专利名称：一种能量总线型电池均衡电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及充电电池及其管理系统。
背景技术：
无容置疑，电动汽车、电动单车等，因具有零排放、绿色环保的绝对优势必将成为下一代汽车的发展方向。无论是以上纯电动车还是混合动力车，都对可重复使用的可充电式动力电池提出了很高的要求。从电池容量、寿命、能量密度等指标可以看出，锂离子动力电池已经成为下一代电动车动力电池的首选，但这种电池却具有一个发展瓶颈。因每个单体电池电压很低(仅几伏以内)，应用在电动车上时必须串联多个单体电池以达到数十伏到数百伏电压。又因为生产这种单体电池的性能指标不可能完全一致，那么在串联使用时，性能稍弱的电池就制约了这个电池组的性能发挥，而且性能弱的电池在应用中总是处于极限运用状态，致使其性能越来越差，最终导致整个电池组性能迅速恶化。试验证明，锂离子动力电池在成组运用时的寿命大幅度下降，只有单体电池寿命的 1/3-1/5。因此，如何提高动力电池成组运用时的寿命就成为了动力车能否真正推广的关键性技术。目前锂离子电池组均衡控制的技术中，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况， 可以分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。能量耗散型是将多余的能量全部以热量的方式消耗，这不仅导致能量浪费，而且所产生的热量给电池组的热管理带来大问题，连接线也很多，但目前因原理简单而被大量采用；非耗散型是将某电池多余的能量转移到电池系统中，例如通过电感或电容器在能量富余的电池上取的一定的能量后通过一套切换矩阵转移到能量欠缺的电池上充电，这种方式能量转移结构极为复杂，可靠性很低，成本很高，故没有被采用；另一种通过变压器从电池系统中采用开关电源的原理将总能量的一部分转移到部分电池上，电路结构稍微简单但却不能实现电池能量直接从富余的电池转移到欠缺的电池，而是强迫整个电池系统放电去补充能量低的电池，显然这样将强制增加电池系统的放电时间，减低电池系统的使用寿命。以上就是现有处理技术，总结其缺点如下(1)线路多，结构复杂，不利于标准化、模块化，可靠性低；(2)热管理问题突出，非绿色环保(对能量耗散型技术)；(3)本来电池组中均衡的要求是，有的电池能量欠缺、有的是能量富余，应该将能量从富余的电池转移到欠缺的电池中，但是现有技术中几乎都是将富余的能量补充到电池组所有电池中，这样将减低电池系统的使用寿命，若企图采取个别转移方式则电路控制机构极为复杂；(4)均衡电流不可控或不便于控制，不利于根据不同电池的欠缺或富余程度采取不同的均衡强度，对电池性能优化不利。 对于超级电容亦可视为一种充电电池，在成组运用时同样存在类似均衡问题。
对于太阳能电池，目前也同样存在串联时不均衡难题，直接降低了太阳能发电量。
发明内容
鉴于上述，本发明提供一种实现电池系统中能量可控且高效动态转移的均衡能量总线型电池均衡电路。本发明提供的能量总线型电池均衡电路，由若干能量总线型电池均衡电路单元组成，其特征在于所述能量总线型电池均衡电路单元由电池、电压采样电路、电流采样电路、嵌入式处理模块、能量可控收发电路和隔离脉冲变压器组成；所述嵌入式处理模块与电压采样电路、电流采样电路、能量可控收发电路连接，能量可控收发电路与该电池两极通过电流采样电路相连，并与该隔离脉冲变压器的初级连接，该隔离脉冲变压器次级为能量总线端口，用于输出和输入能量脉冲，且该隔离脉冲变压器的该初级、次级绕组互相隔离；所述嵌入式处理模块通过控制所述能量可控收发电路处于发送状态，将本单元电池能量以脉冲形式发送到该能量总线端口，并通过其脉冲宽度和脉冲串的脉冲个数来控制发送不同强度的能量；或者通过控制所述能量可控收发电路处于接收状态，以从该能量总线端口接收能量脉冲补充到本单元电池中，并通过接收的脉冲宽度和脉冲串的脉冲个数来控制接收不同强度的能量；所述嵌入式处理模块通过电压采样电路获取电压采样值、并通过电流采样电路获取电流采样值以测量和计算本单元电池输出和输入的能量；若干以上所述的能量总线型电池均衡电路单元以下列方式组成电池系统所述电池以正、负极首尾串联方式连接以得到电池电压相加的电池系统总电压，而所述能量总线端口均以并联方式连接，成为能量总线；所述电池系统中具有电池富余能量的所述能量总线型电池均衡电路单元的能量由本单元的所述嵌入式处理模块控制所述能量可控收发电路处于发送状态，以脉冲形式发送到所述能量总线上；所述电池系统中具有电池欠缺能量的所述能量总线型电池均衡电路单元，由本单元的所述嵌入式处理模块控制所述能量可控收发电路处于接收状态，以从该能量总线接收能量脉冲补充到本单元电池中，实现所述电池系统内各个电池能量均衡。所述嵌入式处理模块与所述能量可控收发电路通过能量脉冲输出允许信号线、能量脉冲信号线和能量脉冲输入允许信号线相连接；所述嵌入式处理模块通过所述能量脉冲输出允许信号线与所述能量可控收发电路之间传递能量脉冲输出允许信号，通过所述能量脉冲信号线与所述能量可控收发电路之间传递能量脉冲信号，以及通过所述能量脉冲输入允许信号线与所述能量可控收发电路之间传递能量脉冲输入允许信号来控制所述能量可控收发电路处于发送状态或接收状态。所述能量可控收发电路由第一功率管Oil)、第二功率管0^2)、第三功率管0^3)和二极管(D2)组成；所述第二功率管在所述嵌入式处理模块通过所述能量脉冲输出允许信号线输出的能量脉冲输出允许信号(ET)有效时导通，所述第一功率管Oil)在所述嵌入式处理模块通过所述能量脉冲信号线输出的能量脉冲信号(T)有效时导通，同时所述第三功率管(Q3)在所述嵌入式处理模块通过所述能量脉冲输入允许信号线输出的能量脉冲输入允许信号(ER)无效时截止的情况下输出能量脉冲在所述能量总线上；所述第二功率管在所述嵌入式处理模块输出的能量脉冲输出允许信号(ET) 无效时截止，所述第一功率管toi)在所述嵌入式处理模块输出的能量脉冲信号(τ)无效时截止，同时所述第三功率管O )在所述嵌入式处理模块输出的能量脉冲输入允许信号 (ER)有效时导通且与其串联的二极管(拟)单向导通的情况下，从所述能量总线上接收由其它的能量总线型电池均衡电路单元发来的能量脉冲。所述能量可控收发电路所连接的隔离脉冲变压器初级发送绕组的匝数小于所述能量可控收发电路所连接的隔离脉冲变压器初级接收绕组的匝数，以补充发送状态和接收状态下所述能量可控收发电路上的电压与电流损失。采用本发明提供的上述能量总线型电池均衡电路，具有以下十分显著的优点(1)能量总线型结构，线路很少，结构简单，可靠性高，极有利于标准化、模块化和产业化大规模生产和电动车上维护更换；(2)基本上没有热量消耗，非常绿色环保；(3)实现了电池组中任何能量富余电池的能量直接转移到能量欠缺的电池中，实现高效率均衡和电池性能优化；(4)均衡电流可控，可以根据不同电池能量的欠缺或富余程度采取不同的均衡强度，对电池性能优化极为有利；(5)均衡电路单元可以厚膜化或MEMS技术集成化以便于大规模生产，以提高性能和降低成本；(6)因此，本发明将大大地推进电动车和混合动力车的推广，为我国乃至全球的环保做出重大贡献。
图1是本发明的一种能量总线型电池均衡电路的若干能量总线型电池均衡电路单元的电池系统组成图。图2是本发明的一种能量总线型电池均衡电路的能量总线型电池均衡电路单元的电路图。图3和图4是本发明的一种能量总线型电池均衡电路的能量总线型电池均衡电路单元典型实施电路图。
具体实施例方式本发明的一种能量总线型电池均衡电路的实施方式如下参见图1，为本发明的一种能量总线型电池均衡电路的若干能量总线型电池均衡电路单元的电池系统组成图。这样的组成称作电池系统，由能量总线型电池均衡电路单元 Ml、能量总线正极M2、能量总线负极M3组成。各个能量总线型电池均衡电路单元Ml以其电池正极MB+、电池负极MB-首尾连接方式串联，得到的总电压为电池系统的电压，系统正极为正极端GB+，系统负极为负极端GB-，该总电压等于各个能量总线型电池均衡电路单元Ml 的电池电压之和。同时，各个能量总线型电池均衡电路单元Ml的能量总线的正极MBUS+与负极MBUS-分别并联，形成能量总线GBUS+、GBUS-0参见图2，为本发明的一种能量总线型电池均衡电路的能量；总线型电池均衡电路单元的电路图。由电池BT1、电压采样电路M22、电流采样电路M23、嵌入式处理模块M21、 能量可控收发电路MM和隔离脉冲变压器TRl组成能量总线型电池均衡电路单元即图1中的Ml ；该嵌入式处理模块M21与电压采样电路M22、电流采样电路M23、能量可控收发电路 M24连接，能量可控收发电路M24与该电池BTl两极通过电流采样电路M23相连，并与该隔离脉冲变压器TRl的初级连接，该隔离脉冲变压器TRl次级为能量总线端口 MBUS+，MBUS-， 用于输出和输入能量脉冲，且该隔离脉冲变压器TRl的该初级、次级绕组互相隔离；所述嵌入式处理模块M21通过控制所述能量可控收发电路MM处于发送状态可以将电池BTl能量以脉冲形式发送到该能量总线端口 MBUS+，MBUS-，其脉冲宽度和脉冲串的脉冲个数可控制， 以发送不同强度的能量；也可以通过控制其处于接收状态，以从该能量总线端口 MBUS+、 MBUS-接收能量脉冲补充到该电池BTl中，接收脉冲宽度和脉冲串的脉冲个数可控制，以接收不同强度的能量；所述嵌入式处理模块M21通过电压采样电路M22、电流采样电路M23可以测量和计算本单元电池BTl输出和输入的能量。所述嵌入式处理模块M21与所述能量可控收发电路M24通过能量脉冲输出允许信号线、能量脉冲信号线和能量脉冲输入允许信号线相连接；所述嵌入式处理模块M21通过所述能量脉冲输出允许信号线与所述能量可控收发电路MM之间传递能量脉冲输出允许信号ET，通过所述能量脉冲信号线与所述能量可控收发电路MM之间传递能量脉冲信号T，以及通过所述能量脉冲输入允许信号线与所述能量可控收发电路MM之间传递能量脉冲输入允许信号ER来控制所述能量可控收发电路M24 处于发送状态或接收状态。以上嵌入式处理模块M21，是以嵌入式单片机及其软件为核心的，其外围电路是根据需要可以灵活配置的，如必要的模数转换器(AD)、放大器、光电耦合器等，都属于嵌入式系统常见的配置技术。实际应用中，可以是一个电池系统总线均衡电路单元使用一个嵌入式处理模块，也可以是两个或两个以上电池系统总线均衡电路单元共用一个嵌入式处理模块，具体可视电池系统容量、大小等情况而灵活设置。当所述电池系统存在至少两个嵌入式处理模块时，如果它们之间需要通信，通信可以采取自组织技术以互通有无并共同做出均衡决策，可以采取另外的常规总线技术如CAN总线、RS-485总线等实现，并采取自组织技术以互通电池参数信息和计算结果。以上嵌入式处理模块M21，具体可选择C8051F410低功耗SOC单片机，它具有 12bit高精度模数转换器(AD)、脉宽调制器等，用于采集电压和电流及能量脉冲发送，外围可以采用放大器(如0P07)放大电流采样信号，采用光电耦合器(如TLP521)(但所述电池系统每个单元具有各自的嵌入式模块的除外)来隔离控制信号T，ET, ER等等，各嵌入式处理模块之间的通信(所述电池系统只有一个嵌入式模块的除外)采取CAN总线接口实现。以上所述控制脉冲宽度和脉冲串的脉冲个数来实现发送或接收不同能量强度，是指一定时间内平均能量，其原理是一定时间内的脉冲宽度或/和脉冲串的脉冲个数对应着一定时间内平均能量，当然其前提是瞬时值不超过所述电池的充电与放电的瞬时值极限。以上能量总线型电池均衡电路单元的电池输出和输入的能量将通过诸如下列方法获知电流采样值经过与时间的积分获得荷电状态(SOC)，通过与采集的电压值相乘可以获得能量值，通过使用的不同阶段采取不同的修正值或不同的计算方法，以得到合理的输出和输入能量值。具体控制上，能量值的控制是采取控制电流脉冲宽度和/或脉冲串中脉冲个数实现的。以上所述电池是指可充电电池、超级电容、太阳能电池等。若用于太阳能电池，则从能量总线上接收的能量不会“补充”到太阳能电池中去，但可以理解为将该能量与原有能量合并输出，从而达到能量平衡目的。参见图3，这是本发明的一种能量总线型电池均衡电路的能量总线型电池均衡电路单元典型实施电路图。此图只对图2中的能量可控收发电路MM做了展开，是为了进一步理解本发明的机理，而其余部分均是公知技术，没有必要再展开，由于与图2相应部分是一样的，在此也没有必要再加以说明。图3中的实施例子中，所述能量可控收发电路M24由N沟道MOSFET功率管Ql、P 沟道MOSFET功率管Q2、P沟道MOSFET功率管Q3和二极管D2组成；并且在该P沟道MOSFET 功率管Q2通过所述嵌入式处理模块M21输出的能量脉冲输出允许信号ET有效时导通，该N 沟道MOSFET功率管Ql通过所述嵌入式处理模块M21输出的能量脉冲信号T有效时导通， 同时在该P沟道MOSFET功率管Q3通过所述嵌入式处理模块M21输出的能量脉冲输入允许信号ER无效时截止的情况下输出能量脉冲在所述能量总线上；而该P沟道MOSFET功率管 Q2通过所述嵌入式处理模块M21输出的能量脉冲输出允许信号ET无效时截止，该N沟道 MOSFET功率管Ql通过所述嵌入式处理模块M21输出的能量脉冲信号T无效时截止，同时在该P沟道MOSFET功率管Q 3通过所述嵌入式处理模块M21输出的能量脉冲输入允许信号ER有效时导通且与其串联的二极管D2单向导通的情况下，以接收自能量总线上由其它的能量总线型电池均衡电路单元发来的能量脉冲。以上在接收状态下，由于隔离脉冲变压器存在各种阻抗，因此可以通过适当选取隔离脉冲变压器制作工艺中的线径、矽钢片等就可以简单地达到限流的目的，也可以通过控制P沟道MOSFET功率管Q3增加其导通电阻来限流，以确保接收的电流峰值不超过电池的最大允许峰值充电电流，由于接收的能量就是发送的能量，因此同样的变压器制作工艺也会起到限制电池发送能量时的电流，当然也可以通过N沟道MOSFET功率管Ql增加其导通电阻来限流。图3中二极管Dl用于在N沟道MOSFET功率管Ql由导通转到截止瞬间续流。所述能量可控收发电路MM所连接的隔离脉冲变压器TRl初级的发送绕组的匝数小于其连接的隔离脉冲变压器初级接收绕组的匝数，以补充发送状态和接收状态下该能量可控收发电路上的电压与电流损失。具体在实施时，如图3中的隔离脉冲变压器TRl初级采用节省的3抽头(A，B, C)方式，其中A-B绕组用于发送，其匝数小于用于接收的A-C绕组。本发明的实质是隔离脉冲变压器TRl初级的发送绕组的匝数(A-B间)比接收绕组采用匝数(A-C间)小，而且并不排除发送绕组与接收绕组完全单独绕制的方式，这样与能量可控收发电路MM的结构会相应改变，见图4所示，其中隔离脉冲变压器TRl初级A-B绕组连接未变，其X-C绕组的X端也未变，但其X端接在功率管Ql的前端(当然X端也可类似图2的接法，与A端并接在一起)。无论该接法如何变化，均没有改变本发明的实质。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种能量总线型电池均衡电路，由若干能量总线型电池均衡电路单元组成，其特征在于所述能量总线型电池均衡电路单元由电池、电压采样电路、电流采样电路、嵌入式处理模块、能量可控收发电路和隔离脉冲变压器组成；所述嵌入式处理模块与电压采样电路、电流采样电路、能量可控收发电路连接，能量可控收发电路与该电池两极通过电流采样电路相连，并与该隔离脉冲变压器的初级连接，该隔离脉冲变压器次级为能量总线端口，用于输出和输入能量脉冲，且该隔离脉冲变压器的该初级与次级绕组互相隔离；所述嵌入式处理模块通过控制所述能量可控收发电路处于发送状态，将本单元电池能量以脉冲形式发送到该能量总线端口，并通过其脉冲宽度和脉冲串的脉冲个数来控制发送不同强度的能量；或者通过控制所述能量可控收发电路处于接收状态，以从该能量总线端口接收能量脉冲补充到本单元电池中，并通过接收的脉冲宽度和脉冲串的脉冲个数来控制接收不同强度的能量；所述嵌入式处理模块通过电压采样电路获取电压采样值、并通过电流采样电路获取电流采样值以测量和计算本单元电池输出和输入的能量；若干以上所述的能量总线型电池均衡电路单元以下列方式组成电池系统所述电池以正、负极首尾串联方式连接以得到电池电压相加的电池系统总电压，而所述能量总线端口均以并联方式连接，成为能量总线；所述电池系统中具有电池富余能量的所述能量总线型电池均衡电路单元的能量由本单元的所述嵌入式处理模块控制所述能量可控收发电路处于发送状态，以脉冲形式发送到所述能量总线上；所述电池系统中具有电池欠缺能量的所述能量总线型电池均衡电路单元，由本单元的所述嵌入式处理模块控制所述能量可控收发电路处于接收状态，以从该能量总线接收能量脉冲补充到本单元电池中，实现所述电池系统内各个电池能量均衡。
2.根据权利要求1所述的一种能量总线型电池均衡电路，其特征在于所述嵌入式处理模块与所述能量可控收发电路通过能量脉冲输出允许信号线、能量脉冲信号线和能量脉冲输入允许信号线相连接；所述嵌入式处理模块通过所述能量脉冲输出允许信号线与所述能量可控收发电路之间传递能量脉冲输出允许信号，通过所述能量脉冲信号线与所述能量可控收发电路之间传递能量脉冲信号，以及通过所述能量脉冲输入允许信号线与所述能量可控收发电路之间传递能量脉冲输入允许信号来控制所述能量可控收发电路处于发送状态或接收状态。
3.根据权利要求2所述的一种能量总线型电池均衡电路，其特征在于所述能量可控收发电路由第一功率管(Ql)、第二功率管(Q2)、第三功率管0^3)和二极管(D2)组成；所述第二功率管在所述嵌入式处理模块通过所述能量脉冲输出允许信号线输出的能量脉冲输出允许信号(ET)有效时导通，所述第一功率管Oil)在所述嵌入式处理模块通过所述能量脉冲信号线输出的能量脉冲信号(T)有效时导通，同时所述第三功率管0^3) 在所述嵌入式处理模块通过所述能量脉冲输入允许信号线输出的能量脉冲输入允许信号 (ER)无效时截止的情况下输出能量脉冲在所述能量总线上；所述第二功率管在所述嵌入式处理模块输出的能量脉冲输出允许信号(ET)无效时截止，所述第一功率管Oil)在所述嵌入式处理模块输出的能量脉冲信号(T)无效时截止，同时所述第三功率管在所述嵌入式处理模块输出的能量脉冲输入允许信号(ER) 有效时导通且与其串联的二极管(拟)单向导通的情况下，从所述能量总线上接收由其它的能量总线型电池均衡电路单元发来的能量脉冲。
4.根据权利要求3所述的一种能量总线型电池均衡电路，其特征在于所述能量可控收发电路所连接的隔离脉冲变压器初级发送绕组的匝数小于所述能量可控收发电路所连接的隔离脉冲变压器初级接收绕组的匝数，以补充发送状态和接收状态下所述能量可控收发电路上的电压与电流损失。
全文摘要
一种能量总线型电池均衡电路，由充电电池、嵌入式处理模块、能量可控收发电路和隔离脉冲变压器等组成能量总线型电池均衡电路单元，若干这种单元以正负极串联、能量总线端口并联组成电池系统。本发明的优点是，线路很少、结构简单、可靠性高，极有利于标准化；实现了电池组中任何能量富余电池的能量直接转移到能量欠缺的电池中，可根据不同电池的欠缺或富余程度采取不同的均衡强度，实现高效率均衡和电池性能优化。本发明从根本上解决动力电池、超级电容器、太阳能电池等成组运用的难题，适合于大规模产业化生产，将极大地推进电动车和混合动力车、太阳能电站等的推广。
文档编号H02J7/00GK102496975SQ20111037655
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者张恩迪, 许志, 许春香 申请人:张亦兰, 许春香