一种连续可控隔离式有源主动均衡充电模块及其充电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种连续可控隔离式有源主动均衡充电模块及其充电系统，所述主动均衡充电模块包括依次连接的输入端电路模块，电气隔离模块以及输出端电路模块；所述充电系统包括上述的多个主动均衡充电模块，充电电机，电池管理系统，以及包含由多个单体充电电池串联组成的电池组，所述充电电机的输出端与所述电池组的正负极连接，所述电池组中的每一单体充电电池均通过并联连接一所述主动均衡充电模块与所述电池管理系统连接，所述电池管理系统通过通信总线与充电电机连接。本发明提供的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块以及充电系统，在充电过程中具有发热量小，能耗低，充电时间少，效率高，可靠性强，均衡效果良好等优点。
【专利说明】一种连续可控隔离式有源主动均衡充电模块及其充电系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种均衡充电模块，具体涉及一种连续可控隔离式有源均衡充电模块以及其应用系统。
【背景技术】
[0002]电动汽车用动力电池模块由单体锂离子电池串联而成，由于单体锂离子电池性能存在不一致性，在充放电时会出现单体电压不一致，从而影响和制约着整个电池模块的充放电能力。在工作中只要有一个单体电池达到充放电电压极限，整个电池模块就要停止充放电，否则单体电池会发生过充或过放，严重影响其寿命。对单体电池的有效均衡可以更好的发挥电池性能，延长使用寿命。现有的均衡分为两种:一种是被动均衡，也称为能耗型均衡；另一种是主动均衡，也即非能耗性均衡。现有在给电动汽车动力电池模组充电时，存在着发热问题严重，能耗高，效率低，整个电路较为复杂，可靠性较差等缺点。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，该连续可控隔离式有源主动均衡充电模块在充电过程中具有发热量小，能耗低，效率高，可靠性强，均衡充电效果良好等优点。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，包括依次连接的输入端电路模块，电气隔离模块以及输出端电路模块，
所述输入端电路模块包括第一输入端子、第二输入端子、熔断器、谐振滤波耦合电容、半桥谐振电路模块以及全桥整流电路，所述第一输入端子、熔断器、半桥谐振电路模块以及全桥整流电路依次连接，所述第二输入端子与所述滤波耦合电容的一端以及半桥谐振电路模块均连接，所述滤波耦合电容的另一端与所述熔断器连接；
所述电气隔离模块包括光耦模块、电流采样/检测电路以及变压器，所述光耦模块的输出端与全桥整流电路连接，光耦模块的输入端通过所述电流采样/检测电路与半桥谐振电路模块连接，所述变压器的输入端与所述半桥谐振电路模块连接；
所述输出端电路模块包括第一输出端子、第二输出端子、第一滤波电容、稳压控制电路、开关控制电路、全波整流电路以及滤波电路，所述稳压控制电路、开关控制电路以及第一输出端子依次连接，所述全波整流电路的输入端与所述变压器的输出端连接，所述全波整流电路的输出端还与所述稳压控制电路、光耦模块的输入端、第二输出端子以及所述滤波电路的一端均连接，所述滤波电路的另一端连接于稳压控制电路与开关控制电路连接之间的节点J上，所述变压器的输出端还与所述节点J连接，所述开关控制电路还通过所述第一滤波电容与变压器的输出端连接，所述稳压控制电路还与光耦模块的输入端连接。
[0005]较佳地，所述半桥谐振电路模块包括启动电阻、谐振电容、半桥驱动电路以及供电电路，所述启动电阻的一端与所述熔断器连接，启动电阻的另一端与所述半桥驱动电路以及供电电路连接，所述谐振电容的一端与所述变压器的输入端连接，谐振电容的另一端与所述半桥驱动电路以及熔断器连接，所述供电电路还与半桥驱动电路以及第二输出端子连接，所述半桥驱动电路还与所述全桥整流电路以及所述电流采样/检测电路连接。
[0006]较佳地，所述光耦模块包括第一光耦、第二光耦、限流电阻以及第二滤波电容，所述电流采样/检测电路包括峰值电流检测电路与电流采样电阻；所述第一光耦、第二光耦的输出端均通过第二滤波电容与所述全桥整流电路连接，所述第一光耦的输入端通过限流电阻与所述稳压控制电路连接，所述第二光耦的输入端通过所述峰值电流检测电路与半桥驱动电路连接，所述电流采样电阻一端与所述第二输出端子连接，电流采样电阻的另一端与所述峰值电流检测电路以及与半桥驱动电路均连接。
[0007]进一步地，所述连续可控隔离式有源主动均衡充电模块还包括状态指示电路，所述状态指示电路与所述稳压控制电路、所述节点J以及全波整流电路的输出端连接。
[0008]基于上述发明构思，本发明还提供一种充电系统，所述充电系统包括多个主动均衡充电模块，充电电机，电池管理系统，以及包含由多个单体充电电池串联组成的电池组，所述充电电机的输出端与所述电池组的正负极连接，所述电池组中的每一单体充电电池均通过并联连接一所述主动均衡充电模块与所述电池管理系统连接，所述电池管理系统通过通信总线与充电电机连接，所述主动均衡充电模块为如上所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块。
[0009]优选地；所述通信总线为CAN总线或RS485总线；所述充电电机具有CAN总线接口或RS485总线接口，所述电池管理系统具有CAN总线接口或RS485总线接口 ；所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块为模块化设计。
[0010]本发明提供的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块以及充电系统，在充电过程中具有发热量小，能耗低，充电时间少，效率高，可靠性强，均衡效果良好等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]附图1为本发明实施例1中连续可控隔离式有源主动均衡充电模块的结构示意框图；
附图2为本发明实施例1中连续可控隔离式有源主动均衡充电模块的电路原理图； 附图3为本发明实施例1中连续可控隔离式有源主动均衡充电模块充电效率测试曲线图；
附图4为本发明实施例2中充电系统的结构示意框图。
【具体实施方式】
[0012]为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0013]实施例1
如附图1所示，一种连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，包括依次连接的输入端电路模块，电气隔离模块以及输出端电路模块，所述输入端电路模块包第一输入端子P1、第二输入端子P2、熔断器、谐振滤波耦合电容、半桥谐振电路模块以及全桥整流电路，所述电气隔离模块包括光耦模块、电流采样/检测电路以及变压器，所述输出端电路模块包括第一输出端子P3、第二输出端子P4、第一滤波电容、稳压控制电路、状态指示电路、开关控制电路、全波整流电路以及滤波电路。
[0014]所述第一输入端子P1、熔断器、半桥谐振电路模块、全桥整流电路、光耦模块、稳压控制电路、开关控制电路以及输出端的第一输出端子P3依次连接，所述第二输出端子P4、全波整流电路、变压器、半桥谐振电路模块、第二输入端子P2依次连接；耦合滤波电容的一端与熔断器连接，其另一端与第二输入端子P2连接，即耦合滤波电容与半桥谐振电路模块的输入端并联连接；所述滤波电路的一端与全波整流电路的输出端连接，其另一端连接于稳压控制电路与开关控制电路连接之间的节点J上；开关控制电路还通过第一滤波电容与变压器的输出端连接，光耦模块的输入端还通过所述电流采样/检测电路与半桥谐振电路模块连接，状态指示电路与全波整流电路的输出端、稳压控制电路、以及稳压控制电路与开关控制电路连接之间的节点J均连接；所述全波整流电路的输出端还与光耦模块的输入端连接，变压器的输出端还与所述节点J连接。
[0015]如附图2所示，附图2为附图1的具体电路原理图。在本实施例中，半桥谐振电路模块包括启动电阻15、谐振电容18、半桥驱动电路10以及供电电路14,启动电阻15的一端与熔断器16连接，其另一端与半桥驱动电路10、供电电路14连接，供电电路14还与与半桥驱动电路以及第二输入端子P2连接，用于为半桥驱动电路供电；谐振电容18的一端与变压器20的输入端连接，其另一端与熔断器16、半桥驱动电路10连接；其中半桥驱动电路10包括半桥驱动芯片11、芯片外围电路12 (由两MOS管U2、U3，二极管Dl，电容C5构成)、外围震荡RC网络13 (电阻R2与电容C2串联构成)；半桥谐振电路模块各组成部分的具体连接方式可参阅附图2，这里不再详述。
[0016]本实施例中，光I禹模块包括第一光稱21、第二光f禹22、限流电阻26以及第二滤波电容25 ;电流采样/检测电路包括峰值电流检测电路23 (由二极管D8与电容C8组成)与电流采样电阻24 (由电阻R3、R4并联组成)，二极管D8的负极与第二光耦22输入端中二极管的阳极引脚、电容C8的一端同时连接，电容C8的另一端则与第二光稱22输入端中二极管的阴极引脚连接，两电流采样电阻R3、R4并联连接后的一端同时与二极管D8的正极以及半桥驱动电路中的MOS管U3的S极连接，两电流采样电阻R3、R4并联连接后的另一端则与第二输入端子连接；第一光稱21、第二光稱22的输出端均通过第二滤波电容25与全桥整流电路19的输出端连接，即第一光耦21、第二光耦22的输出端并联连接后通过第二滤波电容25与全桥整流电路19的输出端连接；第一光稱21的输入端中的二极管的阳极引脚与输出端的第一输出端子连接，第一光耦21的输入端中的二极管的阴极引脚则通过限流电阻26与稳压控制电路28、状态指示灯电路连接；所述第二光耦的输入端中通过峰值电流检测电路23与半桥驱动电路10中的芯片外围电路12的MOS管U3连接；电流采样电阻24的一端与所述芯片外围电路12的MOS管U3连接，其另一端则与第二输入端子P2连接。
[0017]变压器20的输入端的一输入引脚通过谐振电容18与与半桥驱动电路10中的芯片外围电路12的MOS管U2连接，另一输入引脚与半桥驱动电路10中的半桥驱动芯片11连接；变压器的输出端的两输出引脚与全波整流电路30连接，第三个输出引脚与开关控制电路29以及稳压控制电路28等连接，其中与全波整流电路连接的变压器20的两输出引脚中的一引脚还通过第一滤波电容32与开关控制电路29连接。
[0018]开关控制电路29包括一 MOS管U4，两二极管D9、D10，一电容C12以及一电阻R12，用于作为电子开关，以控制输出端的输出，所述MOS管U4的D极连接于所述滤波电路与稳压控制电路连接之间的线路上，MOS管U4的S极同时与电阻R12的一端、二极管D9的正极连接，电阻R12的另一端则同时与二极管DlO的负极以及MOS管U4的G极连接，二极管DlO的正极同时与二极管D9的负极、第一滤波电容的一端连接，电容C12与电阻R12并联连接。开关控制电路29的各元件组成部分的连接关系详见附图2，这里不再详述。
[0019]稳压控制电路28由三端稳压管201、电阻1?9、1?10、1?11、以及电容09组成，其中电阻R9、RlO串联连接组成电压检测网络，三端稳压管ZDl的参考端则连接到电阻R9、RlO之间的公共节点连接，电容C9的两端则分别连接到三端稳压管ZDl的负极端与参考端，电阻Rll的一端与三端稳压管ZDl的负极端连接另一端则与第一光稱21的输入端中的二极管的阳极引脚连接，三端稳压管ZDl的阳极端则同时与电阻R10、电压器30的输出端、开关控制电路29中的MOS管U4、滤波电路31连接，本实施例中，滤波电路31为电容C10。稳压控制电路28中各元件的连接关系详见附图2。
[0020]状态指示电路27由三极管Tl，电阻R6、R7、R8，指示灯LED1、LED2组成，该状态指示电路，通过三极管的通断来控制指示灯LEDl、LED2的亮灭，从而来对连续可控隔离式有源主动均衡充电模块的工作状态进行指示，状态指示电路中各元件的连接关系详见附图2，这里不再详述。
[0021]以下对本实施例提供的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块的工作原理或工作过程作简单的说明。本主动均衡充电模块采用非对称半桥LLC谐振拓扑，调节方式为PFM模式，其具有转换效率高、开关MOS管应力小、可靠性高等优点。工作时，外部电源信号通过输入端的第一输入端子Pl第二输入端子P2进入，经熔断器16以及滤波耦合电容17后进入半桥谐振电路模块，全桥整流电路19处理后，经变压器20、光耦模块输出至电路输出模块端，该电信号输出过程可以分为二个阶段，第一个阶段经芯片外围电路12中的一个MOS管导通，则变压器20通过初级绕组把能量传递到次级，形成一个半周并把能量存储到输出端的滤波电容31上；第二个阶段经芯片外围电路12中的另一个MOS管导通，同样形成一个半周的能量传递到次级，两个半周期能量形成了一个完整周期，因而形成稳定的能量传递。输入端电路模块的电流通过电流采样电阻24采样，当电流流过电流采样电阻24时产生电压，该电压被峰值电流检测电路23 (二极管D8与电容CS)进行峰值整流采样，再通过第二光耦22进行调频，若采样到的峰值电流过大，则半桥驱动器芯片11的频率上升，主动均衡充电模块的整体功率下降，从而实现电路限流。输出端电路模块中的稳压控制电路28采用高精度恒压恒流器件三端稳压管ZDl，并通过电阻R9和RlO对输出电压进行采样；当电压过高时，三端稳压管ZDl开始工作，第一光耦21导通使得半桥驱动器芯片11频率上升，主动均衡充电模块的整体功率下降，从而输出电压下降；相反，当输出电压下降时，第一光耦21关断，半桥驱动器芯片11频率下降，主动均衡充电模块的整体功率上升，从而输出电压上升，如此往复循环形成动态平衡。当主动均衡充电模块工作时，开关控制电路29中的MOS管U4及DlO等导通，动均衡充电模块可以正常输出电流；当主动均衡充电模块停止工作时，，开关控制电路29中的MOS管U4及DlO等无法从变压器20获取导通电压，因而截止，从而可以确保输出端电路模块的损耗最低，有效降低主动均衡充电模块的能量损耗。
[0022]如附图3所示，图3为图2中所示的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块的效率测试曲线图，其中，纵坐标为主动均衡充电模块的效率，单位为百分比，横坐标为时间，每隔5分钟进行一次数据采样。图中实线为分时采样点曲线，反应主动均衡充电模块在整个均衡过程中的效率情况，可以看到在均衡充电过程的开始和结束阶段均衡充电的效率较低，当效率最低时大约80%左右，在均衡充电过程的中间过程中均衡效率较高，当效率最高时可达到95%左右，图中虚线为平均效率曲线，可以看到均衡充电过程的平均效率在87%左右的水平。测试结果显示该主动均衡充电模块的均衡充电的效率较高，在实际应用中效果良好。
[0023]实施例2
如附图4所示，本实施例提供一种充电系统，该充电系统包括多个主动均衡充电模块2，充电电机3，电池管理系统4，以及包含由多个单体充电电池串联组成的电池组I,充电电机3的输出端与电池组I的正负极连接，电池组I中的每一单体充电电池均通过并联连接一主动均衡充电模块2与所述电池管理系统4连接，电池管理系统4通过通信总线与充电电机3连接，所述主动均衡充电模块2为如实施例1中所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块。
[0024]其中，所述通信总线优选为CAN总线或RS485总线；所述充电电机具有CAN总线接口或RS485总线接口，所述电池管理系统具有CAN总线接口或RS485总线接口。此外，本实施中的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块为模块化设计，具有整体结构简单、尺寸较小，能耗低、发热量低，充电效率高、性能可靠等优点。
[0025]在实际应用中，如将该充电系统用于纯电动大客车的动力电池组进行充电时，假设其动力电池组的额定容量为300Ah，则充电电机3可采用广州益维电动汽车有限公司开发的智能充电电机EVC-600-300、，或者北京玉新联成电子技术有限公司开发的电动汽车用智能充电电机；电池管理系统4则选用能根据电池类型设定充电电压、电流等参数，并提供开放的CAN或RS485总线接口的成熟产品，如广州益维电动汽车有限公司生产的EVB-600锂离子动力电池管理系统，湖南天恒新能源有限公司生产的电动汽车用锂离子锂电池管理系统，哈尔滨冠拓电源设备有限公司开发的MC17型锂动力电池管理系统。
[0026]以下简要说明附图4中充电系统的工作过程:电池组I充电过程分为电池组整体大电流充电和均衡充电两个过程:开始充电时，由于电池组I荷电状态较低，充电电机3的充电电流可设置为0.2C (这里C为电池组的额定容量)；随着电池组I荷电状态的不断提高,可适当降低充电电流。当充电过程中电池管理系统4检测到电池组I中有单体充电电池充满电时，电池管理系统4自动发出控制指令，进入均衡充电过程，由电池管理系统4启动各个主动均衡充电模块2对尚未充满电的单体充电电池继续充电。在均衡充电过程中，电池管理系统4检测各单体充电电池的充电状态，当有单体电池充满电时，电池管理系统4即控制其对应的主动均衡充电模块停止充电，继续对尚未充满的单体电池充电直至所有单体充电电池均充满电。
[0027]相对于现有技术，本实施例提供的充电系统具有以下优点:
(1)低能耗:在均衡充电过程中，已充满电的单体充电电池可直接切断其充电回路，对尚未充满电的单体充电电池则继续进行充电，均衡充电过程中能量损失低；
(2)充电时间短:电池组整体充电过程中，开始充电时采用大电流充电，当电池组中某一单体充电电池接近充满时，采用实施例1中所述的主动均衡充电模块进行均衡充电；当单体充电电池充满时，可以通过电池管理系统切断该单体充电电池的充电回路，继续以相对较大的电流对其他单体充电电池进行充电，因而其充电时间将大大缩短； (3)效率高:均衡充电过程中采用采用实施例1中所述的主动均衡充电模块对单体充电电池进行均衡充电，均衡充电过程中具有能量损失低，均衡充电时间较短，充电效率高等优点；
(4)结构简单实用；充电系统中的每一主动均衡充电模块均均采用模块化设计，具有尺寸小、发热量低、充电效率高且性能可靠等优点。
[0028]上述实施例中提到的内容为本发明较佳的实施方式，并非是对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，包括依次连接的输入端电路模块，电气隔离模块以及输出端电路模块，其特征在于: 所述输入端电路模块包括第一输入端子、第二输入端子、熔断器、谐振滤波耦合电容、半桥谐振电路模块以及全桥整流电路，所述第一输入端子、熔断器、半桥谐振电路模块以及全桥整流电路依次连接，所述第二输入端子与所述滤波耦合电容的一端以及半桥谐振电路模块均连接，所述滤波耦合电容的另一端与所述熔断器连接； 所述电气隔离模块包括光耦模块、电流采样/检测电路以及变压器，所述光耦模块的输出端与全桥整流电路连接，光耦模块的输入端通过所述电流采样/检测电路与半桥谐振电路模块连接，所述变压器的输入端与所述半桥谐振电路模块连接； 所述输出端电路模块包括第一输出端子、第二输出端子、第一滤波电容、稳压控制电路、开关控制电路、全波整流电路以及滤波电路，所述稳压控制电路、开关控制电路以及第一输出端子依次连接，所述全波整流电路的输入端与所述变压器的输出端连接，所述全波整流电路的输出端还与所述稳压控制电路、光耦模块的输入端、第二输出端子以及所述滤波电路的一端均连接，所述滤波电路的另一端连接于稳压控制电路与开关控制电路连接之间的节点J上，所述变压器的输出端还与所述节点J连接，所述开关控制电路还通过所述第一滤波电容与变压器的输出端连接，所述稳压控制电路还与光耦模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，其特征在于:所述半桥谐振电路模块包括启动电阻、谐振电容、半桥驱动电路以及供电电路， 所述启动电阻的一端与所述熔断器连接，启动电阻的另一端与所述半桥驱动电路以及供电电路连接，所述谐振电容的一端与所述变压器的输入端连接，谐振电容的另一端与所述半桥驱动电路以及熔断器连接，所述供电电路还与半桥驱动电路以及第二输出端子连接，所述半桥驱动电路还与所述全桥整流电路以及所述电流采样/检测电路连接。
3.根据权利要求2所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，其特征在于:所述光耦模块包括第一光耦、第二光耦、限流电阻以及第二滤波电容，所述电流采样/检测电路包括峰值电流检测电路与电流采样电阻； 所述第一光耦、第二光耦的输出端均通过第二滤波电容与所述全桥整流电路连接，所述第一光耦的输入端通过限流电阻与所述稳压控制电路连接，所述第二光耦的输入端通过所述峰值电流检测电路与半桥驱动电路连接，所述电流采样电阻一端与所述第二输出端子连接，电流采样电阻的另一端与所述峰值电流检测电路以及与半桥驱动电路均连接。
4.根据权利要求1?3中任一项所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，其特征在于:所述连续可控隔离式有源主动均衡充电模块还包括状态指示电路，所述状态指示电路与所述稳压控制电路、所述节点J以及全波整流电路的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，其特征在于:所述电流采样/检测电路包括一二极管D8、一电容CS以及两并联连接的电流采样电阻R3、R4，二极管D8的负极与第二光耦输入端中二极管的阳极引脚、电容CS的一端同时连接，电容CS的另一端则与第二光耦输入端中二极管的阴极引脚连接，两电流采样电阻R3、R4并联连接后的一端同时与二极管D8的正极以及半桥驱动电路连接，两电流采样电阻R3、R4并联连接后的另一端则与第二输入端子连接。
6.根据权利要求5所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块，其特征在于:所述开关控制电路包括一 MOS管U4，两二极管D9、D10，一电容C12以及一电阻R12，所述MOS管U4的D极连接于所述滤波电路与稳压控制电路连接之间的线路上，MOS管U4的S极同时与电阻R12的一端、二极管D9的正极连接，电阻R12的另一端则同时与二极管DlO的负极以及MOS管U4的G极连接，二极管DlO的正极同时与二极管D9的负极、第一滤波电容的一端连接，电容C12与电阻R12并联连接。
7.一种充电系统，包括多个主动均衡充电模块，充电电机，电池管理系统，以及包含由多个单体充电电池串联组成的电池组，其特征在于:所述充电电机的输出端与所述电池组的正负极连接，所述电池组中的每一单体充电电池均通过并联连接一所述主动均衡充电模块与所述电池管理系统连接，所述电池管理系统通过通信总线与充电电机连接，所述主动均衡充电模块为如权利要求1?6任一项所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块。
8.根据权利要求7所述的充电系统，其特征在于:所述通信总线为CAN总线或RS485总线。
9.根据权利要求8所述的充电系统，其特征在于:所述充电电机具有CAN总线接口或RS485总线接口，所述电池管理系统具有CAN总线接口或RS485总线接口。
10.根据权利要求7?9中任一项所述的充电系统，其特征在于:所述的连续可控隔离式有源主动均衡充电模块为模块化设计。
【文档编号】H02J7/00GK104167780SQ201410369426
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】李慧琪, 欧阳剑 申请人:广州益维电动汽车有限公司