CN206575333U - 一种基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，包括；第一电能、第二电能，换能电路，还包括：第一开关单元，连接于第一电能的正向端及换能电能的输入端之间，第一开关单元的控制端连接一控制单元；第二开关单元，连接于第一电能的反向端及换能单元的输入端之间，第二开关单元的控制端连接控制单元；第三开关单元，连接于第二电能的正向端及换能单元的输出端之间，第三开关单元的控制端连接控制单元；第四开关单元，连接于第二电能的反向端及换能单元的输出端之间，第四开关单元的控制端连接控制单元；第二电能的输入端和第二电能的输出端形成双向电源电路的负载连接端。

Description

一种基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路

技术领域

本实用新型涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路。

背景技术

伴随着整个电信业务的快速发展，应用于电信网络的各种技术层出不穷。光通信技术一直都是整个通信领域关注的焦点之一。同样，随着宽带用户的快速增长，在接入网络层面，较之传统的铜线接入技术，光纤接入有着覆盖面积广、传输距离远、带宽高、安全、建设维护成本低等优点，“光进铜退”成为必然选择。在这个过程中，电源问题成为影响光通信质量的关键问题之一，光网络必须配备性能更加完善的电源管理系统。

传统的通信设备备用电源是铅酸电池，但是铅酸电池有其固有的缺点：污染、体积大、维护成本高，被低碳环保的锂离子电池取代已成为一种趋势。锂离子电池取代铅酸电池需要一个过程，目前通信设备电源为了兼容铅酸电池及锂离子电池，系统所输出的充电电压能够使铅酸电池充满电，但可能不足以使锂离子电池充满，因此为了使通信设备有更好的备用电源兼容性，锂离子电池备用电源系统需要将充电电压进行升压(即低压充电)。

现有BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM电池管理系统)设计中，如图1所示，为了降低BMS的设计成本，通常采用功率MOS反向串联一二极管来实现充电与放电功能的单独控制，当电池组处于充电状态下，控制单元对MOS1施加第一预定电压以使MOS1处于断路状态，二极管D1导通，同时控制单元对MOS2施加第二预定电压以使MOS2处于导通状态，二极管D2断路，当电池组处于放电状态下，控制单元对MOS1施加第二预定电压以使MOS1处于导通状态，二极管D1断路，同时控制单元对MOS2施加第一预定电压以使MOS2处于断状态，二极管D2短路，但是此种电路存在以下缺陷：

其缺点主要表现在限流充电方面：

功率MOS管的开启和关闭均由栅极电压控制，当栅极电压大于开启电压的状态下，功率MOS管导通，当栅极电压小于关断电压的状态下，功率MOS管关断，但是在功率MOS管导通或关断瞬间，其MOS管本身具有大电流小电压或者小电流大电压，容易产生较大的功耗，为了保障电路的正常运行，通常需要增加散热片进行散热处理，以使充电电路处于正常温度下工作，但是增加散热片，系统体积也随之增加，不利于系统的集成化设计；

锂电池组处于限流充电状态时，锂电池组充电电流下降，则MOS2、D1两端承载的电流提高，为避免MOS2、D1工作于过流状态，则需要在MOS2两端并联多个分流MOS2，以减少单个MOS2、D1两端的电流；另外锂电池组处于限流充电状态时，电解电容C1流经电流也随之提高，电解电容处于过电流状态下工作，一方面导致电解电容C1的功耗增加，另一方面，长期处于过电流状态下工作容易缩短电解电容C1的使用寿命；另外，由于MOS管的快速通断易产生高频电流，由于高频电流具有趋肤效应，容易出现传输导线发热严重。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供了一种解决了使用功耗低、易于集成设计、寿命长的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，具体地：

一种基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，包括；第一电能、第二电能，换能电路，还包括：

第一开关单元，连接于所述第一电能的正向端及所述换能电能的输入端之间，所述第一开关单元的控制端连接一控制单元；

第二开关单元，连接于所述第一电能的反向端及所述换能单元的输入端之间，所述第二开关单元的控制端连接所述控制单元；

第三开关单元，连接于所述第二电能的正向端及所述换能单元的输出端之间，所述第三开关单元的控制端连接所述控制单元；

第四开关单元，连接于所述第二电能的反向端及所述换能单元的输出端之间，所述第四开关单元的控制端连接所述控制单元；

所述第二电能的输入端和所述第二电能的输出端形成所述双向电源电路的负载连接端。

优选地，上述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，还包括一滤波单元，所述滤波单元并联所述第一电能两端。

优选地，上述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，所述控制单元主要由PWM控制器形成。

优选地，上述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，所述PWM控制器用以形成一PWM波，所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元、所述第四开关单元于所述PWM波的控制下于导通状态与关断状态之间切换。

优选地，上述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，所述PWM波的占空比为70％至85％之间。

优选地，上述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，还包括一保护单元，

所述保护单元连接于所述第一电能的正向端与所述第二电能的正向端之间。

优选地，上述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，所述保护单元包括充电保护电路和放电保护电路，

所述充电保护电路的串联所述放电保护电路，所述充电保护电路的控制端和所述放电保护电路的控制端分别连接所述控制单元；

所述充电保护电路和所述放电保护电路于所述控制单元的作用下于导通状态和关断状态之间切换。

优选地，上述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，所述换能单元由电感电路形成。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

本实用新型中，所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元于零电流导通状态或零电压关断状态之间切换：在第一开关单元、和/或第二开关单元、和/或第三开关单元、和/或第四开关单元于导通瞬间，因二极管与MOS管之间产生谐振使得开关单元的电流接近于零，此时无论开关单元的两端压降多大，此时的功耗均接近于零。同理，在第一开关单元、和/或第二开关单元、和/或第三开关单元、和/或第四开关单元于关闭瞬间，因二极管与MOS管之间产生谐振使得开关单元的电压接近于零，此时无论开关单元的两端电流多大，此时的功耗均接近于零。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为现有技术锂电池充放电主回路电路图；

图2为本实用新型一种实施例中基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路结构示意图；

图3为本实用新型一种实施例中基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路图；

图4为本实用新型一种实施例中基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路中电流波形图；

图5为本实用新型一种实施例中基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路中开关单元的工作状态示意图；

图6为本实用新型一种实施例中基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型锂电池组用双向电源作进一步详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

如图2所示一种基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路结构示意图，中，包括；第一电能、第二电能，换能电路，其中所述换能单元由电感电路形成，还包括：

第一开关单元，连接于所述第一电能的正向端及所述换能电能的输入端之间，所述第一开关单元的控制端连接一控制单元；所述第一开关单元包括第一MOS管以及反向并联于所述MOS管两端的第一二极管，所述第一MOS管与所述第一二极管工作于谐振状态；

第二开关单元，连接于所述第一电能的反向端及所述换能单元的输入端之间，所述第二开关单元的控制端连接所述控制单元；所述第二开关单元包括第二MOS管以及反向并联于所述MOS管两端的第二二极管，所述第二MOS管与所述第二二极管工作于谐振状态；

第三开关单元，连接于所述第二电能的正向端及所述换能单元的输出端之间，所述第三开关单元的控制端连接所述控制单元；所述第三开关单元包括第三MOS管以及反向并联于所述MOS管两端的第三二极管，所述第三MOS管与所述第三二极管工作于谐振状态；

第四开关单元，连接于所述第二电能的反向端及所述换能单元的输出端之间，所述第四开关单元的控制端连接所述控制单元；所述第四开关单元包括第四MOS管以及反向并联于所述MOS管两端的第四二极管，所述第四MOS管与所述第四二极管工作于谐振状态；

所述第二电能的输入端和所述第二电能的输出端形成所述双向电源电路的负载连接端。

其中所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元于零电流导通状态或零电压关断状态之间切换。

其中，所述控制单元主要由PWM控制器形成，所述PWM控制器用以形成一PWM波，所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元、所述第四开关单元于所述PWM波的控制下于零电流导通状态与零电压关断状态之间切换。

作为进一步优选实施方案，于上述电路的基础之上，还包括一保护单元，

所述保护单元连接于所述第一电能的正向端与所述第二电能的正向端之间。所述保护单元包括充电保护电路和放电保护电路，

所述充电保护电路的串联所述放电保护电路，所述充电保护电路的控制端和所述放电保护电路的控制端分别连接所述控制单元；

所述充电保护电路和所述放电保护电路于所述控制单元的作用下于导通状态和关断状态之间切换。

本实用新型的工作原理是：

当电磁组处于限流充电状态下，由所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元形成的全桥式双向电源电路中仅有对称桥臂导通，例如，在第一电能进行充电状态，第一开关单元、第四开关单元导通，在第二电能进行充电的状态下，第二开关单元、第三开关单元导通。任意对称桥臂导通的状态下，至少有两个开关单元导通，两个开关单元分别对电路中的电流做分流处理，无需并联多个功率管即可避免功率管处于过流状态下工作。

本实用新型中，所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元于零电流导通状态或零电压关断状态之间切换：在第一开关单元、和/或第二开关单元、和/或第三开关单元、和/或第四开关单元于导通瞬间，因二极管与MOS管之间产生谐振使得开关单元的电流接近于零，此时无论开关单元的两端压降多大，此时的功耗均接近于零。同理，在第一开关单元、和/或第二开关单元、和/或第三开关单元、和/或第四开关单元于关闭瞬间，因二极管与MOS管之间产生谐振使得开关单元的电压接近于零，此时无论开关单元的两端电流多大，此时的功耗均接近于零。

另外，当电池组处于限流充电的状态下，第一开关单元、和/或第二开关单元、和/或第三开关单元、和/或第四开关单元自身的寄生电容延缓每个开关单元电流变化的时间，避免限流充电下对整个电流的冲击，避免产生高频电流，延长传输导线的使用寿命。

同时二极管对每个开关单元还具有短路保护作用，当电路出现故障时，二极管可于10微秒内对每个开关单元实现短路保护，延长每个开关单元内功率管的使用寿命。

列举一具体应用电路：如图3所示，当电池组处于限流充电的状态下，保护电路处于断路状态。

由于MOS管内存在有寄生电容Co，在MOS管断路瞬间，与MOS管并联的寄生电容Co延缓MOS管源极、漏极端电压的上升时间，继而源极、漏极间的电压接近于0V，相当于MOS管处于零电压(ZVS)关断状态，因源极、漏极间的电压接近于0V，则MOS管在关断瞬间消耗的功耗大大显著降低。同理在MOS管导通瞬间，与MOS管并联的寄生电容Co延缓MOS管源极、漏极端电流的上升时间，继而源极、漏极间的电流接近于0A，相当于MOS管处于零电流(ZCS)导通状态，因源极、漏极间的电流接近于0A，则MOS管在导通瞬间消耗的功耗大大显著降低。

如图4所示，以PWM波的一个周期为例，

在PWM波的t0～t1时间段，PWM波控制第四MOS管S4内的反向并联二极管D4和第二MOS管S2同时导通，第二MOS管S2自身的寄生Co2阻止第二MOS管S2源极、漏极之间电流上升时以达到零电流关断状态。电感L电流-i_L(t)对第二寄生电容Co2充电(其中-指反向充电)，同时第一寄生电容Co1放电，第一MOS管S1内反向并联的二极管D1对电感L电流实施续流处理，二极管D1导通，第一MOS管S1实现零电流导通；第一MOS管S1导通压降小于二极管D1正向压，电感L电流从第一MOS管S1上流过，电感L电压两端的压降逐步上升至电压电能V1，同时电流i_L(t)逐步上升。

在PWM波t1时间点上(即PWM波的上升沿阶段)，PWM波控制第四MOS管S4导通，第四寄生电容Co4完全放电，第四MOS管S4处于零电压关断状态。同理，在T＝t2(即PWM波的下降沿阶段)或T＝t3(即PWM波的上升沿阶段)瞬间，能量从寄生电容转移到电感L上。

在PWM波T1时间点上的t1～t2时间段，电感L电流i_L(t)对第四寄生电容Co4充电，同时第三寄生电容Co3放电，此阶段电感L能量传递给第四寄生电容Co4。随着在电感i_L(t)放电时间的延长，其电感L的电压降降低，当电感L的电压降到预定值时第三MOS管S3反向并联的二极管D3导通，第三MOS管S3零电流导通。第三MOS管S3导通以后，加在电感L上的电压VL(t)匹配第一电能电压V1与第二电能电压V2之差{VL(t)＝V1-V2}，同样使电感L电流上升(BUCK模式)或者下降(BOOST模式)。

在PWM波T1时间点上的t3～tP时间段，第二MOS管S2、第四MOS管S4导通，第一MOS管S1、第三MOS管S3关闭，电流在功率元件内部循环，此阶段存在是为了保持恒定周期，并且提供负的偏置电流，为下一个脉冲周期实现ZCS/ZVS提供条件。

在每个开关周期内，第一开关单元S1、第二开关单元S2、第三开关单元S3、第四开关单元S4均导通一次，具体地如图5所示，每个开关单元的工作状态波形图。

在电池组正常充电的状态下，第五MOS管S5与第六MOS管S6处于导通状态。

作为进一步优选实施方案，上述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其中，还包括一滤波单元，所述滤波单元并联所述第一电能两端，所述滤波单元主要由电解电容形成，用以滤除第一电能输出的第一电压中的纹波，可将第一电压中的纹波控制在±1％左右。

实施例二

上述实施例一中，基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路的热损耗正比于电感阻抗X_L与电感电流i_L(t)的有效值的平方[P＝X_L i_L(t)²]，上述实施例一的电感电流i_L(t)的波形图如图4所示，当电感电流i_L(t)的有效值降低时，其功耗也降低。基于此，本实施例二在上述实施例一的基础之上，其中，将所述PWM波的占空比控制为70％至85％之间。如图6所示，电感电流iL(t)的有效值下降，进而整个电路中的功耗也降低。

虽然本实用新型的各个方面在独立权利要求中给出，但是本实用新型的其它方面包括来自所描述实施方式的特征和/或具有独立权利要求的特征的从属权利要求的组合，而并非仅是权利要求中所明确给出的组合。

这里所要注意的是，虽然以上描述了本实用新型的示例实施方式，但是这些描述并不应当以限制的含义进行理解。相反，可以进行若干种变化和修改而并不背离如所附权利要求中所限定的本实用新型的范围。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其特征在于，包括；第一电能、第二电能，换能电路，还包括：

第一开关单元，连接于所述第一电能的正向端及所述换能电能的输入端之间，所述第一开关单元的控制端连接一控制单元；

第二开关单元，连接于所述第一电能的反向端及所述换能单元的输入端之间，所述第二开关单元的控制端连接所述控制单元；

第三开关单元，连接于所述第二电能的正向端及所述换能单元的输出端之间，所述第三开关单元的控制端连接所述控制单元；

第四开关单元，连接于所述第二电能的反向端及所述换能单元的输出端之间，所述第四开关单元的控制端连接所述控制单元；

所述第二电能的输入端和所述第二电能的输出端形成所述双向电源电路的负载连接端。

2.根据权利要求1所述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其特征在于，还包括一滤波单元，所述滤波单元并联所述第一电能两端。

3.根据权利要求1所述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其特征在于，所述控制单元主要由PWM控制器形成。

4.根据权利要求3所述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其特征在于，所述PWM控制器用以形成一PWM波，所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元、所述第四开关单元于所述PWM波的控制下于导通状态与关断状态之间切换。

5.根据权利要求3所述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其特征在于，所述PWM波的占空比为70％至85％之间。

6.根据权利要求1所述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其特征在于，还包括一保护单元，

所述保护单元连接于所述第一电能的正向端与所述第二电能的正向端之间。

7.根据权利要求6所述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其特征在于，所述保护单元包括充电保护电路和放电保护电路，

所述充电保护电路的串联所述放电保护电路，所述充电保护电路的控制端和所述放电保护电路的控制端分别连接所述控制单元；

所述充电保护电路和所述放电保护电路于所述控制单元的作用下于导通状态和关断状态之间切换。

8.根据权利要求1所述的基于锂电池组储能的全桥式双向电源电路，其特征在于，所述换能单元由电感电路形成。