專利名稱：一種雙向電能轉(zhuǎn)移電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電池組均衡電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于串聯(lián)電池組電量均衡的電能轉(zhuǎn)移電路，特別涉及動(dòng)力電池組的非能耗實(shí)時(shí)均衡技術(shù)的均衡電路。
背景技術(shù)：
隨著大容量密度、高功率密度蓄電池的應(yīng)用越來越普遍，電池組的均衡技術(shù)成為電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)。目前應(yīng)用最多的鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池，由于生產(chǎn)過程的差異，使用過程的性能變化和其他一些因素，都存在無法完全消除的單元電池之間的不一致現(xiàn)象。當(dāng)電池組應(yīng)用于像電動(dòng)車輛等需要頻繁充放電循環(huán)的場(chǎng)合時(shí)，為了得到足夠的系統(tǒng)電壓，需要通過電池組的串聯(lián)提高供電電壓。串聯(lián)連接的電池單元之間的不均衡，會(huì)降低整個(gè)電池組的有效容量，放電時(shí)只能放到容量最小的電池單元的下限，否則容量最小的電池單元會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。串聯(lián)充電時(shí)，電池組中單元容量最小的電池首先充滿。如果此時(shí)停止充電，則整個(gè)電池組無法充滿，電池組的容量不能得到有效利用；如果繼續(xù)充電至所有電池單元的電池的荷電狀態(tài)(S0C )至100 %，則部分電池單元會(huì)出現(xiàn)過充。鉛酸蓄電池雖然可以允許一定范圍的過充，但必然產(chǎn)生能量浪費(fèi)，降低充電效率。鋰離子電池不允許過充，因此電池組的均衡更為重要。目前，串聯(lián)蓄電池組的均衡主要分為能耗法和非能耗法。能耗法是將電量高的電池單元的電量通過電阻轉(zhuǎn)換成熱量消耗掉，達(dá)到電池組均衡的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，在小容量、低功率的場(chǎng)合應(yīng)用較多。但在大容量電池組的均衡場(chǎng)合，均衡時(shí)產(chǎn)生大量熱量的同時(shí)，會(huì)降低電池組的充電效率。非能耗式均衡的種類較多，其工作原理是將電量多的電池單元的電荷，轉(zhuǎn)移到電量低的單元或電池組的直流母線上。由于大容量串聯(lián)電池組的電路設(shè)計(jì)要求，電池組電路的串聯(lián)關(guān)系一般不能改變。電池單元的電量轉(zhuǎn)移一般采用兩種方法一是隔離變壓器法，通過隔離型DC / DC模塊，將電池組直流母線的電壓降壓泵入電池單元或?qū)㈦姵貑卧碾娔苌龎汉蟊萌腚姵亟M直流母線；二是通過電池單元間的電量平衡電路逐級(jí)轉(zhuǎn)移。隔離變壓器法的主要缺點(diǎn)是電能傳遞效率低，電路元器件多，模塊復(fù)雜，成本高，可靠性低。逐級(jí)轉(zhuǎn)移法的缺點(diǎn)是電能轉(zhuǎn)換次數(shù)多，能量損失大，均衡效率低。同時(shí)由于電能是逐級(jí)傳遞，如果一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)的均衡效果會(huì)顯著降低，系統(tǒng)的可靠性差。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)串聯(lián)電池組電池單元之間均衡的電路的缺陷，充分利用電感儲(chǔ)能升壓原理，改進(jìn)傳統(tǒng)的Boost直流升壓電路和Buck直流降壓電路，提供一種結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，高效率，低成本的雙向電能轉(zhuǎn)移電路，以實(shí)現(xiàn)大容量串聯(lián)電池組的高效、可靠、低成本的均衡管理。為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用的技術(shù)方案是一種雙向電能轉(zhuǎn)移電路，包括直流母線、電池單元、開關(guān)器件、儲(chǔ)能電感和隔離電容，其特征在于電池單元BI的正極連接第一儲(chǔ)能電感LI的一端,所述第一儲(chǔ)能電感LI的另一端連接第一隔離電容Cl的一端和第一開關(guān)器件SWl的一端，所述第一開關(guān)器件SWl的另一端連接電池單元BI的負(fù)極和第二隔離電容C2的一端；所述第一隔離電容Cl的另一端連接第二儲(chǔ)能電感L2的一端和第二開關(guān)器件SW2的一端所述第二開關(guān)器件SW2的另一端連接直流母線正極；所述第二隔離電容C2的另一端連接第二儲(chǔ)能電感L2的另一端和直流母線負(fù)極；第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2的狀態(tài)由控制電路Ul控制。所述控制電路Ul通過驅(qū)動(dòng)電路分別與第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2的控制端連接，控制電路Ul的信號(hào)檢測(cè)電路兩端分別與電池單元BI的正極和負(fù)極連接；控制電路發(fā)出控制信號(hào)，第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2交替進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷的循環(huán)操作，實(shí)現(xiàn)電池組的非能耗均衡。電池單元輸出電能時(shí)，首先第一開關(guān)器件SWl在控制電路的作用下處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第二開關(guān)器件SW2處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電池單元的電壓施加到第一儲(chǔ)能電感LI的兩端，并且與第一儲(chǔ)能電感LI的剩余電流同向。直流電流的流動(dòng)回路為電池單元正極一第一儲(chǔ)能電感LI —第一開關(guān)器件SWl —電池單元負(fù)極。第一儲(chǔ)能電感LI的電流增大,此階段為儲(chǔ)能階段。同時(shí)，第一隔離電容Cl、第一開關(guān)器件SW1、第二隔離電容C2、第二儲(chǔ)能電感L2構(gòu)成另外一個(gè)電流回路。通過這個(gè)回路的電流流動(dòng)，第一隔離電容Cl和第二隔離電容C2將儲(chǔ)存的電勢(shì)能轉(zhuǎn)移到第二儲(chǔ)能電感L2中，為下一階段的電能輸出做準(zhǔn)備。第一開關(guān)器件Sffl在控制電路的作用下處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)第二開關(guān)器件SW2處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第一儲(chǔ)能電感LI在上一階段儲(chǔ)存的電能通過第一隔離電容Cl、第二開關(guān)器件SW2、直流母線正極、直流母線負(fù)極、第二隔離電容C2構(gòu)成的回路轉(zhuǎn)移到直流母線中。這個(gè)回路的電流方向是電池單元正極一第一儲(chǔ)能電感LI—第一隔離電容Cl—第二開關(guān)器件SW2—直流母線正極一直流母線負(fù)極一第二隔離電容C2 —電池單元負(fù)極。同時(shí)，第二儲(chǔ)能電感L2中儲(chǔ)存的電能也轉(zhuǎn)移到直流母線中，這個(gè)回路的電流方向是第二儲(chǔ)能電感L2 —第二開關(guān)器件SW2 —直流母線正極一直流母線負(fù)極一第二儲(chǔ)能電感L2。上述為電池單元輸出電能的一個(gè)周期操作?？刂齐娐稶l通過控制第一開關(guān)器件SWl和第二開關(guān)器件SW2導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比例，按設(shè)定的頻率重復(fù)上述操作，可以相應(yīng)控制電池單元輸出電能的功率。電池單元輸入電能時(shí)，首先第二開關(guān)器件SW2在控制電路的作用下處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第一開關(guān)器件SWl處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓施加到第一儲(chǔ)能電感LI和第二儲(chǔ)能電感L2的兩端，并且與第一儲(chǔ)能電感LI的剩余電流同向。通過第一儲(chǔ)能電感LI的電流回路是直流母線正極一第二開關(guān)器件SW2 —第一隔離電容Cl —第一儲(chǔ)能電感LI —電池單元正極一電池單元負(fù)極一第二隔離電容C2 —直流母線負(fù)極。第一儲(chǔ)能電感LI處于儲(chǔ)能階段。同時(shí)，通過第二儲(chǔ)能電感L2的電流回路是直流母線正極一第二開關(guān)器件SW2 —第二儲(chǔ)能電感L2—直流母線負(fù)極。第二儲(chǔ)能電感L2處于儲(chǔ)能階段。經(jīng)過設(shè)定時(shí)間，第二開關(guān)器件SW2在控制電路的作用下處于關(guān)斷狀態(tài)，第一開關(guān)器件SWl處于導(dǎo)通狀態(tài)，通過第一儲(chǔ)能電感LI的電路回路變?yōu)榈谝粌?chǔ)能電感LI —電池單元正極一電池單元負(fù)極一第一開關(guān)器件SWl —第一儲(chǔ)能電感LI。第一儲(chǔ)能電感LI中儲(chǔ)存的電能輸入到電池單元。同時(shí)，通過第二儲(chǔ)能電感L2的電路回路是第二儲(chǔ)能電感L2 —第二隔離電容C2 —第一開關(guān)器件Sffl —第一隔離電容Cl —第二儲(chǔ)能電感L2。第二儲(chǔ)能電感L2中的電能轉(zhuǎn)移到兩個(gè)隔離電容里，并恢復(fù)隔離電容的狀態(tài)，為下一個(gè)循環(huán)做準(zhǔn)備。上述為電池單元輸入電能的一個(gè)周期操作。控制電路(Ul )通過控制第一開關(guān)器件SWl和第二開關(guān)器件SW2導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比例，按設(shè)定的頻率重復(fù)上述操作，可以相應(yīng)控制電池單元輸入電能的功率?？刂齐娐吠ㄟ^預(yù)先設(shè)計(jì)的均衡檢測(cè)方法，判斷電池單元的均衡狀態(tài)并發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)器件按照前面所述的電能輸出或輸入原理進(jìn)行操作，則電池單元多余的電量不斷通過與之對(duì)應(yīng)的電能輸出電路轉(zhuǎn)移到直流母線中?；?qū)⒅绷髂妇€的電能輸入到電池單元，對(duì)電池單元的電能進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)充，兩種操作結(jié)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)電池組的非能耗均衡。本實(shí)用新型相對(duì)現(xiàn)有其他電能轉(zhuǎn)移方式有以下優(yōu)點(diǎn)1.效率高。本實(shí)用新型僅采用兩個(gè)開關(guān)器件進(jìn)行控制，并且實(shí)現(xiàn)電池單元輸出與輸入回路之間電容的隔尚，進(jìn)一步提聞了電路的能量轉(zhuǎn)移效率，有效提聞電路的可罪性和安全性。2 .結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。本實(shí)用新型所公開的一種雙向電能轉(zhuǎn)移電路不需要直流電與交流電的變換，原理上只需要六個(gè)元器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本大大降低。3 .同時(shí)實(shí)現(xiàn)電池單元電能的輸出和輸入操作，電池組管理系統(tǒng)的均衡效率高，既可以實(shí)現(xiàn)充電均衡，又可以實(shí)現(xiàn)放電均衡。4 .可靠性高。本實(shí)用新型應(yīng)用于電池組電能均衡管理時(shí)，每一個(gè)電池單元對(duì)應(yīng)一個(gè)雙向電能轉(zhuǎn)移電路，模塊獨(dú)立工作，任一個(gè)出現(xiàn)故障，不會(huì)影響其它單元的功能，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。5 .可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)。本實(shí)用新型的電能轉(zhuǎn)移方向和功率控制靈活。同一電路可以適應(yīng)不同串聯(lián)級(jí)數(shù)的電池組，有利于降低成本，方便系統(tǒng)維護(hù)。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

圖1為本實(shí)用新型原理框圖；圖2為串聯(lián)電池組電量均衡系統(tǒng)雙向電能轉(zhuǎn)移電路原理框圖。
具體實(shí)施方式
圖1為本實(shí)用新型原理框圖。圖示一種雙向電能轉(zhuǎn)移電路，包括直流母線、電池單元、開關(guān)器件、儲(chǔ)能電感和隔離電容，其特征在于電池單元BI的正極連接第一儲(chǔ)能電感LI的一端，所述第一儲(chǔ)能電感LI的另一端連接第一隔離電容Cl的一端和第一開關(guān)器件SWl的一端，所述第一開關(guān)器件SWl的另一端連接電池單元BI的負(fù)極和第二隔離電容C2的一端；所述第一隔離電容Cl的另一端連接第二儲(chǔ)能電感L2的一端和第二開關(guān)器件SW2的一端所述第二開關(guān)器件SW2的另一端連接直流母線正極；所述第二隔離電容C2的另一端連接第二儲(chǔ)能電感L2的另一端和直流母線負(fù)極；第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2的狀態(tài)由控制電路Ul控制。所述控制電路Ul通過驅(qū)動(dòng)電路分別與第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2的控制端連接，控制電路Ul的信號(hào)檢測(cè)電路兩端分別與電池單元BI的正極和負(fù)極連接；控制電路發(fā)出控制信號(hào)，第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2交替進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷的循環(huán)操作，實(shí)現(xiàn)電池組的非能耗均衡。以將本實(shí)用新型應(yīng)用于三節(jié)串聯(lián)電池組均衡管理為例，雙向電能轉(zhuǎn)移電路實(shí)施原理框圖如圖2所示，圖中以電池單元BI為例，詳細(xì)標(biāo)明了連接電路。每一個(gè)雙向電能轉(zhuǎn)移電路與一套控制電路構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的均衡管理模塊，每一個(gè)電池單元連接一個(gè)所述管理模塊，每一個(gè)所述管理模塊之間通過通訊總線連接，每一個(gè)模塊可以通過通訊總線讀取系統(tǒng)中其他模塊的信息。第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2優(yōu)選采用MOSFET或IGBT器件。器件的選用不改變本實(shí)用新型原理上的一致性。均衡管理模塊的控制電路Ul通過驅(qū)動(dòng)電路分別與第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2的控制端連接?？刂齐娐稶l通過信號(hào)檢測(cè)電路與電池單元BI的正極和負(fù)極連接。每一個(gè)控制模塊通過通訊總線將和自己連接電池單元的信息發(fā)送給其他模塊，并通過通訊總線讀取其他電池單元的信息，控制電路通過預(yù)先設(shè)定的均衡檢測(cè)方法，判斷電池單元的均衡狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到與之相連接的電池單元需要輸出或輸入電能時(shí)，控制電路發(fā)出控制信號(hào)。上述控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2按照前面所述的輸出電能、輸入電能原理進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷的循環(huán)操作。開關(guān)器件的占空比控制電量的轉(zhuǎn)移功率和輸入、輸出電壓比例。開關(guān)器件并不要求絕對(duì)的同步導(dǎo)通和關(guān)斷控制，實(shí)際的電路也不能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)同步。但同步與否并不影響本實(shí)用新型在電能轉(zhuǎn)移原理上的一致性。本實(shí)施例中電池單元BI并不局限于電池單體，對(duì)于多級(jí)疊加的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電池單元BI可以是集成在一起的電池組。盡管本實(shí)用新型已經(jīng)結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是應(yīng)當(dāng)理解本實(shí)用新型不受在此公開的具體說明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所做的任何顯而易見的改變或等同替代，都應(yīng)當(dāng)在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種雙向電能轉(zhuǎn)移電路，包括直流母線、電池單元、開關(guān)器件、儲(chǔ)能電感和隔離電容，其特征在于電池單元BI的正極連接第一儲(chǔ)能電感LI的一端,所述第一儲(chǔ)能電感LI的另一端連接第一隔離電容Cl的一端和第一開關(guān)器件SWl的一端,所述第一開關(guān)器件SWl的另一端連接電池單元BI的負(fù)極和第二隔離電容C2的一端；所述第一隔離電容Cl的另一端連接第二儲(chǔ)能電感L2的一端和第二開關(guān)器件SW2的一端所述第二開關(guān)器件SW2的另一端連接直流母線正極；所述第二隔離電容C2的另一端連接第二儲(chǔ)能電感L2的另一端和直流母線負(fù)極；第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2的狀態(tài)由控制電路Ul控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙向能量轉(zhuǎn)移電路，其特征在于所述控制電路Ul通過驅(qū)動(dòng)電路分別與第一開關(guān)器件SWl、第二開關(guān)器件SW2的控制端連接，控制電路Ul的信號(hào)檢測(cè)電路兩端分別與電池單元BI的正極和負(fù)極連接；控制電路發(fā)出控制信號(hào)，第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2交替進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷的循環(huán)操作，實(shí)現(xiàn)電池組的非能耗均衡。
專利摘要本實(shí)用新型一種雙向電能轉(zhuǎn)移電路，涉及一種用于串聯(lián)電池組電量均衡的電能轉(zhuǎn)移電路，屬于電池組均衡電路技術(shù)領(lǐng)域。要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)直流升降壓電路存在的開關(guān)器件多，驅(qū)動(dòng)控制復(fù)雜，成本高的缺陷。其特征在于串聯(lián)電池組中的電池單元的正極和負(fù)極通過兩個(gè)開關(guān)器件、兩個(gè)儲(chǔ)能電感、兩個(gè)隔離電容分別與直流母線的正極、直流母線的負(fù)極連接。通過控制對(duì)應(yīng)開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)序，實(shí)現(xiàn)電池單元的升降壓操作和實(shí)現(xiàn)電池單元電能的輸出和輸入控制，從而實(shí)現(xiàn)不同數(shù)量串聯(lián)電池組中電池單元的電能轉(zhuǎn)移和達(dá)到均衡控制。本實(shí)用新型升降壓比例、電能轉(zhuǎn)移方向控制靈活，模塊獨(dú)立工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，效率高，可靠性高。
文檔編號(hào)H02J7/00GK202856422SQ20122057280
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者張翼, 胡聯(lián)慶, 時(shí)兆娟 申請(qǐng)人:上海同異動(dòng)力科技有限公司