CN102064592B

CN102064592B - 一种大功率电池装置

Info

Publication number: CN102064592B
Application number: CN 201110024236
Authority: CN
Inventors: 吕文硕
Original assignee: SHENZHEN HAOWEN ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: Shenzhen Haowen Electronics Co ltd
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: CN102064592A

Abstract

本发明涉及一种大功率电池装置，包括多个由单节电池或多个单节电池串接而成的电池单元，分别并接在所述多个电池单元输出端上的电池管理单元、多个分别连接在所述电池管理单元输出端并输出设定电压的电压转换单元，所述多个电压转换单元的输出端并接，各个电压转换单元有输出端均流信号，以确保各个电压转换单元输出功率相差不大。电压转换单元是双向的，即在电池供电时，能够向输出端提供能量。而在输出端外加一个要求的电压时能够向电池充电。实施本发明的一种大功率电池装置，具有以下有益效果：不会由于电池本身的差异导致输出供电异常、使用中输出电压根据要求可以保持恒定。

Description

一种大功率电池装置

技术领域

本发明涉及可充电电池，更具体地说，涉及一种大功率电池装置。

背景技术

在混合动力汽车、双模车、纯电动汽车、家庭能源***、分布式调峰电站以及所有用串联电池供电的设备中，由于单节电池电压低，很多应用必须是多节电池串联，随着电池（尤其是锂电池）的应用日益广泛和时间的推移，由于电池串联而产生的问题也渐渐暴露，例如，串联中任何一节电池的损坏都会造成供电的中断，没有备份供电，对许多要求不能停电的应用不合适；此时，即使采用备份电池，但成本和体积会大幅上升。此外，由于每节电池有差异，电池串联充放电时很难做到每节电池完全充放电，长时间反复充放电后，易产生某节电池充的非常不饱满，在放电时会先放光，此时整个电池***无法供电，会产生供电时间较新电池大幅减少的现象。同时，电池电压在充电后刚投入使用时电压高，放电后电压较低，不利于后级电路的优化及效率的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述由于电池本身的差异导致供电异常、使用中电池电压降低的缺陷，提供一种不会由于电池本身的差异导致供电异常、使用中输出电压恒定的一种大功率电池装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大功率电池装置，包括多个由单节电池或多个单节电池串接而成的电池单元，分别并接在所述多个电池单元输出端上的电池管理单元、多个分别连接在所述电池管理单元输出端并输出设定电压的电压转换单元，所述多个电压转换单元的输出端并接。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述电池单元中的电池节数相同或不相同；所述电池管理单元的输出电压相同或不相同；所述电压转换单元的输出电压相同。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述电池管理单元包括用于将所述电池单元的输出电压连接到所述电压转换单元的通道、用于由所述通道中取得所述电池单元的参数的参数取得模块、用于接收所述参数取得模块输入参数并输出控制信号的控制模块和用于将所述控制信号输出到所述电压转换单元或执行机构的控制信号输出模块。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述参数取得模块包括用于取得所述通道上当前电流值的电流取样装置、用于取得所述通道上电压值的电压取样装置以及用于取得所述电池单元当前温度的温度取得装置。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述控制信号输出模块包括用于将控制所述电压转换装置的输出电流的信号传输到所述电压转换装置的的输出电流控制装置、用于将控制所述电压转换装置的输出电压的信号传输到所述电压转换装置的的输出电压控制装置以及用于输出控制所述电池单元与所述电压转换单元的通道接通或断开的电池投入断开控制装置。

在本发明所述的大功率电池装置中，还包括串接在所述电池单元与所述电压转换单元的通道通道上的、受所述电池投入断开控制装置控制其通断的第一开关。

在本发明所述的大功率电池装置中，电压转换单元为在电池单元有能量时向负载输出供电、在输出端有外加电压时向电池单元充电的双向DC/DC变换器。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述DC/DC变换器包括双向反激直流变换器。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述DC/DC变换器包括与所述电池单元连接的第一电压产生单元、与所述多个电压转换单元输出端连接的第二电压产生单元、控制所述第一电压产生单元和所述第二电压产生单元的电压转换控制单元；所述第一电压产生单元包括其输出分别输送到所述电压转换控制单元输入端的第一电压采样装置和第一电流采样装置；所述第二电压产生单元包括其输出分别输送到所述电压转换控制单元输入端的第二电压采样装置和第二电流采样装置。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述第一电压产生单元包括非隔离双向变换器或隔直流变换器，所述第二电压产生单元包括隔直流变换器或非隔离双向变换器；所述第一电压产生单元和第二电压产生单元中有且仅有一个为非隔离双向变换器。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述非隔离双向变换器包括正向升压反向降压电路、正向降压反向升压或正反向升降电路。

在本发明所述的大功率电池装置中，在输入电压和输出电压不需要隔离时，所述DC/DC变换器包括非隔离双向直流变换器。

在本发明所述的大功率电池装置中，所述隔离直流变换器包括但不限于如下电路：原边半桥副边半桥电路、原边半桥副边推挽电路、原边半桥副边全桥电路、原边推挽副边半桥电路、原边推挽副边推挽电路、原边推挽副边全桥电路、原边全桥副边半桥电路、原边全桥副边推挽电路或原边全桥副边全桥电路。

实施本发明的一种大功率电池装置，具有以下有益效果：由于使用较少的电池节数构成电池单元，同时通过电压转换单元使得其输出电压提升到需要的额定电压，所以，该大功率电池装置不会由于电池本身的差异导致供电异常、使用中输出电压可以恒定。

附图说明

图1是本发明一种大功率电池装置及其装置实施例中大功率电池装置的结构示意图；

图2是所述实施例中是电池向输出端供电时的电流方向示意图；

图3是所述实施例中电池管理单元的结构示意图；

图4是所述实施例中电压转换单元的结构示意图；

图5是本发明中其他实施例中电压转换单元的结构示意图；

图6是本发明其他实施例中电压转换单元中非隔离变换器采用的正向升压反向降压电路的拓扑结构示意图；

图7是本发明其他实施例中电压转换单元中非隔离变换器采用的正向降压反向升压电路的拓扑结构示意图；

图8是本发明其他实施例中电压转换单元中非隔离变换器采用的正反向升降压电路的拓扑结构示意图；

图9是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边半桥副边半桥电路的拓扑结构示意图；

图10是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边半桥副边推挽电路的拓扑结构示意图；

图11是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边半桥副边全桥电路的拓扑结构示意图；

图12是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边推挽副边半桥电路的拓扑结构示意图；

图13是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边推挽副边推挽电路的拓扑结构示意图；

图14是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边推挽副边全桥电路的拓扑结构示意图；

图15是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边全桥桥副边半桥电路的拓扑结构示意图；

图16是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边全桥副边推挽电路的拓扑结构示意图；

图17是本发明其他实施例中电压转换单元中隔离变换器采用的原边全桥副边全桥电路的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明一种大功率电池装置实施例中，该大功率电池包括多个（m个）电池单元（101、102…10m），每个电池单元的输出端上分别并接有一个电池管理单元（201、202…20m），电池单元通过上述电池管理单元向外提供电压和电流；在上述每个电池管理单元的输出端，分别连接有一个电压转换单元（301、302…30m），上述电压转换单元的作用是将电池单元提供的电压转换为一个根据需要设定的电压并对外提供，在本实施例中，该设定的电压就是该大功率电池装置的额定输出电压。在本实施例中，上述第一电池单元101中包括了串接的单节电池11、单节电池12直到单节电池1i，其中，i是大于或等于1的整数；第二电池单元201中串接的单节电池21、单节电池22直到单节电池2j，其中，j是大于或等于1的整数；而第m个电池单元10m中包括串接的单节电池m1、单节电池m2直到单节电池mk，其中，m、k均是大于或等于1的整数。在本实施例中，上述各电池单元中的单节电池的数量是不相同的，也就是讲，上述i、j、k是不相等的。在其他实施例中，也可以使得上述各电池单元中的单节电池的数量也可以是相等。

在本实施例中，由于上述各电池单元中的单节电池的数量并不相等，所以，其串联后输出的电压也不相同，经过各自的电池管理单元（101、102…10m）后输出到分别与上述电池管理单元（101、102…10m）连接的电压转换单元（301、302…30m）的电压输入端的直流电压也不相同，在通过上述不同的第一电压转换单元（301、302…30m）之后，上述不同的直流电压被转换为相同的电压。同时，上述各个电压转换单元（301、302…30m）的电压输出端并接在一起，使得在上述额定输出电压上的负载能力大为增强，达到满足该大功率电池装置设计的带负载能力。

以上的各部分及其连接，构成了本实施例中各个电池单元（101、102…10m）到电压转换单元（101、102…10m）、负载的供电回路。

如图2和图3所示，在本实施例中，由于电压转换单元是一个双向的DC/DC变换器，即电池既可以向输出供电，也可以在输出端外加电压时向电池充电。

图2表示的是电池供电时的电流方向示意图。其中701标示电池组输出正端、电池管理单元输入正端，702标示电池组输出负端、电池管理单元输入负端，801表示电池管理单元的正端、电压转换单元的输入正端，802表示电池管理单元的输出负端、电压转换单元的输入负端，901表示电压转换单元的输出正端，902表示电压转换单元的输出负端。在输出端外加电压时，向电池充电的电流方向与图2中相反。

图3是在本实施例中一个电池管理单元的结构的结构示意图。在图3中，电池单元1的电压输出端（或充电端）通过保险5和第一开关6与外界连接，在本实施例中是与电压转换单元连接，这些连接就构成了电池单元1的通道（用于放电或充电）。同时，控制模块3通过参数取得模块2取得上述电池单元的各种参数，并按照事先设定的规则，依据上述取得的各种参数的值输出控制信号，这些控制信号通过控制信号输出模块4输出到其控制的对象上，例如，输出到上述电压转换单元或第一开关。在本实施例中，上述参数取得模块包括用于取得上述通道中当前电流值的电流取样装置21、用于取得上述通道中的当前电压值的电压取样装置23以及用于取得上述电池单元1上温度值的温度取样装置22。在本实施例中，上述温度取样装置22还包括了紧贴在上述电池单元1上的热敏电阻221，其随电池单元1的温度变化而改变阻值；电流取样装置21还包括互感器222；而电压取样装置23则是通过图3中的分压电路取得上述通道中的当前电压的。

此外，在本实施例中，上述控制信号输出单元包括电流控制装置41、电压控制装置42和接入控制装置43；其中，电流控制装置41接受控制模块3输出的电流控制信号并将其发送到电压转换单元，用于控制上述电压转换单元的输出电流；电压控制装置42接受控制模块3输出的电压控制信号并将其发送到电压转换单元，用于控制上述电压转换单元的输出电压；而接入控制装置43则在上述控制单元3输出控制信号时，控制上述第一开关6的导通或截止，使得上述通道接通或断开。

图4是本实施例中一个电压转换单元的结构示意图，在本实施例中，电压转换单元是一个在变压器原副边都有MOSFET的双向反激变换器，其中包括和电池管理单元相接的原边部分8，和输出端相接的副边部分9，以及电压转换控制单元7。具体而言，在图4中，VIN+和VIN-分别与电池管理单元的正、负输出端连接，VOUT+和VOUT-是多个电压转换单元输出端并接的地方，原副边部分通过变压器（L1、L2）耦合。电压控制单元7接受来自原边部分8的电压信号、原边MOSFET（Q1）上的电流信号I1，并控制原边MOSFET（Q1）的通断；接受来自副边部分9的电压信号、副边MOSFET（Q2）上的电流信号I2，并控制副边MOSFET（Q2）的通断；同时，电压控制单元7还接受电池管理单元送出的信号、输出和接受均流信号，通过控制上述MOSFET（Q1、Q2）的通断来实现对电流充放电的控制以及在电池供电时保证各个电池单元输出的功率大致相同（即均流）以及在其连接的电池单元出现故障时使得该电池单元单独退出工作。

更具体地，在本实施例中，上述原边部分8包括电阻R1、电阻R2、电容C1、变压器原边L1、第一受控开关Q1以及互感器I1，其中，输入电压端VIN+通过变压器原边L1及第一受控开关Q1的两个开关端连接到输入电压端VIN-，互感器I1设置在上述VIN-上，取得第一受控开关Q1上电流值并连接到上述电压转换控制单元7的一个数据输入端，用于控制第一受控开关Q1上的尖峰电流；电容C1并接在输入电压端VIN+和VIN-之间；电阻R1和电阻R2串接后并接在上述输入电压端VIN+和VIN-之间，由上述电阻R1和电阻R2的连接点取得电压值并输送到上述电压转换控制单元7的另一个数据输入端，所以电阻R1和电阻R2形成第一电压采样装置；同时，电压转换控制单元7输出控制信号GQ1到上述第一受控开关Q1的控制端，控制第一受控开关Q1的开通时间等状态。副边部分9包括电阻R3、电阻R4、电容C2、变压器副边L2、第二受控开关Q2以及互感器I0及互感器I2，其中，输出电压端VOUT+通过电感变压器副边L2及第二受控开关Q2的两个开关端连接到输入电压端VOUT-，互感器I2设置在上述VOUT-上，取得其上电流值并连接到上述电压转换控制单元7的一个数据输入端，用于控制第二受控开关Q2上的尖峰电流；电容C2并接在输入电压端VOUT+和VOUT-之间；电阻R3和电阻R4串接后并接在上述输入电压端VOUT+和VOUT-之间，由上述电阻R3和电阻R4的连接点取得电压值并输送到上述电压转换控制单元7的另一个数据输入端，所以电阻R3和电阻R4形成第二电压采样装置；互感器I0设置在VOUT+上，取得其上电流值并连接到上述电压转换控制单元7的另一个数据输入端，用于控制输出电流；同时，电压转换控制单元7输出控制信号GQ2到上述第二受控开关Q2的控制端，控制第二受控开关Q2的开通时间等状态。

此外，在其他实施例中，参见图5。第一电压产生单元和第二电压产生单元中有一个是非隔离的双向变换器，而另一个是隔离的变换器。至于哪一个是非隔离的双向变换器，则可以依据具体情况选择，可以是第一电压产生单元，也可以是第二电压产生单元。非隔离双向变换器可以包括正向升压反向降压电路、正向降压反向升压或正反向升降电路等等，参见图6-图8，其中图6是正向升压、反向降压电路的拓扑结构示意图，图7是正向降压、反向升压电路的拓扑结构示意图，而图8是正、反向可升可降电路（即正反向升降电路）的拓扑结构示意图；隔离变换器也可以依具体情况选择多种电路形式，参见图9-图17，其中图9是原边半桥、副边半桥电路的拓扑结构示意图；图10是原边半桥、副边推挽电路的拓扑结构示意图；图11是原边半桥、副边全桥电路的拓扑结构示意图；图12是原边推挽、副边半桥电路的拓扑结构示意图；图13是原边推挽、副边推挽电路的拓扑结构示意图；图14是原边推挽、副边全桥电路的拓扑结构示意图；图15是原边全桥、副边半桥电路的拓扑结构示意图；图16是原边全桥、副边推挽电路的拓扑结构示意图；图17是原边全桥、副边全桥电路的拓扑结构示意图。值得一提的是，这些电路仅仅只是列出说明隔离变换器可以选择的范围，并不是隔离变换器可以选择的全部电路形式。由于这些电路形式均为本领域技术人员所悉知，在此就不一一列举。

在输入电压和输出电压不需要隔离的实施例中，DC/DC变换器也可以仅仅是非隔离双向直流变换器，同样由于非隔离双向直流变换器的电路形式均为本领域技术人员所悉知，在此不再赘述。

总之，在本实施例中，由于是多组电池分别通过各自的电池管理单元和电压转换单元后并联输出，即使某一个电池损坏或先放完电，只需要对这个电池所在的电压转换单元退出工作，并不影响整体输出。同样，要增大功率只需多并入电池组及其装置即可。同时由于电压转换单元是一个双向的DC/DC变换器，在输出端外加电压时可以通过电池管理单元对电池充电，解决了多组电池充电的问题。由于多组电池分别通过各自的电池管理单元后通过电压转换单元并接，即使某一节电池损坏或先放完电，通过所接的电池管理单元使得所接单元停止工作，并不影响整个供电，提高了供电的可靠性，延长了供电时间。在输出端外加电压时，通过电压转换单元向电池充电，解决了多组电池充电的问题。也可以多增加一到几个装置，增强供电能力的可靠性，即有电池故障或先放完电时，其它电池组也能提供额定的负载能力。此外，所述电压转换单元是一种双向DC/DC变换器，即电池组可以通过DC/DC向输出端供电（如图2所示），也可以在输出端外加所需的电压向电池充电（如图3所示）。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种大功率电池装置，其特征在于，包括多个由单节电池或多个单节电池串接而成的电池单元，分别并接在所述多个电池单元输出端上的电池管理单元、多个分别连接在所述电池管理单元输出端并输出设定电压的电压转换单元，所述多个电压转换单元的输出端并接；所述电池单元中的电池节数相同或不相同；所述电池管理单元的输出电压相同或不相同；所述电压转换单元的输出电压相同。

2.根据权利要求1所述的大功率电池装置，其特征在于，所述电池管理单元包括用于将所述电池单元的输出电压连接到所述电压转换单元的通道、用于由所述通道中取得所述电池单元的参数的参数取得模块、用于接收所述参数取得模块输入参数并输出控制信号的控制模块和用于将所述控制信号输出到所述电压转换单元或执行机构的控制信号输出模块。

3.根据权利要求2所述的大功率电池装置，其特征在于，所述参数取得模块包括用于取得所述通道上当前电流值的电流取样装置、用于取得所述通道上电压值的电压取样装置以及用于取得所述电池单元当前温度的温度取得装置。

4.根据权利要求3所述的大功率电池装置，其特征在于，所述控制信号输出模块包括用于将控制所述电压转换装置的输出电流的信号传输到所述电压转换装置的输出电流控制装置、用于将控制所述电压转换装置的输出电压的信号传输到所述电压转换装置的输出电压控制装置以及用于输出控制所述电池单元与所述电压转换单元的通道接通或断开的电池投入断开控制装置。

5.根据权利要求4所述的大功率电池装置，其特征在于，还包括串接在所述电池单元与所述电压转换单元的通道上的、受所述电池投入断开控制装置控制其通断的第一开关。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的大功率电池装置，其特征在于，电压转换单元为在电池单元有能量时向负载输出供电、在输出端有外加电压时向电池单元充电的双向DC/DC变换器。

7.根据权利要求6所述的大功率电池装置，其特征在于，所述DC/DC变换器包括双向反激直流变换器。

8.根据权利要求6所述的大功率电池装置，其特征在于，所述DC/DC变换器包括与所述电池单元连接的第一电压产生单元、与所述多个电压转换单元输出端连接的第二电压产生单元、控制所述第一电压产生单元和所述第二电压产生单元的电压转换控制单元；所述第一电压产生单元包括其输出分别输送到所述电压转换控制单元输入端的第一电压采样装置和第一电流采样装置；所述第二电压产生单元包括其输出分别输送到所述电压转换控制单元输入端的第二电压采样装置和第二电流采样装置。

9.根据权利要求8所述的大功率电池装置，其特征在于，所述第一电压产生单元包括非隔离双向变换器或隔直流变换器，所述第二电压产生单元包括隔直流变换器或非隔离双向变换器；所述第一电压产生单元和第二电压产生单元中有且仅有一个为非隔离双向变换器。

10.根据权利要求9所述的大功率电池装置，其特征在于，所述非隔离双向变换器包括正向升压反向降压电路、正向降压反向升压或正反向升降电路。

11.根据权利要求6所述的大功率电池装置，其特征在于，在输入电压和输出电压不需要隔离时，所述DC/DC变换器包括非隔离双向直流变换器。

12.根据权利要求9所述的大功率电池装置，其特征在于，所述隔离直流变换器包括如下电路：原边半桥副边半桥电路、原边半桥副边推挽电路、原边半桥副边全桥电路、原边推挽副边半桥电路、原边推挽副边推挽电路、原边推挽副边全桥电路、原边全桥副边半桥电路、原边全桥副边推挽电路或原边全桥副边全桥电路。