CN106848444A - 一种电池组降压方法及降压电路 - Google Patents

一种电池组降压方法及降压电路 Download PDF

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CN106848444A CN201611057420.9A CN201611057420A CN106848444A CN 106848444 A CN106848444 A CN 106848444A CN 201611057420 A CN201611057420 A CN 201611057420A CN 106848444 A CN106848444 A CN 106848444A
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Abstract

本发明公开一种电池组降压方法及降压电路，该电路包括：每个正极开关的第一端与一单体电池的正极连接，第二端分别与输出电容的一端和控制中心的一控制端连接；每个负极开关的第一端与一单体电池的负极连接，输出电容两端分别与第一电压输出端和第二电压输出端连接。该方法的步骤包括：S1、根据目标电压，计算每次供电单体电池的节数；S2、根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一开关组合；S3、确定负载电流的大小，并根据该负载电流的大小计算供电时间；S4、经过供电时间后，断开当前的开关组合，闭合下一个开关组合；S5、重复步骤S3，实现交替闭合每一开关组合，输出目标电压。本发明可降低转换损耗，减少转换电路产生的干扰。

Description

一种电池组降压方法及降压电路
技术领域
本发明涉及电池组压降电路领域，特别是涉及一种电池组降压方法及降压电路。
背景技术
随着汽车电子和家庭储能等便携设备的广泛使用，电池组的用途越来越广，使用电池组供电成为一种趋势。由于用电设备和电池组自身控制电路需要的功率和电压要求不一样，所以需要在电路中设置转换电路将电池组的电压转换成用电设备需要的电压，例如：开关控制继电器等。而且开关越多，转换的电流越大，转换电路的损耗就越大。
目前电池组供电电路主要通过降低电压的方式来降低大电流引起的损耗问题。最常见的降压方式有两种，一种是使用晶体管线性降压，另一种是用开关电路降压。线性降压的转换产生电压干扰小，但转换效率比较低，而且随着输入电压的升高效率会进一步降低，此外，随着电流的增大，会产生大量的热；开关电路降压虽然转换效率比线性降压高，但会产生开关纹波，影响用电器件的稳定性，此外，在转换过程中都同样会有能量损失，且随着电流增大，转换损耗进一步加剧，进而影响车载或便携产品的设计难度和开发成本。
由于目前的降压电路会有转换损耗，而转换损耗会使整个电池组使用时间缩短。为了弥补转换损耗，设计产品时要增加更多的电池，而且转换的损耗都以热量形式转化出来，从而又必须对电池做散热处理，进而会增大产品的设计体积，增加产品开发本，同时也会增加设计的难度。此外，现有常见降压电路随着负载电流的增大，损耗会进一步增加，电路设计会更复杂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种电池组降压方法及降压电路，本发明可降低转换损耗，减少转换电路产生的干扰。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种电池组降压方法，包括：多个单体电池以串联方式连接组成的电池组、若干个正极开关、若干个负极开关、输出电容及控制中心；
每个正极开关的第一端与一单体电池的正极连接，第二端分别与所述输出电容的一端和控制中心的一控制端连接；
每个负极开关的第一端与一单体电池的负极连接，第二端分别与所述输出电容的另一端和控制中心的另一控制端连接；
所述输出电容两端分别与第一电压输出端和第二电压输出端连接；
该方法的步骤包括：
S1、根据目标电压，计算每次供电单体电池的节数；
S2、根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合；所述开关组合包括一所述正极开关和一所述负极开关；
S3、确定负载电流的大小，并根据该负载电流的大小计算供电时间；
S4、经过供电时间后，断开当前的开关组合，闭合下一个开关组合；
S5、重复步骤S3，实现交替闭合每一开关组合，输出目标电压。
作为进一步优选的方案，所述步骤S2根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合的步骤具体为：
从最低节单体电池开始确定每一开关组合，闭合最低节单体电池所在的组合开关。
作为进一步优选的方案，所述步骤S2根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合的步骤具体为：
从最低节单体电池开始确定每一开关组合，闭合最高节单体电池所在的组合开关。
作为进一步优选的方案，所述步骤S3确定负载电流的大小，并根据该负载电流的大小计算供电时间的步骤具体为：
所述供电时间H＝V/C，其中C为负载电流，V为目标电压。
作为进一步优选的方案，所述步骤S3还包括：
根据负载电流的大小，计算输出电容的大小；
所述输出电容Cn＝A*C*V，其中A为功率与滤波电路对应的转换系数。
本发明公开一种电池组降压方法，根据目标电压的大小，控制每个单体电池两端的正极开关和负极开关的通断，以达到输出稳定的目标电压。直接由正极开关和负极开关来控制电池组进行降压，使得转换损耗降到最低，达到无损降压的目的。同时，为了避免长时间对一组单体电池持续放电，交替切换不同的正极开关和负极开关的通断，以达到电池组中单体电池均匀放电，防止出现单体电池过放的现象，减小单体电池之间的差异，提高电池组的安全性及稳定性。
本发明还提供一种电池组降压电路，包括：多个单体电池以串联方式连接组成的电池组、若干个正极开关、若干个负极开关、输出电容及控制中心；
每个正极开关的第一端与一单体电池的正极连接，第二端分别与所述输出电容的一端和控制中心的一控制端连接；
每个负极开关的第一端与一单体电池的负极连接，第二端分别与所述输出电容的另一端和控制中心的另一控制端连接；
所述输出电容两端分别与第一电压输出端和第二电压输出端连接。
作为进一步优选的方案，还包括电压检测单元，所述电压检测单元的检测端与所述输出电容和所述正极开关的第一端的公共点连接，所述电压检测单元的输出端与所述控制中心的检测输入端连接。
作为进一步优选的方案，所述单元检测单元包括第一电阻、第二电阻、采样电阻、第一电容及供电电源；
所述供电电源经所述第一电阻、所述第二电阻接地；所述采样电阻的一端与所述输出电容连接，另一端与所述第一电阻和所述第二电阻的公共点连接；
所述第一电容与所述第二电阻并联连接；
所述所述第一电阻和所述第二电阻的公共点还与所述控制中心的检测输入端连接。
作为进一步优选的方案，所述输出电容由若干个单体电容以并联方式连接组成。
作为进一步优选的方案，所述正极开关和所述负极开关为继电器或MOS管。
本发明相比于现有技术的优点及有益效果如下：
1、本发明为一种电池组降压方法及降压电路，由于正极开关、负极开关和控制中心所产生的功耗很低，所以基本没有产生转换损耗，提高了转换效率。并且随着负载电流的增大，该降压电路转换效率更高，相比于现有的压降电路，能量损失更低。
2、本发明提供一种电池组降压电路，通过输出电容减少转换电路产生的电压干扰，提高该压降电路的稳定性。
3、本发明提供一种电池组降压电路设有控制中心，可以交替控制所有的正极开关和负极开关通断，以使每个单体电池可以有均匀的充放电时间，避免出现单体电池过放的现象，减小单体电池之间的差异，提高电池组的安全性。
4、本发明提供一种电池组降压电路设有输出电容，并且输出电容根据输出电流的大小可并联多个单体电容，从而该电路比传统压降电路转换纹波更小，进一步减少转换电路产生的干扰。
5、一种电池组降压电路还设有电压检测单元，可以对每个单体电池或分组后的电池进行电压检测，根据检测的电压来确定工作时，正极开关和负极开关闭合时间的长度。
6、本发明的电池组降压电路的电路设计简单合理，可以提高降压电路的稳定性和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的电池组压降电路的原理框图；
图2为本发明实施例的电池组降压电路的电路图；
图3为本发明实施例的电池组降压方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请一并参阅图1和图2，本发明提供一种电池组降压电路10包括：多个单体电池以串联方式连接组成的电池组、若干个正极开关、若干个负极开关、输出电容及控制中心。
每个正极开关的第一端与一单体电池的正极连接，第二端分别与所述输出电容的一端和控制中心的一控制端连接；每个负极开关的第一端与一单体电池的负极连接，第二端分别与所述输出电容的另一端和控制中心的另一控制端连接；所述输出电容两端分别与第一电压输出端和第二电压输出端连接。进一步的，所述控制中心为MCU，所述MCU接收输出电容两端的输出电压Vout，并根据输出电压Vout控制每一所述正极开关和每一所述负极开关的开关动作，以使电池组稳定输出电压。
具体地，请参阅图3，所述控制中心控制的电池组降压方法20包括如下步骤：
S1、控制中心根据目标电压，计算每次供电单体电池的节数。例如：单体电池的电压为Un，目标电压为V，可得到每次供电单体电池的节数为N＝Un/V。
S2、根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合；所述开关组合包括一所述正极开关和一所述负极开关。由步骤S1计算得到供电单体电池的节数N，则可以确定每次单体电池供电时，控制中心闭合的开关组合，即控制中心闭合的正极开关和负极开关。所述步骤S2根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合的步骤具体为：从最低节单体电池开始确定每一开关组合，闭合最低节单体电池所在的组合开关。
例如：如果供电单体电池的节数N＝1时，则说明只有一个单体电池作为供电电源，从而可以确定的每个开关组合具体为：第一组开关合包括第一正极开关和第一负极开关；第二开关组合包括第二正极开关和第二负极开关；…；第n开关组合包括第n正极开关和第n负极开关。所以此时将闭合第一节单体电池所在的开关组合，即第一组开关组合包括第一正极开关和第一负极开关。
如果供电单体电池的节数N＝2时，则说明有两个单体电池作为供电电源，可以确定的每个开关组合具体为：第一开关组合包括第一正极开关和第二负极开关；第二开关组合包括第三正极开关和第四负极开关；…；最后一个开关组合包括第n-1正极开关和第n负极开关。所以此时闭合的第一开关组合包括第一正极开关和第二负极开关。
当然这里也可以控制闭合最高节单体电池所在的组合开关。从最高节的电池开始依次闭合每一个开关组合。
S3、确定负载电流的大小，并根据该负载电流的大小计算供电时间。所述步骤S3具体为：所述供电时间H＝V/C，其中C为负载电流，V为目标电压。这里要说明的是，负载电流越大，通电时间越短；负载电流越小，通电时间越长。
所述步骤S3还包括：根据负载电流的大小，计算输出电容的大小。所述输出电容Cn＝A*C*V，其中A为功率与滤波电路对应的转换系数。输出电容Cn的大小与实际用供电功率有关，用来解决开关切换瞬间的纹波；并联多个单体电容可以减少转换干扰，滤除开关切换产生的波纹，提高电路的稳定性。
S4、经过供电时间后，断开当前的开关组合，闭合下一个开关组合。这里要说明的是，一般来说，从第一开关组合开始，依次闭合每一个开关组合。
S5、重复步骤S3，实现交替闭合每一开关组合，输出目标电压。当从第一开关组合交替闭合至最后一个开关组合后，又闭合第一开关组合，由第一开关组合控制的单体电池供电。再进行下一步的操作。
要说明的是，所述电池组降压电路还包括电压检测单元200，所述电压检测单元的检测端与所述输出电容Cn和所述正极开关的第一端的公共点连接，所述电压检测单元的输出端与所述控制中心100的检测输入端连接。
具体地，所述单元检测单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、采样电阻Rs、第一电容C1及供电电源VCC。所述供电电源经所述第一电阻R1、所述第二电阻R2接地；所述采样电阻Rs的一端与所述输出电容C连接，另一端与所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的公共点连接。所述第一电容C1与所述第二电阻R2并联连接。所述所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的公共点还与所述控制中心100的检测输入端连接。
所述电压检测单元用于对每个单体电池或分组后的单体电池组进行电压检测，根据单体电池或分组后的单体电池组的电压来确定工作时开关的闭合时间长度。例如：若当前放电的单体电池或分组后的单体电池组的电压高于所有单体电池或分组后单体电池组的平均电压时，其对应开关闭合时间为H1分钟，H1大于H，优选为H1＝H+0.1min；若当前放电的单体电池或分组后的单体电池组的电压低于所有单体电池或分组后单体电池组的平均电压时，其对应开关闭合时间为H2分钟，H2小于H，优选为H2＝H-0.1min。
实施例二
请再次参阅图1，本发明还提供一种电池组降压电路，包括：多个单体电池以串联方式连接组成的电池组、若干个正极开关、若干个负极开关、输出电容Cn及控制中心100。
单体电池BT为负载电路提供电源，正极开关用于控制单体电池BT的正极输出，负极开关用于控制单体电池的负极输出，输出电容Cn用于滤除开关切换瞬间的纹波。控制中心100用于控制正极开关和负极开关的闭合或断开。所述控制中心为MCU。所述正极开关和负极开关为继电器或MOS管。所述输出电容由若干个单体电容并联组成。
每个正极开关的第一端与一单体电池的正极连接，第二端分别与所述输出电容Cn的一端和控制中心的一控制端连接。每个负极开关的第一端与一单体电池的负极连接，第二端分别与所述输出电容Cn的另一端和控制中心的另一控制端连接。所述输出电容Cn两端分别与第一电压输出端和第二电压输出端连接。
在图1中，电池组包括多个单体电池，分别为BT1、BT2、BT3、…、BTn。若干个正极开关，分别为S1+、S2+、S3+、…、Sn+。若干个正极开关，分别为S1-、S2-、S3-、…、Sn-。所述每个单体电池与正极开关和负极开关一一对应，即第一单体电池BT1的正极与第一正极开关S1+连接，负极与第一负极开关S1-连接，第二单体电池BT2的正极与第二正极开关S2+连接，负极与第二负极开关S2-连接，第三单体电池BT3的正极与第三正极开关S3+连接，负极与第三负极开关S3-连接，以此类推到第n单体电池BTn的正极与第n正极开关Sn+连接，负极与第n负极开关Sn-连接。同时，第一单体电池BT1的负极和第二单体电池BT2的正极串联连接，第二单体电池BT2的负极和第三单体电池BT3的正极串联连接，以此类推。
要说明的是，所述电池组降压电路还包括电压检测单元200，所述电压检测单元的检测端与所述输出电容Cn和所述正极开关的第一端的公共点连接，所述电压检测单元的输出端与所述控制中心100的检测输入端连接。
具体地，所述单元检测单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、采样电阻Rs、第一电容C1及供电电源VCC。所述供电电源经所述第一电阻R1、所述第二电阻R2接地；所述采样电阻Rs的一端与所述输出电容C连接，另一端与所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的公共点连接。所述第一电容C1与所述第二电阻R2并联连接。所述所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的公共点还与所述控制中心100的检测输入端连接。
所述第一电容的容值基本上取0.1U和1U，由于MCU是由VCC供电，所以MCU内部的参考电压要比VCC低。为了避免AI采样电压超出采样范围，我们取VCC/2，即第一电阻R1，第二电阻R2进行分压。Rs为采样隔离电阻，避免大电流损坏MCU采样。
所述电压检测单元用于对每个单体电池或分组后的单体电池组进行电压检测，根据单体电池或分组后的单体电池组的电压来确定工作时开关的闭合时间长度。例如：若当前放电的单体电池或分组后的单体电池组的电压高于所有单体电池或分组后单体电池组的平均电压时，其对应开关闭合时间为H1分钟，H1大于H，优选为H1＝H+0.1min；若当前放电的单体电池或分组后的单体电池组的电压低于所有单体电池或分组后单体电池组的平均电压时，其对应开关闭合时间为H2分钟，H2小于H，优选为H2＝H-0.1min。
工作过程：
所述控制中心100确定所述输出电容两端需要目标电压的大小；再根据需要目标电压的大小，控制每个所述正极开关和每个所述负极开关的开关动作，以输出稳定的目标电压。
进一步的，控制中心100根据目标电压，计算每次供电单体电池的节数。例如：单体电池的电压为Un，目标电压为V，可得到每次供电单体电池的节数为N＝Un/V。所述作为电源的单体电池的个数不超过单体电池的总数。所述控制中心100根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合；所述开关组合包括一所述正极开关和一所述负极开关。所述控制中心100确定负载电流的大小，并根据该负载电流的大小计算供电时间。所述供电时间H＝V/C，其中C为负载电流，V为目标电压。这里还包括计算输出电容Cn的大小，所述输出电容Cn＝A*C*V，其中A为功率与滤波电路对应的转换系数。经过供电时间后，断开当前的开关组合，控制中心100控制闭合下一个开关组合。这里要说明的是，一般来说，从第一开关组合开始，依次闭合每一个开关组合。当从第一开关组合闭合至最后一个开关组合后，又重新闭合第一开关组合，断开其它开组合，又重新循环该过程，实现交替闭合每一开关组合，输出目标电压。
控制中心100控制正极开关和负极开关闭合或断开的具体过程：例如：如果供电单体电池的节数N＝1时，则说明只有一个单体电池作为供电电源，从而可以确定的每个开关组合具体为：第一组开关合包括第一正极开关和第一负极开关；第二开关组合包括第二正极开关和第二负极开关；…；第n开关组合包括第n正极开关和第n负极开关。所以此时控制中心100将闭合第一节单体电池所在的开关组合，即第一组开关组合包括第一正极开关和第一负极开关，控制中心100控制其他的开关组合断开。经过供电时间后，断开第一开关组合，闭合第二开关组合，以此类推，直到最后一个开关组合。然后又重新开始闭合第一开关组合。
如果供电单体电池的节数N＝2时，则说明有两个单体电池作为供电电源，可以确定的每个开关组合具体为：第一开关组合包括第一正极开关和第二负极开关；第二开关组合包括第三正极开关和第四负极开关；…；最后一个开关组合包括第n-1正极开关和第n负极开关。所以此时控制中心100闭合的第一开关组合包括第一正极开关和第二负极开关，控制中心100控制其他的开关组合断开。经过供电时间后，断开第一开关组合，闭合第二开关组合，以此类推，直到最后一个开关组合。然后又重新开始闭合第一开关组合。
当然这里也可以控制闭合最高节单体电池所在的组合开关，即闭合第n开关组合，断开其它开关组合，从最高节的单体电池开始依次闭合每一个开关组合。
控制中心100可以根据供电单体电池的节数进行控制相应的开关组合的通断，进而可以控制电池组进行降压。控制中心100控制开关组合循环闭合，可以避免单体电池或分组后的单体电池组持续放电，避免出现单体电池过放的现象，减小单体电池之间的差异，提高电池组的安全性和稳定性。
在电路中的输出电容Cn可以根据输出电流的大小可并联多个单体电容，从而该电路比传统压降电路转换纹波更小，减少转换干扰，提高该压降电路的稳定性。
由于正极开关、负极开关和控制中心所产生的功耗很低，所以基本没有产生转换损耗，提高了转换效率。并且随着负载电流的增大，该降压电路转换效率更高，相比于现有的压降电路，能量损失更低。
以上所述实施方式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 (10)

1.一种电池组降压方法，其特征在于，包括：多个单体电池以串联方式连接组成的电池组、若干个正极开关、若干个负极开关、输出电容及控制中心(100)；
每个正极开关的第一端与一单体电池的正极连接，第二端分别与所述输出电容的一端和控制中心(100)的一控制端连接；
每个负极开关的第一端与一单体电池的负极连接，第二端分别与所述输出电容的另一端和控制中心(100)的另一控制端连接；
所述输出电容两端分别与第一电压输出端和第二电压输出端连接；
该方法的步骤包括：
S1、根据目标电压，计算每次供电单体电池的节数；
S2、根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合；所述开关组合包括一所述正极开关和一所述负极开关；
S3、确定负载电流的大小，并根据该负载电流的大小计算供电时间；
S4、经过供电时间后，断开当前的开关组合，闭合下一个开关组合；
S5、重复步骤S3，实现交替闭合每一开关组合，输出目标电压。
2.根据权利要求1所述的电池组降压方法，其特征在于，所述步骤S2根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合的步骤具体为：
从最低节单体电池开始确定每一开关组合，闭合最低节单体电池所在的组合开关。
3.根据权利要求1所述的电池组降压方法，其特征在于，所述步骤S2根据供电单体电池的节数，确定开关组合，闭合一所述开关组合的步骤具体为：
从最低节单体电池开始确定每一开关组合，闭合最高节单体电池所在的组合开关。
4.根据权利要求1所述的电池组降压方法，其特征在于，所述步骤S3确定负载电流的大小，并根据该负载电流的大小计算供电时间的步骤具体为：
所述供电时间H＝V/C，其中C为负载电流，V为目标电压。
5.根据权利要求4所述的电池组降压方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
根据负载电流的大小，计算输出电容的大小；
所述输出电容Cn＝A*C*V，其中A为功率与滤波电路对应的转换系数。
6.一种电池组降压电路，其特征在于，包括：多个单体电池以串联方式连接组成的电池组、若干个正极开关、若干个负极开关、输出电容及控制中心(100)；
每个正极开关的第一端与一单体电池的正极连接，第二端分别与所述输出电容的一端和控制中心(100)的一控制端连接；
每个负极开关的第一端与一单体电池的负极连接，第二端分别与所述输出电容的另一端和控制中心(100)的另一控制端连接；
所述输出电容两端分别与第一电压输出端和第二电压输出端连接。
7.根据权利要求6所述电池组压降电路，其特征在于，还包括电压检测单元(200)，所述电压检测单元(200)的检测端与所述输出电容和所述正极开关的第一端的公共点连接，所述电压检测单元(200)的输出端与所述控制中心(100)的检测输入端连接。
8.根据权利要求7所述电池组压降电路，其特征在于，所述单元检测单元包括第一电阻、第二电阻、采样电阻、第一电容及供电电源；
所述供电电源经所述第一电阻、所述第二电阻接地；所述采样电阻的一端与所述输出电容连接，另一端与所述第一电阻和所述第二电阻的公共点连接；
所述第一电容与所述第二电阻并联连接；
所述所述第一电阻和所述第二电阻的公共点还与所述控制中心(100)的检测输入端连接。
9.根据权利要求6所述电池组压降电路，其特征在于，所述输出电容由若干个单体电容以并联方式连接组成。
10.根据权利要求6所述电池组压降电路，其特征在于，所述正极开关和所述负极开关为继电器或MOS管。
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