一种电动叉车用动力电池主动均衡系统的制作方法

1.本发明涉及电动叉车电池均衡技术领域，尤其涉及一种电动叉车用动力电池主动均衡系统。


背景技术：

2.电动叉车的电池组通常由多节电池进行并联和串联后组成，以满足动力电源的电压和功率的需求。由于电池的制作工艺、散热条件以及使用过程中老化程度的不同，电池的性能也会不一致，从而导致串联的电池组内部电压不均衡。为了确保串联电池组的使用安全，提高其使用寿命，需要实时对每节电池的电压、电流、温度等信息进行实时检测监控，并在电池电压不均衡时对电池均衡，防止电池过充、过放和过温。目前常用的均衡方式为被动均衡。被动均衡的设计思路为在电池两端并联一个大功率电阻和控制开关，在电池电压较高需要均衡放电时，闭合控制开关，电池通过大功率电阻放电。该均衡方式电路简单，电路安全，不易产生短路等危险。但是被动均衡方式受到产生热量及电路板尺寸的限制，均衡电流一般都比较小，对于大容量的电动叉车用动力电池，均衡周期长，一般不能满足要求；另外电池能量通过大功率电阻消耗掉，损耗了电池的能量，造成了能量的浪费。因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种电动叉车用动力电池主动均衡系统，可以提高均衡电流，缩短均衡周期，提高电池能量转移效率，避免电池能量的浪费。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出了一种电动叉车用动力电池主动均衡系统，可以提高均衡电流，缩短均衡周期，提高电池能量转移效率，避免电池能量的浪费。
4.本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种电动叉车用动力电池主动均衡系统，其包括电池组、恒流源和处理器，还包括若干个均衡电路、若干个开关阵列和一个开关选择电路；
5.电池组包括若干个依次串联的电池单元，电池单元包括依次串联的若干节电池；
6.恒流源为电池单元提供充电电流；
7.开关选择电路为每个电池单元提供充电回路，通过切换充电回路切换恒流源充电对象；
8.开关阵列为电池单元中每节电池提供充放电回路，处理器通过控制开关阵列的导通状态选择电池的充放电回路；
9.均衡电路在电池出现电压不平衡时，根据开关阵列选择的充放电回路对电池进行充电或放电处理，使串联电池的电压均衡；
10.电池组的正极输出端及其负极输出端分别与恒流源的正极输入端以及负极输入端一一对应电性连接，恒流源的正极输出端通过开关选择电路分别与每个电池单元的正极输出端电性连接，恒流源的负极输出端通过开关选择电路分别与每个电池单元的负极输出端电性连接；所述开关阵列的输入端并联在电池单元的正极输出端及其负极输出端之间，
开关阵列的输出端与均衡电路电性连接，开关阵列的选通端与处理器的i/o口电性连接。
11.在以上技术方案的基础上，优选的，电池单元包括依次串联的三节电池；开关阵列包括依次串联的mos管q2
‑
q7；
12.mos管q2的漏极、mos管q4的漏极、mos管q6的漏极和mos管q7的源极分别为开关阵列的输入端，且分别与电池单元正极输出端、相邻电池的中间连接点以及电池单元负极输出端一一对应电性连接；所述mos管q2、mos管q4和mos管q6的源极均为开关阵列的输出端，并分别与均衡电路电性连接；所述mos管q2
‑
q7的栅极均为开关阵列的选通端，并分别与处理器的i/o口一一对应电性连接。
13.进一步优选的，开关阵列还包括：第一非门、第二非门和第三非门；
14.处理器的i/o口输出控制电平，并分别将控制电平输出至mos管q2、mos管q4和mos管q6的栅极，处理器的i/o口输出的控制电平通过第一非门、第二非门和第三非门反相后分别输出至mos管q3、mos管q5和mos管q7的栅极。
15.进一步优选的，mos管q2
‑
q7的闭合和断开瞬间均处于零电流状态。
16.进一步优选的，均衡电路包括电感l1
‑
l3和电容c3
‑
c5；
17.mos管q2的源极分别与电感l1的一端以及电感l3的一端电性连接，电感l3的另一端通过电容c5与mos管q6的源极电性连接，电感l1的另一端通过电容c3分别与mos管q4的源极以及电感l2的一端电性连接，电感l2的另一端通过电容c4与mos管q6的源极电性连接。
18.在以上技术方案的基础上，优选的，还包括若干个限幅电路；
19.若干个限幅电路一一对应的并联在单体电池的两端，当单体电池充满电时，限幅电路将该单体电池两端的电压钳制在固定值，由恒流源提供的充电电流跳过该单体电池并向剩余电池充电。
20.进一步优选的，限幅电路包括若干个正向串联的二极管、mos管q8和mos管q9；
21.串联二极管的正向导通电压与其并联的单体电池满压状态下的电压值一致；
22.mos管q8的源极与正向串联二极管的正极电性连接，mos管q8的漏极与单体电池的正极电性连接，mos管q8的栅极与处理器的i/o口电性连接；
23.mos管q9的源极与正向串联二极管的负极电性连接，mos管q9的漏极与单体电池的负极电性连接，mos管q9的栅极与处理器的i/o口电性连接。
24.本发明的一种电动叉车用动力电池主动均衡系统相对于现有技术具有以下有益效果：
25.(1)采用分组均衡方式，可以提高均衡效率；
26.(2)将电池组的总电压作为主动均衡的能量来源，实现电池能量向低电压电池能量的转移，避免了电池能量的浪费；
27.(3)通过在开关阵列中选用mos管，同时mos管闭合和断开瞬间均处于零电流状态，可以降低开关在闭合和断开时的损耗；
28.(4)通过在开关阵列中设置非门，可以实现相邻开关之间的开关信号同步和反向；
29.(5)均衡电路设置有两层均衡回路，第一层均衡回路用于实现相邻单体电池之间的能量转移，实现电压均衡，第二层均衡回路用于实现非相邻电池单元之间的能量转移，实现电压均衡，通过在均衡电路中设置两层均衡回路，可以提高能量转移的效率，缩短电池单元的均衡周期；
30.(6)通过在每节单体电池的两端并联一个限幅电路，限幅电路利用二极管对电压钳制作用，当电池充满电后，限幅电路中串联的二极管导通，同时将单体电池两端的电压限制在固定值，此时，该单体电池短路，充电电流跳过该单体电池，并持续给未充满电的电池充电，以解决均衡后期均衡电流电能转换效率低的问题，大大加快电池组的充电均衡效率。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明一种电动叉车用动力电池主动均衡系统的结构图；
33.图2为本发明一种电动叉车用动力电池主动均衡系统中开关选择电路的结构图；
34.图3为本发明一种电动叉车用动力电池主动均衡系统中均衡电路、开关阵列和限幅电路的电路图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
36.如图1所示，本发明的一种电动叉车用动力电池主动均衡系统，其包括电池组、恒流源、处理器、若干个均衡电路、若干个开关阵列、一个开关选择电路和若干个限幅电路。
37.电池组，为电动叉车内部的动力电池组，用于给电动叉车提供电能，同时也是本实施例中电池均衡对象。对于48v的电动叉车其动力电池组一般由15节电池串联而成。现有的均衡系统一般是对单体电池和整个电池组的电压和电流进行检测，并在电压不均衡时，改善单体电池两端的电压，使电池组中的电压实现均衡。由于测电池组整体电压从而实现均衡目的的方法，在串联电池数目较少时具有显著的均衡效果，但是当串联电池数目较多时，均衡效率会大幅度降低，因此，为了解决上述问题，本实施例采用分组均衡的方法，即将电池组等分成若干个电池单元，每个电池单元有若干节电池，本实施例中将电池单元有3节电池，分别表示为b1、b2和b3，在检测单体电池两端电压的同时还检测电池单元两端的电压。
38.恒流源，在电池出现欠压时，为电池单元提供充电电流。本实施例中，电池组的正极输出端及其负极输出端分别与恒流源的正极输入端以及负极输入端一一对应电性连接，恒流源的正极输出端通过开关选择电路分别与每个电池单元的正极输出端电性连接，恒流源的负极输出端通过开关选择电路分别与每个电池单元的负极输出端电性连接。本实施例中，恒流源输出的均衡电流可以达到，2a甚至可以更高，远远超过被动均衡电流；同时，将电池组的总电压作为主动均衡的能量来源，实现电池能量向低电压电池能量的转移，避免了电池能量的浪费。优选的，恒流源选择输入电压为16v～64v宽输入电压源，其输出为2a恒流，最高输出电圧为5v，分别用u+和u
‑
表示恒流源的正极输出端以及负极输入端。
39.开关选择电路，为每个电池单元提供充电回路，通过切换充电回路切换恒流源充
电对象。本实施例中，如图2所示，开关选择电路包括若干个开关，两两为一组，每组开关的一端分别与电池单元的正极输出端和负极输出端一一对应电性连接，每组开关的另一端分别与恒流源的正极输出端和负极输出端电性连接。以图中第一个电池单元为例，其开关选择电路包含了开关s1a、s1b、二极管d1a和二极管d1b。当电池单元电压较低需要均衡充电时，恒流源输出的2a/5v的电流通过d1a
→
s1a
→
电池单元
→
s1b
→
d1b为电池单元进行最大2a的充电。其中开关s1a和开关s1b进行电池充电回路的选择，其受到处理器的控制，当电池需要充电时，处理器控制开关s1a和开关s1b闭合。其中二级管d1a和二级管d1b为方向选择二极管，即当开关闭合时，防止电池正向放电。
40.开关阵列，为电池单元中每节电池提供充放电回路，处理器通过控制开关阵列的导通状态选择电池的充放电回路。本实施例中，开关阵列的输入端并联在电池单元的正极输出端及其负极输出端之间，开关阵列的输出端与均衡电路电性连接，开关阵列的选通端与处理器的i/o口电性连接。
41.优选的，开关阵列包括依次串联的mos管q2
‑
q7，以及第一非门、第二非门和第三非门。具体的，如图3所示，mos管q2的漏极、mos管q4的漏极、mos管q6的漏极和mos管q7的源极分别为开关阵列的输入端，且分别与电池单元正极输出端、相邻电池的中间连接点以及电池单元负极输出端一一对应电性连接；mos管q2、mos管q4和mos管q6的源极均为开关阵列的输出端，并分别与均衡电路电性连接；mos管q2
‑
q7的栅极均为开关阵列的选通端，其中，选通端收到高电平时，对应的开关管导通，反之，截止；处理器的i/o口输出控制电平，并分别将该控制电平输出至mos管q2、mos管q4和mos管q6的栅极，处理器的i/o口输出的控制电平通过第一非门、第二非门和第三非门反相后分别输出至mos管q3、mos管q5和mos管q7的栅极。即mos管q2、mos管q4和mos管q6受同一电平控制，mos管q3、mos管q5和mos管q7受电位相反的电平控制。本实施例中，为了实现mos管q2
‑
q7的同步与互补，保证能量顺利转移，本实施例中设置了第一非门、第二非门和第三非门，将处理器输出的控制电平进行反相处理，即可实现相邻开关之间的开关信号同步和反向。
42.均衡电路，通过对单体电池两端的开关有序导通与关断，以实现电池间能量转移过程。本实施例中，开关阵列的输出端与均衡电路电性连接。优选的，如图3所示，均衡电路包括电感l1
‑
l3和电容c3
‑
c5；具体的，mos管q2的源极分别与电感l1的一端以及电感l3的一端电性连接，电感l3的另一端通过电容c5与mos管q6的源极电性连接，电感l1的另一端通过电容c3分别与mos管q4的源极以及电感l2的一端电性连接，电感l2的另一端通过电容c4与mos管q6的源极电性连接。
43.其中，电容c3、电容c4、电感l1和电感l2构成了第一层均衡回路，电感l3和电容c5构成了第二层均衡回路；第一层均衡回路用于实现相邻单体电池之间的能量转移，实现电压均衡，第二层均衡回路用于实现非相邻电池单元之间的能量转移，实现电压均衡，通过在均衡电路中设置两层均衡回路，可以提高能量转移的效率，缩短电池单元的均衡周期。以其中一个电池单元为例，开关选择电路将恒流源输出的充电电流切换至电池b1的正负极，当处理器输出高电平至mos管q2、mos管q4和mos管q6的栅极，驱动其导通，同时，处理器输出的高电平经第一非门、第二非门和第三非门反相后分别输出至mos管q3、mos管q5和mos管q7的栅极，驱动其截止，此时，电池b1与mos管q2、电感l1、电容c3和mos管q4构成回路；电池b2与mos管q4、电感l2、电容c4和mos管q6构成回路；电池b1与mos管q2、电感l3、电容c5、mos管q6
以及电池b2构成回路；此时，电感l1
‑
l3、电容c3
‑
c5、电池b1和电池b2组成了充电回路。当处理器输出第电平至mos管q2、mos管q4和mos管q6的栅极，驱动其截止，同时，处理器输出的低电平经第一非门、第二非门和第三非门反相后分别输出至mos管q3、mos管q5和mos管q7的栅极，驱动其导通，此时，电池b2与mos管q3、电感l1、电容c3和mos管q5构成回路；电池b3与mos管q5、电感l2、电容c4和mos管q7构成回路；电池b2与mos管q3、电感l3、电容c5、mos管q7以及电池b3构成回路；此时，电感l1
‑
l3、电容c3
‑
c5、电池b2和电池b3组成了放电回路；利用电容的充放电原理实现电池之间的电压均衡。
44.限幅电路，本实施例中是通过电容充放电原理实现电池之间的电压均衡，因此在均衡后期均衡电流会变得很小，电能转换效率低，同时，在充电过程中会出现某节电池最先充满电，而导致后面未充满电的电池无法继续充电的现象。因此，为了解决上述问题，本实施例，在每节单体电池的两端并联一个限幅电路，当其充满电后，将单体电池两端的电压限制在固定值，同时充电电流跳过该单体电池，并持续给未充满电的电池充电。优选的，如图3所示，限幅电路包括若干个正向串联的二极管、mos管q8和mos管q9；具体的，串联二极管的正向导通电压与其并联的单体电池满压状态下的电压值一致；mos管q8的源极与正向串联二极管的正极电性连接，mos管q8的漏极与单体电池的正极电性连接，mos管q8的栅极与处理器的i/o口电性连接；mos管q9的源极与正向串联二极管的负极电性连接，mos管q9的漏极与单体电池的负极电性连接，mos管q9的栅极与处理器的i/o口电性连接。
45.其中，由于正向串联二极管的整体导通电压值与电池满电时电压值一致，因此，当限幅电路并联的电池充满电时，正向串联二极管导通，此时，充满电的单体电池短路，充电电流跳过该单体电池继续向其他未充满电池充电；当所有的电池都充满电时，通过mos管q8和mos管q9切断限幅电路与电池单元之间的连线，以此实现电压均衡。由于二极管组在充电后期的介入，会大大加快电池组的充电均衡效率。
46.处理器，用于输出控制mos管导通和截止的pwm波。本实施例中，将驱动限幅电路的pwm波记为pwm，将驱动mos管q2、mos管q4、mos管q6的pwm波记为pwm+；将驱动mos管q3、mos管q5和mos管q7的pwm波记为pwm
‑
。
47.本实施例的工作原理为：以15节电池串联组成的电池组为例，每个电池单元包括依次串联的三节电池。
48.当电池单元欠压时，开关选择电路选通某个电池单元，恒流源通过开关选择电路选通的充电回路向该电池单元提供充电电流，此时，处理器的i/o口输出控制电平分别至开关阵列中的mos管q2
‑
q7，驱动mos管q2、mos管q4和mos管q6导通，驱动mos管q3、mos管q5和mos管q7截止，此时，均衡电路中的电感l1
‑
l3、电容c3
‑
c5，以及电池b1和电池b2组成了充电回路，分别向电池b1和电池b2充电；当电池b1或电池b2充满电时，并联在其两端的限幅电路导通，此时，充满电的电池短路，充电电流跳过该电池继续向未充满电的电池充电；当电池单元中所有的电池均充满电后，通过限幅电路中的mos管q8和mos管q9切断限幅电路与电池单元之间的连线，以此实现电压均衡；
49.当电池单元过压时，处理器的i/o口输出控制电平分别至开关阵列中的mos管q2
‑
q7，驱动mos管q2、mos管q4和mos管q6截止，驱动mos管q3、mos管q5和mos管q7导通，此时，均衡电路中的电感l1
‑
l3、电容c3
‑
c5，以及电池b2和电池b3组成了放电回路，以此实现电压均衡。
50.本实施例的有益效果为：采用分组均衡方式，可以提高均衡效率；
51.将电池组的总电压作为主动均衡的能量来源，实现电池能量向低电压电池能量的转移，避免了电池能量的浪费；
52.通过在开关阵列中选用mos管，同时mos管闭合和断开瞬间均处于零电流状态，可以降低开关在闭合和断开时的损耗；
53.通过在开关阵列中设置非门，可以实现相邻开关之间的开关信号同步和反向；
54.均衡电路设置有两层均衡回路，第一层均衡回路用于实现相邻单体电池之间的能量转移，实现电压均衡，第二层均衡回路用于实现非相邻电池单元之间的能量转移，实现电压均衡，通过在均衡电路中设置两层均衡回路，可以提高能量转移的效率，缩短电池单元的均衡周期；
55.通过在每节单体电池的两端并联一个限幅电路，限幅电路利用二极管对电压钳制作用，当电池充满电后，限幅电路中串联的二极管导通，同时将单体电池两端的电压限制在固定值，此时，该单体电池短路，充电电流跳过该单体电池，并持续给未充满电的电池充电，以解决均衡后期均衡电流电能转换效率低的问题，大大加快电池组的充电均衡效率。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。