一種新型蓄電池組充電控制電路及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型蓄電池組充電控制電路及其方法，該控制電路包括n個充電控制小組，每個充電控制小組包括兩個電池單體、電感、電容以及第一能量雙向可控的電子開關、第二能量雙向可控的電子開關，其中，該第一能量雙向可控的電子開關與該電感串聯接于一電池單體的正負極，該第二能量雙向可控的電子開關與該電感串聯接于另一電池單體的正負極，每個充電控制小組的拓撲結構相同，各充電控制小組之間通過該第一能量雙向可控的電子開關連接該電容相連，通過本發明，能夠在充電后期保證蓄電池組中的各個電池單體性能相當，以改進現有串聯蓄電池組中能量的不均衡分布造成的對蓄電池的損害的問題。
【專利說明】一種新型蓄電池組充電控制電路及其方法

【技術領域】
[0001]本發明關于蓄電池組能量均衡控制領域，特別是涉及一種新型蓄電池組充電控制電路及其方法。

【背景技術】
[0002]蓄電池的使用范圍越來越廣泛，而普通的蓄電池單體并不能滿足大功率使用場合的要求，所以產生了蓄電池組，即將不同蓄電池單體進行串聯和并聯，然后作為所需要的系統電源使用，其中蓄電池單體的串聯在使用中很常見。
[0003]盡管選作蓄電池組的蓄電池單體在連接之處的參數都相同，但是隨著不斷使用，蓄電池中各個單體的性能會逐漸顯現出不一致性，繼續使用蓄電池組，會造成蓄電池組內部各個單體的電壓不一樣，即某些時候蓄電池組中一些蓄電池單體已經充滿，但是另一些沒有充滿，傳統的充電方式繼續充電將會導致蓄電池內部某些單體因過壓或欠壓而損壞，最終會導致蓄電池組的無法正常運行。
[0004]目前有很多方法解決這個問題，但是普遍現象是，電路簡單的是消耗能量的電路，效率低，電路復雜的，拓撲復雜，因此，實有必要提出一種新的控制方案，其能夠在充電后期保證蓄電池組中的各個電池單體性能相當。


【發明內容】

[0005]為克服上述現有技術存在的不足，本發明之目的在于提供一種新型蓄電池組充電控制電路及其方法，其能夠在充電后期保證蓄電池組中的各個電池單體性能相當，以改進現有串聯蓄電池組中能量的不均衡分布造成的對蓄電池的損害的問題。
[0006]為達上述及其它目的，本發明提出一種新型蓄電池組充電控制電路，該控制電路包括η個充電控制小組,每個充電控制小組包括兩個電池單體、電感、電容以及第一能量雙向可控的電子開關、第二能量雙向可控的電子開關，其中，該第一能量雙向可控的電子開關與該電感串聯接于一電池單體的正負極，該第二能量雙向可控的電子開關與該電感串聯接于另一電池單體的正負極，每個充電控制小組的拓撲結構相同，各充電控制小組之間通過該第一能量雙向可控的電子開關連接該電容相連。
[0007]進一步地，各能量雙向可控的電子開關采用脈沖寬度調制的方式進行控制。
[0008]進一步地，該能量雙向可控的電子開關為雙背靠背連接的金屬-氧化層半導體場效晶體管或雙背靠背連接的絕緣柵雙極型晶體管或金屬-氧化層半導體場效晶體管與二極管的串聯或絕緣柵雙極型晶體管與二極管的串聯。
[0009]進一步地，該控制電路的電池單體的個數至少為4個。
[0010]為達到上述目的，本發明還提供一種新型蓄電池組充電控制方法，包括如下步驟:
[0011]步驟一，依次檢測上下相鄰兩充電控制小組電池電量，根據兩充電控制小組的電池電量關系確定各能量雙向可控的電子開關的導通與關斷，以實現各充電控制小組電池之間的能量平衡；
[0012]步驟二，當各充電控制小組之間的能量平衡后，再逐個檢測各充電控制小組內部上下兩個電池單體的電池電量，根據上下兩個電池單體的電池電量關系確定小組內部各能量雙向可控的電子開關的導通與關斷，以實現各電池單體之間的能量平衡。
[0013]進一步地,步驟一進一步包括如下步驟:
[0014]當檢測到上充電控制小組電池電量多于下充電控制小組電池電量，將上充電控制小組的第二能量雙向可控的電子開關導通，上充電控制小組電感儲存能量，同時下充電控制小組的電感釋放能量給下充電控制小組的電池單體；
[0015]將下充電控制小組的下電池單體的第一能量雙向可控的電子開關導通；
[0016]將所有電子開關都關斷。
[0017]進一步地,步驟二進一步包括如下步驟:
[0018]當檢測到上電池單體能量多于下電池單體，第一能量雙向可控的電子開關開通，第二能量雙向可控的電子開關關斷，電感儲能；
[0019]將該第一能量雙向可控的電子開關關斷，即第二能量雙向可控的電子開關開通，電感釋放能量，此時下電池單體從上電池單體獲得能量；
[0020]當檢測到下電池單體能量多于上電池單體，上述過程反之。
[0021]進一步地，能量的流動方向由能量雙向可控的電子開關的占空比決定。
[0022]與現有技術相比，本發明一種新型蓄電池組充電控制電路及其方法通過將兩個電池單體設為一組，并利用兩個能量雙向可控的電子開關與一個電感將兩個電池單體連接，通過變換開關管的開通時間改變電路的具體工作方式，進而改變能量流動的方向，從而解決充電過程中，串聯蓄電池組中各個單體儲存電量的不一致性，從而延長蓄電池組的壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1-1至圖1-4為本發明中使用的電子開關的結構示意圖；
[0024]圖2為本發明一種新型蓄電池組充電控制電路之較佳實施例的電路示意圖；
[0025]圖3-1至圖3-5為本發明較佳實施例的具體工作情況示意圖；
[0026]圖4為本發明一種新型蓄電池組充電控制方法的步驟流程圖。

【具體實施方式】
[0027]以下通過特定的具體實例并結合【專利附圖】

【附圖說明】本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。本發明亦可通過其它不同的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基于不同觀點與應用，在不背離本發明的精神下進行各種修飾與變更。
[0028]圖1-1至圖1-4為本發明中使用的電子開關的結構示意圖。在本發明中，將傳統電子開關管加以改造，變為能量雙向可控的電子開關，其可以選擇的方案有:雙背靠背連接的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)(圖1-1)，IGBT與二極管的串聯(圖1_2)，雙背靠背連接的金屬-氧化層半導體場效晶體管(MOSFET)(圖1-3)，以及MOSFET與二極管的串聯(圖1_4)。
[0029]圖2為本發明一種新型蓄電池組充電控制電路之較佳實施例的電路示意圖。如圖2所示，本發明一種新型蓄電池組充電控制電路包括η個充電控制小組(如圖所示充電控制小組10/20/30/40)，每個充電控制小組k包括兩個電池單體BATka、BATkb、電感Lk、電容Ck以及第一能量雙向可控的電子開關Ska(上電子開關)、第二能量雙向可控的電子開關Skb (下電子開關)，所有電池單體構成該充電控制電路的蓄電池組，該新型蓄電池組充電控制電路的蓄電池組包括偶數個電池單體BATla、BATlb,……、BATna, BATnb (n> = 4)，電池組主體為串聯結構，包括先并聯再串聯的電池組，即電池單體可以是單個電池先并聯連接構成電池單體BATka、BATkb (k = 1，……，η)，并聯連接的電池單體作為整體再串聯，
電池單體至少為4個,其中每兩個電池單體BATka、BATkb(k = I,......,η)率屬于一充電控制小組k,每充電控制小組k內兩個電池單體BATka、BATkb (k = I,......,η)由兩個能量雙向可控的電子開關Ska、Skb與一個電感Lk連接，每個能量雙向可控的電子開關采用脈沖寬度調制(PWM)的方式進行具體的控制，第一能量雙向可控的電子開關Ska與該電感Lk依次串聯接于一電池單體BATka(上電池單體)的正負極，該電感Lk與第二能量雙向可控的電子開關Skb依次串聯接于另一電池單體BATkb (下電池單體)的正負極，該電感Lk 一端與電池單體BATka負極和BATkb正極相連,該電感Lk另一端與第一能量雙向可控的電子開關Ska和第二能量雙向可控的電子開關Skb公共端相連，每個充電控制小組的拓撲結構相同，各充電控制小組之間通過各第一能量雙向可控的電子開關Ska與一電容Ck相連。
[0030]圖3-1至圖3-5為本發明較佳實施例的具體工作情況示意圖。具體工作情況如下:
[0031](I)充電控制小組內部能量的雙向流動
[0032]a)檢測到充電控制小組內上電池單體BATka能量多于下電池單體BATkb，上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關Ska)開通，下電子開關(即第二能量雙向可控的電子開關Skb)關斷，上電池單體BATka電流經上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關Ska)向電感Lk流動，電感Lk儲能，如圖3-1 ；
[0033]b)上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關Ska)關斷，下電子開關(即第二能量雙向可控的電子開關Skb)開通，電感Lk電流經下電池單體BATkb向下電子開關(即第二能量雙向可控的電子開關Skb)流動，電感Lk釋放能量，此時下電池單體BATkb從上電池單體BATka獲得能量，如圖3-2 ；
[0034]c)反之，下電池單體BATkb能量多于上電池單體BATka，過程為b)—〉a)。
[0035](2)充電控制小組之間能量的雙向流動
[0036]a)檢測到上充電控制小組電池BATk電量多于下充電控制小組電池BAT(k+l)電量，上充電控制小組k的下電子開關(即第二能量雙向可控的電子開關Skb)導通，上充電控制小組之下電池單體BATkb電流經電感Lk向上充電控制小組控制電路的下電子開關(即第二能量雙向可控的電子開關Skb)流動，上充電控制小組控制電路k的電感Lk儲存能量，由于電容Ck在進行小組之間能量均衡前電壓為BATkb和BAT (k+l)a之和，電容Ck電荷經Skb和L(k+1)向BAT(k+l)a流動，即上充電控制小組的電容Ck釋放能量給下充電控制小組的電池單體BAT(k+l)a，同時下充電控制小組電感L(k+1)儲存能量，如圖3_3 ；
[0037]b)下充電控制小組k+Ι的的上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關S(k+l)a)導通，上充電控制小組電感Lk經電容Ck向下充電控制小組k+Ι的的上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關S(k+l)a)流動，電容Ck充電儲能，下充電控制小組電感L(k+1)電流經下充電控制小組k+Ι的的上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關S (k+1) a)向下充電控制小組電池組之上電池單體BAT (k+1) a流動，上電池單體BAT (k+1) a獲得能量，電流方向如圖3-4 ；
[0038]c)所有電子開關都關閉，上充電控制小組電池組之下電池單體BATkb和下充電控制小組電池組之上電池單體BAT (k+1) a向電容Ck充電，能量流動如圖3-5 ；
[0039]d)能量的流動方向由各電池負載的具體電量決定，所有的電子開關都通過脈沖寬度調制技術進行控制，通過控制不同電子開關的占空比，電路各模塊就可以工作在上述不同的工作方式種，實現蓄電池組單體間能量的均衡。
[0040](3)在本發明較佳實施例中，各充電控制小組之間能量平衡后，充電控制小組內部再進行能量的平均，從而實現整個蓄電池組各單體能量的均衡。
[0041]圖4為本發明一種新型蓄電池組充電控制方法的步驟流程圖。如圖4所示，本發明一種新型蓄電池組充電控制方法，包括如下步驟:
[0042]步驟401，依次檢測上下相鄰兩充電控制小組的電池電量，根據兩充電控制小組的電池電量關系確定各能量雙向可控的電子開關的導通與關斷，以實現各小組電池之間的能量平衡。具體地說:
[0043]當檢測到上充電控制小組電池電量多于下充電控制小組電池電量，上充電控制小組的下電子開關(即第二能量雙向可控的電子開關)導通，上充電控制小組電感儲存能量，同時下充電控制小組的電感釋放能量給下充電控制小組的電池單體；
[0044]將下充電控制小組的下電池單體的上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關)導通；
[0045]將所有電子開關都關斷。
[0046]步驟402，當各充電控制小組之間的能量平衡后，再逐個檢測各充電控制小組內部上下兩個電池單體的電池電量，根據上下兩個電池單體的電池電量關系確定小組內部各能量雙向可控的電子開關的導通與關斷，以實現各電池單體之間的能量平衡。具體地說:
[0047]當檢測到上電池單體能量多于下電池單體，上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關)開通，下電子開關(即第二能量雙向可控的電子開關)關斷，電感儲能；
[0048]將上電子開關(即第一能量雙向可控的電子開關)關斷，下電子開關(即第二能量雙向可控的電子開關)開通，電感釋放能量，此時下電池單體從上電池單體獲得能量；
[0049]當檢測到下電池單體能量多于上電池單體，上述過程反之。
[0050]需要說明的是，在本發明中，能量的流動方向由電子開關的占空比決定。
[0051 ] 綜上所述，本發明一種新型蓄電池組充電控制電路及其方法通過將兩個電池單體設為一組，并利用兩個能量雙向可控的電子開關與一個電感將兩個電池單體連接，通過變換開關管的開通時間改變電路的具體工作方式，進而改變能量流動的方向，從而解決充電過程中，串聯蓄電池組中各個單體儲存電量的不一致性，從而延長蓄電池組的壽命。
[0052]本發明優點如下:
[0053](I)能夠實時監控蓄電池中各個單體的的狀態信息。
[0054](2)能夠根據各個單體的實際能量儲存情況進行能量流動的具體控制。
[0055](3)具備自動監測和控制的作用，能夠根據電池狀態自動進行控制。
[0056](4)本發明還具備電池工作狀態通訊接口，能夠將測量得到的電池工作狀態信息傳輸到需要能量監測的場合。
[0057]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何本領域技術人員均可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明的權利保護范圍，應如權利要求書所列。
【權利要求】
1.一種新型蓄電池組充電控制電路，其特征在于:該控制電路包括η個充電控制小組，每個充電控制小組包括兩個電池單體、電感、電容以及第一能量雙向可控的電子開關、第二能量雙向可控的電子開關，其中，該第一能量雙向可控的電子開關與該電感串聯接于一電池單體的正負極，該第二能量雙向可控的電子開關與該電感串聯接于另一電池單體的正負極，每個充電控制小組的拓撲結構相同，各充電控制小組之間通過該第一能量雙向可控的電子開關連接該電容相連。
2.如權利要求1所述的一種新型蓄電池組充電控制電路，其特征在于:各能量雙向可控的電子開關采用脈沖寬度調制的方式進行控制。
3.如權利要求2所述的一種新型蓄電池組充電控制電路，其特征在于:該能量雙向可控的電子開關為雙背靠背連接的金屬-氧化層半導體場效晶體管或雙背靠背連接的絕緣柵雙極型晶體管或金屬-氧化層半導體場效晶體管與二極管的串聯或絕緣柵雙極型晶體管與二極管的串聯。
4.如權利要求2所述的一種新型蓄電池組充電控制電路，其特征在于:該控制電路的電池單體的個數至少為4個。
5.一種新型蓄電池組充電控制方法，包括如下步驟: 步驟一，依次檢測上下相鄰兩充電控制小組電池電量，根據兩充電控制小組的電池電量關系確定各能量雙向可控的電子開關的導通與關斷，以實現各充電控制小組電池之間的能量平衡； 步驟二，當各充電控制小組之間的能量平衡后，再逐個檢測各充電控制小組內部上下兩個電池單體的電池電量，根據上下兩個電池單體的電池電量關系確定小組內部各能量雙向可控的電子開關的導通與關斷，以實現各電池單體之間的能量平衡。
6.如權利要求5所述的一種新型蓄電池組充電控制方法，其特征在于，步驟一進一步包括如下步驟: 當檢測到上充電控制小組電池電量多于下充電控制小組電池電量，將上充電控制小組的第二能量雙向可控的電子開關導通，上充電控制小組電感儲存能量，同時下充電控制小組的電感釋放能量給下充電控制小組的電池單體； 將下充電控制小組的下電池單體的第一能量雙向可控的電子開關導通； 將所有電子開關都關斷。
7.如權利要求6所述的一種新型蓄電池組充電控制方法，其特征在于，步驟二進一步包括如下步驟: 當檢測到上電池單體能量多于下電池單體，第一能量雙向可控的電子開關開通，第二能量雙向可控的電子開關關斷，電感儲能； 將該第一能量雙向可控的電子開關關斷，即第二能量雙向可控的電子開關開通，電感釋放能量，此時下電池單體從上電池單體獲得能量； 當檢測到下電池單體能量多于上電池單體，上述過程反之。
8.如權利要求7所述的一種新型蓄電池組充電控制方法，其特征在于:能量的流動方向由能量雙向可控的電子開關的占空比決定。
【文檔編號】H02J7/00GK104300640SQ201410559200
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】周攀峰, 王青松, 李剛, 李枝琴 申請人:上海電機學院