CN204349478U - 一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，属于蓄电池组充放电技术领域。本实用新型所述功率开关组Ⅰ和功率开关组Ⅱ为n+1个桥的桥式开关电路且其n+1条引出线接n个串联的单体电池，功率开关组Ⅰ为上桥臂，功率开关组Ⅱ为下桥臂；功率开关组Ⅰ的一端同时与二极管D2的一端和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的一端和功率开关M的一端相连，二极管D2的另一端和功率开关M的另一端同时与电压源E的一端相连；所述功率开关组Ⅱ的一端同时与二极管D1的另一端和电压源E的另一端相连。本实用新型拓扑电路原理简单；既降低了开关损耗又使功率开关器件的控制电路简单化。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，属于蓄电池组充放电技术领域。
背景技术
随着环境污染和能源危机的加剧，以蓄电池为动力源或辅助能源的各种电动车的发展成为必然。下面以锂电池为例进行说明。单体锂离子电池的标称电压最高为3.6v，使用中需要多个单体电池串联。单体电池的过充电或过放电都将影响电池单体及电池组的使用寿命，甚至发生爆炸事故，因此在多个单体电池串联使用时，不允许任何单体电池出现过放电和过充电的状态。由于各个单体电池性能的差异，在使用过程中就会出现单体端电压或单体电池的荷电状态（SOC）的不一致，在很大程度上影响到了电池组的性能和使用寿命。为了提高电池组的储能和有效使用的容量以及延长电池的使用寿命，必须对串联单体蓄电池采取积极有效的均衡措施。
均衡的时效性体现在均衡速度和均衡效率两方面。均衡速度描述了电池组各单体电池达到均衡所用的时间；均衡效率则描述了均衡过程中能量的有效利用率。目前，电池组均衡有多种设计方案，从能量转移时的能量消耗特性区分为能耗型均衡和非能耗型均衡两种。非能耗均衡方案以电容或电感作为储能元件，通过开关器件使能量在单体电池之间或单体电池与电池组之间进行转移。由于电池单体电压只有几伏，对电池组中的低压单体电池充电时功率开关器件压降带来的损耗相对所占比例明显。现阶段均衡方案对均衡电流的控制能力弱，在均衡过程中大部分能量被开关器件损耗掉，均衡效率普遍较低，与电阻能耗型均衡方案相比优势不明显，且电路复杂。
发明内容
针对上述现有技术，为解决非能耗均衡方案均衡效率低的问题，本实用新型提供了一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，该拓扑电路简单，对均衡电流的控制能力强，均衡效高。
本实用新型的技术方案是：一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，包括功率开关组Ⅰ、功率开关组Ⅱ、电感L、一个功率开关M、电压源E、续流二极管D1和续流二极管D2；其中所述功率开关组Ⅰ和功率开关组Ⅱ为n+1个桥的桥式开关电路且其n+1条引出线接n个串联的单体电池，功率开关组Ⅰ为上桥臂，功率开关组Ⅱ为下桥臂；功率开关组Ⅰ的一端同时与二极管D2的一端和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的一端和功率开关M的一端相连，二极管D2的另一端和功率开关M的另一端同时与电压源E的一端相连；所述功率开关组Ⅱ的一端同时与二极管D1的另一端和电压源E的另一端相连。
所述功率开关组Ⅰ采用共漏极连接，所述功率开关组Ⅱ采用共源极连接，功率开关组Ⅰ的漏极同时与二极管D2的阳极和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的阴极和功率开关M的源极相连，二极管D2的阴极和功率开关M的漏极同时与电压源E的正极相连；所述功率开关组Ⅱ的源极同时与二极管D1的阳极和电压源E的负极相连。
所述功率开关组Ⅰ由功率开关A1,…,An及对应的二极管DA1,…,DAn、一个功率开关An+1构成，功率开关组Ⅱ由一个功率开关B1、功率开关B2,…,Bn+1及对应的二极管DB2,…,DBn+1构成，n为电池组中单体电池的个数。
所述功率开关组Ⅰ采用共源极连接，所述功率开关组Ⅱ采用共漏极连接，功率开关组Ⅰ的源极同时与二极管D2的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的阳极和功率开关M的漏极相连，二极管D2的阳极和功率开关M的源极同时与电压源E的负极相连；所述功率开关组Ⅱ的漏极同时与二极管D1的阴极和电压源E的正极相连。
所述功率开关组Ⅰ由一个功率开关A1、功率开关A2,…,An+1及对应的二极管DA2,…,DAn+1构成，功率开关组Ⅱ由功率开关B1,…,Bn及对应的二极管DB1,…,DBn、一个功率开关Bn+1构成，n为电池组中单体电池的个数。
所述电压源E由电池组经DC/DC提供或者电池组以外的蓄电池组提供。
本实用新型的工作原理是：
本实用新型中以电感L为储能元件，通过开关的PWM控制使均衡能量在单体电池与均衡电路之间转移。均衡电路中的功率开关均采用功率MOSFET开关，基于典型的升降压斩波电路工作原理和降压斩波电路工作原理，电池组充电时通过降低电池组中电压最高的单体电池的充电电流来提高整个电池组的充电容量，而电池组放电时通过降低电池组中电压最低的单体电池的放电电流来提高整个电池组的放电容量。在实际应用时，可以根据所用各单体电池的荷电状态不一致程度，通过调节占空比来调节均衡电流的大小。
所述功率开关组Ⅰ采用共漏极连接，所述功率开关组Ⅱ采用共源极连接，功率开关组Ⅰ的漏极同时与二极管D2的阳极和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的阴极和功率开关M的源极相连，二极管D2的阴极和功率开关M的漏极同时与电压源E的正极相连；所述功率开关组Ⅱ的源极同时与二极管D1的阳极和电压源E的负极相连：当蓄电池组处于充电状态时，均衡能量从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向均衡电路转移；当蓄电池组处于放电状态时，均衡能量从均衡电路向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转移；当蓄电池组处于充电状态时：控制单体电池Celli的上下两个放电功率开关Ai+1和Bi，使其中一个功率开关处于导通状态，对另一个功率开关进行PWM控制，从而实现能量由单体电池Celli向均衡电路转移；其中，均衡电路为典型的升降压斩波电路；当蓄电池组处于放电状态时：控制单体电池Cellj的上下两个充电功率开关Aj和Bj+1以及功率开关M，使功率开关Aj和Bj+1处于导通状态，而对功率开关M进行PWM控制，从而实现能量由均衡电路向单体电池Cellj转移；其中，均衡电路为典型的降压斩波电路。
所述功率开关组Ⅰ采用共源极连接，所述功率开关组Ⅱ采用共漏极连接，功率开关组Ⅰ的源极同时与二极管D2的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的阳极和功率开关M的漏极相连，二极管D2的阳极和功率开关M的源极同时与电压源E的负极相连；所述功率开关组Ⅱ的漏极同时与二极管D1的阴极和电压源E的正极相连：当蓄电池组处于充电状态时，均衡能量从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向均衡电路转移；当蓄电池组处于放电状态时，均衡能量从均衡电路向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转移；当蓄电池组处于充电状态时：控制单体电池Celli的上下两个放电功率开关Ai和Bi+1，使其中一个功率开关处于导通状态，对另一个功率开关进行PWM控制，从而实现能量由单体电池Celli向均衡电路转移；其中，均衡电路为典型的升降压斩波电路；当蓄电池组处于放电状态时：控制单体电池Cellj的上下两个充电功率开关Aj+1和Bj以及功率开关M，使功率开关Aj+1和Bj处于导通状态，而对功率开关M进行PWM控制，从而实现能量由均衡电路向单体电池Cellj转移；其中，均衡电路为典型的降压斩波电路。
本实用新型的有益效果是：拓扑电路原理简单，基于典型的斩波电路原理，均衡电流值可灵活调整，均衡效率高。使用时，只需设定PWM的频率和合适的占空比，均衡过程中只需对一个开关进行PWM控制，其他相关开关一直处于导通状态，这样既降低了开关损耗又使功率开关器件的控制电路简单化。
附图说明
图1是本实用新型一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路原理图一；
图2是图1对应情况下，电池组充电时的均衡放电原理图；
图3是图2所示均衡过程的等效电路；
图4是图2所示均衡过程的相关波形图；
图5是图1对应情况下，电池组放电时的均衡充电原理图；
图6是图5所示均衡过程的等效电路；
图7是图5所示均衡过程的相关波形图；
图8是本实用新型一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路原理图二；
图9是图8对应情况下，电池组充电时的均衡放电原理图；
图10是图9所示均衡过程的等效电路；
图11是图9所示均衡过程的相关波形图；
图12是图8对应情况下，电池组放电时的均衡充电原理图；
图13是图12所示均衡过程的等效电路；
图14是图12所示均衡过程的相关波形图。
具体实施方式
实施例1：如图1-7所示，一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，包括功率开关组Ⅰ、功率开关组Ⅱ、电感L、一个功率开关M、电压源E、续流二极管D1和续流二极管D2；其中所述功率开关组Ⅰ和功率开关组Ⅱ为n+1个桥的桥式开关电路且其n+1条引出线接n个串联的单体电池，功率开关组Ⅰ为上桥臂，功率开关组Ⅱ为下桥臂；功率开关组Ⅰ的一端同时与二极管D2的一端和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的一端和功率开关M的一端相连，二极管D2的另一端和功率开关M的另一端同时与电压源E的一端相连；所述功率开关组Ⅱ的一端同时与二极管D1的另一端和电压源E的另一端相连。
所述功率开关组Ⅰ采用共漏极连接，所述功率开关组Ⅱ采用共源极连接，功率开关组Ⅰ的漏极同时与二极管D2的阳极和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的阴极和功率开关M的源极相连，二极管D2的阴极和功率开关M的漏极同时与电压源E的正极相连；所述功率开关组Ⅱ的源极同时与二极管D1的阳极和电压源E的负极相连。
所述功率开关组Ⅰ由功率开关A1,…,An及对应的二极管DA1,…,DAn、一个功率开关An+1构成，功率开关组Ⅱ由一个功率开关B1、功率开关B2,…,Bn+1及对应的二极管DB2,…,DBn+1构成，n为电池组中单体电池的个数。
所述电压源E由电池组经DC/DC提供或者电池组以外的蓄电池组提供。
如图2所示，电池组处于充电状态时，假设电池组中单体电池Cell1的端电压或SOC最高，均衡时：通过回路①，单体电池Cell1释放能量，而电感L储能；通过回路②，能量由电感L向电压源E转移。即均衡时通过回路①和回路②，能量由高电压单体电池Cell1向均衡电路转移。
如图3、4所示，为图2的等效均衡电路和相关波形，其中U为单体电池Cell1的端电压，“on”代表开开关处于导通状态，“off”代表开关处于关断状态，i为均衡过程中电感L的电流波形。等效的均衡电路为典型的升降压斩波电路，均衡时，使Cell1的上放电开关A2一直处于导通状态，而对Cell1的下放电开关B1进行PWM控制。当开关B1导通时，回路①被激活，单体电池Cell1放电，电感储能，电感上的电流上升；当开关B1断开时，回路②被激活，电感上的能量通过续流二极管D1和D2向电压源E转移，电感上的电流下降。
如图5所示，电池组处于放电状态时，假设电池组中单体电池Cell2的端电压或SOC最低，均衡时：通过回路①，单体电池Cell2吸收来自电压源E的能量，同时电感L储能；通过回路②，电感L中的储能向单体电池Cell2转移。即均衡时通过回路①和回路②，能量由均衡电路向低电压单体电池Cell2转移。
如图6、7所示，为图5的等效均衡电路和相关波形，其中U为单体电池Cell2的端电压，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，均衡时，使Cell2的上下两充电开关A2和B3一直处于导通状态，而对开关M进行PWM控制。当开关M导通时，回路①被激活，单体电池Cell2被充电，同时电感L储能，电感上的电流上升；当开关M断开时，回路②被激活，电感上的能量通过续流二极管D1向单体电池Cell2转移，电感上的电流下降。
实施例2：如图8-14所示，一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，包括功率开关组Ⅰ、功率开关组Ⅱ、电感L、一个功率开关M、电压源E、续流二极管D1和续流二极管D2；其中所述功率开关组Ⅰ和功率开关组Ⅱ为n+1个桥的桥式开关电路且其n+1条引出线接n个串联的单体电池，功率开关组Ⅰ为上桥臂，功率开关组Ⅱ为下桥臂；功率开关组Ⅰ的一端同时与二极管D2的一端和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的一端和功率开关M的一端相连，二极管D2的另一端和功率开关M的另一端同时与电压源E的一端相连；所述功率开关组Ⅱ的一端同时与二极管D1的另一端和电压源E的另一端相连。
所述功率开关组Ⅰ采用共源极连接，所述功率开关组Ⅱ采用共漏极连接，功率开关组Ⅰ的源极同时与二极管D2的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的阳极和功率开关M的漏极相连，二极管D2的阳极和功率开关M的源极同时与电压源E的负极相连；所述功率开关组Ⅱ的漏极同时与二极管D1的阴极和电压源E的正极相连。
所述功率开关组Ⅰ由一个功率开关A1、功率开关A2,…,An+1及对应的二极管DA2,…,DAn+1构成，功率开关组Ⅱ由功率开关B1,…,Bn及对应的二极管DB1,…,DBn、一个功率开关Bn+1构成，n为电池组中单体电池的个数。
所述电压源E由电池组经DC/DC提供或者电池组以外的蓄电池组提供。
如图9所示，电池组处于充电状态时，假设电池组中单体电池Cell1的端电压或SOC最高，均衡时：通过回路①，单体电池Cell1释放能量，而电感L储能；通过回路②，能量由电感L向电压源E转移。即均衡时通过回路①和回路②，能量由高电压单体电池Cell1向均衡电路转移。
如图10、11所示，为图9的等效均衡电路和相关波形，其中U为单体电池Cell1的端电压，“on”代表开开关处于导通状态，“off”代表开关处于关断状态，i为均衡过程中电感L的电流波形。等效的均衡电路为典型的升降压斩波电路，均衡时，使Cell1的下放电开关B2一直处于导通状态，而对Cell1的上放电开关A1进行PWM控制。当开关A1导通时，回路①被激活，单体电池Cell1放电，电感储能，电感上的电流上升；当开关A1断开时，回路②被激活，电感上的能量通过续流二极管D1和D2向电压源E转移，电感上的电流下降。
如图12所示，电池组处于放电状态时，假设电池组中单体电池Cell2的端电压或SOC最低，均衡时：通过回路①，单体电池Cell2吸收来自电压源E的能量，同时电感L储能；通过回路②，电感L中的储能向单体电池Cell2转移。即均衡时通过回路①和回路②，能量由均衡电路向低电压单体电池Cell2转移。
如图13、14所示，为图12的等效均衡电路和相关波形，其中U为单体电池Cell2的端电压，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，均衡时，使Cell2的上下两充电开关A3和B2一直处于导通状态，而对开关M进行PWM控制。当开关M导通时，回路①被激活，单体电池Cell2被充电，同时电感L储能，电感上的电流上升；当开关M断开时，回路②被激活，电感上的能量通过续流二极管D1向单体电池Cell2转移，电感上的电流下降。
实施例3：如图1-14所示，一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，包括功率开关组Ⅰ、功率开关组Ⅱ、电感L、一个功率开关M、电压源E、续流二极管D1和续流二极管D2；其中所述功率开关组Ⅰ和功率开关组Ⅱ为n+1个桥的桥式开关电路且其n+1条引出线接n个串联的单体电池，功率开关组Ⅰ为上桥臂，功率开关组Ⅱ为下桥臂；功率开关组Ⅰ的一端同时与二极管D2的一端和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的一端和功率开关M的一端相连，二极管D2的另一端和功率开关M的另一端同时与电压源E的一端相连；所述功率开关组Ⅱ的一端同时与二极管D1的另一端和电压源E的另一端相连。
所述电压源E由电池组经DC/DC提供。
实施例4：如图1-14所示，一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，包括功率开关组Ⅰ、功率开关组Ⅱ、电感L、一个功率开关M、电压源E、续流二极管D1和续流二极管D2；其中所述功率开关组Ⅰ和功率开关组Ⅱ为n+1个桥的桥式开关电路且其n+1条引出线接n个串联的单体电池，功率开关组Ⅰ为上桥臂，功率开关组Ⅱ为下桥臂；功率开关组Ⅰ的一端同时与二极管D2的一端和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的一端和功率开关M的一端相连，二极管D2的另一端和功率开关M的另一端同时与电压源E的一端相连；所述功率开关组Ⅱ的一端同时与二极管D1的另一端和电压源E的另一端相连。
所述电压源E由电池组以外的蓄电池组提供。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，其特征在于：包括功率开关组Ⅰ、功率开关组Ⅱ、电感L、一个功率开关M、电压源E、续流二极管D1和续流二极管D2；其中所述功率开关组Ⅰ和功率开关组Ⅱ为桥式开关电路且其引出线接串联的单体电池，功率开关组Ⅰ为上桥臂，功率开关组Ⅱ为下桥臂；功率开关组Ⅰ的一端同时与二极管D2的一端和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的一端和功率开关M的一端相连，二极管D2的另一端和功率开关M的另一端同时与电压源E的一端相连；所述功率开关组Ⅱ的一端同时与二极管D1的另一端和电压源E的另一端相连。
2.根据权利要求1所述的新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，其特征在于：所述功率开关组Ⅰ采用共漏极连接，所述功率开关组Ⅱ采用共源极连接，功率开关组Ⅰ的漏极同时与二极管D2的阳极和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的阴极和功率开关M的源极相连，二极管D2的阴极和功率开关M的漏极同时与电压源E的正极相连；所述功率开关组Ⅱ的源极同时与二极管D1的阳极和电压源E的负极相连。
3.根据权利要求2所述的新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，其特征在于：所述功率开关组Ⅰ由功率开关A1,…,An及对应的二极管DA1,…,DAn、一个功率开关An+1构成，功率开关组Ⅱ由一个功率开关B1、功率开关B2,…,Bn+1及对应的二极管DB2,…,DBn+1构成，n为电池组中单体电池的个数。
4.根据权利要求1所述的新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，其特征在于：所述功率开关组Ⅰ采用共源极连接，所述功率开关组Ⅱ采用共漏极连接，功率开关组Ⅰ的源极同时与二极管D2的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端同时与二极管D1的阳极和功率开关M的漏极相连，二极管D2的阳极和功率开关M的源极同时与电压源E的负极相连；所述功率开关组Ⅱ的漏极同时与二极管D1的阴极和电压源E的正极相连。
5.根据权利要求4所述的新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，其特征在于：所述功率开关组Ⅰ由一个功率开关A1、功率开关A2,…,An+1及对应的二极管DA2,…,DAn+1构成，功率开关组Ⅱ由功率开关B1,…,Bn及对应的二极管DB1,…,DBn、一个功率开关Bn+1构成，n为电池组中单体电池的个数。
6.根据权利要求1所述的新型的蓄电池组充放电均衡器拓扑电路，其特征在于：所述电压源E由电池组经DC/DC提供或者电池组以外的蓄电池组提供。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150520 Termination date: 20161121 |
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