一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置及其方法
2023-07-25 16:37:16 2
專利名稱：一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置及其方法，屬於電池技術 領域。
背景技術：
工業應用中對重要的供電設備，都需要一套電池作為備用電源，而單個電池電壓 都不高，無法直接使用，一般都為幾十個甚至幾百個電池串聯起來提高總電壓進行使用。由 於電池在製造和使用過程中難免會出現性能不一致，因此在對串聯電池組進行充放電時， 採用一定的方法均衡各個單體電池的電壓，會提高電池的使用度，延長電池的使用壽命。當 前有一些對串聯電池組充放電均衡的方法，大多採用電阻耗能的方法，即對電池組內電壓 過高的單體電池，通過電阻進行釋放，以保證電池組內電池一致，這種方式的均衡方法缺點 在於能耗高，損耗大，特別不利於在大容量串聯電池組充放電的情況下進行均衡。
發明內容
本發明一個目的是，解決現有技術所存在的對串聯電池組充放電不利於在大容量 串聯電池組充放電的情況下進行均衡等的技術問題；提供了一種採用恆電流控制模式，能 夠與串聯電池組原有充放電設備共同使用互不影響的、具有保障串聯電池組在使用過程中 單體電池電壓均衡的功能、並且均衡採用能量轉移的方式進行、損耗小、有利於應用於中等 或大容量的電池組的一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置。本發明的另一個目的是，利用能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置進行能量 轉移式電池組均衡判斷及補充的方法。本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的 一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置，其特徵在於，包括依次連接的
均衡模塊與各個單體電池相連接，利用電池組的能量或外部電源的能量為單體電池 進行充電；
測控模塊與電池組及其中的各個單體電池相連接的，測量並比較單體電池，判斷該單 體電池是否需要補充能量並向所述均衡模塊發送的起動/停止信號。本發明通過測控模塊，能及時的檢測出串聯電池組中電壓低於電池組電池平均電 壓一定值的單體電池，並引入恆電流控制的隔離型的P麗開關式直流一直流變換器，對這 樣的單體電池進行補充充電，提高串聯電池組中電池電壓的均衡度。在上述的一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置，所述的均衡模塊包括依次 連接的
PWM開關式直流一直流變換器用於對單體電池進行充電； 測量電阻或傳感器用於測量輸出電流的；
恆流控制單元對所述PWM開關式直流一直流變換器的輸出進行恆電流控制； 驅動單元驅動PWM開關式直流一直流變換器中的開關器件；
4隔離控制單元接收上述測控模塊發送的起動/停止信號的。在上述的一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置，所述的測控模塊包括依次 連接的
差分運放單元與上述電池組兩端及單體電池連接，用於測量電池組和單體電池電
壓；
比較單元由比較器及運放或可編程邏輯控制器件構成的，並具有I/O輸出。在上述的一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置，所述的PWM開關式直流一 直流變換器採用隔離型，如反激型或正激型或半橋型或全橋型，所述的PWM開關式直流一 直流變換器輸入為串聯電池組的部分或全部電池電壓或外部電源，輸出為對應的單體電 池。一種利用能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置進行能量轉移式電池組均衡判 斷及補充的方法，其特徵在於，包括以下步驟
步驟5.1、由測控模塊中的差分運放單元測量該差分運方單元連接的串聯電池組總電 壓及每個單體電池電壓；
步驟5. 2、由測控模塊中的差分運放單元根據步驟5. 1中所測量的串聯電池組總電壓 及每個單體電池電壓計算串聯電池組電池的平均電壓；
步驟5. 3、由測控模塊中的比較單元比較單體電池電壓與電池組平均電壓的大小，並 根據其比較結果，向上述隔離控制單元發送起動/停止信號，即選擇執行步驟5. 4或步驟 5. 5 ；
步驟5. 4、單體電池電壓低於電池組平均電壓後，則通過I/O啟動均衡模塊，從而補充 單體電池能量，使單體電池電壓趨近於電池組平均電壓，並返回執行步驟5. 3 ；
步驟5. 5、單體電池電壓高於或等於電池組平均電壓，則通過I/O停止均衡模塊，不再 對單體電池補充能量並返回執行步驟5. 3。在上述的一種利用能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置進行能量轉移式電池 組均衡判斷及補充的方法，所述的步驟5. 4中，補充單體電池能量即對單體電池進行充電 的具體步驟如下
步驟6.1、如均衡模塊中的隔離控制單元收到了測控模塊中的比較單元發出的起動信 號，即選擇執行步驟6. 2，如接受到停止信號，即選擇執行步驟6. 3 ；
步驟6. 2、均衡模塊中隔離控制單元將起動信號轉化為均衡模塊識別的電信號，輸入 到恆流控制單元，恆流控制單元控制PWM開關式直流一直流變換器進行充電；
步驟6. 3、均衡模塊中隔離控制單元將停止信號轉化為均衡模塊識別的電信號，輸入 到恆流控制單元，恆流控制單元控制PWM開關式直流一直流變換器停止充電。在上述的一種利用能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置進行能量轉移式電池 組均衡判斷及補充的方法，所述的PWM開關式直流一直流變換器對單體電池充電電流大小 是串聯電池組額定充電電流大小的10% 50%。因此，本發明具有如下優點1.採用了隔離型的PWM開關式直流一直流變換器， 將串聯電池組中一部分或全部電池電壓(也可接外部電源)來對低於平均電壓的電池進行 輔助充電，一方面消耗了其餘電池的能量，一方面補充了低於平均電壓的電池的能量，能起 到均衡電池組各個單體電池電壓的作用，同時損耗很低，有利於該裝置在中、大容量電池組的場合進行應用；2.採用隔離型的PWM開關式直流一直流變換器，並且其恆流控制單元採 用恆電流控制模式，能夠與串聯電池組原有充電設備共同對電池進行充電互不影響。
圖1是本發明的結構原理示意圖； 圖2是實施例的均衡模塊的電路原理圖3是圖2中將測量電阻4用傳感器10替代的電路原理圖； 圖4是實施例的測控模塊的電路原理圖。圖中相應圖號和名稱為均衡模塊1、測控模塊2、PWM開關式直流一直流變換器3、 測量電阻4、恆流控制單元5、驅動單元6、隔離控制單元7、差分運放單元8、比較單元9、傳 感器10。
具體實施例方式下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。實施例1:
本實施例是本發明一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置的應用實例。如圖1所 示，它依次連接的是其中均衡模塊1 與各個單體電池相連接，利用電池組的能量或外部 電源的能量為單體電池進行充電；測控模塊2 與電池組及其中的各個單體電池相連接的， 測量並比較單體電池，判斷該單體電池是否需要補充能量並向所述均衡模塊1發送的起動 /停止信號。所述的均衡模塊1依次連接的有其一、PWM開關式直流一直流變換器3 用於 對單體電池進行充電；其二、測量電阻4或傳感器10:用於測量輸出電流的；其三、恆流控 制單元5:對所述PWM開關式直流一直流變換器的輸出進行恆電流控制；其四、驅動單元6 驅動PWM開關式直流一直流變換器中的開關器件；其五、隔離控制單元7 接收上述測控模 塊2發送的起動/停止信號的。所述的測控模塊2依次連接的有其一、差分運放單元8 與 上述電池組兩端及單體電池連接，用於測量電池組和單體電池電壓；其二、比較單元9 由 比較器及運放或可編程邏輯控制器件構成的，並具有I/O輸出。所述的PWM開關式直流一 直流變換器3採用隔離型，如反激型或正激型或半橋型或全橋型，所述的PWM開關式直流一 直流變換器3輸入為串聯電池組的部分或全部電池電壓或外部電源，輸出為對應的單體電 池。對應用實例進一步說明如下本裝置包括與一個或更多(與單體電池數目相關) 的，由隔離型的PWM開關是直流一直流變換器3、測量電阻4或傳感器10、恆流控制單元5、 驅動單元6和隔離控制單元7構成的均衡模塊1 ；一個由差分運放單元8和比較單元9構 成的測控模塊2。以上組件之間的連接方式是本發明的均衡裝置由8個均衡模塊1和一 個測控模塊2構成，其中的測控模塊2用導線連接到電池組以及各個電池兩端；均衡模塊 2的接法是均衡模塊的輸入接電池組的一部分或全部電壓(或外部其他電源)，輸出接至單 體電池兩端；測控模塊2的每個比較單元9的I/O輸出到對應電池所連接的均衡模塊1的 隔離控制單元7。該實施例中均衡模塊1的工作原理
如圖2所示，本實施例以一個正激電路為例，作為隔離型的PWM開關式直流一直流變換器3，串聯電池組的正負極接至正激電路的輸入側，對應的單體電池的正負極接至正激電路 的輸出側，從而實現對所接的單體電池補充能量；輸出部分連接有一個低阻值的電阻作為 測量電阻4或傳感器10，它用於測量輸出的電流大小，並將之轉換為電壓值，一般考慮到損 耗的因素，測量電阻4或傳感器10的阻值選擇應使得流過的電流產生的功率不超過電阻所 能承受的上限，一般選擇測量電阻的阻值在0.005 Ω 1Ω之間；恆流控制單元5為一個 PWM調製器，工作原理是由運放將測量電阻4或傳感器10輸入的電壓值放大與電流給定 值一起輸入至誤差放大器，誤差放大器的輸出接至比較器，與三角波進行比較，得到驅動的 矩形脈衝。當測量電阻4或傳感器10的電壓值升高時即電流實際輸出值高於設定值，其與 三角波的比較點升高，從而驅動的矩形脈衝佔空比減小，從而減小電流的實際輸出值，反之 亦然。故此恆流控制單元5保證隔離型的PWM開關式直流一直流變換器3恆電流輸出；驅 動單元6採用了一個隔離脈衝變壓器，其輸入端接比較器輸出的驅動的矩形脈衝，輸出接 正激電路的開關元件，使變壓器原副邊隔離；隔離控制單元7輸入端接測控模塊的比較單 元9對應的I/O埠，使一個連接到恆流控制單元5的誤差放大器輸出端的MOS管受控，當 接收到測控模塊2給出的高電平時，使恆流控制單元5的誤差放大器輸出端電位為低，即可 停止隔離型的PWM開關式直流一直流變換器3輸出，當接收到測控模塊2給出的低電平時， 則開啟隔離型的PWM開關式直流一直流變換器3輸出。該實施例中測控模塊2的工作原理
如圖3所示，本實施例是以模擬電路來實現判斷單體電池電壓是否需要補充的功能 的。差分運放單元8用了多個(數目為單體電池個數+1)個運算放大器，接成如圖3中的形 式，實現對單體電池和電池組電壓的轉換。而比較單元9的每個比較器將差分運放9的輸出 和差分運放廣8的輸出進行比較，每個比較器的輸出接到對應電池連接的均衡模塊1的隔 離控制單元7，對各個均衡模塊1的啟動和停止進行控制。如圖3，差分運放廣8的參數是 一致的，下面以單體電池Bl所連接的差分運放1和比較器1的參數及電路功能進行分析， 差分運放2、和比較器2、的參數及功能與差分運放1是一致的，判斷單體電池Bl電壓是 否需要補充的方法如下
假設單體電池電壓為Vx，電池組電池電壓為Vs，電池組共有電池η個(本例n=8)，R2/ Rl=Kl，R4/R3=K2。差分運方單元8中，差分運方1的輸出Vol=Kl*Vx，差分運放9的輸出Vo9 =K2*Vs。設計Vol的範圍在運算放大器輸出能力以內，本實施例取Vol等於運算放大器輸 出上限的一半，假設為a，即Vol =a，即取值Kl =a/Vx;
設計Vo9等於或略高於Vol，本實施例以Vo9 = Vol = a為例分析。取值K2 = Kl/n, 則 Vo9 = Kl*Vs/n。比較單元9比較Vol和Vo9，當Vol<Vo9，即Vx<Vs/n，即單體電池Bl電壓小於電池 組平均電壓，比較器輸出高電平，從而啟動均衡，由Bl所連接的均衡模塊3開始對單體電池 補充能量。當Vol彡Vo9，即單體電池電壓不低於電池組平均電壓，比較器輸出低電平，從而 停止對單體電池補充能量。此外，在設置Vo9時，也可取值Vo9略大於a，使得單體電池電壓低於電池組平均值 一定量之後，再開始對單體電池進行補充。
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同樣的，差分運放2、和比較器2、所實現的功能與上述差分運放1和比較器1 所實現的功能完全相同。判斷單體電池電壓是否需要補充的方法與上述完全相同。需要注意的是
在本實施例中，與單體電池電壓比較的預設值不限於上述所說的電池組平均電壓，對 於本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都 應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。另外，均衡模塊1的輸入可以為串聯電池組的一部分或全部電池電壓，也可以是 外部的電源，均衡模塊1的輸出供給電壓低於預設值的單體電池，對於本領域普通技術人 員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，只要適合均衡模塊1輸入的電源都可以採用， 也不會影響本發明裝置的使用，因此所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的 保護範圍。最後，本發明裝置功能高度集成，可自行判斷單體電池電壓是否低於預設值，並根 據判斷結果對落後單體電池進行能量補充。本發明裝置功能的另一個特點是補充的能量可 以選擇來自與整組的電池組，一方面消耗整組電池組的能量，另一方面對落後電池補充，能 迅速的均衡整組電池組的現有電量，有利於提高電池組使用壽命和效率。本發明的裝置採 用的是能量轉移的方式，效率高、損耗小，特別適用於中、大容量的電池構成的電池組。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領 域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替 代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。儘管本文較多地使用了均衡模塊1、測控模塊2、PWM開關式直流一直流變換器3、 測量電阻4、恆流控制單元5、驅動單元6、隔離控制單元7、差分運放單元8、比較單元9、傳 感器10等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描 述和解釋本發明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。實施例2:
本實施例是本發明一種利用能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置進行能量轉移式 電池組均衡判斷及補充的方法的實施例。其步驟為步驟5. 1、由測控模塊2中的差分運放 單元8測量該差分運方單元8連接的串聯電池組總電壓及每個單體電池電壓；步驟5. 2、由 測控模塊2中的差分運放單元8根據步驟5. 1中所測量的串聯電池組總電壓及每個單體電 池電壓計算串聯電池組電池的平均電壓；步驟5. 3、由測控模塊2中的比較單元9比較單體 電池電壓與電池組平均電壓的大小，並根據其比較結果，向上述隔離控制單元7發送起動/ 停止信號，即選擇執行步驟5. 4或步驟5. 5 ；步驟5. 4、單體電池電壓低於電池組平均電壓 後，則通過I/O啟動均衡模塊1，從而補充單體電池能量，使單體電池電壓趨近於電池組平 均電壓，並返回執行步驟5. 3;步驟5. 5、單體電池電壓高於或等於電池組平均電壓，則通過 I/O停止均衡模塊1，不再對單體電池補充能量並返回執行步驟5. 3。所述的步驟5. 4中，補 充單體電池能量即對單體電池進行充電的具體步驟如下步驟6. 1、如均衡模塊1中的隔離 控制單元7收到了測控模塊2中的比較單元9發出的起動信號，即選擇執行步驟6. 2，如接 受到停止信號，即選擇執行步驟6. 3 ；步驟6. 2、均衡模塊1中隔離控制單元7將起動信號 轉化為均衡模塊1識別的電信號，輸入到恆流控制單元5，恆流控制單元5控制PWM開關式 直流一直流變換器3進行充電；步驟6. 3、均衡模塊1中隔離控制單元7將停止信號轉化為均衡模塊1別的電信號，輸入到恆流控制單元5，恆流控制單元5控制PWM開關式直流一 直流變換器3停止充電。所述的PWM開關式直流一直流變換器3對單體電池充電電流大小 是串聯電池組額定充電電流大小的10% 50% 。
本發明權利要求保護範圍不限於上述實施例。
權利要求
一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置，其特徵在於，包括依次連接的均衡模塊(1)與各個單體電池相連接，利用電池組的能量或外部電源的能量為單體電池進行充電；測控模塊(2)與電池組及其中的各個單體電池相連接的，測量並比較單體電池，判斷該單體電池是否需要補充能量並向所述均衡模塊(1)發送的起動/停止信號。
2.根據權利要求1所述的一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置，其特徵在於， 所述的均衡模塊(1)包括依次連接的PWM開關式直流一直流變換器(3)用於對單體電池進行充電；測量電阻(4)或傳感器(10)用於測量輸出電流的；恆流控制單元(5)對所述PWM開關式直流一直流變換器的輸出進行恆電流控制；驅動單元(6)驅動PWM開關式直流一直流變換器中的開關器件；隔離控制單元(7)接收上述測控模塊(2)發送的起動/停止信號的。
3.根據權利要求1所述的一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置，其特徵在於， 所述的測控模塊(2)包括依次連接的差分運放單元(8):與上述電池組兩端及單體電池連接，用於測量電池組和單體電池電壓；比較單元(9)由比較器及運放或可編程邏輯控制器件構成的，並具有I/O輸出。
4.根據權利要求1所述的一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置，其特徵在於， 所述的PWM開關式直流一直流變換器(3)採用隔離型，如反激型或正激型或半橋型或全橋 型，所述的PWM開關式直流一直流變換器(3)輸入為串聯電池組的部分或全部電池電壓或 外部電源，輸出為對應的單體電池。
5.一種利用權利要求1所述的裝置進行能量轉移式電池組均衡判斷及補充的方法，其 特徵在於，包括以下步驟步驟5. 1、由測控模塊(2)中的差分運放單元(8)測量該差分運方單元(8)連接的串聯 電池組總電壓及每個單體電池電壓；步驟5. 2、由測控模塊(2)中的差分運放單元(8)根據步驟5. 1中所測量的串聯電池組 總電壓及每個單體電池電壓計算串聯電池組電池的平均電壓；步驟5. 3、由測控模塊(2)中的比較單元(9)比較單體電池電壓與電池組平均電壓的大 小，並根據其比較結果，向上述隔離控制單元(7 )發送起動/停止信號，即選擇執行步驟5. 4 或步驟5. 5 ；步驟5. 4、單體電池電壓低於電池組平均電壓後，則通過I/O啟動均衡模塊(1)，從而補 充單體電池能量，使單體電池電壓趨近於電池組平均電壓，並返回執行步驟5. 3 ；步驟5. 5、單體電池電壓高於或等於電池組平均電壓，則通過I/O停止均衡模塊(1)，不 再對單體電池補充能量並返回執行步驟5. 3。
6.根據權利要求5所述的一種利用能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置進行能量 轉移式電池組均衡判斷及補充的方法，其特徵在於，所述的步驟5. 4中，補充單體電池能 量即對單體電池進行充電的具體步驟如下步驟6. 1、如均衡模塊(1)中的隔離控制單元(7)收到了測控模塊(2)中的比較單元(9) 發出的起動信號，即選擇執行步驟6. 2，如接受到停止信號，即選擇執行步驟6. 3 ；步驟6. 2、均衡模塊(1)中隔離控制單元(7)將起動信號轉化為均衡模塊(1)識別的 電信號，輸入到恆流控制單元(5 )，恆流控制單元(5 )控制PWM開關式直流一直流變換器(3 ) 進行充電；步驟6. 3、均衡模塊(1)中隔離控制單元(7)將停止信號轉化為均衡模塊(1)識別的 電信號，輸入到恆流控制單元(5)，恆流控制單元(5)控制PWM開關式直流一直流變換器(3) 停止充電。
7.根據權利要求5所述的一種利用能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置進行能量 轉移式電池組均衡判斷及補充的方法，其特徵在於，所述的PWM開關式直流一直流變換器 (3)對單體電池充電電流大小是串聯電池組額定充電電流大小的10% 50%。
全文摘要
本發明涉及一種能量轉移式電池組均衡判斷及補充裝置及其方法，主要用於工業中使用眾多電池串聯使用的場合。裝置包括依次連接的均衡模塊,它與各個單體電池相連接，利用電池組的能量或外部電源的能量為單體電池進行充電；還有測控模塊,它與電池組及其中的各個單體電池相連接的，測量並比較單體電池。其方法包括測控串聯電池組總電壓及每個單體電池電壓、計算串聯電池組電池的平均電壓、發送起動/停止信號、使單體電池電壓趨近於電池組平均電壓等步驟。本發明優點在於具有保障串聯電池組在使用過程中單體電池電壓均衡的功能，並且均衡採用能量轉移的方式進行，損耗小，有利於應用於中等或大容量的電池組。
文檔編號H02J7/00GK101976866SQ20101051079
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月17日 優先權日2010年10月17日
發明者洪敏 , 蔣煒, 陳立劍 申請人:中國船舶重工集團公司第七一二研究所