蓄電池組電壓均衡器的製作方法
2023-05-30 02:57:01 1
專利名稱：蓄電池組電壓均衡器的製作方法
技術領域：
本發明涉及蓄電池領域，尤其涉及一種蓄電池組電壓均衡器。
技術背景
蓄電池廣泛應用於軍事、航天、工農業生產、通信、UPS (Uninterruptible Power Supply,不間斷電源)、電動汽車、新能源儲能等領域，由於單體電池電壓容量有限，一 般將多隻單體電池串聯以滿足電壓要求。串聯電池組放電時，電壓最低的電池單體最容 易過放電，反之，向串聯電池組充電時，電壓最高的電池單體最容易過充電。隨著充放 電的循環使用，電池組間不一致性越來越嚴重，導致電池組的壽命明顯低於預計使用年 限。但在目前製造工藝水平及應用條件下，單體電池在長期使用過程中的性能差異是不 可避免的。因此對電池組均衡充電管理是當前提高電池組壽命的有效方法。目前實現電 池均衡的依據是電池電壓，目標是使串聯電池組的每個單體電池電壓相等。目前電池組 的均衡電路主要可概括為能量耗散型和能量轉移型兩大類。
能量耗散型均衡電路是將每個單體電池並聯分流支路，將電壓高的電池的電量 通過分流支路消耗掉，以達到各單體電池電壓均衡的目的，圖1所示為通過分流電阻實 現均衡充電功能的電路，其中Bl B4為四個單體電池，Sl S4為四個普通開關，R為 電阻。這種方式實時檢測各個單體電池的電壓，通過控制信號控制開關的導通、斷開， 對電壓高的單體電池進行耗能，直到各個單體電池的電壓均衡。這種方法結構簡單，是 目前應用最為廣泛的方法。但是這種方法浪費能源。
能量轉移型均衡電路是利用電感或電容儲能元件，把電池組中容量高的單體電 池的能量通過儲能元件轉移到容量低的單體電池中，直到各個單體電池的容量均衡。圖 2所示為一種電容均衡法實現均衡的電路原理圖。其中Bl B4為四個單體電池，Sl S5為五個普通開關，SPDT 1 (Single Pole Double Throw，單刀雙擲)、SPDT2是兩個單刀 雙擲開關(可以採用電子開關或機械開關)，Cl為電容。該方法在均衡充電時，使電容 依次與單體電池相接，通過電容的充放電作用，將高電壓的單體電池的能量轉移到電壓 低的電池中。通過開關的來回切換，最終使電壓均衡。該方案相比於能量耗散型節約了 能量，但是這種方法若採用機械開關，在均衡充電過程中開關要頻繁切換，很難達到高 頻切換的要求，而且在電路瞬間導通時會產生電弧，引起觸頭燒蝕；若選用電子開關， 其開關本身存在電壓降，單純選用電子開關電池組的均衡充電效果較差。發明內容
(一)要解決的技術問題
本發明要解決的技術問題在於如何提供一種能夠避免開關投切過程產生電 弧，又避免開關管壓降影響均衡效果。
( 二 )技術方案
為解決上述技術問題，本發明提供了一種蓄電池組電壓均衡器，包括蓄電池組，還包括能量轉移載體、均衡控制系統以及兩級開關，其中，
所述能量轉移載體為能夠充放電的介質；
所述兩級開關包括一級開關和二級開關；所述一級開關由機械開關組成，且分 為兩組L組和R組，L組開關與所述蓄電池組中每個電池的正極相連，R組開關與所述 蓄電池組中每個電池的負極相連；所述二級開關為複合開關K，所述複合開關K包括機 械開關S與雙向電子開關T，機械開關S與雙向電子開關T並聯；所述L組開關的另一 端與複合開關K的一端相連；所述R組開關的另一端與能量轉移載體的一端相連，所述 複合開關K的另一端與能量轉移載體的另一端相連。
所述均衡控制系統用於通過分析所採集的電壓信號，來控制所述兩級開關的導 通或斷開關斷。
其中，所述能量轉移載體包括若干個超級電容C和一個限流電阻RM，所述若干 個超級電容C與所述一個限流電阻RM串聯。
其中，所述能量轉移載體包括一個超級電容C和一個限流電阻RM，所述一個超 級電容C與所述一個限流電阻RM串聯。
其中，所述蓄電池組為串聯蓄電池組。
其中，所述一級開關由繼電器或接觸器組成，所述機械開關S為繼電器或接觸ο
其中，所述雙向電子開關T的結構為由一個雙向晶閘管構成，由兩個晶閘 管反向並聯構成，由兩個IGBT(絕緣柵雙極型電晶體)反向串聯構成，或者由兩個 MOSFET(功率場效應電晶體)反向串聯構成。
(三)有益效果
本發明針對能量轉移型均衡方法中開關的選擇問題，設計出由兩級開關和一個 能量轉移載體構成的均衡充電電路，並設計了完善的控制策略，既避免了機械開關在投 切過程中產生電弧，又避免了電子開關管壓降對均衡充電的影響，節能安全有效，具有 實用價值。
圖1是現有技術中的電阻耗散型均衡電路原理圖2是現有技術中用電容均衡法實現的均衡電路原理圖3是本發明的電壓均衡器結構示意圖4是本發明的電壓均衡器中開關模塊T的結構示意圖5是本發明的電壓均衡器在一個充放電周期內的工作時序圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
，對本發明做進一步說明。
本發明的電壓均衡器採用能量轉移型均衡充電方法實現電壓均衡。如圖3所 示，本發明實施例的電壓均衡器包括能量轉移載體301、兩級開關、均衡控制系統302， 以及均衡對象串聯蓄電池組Bl B4(以下簡稱為電池組)，能量轉移載體301由超級 電容(也可稱作電容電池)C和限流電阻RM構成，也可採用其它具有較大電容量並能夠4快速充放電的介質。根據單體電池(即一個電池)的電壓幅值和均衡容量要求，可以將 若干超級電容串並聯；為了限制最大充電電流，可與該超級電容器組串聯一限流電阻。
與電池組Bl B4相連接的一級開關採用機械開關如繼電器或接觸器。一級開 關可分為兩組L組和R組(以下簡稱L和R)。它們與電池組的關係是L組開關與 每隻電池的正極相連，R組與每隻電池的負極相連。具體來說，Ll L4的一端分別與 Bl B4的正極連接，Rl R4的一端分別與Bl B4的負極連接。
與能量轉移載體301相連接的二級開關採用複合開關。複合開關K為機械開關 S (可由繼電器或接觸器構成)與雙向電子開關T並聯，其中雙向電子開關有三種結構， 如圖4所示。其中圖4中a為雙向晶閘管，b為兩隻晶閘管反向並聯，c為兩個IGBT或 MOSFET反向串聯。
Ll L4的公共端與Bl B4的複合開關K的一端連接；Rl R4的公共端與 能量轉移載體的一端相連，複合開關K的另一端與能量轉移載體的另一端相連。
圖3為4個單體電池串聯，當串聯的數量增加或減少時，只需增加一級開關的數 量，二級開關不變。
以下描述本發明實施例的均衡器的工作原理。
均衡控制系統302採集電池組Bl B4中每個單體電池的電壓，作為啟動均衡控 制系統的依據。所有一、二級開關的投切(「投「指導通，「切」指關斷)都由均衡控制 系統302進行控制，投切時序由均衡控制方法決定。均衡控制系統302由兩種工作狀態組 成檢查狀態和均衡狀態。均衡控制系統302採集每個單體電池的電壓(UBl UB4)， 並找出電壓最大的單體電池和電壓最小的單體電池。當最大電壓差大於或等於閾值時， 即啟動均衡過程，進入均衡狀態，否則處於檢查狀態。其中閾值一般小於單體電池電壓 的百分之五。一般情況下能量轉移載體301的容量遠小於單體電池的容量，因此一次電 池均衡過程需要多個充放電周期，每個周期只實現部分電量轉移。其中，UB1-UB4指採 集到的電壓值作為輸入信號送到均衡控制系統302，S、T、R1...R4、Ll..丄4作為控制信 號由均衡控制系統302輸出。
當均衡控制系統處於檢查狀態時，只是不斷地檢查各單體電池的電壓，一、二 級開關都處於斷開狀態。
當均衡控制系統302處於均衡狀態時，經歷多個充放電周期，直至最大電壓差 小於閾值。一個充放電周期包括由電壓最高的單體電池向能量轉移載體充電的過程和能 量轉移載體向電壓最低的單體電池放電的過程。具體工作過程描述如下首先均衡控制 系統控制一級開關L和R，使電壓最大的單體電池通過相應的一級開關與二級開關輸入側 導通，之後控制二級開關K按一定時序導通，使電壓最大的單體電池向能量轉移載體充 電，並且抑制導通過程的電弧；當充電過程結束後，按一定時序控制二級開關K斷開， 切換一級開關，使電壓最低的單體電池通過相應的一級開關與二級開關輸入側導通，再 按一定時序導通二級開關K，在該時序抑制開關投切過程的電弧，使能量轉移載體向該 單體電池放電。
上述工作過程中，關鍵是構成二級開關K的S和T的時序控制，既要保證導通 或斷開時無電弧，又要保證可靠導通和斷開。
一個充放電周期的工作時序如圖5所示，其中橫坐標為時間，單位是秒，縱坐標表示開關導通或斷開狀態，高電平表示導通，低電平表示關斷。
均衡控制系統302的具體工作過程如下。
SlOU判斷各單體電池電壓，找出電壓最大的單體和電壓最小的單體，當最大 電壓差大於或等於閾值時，啟動均衡功能，此處假設為Bl電壓最大和B4電壓最小。
S102、Bl為能量轉移載體充電。在t0時刻閉合相應的一級開關L、R，此處為 Ll禾PR1，至時刻tl (在tl-tO保證開關Ll和Rl可靠閉合，即為開關的投切穩定時間) 後，向電子開關T發觸發導通信號(對於不同的電子開關結構，觸發信號的形式不同，目 的是使相應的電子開關導通)，至時刻t2(間隔時間為t2-tl，最小應為電子開關T的導通 延時時間)後，閉合S，由於電子開關T已閉合，這時閉合開關S不會產生電弧。S閉 合後，由於開關S的內阻很小，將T短路，這樣可避免在均衡過程中電子開關管壓降的影 響。至時刻t3(間隔時間為t3-t2，最小應為開關S的投切穩定時間)後，斷開電子開關 T，能量轉移載體的充電電流流過開關S。
其中開關S導通後，需要根據電子開關T的不同結構，採用相應的方式斷開T。 當電子開關T採用雙向晶閘管或兩隻晶閘管反向並聯時(即圖4中的a和b)，開關S閉 合後，能量轉移載體的充電電流基本都流過S，流過電子開關T的電流幾乎為零，晶閘管 的電流小於維持電流(是晶閘管的額定參數之一，指使晶閘管維持導通所必需的最小電 流，一般為幾十到幾百毫安)時開關T自然斷開，所以在開關S導通後，直接撤掉T的觸 發脈衝即可。當電子開關T採用圖4中c的結構時，則在開關S閉合後經過一個開關穩 定延時，向T發斷開信號即可斷開。
S103、充電至時刻t4(間隔時間為t4_t3，此段時間為Bl向能量轉移載體的充 電時間，由開關頻率和能量轉移載體的容量決定，一般來說，開關頻率越高，該時間越 短，能量轉移載體可取較小容量)後，向電子開關T發觸發導通信號，至時刻t5(間隔時 間為t5-t4，最小應為電子開關T的導通延時時間)後，斷開S，能量轉移載體充電電流 由S轉移至T，這樣可避免斷開過程中產生電弧，至時刻出(間隔時間為^_t5，最小應為 開關S的投切穩定時間)後，斷開電子開關T，至時刻t7(間隔時間為t7^6，最小應為電 子開關T的斷開延時時間)後，再斷開相應的一級開關L、R，此處為Ll和R1，至此完 成一個由電壓最高的單體電池向能量轉移載體充電的過程。延時至時刻t8(間隔時間為 t8-t7，最小應為開關L、R的投切穩定時間)開始向電壓最低的單體電池放電的過程。
S104、在t8時刻閉合相應的一級開關L、R，此處為L4、R4，至時刻t9(間隔 時間為t9-t8，這段時間保證開關L4和R4可靠閉合，即為開關投切穩定時間)後，向電 子開關T發觸發導通信號，至時刻tlO (間隔時間為tl0-t9，最小應為電子開關T的導通 延時時間)後，閉合S，這樣可避免閉合S時產生電弧。S閉合後，由於開關S的內阻很 小，將T短路，這樣可避免在均衡過程中電子開關管壓降的影響，至時刻til (間隔時間 為tll-tlO，最小應為開關S的投切穩定時間)後，斷開電子開關T，能量轉移載體的充電 電流流過開關S。
開關S導通後，需要根據電子開關T的不同結構，如前述採用相應的斷開方式。
S105、充電至時刻tl2(間隔時間為tl2_tll，此段時間與前述充電時間的決定因 素相同)後，向電子開關T發觸發導通信號，至時刻tl3(間隔時間為tl3-tl2，最小應為 電子開關T的導通延時時間)後，斷開S，能量轉移載體的充電電流轉移至T，這樣可避6免斷開過程中產生電弧，至時刻tl4(間隔時間為tl4-tl3，最小應為開關S的投切穩定時 間)後，斷開電子開關T，至時刻tl5(間隔時間為tl5-tl4，最小應為電子開關的T的斷 開延時時間)後，再斷開相應的一級開關L、R，此處為L4和R4。
S106、重複步驟SlOl S106，直到最大電壓差小於閾值。
一個充放電周期中的充電時間和放電時間有兩種控制方式時間控制和電壓控 制。時間控制方式是每個充放電周期時間固定；而電壓控制方式是由所設定的能量轉移 載體和單體電池電壓差的閾值來確定充放電時間，當電壓差大於閾值時一直進行充電或 放電，直至電壓差小於閾值才進行充放電過程的切換，也可通過判斷充放電電流小於閾 值時進行充放電過程的切換。
本發明可適用於多種儲能載體，既適用於鋰電池，也適用於鉛酸電池，對電池 串聯個數不限。當用於電池並聯的情況，只能將並聯電池組作為一個均衡對象來處理。
以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普 通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因 此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限 定。
權利要求
1.一種蓄電池組電壓均衡器，包括蓄電池組，其特徵在於，還包括能量轉移載體 (301)、均衡控制系統(302)以及兩級開關，其中，所述能量轉移載體(301)為能夠充放電的介質；所述兩級開關包括一級開關和二級開關；所述一級開關由機械開關組成，且分為兩 組L組和R組，L組開關與所述蓄電池組中每個電池的正極相連，R組開關與所述蓄電 池組中每個電池的負極相連；所述二級開關為複合開關K，所述複合開關K包括機械開 關S與雙向電子開關T，所述機械開關S與雙向電子開關T並聯；所述L組開關的另一端 與複合開關K的一端相連；所述R組開關的另一端與能量轉移載體(301)的一端相連， 所述複合開關K的另一端與能量轉移載體(301)的另一端相連。所述均衡控制系統(302)用於通過分析所採集的電壓信號，來控制所述兩級開關的 導通或關斷。
2.如權利要求1所述的蓄電池組電壓均衡器，其特徵在於，所述能量轉移載體(301) 包括若干個超級電容C和一個限流電阻RM，所述若干個超級電容C與所述一個限流電阻RM串聯。
3.如權利要求1所述的蓄電池組電壓均衡器，其特徵在於，所述能量轉移載體(301) 包括一個超級電容C和一個限流電阻RM，所述一個超級電容C與所述一個限流電阻RM串聯。
4.如權利要求1所述的蓄電池組電壓均衡器，其特徵在於，所述蓄電池組為串聯蓄電 池組。
5.如權利要求1所述的蓄電池組電壓均衡器，其特徵在於，所述一級開關由繼電器或 接觸器組成，所述機械開關S為繼電器或接觸器。
6.如權利要求1 5任一項所述的蓄電池組電壓均衡器，其特徵在於，所述雙向電子 開關T的結構為由一個雙向晶閘管構成，由兩個晶閘管反向並聯構成，由兩個絕緣柵 雙極型電晶體反向串聯構成，或功率場效應電晶體反向串聯構成。
全文摘要
本發明公開了一種蓄電池組電壓均衡器，包括蓄電池組、能量轉移載體(301)、均衡控制系統(302)以及兩級開關，其中，所述能量轉移載體(301)為能夠充放電的介質；所述兩級開關包括一級開關和二級開關。本發明針對能量轉移型均衡方法中開關的選擇問題，設計出由兩級開關和一個能量轉移載體構成的均衡充電電路，並設計了完善的控制策略，既避免了開關在投切過程中產生電弧，又避免了開關管壓降影響均衡效果。
文檔編號H02J7/00GK102025177SQ201010584058
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者醜麗麗, 杜海江, 楊明皓, 鍾誠 申請人:中國農業大學