CN211556916U - 双向均衡电路及电池在线养护系统 - Google Patents

双向均衡电路及电池在线养护系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种双向均衡电路及电池在线养护系统，所述双向均衡电路包括隔离单元、切换单元、充放电单元、控制信号端子、正接线端子和负接线端子；所述控制信号端子连接到所述隔离单元的原边，且所述隔离单元的原边根据所述控制信号端子的信号导通或断开；所述隔离单元的副边、切换单元及充放电单元串联连接在所述正接线端子和负接线端子之间，且所述充放电单元根据所述切换单元及隔离单元的原边的状态对连接到所述正接线端子和负接线端子的单体电池进行充电或放电。本实用新型通过双向均衡电路对蓄电池组中的单体电池进行充放电控制，从而可结合控制器实现蓄电池组中单体电池的自动双向均衡。

Description

双向均衡电路及电池在线养护系统
技术领域
本实用新型涉及电池养护领域，更具体地说，涉及一种双向均衡电路及电池在线养护系统。
背景技术
电力系统变电站操作电源、通信电源、机房UPS(Uninterrupted Power Supply，不间断电源)，以及储能电站、光伏电站、电动汽车，都大量使用蓄电池组作为后备电源系统、储能电池或者动力电源。
在蓄电池组使用过程中，随着时间的推移，蓄电池组中的各个单体电池由于本身性能的差异，逐渐出现电压不均衡，容量不均衡问题，长期处于不均衡的电池，要么欠充，要么过充，由于缺乏有效维护养护手段，这些单体电池过早出现盐化失水，造成失容，过早的老化。
目前的上述单体电池过早老化的方法主要通过整组蓄电池组充电或者放电，来从宏观上解决；或者通过人工对落后单体电池进行充电补偿，或者对过冲的单体电池进行放电降压处理；再者是通过在线安装装置，对其控制进行拉低较高电压的耗电式的单向均衡。
然而，若整组充电以保证欠压状态的电池达到标准电压，将导致电压较高的单体电池长时处于过充状态，这是对单体电池一种损伤；同理，整组放电对欠压电池也是一种伤害；人工操作则费时费力，不好把控；而在线式的均衡是单向的耗电方式拉低电压过高电池，不能从根本上解决蓄电池组欠压不均衡问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述整组充放电伤害其他电池、人工操作费时费力、以及在线式均衡无法解决蓄电池组欠压不均衡的问题，提供一种双向均衡电路及电池在线养护系统。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种双向均衡电路，包括隔离单元、切换单元、充放电单元、控制信号端子、正接线端子和负接线端子；所述控制信号端子连接到所述隔离单元的原边，且所述隔离单元的原边根据所述控制信号端子的信号导通或断开；所述隔离单元的副边、切换单元及充放电单元串联连接在所述正接线端子和负接线端子之间，且所述充放电单元根据所述切换单元及隔离单元的原边的状态对连接到所述正接线端子和负接线端子的单体电池进行充电或放电。
优选地，所述充放电单元包括放电子单元和充电子单元，且所述充电子单元和放电子单元并联连接后与所述切换单元串联连接。
优选地，所述切换单元包括第一双向继电器和第二双向继电器，且所述第一双向继电器和第二双向继电器的继电器线圈串联连接在第一供电电压端子与参考地之间；所述第一双向继电器和第二双向继电器的常闭触点分别与所述放电子单元串联连接，且所述第一双向继电器和第二双向继电器的常开触点分别与所述充电子单元串联连接。
优选地，所述隔离单元包括双路光耦，且所述双路光耦包括连接在第一引脚和第二引脚之间的第一发光元件、连接在第三引脚和第四引脚之间的第二发光元件、连接在第五引脚和第六引脚之间的第一光敏元件以及连接在第七引脚和第八引脚之间的第二光敏元件；
所述双路光耦的第一引脚和第三引脚分别经由限流电阻连接第二供电电压端子，且所述双路光耦的第二引脚和第四引脚经由同一开关管接地，所述开关管的控制端连接控制信号端子；
所述双路光耦的第五引脚经由所述切换单元、充放电单元与所述双路光耦的第七引脚连接，所述负接线端子与所述双路光耦的第六引脚连接，所述正接线端子与所述双路光耦的第八引脚连接。
优选地，所述放电子单元包括第一电阻和第二电阻，且所述双路光耦的第七引脚经由第一电阻与第一双向继电器的常闭触点连接；所述第一双向继电器的公共触点连接到所述第二双向继电器的公共触点，且所述第二双向继电器的常闭触点经由所述第二电阻连接到所述双路光耦的第五引脚。
优选地，所述充电子单元包括电压转换模块、第三电阻和第四电阻，且所述双路光耦的第七引脚经由第三电阻与所述第一双向继电器的常开触点连接；所述第一双向继电器的公共触点连接到所述第二双向继电器的公共触点，且所述第二双向继电器的常开触点经由所述第四电阻与所述双路光耦的第五引脚连接，所述电压转换模块的输出端与所述第四电阻并联连接。
本实用新型实施例还提供一种电池在线养护系统，用于蓄电池组的均衡养护，所述蓄电池组包括N个单体电池，所述N为大于1的整数，所述电池在线养护系统包括N个双向均衡装置以及一个控制器，且每一所述双向均衡装置包括如上所述的双向均衡电路；每一所述双向均衡装置的正接线端子连接到一个单体电池的正极、负接线端子连接到同一单体电池的负极；所述N个双向均衡装置的控制信号端子、正接线端子和负接线端子分别连接到所述控制器。
优选地，所述控制器包括N个对外接口，并通过所述N个对外接口分别与N个双向均衡装置电性连接。
优选地，所述控制器包括选择单元和主控单元，且所述N个对外接口分别经由所述选择单元与主控单元连接。
本实用新型的双向均衡电路及电池在线养护系统具有以下有益效果：通过双向均衡电路对蓄电池组中的单体电池进行充放电控制，从而可结合控制器实现蓄电池组中单体电池的自动双向均衡。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的双向均衡电路的示意图；
图2是本实用新型实施例提供的双向均衡电路的电路拓扑示意图；
图3是本实用新型实施例提供的电池在线养护系统的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，是本实用新型实施例提供的双向均衡电路实施例的示意图，该双向均衡电路可连接在蓄电池的单体电池和控制器之间，并与控制器结合实现单体电池的自动充放电。本实施例的双向均衡电路包括隔离单元11、切换单元13、充放电单元12、控制信号端子、正接线端子和负接线端子，上述隔离单元11、切换单元13、充放电单元12、控制信号端子、正接线端子和负接线端子可集成到一块印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)上，当然，在实际应用中，隔离单元11、切换单元13、充放电单元12、控制信号端子、正接线端子和负接线端子集成到多块印制电路板。
上述控制信号端子连接到隔离单元11的原边，且隔离单元11的原边根据控制信号端子的信号导通或断开。隔离单元11的副边、切换单元13及充放电单元12串联连接在正接线端子和负接线端子之间，且充放电单元12根据切换单元13及隔离单元11的原边的状态对连接到正接线端子和负接线端子的单体电池进行充电或放电。
上述双向均衡电路，通过隔离单元11实现控制信号隔离，并通过切换单元13及隔离单元11对充放电单元12的充放电状态进行切换，从而可实现单体电池的充放电控制。该双向均衡电路可与控制器结合，自动根据蓄电池组中的单体电池的电压进行充放电控制，从而实现蓄电池组中单体电池的自动双向均衡。
在本实用新型的一个实施例中，充放电单元12可包括放电子单元和充电子单元，且上述充电子单元和放电子单元并联连接后与切换单元13串联连接。切换单元13可选择充电子单元和放电子单元中的一个连接到单体电池，从而对单体电池进行充电或放电控制。
具体地，结合图2所示，上述切换单元13可包括第一双向继电器K1和第二双向继电器K2，且第一双向继电器K1和第二双向继电器K2的继电器线圈串联连接在第一供电电压端子VDD1(例如5V)与参考地GND之间。上述第一双向继电器K1和第二双向继电器K2的常闭触点分别与放电子单元串联连接，且第一双向继电器K1和第二双向继电器K2的常开触点分别与充电子单元串联连接。这样，当第一双向继电器K1和第二双向继电器K2的继电器线圈未吸合时(即第一双向继电器K1和第二双向继电器K2常闭触点闭合、常开触点断开)，则隔离单元11的副边及充放电单元12的放电子单元串联连接在正接线端子和负接线端子之间；当第一双向继电器K1和第二双向继电器K2的继电器线圈吸合时(即第一双向继电器K1和第二双向继电器K2常闭触点断开、常开触点闭合)，则隔离单元11的副边及充放电单元12的充电子单元串联连接在正接线端子和负接线端子之间。当然，在实际应用中，切换单元13也可通过其他元件实现，并进行相应的切换控制。
在本实用新型的另一实施例中，结合图2所示，隔离单元11包括双路光耦U01，且该双路光耦U01包括连接在第一引脚和第二引脚之间的第一发光元件、连接在第三引脚和第四引脚之间的第二发光元件、连接在第五引脚和第六引脚之间的第一光敏元件以及连接在第七引脚和第八引脚之间的第二光敏元件。上述第一发光元件和第二发光元件构成双路光耦U01的原边，第一光敏元件和第二光敏元件构成双路光耦U01的副边，即在第一发光元件导通工作时，第一光敏元件导通，在第二发光元件导通时，第二光敏元件导通。当然，在实际应用中，隔离元件11还可通过其他实现高、低电压隔离的电子元件或电路。
上述双路光耦U01的第一引脚和第三引脚分别经由限流电阻连接第二供电电压端子VDD2，且该双路光耦U01的第二引脚和第四引脚经由同一开关管(例如可以为NPN型三极管)接地，该开关管的控制端连接控制信号端子。双路光耦U01的第五引脚经由切换单元13、充放电单元12与双路光耦U01的第七引脚连接，负接线端子Ba-与双路光耦U01的第六引脚连接，正接线端子Ba+与双路光耦U01的第八引脚连接。这样，在控制信号端子为低电平时，双路光耦U01的原边的第一发光元件和第二发光元件断开，相应地，双路光耦U01的副边的第一光敏元件和第二光敏元件也断开；在控制信号端子为高电平时，双路光耦U01的原边的第一发光元件和第二发光元件导通，相应地，双路光耦U01的副边的第一光敏元件和第二光敏元件也导通。
在本实用新型的另一实施例中，结合图2所示，放电子单元具体可包括第一电阻R1和第二电阻R2，且双路光耦U01的第七引脚经由第一电阻R1与第一双向继电器K1的常闭触点连接；第一双向继电器K1的公共触点连接到第二双向继电器K2的公共触点，且第二双向继电器K2的常闭触点经由第二电阻R2连接到双路光耦U01的第五引脚。
充电子单元具体可包括电压转换模块U02、第三电阻R3和第四电阻R4，且双路光耦U01的第七引脚经由第三电阻R3与第一双向继电器K1的常开触点连接；第一双向继电器K1的公共触点连接到第二双向继电器K2的公共触点，且第二双向继电器K2的常开触点经由第四电阻R4与双路光耦U01的第五引脚连接，电压转换模块U02的输出端与第四电阻R4并联连接。上述电压转换模块U02构成隔离电源，并为单体电池充电，具体地，该电压转换模块U02可包括升压电路，已将输入电压转换为充电电压输出到单体电池。
本实用新型实施例还提供一种电池在线养护系统，用于蓄电池组的均衡养护，所述蓄电池组包括N个单体电池，N为大于1的整数，上述电池在线养护系统包括N个双向均衡装置10以及一个控制器20，且每一双向均衡装置10包括如上所述的双向均衡电路；每一双向均衡装置10的正接线端子Ba+连接到一个单体电池30的正极、负接线端子Ba-连接到同一单体电池30的负极；N个双向均衡装置10的控制信号端子PWM、正接线端子Ba+和负接线端子Ba-分别连接到控制器20。
具体地，双向均衡装置10可通过总线与控制器20相连，总线的两端接头采用DB9母头，双向均衡装置10以及控制器的总线接口分别采用DB9公头。上述总线具体可包括：PWM、AGND、+3.3V、Ba+、+12V、GND、+5V、GND、Ba-共9条线。
在初始状态，即电池在线养护系统处于待机时，第一双向继电器K1和第二双向继电器K2处于常闭状态，第一供电电压端子VDD1的输入电压为0V，控制信号端子为低电平，电压转换模块U02的输入IN为0V(输出也为0V)。
在电池在线养护系统开始工作(即蓄电池组达到满充状态)时，控制器20通过以下方式依次控制N个双向均衡装置10进行充电和放电操作：
首先，控制器20根据双向均衡装置10的正接线端子Ba+和负接线端子Ba-的电压判断单体电池30的电压状态，即测量单体电池30的电压U，如果单体电池30的电压U大于基准电压UT，使双向均衡装置10进入逆向均衡状态，如果单体电池30的电压U小于基准电压UT，使双向均衡装置10进入正向均衡状态。当然，在实际应用中，为避免反复，可为基准电压UT设置裕量。
在逆向均衡状态，控制器20向双向均衡装置10的继电器线圈的输出保持初始状态0V，即控制器20向双向均衡器10的第一供电电压端子VDD1输出0V，第一双向继电器K1、第二双向继电器K2的常闭触点处于闭合状态；控制器20对电压转换模块U02的输入也保持初始状态0V，即控制器20向电压转换模块U02的输入端输出0V。控制器20的PWM引脚给出高电平，双向均衡装置10的控制信号端子获得高电平，使得开关管导通，双路光耦U01原边的第一发光元件和第二发光元件分别正向导通，第五引脚和第六引脚导通，第七引脚和第八引脚导通；此时，此时单体电池正极依次经第八引脚、第七引脚、第一电阻R1、第一双向继电器K1、第二双向继电器K2、第二电阻R2、第五引脚、第六引脚、单体电池负极形成回路(即逆向耗电回路)，通过第一电阻R1、第二电阻R2耗电，达到拉低单体电池的电压目的。当单体电池的电压U接近基准电压UT时，控制器20向双均衡装置的控制信号端子输出低电平，开关管断开，双路光耦U01的原边停止导通，输出开路，逆向耗电回路断开。
在正向均衡状态，控制器20向双向均衡装置10的继电器线圈输出高电平，控制器20向双向均衡装置的第一供电电压端子VDD1给出+5V电压，使第一双向继电器K1、第二双向继电器K2的常开触点导通；控制器20向电压转换模块U02的输入端输出+12V电压，使电压转换模块U02输出充电电源；同时，控制器20的PWM引脚给出高电平，使双向均衡装置10的控制信号端子获得高电平，开关管导通，双路光耦U01原边的第一发光元件和第二发光元件分别正向导通，第五引脚和第六引脚导通，第七引脚和第八引脚导通；此时，单体电池正极依次经第八引脚、第七引脚第三电阻R3、第一双向继电器K1、第二双向继电器K2、第四电阻R4、电压转换模块U02、第五引脚、第六引脚、电池负极形成回路(即正向充电回路)，通过接入电压转换模块U02的+15V电源，第三电阻R3与第四电阻R4限定电流与电压，给单体电池充电，达到给单体电池补电提高电压目的。当单体电池的电压U接近基准电压UT时，控制器20先向双向均衡装置10的控制信号端子输出低电平，使开关管断开，双路光耦U01的原边停止导通，副边开路，正向充电回路断开，再停止电压转换模块U02输入端+12V的电压输出，最后停止向双向均衡装置10的第一供电电压端子输出线圈驱动电压，第一双向继电器K1、第二双向继电器K2恢复初始状态。
在本实用新型的一个实施例中，控制器20可包括N个对外接口，并通过该N个对外接口分别与N个双向均衡装置电性连接。
并且，控制器20可包括选择单元和主控单元，且N个对外接口分别经由选择单元与主控单元连接。这样，控制器20的主控单元可分时通过各个双向均衡装置10对各个单体电池30进行双向均衡处理，即控制器20通过采集单体电池30的电压，判断进行何种均衡，当单体电池30的电压落后于标准电压时进行正向补电均衡，当单体电池30的电压超出标准电压时进行逆向放电均衡。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种双向均衡电路，其特征在于，包括隔离单元、切换单元、充放电单元、控制信号端子、正接线端子和负接线端子；所述控制信号端子连接到所述隔离单元的原边，且所述隔离单元的原边根据所述控制信号端子的信号导通或断开；所述隔离单元的副边、切换单元及充放电单元串联连接在所述正接线端子和负接线端子之间，且所述充放电单元根据所述切换单元及隔离单元的原边的状态对连接到所述正接线端子和负接线端子的单体电池进行充电或放电。
2.根据权利要求1所述的双向均衡电路，其特征在于，所述充放电单元包括放电子单元和充电子单元，且所述充电子单元和放电子单元并联连接后与所述切换单元串联连接。
3.根据权利要求2所述的双向均衡电路，其特征在于，所述切换单元包括第一双向继电器和第二双向继电器，且所述第一双向继电器和第二双向继电器的继电器线圈串联连接在第一供电电压端子与参考地之间；所述第一双向继电器和第二双向继电器的常闭触点分别与所述放电子单元串联连接，且所述第一双向继电器和第二双向继电器的常开触点分别与所述充电子单元串联连接。
4.根据权利要求3所述的双向均衡电路，其特征在于，所述隔离单元包括双路光耦，且所述双路光耦包括连接在第一引脚和第二引脚之间的第一发光元件、连接在第三引脚和第四引脚之间的第二发光元件、连接在第五引脚和第六引脚之间的第一光敏元件以及连接在第七引脚和第八引脚之间的第二光敏元件；
所述双路光耦的第一引脚和第三引脚分别经由限流电阻连接第二供电电压端子，且所述双路光耦的第二引脚和第四引脚经由同一开关管接地，所述开关管的控制端与控制信号端子连接；
所述双路光耦的第五引脚经由所述切换单元、充放电单元与所述双路光耦的第七引脚连接，所述负接线端子与所述双路光耦的第六引脚连接，所述正接线端子与所述双路光耦的第八引脚连接。
5.根据权利要求4所述的双向均衡电路，其特征在于，所述放电子单元包括第一电阻和第二电阻，且所述双路光耦的第七引脚经由第一电阻与第一双向继电器的常闭触点连接；所述第一双向继电器的公共触点连接到所述第二双向继电器的公共触点，且所述第二双向继电器的常闭触点经由所述第二电阻连接到所述双路光耦的第五引脚。
6.根据权利要求4所述的双向均衡电路，其特征在于，所述充电子单元包括电压转换模块、第三电阻和第四电阻，且所述双路光耦的第七引脚经由第三电阻与所述第一双向继电器的常开触点连接；所述第一双向继电器的公共触点连接到所述第二双向继电器的公共触点，且所述第二双向继电器的常开触点经由所述第四电阻与所述双路光耦的第五引脚连接，所述电压转换模块的输出端与所述第四电阻并联连接。
7.一种电池在线养护系统，用于蓄电池组的均衡养护，所述蓄电池组包括N个单体电池，所述N为大于1的整数，其特征在于，所述电池在线养护系统包括N个双向均衡装置以及一个控制器，且每一所述双向均衡装置包括如权利要求1-6中任一项所述的双向均衡电路；每一所述双向均衡装置的双向均衡电路的正接线端子连接到一个单体电池的正极、负接线端子连接到同一单体电池的负极；所述N个双向均衡装置的双向均衡电路的控制信号端子、正接线端子和负接线端子分别连接到所述控制器。
8.根据权利要求7所述的电池在线养护系统，其特征在于，所述控制器包括N个对外接口，并通过所述N个对外接口分别与N个双向均衡装置电性连接。
9.根据权利要求8所述的电池在线养护系统，其特征在于，所述控制器包括选择单元和主控单元，且所述N个对外接口分别经由所述选择单元与主控单元连接。
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