CN105515101A - 锂电池组用双向电源 - Google Patents
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Abstract
本发明锂电池组用双向电源，包括锂离子电池组、电容C1以及外部电源；在所述锂离子电池组的正极和负极之间串接一半双桥电路；电感L，所述电感L的一端连接在所述第二MOS管S2的漏极与所述第一MOS管S1的源极的连接处，所述电感L的另一端连接在所述第四MOS管S4的漏极与所述第三MOS管S3的源极的连接处。本发明锂电池组用双向电源解决了原来方案中外部电源反接引起的问题，原方案中开机默认状态为充放电MOS均导通，当外部电源反接，功率MOS承受电压为电池电压加上外部电源电压的二者之和，通常超过MOS正常耐压造成电压击穿。
Description
技术领域
本发明涉及电池组充放电管理电路，特别是一种锂电池组用双向电源。
背景技术
伴随着整个电信业务的快速发展，应用于电信网络的各种技术层出不穷。光通信技术一直都是整个通信领域关注的焦点之一。同样，随着宽带用户的快速增长，在接入网络层面，较之传统的铜线接入技术，光纤接入有着覆盖面积广、传输距离远、带宽高、安全、建设维护成本低等优点，“光进铜退”成为必然选择。在这个过程中，电源问题成为影响光通信质量的关键问题之一，光网络必须配备性能更加完善的电源管理***。
传统的通信设备备用电源是铅酸电池，但是铅酸电池有其固有的缺点：污染、体积大、维护成本高，被低碳环保的锂离子电池取代已成为一种趋势。锂离子电池取代铅酸电池需要一个过程，目前通信设备电源为了兼容铅酸电池及锂离子电池，***所输出的充电电压能够使铅酸电池充满电，但可能不足以使锂离子电池充满，因此为了使通信设备有更好的备用电源兼容性，锂离子电池备用电源***需要将充电电压进行升压(即低压充电)。
现有电池管理***设计中，出于成本考虑而采用功率MOS反向串联来实现充电与放电功能的单独控制，S1为放电MOS管，S2为充电MOS管，如图1所示。其缺点主要表现在限流充电方面：
1、BMS处于限流充电状态时，电流冲击大，用更多的MOS管并联来实现均分大电流；
2、电解电容发热严重，其使用寿命收到严重影响；
3、功率MOS处于硬开关状态，开通和关断损耗大，需要配置大面积散热器，体积上升；
4、由于功率管的高速通断造成高频电流而非静态电流的产生，由于高频电流的趋肤效应，出现导线发热严重；
5、EMI、EMC问题突出，不容易通过安规测试。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种解决了原先外部电源反接引起的上述问题的锂电池组用双向电源。
为解决上述技术问题，本发明锂电池组用双向电源，包括锂离子电池组、电容C1以及外部电源；在所述锂离子电池组的正极和负极之间串接一双向半桥电路；其中所述半双桥电路包括：第一MOS管S1，所述第一MOS管S1的漏极与所述外置充电电源正极或者负载正极连接；第二MOS管S2，所述第二MOS管S2的漏极与所述第一MOS管S1的源极连接；所述第二MOS管S2的源极与所述外置充电电源负极或者负载负极连接；第三MOS管S3，所述第三MOS管S3的漏极与所述锂离子电池组的正极连接；第四MOS管S4，所述第四MOS管S4的漏极与所述第三MOS管S3的源极连接；所述第四MOS管S4的源极与所述锂离子电池组的负极连接；以及电感L，所述电感L的一端连接在所述第二MOS管S2的漏极与所述第一MOS管S1的源极的连接处，所述电感L的另一端连接在所述第四MOS管S4的漏极与所述第三MOS管S3的源极的连接处。
优选地，在所述第一MOS管S1、所述第二MOS管S2、所述第三MOS管S3及所述第四MOS管S4的漏极与源极之间分别连接体内伴随反向二极管。
优选地，在所述第一MOS管S1的漏极与所述第三MOS管S3的漏极之间连接有反向串联的第五MOS管S5和第六MOS管S6。
优选地，在所述第五MOS管S5和所述第六MOS管S6的漏极与源极之间分别连接体内伴随反向二极管。
优选地，所述第一MOS管S1、所述第二MOS管S2、所述第三MOS管S3及所述第四MOS管S4为N型场效应管。
优选地，所述第五MOS管S5和所述第六MOS管S6为N型场效应管。
优选地，所述电容C1为极性电极电容。
本发明锂电池组用双向电源具备以下优势：
1、作为一个电源拓扑，解决了限流充电以及瞬间大电容负载接入造成的冲击，尤其对短路保护更迅速，可在10微妙之内切断。
2、可通过控制单元加入并联均流功能，纯粹硬件并联均流能就能保证多台电池组并联，软件方式实现均流时，台数不受限制。
3、当不需要限流充电功能时，可以打开第一MOS管S1，第三MOS管S3，关闭第二MOS管S2，第四MOS管S4，同时打开第五MOS管S5，第六MOS管S6实现与原电路相同的直通功能。
4、解决了原来方案中外部电源反接引起的问题，原方案中开机默认状态为充放电MOS均导通，当外部电源反接，功率MOS承受电压为电池电压加上外部电源电压的二者之和，通常超过MOS正常耐压造成电压击穿。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为现有技术锂电池充放电主回路电路图；
图2为本发明锂电池组用双向电源电路图；
图3为本发明锂电池组用双向电源电流工作波形图；
图4为本发明锂电池组用双向电源工作步骤分解图一；
图5为本发明锂电池组用双向电源工作步骤分解图二；
图6为本发明锂电池组用双向电源工作步骤分解图三；
图7为本发明锂电池组用双向电源工作步骤分解图四；
图8为本发明锂电池组用双向电源工作步骤分解图五；
图9为本发明锂电池组用双向电源工作步骤分解图六。
具体实施方式
下面结合附图对本发明锂电池组用双向电源作进一步详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图2所示，本发明锂电池组用双向电源，在线路中增加一个储能电感L，与双半桥电路组成双向升降压电路，实现可控的电压和电流输出，纹波电压纹波电流低(±1％)。
在非限流模式下，为降电感直流阻抗导致的导通功耗，还在电路中增加了第五MOS管S5和第六MOS管S6两只MOS管。在限流模式时，第五MOS管S5与第六MOS管S6始终关闭。
***的热损耗Ps正比于电感电流有效值的平方，降低回路电流的有效值使控制的目标方向。电流工作波形如图3所示。
在每个开关周期内，第一MOS管S1～第四MOS管S4都动作一次，在控制策略上，T1前移，T3后移，进一步降低电感电流的有效值，进而降低回路功耗。
运行中，每一只MOS管工作于谐振状态(ZVS关闭，ZCS/ZVS开通)：
控制方式上，要确保每个开关管在其体内二极管导通时才打开，以实现ZVS或ZCS功能。
负的偏置-I0对实现周期开始的启动时必须的，另外MOS共体的二极管处于箝位状态，MOS管开通时，没有二极管反向电流损失，开通损耗可以忽略不计。
另外由于功率管内寄生电容Coss的存在，MOS管的关断损耗显著下降。这是因为在关断时，并联的寄生电容Coss延缓了DS(漏极和源极)端电压上升的时间，使开关管在关断时，端电压没有明显高于0V的状态下，实现零电压(ZVS)状态下关闭。
最小关断损耗的本质是最短的关断时间，具体实现是驱动回路上串接最小阻值的关断电阻。
在联络段，首先关闭一个MOS管，然后开启同一桥臂上另一个MOS管(中间时间由死区时间决定)，电感电流首先向第一个功率管的Coss充电，同时对互补MOS管的寄生电容Coss放电。这个阶段能量在两只互补功率管的输出寄生电容Coss和电感L之间传递。
如图4～图9所示，本发明锂电池组用双向电源工作步骤分解。
1)在T0<t<T1阶段，第四MOS管S4体内二极管管和第二MOS管S2同时导通，第二MOS管S2在Cos第二MOS管S2的影响下实现零电压关断。在联络段，负的电感L电流Il(t)对第二寄生电容Coss4充电，同时第一寄生电容Coss1放电，相应的能量从电感L转移到电容上。
第一MOS管S1的体内二极管续流电感L电流，开始导通，此时可以打开处于ZCS/ZVS状态下的开关管第一MOS管S1；第一MOS管S1打开之后由于Rdon较小，压降较二极管正向压降低，电感L电流从第一MOS管S1上流过，而不经过其体内二极管。
电感L电流在VL(t)＝V1作用下逐步上升。
2)在T1时间点上，由于第四MOS管S4导通，第四寄生电容Coss4完全放电，第四MOS管S4在ZVS作用下关断。电感L电流对第四寄生电容Coss4充电，同时第三寄生电容Coss3放电，此阶段电感L能量传递给电容。同样，在联络段末期第三MOS管S3伴生的二极管导通，处于ZCS/ZVS状态下的第三MOS管S3此时可以打开。
第三MOS管S3打开以后，加在电感L上的电压VL(t)＝V1-V2，同样使电感L电流上升(BUCK模式)或者下降(BOOST模式)。
ZVS关断和ZVS/ZCS开通同样适应于t＝T2,t＝T3对应的联络段，能量从寄生电容Coss转移到BUCK/BOOST电感L上。
在T3<t<T4时间段，第二MOS管S2，第四MOS管S4导通，第一MOS管S1，第三MOS管S3关闭，电流在功率元件内部循环，此阶段存在是为了保持恒定周期，并且提供负的偏置电流，为下一个脉冲周期实现ZCS/ZVS提供条件。
本发明锂电池组用双向电源具备以下优势：
1、作为一个电源拓扑，解决了限流充电以及瞬间大电容负载接入造成的冲击，尤其对短路保护更迅速，可在10微妙之内切断。
2、可通过控制单元加入均流功能，纯粹硬件均流能就能保证多台电池组并联，软件均流台数不受限制。
3、当不需要限流充电功能时，可以打开第一MOS管S1，第三MOS管S3，关闭第二MOS管S2，第四MOS管S4，同时打开第五MOS管S5，第六MOS管S6实现与原电路相同的直通功能。
4、解决了原来方案中外部电源反接引起的问题，原方案中开机默认状态为充放电MOS均导通，当外部电源反接，功率MOS承受电压为电池电压加上外部电源电压的二者之和，通常超过MOS正常耐压造成电压击穿。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.锂电池组用双向电源，包括锂离子电池组、电容C1以及外部电源；其特征在于，在所述锂离子电池组的正极和负极之间串接双向半桥电路；其中
所述双向半桥电路包括：
第一MOS管S1，所述第一MOS管S1的漏极与所述外置充电电源正极或者负载正极连接；
第二MOS管S2，所述第二MOS管S2的漏极与所述第一MOS管S1的源极连接；所述第二MOS管S2的源极与所述外置充电电源负极或者负载负极连接；
第三MOS管S3，所述第三MOS管S3的漏极与所述锂离子电池组的正极连接；
第四MOS管S4，所述第四MOS管S4的漏极与所述第三MOS管S3的源极连接；所述第四MOS管S4的源极与所述锂离子电池组的负极连接；
双半桥的中间点连接电感L，所述电感L的一端连接在所述第二MOS管S2的漏极与所述第一MOS管S1的源极的连接处，所述电感L的另一端连接在所述第四MOS管S4的漏极与所述第三MOS管S3的源极的连接处。
2.根据权利要求1所述的锂电池组用双向电源，其特征在于，在所述第一MOS管S1、所述第二MOS管S2、所述第三MOS管S3及所述第四MOS管S4的漏极与源极之间均并联了体内伴随反向二极管。
3.根据权利要求1所述的锂电池组用双向电源，其特征在于，在所述第一MOS管S1的漏极与所述第三MOS管S3的漏极之间连接有反向串联的第五MOS管S5和第六MOS管S6。
4.根据权利要求3所述的锂电池组用双向电源，其特征在于，在所述第五MOS管S5和所述第六MOS管S6的漏极与源极之间分别连接有体内伴随反向二极管。
5.根据权利要求1或2所述的锂电池组用双向电源，其特征在于，所述第一MOS管S1、所述第二MOS管S2、所述第三MOS管S3及所述第四MOS管S4为N型场效应管。
6.根据权利要求3或4所述的锂电池组用双向电源，其特征在于，所述第五MOS管S5和所述第六MOS管S6为N型场效应管。
7.根据权利要求1所述的锂电池组用双向电源，其特征在于，所述电容C1为极性电极电容。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160420 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |