專利名稱：一種直流降壓電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬直流降壓電路技術領域，具體涉及一種用于串聯(lián)電池組 電量均衡的直流降壓電路，特別涉及動力電池組的非能耗實時均衡技 術的降壓電路。
背景技術：
隨著大容量密度、高功率密度蓄電池的應用越來越普遍，電池組 的均衡技術成為電池管理系統(tǒng)的主要任務。目前應用最多的鉛酸蓄電 池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池都存在單元電池之間的不一致現(xiàn)象。 由于生產(chǎn)過程的差異，使用過程的性能變化和其他一些因素，這種差 異無法完全消除。當電池組應用于像電動車輛等需要頻繁充放電循環(huán) 的場合時，為了得到足夠的系統(tǒng)電壓，需要通過電池組的串聯(lián)提高供 電電壓。串聯(lián)連接的電池單元的不均衡會降低整個電池組的有效容 量，放電時只能放到容量最小的電池單元的下限，否則容量最小的電 池單元會出現(xiàn)極性反轉。串聯(lián)充電時，電池組中單元容量最小的電池 首先充滿。如果此時停止充電，則整個電池組無法充滿，電池組的容 量不能得到有效利用。如果繼續(xù)充電至所有電池單元的電池的荷電狀
態(tài)(S0C)至100%，則部分電池單元會出現(xiàn)過充。鉛酸蓄電池雖然可
以允許一定范圍的過充，但必然產(chǎn)生能量浪費，降低充電效率。鋰離 子電池不允許過充，因此電池組的均衡更為重要。目前，串聯(lián)蓄電池組的均衡主要分為能耗法和非能耗法。能耗法 是將電量高的電池單元的電量通過電阻轉換成熱量消耗掉，達到電池 組均衡的目的。這種方法結構簡單、成本低，在小容量、低功率的場 合應用較多。但由于其工作原理的限制，無法滿足大容量電池組的均 衡，均衡時產(chǎn)生大量熱量的同時，會降低電池組的充電效率。
非能耗式均衡的種類較多，其工作原理是將電量多的電池單元的 電荷轉移到電量低的單元或電池組的直流母線上。由于大容量串聯(lián)電 池組的電路設計要求，電池組的串聯(lián)電路關系一般不能改變，因此每 一個電池單元的正負極電壓與電池組的直流母線電壓之間不能隔離， 電池單元的電量轉移一般采用兩種方法 一是隔離變壓器法。通過單 繞組DC/DC模塊，將電池組直流母線的電壓降壓泵入電池單元。二是 通過電池單元間的電量平衡電路逐級轉移。隔離變壓器法的主要缺點 是電能傳遞效率低，電路元器件多，模塊復雜，成本高，可靠性低。 逐級轉移法的缺點是電能轉換次數(shù)多，能量損失大，均衡效率低。同 時由于電能轉移是逐級傳遞關系，如果一個模塊出現(xiàn)故障，則整個系 統(tǒng)的均衡效果會顯著降低，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，串聯(lián)電池組 的非能耗均衡技術需要一種結構簡單，效率高，成本低，模塊能夠獨 立工作的電量轉移電路，以實現(xiàn)大容量串聯(lián)電池組的高效、可靠、低 成本的均衡管理。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是將傳統(tǒng)的Buck降壓電路加以改進，充分利用電 感儲能降壓原理，提供一種結構簡單成本低、模塊能夠獨立工作效率高、用于串聯(lián)電池組電量均衡的一種直流降壓電路。
為實現(xiàn)上述發(fā)明的目的，采用的技術方案是 一種直流降壓電路， 電池組直流母線的正極連接第二開關器件的輸入端，第二開關器件的 輸出端連接儲能電感的一端，儲能電感的另一端連接第一開關器件的 輸入端，第一開關器件的輸出端連接電池組直流母線的負極，構成儲 能電路回路；電池單元負極連接第二二極管陽極，儲能電感與第二開 關器件的輸出端相連接的公共端，與第二二極管的陰極連接，儲能電 感與第一開關器件的輸入端相連接的公共端，與第--二極管的陽極連 接，第一二極管的陰極連接電池單元正極。構成降壓放電回路；第一 和第二開關器件的狀態(tài)由控制電路控制。
當?shù)谝缓偷诙_關器件同時處于導通狀態(tài)時，電池組直流母線的 電壓施加到儲能電感的兩端，并且與儲能電感的剩余電流同向，直流 電流的流動方向為電池組直流母線正極">第二開關器件+儲能電感 —第一開關器件—電池組直流母線負極。儲能電感的電流增大，此階 段為儲能階段。此時電池組直流母線的負極電勢低于電池單元正極電 勢，由于第一二極管的反向截止作用，電池單元的正極電流不會流到 電池組直流母線負極。同時，電池組直流母線的正極電勢高于電池單 元負極電勢，由于第二二極管的反向截止作用，電池組直流母線正極 的電流也不會流到電池單元的負極。
當?shù)谝缓偷诙_關器件同時處于截止狀態(tài)時，儲能電感中的電能 在電感降壓的原理作用下迅速降低至電池單元電壓，儲能電感在所述 儲能階段儲存的電能以直流電流的方式泵送入電池單元。所述控制電路通過驅動電路分別與第一開關器件和第二開關器 件的控制端連接，通過信號檢測電路分別與電池單元的正極和負極連 接，控制電路通過預先設定的均衡檢測方法，判斷電池單元的均衡狀 態(tài)并發(fā)出控制信號，經(jīng)過驅動電路控制開關器件按照前面所述的降壓 原理進行同步導通和截止的重復循環(huán)操作，則電池組直流母線的電量 不斷通過與之對應的降壓電路轉移到電池單元中，實現(xiàn)電池組的非能 耗均衡。
本發(fā)明相對現(xiàn)有其他電能轉移方式，有以下優(yōu)點
1. 效率高。隔離變壓器降壓需要兩次直流電與交流電的變換，變壓器 本身也存在損失。本發(fā)明避免了隔離變壓器法降壓過程中存在的電能 損失，效率高。
2. 結構簡單、成本低。本發(fā)明直流降壓電路不需要直流電與交流電的 變換，原理上只需要五個元器件，結構簡單，成本大大降低。
3. 可靠性高。本發(fā)明在應用于電池組電能均衡管理時，每一個電池單 元對應一個降壓電路，模塊式獨立工作，任一個出現(xiàn)故障，不會影響 其它單元的功能，整個系統(tǒng)的可靠性提高。
4. 可實現(xiàn)標準化、批量化生產(chǎn)。本發(fā)明的降壓比例控制靈活，在一定 功率和降壓比范圍內可以實現(xiàn)電路統(tǒng)一設計，只是改變控制信號，有
利于降低成本，方便系統(tǒng)維護。
以下結合附圖
和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。 圖l為本發(fā)明原理框圖；圖2為串聯(lián)電池組電量均衡系統(tǒng)直流降壓電路原理框圖。
具體實施例方式
將本發(fā)明應用于三節(jié)串聯(lián)電池組的均衡管理，原理框圖如圖2所 示。在圖2中，每一個所述降壓電路與一套控制電路構成一，獨立的 均衡管理模塊，每一個電池單元連接一個所述管理模塊。圖2僅詳細 標明了電池單元106連接的模塊原理框圖。
一種直流降壓電路，其特征在于電池組直流母線的正極連接第 二開關器件101的輸入端，第二開關器件101的輸出端連接儲能電感 102的一端，所述儲能電感102的另一端連接第一開關器件100的輸 入端，第一開關器件100的輸出端連接電池組直流母線的負極，構成 儲能電路回路；電池單元106負極連接第二二極管104的陽哮、第二 二極管104的陰極通過所述儲能電感102、連接第一二極管103陽極、 第一二極管103陰極與電池單元106正極連接，構成降壓放電回路； 所述第一開關器件100和所述第二開關器件101的開關狀態(tài)受控制電 路107控制。
第一開關器件100、第二開關器件101優(yōu)選采用MOSFET或IGBT 器件。雖然第一開關器件IOO、第二開關器件101原理上可以選用不 同的開關器件，但選用相同的器件更為適合。器件的電壓和電流等級 應該考慮模塊的最大適用范圍。分別連接第一開關器件100的輸入端 和第二開關器件101的輸出端的儲能電感102的電感值與電路的工作 頻率等有關，但應該綜合考慮器件成本和工作效率的相互影響。
第一二極管103、第二二極管104優(yōu)選導通壓降小的快恢復或超快恢復二極管。
均衡管理模塊的控制電路107通過驅動電路分別與兩個開關器 件100和101的控制端連接，控制電路107通過信號采集電路分別與 電池單元106的正極和負極連接?？刂齐娐吠ㄟ^預先設定的均衡檢測 方法，判斷電池單元的均衡狀態(tài)。當檢測到與之相連接的電池單元電 量過高時，控制電路發(fā)出控制信號，經(jīng)過驅動電路控制開關器件100、 101按照前面所述的降壓原理進行同步導通和截止的循環(huán)操作。
開關器件的占空比控制電量的轉移功率和降壓比例。第一開關器 件100和第二開關器件101并不要求絕對的同歩導通和截止控制，實 際的電路也不能實現(xiàn)絕對同步。但同步與否并不影響本發(fā)明在降壓原 理上的一致性。
圖2中的電容105的作用主要是平滑濾波，原理上不具有必須性。 但實際設計中，引入電容105并選用合適的參數(shù)和種類可以有效改善 本發(fā)明的均衡性能。
本實施例中電池單元106并不局限于電池單體。對于多級疊加的 拓撲結構，電池單元106可以是集成在一起的電池組。
盡管本發(fā)明已經(jīng)結合附圖和實施例進行了詳細描述，但是應當理 解本發(fā)明不受在此公開的具體說明的限制，許多對于本領域的專業(yè)技 術人員顯而易見的其他改變都應當在本發(fā)明的保護范圍之內。.
權利要求
1.一種直流降壓電路，其特征在于電池組直流母線的正極連接第二開關器件(101)的輸入端，第二開關器件(101)的輸出端連接儲能電感(102)的一端，所述儲能電感(102)的另一端連接第一開關器件(100)的輸入端，第一開關器件(100)的輸出端連接電池組直流母線的負極，構成儲能電路回路；電池單元(106)負極連接第二二極管(104)的陽極，第二二極管(104)的陰極通過所述儲能電感(102)連接第一二極管(103)陽極，第一二極管(103)陰極與電池單元(106)正極連接，構成降壓放電回路；所述第一開關器件(100)和所述第二開關器件(101)的開關狀態(tài)受控制電路(107)控制。
2. 根據(jù)權利要求1所述一種直流降壓電路，其特征在于所述控制電路(107)通過驅動電路分別與所述第一開關器件(100)和第二開關器件(101)的控制端連接，通過信號檢測電路分別與所述電池單元(106)的正極和負極連接，所述控制電路(107)通過預先設定的均衡檢測方法，判斷所述電池單元(106)的均衡狀態(tài)并發(fā)出控制信號，經(jīng)過驅動電路控制所述第一開關器件(100)和第二開關器件(101)交替循環(huán)進行同步導通和截止的操作。
全文摘要
一種直流降壓電路，電池組直流母線的正極與第二開關器件、儲能電感、第一開關器件、電池組直流母線的負極依次連接，構成儲能電路回路；電池單元負極連接第二二極管陽極，第二二極管陰極通過所述儲能電感，與第一二極管的陽極連接，第一二極管的陰極連接電池單元正極，構成降壓放電回路；由控制電路控制第一和第二開關器件的狀態(tài)，交替重復進行同步導通和截止的操作。本發(fā)明有以下優(yōu)點不需要直流電與交流電的變換，避免了隔離變壓器降壓過程中存在的電能損失，結構簡單、成本低，效率高；用于串聯(lián)電池組電量均衡管理時，一個電池單元對應一個降壓電路，模塊化獨立工作，可靠性高；降壓比例控制靈活，可實現(xiàn)標準化、批量化生產(chǎn)。
文檔編號H02J7/00GK101552479SQ20091005189
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權日2009年5月25日
發(fā)明者翼 張, 張鐵柱, 戴作強 申請人:青島大學