專利名稱：變壓器掃描鏈?zhǔn)叫铍姵亟M均衡電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
變壓器掃描鏈?zhǔn)叫铍姵亟M均衡電路技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬于蓄電池的電池保護系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種變壓器掃描鏈?zhǔn)叫铍姵亟M均衡電路。
背景技術(shù)：
[0002]蓄電池作為能量存儲介質(zhì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會的各行各業(yè)，特別是近年來在通信電源、UPS電源、各種動力車輛、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、國家智能電網(wǎng)等行業(yè)中，作為動力或電源儲能的系統(tǒng)中，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)被視為最關(guān)鍵的組件之一。電池系統(tǒng)對以串聯(lián)方式工作的電池組進(jìn)行充電、放電，在每次充電、放電以后，電池組里各個單體電池的特性都會不一樣，如端電壓、內(nèi)阻、老化程度、剩余容量(S0C)、電池健康度(SOH)等等，并且會隨著時間的推移進(jìn)一步加劇單體電池之間的差異性。如何保證電池在充電、放電過程中進(jìn)行電池組快速高效的動態(tài)主動均衡控制，是保證磷酸鐵鋰電池的安全性、可靠性以及充分發(fā)揮其化學(xué)效能的一項關(guān)鍵技術(shù)。[0003]隨著磷酸鐵鋰電池的使用越來越廣泛，近年來對串聯(lián)磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行充電、 放電的裝置和方法得到了不斷的改進(jìn)，以試圖對串聯(lián)在一起的電池組的保護和均衡能更加快速、高效。在磷酸鐵鋰電池的傳統(tǒng)被動均衡方法中，都是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件和功率電阻構(gòu)成的放電矩陣網(wǎng)絡(luò)，這些矩陣施加在每個單體電池兩端，對充電時端電壓較高的單體電池進(jìn)行適量放電，使電池組中的各個單體電池的電壓盡量以相同的速度一致升高，同時充足，達(dá)到串聯(lián)電池的被動均衡的目的；由于采用的功率電阻要對單體電池進(jìn)行放電才能達(dá)到均衡的目的，電阻的發(fā)熱量大，因此對電池組前端充電器的能量利用率較低，有較大的電阻發(fā)電熱損耗。[0004]在傳統(tǒng)的電池組放電方法中，當(dāng)其中的某一個電池芯達(dá)到需要保護的最小端電壓時，則整個電池組將被強制停止放電，但在這個時候，其它的狀態(tài)良好的一些電池芯中可能還有很多剩余的能量沒有被釋放出來，因此這將極大地影響電池組的能量使用率。[0005]在目前見到的傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池組放電方法中，是對串聯(lián)在一起的電池組的總電壓進(jìn)行采集，并不監(jiān)測各個單體電池的端電壓；這種做法雖然簡單，但是由于在使用過程中各個單體電池的電量并不均勻，假如長期循環(huán)使用下去，電量的差異性將會變的更大，所以電量較小的單體電池將會產(chǎn)生過放電，使得它的循環(huán)使用壽命大大的減少，因此將影響電池組的使用。上面描述的放電方法往往是設(shè)定一個電池組放電終止電壓，當(dāng)采集到電池組的總電壓低于這個設(shè)定值時，就會終止電池組的放電。由于終止電壓并不能反映電池組中所有單體電池的真實端電壓，因此在終止放電時，有些單體電池可能會出現(xiàn)過放電的現(xiàn)象，有些單體電池可能還有很多剩余的電量沒有使用，電池能量的使用率將大大的降低。[0006]在目前見到的傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池組放電方法中，都是參照電池的端電壓作為判斷依據(jù)，當(dāng)電池的端電壓達(dá)到一定數(shù)值時，就強制停止放電，但是在不同的實際使用環(huán)境下，如環(huán)境溫度較高時，電池中可能還有很多剩余的電量沒有釋放出來，而在環(huán)境溫度較低時，就會出現(xiàn)電池過放電的現(xiàn)象，因此會對電池造成損害。[0007]傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池動態(tài)主動均衡方法中，都是利用所有串聯(lián)在一起的單體電池的電壓最終達(dá)到一致作為均衡工作結(jié)束條件的。這樣是不精確的。事實上電池的實際存儲電量還要受到電池本身的溫度、累計充放電次數(shù)、老化程度、健康程度、電池本身的化學(xué)特性等因素的影響。在不同的溫度、充放電循環(huán)次數(shù)下，磷酸鐵鋰電池組充滿電時能儲存并釋放出的能量是不相同的，而在充滿電時電池的端電壓也是不相同的。如在低溫環(huán)境下，電池組中能存儲的能量較小，充滿電時的端電壓較高，等等。要能最大限度到利用電池組中存儲的電量，就需要充電、放電裝置能在不同的環(huán)境下，能將電池中最大可存儲的電量充滿，并能夠?qū)㈦姵亟M中儲存的電量全部釋放出來供給外部負(fù)載。值得一提的是，由于磷酸鐵鋰電池組中各個單體電池制造工藝誤差等等的原因，在串聯(lián)充電時，其電量存在一定的差異，而這種差異會在使用過程中慢慢的逐漸增大，這將影響整個電池組的正常工作，因此，這就需要充電、放電裝置能夠消除這種差異，使電池組在充電、放電過程中始終保持均衡狀態(tài)。實用新型內(nèi)容[0008]本實用新型的目的是提供一種與現(xiàn)有技術(shù)相比更科學(xué)、更可靠、更能充分地利用磷酸鐵鋰電池組能量的均衡電路，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。[0009]本實用新型提供了一種新型的基于各個單體電池動態(tài)電量和電壓差異補償?shù)拇?lián)電池組均衡充電、放電的電路，具體采用如下技術(shù)方案[0010]一種蓄電池組均衡電路，包括[0011]蓄電池組，包括多個串聯(lián)的單體電池；[0012]均衡模塊，包括與所述單體電池個數(shù)相同的多個均衡單元，每個單體電池上均連接有一個獨立的均衡單元；所述均衡單元由串聯(lián)在單體電池的正負(fù)極之間的MOSFET和變壓器繞組組成；且每個均衡單元中的變壓器繞組均來自于同一多繞組變壓器的不同繞組； 以及[0013]外部控制電路，用于控制所述MOSFET的導(dǎo)通；[0014]當(dāng)所述MOSFET導(dǎo)通時，該MOSFET所在均衡單元中的單體電池向其對應(yīng)的變壓器繞組放電；當(dāng)所述MOSFET斷開時，該MOSFET所在均衡單元之外的其他均衡單元中的變壓器繞組給其對應(yīng)的單體電池充電。[0015]作為對上述技術(shù)方案的完善和補充，本實用新型進(jìn)一步采取如下技術(shù)措施或是這些技術(shù)措施的任意組合[0016]所述MOSFET為P-M0SFET，所述P-MOSFET的S極(源極)連接單體電池的正極， 其D極(漏極)連接變壓器繞組的同名端，其G極(柵極)作為控制端與所述外部控制電路連接，由外部電路給入控制信號使其0N/0FF。[0017]所述MOSFET為N-M0SFET，所述N-MOSFET的D極(漏極)連接單體電池的正極， 其S極(源極)連接變壓器繞組的同名端，其G極(柵極)作為控制端與所述外部控制電路連接，由外部電路給入控制信號使其0N/0FF。[0018]所述每個均衡單元中的變壓器繞組的匝數(shù)相同。[0019]所述多繞組變壓器為多抽頭變壓器。[0020]所述單體電池為磷酸鐵鋰電池。[0021]本實用新型所提供的上述均衡電路，是以各個單體電池的動態(tài)電量和電壓作為判斷依據(jù)，在蓄電池組充電過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)單體電池之間電量和電壓差異較大時，就對電量和電壓較高的單體電池進(jìn)行適量放電，并把放出來的電量轉(zhuǎn)移到其它的單體電池中，為其它的落后電池進(jìn)行充電，實現(xiàn)在充電過程中的動態(tài)均衡；同樣在蓄電池組接通負(fù)載進(jìn)行放電的過程中，電量和電壓高的單體電池通過放電電路和充電電路將多出的電量轉(zhuǎn)移給電量和電壓較小的單體電池，實現(xiàn)在放電過程中的動態(tài)均衡，最終達(dá)到真正的電池組高效、安全的動態(tài)主動均衡充電和放電，能最大限度的保護電池，充分發(fā)揮電池組的能量。


[0022]圖1是本實用新型中η個單體電池串聯(lián)的均衡電路連接結(jié)構(gòu)示意圖。[0023]圖2是本實用新型中一個單體電池上連接的均衡單元示意圖。[0024]圖3是本實用新型中另一種實施方式的η個單體電池串聯(lián)的均衡電路連接結(jié)構(gòu)示意圖。[0025]圖4是本實用新型中單體電池CELL-I把能量轉(zhuǎn)移給CELL-2 CELL_n的均衡電路工作時序示意圖。
具體實施方式
[0026]下面結(jié)合具體實施例進(jìn)一步闡述本實用新型，應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的保護范圍。[0027]圖1是本實用新型中η個單體電池串聯(lián)的均衡電路連接結(jié)構(gòu)示意圖，每個單體電池上均設(shè)一獨立的均衡單元，共用了 η個P-M0SFET、η個變壓器抽頭繞組。請參見圖1及 2，以其中第一個單體電池CELL-I為例與該單體電池連接的均衡單元由串聯(lián)在單體電池 CELL-I的正負(fù)極之間的P-MOSFET 21和變壓器繞組11組成；P-MOSFET 21的S極(源極)3 連接單體電池CELL-I的正極，其D極(漏極)2連接變壓器繞組11的同名端，其G極(柵極)1作為控制端與所述外部控制電路連接，由外部電路給入控制信號使其0N/0FF。每個單體電池上所連接的均衡單元均相同，只是各個均衡單元中的變壓器繞組均來自于一個公共的多抽頭高頻功率變壓器30上的不同繞組。[0028]圖3是本實用新型另一種實施方式的η個單體電池串聯(lián)的均衡電路連接結(jié)構(gòu)示意圖，圖3與圖1結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別僅在于圖3中的MOSFET采用N-M0SFET，且N-MOSFET的D極 (漏極)連接單體電池的正極，其S極(源極)連接變壓器繞組的同名端，其G極(柵極) 作為控制端與所述外部控制電路連接，由外部電路給入控制信號使其0N/0FF。[0029]圖4是本實用新型的工作原理示意圖。在使用過程中，用對蓄電池組的充電電流或蓄電池組對外界的放電電流以及時間來計算其中單體電池充電、放電過程中的動態(tài)電量大小，當(dāng)單體電池之間的動態(tài)電量和端電壓差值大于設(shè)定值時，就進(jìn)行電量和電壓的動態(tài)主動均衡，通過外部控制電路將與電量較高的單體電池相連的MOSFET導(dǎo)通。被選通的單體電池的正極和P-M0SFET、高頻功率變壓器的某一側(cè)邊繞組構(gòu)成串聯(lián)回路，當(dāng)相應(yīng)的MOSFET 導(dǎo)通時，相連接的變壓器繞組被充電，電流上升，開始儲存能量，由于變壓器的繞組及和功率器件的連接均為正向激勵模式，相應(yīng)的電池CELL被放電；在變壓器不飽和的情況下，變壓器繞組儲存的焦耳能量P為P = I*I*L/2(其中I為變壓器繞組電感上升到的最大電流， 單位是安培；L是變壓器繞組電感的電感量，單位是亨利)。在變壓器繞組被充電后，需要馬上關(guān)閉之前開通的M0SFET，變壓器繞組被充電的那一刻，由于其它每個單體電池上串聯(lián)的M0SFET、變壓器繞組等也構(gòu)成了一個串聯(lián)回路，由于功率MOSFET內(nèi)部有寄生反向體二極管，加上整個電路的連接架構(gòu)為正向激勵結(jié)構(gòu)，因此其它的單體電池上串聯(lián)的繞組將通過串聯(lián)的MOSFET的寄生反向體二極管構(gòu)成充電回路，繞組開始被充電，電流上升，相應(yīng)的單體電池被充電；最終，電池放電的能量被轉(zhuǎn)移給了其它電池，完成了動態(tài)均衡。并且在整個使用過程中，始終控制單體電池動態(tài)電量值和電壓值在充電時不大于其最大允許額定值， 在放電時不小于其最小允許額定值。[0030]根據(jù)上述過程，就完成了某一個單體電池可以進(jìn)行單獨放電或充電的過程，不論蓄電池組正在被充電中，或是蓄電池組正在向外放電中，都可以實現(xiàn)某一個單體電池的單獨充電放電，可以保證串聯(lián)在一起的單體電池在任何狀態(tài)下都可以電壓接近或容量接近， 保護在充電過程中不會產(chǎn)生個別單體電池嚴(yán)重過壓，同時也保證在放電過程中，不會有個別單體電池嚴(yán)重欠壓，以最大限度的保護電池，充分發(fā)揮電池組的能量。[0031]本實用新型的上述描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本實用新型的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本實用新型的精神或本質(zhì)特征的情況下，本實用新型可以以其他形式來實現(xiàn)。在不脫離本實用新型范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進(jìn)行其他變形和改變。
權(quán)利要求1.一種蓄電池組均衡電路，包括蓄電池組，包括多個串聯(lián)的單體電池；均衡模塊，包括與所述單體電池個數(shù)相同的多個均衡單元，每個單體電池上均連接有一個獨立的均衡單元；所述均衡單元由串聯(lián)在單體電池的正負(fù)極之間的MOSFET和變壓器繞組組成；且每個均衡單元中的變壓器繞組均來自于同一多繞組變壓器的不同繞組；以及外部控制電路，用于控制所述MOSFET的導(dǎo)通；當(dāng)所述MOSFET導(dǎo)通時，該MOSFET所在均衡單元中的單體電池向其對應(yīng)的變壓器繞組放電；當(dāng)所述MOSFET斷開時，該MOSFET所在均衡單元之外的其他均衡單元中的變壓器繞組給其對應(yīng)的單體電池充電。
2.如權(quán)利要求1所述的蓄電池組均衡電路，其特征在于，所述MOSFET為P-M0SFET，所述P-MOSFET的S極連接單體電池的正極，其D極連接變壓器繞組的同名端，其G極作為控制端與所述外部控制電路連接。
3.如權(quán)利要求1所述的蓄電池組均衡電路，其特征在于，所述MOSFET為N-M0SFET，所述N-MOSFET的D極連接單體電池的正極，其S極連接變壓器繞組的同名端，其G極作為控制端與所述外部控制電路連接。
4.如權(quán)利要求1所述的蓄電池組均衡電路，其特征在于，所述每個均衡單元中的變壓器繞組的匝數(shù)相同。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的蓄電池組均衡電路，其特征在于，所述多繞組變壓器為多抽頭變壓器。
專利摘要本實用新型公開了一種蓄電池組均衡電路，包括多個串聯(lián)的單體電池和外部控制電路；每個單體電池上均連接有一個均衡單元；所述均衡單元由串聯(lián)在單體電池的正負(fù)極之間的MOSFET和變壓器繞組組成；且每個均衡單元中的變壓器繞組均來自于同一個共用的多抽頭變壓器。當(dāng)所述MOSFET導(dǎo)通時，該MOSFET所在均衡單元中的單體電池向其對應(yīng)的變壓器繞組放電；當(dāng)所述MOSFET斷開時，該MOSFET所在均衡單元之外的其他均衡單元中的變壓器繞組給其對應(yīng)的單體電池充電達(dá)到了真正的電池組高效、安全的動態(tài)主動均衡充電和放電，能最大限度的保護電池，充分發(fā)揮電池組的能量。
文檔編號H02J7/00GK202309118SQ20112037717
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月8日
發(fā)明者張一 , 李思賢 申請人:上海鋰曜能源科技有限公司