电压之后给电芯或电芯组进行充电；

4)若此时负载处于连接状态，为了防止初始的时候电流过大，对负载造成冲击，先启动预充电阻R_P和预充MosfetQ_P对负载进行供电，当电压稳定后，切换到放电MosfetQ_D进行对负载进行供电；

5)当充电器断开连接时，防逆流比较器U1检测不到充电器的电压，控制防逆流MosfetQ_CC、防逆流驱动MosfetQ_CD断开，防止电芯B或电芯组的电压倒灌到充电正端，使端口不带电，消除安全隐患。

实施例2

基于上述实施例1的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，本发明还提出一种电池簇，所述电池簇为两个或两个以上相互并联的实施例1所提出的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构；

实施例3

基于上述实施例1的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构基础上，本发明还提出了一种车辆，所述车辆具有上述实施例1所提出宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构；或所述车辆具有上述实施例2所提出的电池簇。

实施例4

基于上述实施例1的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构基础上，本发明还提出了一种储能系统，所述储能系统具有上述实施例1所提出宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构；或所述储能系统具有上述实施例2所提出的电池簇。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，包括至少一个电芯(B)，电芯(B)的正极顺次串联放电Mosfet(Q_D)、模组正端(P+)，电芯(B)的负极连接充电负端/模组负端(P-)；

其特征在于，所述电芯(B)的正极还并联有充电正端，所述电芯(B)的正极向充电正端(C+)之间的电路上顺次串联有防逆流Mosfet(Q_CC)、降压电感(L_BUCK)、降压Mosfet(Q_BUCK)；

其中：降压Mosfet(Q_BUCK)的栅极连接有驱动脉冲(Q_BUCK)；

还包括预充电路，所述预充电路包括相互串联的预充Mosfet(Q_P)、预充电阻(R_P)，其中，预充电路的一端连接在电芯(B)的正极与放电Mosfet(Q_D)之间的电路上，另一端连接在放电Mosfet(Q_D)和模组正端之间的电路上。

2.根据权利要求1所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，其特征在于，还包括：

防逆流比较器(U1)，所述防逆流比较器(U1)具有两个输入端子及输出端子，其中一个输入端子串联第二电阻(R₂)之后连接在模组负端(P-)与电芯(B)的负极之间的电路上且该输入端子还串联有第一电阻(R₁)之后连接在充电正端(C+)与降压Mosfet(Q_BUCK)之间的电路上、另一个输入端子串联第三电阻(R₃)之后连接在模组负端(P-)与电芯(B)的负极之间的电路上、输出端子与防逆流驱动Mosfet(Q_CD)的G极连接，防逆流驱动Mosfet(Q_CD)的S极连接在模组负端(P-)与电芯(B)的负极之间的电路上,防逆流驱动Mosfet(Q_CD)的D极连接防逆流Mosfet(Q_CC)的G极。

3.根据权利要求2所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，其特征在于，还包括稳压电阻(R_CC)，所述稳压电阻(R_CC)一端连接在防逆流驱动Mosfet(Q_CD)和电芯(B)的正极之间的电路上，另一端连接在防逆流驱动Mosfet(Q_CD)和防逆流Mosfet(Q_CC)之间的电路上。

4.根据权利要求2所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，其特征在于，还包括降压续流二极管(D_BUCK),所述降压续流二极管(D_BUCK)的阴极连接在降压电感(L_BUCK)与降压Mosfet(Q_BUCK)之间的电路上、阳极连接在模组负端(P-)与电芯(B)的负极之间的电路上。

5.根据权利要求2所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，其特征在于，还包括电容(C)，所述电容(C)的正极连接在充电正端(C+)与降压Mosfet(Q_BUCK)之间的电路上、负极连接在模组负端(P-)与电芯(B)的负极之间的电路上。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构，其特征在于，所述电芯(B)的负极与充电负端/模组负端连接的电路上设有保险丝。

7.一种电池簇，其特征在于，所述电池簇为两个或两个以上相互并联/串联的如权利要求1-5中任意一项所述的储能低压锂电池模组BMS功率回路拓扑结构；或为两个或两个以上相互并联的如权利要求6所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构。

8.一种车辆，其特征在于，所述车辆具有如权利要求1-5中任意一项所述的储能低压锂电池模组BMS功率回路拓扑结构；或所述车辆具有如权利要求6所述的储能低压锂电池模组BMS功率回路拓扑结构；或所述车辆具有如权利要求7所述的电池簇。

9.一种储能系统，其特征在于，所述储能系统具有如权利要求1-5中任意一项所述的储能低压锂电池模组BMS功率回路拓扑结构；或所述储能系统具有如权利要求6所述的储能低压锂电池模组BMS功率回路拓扑结构；或所述储能系统具有如权利要求7所述的电池簇。

10.一种使用如权利要求5所述的宽电压范围充电BMS功率回路拓扑结构充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤，

1)将充电器对应连接充电正端(C+)和充电负端/模组负端，负载连接模组正端(P+)和充电负端/模组负端(P-)；

2)当供电范围为40-1000Vdc的充电器连接到充电正端(C+)和充电负端/模组负端后，此时，防逆流比较器(U1)检测到充电器的电压后，控制依次驱动防逆流驱动Mosfet(Q_CD)、防逆流Mosfet(Q_CC)闭合，这样使防逆流回路闭合，防逆流功能失效，降压电路导通；

3)基于步骤2)由防逆流Mosfet(Q_CC)、降压电感(L_BUCK)、降压Mosfet(Q_BUCK)串联组成的降压电路把充电器的高电压降低到电芯(B)或电芯组的电压之后给电芯或电芯组进行充电；

4)若此时负载处于连接状态，为了防止初始的时候电流过大，对负载造成冲击，先启动预充电阻(R_P)和预充Mosfet(Q_P)对负载进行供电，当电压稳定后，切换到放电Mosfet(Q_D)进行对负载进行供电；

5)当充电器断开连接时，防逆流比较器(U1)检测不到充电器的电压，控制防逆流Mosfet(Q_CC)、防逆流驱动Mosfet(Q_CD)断开，防止电芯(B)或电芯组的电压倒灌到充电正端，使端口不带电，消除安全隐患。

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