专利名称：一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置及其方法，属于电池技术 领域。
背景技术：
工业应用中对重要的供电设备，都需要一套电池作为备用电源，而单个电池电压 都不高，无法直接使用，一般都为几十个甚至几百个电池串联起来提高总电压进行使用。由 于电池在制造和使用过程中难免会出现性能不一致，因此在对串联电池组进行充放电时， 采用一定的方法均衡各个单体电池的电压，会提高电池的使用度，延长电池的使用寿命。当 前有一些对串联电池组充放电均衡的方法，大多采用电阻耗能的方法，即对电池组内电压 过高的单体电池，通过电阻进行释放，以保证电池组内电池一致，这种方式的均衡方法缺点 在于能耗高，损耗大，特别不利于在大容量串联电池组充放电的情况下进行均衡。
发明内容
本发明一个目的是，解决现有技术所存在的对串联电池组充放电不利于在大容量 串联电池组充放电的情况下进行均衡等的技术问题；提供了一种采用恒电流控制模式，能 够与串联电池组原有充放电设备共同使用互不影响的、具有保障串联电池组在使用过程中 单体电池电压均衡的功能、并且均衡采用能量转移的方式进行、损耗小、有利于应用于中等 或大容量的电池组的一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置。本发明的另一个目的是，利用能量转移式电池组均衡判断及补充装置进行能量 转移式电池组均衡判断及补充的方法。本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的 一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置，其特征在于，包括依次连接的
均衡模块与各个单体电池相连接，利用电池组的能量或外部电源的能量为单体电池 进行充电；
测控模块与电池组及其中的各个单体电池相连接的，测量并比较单体电池，判断该单 体电池是否需要补充能量并向所述均衡模块发送的起动/停止信号。本发明通过测控模块，能及时的检测出串联电池组中电压低于电池组电池平均电 压一定值的单体电池，并引入恒电流控制的隔离型的P丽开关式直流一直流变换器，对这 样的单体电池进行补充充电，提高串联电池组中电池电压的均衡度。在上述的一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置，所述的均衡模块包括依次 连接的
PWM开关式直流一直流变换器用于对单体电池进行充电； 测量电阻或传感器用于测量输出电流的；
恒流控制单元对所述PWM开关式直流一直流变换器的输出进行恒电流控制； 驱动单元驱动PWM开关式直流一直流变换器中的开关器件；
4隔离控制单元接收上述测控模块发送的起动/停止信号的。在上述的一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置，所述的测控模块包括依次 连接的
差分运放单元与上述电池组两端及单体电池连接，用于测量电池组和单体电池电
压；
比较单元由比较器及运放或可编程逻辑控制器件构成的，并具有I/O输出。在上述的一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置，所述的PWM开关式直流一 直流变换器采用隔离型，如反激型或正激型或半桥型或全桥型，所述的PWM开关式直流一 直流变换器输入为串联电池组的部分或全部电池电压或外部电源，输出为对应的单体电 池。一种利用能量转移式电池组均衡判断及补充装置进行能量转移式电池组均衡判 断及补充的方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤5.1、由测控模块中的差分运放单元测量该差分运方单元连接的串联电池组总电 压及每个单体电池电压；
步骤5. 2、由测控模块中的差分运放单元根据步骤5. 1中所测量的串联电池组总电压 及每个单体电池电压计算串联电池组电池的平均电压；
步骤5. 3、由测控模块中的比较单元比较单体电池电压与电池组平均电压的大小，并 根据其比较结果，向上述隔离控制单元发送起动/停止信号，即选择执行步骤5. 4或步骤 5. 5 ；
步骤5. 4、单体电池电压低于电池组平均电压后，则通过I/O启动均衡模块，从而补充 单体电池能量，使单体电池电压趋近于电池组平均电压，并返回执行步骤5. 3 ；
步骤5. 5、单体电池电压高于或等于电池组平均电压，则通过I/O停止均衡模块，不再 对单体电池补充能量并返回执行步骤5. 3。在上述的一种利用能量转移式电池组均衡判断及补充装置进行能量转移式电池 组均衡判断及补充的方法，所述的步骤5. 4中，补充单体电池能量即对单体电池进行充电 的具体步骤如下
步骤6.1、如均衡模块中的隔离控制单元收到了测控模块中的比较单元发出的起动信 号，即选择执行步骤6. 2，如接受到停止信号，即选择执行步骤6. 3 ；
步骤6. 2、均衡模块中隔离控制单元将起动信号转化为均衡模块识别的电信号，输入 到恒流控制单元，恒流控制单元控制PWM开关式直流一直流变换器进行充电；
步骤6. 3、均衡模块中隔离控制单元将停止信号转化为均衡模块识别的电信号，输入 到恒流控制单元，恒流控制单元控制PWM开关式直流一直流变换器停止充电。在上述的一种利用能量转移式电池组均衡判断及补充装置进行能量转移式电池 组均衡判断及补充的方法，所述的PWM开关式直流一直流变换器对单体电池充电电流大小 是串联电池组额定充电电流大小的10% 50%。因此，本发明具有如下优点1.采用了隔离型的PWM开关式直流一直流变换器， 将串联电池组中一部分或全部电池电压(也可接外部电源)来对低于平均电压的电池进行 辅助充电，一方面消耗了其余电池的能量，一方面补充了低于平均电压的电池的能量，能起 到均衡电池组各个单体电池电压的作用，同时损耗很低，有利于该装置在中、大容量电池组的场合进行应用；2.采用隔离型的PWM开关式直流一直流变换器，并且其恒流控制单元采 用恒电流控制模式，能够与串联电池组原有充电设备共同对电池进行充电互不影响。
图1是本发明的结构原理示意图； 图2是实施例的均衡模块的电路原理图3是图2中将测量电阻4用传感器10替代的电路原理图； 图4是实施例的测控模块的电路原理图。图中相应图号和名称为均衡模块1、测控模块2、PWM开关式直流一直流变换器3、 测量电阻4、恒流控制单元5、驱动单元6、隔离控制单元7、差分运放单元8、比较单元9、传 感器10。
具体实施例方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例1:
本实施例是本发明一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置的应用实例。如图1所 示，它依次连接的是其中均衡模块1 与各个单体电池相连接，利用电池组的能量或外部 电源的能量为单体电池进行充电；测控模块2 与电池组及其中的各个单体电池相连接的， 测量并比较单体电池，判断该单体电池是否需要补充能量并向所述均衡模块1发送的起动 /停止信号。所述的均衡模块1依次连接的有其一、PWM开关式直流一直流变换器3 用于 对单体电池进行充电；其二、测量电阻4或传感器10:用于测量输出电流的；其三、恒流控 制单元5:对所述PWM开关式直流一直流变换器的输出进行恒电流控制；其四、驱动单元6 驱动PWM开关式直流一直流变换器中的开关器件；其五、隔离控制单元7 接收上述测控模 块2发送的起动/停止信号的。所述的测控模块2依次连接的有其一、差分运放单元8 与 上述电池组两端及单体电池连接，用于测量电池组和单体电池电压；其二、比较单元9 由 比较器及运放或可编程逻辑控制器件构成的，并具有I/O输出。所述的PWM开关式直流一 直流变换器3采用隔离型，如反激型或正激型或半桥型或全桥型，所述的PWM开关式直流一 直流变换器3输入为串联电池组的部分或全部电池电压或外部电源，输出为对应的单体电 池。对应用实例进一步说明如下本装置包括与一个或更多(与单体电池数目相关) 的，由隔离型的PWM开关是直流一直流变换器3、测量电阻4或传感器10、恒流控制单元5、 驱动单元6和隔离控制单元7构成的均衡模块1 ；一个由差分运放单元8和比较单元9构 成的测控模块2。以上组件之间的连接方式是本发明的均衡装置由8个均衡模块1和一 个测控模块2构成，其中的测控模块2用导线连接到电池组以及各个电池两端；均衡模块 2的接法是均衡模块的输入接电池组的一部分或全部电压(或外部其他电源)，输出接至单 体电池两端；测控模块2的每个比较单元9的I/O输出到对应电池所连接的均衡模块1的 隔离控制单元7。该实施例中均衡模块1的工作原理
如图2所示，本实施例以一个正激电路为例，作为隔离型的PWM开关式直流一直流变换器3，串联电池组的正负极接至正激电路的输入侧，对应的单体电池的正负极接至正激电路 的输出侧，从而实现对所接的单体电池补充能量；输出部分连接有一个低阻值的电阻作为 测量电阻4或传感器10，它用于测量输出的电流大小，并将之转换为电压值，一般考虑到损 耗的因素，测量电阻4或传感器10的阻值选择应使得流过的电流产生的功率不超过电阻所 能承受的上限，一般选择测量电阻的阻值在0.005 Ω 1Ω之间；恒流控制单元5为一个 PWM调制器，工作原理是由运放将测量电阻4或传感器10输入的电压值放大与电流给定 值一起输入至误差放大器，误差放大器的输出接至比较器，与三角波进行比较，得到驱动的 矩形脉冲。当测量电阻4或传感器10的电压值升高时即电流实际输出值高于设定值，其与 三角波的比较点升高，从而驱动的矩形脉冲占空比减小，从而减小电流的实际输出值，反之 亦然。故此恒流控制单元5保证隔离型的PWM开关式直流一直流变换器3恒电流输出；驱 动单元6采用了一个隔离脉冲变压器，其输入端接比较器输出的驱动的矩形脉冲，输出接 正激电路的开关元件，使变压器原副边隔离；隔离控制单元7输入端接测控模块的比较单 元9对应的I/O端口，使一个连接到恒流控制单元5的误差放大器输出端的MOS管受控，当 接收到测控模块2给出的高电平时，使恒流控制单元5的误差放大器输出端电位为低，即可 停止隔离型的PWM开关式直流一直流变换器3输出，当接收到测控模块2给出的低电平时， 则开启隔离型的PWM开关式直流一直流变换器3输出。该实施例中测控模块2的工作原理
如图3所示，本实施例是以模拟电路来实现判断单体电池电压是否需要补充的功能 的。差分运放单元8用了多个(数目为单体电池个数+1)个运算放大器，接成如图3中的形 式，实现对单体电池和电池组电压的转换。而比较单元9的每个比较器将差分运放9的输出 和差分运放广8的输出进行比较，每个比较器的输出接到对应电池连接的均衡模块1的隔 离控制单元7，对各个均衡模块1的启动和停止进行控制。如图3，差分运放广8的参数是 一致的，下面以单体电池Bl所连接的差分运放1和比较器1的参数及电路功能进行分析， 差分运放2、和比较器2、的参数及功能与差分运放1是一致的，判断单体电池Bl电压是 否需要补充的方法如下
假设单体电池电压为Vx，电池组电池电压为Vs，电池组共有电池η个(本例n=8)，R2/ Rl=Kl，R4/R3=K2。差分运方单元8中，差分运方1的输出Vol=Kl*Vx，差分运放9的输出Vo9 =K2*Vs。设计Vol的范围在运算放大器输出能力以内，本实施例取Vol等于运算放大器输 出上限的一半，假设为a，即Vol =a，即取值Kl =a/Vx;
设计Vo9等于或略高于Vol，本实施例以Vo9 = Vol = a为例分析。取值K2 = Kl/n, 则 Vo9 = Kl*Vs/n。比较单元9比较Vol和Vo9，当Vol<Vo9，即Vx<Vs/n，即单体电池Bl电压小于电池 组平均电压，比较器输出高电平，从而启动均衡，由Bl所连接的均衡模块3开始对单体电池 补充能量。当Vol彡Vo9，即单体电池电压不低于电池组平均电压，比较器输出低电平，从而 停止对单体电池补充能量。此外，在设置Vo9时，也可取值Vo9略大于a，使得单体电池电压低于电池组平均值 一定量之后，再开始对单体电池进行补充。
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同样的，差分运放2、和比较器2、所实现的功能与上述差分运放1和比较器1 所实现的功能完全相同。判断单体电池电压是否需要补充的方法与上述完全相同。需要注意的是
在本实施例中，与单体电池电压比较的预设值不限于上述所说的电池组平均电压，对 于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都 应属于本发明所附权利要求的保护范围。另外，均衡模块1的输入可以为串联电池组的一部分或全部电池电压，也可以是 外部的电源，均衡模块1的输出供给电压低于预设值的单体电池，对于本领域普通技术人 员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，只要适合均衡模块1输入的电源都可以采用， 也不会影响本发明装置的使用，因此所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的 保护范围。最后，本发明装置功能高度集成，可自行判断单体电池电压是否低于预设值，并根 据判断结果对落后单体电池进行能量补充。本发明装置功能的另一个特点是补充的能量可 以选择来自与整组的电池组，一方面消耗整组电池组的能量，另一方面对落后电池补充，能 迅速的均衡整组电池组的现有电量，有利于提高电池组使用寿命和效率。本发明的装置采 用的是能量转移的方式，效率高、损耗小，特别适用于中、大容量的电池构成的电池组。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。尽管本文较多地使用了均衡模块1、测控模块2、PWM开关式直流一直流变换器3、 测量电阻4、恒流控制单元5、驱动单元6、隔离控制单元7、差分运放单元8、比较单元9、传 感器10等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描 述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。实施例2:
本实施例是本发明一种利用能量转移式电池组均衡判断及补充装置进行能量转移式 电池组均衡判断及补充的方法的实施例。其步骤为步骤5. 1、由测控模块2中的差分运放 单元8测量该差分运方单元8连接的串联电池组总电压及每个单体电池电压；步骤5. 2、由 测控模块2中的差分运放单元8根据步骤5. 1中所测量的串联电池组总电压及每个单体电 池电压计算串联电池组电池的平均电压；步骤5. 3、由测控模块2中的比较单元9比较单体 电池电压与电池组平均电压的大小，并根据其比较结果，向上述隔离控制单元7发送起动/ 停止信号，即选择执行步骤5. 4或步骤5. 5 ；步骤5. 4、单体电池电压低于电池组平均电压 后，则通过I/O启动均衡模块1，从而补充单体电池能量，使单体电池电压趋近于电池组平 均电压，并返回执行步骤5. 3;步骤5. 5、单体电池电压高于或等于电池组平均电压，则通过 I/O停止均衡模块1，不再对单体电池补充能量并返回执行步骤5. 3。所述的步骤5. 4中，补 充单体电池能量即对单体电池进行充电的具体步骤如下步骤6. 1、如均衡模块1中的隔离 控制单元7收到了测控模块2中的比较单元9发出的起动信号，即选择执行步骤6. 2，如接 受到停止信号，即选择执行步骤6. 3 ；步骤6. 2、均衡模块1中隔离控制单元7将起动信号 转化为均衡模块1识别的电信号，输入到恒流控制单元5，恒流控制单元5控制PWM开关式 直流一直流变换器3进行充电；步骤6. 3、均衡模块1中隔离控制单元7将停止信号转化为均衡模块1别的电信号，输入到恒流控制单元5，恒流控制单元5控制PWM开关式直流一 直流变换器3停止充电。所述的PWM开关式直流一直流变换器3对单体电池充电电流大小 是串联电池组额定充电电流大小的10% 50% 。
本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。
权利要求
一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置，其特征在于，包括依次连接的均衡模块(1)与各个单体电池相连接，利用电池组的能量或外部电源的能量为单体电池进行充电；测控模块(2)与电池组及其中的各个单体电池相连接的，测量并比较单体电池，判断该单体电池是否需要补充能量并向所述均衡模块(1)发送的起动/停止信号。
2.根据权利要求1所述的一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置，其特征在于， 所述的均衡模块(1)包括依次连接的PWM开关式直流一直流变换器(3)用于对单体电池进行充电；测量电阻(4)或传感器(10)用于测量输出电流的；恒流控制单元(5)对所述PWM开关式直流一直流变换器的输出进行恒电流控制；驱动单元(6)驱动PWM开关式直流一直流变换器中的开关器件；隔离控制单元(7)接收上述测控模块(2)发送的起动/停止信号的。
3.根据权利要求1所述的一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置，其特征在于， 所述的测控模块(2)包括依次连接的差分运放单元(8):与上述电池组两端及单体电池连接，用于测量电池组和单体电池电压；比较单元(9)由比较器及运放或可编程逻辑控制器件构成的，并具有I/O输出。
4.根据权利要求1所述的一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置，其特征在于， 所述的PWM开关式直流一直流变换器(3)采用隔离型，如反激型或正激型或半桥型或全桥 型，所述的PWM开关式直流一直流变换器(3)输入为串联电池组的部分或全部电池电压或 外部电源，输出为对应的单体电池。
5.一种利用权利要求1所述的装置进行能量转移式电池组均衡判断及补充的方法，其 特征在于，包括以下步骤步骤5. 1、由测控模块(2)中的差分运放单元(8)测量该差分运方单元(8)连接的串联 电池组总电压及每个单体电池电压；步骤5. 2、由测控模块(2)中的差分运放单元(8)根据步骤5. 1中所测量的串联电池组 总电压及每个单体电池电压计算串联电池组电池的平均电压；步骤5. 3、由测控模块(2)中的比较单元(9)比较单体电池电压与电池组平均电压的大 小，并根据其比较结果，向上述隔离控制单元(7 )发送起动/停止信号，即选择执行步骤5. 4 或步骤5. 5 ；步骤5. 4、单体电池电压低于电池组平均电压后，则通过I/O启动均衡模块(1)，从而补 充单体电池能量，使单体电池电压趋近于电池组平均电压，并返回执行步骤5. 3 ；步骤5. 5、单体电池电压高于或等于电池组平均电压，则通过I/O停止均衡模块(1)，不 再对单体电池补充能量并返回执行步骤5. 3。
6.根据权利要求5所述的一种利用能量转移式电池组均衡判断及补充装置进行能量 转移式电池组均衡判断及补充的方法，其特征在于，所述的步骤5. 4中，补充单体电池能 量即对单体电池进行充电的具体步骤如下步骤6. 1、如均衡模块(1)中的隔离控制单元(7)收到了测控模块(2)中的比较单元(9) 发出的起动信号，即选择执行步骤6. 2，如接受到停止信号，即选择执行步骤6. 3 ；步骤6. 2、均衡模块(1)中隔离控制单元(7)将起动信号转化为均衡模块(1)识别的 电信号，输入到恒流控制单元(5 )，恒流控制单元(5 )控制PWM开关式直流一直流变换器(3 ) 进行充电；步骤6. 3、均衡模块(1)中隔离控制单元(7)将停止信号转化为均衡模块(1)识别的 电信号，输入到恒流控制单元(5)，恒流控制单元(5)控制PWM开关式直流一直流变换器(3) 停止充电。
7.根据权利要求5所述的一种利用能量转移式电池组均衡判断及补充装置进行能量 转移式电池组均衡判断及补充的方法，其特征在于，所述的PWM开关式直流一直流变换器 (3)对单体电池充电电流大小是串联电池组额定充电电流大小的10% 50%。
全文摘要
本发明涉及一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置及其方法，主要用于工业中使用众多电池串联使用的场合。装置包括依次连接的均衡模块,它与各个单体电池相连接，利用电池组的能量或外部电源的能量为单体电池进行充电；还有测控模块,它与电池组及其中的各个单体电池相连接的，测量并比较单体电池。其方法包括测控串联电池组总电压及每个单体电池电压、计算串联电池组电池的平均电压、发送起动/停止信号、使单体电池电压趋近于电池组平均电压等步骤。本发明优点在于具有保障串联电池组在使用过程中单体电池电压均衡的功能，并且均衡采用能量转移的方式进行，损耗小，有利于应用于中等或大容量的电池组。
文档编号H02J7/00GK101976866SQ20101051079
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月17日 优先权日2010年10月17日
发明者洪敏 , 蒋炜, 陈立剑 申请人:中国船舶重工集团公司第七一二研究所