專利名稱：電池能量平衡電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池電路應(yīng)用領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種采用開關(guān)電容諧振實現(xiàn)零電流開關(guān)的電池能量平衡電路。
背景技術(shù)：
隨著社會的發(fā)展，例如鉛酸電池和鋰電池等可充電電池大量用于便攜式設(shè)備領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域以及電力和混合動力汽車領(lǐng)域。鋰電池的電壓范圍大致為3V至4. 3V，為了獲得更高的電壓，一般采用多個鋰電池串聯(lián)形成電池組來實現(xiàn)。因此在串聯(lián)電池組的能量存儲裝置中，電池能量平衡是考核電池組好壞很關(guān)鍵的因素。電池能量平衡方法中，最簡單和最直接的就是通過放電電阻對電池進行放電。這種方法的缺陷是放電電阻上要消耗能量從而造成電池的能量損失。不消耗能量的電池能量平衡方法也有，例如通過快速電容器、反激式轉(zhuǎn)換器和雙向buck-boost (沖跳升壓)能量泵技術(shù)實現(xiàn)電池的電量平衡。這些方法避免了在電阻上直接的能量消耗。但是，通過快速電容器實現(xiàn)電池電量平衡，電路可能承受大的電流尖峰從而造成較高的傳導(dǎo)損失。具有反激式轉(zhuǎn)換器或buck-boost轉(zhuǎn)換器的電池能量平衡電路內(nèi)大都包括大體積的磁性部件使得電池能量平衡電路的成本很高；同時因為它們都是硬開關(guān)電路，在開關(guān)上的電磁干擾和開關(guān)損耗都很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述的電池能量平衡電路的消耗電池能量、造成能量的傳導(dǎo)損失或開關(guān)損失的缺陷，提供一種采用開關(guān)電容諧振實現(xiàn)零電流開關(guān)的高效的非損耗的電池能量平衡電路。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種電池能量平衡電路，包括依次串聯(lián)輸出的第一電池組和第二電池組，其中所述第一電池組包括第一電池、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、與所述第一開關(guān)管相應(yīng)的第一二極管以及與所述第二開關(guān)管相應(yīng)的第二二極管；所述第二電池組包括第二電池、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、與所述第三開關(guān)管相應(yīng)的第三二極管以及與所述第四開關(guān)管相應(yīng)的第四二極管；所述第一開關(guān)管的輸入端與所述第一二極管的陰極連接，所述第一開關(guān)管的輸出端與所述第一二極管的陽極連接；所述第二開關(guān)管的輸入端與所述第二二極管的陰極連接，所述第二開關(guān)管的輸出端與所述第二二極管的陽極連接；所述第一開關(guān)管的輸入端與所述第一電池的正極連接，所述第一開關(guān)管的輸出端與所述第二開關(guān)管的輸入端連接，所述第二開關(guān)管的輸出端與所述第一電池的負極連接；所述第三開關(guān)管的輸入端與所述第三二極管的陰極連接，所述第三開關(guān)管的輸出端與所述第三二極管的陽極連接；所述第四開關(guān)管的輸入端與所述第四二極管的陰極連接，所述第四開關(guān)管的輸出端與所述第四二極管的陽極連接；所述第三開關(guān)管的輸入端 與所述第二電池的正極連接，所述第三開關(guān)管的輸出端與所述第四開關(guān)管的輸入端連接，所述第四開關(guān)管的輸出端與所述第二電池的負極連接；所述電池能量平衡電路還包括控制器以及依次串聯(lián)開關(guān)電容和諧振電感的諧振阻抗；所述控制器分別與所述第一開關(guān)管的控制端、所述第二開關(guān)管的控制端、所述第三開關(guān)管的控制端、所述第四開關(guān)管的控制端連接，所述第二開關(guān)管的輸出端與所述第三開關(guān)管的輸入端連接，所述第一開關(guān)管的輸出端與所述第三開關(guān)管的輸出端通過所述諧振阻抗連接；所述電池通過所述電池能量平衡電路進行周期性的能量傳遞，當所述第一電池的電壓大于所述第二電池的電壓時，所述控制器通過接通所述第一開關(guān)管將所述第一電池的能量傳遞給所述諧振阻抗，所述控制器通過接通所述第二開關(guān)管將所述諧振阻抗的能量傳遞給所述第二電池；當所述第二電池的電壓大于所述第一電池的電壓時，所述控制器通過接通所述第四開關(guān)管將所述第二電池的能量傳遞給所述諧振阻抗，所述控制器通過接通所述第三開關(guān)管將所述諧振阻抗的能量傳遞給所述第一電池；所述電池能量平衡電路同一時間只有一個開關(guān)管接通。 在本發(fā)明所述的電池能量平衡電路中，所述控制器控制所述開關(guān)管在一個能量傳遞周期中的接通時間大于所述諧振阻抗的半個諧振周期，小于半個所述能量傳遞周期。在本發(fā)明所述的電池能量平衡電路中，所述電池能量平衡電路包括依次串聯(lián)輸出的η個電池組，η為大于2的整數(shù)。在本發(fā)明所述的電池能量平衡電路中，所述開關(guān)管為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管和/或絕緣柵雙極性晶體管。在本發(fā)明所述的電池能量平衡電路中，所述二極管為肖特基二極管、快速恢復(fù)二極管、軟恢復(fù)二極管和/或超快恢復(fù)二極管。在本發(fā)明所述的電池能量平衡電路中，所述開關(guān)管為半導(dǎo)體開關(guān)管和/或有源開關(guān)管。實施本發(fā)明的電池能量平衡電路，具有以下有益效果采用開關(guān)電容和電感的串聯(lián)諧振實現(xiàn)零電流接通或斷開開關(guān)管，高效，能量傳遞時不會造成能量的傳導(dǎo)損失或開關(guān)損失。通過控制開關(guān)管的接通時間可以很好的利用諧振阻抗快速的傳遞能量。開關(guān)管和二極管可以采用多種元器件供用戶選擇。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖1是本發(fā)明的電池能量平衡電路的第一優(yōu)選實施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的電池能量平衡電路的第一優(yōu)選實施例的第一步能量傳遞的示意圖；圖3是本發(fā)明的電池能量平衡電路的第一優(yōu)選實施例的第二步能量傳遞的示意圖；圖4是本發(fā)明的電池能量平衡電路的第一優(yōu)選實施例的第三步能量傳遞的示意圖；圖5是本發(fā)明的電池能量平衡電路的第一優(yōu)選實施例的第四步能量傳遞的示意圖；圖6是本發(fā)明的電池能量平衡電路的第二優(yōu)選實施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。在圖I所示的本發(fā)明的電池能量平衡電路的第一優(yōu)選實施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖中，所述電池能量平衡電路包括依次串聯(lián)輸出的第一電池組和第二電池組，第一電池組包括第一電池27、第一開關(guān)管29、第二開關(guān)管30、與所述第一開關(guān)管29相應(yīng)的第一二極管31以及與所述第二開關(guān)管30相應(yīng)的第二二極管32 ;第二電池組包括第二電池28、第三開關(guān)管34、第四開關(guān)管33、與所述第三開關(guān)管34相應(yīng)的第三二極管36以及與所述第四開關(guān)管33相應(yīng)的第四二極管35。所述第一開關(guān)管29的輸入端與所述第一二極管31的陰極連接，第一開關(guān)管29的輸出端與第一二極管31的陽極連接；第二開關(guān)管30的輸入端與第二二極管32的陰極連接，所述第二開關(guān)管30的輸出端與所述第二二極管32的陽極連接；所述第一開關(guān)管29的輸入端與所述第一電池27的正極連接，所述第一開關(guān)管29的輸出端與所述第二開關(guān)管30的輸入端連接，所述第二開關(guān)管30的輸出端與所述第一電池27的負極連接。所述第三開關(guān)管34的輸入端與所述第三二極管36的陰極連接，所述第三開關(guān)管34的輸出端與所述第三二極管36的陽極連接；所述第四開關(guān)管33的輸入端與所述第四二極管35的 陰極連接，所述第四開關(guān)管33的輸出端與所述第四二極管35的陽極連接；所述第三開關(guān)管34的輸入端與所述第二電池28的正極連接，所述第三開關(guān)管34的輸出端與所述第四開關(guān)管33的輸入端連接，所述第四開關(guān)管33的輸出端與所述第二電池28的負極連接。所述電池能量平衡電路還包括控制器65以及依次串聯(lián)開關(guān)電容37和諧振電感38的諧振阻抗；所述控制器65分別與第一開關(guān)管29的控制端、第二開關(guān)管30的控制端、第三開關(guān)管34的控制端、第四開關(guān)管33的控制端連接，第二開關(guān)管30的輸出端與第三開關(guān)管34的輸入端連接，第一開關(guān)管29的輸出端與第三開關(guān)管34的輸出端通過諧振阻抗連接。電池通過所述電池能量平衡電路進行周期性的能量傳遞，當?shù)谝浑姵?7的電壓大于第二電池28的電壓時，控制器65通過接通第一開關(guān)管29將第一電池27的能量傳遞給諧振阻抗，控制器65通過接通第二開關(guān)管30將諧振阻抗的能量傳遞給第二電池28 ;當?shù)诙姵?8的電壓大于第一電池27的電壓時，控制器65通過接通第四開關(guān)管33將第二電池28的能量傳遞給諧振阻抗，控制器65通過接通第三開關(guān)管34將諧振阻抗的能量傳遞給第一電池27。電池能量平衡電路同一時間只有一個開關(guān)管接通。不論電池間的電壓差異的大小，本發(fā)明中所有的開關(guān)管都是在零電流的情況下進行開關(guān)操作，因此所有開關(guān)管的開關(guān)損耗很小，并且本電路中沒有磁性部件，僅僅使用相當小的諧振電感38用于與開關(guān)電容形成諧振。同時每個諧振阻抗都會限制電流的突然變化使得不會有電流尖峰的產(chǎn)生。本發(fā)明的電池能量平衡電路使用時，當?shù)谝浑姵?7的電壓大于第二電池28的電壓時，第一電池27通過控制器65周期性的循環(huán)控制第一開關(guān)管29和第二開關(guān)管30將能量傳遞該第二電池28，如果第一電池27的電壓等于第二電池28的電壓時，則停止能量傳遞。當控制器65接通第一開關(guān)管29時，第一電池27的能量傳遞到連接在第一電池組和第二電池組之間的諧振阻抗，能量傳遞完畢后，控制器65控制斷開第一開關(guān)管29，接通第二開關(guān)管30，這時諧振阻抗上的能量傳遞到第二電池組中的第二電池28即給第二電池28充電。這樣即實現(xiàn)了第一電池27的能量無損耗或者低損耗的傳遞到了第二電池28上。第二電池28到第一電池27的能量傳遞也同理，直到兩個電池的電壓相等時停止能量傳遞。 下面通過圖I-圖5的本發(fā)明的電池能量平衡電路的第一優(yōu)選實施例具體說明本發(fā)明的工作原理。如圖I所示，假設(shè)第一電池27的電壓為V1，第二電池28的電壓為V2，V1大于V2,這時第一開關(guān)管29和第二開關(guān)管30工作，使得第一電池27的能量傳遞到第二電池28，具體分四個步驟。第一步驟如圖2所示，在這個步驟中，第一開關(guān)管29依舊斷開，第二開關(guān)管30在步驟開始時依舊接通，開關(guān)電容37的電壓Vca為負(圖I中定義了 Vcl的方向)使得第二二極管32和第三二極管36正向?qū)?，當?shù)诙O管32導(dǎo)通后在零電流的情況下斷開第二開關(guān)管30，同時流經(jīng)諧振電感38的電流I11從零開始增大，隨后來到第二步驟。第二步驟如圖3所示，在這個步驟中，第一開關(guān)管29接通，第二開關(guān)管30依舊接通。第一開關(guān)管29接通后第二二極管32反向截止，這時第一開關(guān)管29和第三二極管36導(dǎo)通，開關(guān)電容37和諧振電感38發(fā)生諧振，諧振電感38的電流I11由正變?yōu)榱?，同時開關(guān)電容37的電壓Vel由負變?yōu)檎?，能量有第一電?7傳遞出來存儲在諧振電感38中，隨后來到第三步驟。第三步驟如圖4所示，在這個步驟中，第二開關(guān)管30依舊斷開，第一開關(guān)管29在步驟開始時依舊接通然后斷開，因為開關(guān)電容37的電壓Vcl大于第一電池27的電壓V1和第二電池28的電壓V2之和，第一二極管31和第四二極管35正向?qū)?，開關(guān)電容37和諧振電感38發(fā)生諧振，諧振電感38的電流I11由零變?yōu)樨?。因為第一二極管31導(dǎo)通時第一開關(guān)管29斷開，第一開關(guān)管29可在零電流的情況下斷開，隨后來到第四步驟。第四步驟如圖5所示，在這個步驟中，第一開關(guān)管29依舊斷開，第二開關(guān)管30接通，第一二極管31在第二開關(guān)管30接通后反向截止，第四二極管35導(dǎo)通，諧振電感38的電流I11由負變?yōu)榱悖_關(guān)電容37的電壓Vca也由正變?yōu)樨?，當?shù)谝浑姵?7的電壓V1等于第二電池28的電壓V2時，所有的為二極管都反向截止，不產(chǎn)生能量的傳遞，即完成了第一電池27的能量到第二電池28的傳遞。如V1小于V2，這時第三開關(guān)管34和第四開關(guān)管33工作，使得第二電池28的能量傳遞到第一電池27，其中步驟一、步驟三和上述的步驟相同。步驟二中，則接通第四開關(guān)管33，第四開關(guān)管33接通后第三二極管36反向截止，這時第二二極管32和第四開關(guān)管33導(dǎo)通，開關(guān)電容37和諧振電感38發(fā)生諧振，諧振電感38的電流I11由正變?yōu)榱悖瑫r開關(guān)電容37的電壓Vel由負變?yōu)檎?，能量有第二電?8傳遞出來存儲在諧振電感38中，步驟四中，則接通第三開關(guān)管34，第四二極管35在第三開關(guān)管34接通后反向截止，第一二極管31導(dǎo)通，諧振電感38的電流I11由負變?yōu)榱悖_關(guān)電容37的電壓Vca也由正變?yōu)樨?，當?shù)谝浑姵?7的電壓V1等于第二電池28的電壓V2時，所有的為二極管都反向截止，不產(chǎn)生能量的傳遞，即完成了第二電池28的能量到第一電池27的傳遞。在本發(fā)明所述的電池能量平衡電路的優(yōu)選實施例中，控制器65控制開關(guān)管在一個能量傳遞周期中的接通時間大于所述諧振阻抗的半個諧振周期，小于半個所述能量傳遞周期。這樣可以在一個能量傳遞周期中可以最大限度的傳遞能量，實現(xiàn)快速的能量傳遞。本發(fā)明的電池能量平衡電路基于雙向轉(zhuǎn)換模式下的開關(guān)電容諧振技術(shù)，本電路還可包括依次串聯(lián)的η個電池組，η為大于2的整數(shù)，每個電池組包括一個用于充電的開關(guān)管和一個用于放電的開關(guān)管。它們在一個能量傳遞周期中分別接通斷開一次，每次接通近半個能量傳遞周期，每次接通斷開之間間隔一個短暫的過度期避免器件的短路和損壞。開關(guān)管的接通斷開通過控制器65控制，通過諧振電感38和開關(guān)電容37組成的諧振阻抗獲得零電流開關(guān)的效果。在進行能量傳遞時，同一時間只有一個開關(guān)管接通。在某個電池組工作時，如相應(yīng)的電池具有高電壓則傳遞能量給低電壓的電池；如相應(yīng)的電池電壓較低則不傳遞能量；當所有的電池的電壓都相等時，能量傳遞自然停止。如圖6所示，多個串聯(lián)的電池組兩兩之間通過諧振阻抗連接起來，控制器65通過控制開關(guān)管的接通斷開同一時間實現(xiàn)相鄰的兩個電池組之間的能量傳遞，具體的實現(xiàn)過程同上所述，最終實現(xiàn)所有電池組電量的統(tǒng)一。作為本發(fā)明的所述的電池能量平衡電路中，所述開關(guān)管可為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管和/或絕緣柵雙極性晶體管，所述二極管為肖特基二極管、快速恢復(fù)二極管、軟恢復(fù)二極管和/或超快恢復(fù)二極管，所述開關(guān)管為半導(dǎo)體開關(guān)管和/或有源開關(guān)管。開關(guān)管和 二極管可以采用多種元器件供用戶選擇。以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電池能量平衡電路，包括依次串聯(lián)輸出的第一電池組和第二電池組，其特征在于， 所述第一電池組包括第一電池(27)、第一開關(guān)管(29)、第二開關(guān)管(30)、與所述第一開關(guān)管(29)相應(yīng)的第一ニ極管(31)以及與所述第二開關(guān)管(30)相應(yīng)的第二ニ極管(32)；所述第二電池組包括第二電池(28)、第三開關(guān)管(34)、第四開關(guān)管(33)、與所述第三開關(guān)管(34)相應(yīng)的第三ニ極管(36)以及與所述第四開關(guān)管(33)相應(yīng)的第四ニ極管(35)；所述第一開關(guān)管(29)的輸入端與所述第一ニ極管(31)的陰極連接，所述第一開關(guān)管(29)的輸出端與所述第一ニ極管(31)的陽極連接；所述第二開關(guān)管(30)的輸入端與所述第二ニ極管(32)的陰極連接，所述第二開關(guān)管(30)的輸出端與所述第二ニ極管(32)的陽極連接；所述第一開關(guān)管(29)的輸入端與所述第一電池(27)的正極連接，所述第一開關(guān)管(29)的輸出端與所述第二開關(guān)管(30)的輸入端連接，所述第二開關(guān)管(30)的輸出端與所述第一電池(27)的負極連接； 所述第三開關(guān)管(34)的輸入端與所述第三ニ極管(36)的陰極連接，所述第三開關(guān)管(34)的輸出端與所述第三ニ極管(36)的陽極連接；所述第四開關(guān)管(33)的輸入端與所述第四ニ極管(35)的陰極連接，所述第四開關(guān)管(33)的輸出端與所述第四ニ極管(35)的陽極連接；所述第三開關(guān)管(34)的輸入端與所述第二電池(28)的正極連接，所述第三開關(guān)管(34)的輸出端與所述第四開關(guān)管(33)的輸入端連接，所述第四開關(guān)管(33)的輸出端與所述第二電池(28)的負極連接； 所述電池能量平衡電路還包括控制器￠5)以及依次串聯(lián)開關(guān)電容(37)和諧振電感(38)的諧振阻杭；所述控制器(65)分別與所述第一開關(guān)管(29)的控制端、所述第二開關(guān)管(30)的控制端、所述第三開關(guān)管(34)的控制端、所述第四開關(guān)管(33)的控制端連接，所述第二開關(guān)管(30)的輸出端與所述第三開關(guān)管(34)的輸入端連接，所述第一開關(guān)管(29)的輸出端與所述第三開關(guān)管(34)的輸出端通過所述諧振阻抗連接； 所述電池通過所述電池能量平衡電路進行周期性的能量傳遞，當所述第一電池(27)的電壓大于所述第二電池(28)的電壓時，所述控制器￠5)通過接通所述第一開關(guān)管(29)將所述第一電池(27)的能量傳遞給所述諧振阻抗，所述控制器￠5)通過接通所述第二開關(guān)管(30)將所述諧振阻抗的能量傳遞給所述第二電池(28);當所述第ニ電池(28)的電壓大于所述第一電池(27)的電壓時，所述控制器￠5)通過接通所述第四開關(guān)管(33)將所述第二電池(28)的能量傳遞給所述諧振阻抗，所述控制器￠5)通過接通所述第三開關(guān)管(34)將所述諧振阻抗的能量傳遞給所述第一電池(27)； 所述電池能量平衡電路同一時間只有一個開關(guān)管接通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池能量平衡電路，其特征在于，所述控制器￠5)控制所述開關(guān)管在ー個能量傳遞周期中的接通時間大于所述諧振阻抗的半個諧振周期，小于半個所述能量傳遞周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的電池能量平衡電路，其特征在于，所述電池能量平衡電路包括依次串聯(lián)輸出的n個電池組，n為大于2的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池能量平衡電路，其特征在于，所述開關(guān)管為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管和/或絕緣柵雙極性晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池能量平衡電路，其特征在于，所述ニ極管為肖特基ニ極管、快速恢復(fù)ニ極管、軟恢復(fù)ニ極管和/或超快恢復(fù)ニ極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池能量平衡電路，其特征在于，所述開關(guān)管為半導(dǎo)體開關(guān)管和/或有源開關(guān)管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電池能量平衡電路，包括依次串聯(lián)輸出的第一電池組和第二電池組，每個電池組包括電池、兩個開關(guān)管、兩個二極管；同時電池能量平衡電路還包括控制器以及諧振阻抗；電池通過電池能量平衡電路進行周期性的能量傳遞，控制器通過接通第一開關(guān)管將第一電池的能量傳遞給諧振阻抗，控制器通過接通第二開關(guān)管將諧振阻抗的能量傳遞給第二電池；控制器通過接通第四開關(guān)管將第二電池的能量傳遞給諧振阻抗，控制器通過接通第三開關(guān)管將諧振阻抗的能量傳遞給第一電池。本發(fā)明的電池能量平衡電路采用開關(guān)電容和諧振電感的串聯(lián)諧振實現(xiàn)零電流接通或斷開開關(guān)管，高效，能量傳遞時不會造成大的能量傳導(dǎo)損失或開關(guān)損失。
文檔編號H02J7/00GK102651563SQ20111004632
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者楊耀斌, 林振遠, 蔡偉鋒, 鄭家偉 申請人:香港理工大學