CN202050254U - 串联铅酸电池组相邻电池电量的电感均衡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串联铅酸电池组相邻电池电量的电感均衡器，用于对铅酸电池组的相邻两块电池进行电量均衡，包括MCU控制器、电压采样电路、PWM脉冲输出电路、电感器以及由Buck-boost变换器和Boost变换器组成的DC/DC变换电路，所述Buck-boost变换器和Boost变换器均通过同一电感器分别与相应的电池电连接，因此，本实用新型将DC/DC变换电路的Buck-boost变换器和Boost变换器整合在一起，把电量偏高电池上的能量一部分转移到邻近的电量偏低电池上，使得串联蓄电池组中各块电池的电量基本相当，即实现电池间的电量均衡，从而延长电池组的循环寿命，且本实用新型所述单电感均衡器使用时无损耗，节能环保。

Description

串联铅酸电池组相邻电池电量的电感均衡器

技术领域

本实用新型涉及一种均衡器，尤其是一种应用于串联铅酸电池组内相邻两块电池之间的电量均衡的电感无损耗均衡器。 

背景技术

铅酸电池的单体电压额定值是2V，因其电压较低，在众多场合使用不便，故目前都是以6个单体构成额定电压为12V的一个电池包，通常称为一块电池。铅酸电池的应用已不再局限于传统的领域，节能减排、低碳经济、绿色环保等概念已深入人心。作为绿色交通工具的电动车也逐步被人们接受，特别是电动自行车和电动摩托车已经成为人们上/下班或短距离的代步工具。在电动自行车或电动摩托车上使用最多的便是36V或48V的铅酸蓄电池组。当前铅酸蓄电池组的使用寿命远低于其单体的使用寿命，其原因是电池本身所存在的一致性差。在使用过程中，即串联蓄电池组在充电或放电过程中出现各块电池间的电压值差别较大，导致某块电池过充、某块电池欠充、某块电池过放。铅酸电池的使用寿命受到大众的关注，许多铅酸电池的研究者、应用者正在不断地探索，想方设法延时铅酸电池组的使用寿命，期望接近其单体的寿命。蓄电池组在使用过程中及时保证其每块电池电量的均等，便是延长电池组循环寿命的方法之一。 

现在常用的可充电电池均衡方法有：(1)电阻放电法：用一个开关串连一个电阻再并连到每块电池的两端。当充电电压大于电池的最高限压时开关闭合，通过电阻把充电电流旁路，而其他电池继续充电，直到所有电池都充满。由此可知，该种方法由于电阻的损耗，造成能源的浪费，不节能。(2)开关电容法：在每两只电池间或多只电池间通过双向开关并联一个电容，在两个电池间频繁切换电容，使电压高的电池电量流向电压低的电池。(3)变压器法。采用一个原边单绕组付边多个相同绕组的变压器，原边绕组接电池组电压，每个付边绕组通过开关与一块电池相连，由开关来控制电池的均衡。 

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种串联铅酸电池组相邻电池电量单电感均衡器，其依据电感电流不能突变原理，将DC/DC变换电路的Buck-boost变换器和Boost变换器整合在一起，把电量偏高电池上的能量一部分转移到邻近的电量偏低电池上，使得串联蓄电池组中各块电池的电量基本相等，即实现电池间的电量均衡，从而延长电池组的循环使用寿命，且本实用新型所述单电感均衡器使用时无损耗，节能环保。 

为实现以上的技术目的，本实用新型将采取以下的技术方案： 

一种串联铅酸电池组相邻电池电量单电感均衡器，用于对铅酸电池组的相邻两块电池进行电量均衡，包括MCU控制器、电压采样电路、PWM脉冲输出电路、电感器以及DC/DC变换电路，所述MCU控制器分别与电压采样电路、PWM脉冲输出电路以及DC/DC变换电路通信连接，该DC/DC变换电路包括Buck-boost变换器和Boost变换器，且Buck-boost变换器通过电感器与两块电池相连接；而Boost变换器也通过电感器与前述两块电池串联连接；所述MCU控制器根据电压采样电路所采集到的电压信息，控制PWM脉冲输出电路输出宽度不同的脉冲信号，以分别控制Buck-boost变换器的开关管Q1或Boost变换器的开关管Q2的工作状态，并通过电感将两块电池中电压较高电池的部分电量转移到电压较低的电池，MCU控制器通过控制开关管Q1或开关管Q2的导通时间，来确定两块电池间一次所转移的电量。 

所述PWM脉冲输出电路所输出脉冲信号的占空比D＝T_ON/T_s，则D的取值范围是：0.5＜D＜0.88，其中，T_ON为开关管Q1或开关管Q2的导通时间，T_s为PWM脉冲输出电路所输出脉冲信号的脉冲周期。 

所述Buck-boost变换器和Boost变换器均通过同一电感器分别与相邻的电池连接。 

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果： 

本实用新型所述串联铅酸电池组相邻电池电量单电感均衡器依据电感电流不能突变原理，将电量偏高的电池上的能量一部分转移到邻近的电量偏低的电池上。使串联蓄电池组中各电池的电量基本相等。由于通过外部电路对电池电量进行主动调整，在电量基本保持均等的情况下电池进行充电或放电就不会产生某块电池的过充或过放。减小因某电池性能差所引起的“木桶效应”，延长整个电池组的使用寿命。与电容开关法相比，主要是电路简单、易扩展，不需要频繁切换开关。 

其基本模块电路简单、使用方便、扩展容易。一个基本模块可以对两块电池进行均衡，三块电池需要两个基本模块，依次类推，理论上n块电池需要用n-1个模块。对3块及以上电池使用时，基本模块应采取交联连接。 

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图； 

图2是本实用新型对于n块电池组成的铅酸电池组进行电量均衡控制的结构示意图； 

图3是图1中开关管Q1工作时的等效电路图； 

图4是图1中开关管Q2工作时的等效电路图。 

具体实施方式

附图非限制性地公开了本实用新型所涉及一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。 

如图1、图3至4所示，本实用新型所述串联铅酸电池组相邻电池电量单电感均衡器，用于对铅酸电池组的相邻两块电池BAT1和BAT2进行电量均衡，包括MCU控制器、电压采样电路、通信接口电路、电源供给电路、PWM脉冲输出电路、电感以及DC/DC变换电路，所述MCU控制器分别与电压采样电路、通信接口电路、电源供给电路、PWM脉冲输出电路以及DC/DC变换电路通信连接，该DC/DC变换电路包括Buck-boost变换器和Boost变换器，且Buck-boost变换器通过电感器与所述的两块电池BAT1和BAT2相连接，其中一块电池BAT1为Buck-boost变换器的电源，另一块电池BAT2为Buck-boost变换器负载；而Boost变换器也通过电感器与两块电池BAT1和BAT2串联连接，其中前述第一块电池BAT1为boost变换器的负载，前述另一块电池BAT2为boost变换器电源。图中所述Buck-boost变换器和Boost变换器均通过同一电感器分别与相邻的电池连接；所述MCU控制器根据电压采样电路所采集到的电压信息，控制PWM脉冲输出电路输出宽度不同的脉冲信号，以分别控制Buck-boost变换器的开关管Q1或Boost变换器的开关管Q2的工作状态，并通过电感将两块电池中电压较高电池的部分电量转移到电压较低的电池，MCU控制器通过控制开关管Q1或开关管Q2的导通时间，来确定两块电池间一次所转移的电量。 

所述PWM脉冲输出电路所输出脉冲信号的占空比D＝T_ON/T_s，则D的取值范围是：0.5＜D＜0.88，其中，T_ON1为开关管Q1或开关管Q2的导通时间，T_s为PWM脉冲输出电路所输出脉冲信号的脉冲周期。 

如图1所示，Q1为P沟道MOSFET管，Q2为N沟道MOSFET管，D1和D2为肖特基续流管，L1为储能电感。C3和C4为隔离电容。Input_a和input_b为恒频PWM脉冲输入端。若要求两块电池BAT1与BAT2的电压差在规定的ΔU以内，就会有三种情况出现：情况1，两块电池BAT1与BAT2的电压差在规定的ΔU以内，Q1和Q2都不工作；情况2，当U_BAT1大于U_BAT2+ΔU时，则要求Q1工作，在PWM脉冲的控制下把电池BAT1上的电量搬一点到电池BAT2上。此时电池BAT1就是供电的电源，电池BAT2是储能的负载。此时电路就是一个典型的Buckboost变换器。Q1在MCU控制器下工作在开关状态，当Q1饱和导通时BAT1通过Q1向电感器L1提供储能；当Q1截止时由于电感电流不能突变，电感器L1中的储能通过续流管D2向BAT2充电；情况3，当U_BAT2大于U_BAT1+ΔU时，则要求Q2工作，在PWM脉冲的控制下把 电池BAT2上的电量搬一点到电池BAT1上。此时电池BAT2就是供电的电源，电池BAT1是储能的负载。此时电路就是一个典型的boost变换器。Q2在MCU控制器下工作在开关状态，当Q2饱和导通时BAT2通过Q2向电感器L1提供储能；当Q2截止时由于电感电流不能突变，电感器L1中的储能通过续流管D1向BAT1充电。 

占空比D的确定：设D＝T_ON/T_s为驱动PWM脉冲输出电路的稳态控制时开关管导通的占空比，T_ON1为开关管Q1或开关管Q2的导通时间，T_s为PWM的脉冲周期。 

根据Q1工作时的简化电路图3可知，该电路实际上就是一个典型的Buckboost变换器。其输出电压既可以大于它的输入电压，也可以小于它的输入电压，是一种升降压变换器，且输出与输入具有相反的极。因此，可以知道该电路的输出电压与输入电压的关系为： 

$U_{\mathrm{bat}2}=-\frac{{\mathrm{DU}}_{\mathrm{bat}1}}{1-D}--\left(1\right)$

由(1)式可得： 

$\frac{U_{\mathrm{bat}2}}{U_{\mathrm{bat}1}}=-\frac{D}{1-D}=-\frac{1}{\frac{1}{D}-1}--\left(2\right)$

根据(2)式，要使(U_bat2/U_bat1)＞1，必须使D＞1/2。 

根据Q2工作时的简化电路图4可知，该电路实际上就是一个典型的Boost变换器。其输出电压总是大于它的输入电压，是一种升压变换器，因此由Boost变换器原理，参见张占松等编的《开关电源的原理和设计》，可以知道该电路的输出电压与输入电压的关系为： 

$U_{\mathrm{bat}}=\frac{U_{\mathrm{bat}2}}{1-D}--\left(3\right)$

由(3)得： 

$\frac{U_{\mathrm{bat}}}{U_{\mathrm{bat}2}}=\frac{1}{1-D}--\left(4\right)$

由于式中U_bat＝U_bat1+U_bat2，而(U_bat/U_bat2)＝1+(U_bat1/U_bat2)，故要使(U_bat1/U_bat2)＞1，只要(U_bat/U_bat2)≥2，就能保证电能的转移，即D≥1/2。根据电路的实际要求有：0.5≤D＜0.88。 

综上分析，可知本实用新型所述PWM脉冲输出的使Q1或Q2饱和导通的脉冲占空比D取值范围为：0.5＜D＜0.88。 

图2公开了本实用新型对于n块电池组成的铅酸电池组进行电量均衡控制的结构示意图，其基本模块电路，即本实用新型所述均衡器简单、使用方便、扩展容易。一个基本模块可以对两块电池进行均衡，三块电池需要两个基本模块，依次类推，理论上n块电池需要用n-1个模块。对3块及以上电池使用时，基本模块应采取交联连接。 

本实用新型所述均衡器的工作原理如下： 

如图2所示，假定电池BAT1与BAT2之间的电压差允许在ΔU伏特以内，ΔU的取值根据电池和用户需要来设定，取值范围一般介于0.1V～0.5V之间，当两块电池的电压差大于ΔU时，均衡电路就开始工作。MCU基本系统通过采样电路检测在线两块电池的电压。若两块电池BAT1与BAT2的电压差在规定的ΔU以内，开关管Q1和Q2都不工作。当电池BAT1的电压U_BAT1大于电池BAT2的电压U_BAT2与ΔU之和时，如图3所示，则要求开关管Q1工作，MCU控制器通过PWM脉冲输出电路给开关管Q1输出PWM脉冲信号。在PWM脉冲信号的控制下把电池BAT1上的电量搬移到电池BAT2上。此时电池BAT1就是供电的电源，电池BAT2是储能的负载。此时图3所示电路就是一个典型的Buckboost变换器。开关管Q1在MCU的控制下工作在开关状态，当开关管Q1饱和导通时，电池BAT1通过开关管Q1向电感器L1提供储能；当开关管Q1截止时，由于电感器电流不能突变，电感器L1中的储能通过续流管D2向电池BAT2充电。控制开关管Q1工作的时间就能控制从电池BAT1搬移到电池BAT2上的电量。当电池BAT2的电压U_BAT2大于电池BAT1的电压U_BAT1与ΔU之和时，如图4所示，要求开关管Q2工作，MCU控制器通过PWM脉冲输出电路给开关管Q2输出PWM脉冲。在PWM脉冲的控制下，把电池BAT2上的电量搬移到电池BAT1上。此时电池BAT2就是供电的电源，电池BAT1是储能的负载。此时图4所示的电路就是一个典型的boost变换器。开关管Q2在MCU控制器下工作在开关状态，当开关管Q2饱和导通时，电池BAT2通过开关管Q2向电感器L1提供储能；当开关管Q2截止时，由于电感器电流不能突变，电感器L1中的储能通过续流管D1向电池BAT1充电。同样控制开关管Q2工作的时间，就能控制从电池BAT2搬移到电池BAT1上的电量。 

Claims (3)

1.一种串联铅酸电池组相邻电池电量的电感均衡器，用于对铅酸电池组的相邻两块电池进行电量均衡，其特征在于：包括MCU控制器、电压采样电路、PWM脉冲输出电路、电感器以及DC/DC变换电路，所述MCU控制器分别与电压采样电路、PWM脉冲输出电路以及DC/DC变换电路通信连接，该DC/DC变换电路包括Buck-boost变换器和Boost变换器，且Buck-boost变换器通过电感器与两块电池相连接；而Boost变换器也通过电感器与前述两块电池串联连接；所述MCU控制器根据电压采样电路所采集到的电压信息，控制PWM脉冲输出电路输出宽度不同的脉冲信号，以分别控制Buck-boost变换器的开关管Q1或Boost变换器的开关管Q2的工作状态，并通过电感器将两块电池中电压较高电池的部分电量转移到电压较低的电池，MCU控制器通过控制PWM脉冲输出电路所输出的脉冲信号来控制开关管Q1或开关管Q2的导通时间，来确定两块电池间一次所转移的电量。

2.根据权利要求1所述串联铅酸电池组相邻电池电量的电感均衡器，其特征在于：所述PWM脉冲输出电路所输出脉冲信号的占空比D＝T_ON/T_s，D的取值范围是：0.5＜D＜0.88，其中，T_ON为开关管Q1或开关管Q2的导通时间，T_s为PWM脉冲输出电路所输出脉冲信号的脉冲周期。

3.根据权利要求1所述串联铅酸电池组相邻电池电量的电感均衡器，其特征在于：所述Buck-boost变换器和Boost变换器均通过同一电感器分别与相邻的电池连接。

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