CN101944754A - 一种直流升降压电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种直流升降压电路，其特征在于：电池单元的正极连接第三开关器件的一端，第三开关器件的另一端连接储能电感的一端和第一开关器件的一端，所述储能电感的另一端连接第二开关器件的一端和第四开关器件的一端，第四开关器件的另一端连接电池单元的负极。第一开关器件的另一端连接电池组直流母线负极，第二开关器件的另一端连接电池组直流母线正极；第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件的状态由控制电路(U1)控制。通过控制对应开关器件的导通和关断时序，实现直流电源的升压操作或降压操作。本发明有以下优点：升降压比例控制灵活，模块独立工作，结构简单，成本低，效率高；可靠性高，可实现标准化、批量化生产。

Description

一种直流升降压电路

技术领域

本发明属直流升降压电路技术领域，具体涉及一种用于串联电池组电量均衡的升降压电路，特别涉及动力电池组的非能耗实时均衡技术的升降压电路。

背景技术

随着大容量密度、高功率密度蓄电池的应用越来越普遍，电池组的均衡技术成为电池管理系统的主要任务。目前应用最多的铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池，由于生产过程的差异，使用过程的性能变化和其他一些因素，都存在无法完全消除的单元电池之间的不一致现象。

当电池组应用于像电动车辆等需要频繁充放电循环的场合时，为了得到足够的系统电压，需要通过电池组的串联提高供电电压。串联连接的电池单元之间的不均衡，会降低整个电池组的有效容量，放电时只能放到容量最小的电池单元的下限，否则容量最小的电池单元会出现极性反转。串联充电时，电池组中单元容量最小的电池首先充满。如果此时停止充电，则整个电池组无法充满，电池组的容量不能得到有效利用；如果继续充电至所有电池单元的电池的荷电状态(SOC)至100％，则部分电池单元会出现过充。铅酸蓄电池虽然可以允许一定范围的过充，但必然产生能量浪费，降低充电效率。锂离子电池不允许过充，因此电池组的均衡更为重要。

目前，串联蓄电池组的均衡主要分为能耗法和非能耗法。能耗法是将电量高的电池单元的电量通过电阻转换成热量消耗掉，达到电池组均衡的目的。这种方法结构简单、成本低，在小容量、低功率的场合应用较多。但在大容量电池组的均衡场合，均衡时产生大量热量的同时，会降低电池组的充电效率。非能耗式均衡的种类较多，其工作原理是将电量多的电池单元的电荷，转移到电量低的单元或电池组的直流母线上。由于大容量串联电池组的电路设计要求，电池组电路的串联关系一般不能改变。因此每一个电池单元的正负极电压与电池组的直流母线电压之间不能隔离，电池单元的电量转移一般采用两种方法：一是隔离变压器法，通过单绕组DC/DC模块，将电池组直流母线的电压降压泵入电池单元或将电池单元的电能升压后泵入电池组直流母线；二是通过电池单元间的电量平衡电路逐级转移。隔离变压器法的主要缺点是电能传递效率低，电路元器件多，模块复杂，成本高，可靠性低。逐级转移法的缺点是电能转换次数多，能量损失大，均衡效率低。同时由于电能是逐级传递，如果一个模块出现故障，则整个系统的均衡效果会显著降低，系统的可靠性差。因此，串联电池组的非能耗均衡技术需要一种结构简单，效率高，成本低，模块能够独立工作的电量转移电路，以实现大容量串联电池组的高效、可靠、低成本的均衡管理。

发明内容

本发明的目的是为实现大容量串联电池组的高效、可靠、低成本的均衡管理。将传统的Boost直流升压电路和Buck直流降压电路加以改进，充分利用电感储能升压原理，提供一种结构简单成本低、模块独立工作效率高、升降压范围控制灵活、能够实现输入直流电源和输出直流电源不共地的用于串联电池组电量均衡的一种直流升降压电路。

为实现上述发明的目的，采用的技术方案是：一种直流升降压电路，包括电池组直流母线、电池单元和开关器件，其特征在于：电池单元B1的正极连接第三开关器件SW3的一端，第三开关器件SW3的另一端连接储能电感L1的一端和第一开关器件SW1的一端，所述储能电感L1的另一端连接第二开关器件SW2的一端和第四开关器件SW4的一端，第四开关器件SW4的另一端连接电池单元B1的负极。第一开关器件SW1的另一端连接电池组直流母线负极，第二开关器件SW2的另一端连接电池组直流母线正极；第一开关器件SW1、第二开关器件SW2、第三开关器件SW3、第四开关器件SW4的状态由控制电路U1控制。

所述控制电路U1通过驱动电路分别与第一开关器件SW1、第二开关器件SW2、第三开关器件SW3、第四开关器件SW4的控制端连接，控制电路U1的信号检测电路两端分别与电池单元B1的正极和负极连接，控制电路发出控制信号，控制第一开关器件SW1、第二开关器件SW2与第三开关器件SW3、第四开关器件SW4交替进行同步导通和关断的循环操作，实现电池组的非能耗均衡。

当第三开关器件SW3和第四开关器件SW4在控制电路的作用下同时处于导通状态，第一开关器件SW1和第二开关器件SW2同时处于关断状态时，电池单元的电压施加到储能电感L1的两端，并且与储能电感L1的剩余电流同向，直流电流的流动方向为电池单元正极→第三开关器件SW3→储能电感L1→第四开关器件SW4→电池单元负极。储能电感L1的电流增大，此阶段为储能阶段。此时电池组直流母线的负极电势低于电池单元正极电势，由于第一开关器件SW1处于关断状态，电池单元的正极电流不会流到电池组直流母线负极。同时，电池组直流母线的正极电势高于电池单元负极电势，由于第二开关器件SW2处于关断状态，电池组直流母线正极的电流也不会流到电池单元的负极。当第三开关器件SW3和第四开关器件SW4在控制电路的作用下同时处于关断状态，在同一时刻，第一开关器件SW1和第二开关器件SW2同时处于导通状态时，储能电感L1中的电能在电感升压的原理作用下迅速抬升至电池组直流母线电压，通过第一开关器件SW1和第二开关器件SW2将电感L1中储存的电能泵入电池组直流母线，实现升压操作。

当第一开关器件SW1和第二开关器件SW2在控制电路的作用下同时处于导通状态，在同一时刻，第三开关器件SW3和第四开关器件SW4同时处于关断状态时，电池组直流母线的电压施加到储能电感的两端，并且与储能电感的剩余电流同向，直流电流的流动方向为电池组直流母线正极→第二开关器件SW2→储能电感L1→第一开关器件SW1→电池组直流母线负极。储能电感L1的电流增大，此阶段为储能阶段。此时电池组直流母线的负极电势低于电池单元正极电势，由于第三开关器件SW3处于关断状态，电池单元的正极电流不会流到电池组直流母线负极。同时，电池组直流母线的正极电势高于电池单元负极电势，由于第四开关器件SW4处于关断状态，电池组直流母线正极的电流也不会流到电池单元的负极。当第一开关器件SW1和第二开关器件SW2在控制电路的作用下同时处于关断状态，在同一时刻，第三开关器件SW3和第四开关器件SW4在控制电路的控制下同时处于导通状态时，储能电感L1中的电能在电感降压的原理作用下迅速降至电池单元电压，通过第三开关器件SW3和第四开关器件SW4将电感L1中储存的电能泵入电池单元，实现降压操作。

所述控制电路通过驱动电路U1分别与第一开关器件SW1、第二开关器件SW2、第三开关器件SW3、第四开关器件SW4的控制端连接，信号检测电路分别与电池单元的正极和负极连接。控制电路通过预先设计的均衡检测方法，判断电池单元的均衡状态并发出控制信号，经过驱动电路控制开关器件按照前面所述的升压或降压原理进行同步导通和关断的重复循环操作，储能电感在储能阶段储存的电能以直流电流的方式泵送入电池组直流母线，则电池单元多余的电量不断通过与之对应的升压电路转移到电池组直流母线中。或将电池组直流母线的电能泵入电池单元，对电池单元的电能进行单独补充，两种操作结合运用，实现电池组的非能耗均衡。

本发明相对现有其他电能转移方式有以下优点：

1.效率高。隔离变压器升压降压需要两次直流电与交流电的变换，变压器本身也存在损失。本发明避免了隔离变压器升压降压过程中存在的电能损失，效率高。由于本发明采用四个开关器件进行控制，消除了中国专利公开号CN1905259A和CN101552479A中二极管产生的导通压降损失，进一步提高了电路的能量转移效率。

2.结构简单、成本低。本发明直流升压降压电路不需要直流电与交流电的变换，原理上只需要五个元器件，结构简单，成本大大降低。

3.同时实现电池单元电能的输出和输入操作，电池组管理系统的均衡效率高，既可以实现充电均衡，又可以实现放电均衡。

4.可靠性高。本发明应用于电池组电能均衡管理时，每一个电池单元对应一个升压降压电路，模块式独立工作，任一个出现故障，不会影响其它单元的功能，提高了整个系统的可靠性。

5.可实现标准化、批量化生产。本发明的升压降压比例控制灵活，在一定功率和升压降压比范围内可以实现电路统一设计，只是改变控制信号，有利于降低成本，方便系统维护。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明原理框图；

图2为串联电池组电量均衡系统直流升降压电路原理框图。

具体实施方式

图1为本发明原理框图。图示一种直流升降压电路，包括电池组直流母线、电池单元和开关器件，其特征在于：电池单元B1的正极连接第三开关器件SW3的一端，第三开关器件SW3的另一端连接储能电感L1的一端和第一开关器件SW1的一端，所述储能电感L1的另一端连接第二开关器件SW2的一端和第四开关器件SW4的一端，第四开关器件SW4的另一端连接电池单元B1的负极。第一开关器件SW1的另一端连接电池组直流母线负极，第二开关器件SW2的另一端连接电池组直流母线正极；第一开关器件SW1、第二开关器件SW2、第三开关器件SW3、第四开关器件SW4的状态由控制电路U1控制。

以将本发明应用于三节串联电池组均衡管理为例，直流升降压电路原理框图如图2所示，图中以电池单元B1为例，详细标明了连接电路。每一个升降压电路与一套控制电路构成一个独立的均衡管理模块，每一个电池单元连接一个所述管理模块，每一个所述管理模块之间通过通讯总线连接，每一个模块可以通过通讯总线读取系统中其他模块的信息。

第一开关器件SW1、第二开关器件SW2、第三开关器件SW3、第四开关器件SW4优选采用MOSFET或IGBT器件。虽然第一开关器件SW1、第二开关器件SW2、第三开关器件SW3、第四开关器件SW4原理上可以选用不同的开关器件，但选用相同的器件更为适合。器件的选用不改变本发明原理上的一致性。储能电感L1的电感值与电路的工作频率要求等有关，但应该综合考虑器件成本和工作效率的相互影响。均衡管理模块的控制电路U1通过驱动电路分别与第一开关器件SW1、第二开关器件SW2、第三开关器件SW3、第四开关器件SW4的控制端连接。控制电路U1通过信号检测电路与电池单元B1的正极和负极连接。每一个控制模块通过通讯总线将和自己连接电池单元的信息发送给其他模块，并通过通讯总线读取其他电池单元的信息，控制电路通过预先设定的均衡检测方法，判断电池单元的均衡状态。当检测到与之相连接的电池单元需要放电时，控制电路发出控制信号。上述控制信号经过驱动电路控制第一开关器件SW1、第二开关器件SW2、第三开关器件SW3、第四开关器件SW4按照前面所述的升压、降压原理进行同步导通和关断的循环操作。开关器件的占空比控制电量的转移功率和升压比例。开关器件并不要求绝对的同步导通和关断控制，实际的电路也不能实现绝对同步。但同步与否并不影响本发明在升压降压原理上的一致性。图1和图2中的电容C1、电容C2的作用主要是平滑滤波，原理上不具有必须性。但实际设计中，引入电容C1、电容C2并选用合适的参数和种类可以有效改善本发明的均衡性能。本实施例中电池单元B1并不局限于电池单体，对于多级叠加的拓扑结构，电池单元B1可以是集成在一起的电池组。

尽管本发明已经结合附图和实施例进行了详细描述，但是应当理解本发明不受在此公开的具体说明的限制，对于本领域的专业技术人员任何显而易见的改变都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种直流升降压电路，包括电池组直流母线、电池单元和开关器件，其特征在于：电池单元(B1)的正极连接第三开关器件(SW3)的一端，第三开关器件(SW3)的另一端连接储能电感(L1)的一端和第一开关器件(SW1)的一端，所述储能电感(L1)的另一端连接第二开关器件(SW2)的一端和第四开关器件(SW4)的一端，第四开关器件(SW4)的另一端连接电池单元(B1)的负极，第一开关器件(SW1)的另一端连接电池组直流母线负极，第二开关器件(SW2)的另一端连接电池组直流母线正极；第一开关器件(SW1)、第二开关器件(SW2)、第三开关器件(SW3)、第四开关器件(SW4)的状态由控制电路(U1)控制。

2.根据权利要求1所述一种直流升降压电路，其特征在于：所述控制电路(U1)通过驱动电路分别与第一开关器件(SW1)、第二开关器件(SW2)、第三开关器件(SW3)、第四开关器件(SW4)的控制端连接，控制电路(U1)的信号检测电路两端分别与电池单元(B1)的正极和负极连接，控制电路发出控制信号，控制第一开关器件(SW1)、第二开关器件(SW2)与第三开关器件(SW3)、第四开关器件(SW4)交替进行同步导通和关断的循环操作，实现电池组的非能耗均衡。

Images