电池组充放电电路的制作方法

1.本实用新型涉及电池充放电技术领域，尤其是涉及一种电池组充放电电路。


背景技术：

2.在电池充放电领域中，通常会用到双向dc-dc变换器技术，如图1所示为现有技术中的buck-boost双向直流变换器。当该变换器处于buck模式时，若开关s01导通，则开关s04导通，开关s02和s03断开，电源向电感l01充电存储能量，同时电容c02维持输出电压基本恒定，并给电池充电；若开关s01断开，则s02和s04导通，s03断开，电感l01的电流通过开关s02和s04续流。当该变换器处于boost模式时，若开关s01和s04导通，开关s02和s03断开，电源向电感l01充电存储能量，同时电容c02维持输出电压基本恒定，并给电池充电；若开关s01和s03导通，开关s02和s04断开，电感l01的电流通过开关s01和s03续流。对于这种变换器，具备以下缺点：所需的电感体积较大、纹波和谐波较大、emc(electro magnetic compatibility，电磁兼容性)较差；且只能够给单个电池充电，效率较低。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本实用新型提出了一种电池组充放电电路，能够同时给多个电池充电，且电感电流的谐波较小。
4.根据本实用新型实施例的电池组充放电电路，包括：电源；buck电路，与所述电源电性连接，所述buck电路内具有储能元件；电池组充放电模块，与所述buck电路电性连接，所述电池组充放电模块包括多个依次串联的dc-dc充放电单元，每个所述dc-dc充放电单元内分别具有电池；第一控制模块，连接有第一载波信号；第二控制模块，连接有第二载波信号；其中，所述第一控制模块用于根据所述buck电路的输出电流和所述第一载波信号，控制所述电源对所述储能元件充电，及所述电源通过所述buck电路对所述电池组充放电模块提供充电电流，或者，控制所述储能元件对所述电池组充放电模块提供充电电流；所述第二控制模块用于根据每个所述dc-dc充放电单元内的所述电池的充电电压和所述第二载波信号，控制所述dc-dc充放电单元对相应的所述电池进行充电或者将相应的所述电池旁路。
5.根据本实用新型实施例的电池组充放电电路，至少具有如下有益效果：前级采用buck控制模式，后级采用多个依次串联的dc-dc充放电单元给电池充电，利用每个电池需要充电的电量或者充电状态不一样，得到不同的充电电压反馈信号，从而相应的控制每个dc-dc充放电单元对电池进行充电或将电池旁路；这样能够使得电池组母线电压上升和下降会存在多个电平，从而降低了母线电压的上升斜率和下降斜率，减小了共模电压；且电感电压变化较小，电感电流峰峰值较小，从而减小了电感的纹波，所需要的电感的体积也相应减小。
6.根据本实用新型的一些实施例，所述储能元件为电感，所述buck电路还包括：第一开关模块，所述第一开关模块的第一端与所述电源的正极端电性连接；第二开关模块，所述第二开关模块的第一端分别与所述第一开关模块的第二端和所述电感的第一端电性连接，
所述电感的第二端与所述电池组充放电模块的第一端电性连接，所述第二开关模块的第二端分别与所述电源的负极端和所述电池组充放电模块的第二端电性连接。
7.根据本实用新型的一些实施例，每个所述dc-dc充放电单元包括第三开关模块、第四开关模块和所述电池，所述第三开关模块的第一端与所述第四开关模块的第一端电性连接，所述第四开关模块的第二端与所述电池的正极端电性连接，所述第三开关模块的第二端与所述电池的负极端电性连接；其中，多个所述dc-dc充放电单元的所述第三开关模块依次串联形成一通路，所述通路的两端分别与所述电感的第二端和所述第二开关模块的第二端电性连接。
8.根据本实用新型的一些实施例，所述第一控制模块包括：电流转电压单元，用于采集所述buck电路的输出电流，并将所述输出电流转换为第一电压；第一比较器，所述第一比较器的第一输入端连接所述第一电压，所述第一比较器的第二输入端连接第一参考电压；第二比较器，所述第二比较器的第一输入端连接所述第一载波信号，所述第二比较器的第二输入端与所述第一比较器的输出端电性连接；第一驱动单元，所述第一驱动单元的输入端与所述第二比较器的输出端电性连接，所述第一驱动单元的输出端分别与所述第一开关模块的受控端和所述第二开关模块的受控端电性连接。
9.根据本实用新型的一些实施例，所述第二控制模块包括多个控制单元，所述控制单元与所述dc-dc充放电单元一一对应，每个所述控制单元包括：第三比较器，所述第三比较器的第一输入端连接相应的所述电池的充电电压，所述第三比较器的第二输入端连接第二参考电压；第四比较器，所述第四比较器的第一输入端连接所述第二载波信号，所述第四比较器的第二输入端与所述第三比较器的输出端电性连接；第二驱动单元，所述第二驱动单元的输入端与所述第四比较器的输出端电性连接，所述第二驱动单元的输出端分别与相应的所述第三开关模块的受控端和所述第四开关模块的受控端电性连接。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述第一载波信号和所述第二载波信号采用同步的载波信号。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述第一载波信号和所述第二载波信号采用同步的三角载波信号。
12.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
13.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
14.图1为现有技术中的buck-boost双向直流变换器；
15.图2为本实用新型实施例的电池组充放电电路的原理图(除去第一控制模块和第二控制模块)；
16.图3为本实用新型实施例的第一控制模块和控制单元的原理示意图；
17.图4为本实用新型实施例的第四开关的导通状态的变化示意图；
18.图5为在第一载波信号和第二载波信号采用同步的三角载波信号时，vs1、母线电压、电感电压和电感电流的波形变化示意图；
19.图6为在第一载波信号和第二载波信号采用不同步的三角载波信号时，vs1、母线电压、电感电压和电感电流的波形变化示意图。
具体实施方式
20.本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
21.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
22.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
23.第一方面，如图2和图3所示，根据本实用新型实施例的电池组充放电电路，包括电源100、buck电路200、电池组充放电模块300、第一控制模块400和第二控制模块；buck电路200与电源100电性连接，buck电路200内具有储能元件；电池组充放电模块300与buck电路200电性连接，电池组充放电模块300包括多个依次串联的dc-dc充放电单元310，每个dc-dc充放电单元310内分别具有电池；第一控制模块400连接有第一载波信号；第二控制模块连接有第二载波信号；其中，第一控制模块400用于根据buck电路200的输出电流和第一载波信号，控制电源100对储能元件充电，及电源100通过buck电路200对电池组充放电模块300提供充电电流，或者，控制储能元件对电池组充放电模块300提供充电电流；第二控制模块用于根据每个dc-dc充放电单元310内的电池的充电电压和第二载波信号，控制dc-dc充放电单元310对相应的电池进行充电或者将相应的电池旁路。
24.具体地，如图2所示，在本实用新型的一些实施例中，电源100采用的是电压源。buck电路200内的储能元件指的是电感l，buck电路200还包括第一开关模块210和第二开关模块220，第一开关模块210的第一端与电源100的正极端电性连接；第二开关模块220的第一端分别与第一开关模块210的第二端和电感l的第一端电性连接，电感l的第二端与电池组充放电模块300的第一端电性连接，第二开关模块220的第二端分别与电源100的负极端和电池组充放电模块300的第二端电性连接。其中，第一开关模块100主要包括第一开关s1，第二开关模块200主要包括第二开关s2，第一开关s1和第二开关s2形成互补的半桥开关网络；第一开关s1和第二开关s2可以采用mos管，也可以是其它常见的开关元件。可以理解的是，buck电路200除了采用图2示出的电路，其它常规的buck电路也同样适用于本实用新型。当第一开关模块210导通，且第二开关模块220断开时，电源100可以对电感l充电，且电源100可以通过第一开关s1和电感l对电池组充放电模块300提供充电电流；当第二开关模块220导通，且第一开关模块210断开时，电源100无法为电池组充放电模块300提供充电电流，此时电感l上的电流流经电池组充放电模块300和第二开关s2进行续流。
25.如图2所示，在本实用新型的一些实施例中，电池组充放电模块300包括多个依次
串联的dc-dc充放电单元310。如图2所示，以三个dc-dc充放电单元310为例，阐述本实用新型的电池组充放电模块300的工作原理。可以理解的是，dc-dc充放电单元310的具体数量并不受限定，可根据实际需要进行调整。如图2所示，每个dc-dc充放电单元310分别包括第三开关模块311、第四开关模块312及电池；在每个dc-dc充放电单元310中，第三开关模块311的第一端与第四开关模块312的第一端电性连接，第四开关模块312的第二端与电池的正极端电性连接，第三开关模块311的第二端与电池的负极端电性连接；其中，三个dc-dc充放电单元310的第三开关模块311依次串联，且第一个开关模块311的一端与电感l的第二端电性连接，最后一个开关模块311的一端与第二开关模块220的第二端电性连接。其中，第三开关模块311包括第三开关(如图2示出的s31/s32/s33)，第四开关模块312包括第四开关(如图2示出的s41/s42/s43)，每个第三开关和第四开关可以采用mos管或其它常见的开关元器件。在每个dc-dc充放电单元310中，当第三开关模块311导通，且第四开关模块312断开时，dc-dc充放电单元310可以对电池进行充电；当第四开关模块312导通，且第三开关模块311断开时，电池被旁路，无法充电。
26.根据本实用新型实施例的电池组充放电电路，电源100通过互补的半桥开关网络s1和s2，采用buck控制模式产生电流源，当s1导通、s2断开时，电源100经过电感l，电感l的电流上升；当s1断开，s2导通时，电感l的电流经过s2续流，电流逐渐下降。电源所提供的电流经过滤波后，可以得到比较平缓的恒流源，恒流源经过半桥开关网络s31和s41给电池1充电，若s41导通，s31断开，则给电池1充电；若s31导通，s41断开，则将电池1短路，不对电池1充电。同理，恒流源经过半桥开关网络s32和s42给电池2充电，若s42导通，s32断开，则给电池2充电；若s32导通，s42断开，则将电池2短路，不对电池2充电。恒流源通过半桥开关网络s33和s43给电池3充电，若s43导通，s33断开，则给电池3充电；若s33导通，s43断开，则将电池3短路，不对电池3充电。由于每个dc-dc充放电单元310中的半桥开关网络是互补的，总有一个开关管是导通状态，所以电池1、电池2、电池3的充电电路是解耦的，互不影响。
27.如图3所示，在本实用新型的一些实施例中，第一控制模块400包括电流转电压单元、第一比较器u1、第二比较器u2和第一驱动单元；电流转电压单元用于采集buck电路200的输出电流，并将输出电流转换为第一电压，第一比较器u1的第一输入端连接第一电压，第一比较器u1的第二输入端连接第一参考电压vref1；第二比较器u2的第一输入端连接第一载波信号，第二比较器u2的第二输入端与第一比较器u1的输出端电性连接；第一驱动单元的输入端与第二比较器u2的输出端电性连接，第一驱动单元的输出端分别与第一开关模块100的受控端和第二开关模块200的受控端电性连接。第一比较器u1将第一电压与第一参考电压vref1进行比较和放大后，得到相应的控制信号；第二比较器u2对该控制信号与第一载波信号进行比较，当该控制信号小于第一载波信号时，第一驱动单元控制第一开关模块100导通，第二开关模块200断开；当该控制信号大于第一载波信号时，第一驱动单元控制第二开关模块200导通，第一开关模块100断开。其中，第一驱动单元可以采用常见的控制器，如mcu等。
28.在本实用新型的一些实施例中，第二控制模块包括多个控制单元500，控制单元500与dc-dc充放电单元310一一对应。如图3所示，示出了其中一个控制单元500的结构示意图。可以理解的是，控制单元500的实际数量与dc-dc充放电单元310的数量一致，每个控制单元500控制相应的一个dc-dc充放电单元310的工作状态。以其中一个控制单元500为例，
控制单元500包括第三比较器u3、第四比较器u4和第二驱动单元；第三比较器u3的第一输入端连接相应的电池(例如电池1)的充电电压，第三比较器u3的第二输入端连接第二参考电压vref2；第四比较器u4的第一输入端连接第二载波信号，第四比较器u4的第二输入端与第三比较器u3的输出端电性连接；第二驱动单元的输入端与第四比较器u4的输出端电性连接，第二驱动单元的输出端分别与相应的第三开关模块311的受控端和第四开关模块312的受控端电性连接。其中，第二驱动单元可以采用常见的控制器，如mcu等。
29.如图4所示，每个电池的充电电压分别与第二参考电压vref2通过第三比较器u3的比较和放大后，产生相应的控制信号，该控制信号与第二载波信号通过第四比较器u4进行比较；当控制信号小于第二载波信号时，第四开关(s41/s42/s43)导通，给相应的电池(电池1/电池2/电池3)充电；当控制信号大于第二载波信号时，第三开关(s31/s32/s33)导通，将相应的电池(电池1/电池2/电池3)短路。由于每个电池所需要的充电量可能不一样，或者是每个电池的充电状态不同，所以反馈的充电电压信号也就不同，每个第三开关和第四开关的导通时间也就不同，这样便能够根据每个电池的不同需求，对电池进行充电。同时，由于在整个电路中，每个dc-dc充放电单元310内的开关的导通状态不同，导致母线电压在上升或者下降时会存在多个电平，从而降低了母线电压的上升斜率和下降斜率，减小了共模电压。由公式可以看出，当母线电压u的变化率变小时，减小共模电压，此时电感l的电流上升和下降的峰峰值电流减小，电流的谐波就会比较小，所需的电感的体积也会减小。
30.当第一载波信号和第二载波信号采用的是同步的三角载波信号时，电压vs1、母线电压、电感电压和电感电流的波形变化示意图如图5所示。电感电压＝vs1-母线电压，在第一阶段，电路对电池充电，但此时开关s1还未导通，vs1＝0v，电感电压为负，电感电流下降；第二阶段，开关s1导通，vs1等于电源电压，此时电感电压为正，电感电流上升；第三阶段，开关s1断开，开关s2导通，vs1＝0v，电路还在对电池充电，电感电压为负，电感电流下降；第四阶段，第三开关s31、s32、s33开通，不对电池充电。
31.当第一载波信号和第二载波信号采用的是不同步的三角载波信号时，电压vs1、母线电压、电感电压和电感电流的波形示意图如图6所示。当开关s1导通时，电路开始对电池充电，vs1等于电源电压，电感电压为正，电流上升；当开关s1断开时，继续对电池充电，vs1＝0v，电感电压为负，电流下降。通过图5和图6的对比可以看出，当第一载波信号和第二载波信号采用的是同步的三角载波信号时，电感电压变化较小，电感峰峰值电流更小。因此，在本实用新型实施例中，采用的是同步的三角载波信号，在平均电流相同的情况下，电感纹波较小，电流谐波更小，需要的电感的体积更小。
32.根据本实用新型实施例的电池组充放电电路，前级采用buck控制模式，后级采用多个依次串联的dc-dc充放电单元310给电池充电，利用每个电池需要充电的电量或者充电状态不一样，得到不同的充电电压反馈信号，从而相应的控制每个dc-dc充放电单元310中的第三开关模块311和第四开关模块312的导通状态；这样使得电池组母线电压上升和下降会存在多个电平，从而降低了母线电压的上升斜率和下降斜率，减小了共模电压；且电感电压变化较小，电感电流峰峰值较小，从而减小了电感的纹波，所需要的电感的体积也相应减小。
33.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“进一步实施例”、“一些具体实施
例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
34.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。