專利名稱：一種直流升壓電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬直流升壓電路技術領域，具體涉及一種用于串聯(lián)電池組 電量均衡的升壓電路，特別涉及動力電池組的非能耗實時均衡技術的 升壓電路。
背景技術：
隨著大容量密度、高功率密度蓄電池的應用越來越普遍，電池組 的均衡技術成為電池管理系統(tǒng)的主要任務。目前應用最多的鉛酸蓄電 池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池都存在單元電池之間的不一致現(xiàn)象。 由于生產過程的差異，使用過程的性能變化和其他一些因素，這種差 異無法完全消除。當電池組應用于像電動車輛等需要頻繁充放電循環(huán) 的場合時，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)連接的電池單元的不均衡會降低整個電池組的有效容 量，放電時只能放到容量最小的電池單元的下限，否則容量最小的電 池單元會出現(xiàn)極性反轉。串聯(lián)充電時，電池組中單元容量最小的電池 首先充滿。如果此時停止充電，則整個電池組無法充滿，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，但必然產生能量浪費，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換成熱量消耗掉，達到電池 組均衡的目的。這種方法結構簡單、成本低，在小容量、低功率的場 合應用較多。但由于其工作原理的限制，無法滿足大容量電池組的均 衡，均衡時產生大量的熱量同時，會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 池組的電路設計要求，電池組的串聯(lián)電路關系一般不能改變。'因此每 一個電池單元的正負極電壓與電池組的直流母線電壓之間不能隔離，
電池單元的電量轉移一般采用兩種方法 一是隔離變壓器法，通過單
繞組DC/DC模塊，將電池組直流母線的電壓降壓泵入電池單元；二是
通過電池單元間的電量平衡電路逐級轉移。隔離變壓器法的主要缺點
是電能傳遞效率低，電路元器件多，模塊復雜，成本高，可靠性低。
逐級轉移法的缺點是電能轉換次數(shù)多，能量損失大，均衡效率低。同
時由于電能轉移是逐級傳遞關系，如果一個模塊出現(xiàn)故障，則整個系
統(tǒng)的均衡效果會顯著降低，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，串聯(lián)電池組
的非能耗均衡技術需要一種結構簡單，效率高，成本低，模塊能夠獨
立工作的電量轉移電路，以實現(xiàn)大容量串聯(lián)電池組的高效、可靠、低
成本的均衡管理。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是將傳統(tǒng)的Boost升壓電路加以改進，充分利用電 感儲能升壓原理，提供一種結構簡單成本低、模塊獨立工作效率高、升壓范圍控制靈活的用于串聯(lián)電池組電量均衡的一種直流升壓電路。 為實現(xiàn)上述發(fā)明的目的，采用的技術方案是 一種直流升壓電路， 電池單元的正極連接第一開關器件的輸入端，第一開關器件的輸出端 連接儲能電感的一端，所述儲能電感的另一端連接第二開關器件的輸 入端，第二開關器件的輸出端連接電池單元的負極，構成儲能電路回 路；電池組直流母線負極連接第一二極管陽極，第一二極管陰極通過 儲能電感與第第二二極管的陽極連接，第二二極管的陰極連接電池組 直流母線正極，構成升壓放電回路。第一開關器件和第二開關器件的 狀態(tài)由控制電路控制。
當?shù)谝缓偷诙_關器件在控制電路的作用下同時處于導通狀態(tài) 時，電池單元的電壓施加到儲能電感的兩端，并且與儲能電感的剩余 電流同向，直流電流的流動方向為電池單元正極》第一開關器件》儲 能電感+第二開關器件+電池單元負極。儲能電感的電流增大，此階 段為儲能階段。此時電池組直流母線的負極電勢低于電池單元正極電 勢，由于第一二極管的反向截止作用，電池單元的正極電流不會流到 電池組直流母線負極。同時，電池組直流母線的正極電勢高于電池單 元負極電勢，由于第二二極管的反向截止作用，電池組直流母線正極 的電流也不會流到電池單元的負極。
當?shù)谝缓偷诙_關器件在控制電路的作用下同時處于截止狀態(tài) 時，儲能電感中的電能在電感升壓的原理作用下迅速抬升至電池組直 流母線電壓，
所述控制電路通過驅動電路分別與第一開關器件和第一開關器件的控制端連接，通過信號檢測電路分別與電池單元的正極和負極連 接，控制電路通過預先設計的均衡檢測方法，判斷電池單元的均衡狀 態(tài)并發(fā)出控制信號，經過驅動電路控制開關器件按照前面所述的升壓 原理進行同步導通和截止的重復循環(huán)操作，儲能電感在儲能階段儲存 的電能以直流電流的方式泵送入電池組直流母線。則電池單元多余的 電量不斷通過與之對應的升壓電路轉移到電池組直流母線中，實現(xiàn)電 池組的非能耗均衡。
本發(fā)明相對現(xiàn)有其他電能轉移方式有以下優(yōu)點
1. 效率高。隔離變壓器升壓需要兩次直流電與交流電的變,，變壓 器本身也存在損失。本發(fā)明避免了隔離變壓器升壓過程中存在的 電能損失，效率高。
2. 結構簡單、成本低。本發(fā)明直流升壓電路不需要直流電與交流電 的變換，原理上只需要五個元器件，結構簡單，成本大大降低。
3. 可靠性高。本發(fā)明應用于電池組電能均衡管理時，每一個電池單 元對應一個升壓電路，模塊式獨立工作，任一個出現(xiàn)故障，不會 影響其它單元的功能，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。 ，
4. 可實現(xiàn)標準化、批量化生產。本發(fā)明的升壓比例控制靈活，在一
定功率和升壓比范圍內可以實現(xiàn)電路統(tǒng)一設計，只是改變控制信 號，有利于降低成本，方便系統(tǒng)維護。


圖1為本發(fā)明原理框圖2為串聯(lián)電池組電量均衡系統(tǒng)直流升壓電路原理框圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
將本發(fā)明應用于三節(jié)串聯(lián)電池組的均衡管理。原理框圖如國2所 示，每一個所述升壓電路與一套控制電路構成一個獨立的均衡管理模 塊，每一個電池單元連接一個所述管理模塊。圖2僅詳細標明了電池 單元106連接的模塊原理框圖。
一種直流升壓電路，其特征在于電池單元106的正極連接第一 開關器件101的輸入端，第一開關器件101的輸出端連接儲能電感 102的一端，所述儲能電感102的另一端連接第二開關器件100的輸 入端，第二開關器件100的輸出端連接電池單元106的負極，構成儲 能電路回路；電池組直流母線負極連接第一二極管104陽極，第一二 極管104陰極通過儲能電感102與第二二極管103的陽極連接，第二 二極管103的陰極連接電池組直流母線正極，構成升壓放電回路；第 一開關器件101和第二開關器件100的狀態(tài)由控制電路107控制。
第一開關器件101、第二開關器件100優(yōu)選采用M0SFET或IGBT 器件。雖然第一開關器件101、第二開關器件100原理上可以選用不 同的開關器件，但選用相同的器件更為適合。器件的電壓和電流等級 應該考慮模塊的最大適用范圍。器件的選用不改變本發(fā)明原理上的一 致性。儲能電感102分別連接第一開關器件101的輸出端和第二開關 器件100的輸入端，儲能電感102的電感值與電路的工作頻率要求等 有關，但應該綜合考慮器件成本和工作效率的相互影響。
第一二極管104、第二二極管103優(yōu)選導通壓降小的快恢復或超快恢復二極管。
均衡管理模塊的控制電路107通過驅動電路分別與第一開關器件
101和第二開關器件100的控制端連接。控制電路107通過信號采集 電路與電池單元106的正極和負極連接?？刂齐娐吠ㄟ^預先設定的均 衡檢測方法，判斷電池單元的均衡狀態(tài)。當檢測到與之相連接的電池 單元電量過高時，控制電路發(fā)出控制信號。上述控制信號經過驅動電 路控制第一開關器件101和第二開關器件100按照前面所述的升壓原 理進行同步導通和截止的循環(huán)操作。
開關器件的占空比控制電量的轉移功率和升壓比例。 第一開關器件101和第二幵關器件100并不要求絕對的同步導通 和截止控制，實際的電路也不能實現(xiàn)絕對同步。但同步與否并不影響 本發(fā)明在升壓原理上的一致性。
圖2中的電容105的作用主要是平滑濾波，原理上不具有必須性。 但實際設計中，引入電容105并選用合適的參數(shù)和種類可以有效改善 本發(fā)明的均衡性能。
本實施例中電池單元106并不局限于電池單體。對于多級疊加的 拓撲結構，電池單元106可以是集成在一起的電池組。
盡管本發(fā)明已經結合附圖和實施例進行了詳細描述，但是應當理 解本發(fā)明不受在此公開的具體說明的限制，許多對于本領域的專業(yè)技 術人員顯而易見的其他改變都應當在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種直流升壓電路，其特征在于電池單元(106)的正極連接第一開關器件(101)的輸入端，第一開關器件(101)的輸出端連接儲能電感(102)的一端，所述儲能電感(102)的另一端連接第二開關器件(100)的輸入端，第二開關器件(100)的輸出端連接電池單元(106)的負極，構成儲能電路回路；電池組直流母線負極連接第一二極管(104)陽極，第一二極管(104)陰極通過儲能電感(102)與第二二極管(103)的陽極連接，第二二極管(103)的陰極連接電池組直流母線正極，構成升壓放電回路；第一開關器件(101)和第二開關器件(100)的狀態(tài)由控制電路(107)控制。
2..根據權利要求1所述一種直流升壓電路，其特征在于所述 控制電路(107)通過驅動電路分別與第一開關器件(101)和第二開 關器件(100)的控制端連接，控制電路(107)的信號檢測電路兩端 分別與電池單元(106)的正極和負極連接，控制電路通過預先設定 的均衡檢測方法，判斷電池單元(106)的均衡狀態(tài)并發(fā)出控制信號， 經過驅動電路控制第一開關器件(101)和第二開關器件(100)的控 制端，交替進行同步導通和截止的循環(huán)操作，實現(xiàn)電池組的非能耗均 衡。
全文摘要
一種直流升壓電路，其特點是電池單元的正極連接第一開關器件的輸入端，第一開關器件的輸出端連接儲能電感的一端，儲能電感的另一端連接第二開關器件的輸入端，第二開關器件的輸出端連接電池單元的負極，構成儲能電路回路；電池組直流母線負極與第一二極管、儲能電感、第二二極管、電池組直流母線正極依次連接，構成升壓放電回路。第一開關器件和第二開關器件的狀態(tài)由控制電路控制。本發(fā)明有以下優(yōu)點不需要直流電與交流電的變換，避免了隔離變壓器升壓過程中存在的電能損失，結構簡單、成本低，效率高；用于串聯(lián)電池組電量均衡管理時，一個電池單元對應一個升壓電路，模塊獨立工作，可靠性高；升壓比例控制靈活，可實現(xiàn)標準化、批量化生產。
文檔編號H02M3/158GK101562396SQ20091005189
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權日2009年5月25日
發(fā)明者翼 張, 張鐵柱, 戴作強 申請人:青島大學