CN204290414U - 一种高压大功率动力电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压大功率动力电源,包括有低压大电流电池电堆、与电源输出端口连接的N个储能微单元、连接于低压大电流电池电堆和N个储能微单元之间的能量管理单元，其中，N大于等于2。本实用新型的电子开关管和储能微单元实现了把低压大电流电池电堆电源变换为高压大功率电池电源的目的，解决了靠串联连接各单体电池而满足负载对电池电压需要的问题。

Description

一种高压大功率动力电源

技术领域

   本实用新型涉及电池电源领域，具体是一种高压大功率动力电源。

背景技术

电动车辆所选的电机一般为高压电机，为适应电机对电压的需要，动力电池系统要提供相适应的高压电源。目前这个高压电源是靠电池的串联实现的，电池组有几十甚至上百个单体电池串联组成，这样多的串联电池组合常常带来系统故障多、性能下降，即使有较好性能的电池管理系统（BMS）往往也难以保障系统的整体性能和正常运行。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高压大功率动力电源，解决了靠串联连接各单体电池而满足负载对电池电压需要的问题。

本实用新型的技术方案为：

一种高压大功率动力电源，包括有低压大电流电池电堆、与电源输出端口连接的N个储能微单元、连接于低压大电流电池电堆和N个储能微单元之间的能量管理单元，其中，N大于等于2；所述的能量管理单元包括有与低压大电流电池电堆连接的能量分配单元、输出控制单元、N+1个电子开关、以及控制中心，所述的能量分配单元和输出控制单元均与控制中心连接；N+1个电子开关的正极均与能量分配单元的输出端口连接，N+1个电子开关的控制极均与输出控制单元连接，N个电子开关的负极均与N个储能微单元的储能输入端口连接；所述的储能微单元包括储能输出高电平端口、储能输入端口和储能输出低电平端口，相邻的两个储能微单元中，电平高的储能微单元的输出低电平端口与电平低的储能微单元的储能输出高电平端口连接，始端的储能微单元的储能输出高电平端口与电源输出端口正极连接，末端储能微单元的储能输出低电平端口与电源输出端口负极连接。

所述的能量分配单元由极性变换桥、两根电源母线、以及与控制中心连接的极性变换桥驱动单元组成；所述的极性变换桥包括有四个MOSFET场效应管，四个MOSFET场效应管的栅极均与极性变换桥驱动单元连接，MOSFET场效应管MQ1和MOSFET场效应管MQ2的正极均与低压大电流电池电堆的正极连接，MOSFET场效应管MQ3和MOSFET场效应管MQ4的负极均与低压大电流电池电堆的负极连接，MOSFET场效应管MQ1的负极和MOSFET场效应管MQ3的正极均与其中一根电源母线连接，MOSFET场效应管MQ2的负极和MOSFET场效应管MQ4的正极均与另一根电源母线连接，偶数电子开关的正极均与其中一根电源母线连接，奇数电子开关的正极均与另一根电源母线连接。

所述的电子开关为单向导通的电子开关或由不能反向截止的电子开关经过组合后而形成的能够反向截止的电子开关组合。

所述的储能微单元选用电容、或电感和电容的组合、或微能量二次电池、或上述的组合结构。

所述的低压大电流电池电堆为锂离子电池电堆、镍氢电池电堆、铅酸电池电堆或燃料电池电堆。

所述的低压大电流电池电堆内包括多个单电池，多个单体电池并联再串联或几个单体电池串联后并联，当多个低压大电流电池电堆组合时，其对应的低压大电流电池电堆内的并联线也进行一一对接。

本实用新型的优点：

（1）、本实用新型的电子开关管和储能微单元实现了把低压大电流电池电堆电源变换为高压大功率电池电源的目的，解决了靠串联连接各单体电池而满足负载对电池电压需要的问题；

（2）、多个单体电池并联再串联组成的电池电堆，大大缓解了电池的不一致性问题，特别是锂离子电池性能不一致的问题，使电池工作更加可靠、寿命更长、安全性更高；

（3）、本实用新型的储能微单元是由电容（普通电容或超级电容）组成的，而电容的放电深度理论上可以达到100%、放电倍率理论上可以达到无穷大，所以本实用新型的一种高压大功率动力电源方案的电源动态特性在短时间内表现为电容特性，大大提升了电池电堆的放电性能；

（4）、本实用新型结构简单、可靠性高、成本低。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的结构示意图。

图3是本实用新型实施例的控制程序原理流程框图。

图4是低压大电流电池电堆中多个单体电池并联再串联的结构原理示意图。

图5是低压大电流电池电堆中其中几个单体电池串联后并联的结构原理示意图。

图6是本实用新型储能微单元一种实现方式的结构示意图。

图7是本实用新型单向导通的电子开关的结构示意图。

图8是本实用新型用两个N型MOSFET管组成的组合电子开关的结构示意图。

具体实施方式

见图1，一种高压大功率动力电源,包括有低压大电流电池电堆1、与电源输出端口4连接的N个储能微单元3、连接于低压大电流电池电堆1和N个储能微单元3之间的能量管理单元2，其中，N大于等于2；能量管理单元2包括有与低压大电流电池电堆1连接的能量分配单元22、输出控制单元23、N+1个电子开关24、以及控制中心21，能量分配单元22和输出控制单元23均与控制中心21连接，电子开关24为MOSFET场效应管，N+1个电子开关24的正极均与能量分配单元22的输出端口连接，N+1个电子开关24的控制极均与输出控制单元23连接，N个电子开关24的负极均与N个储能微单元3的储能输入端口32连接；储能微单元3包括储能输出高电平端口31、储能输入端口32和储能输出低电平端口33，相邻的两个储能微单元中，电平高的储能微单元的储能输出低电平端口33与电平低的储能微单元的储能输出高电平端口31连接，始端的储能微单元的储能输出高电平端口31与电源输出端口4正极连接，末端储能微单元的储能输出低电平端口33与电源输出端口4负极连接。

低压大电流电池电堆1的能量在控制中心21的控制下，通过能量分配单元22在其输出端口P-PORT的各输出口呈现不同的电源电压极性形式，控制中心21通过输出控制单元23同步控制对应的电子开关24来逐一对各储能微单元3进行大能量补充，从而实现一个高压大功率电源。具体实现步骤如下：

（1）、控制中心21控制能量分配单元22的输出逻辑，使电池电堆电压VBAT呈现在输出端口P11和P12,同时控制中心21通过输出控制单元23同步控制对应的电子开关MC1、MC2导通，此时呈现在P21 和P22两端的电压亦是电池电堆电压VBAT，这个电压施加于储能微单元3的储能输入端口32，对储能微单元3内部的储能部件进行充电，实现了电池电堆能量通过电子开关直接对储能微单元的能量加载；

（2）、控制中心按照控制规律，同样实现对系统内的其它储能微单元的能量进行加载；

（3）、控制中心21以每秒几十千次或更高的频率循环步骤（1）、（2）的过程，为各储能微单元3提供连续不断的能量，从而保障它们的电压稳定性及保障他们的对外输出能量的稳定性。

（4）、各储能微单元3是一个串联结构，它们的组合形成了一个高压电源。

在控制中心21的控制下的输出结果为：

? 、输出电压：

由于每一个被加载的储能微单元的电压均是VBAT电压值，所以理论上的输出电压为：VOUT = VC1+VC2+VC3+…….+VCN = N*VBAT，即输出电压N倍与电池电堆电压，实际上由于线路和开关管的损耗，实际输出电压要低于这个电压。

? 、输出功率：

由于是电子开关直接变换输出功率，所以输出功率是电池电堆的功率；由于电容具有100%的放电深度和无限大的放电倍率（理论上是无限大，但实际受内阻、线阻、发热等影响限制），如果微单元的储能元件是电容，其输出瞬间特性接近电容特性，这个瞬间长度取决于微单元电容的储能大小。

? 、本实用新型把电子开关和储能微单元设计为较大功率组件，容易构建一个高压大功率的电源。

实施例

见图2，能量分配单元2由极性变换桥25、两根电源母线26,27、以及与控制中心21连接的极性变换桥驱动单元28组成；极性变换桥25包括有四个MOSFET场效应管，四个MOSFET场效应管的栅极均与极性变换桥驱动单元28连接，MOSFET场效应管MQ1和MOSFET场效应管MQ2的正极均与低压大电流电池电堆1的正极连接，MOSFET场效应管MQ3和MOSFET场效应管MQ4的负极均与低压大电流电池电堆1的负极连接，MOSFET场效应管MQ1的负极和MOSFET场效应管MQ3的正极均与其中一根电源母线26连接，MOSFET场效应管MQ2的负极和MOSFET场效应管MQ4的正极均与另一根电源母线27连接，偶数电子开关24的正极均与其中一根电源母线26连接，奇数电子开关24的正极均与另一根电源母线27连接。

见图2和图3，极性变换桥驱动单元28控制极性变换桥25的MQ1和MQ4导通、MQ2和MQ3关闭时，低压大电流电池电堆1在电源母线26上呈现的电压为为高电平，在电源母线27上呈现的电压为低电平，控制中心21控制电子开关MC2和MC3导通，电子开关24的输出端P22和P23两端的电压即为电池电堆电压VBAT，这个电压直接加载与储能微单元3的C2上，实现对C2的充电，充电一定时间段后，关闭电子开关MC2和MC3，停止对C2的充电；同样逻辑实现对C4的一定时间的充电、实现对所有偶数储能微单元一定时间的充电；

原理同上述方式，极性变换桥驱动单元28控制极性变换桥25的MQ2和MQ3导通、MQ1和MQ4关闭时，低压大电流电池电堆1在电源母线26上呈现的电压为为低电平，在电源母线27上呈现的电压为高电平，控制中心21控制电子开关MC1和MC2导通，电子开关24的输出端P21和P22两端的电压即为电池电堆电压VBAT，这个电压直接加载与储能微单元3的C1上，实现对C1的充电，充电一定时间段后，关闭电子开关MC1和MC2，停止对C1的充电，同样逻辑控制中心21逐个对所有奇数储能微单元进行一定时间的充电；

连续的循环往复充电，保障了所有储能微单元的电压与电池电堆电压相同的电压等级；多个带有与电池电堆电压相同的储能微单元的串联，形成了一个高压大功率电源。

见图4和图5，低压大电流电池电,1内包括多个单电池，多个单体电池并联再串联或几个单体电池串联后并联，当多个低压大电流电池电堆组合时，其对应的低压大电流电池电堆内的并联线也进行一一对接。

    见图6，储能微单元3包括有电感L、二极管D和电容C，所有储能微单元3的电容两端分别与储能输出高电平端口31和储能输出低电平端口33连接，电感L的一端与储能输入端口32连接，电感L的另一端与储能输出高电平端口31连接，二极管D的正极与储能输出低电平端口33连接，二极管D的负极与储能输入端口32连接；电感L的作用是充电缓冲和储能，电容C的作用是储存能量和释放能量，二极管D的作用是续流导通。

   见图7，电子开关24是一个单向导通的电子开关，即当控制极使之截止时，双向（指正极P端、负极N端）均不能导通，三极管具备此特性，而MOSFET和IGBT均内含反向二极管，当控制极使之截止时，反向仍导通。

见图8，为保障电子开关24在控制极使之截止时双向均不导通，用图8的组合开关形式来实现, 两个N型MOSFET管的源极连接一起，N型MOSFET管MC11的漏极接电子开关的正极P端，N型MOSFET管 MC12的漏极接电子开关的负极N端，当G和GN端之间的电压为零时，P和N两端双向均不导通。同样可用P型MOSFET的组合实现这一功能，IGBT的实现方式也如此。

Claims (6)

1.一种高压大功率动力电源，其特征在于：包括有低压大电流电池电堆、与电源输出端口连接的N个储能微单元、连接于低压大电流电池电堆和N个储能微单元之间的能量管理单元，其中，N大于等于2；所述的能量管理单元包括有与低压大电流电池电堆连接的能量分配单元、输出控制单元、N+1个电子开关、以及控制中心，所述的能量分配单元和输出控制单元均与控制中心连接；N+1个电子开关的正极均与能量分配单元的输出端口连接，N+1个电子开关的控制极均与输出控制单元连接，N个电子开关的负极均与N个储能微单元的储能输入端口连接；所述的储能微单元包括储能输出高电平端口、储能输入端口和储能输出低电平端口，相邻的两个储能微单元中，电平高的储能微单元的储能输出低电平端口与电平低的储能微单元的储能输出高电平端口连接，始端的储能微单元的储能输出高电平端口与电源输出端口正极连接，末端储能微单元的储能输出低电平端口与电源输出端口负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种高压大功率动力电源，其特征在于：所述的能量分配单元由极性变换桥、两根电源母线、以及与控制中心连接的极性变换桥驱动单元组成；所述的极性变换桥包括有四个MOSFET场效应管，四个MOSFET场效应管的栅极均与极性变换桥驱动单元连接，MOSFET场效应管MQ1和MOSFET场效应管MQ2的正极均与低压大电流电池电堆的正极连接，MOSFET场效应管MQ3和MOSFET场效应管MQ4的负极均与低压大电流电池电堆的负极连接，MOSFET场效应管MQ1的负极和MOSFET场效应管MQ3的正极均与其中一根电源母线连接，MOSFET场效应管MQ2的负极和MOSFET场效应管MQ4的正极均与另一根电源母线连接，偶数电子开关的正极均与其中一根电源母线连接，奇数电子开关的正极均与另一根电源母线连接。

3.根据权利要求1所述的一种高压大功率动力电源，其特征在于：所述的电子开关为单向导通的电子开关或由不能反向截止的电子开关经过组合后而形成的能够反向截止的电子开关组合。

4.根据权利要求1所述的一种高压大功率动力电源，其特征在于：所述的储能微单元选用电容、或电感和电容的组合、或微能量二次电池、或上述的组合结构。

5.根据权利要求1所述的一种高压大功率动力电源，其特征在于：所述的低压大电流电池电堆为锂离子电池电堆、镍氢电池电堆、铅酸电池电堆或燃料电池电堆。

6.根据权利要求1所述的一种高压大功率动力电源，其特征在于：所述的低压大电流电池电堆内包括多个单电池，多个单体电池并联再串联或几个单体电池串联后并联，当多个低压大电流电池电堆组合时，其对应的低压大电流电池电堆内的并联线也进行一一对接。