專利名稱：一種直流升降壓電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬直流升降壓電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于串聯(lián)電池組電量均衡的升 降壓電路，特別涉及動力電池組的非能耗實(shí)時(shí)均衡技術(shù)的升降壓電路。
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)用于像電動車輛等需要頻繁充放電循環(huán)的場合時(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，會降低 整個電池組的有效容量，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)(SOC)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(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)簡單、成 本低，在小容量、低功率的場合應(yīng)用較多。但在大容量電池組的均衡場合，均衡時(shí)產(chǎn)生大量 熱量的同時(shí)，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(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。因此每一個電池單元的正負(fù)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(zhuǎn)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或?qū)?電池單元的電能升壓后泵入電池組直流母線；二是通過電池單元間的電量平衡電路逐級轉(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 傳遞，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，系統(tǒng)的可靠性差。因此， 串聯(lián)電池組的非能耗均衡技術(shù)需要一種結(jié)構(gòu)簡單，效率高，成本低，模塊能夠獨(dú)立工作的電 量轉(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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為實(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。將傳 統(tǒng)的Boost直流升壓電路和Buck直流降壓電路加以改進(jìn)，充分利用電感儲能升壓原理，提 供一種結(jié)構(gòu)簡單成本低、模塊獨(dú)立工作效率高、升降壓范圍控制靈活、能夠?qū)崿F(xiàn)輸入直流電源和輸出直流電源不共地的用于串聯(lián)電池組電量均衡的一種直流升降壓電路。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明的目的，采用的技術(shù)方案是一種直流升降壓電路，包括電池組直 流母線、電池單元和開關(guān)器件，其特征在于電池單元Bl的正極連接第三開關(guān)器件SW3的一 端，第三開關(guān)器件SW3的另一端連接儲能電感Ll的一端和第一開關(guān)器件SWl的一端，所述 儲能電感Ll的另一端連接第二開關(guān)器件SW2的一端和第四開關(guān)器件SW4的一端，第四開關(guān) 器件SW4的另一端連接電池單元Bl的負(fù)極。第一開關(guān)器件SWl的另一端連接電池組直流 母線負(fù)極，第二開關(guān)器件SW2的另一端連接電池組直流母線正極；第一開關(guān)器件SW1、第二 開關(guān)器件SW2、第三開關(guān)器件SW3、第四開關(guān)器件SW4的狀態(tài)由控制電路Ul控制。所述控制電路Ul通過驅(qū)動電路分別與第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2、第三 開關(guān)器件SW3、第四開關(guān)器件SW4的控制端連接，控制電路Ul的信號檢測電路兩端分別與電 池單元Bl的正極和負(fù)極連接，控制電路發(fā)出控制信號，控制第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器 件SW2與第三開關(guān)器件SW3、第四開關(guān)器件SW4交替進(jìn)行同步導(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。當(dāng)?shù)谌_關(guān)器件SW3和第四開關(guān)器件SW4在控制電路的作用下同時(shí)處于導(dǎo)通狀 態(tài)，第一開關(guān)器件SWl和第二開關(guān)器件SW2同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電池單元的電壓施加到 儲能電感Ll的兩端，并且與儲能電感Ll的剩余電流同向，直流電流的流動方向?yàn)殡姵貑?元正極一第三開關(guān)器件SW3 —儲能電感Ll —第四開關(guān)器件SW4 —電池單元負(fù)極。儲能電 感Ll的電流增大，此階段為儲能階段。此時(shí)電池組直流母線的負(fù)極電勢低于電池單元正極 電勢，由于第一開關(guān)器件SWl處于關(guān)斷狀態(tài)，電池單元的正極電流不會流到電池組直流母 線負(fù)極。同時(shí)，電池組直流母線的正極電勢高于電池單元負(fù)極電勢，由于第二開關(guān)器件SW2 處于關(guān)斷狀態(tài)，電池組直流母線正極的電流也不會流到電池單元的負(fù)極。當(dāng)?shù)谌_關(guān)器件 SW3和第四開關(guān)器件SW4在控制電路的作用下同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，在同一時(shí)刻，第一開關(guān)器 件SWl和第二開關(guān)器件SW2同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，儲能電感Ll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，通過第一開關(guān)器件SWl和第二開關(guān)器件SW2將電 感Ll中儲存的電能泵入電池組直流母線，實(shí)現(xiàn)升壓操作。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SWl和第二開關(guān)器件SW2在控制電路的作用下同時(shí)處于導(dǎo)通狀 態(tài)，在同一時(shí)刻，第三開關(guān)器件SW3和第四開關(guān)器件SW4同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電池組直流 母線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?yàn)殡姵亟M直流母線正極一第二開關(guān)器件SW2 —儲能電感Ll —第一開關(guān)器件SWl —電池 組直流母線負(fù)極。儲能電感Ll的電流增大，此階段為儲能階段。此時(shí)電池組直流母線的負(fù) 極電勢低于電池單元正極電勢，由于第三開關(guān)器件SW3處于關(guān)斷狀態(tài)，電池單元的正極電 流不會流到電池組直流母線負(fù)極。同時(shí)，電池組直流母線的正極電勢高于電池單元負(fù)極電 勢，由于第四開關(guān)器件SW4處于關(guān)斷狀態(tài)，電池組直流母線正極的電流也不會流到電池單 元的負(fù)極。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SWl和第二開關(guān)器件SW2在控制電路的作用下同時(shí)處于關(guān)斷狀 態(tài)，在同一時(shí)刻，第三開關(guān)器件SW3和第四開關(guān)器件SW4在控制電路的控制下同時(shí)處于導(dǎo)通 狀態(tài)時(shí)，儲能電感Ll中的電能在電感降壓的原理作用下迅速降至電池單元電壓，通過第三 開關(guān)器件SW3和第四開關(guān)器件SW4將電感Ll中儲存的電能泵入電池單元，實(shí)現(xiàn)降壓操作。所述控制電路通過驅(qū)動電路Ul分別與第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2、第三 開關(guān)器件SW3、第四開關(guān)器件SW4的控制端連接，信號檢測電路分別與電池單元的正極和負(fù)
4極連接。控制電路通過預(yù)先設(shè)計(jì)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(jīng)過驅(qū)動電路控制開關(guān)器件按照前面所述的升壓或降壓原理進(jìn)行同步導(dǎo)通和關(guān)斷的重 復(fù)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(yīng)的升壓電路轉(zhuǎn)移到電池組直流母線中?；?qū)㈦姵?組直流母線的電能泵入電池單元，對電池單元的電能進(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。本發(fā)明相對現(xiàn)有其他電能轉(zhuǎn)移方式有以下優(yōu)點(diǎn)1.效率高。隔離變壓器升壓降壓需要兩次直流電與交流電的變換，變壓器本身也 存在損失。本發(fā)明避免了隔離變壓器升壓降壓過程中存在的電能損失，效率高。由于本發(fā) 明采用四個開關(guān)器件進(jìn)行控制，消除了中國專利公開號CN1905259A和CN101552479A中二 極管產(chǎn)生的導(dǎo)通壓降損失，進(jìn)一步提高了電路的能量轉(zhuǎn)移效率。2.結(jié)構(gòu)簡單、成本低。本發(fā)明直流升壓降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(jié)構(gòu)簡單，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。本發(fā)明應(yīng)用于電池組電能均衡管理時(shí)，每一個電池單元對應(yīng)一個升 壓降壓電路，模塊式獨(dú)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。5.可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)。本發(fā)明的升壓降壓比例控制靈活，在一定功率和升 壓降壓比范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)電路統(tǒng)一設(shè)計(jì)，只是改變控制信號，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
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明原理框圖；圖2為串聯(lián)電池組電量均衡系統(tǒng)直流升降壓電路原理框圖。
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明原理框圖。圖示一種直流升降壓電路，包括電池組直流母線、電池單 元和開關(guān)器件，其特征在于電池單元Bl的正極連接第三開關(guān)器件SW3的一端，第三開關(guān)器 件SW3的另一端連接儲能電感Ll的一端和第一開關(guān)器件SWl的一端，所述儲能電感Ll的 另一端連接第二開關(guān)器件SW2的一端和第四開關(guān)器件SW4的一端，第四開關(guān)器件SW4的另 一端連接電池單元Bl的負(fù)極。第一開關(guān)器件SWl的另一端連接電池組直流母線負(fù)極，第二 開關(guān)器件SW2的另一端連接電池組直流母線正極；第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2、第 三開關(guān)器件SW3、第四開關(guān)器件SW4的狀態(tài)由控制電路Ul控制。以將本發(fā)明應(yīng)用于三節(jié)串聯(lián)電池組均衡管理為例，直流升降壓電路原理框圖如圖 2所示，圖中以電池單元Bl為例，詳細(xì)標(biāo)明了連接電路。每一個升降壓電路與一套控制電路 構(gòu)成一個獨(dú)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，每一個所述管理 模塊之間通過通訊總線連接，每一個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、第三開關(guān)器件SW3、第四開關(guān)器件SW4優(yōu)選 采用MOSFET或IGBT器件。雖然第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2、第三開關(guān)器件SW3、 第四開關(guān)器件SW4原理上可以選用不同的開關(guān)器件，但選用相同的器件更為適合。器件的 選用不改變本發(fā)明原理上的一致性。儲能電感Ll的電感值與電路的工作頻率要求等有關(guān)， 但應(yīng)該綜合考慮器件成本和工作效率的相互影響。均衡管理模塊的控制電路Ul通過驅(qū)動 電路分別與第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2、第三開關(guān)器件SW3、第四開關(guān)器件SW4的 控制端連接。控制電路Ul通過信號檢測電路與電池單元Bl的正極和負(fù)極連接。每一個控 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)定的均衡檢測方法，判斷電池單元的均衡狀態(tài)。 當(dāng)檢測到與之相連接的電池單元需要放電時(shí)，控制電路發(fā)出控制信號。上述控制信號經(jīng)過 驅(qū)動電路控制第一開關(guān)器件SW1、第二開關(guān)器件SW2、第三開關(guān)器件SW3、第四開關(guān)器件SW4 按照前面所述的升壓、降壓原理進(jìn)行同步導(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)移功率和升壓比例。開關(guān)器件并不要求絕對的同步導(dǎo)通和關(guān)斷控制，實(shí)際的電路 也不能實(shí)現(xiàn)絕對同步。但同步與否并不影響本發(fā)明在升壓降壓原理上的一致性。圖1和圖 2中的電容Cl、電容C2的作用主要是平滑濾波，原理上不具有必須性。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，引入 電容Cl、電容C2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(shí)施例中電 池單元Bl并不局限于電池單體，對于多級疊加的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電池單元Bl可以是集成在一起 的電池組。盡管本發(fā)明已經(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)理解本發(fā)明不受在 此公開的具體說明的限制，對于本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員任何顯而易見的改變都應(yīng)當(dāng)在本發(fā) 明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種直流升降壓電路，包括電池組直流母線、電池單元和開關(guān)器件，其特征在于電池單元(B1)的正極連接第三開關(guān)器件(SW3)的一端，第三開關(guān)器件(SW3)的另一端連接儲能電感(L1)的一端和第一開關(guān)器件(SW1)的一端，所述儲能電感(L1)的另一端連接第二開關(guān)器件(SW2)的一端和第四開關(guān)器件(SW4)的一端，第四開關(guān)器件(SW4)的另一端連接電池單元(B1)的負(fù)極，第一開關(guān)器件(SW1)的另一端連接電池組直流母線負(fù)極，第二開關(guān)器件(SW2)的另一端連接電池組直流母線正極；第一開關(guān)器件(SW1)、第二開關(guān)器件(SW2)、第三開關(guān)器件(SW3)、第四開關(guān)器件(SW4)的狀態(tài)由控制電路(U1)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種直流升降壓電路，其特征在于所述控制電路(Ul)通過驅(qū) 動電路分別與第一開關(guān)器件(SWl)、第二開關(guān)器件(SW2)、第三開關(guān)器件(SW3)、第四開關(guān)器 件(SW4)的控制端連接，控制電路(Ul)的信號檢測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，控制第一開關(guān)器件(SWl)、第二開關(guān)器件(SW2)與第 三開關(guān)器件(SW3)、第四開關(guān)器件(SW4)交替進(jìn)行同步導(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。
全文摘要
本發(fā)明一種直流升降壓電路，其特征在于電池單元的正極連接第三開關(guān)器件的一端，第三開關(guān)器件的另一端連接儲能電感的一端和第一開關(guān)器件的一端，所述儲能電感的另一端連接第二開關(guān)器件的一端和第四開關(guān)器件的一端，第四開關(guān)器件的另一端連接電池單元的負(fù)極。第一開關(guān)器件的另一端連接電池組直流母線負(fù)極，第二開關(guān)器件的另一端連接電池組直流母線正極；第一開關(guān)器件、第二開關(guān)器件、第三開關(guān)器件、第四開關(guān)器件的狀態(tài)由控制電路(U1)控制。通過控制對應(yīng)開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)序，實(shí)現(xiàn)直流電源的升壓操作或降壓操作。本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)升降壓比例控制靈活，模塊獨(dú)立工作，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，效率高；可靠性高，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)。
文檔編號H02J7/00GK101944754SQ20101024862
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者張翼, 胡聯(lián)慶 申請人:上海同異動力科技有限公司