一种均衡级联结构及具有该结构的电池组制造技术

本实用新型专利技术公开了一种均衡级联结构及具有该结构的电池组，其中均衡级联结构中的均衡模块采用了两类DC‑DC变换器，其中一类为具备外部控制引脚和降压功能的非隔离式DC‑DC变换器，另外一种为具备外部控制引脚和升压功能的非隔离式DC‑DC变换器或者具备外部控制引脚和降压功能的隔离式DC‑DC变换器，在本实用新型专利技术的这种均衡结构及具有该结构的电池组可以使得系统可靠性更高，且均衡模块总体积和生产成本更低。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电池组或超级电容组的充电，特别涉及电池组或超级电容组中各单体的均衡充电。
技术介绍
目前，由蓄电池或电容(为了简化描述，下文将“电池或电容”省略描述为“电池”)作为储能单元的系统中，单体电池容量比较低，不能够满足大容量系统的要求，因此需要将单体电池串联形成电池组；并联可以增加容量，但其端电压仍很低，仍被视作一个“单体”电池，这种情况下直接使用，由于开关器件、二极管压降的损耗显得可观，在高功率应用中，仍需将单体电池串联形成电池组，如图1所示，以提高供电电压和存储容量，例如在电动汽车、微电网、大型储能系统等领域中，大多需要单体电池串联而成的电池组，图1由单体电池B1至Bn串联而成，得到的电池组有两个总端子U+和U-，U+称为电池组的正极，U-称为电池组的负极，既可以对外放电，又可以外接电源对电池组充电；为了方便，在本申请中，离电池组正极U+最近的单体电池称为第一单体电池，图1中以B1表示，其余依次类推，离电池组负极最近的单体电池，其编号最大，为最末单体电池，图1中以Bn来表示。成组以后的电池组的寿命远远低于单体电池的寿命，主要是由于单体电池制作工艺的差异引起容量、自放电率等不同，这些微小的差异在以后的使用中，会使每个单体电池的容量产生更大的不同，进而影响整个电池组的工作。当串联电池组的单体电池一致性发生变化时，使用恒流源对串联电池组充电时，以锂电池为例，必然有单体电池因其容量下降，其端电压先到达充电终止电压4.2V，而这时，有的单体电池的端电压可能才3.8V。如对10串的电池组先期恒流充电，末期采用42V恒压充电以限制充电电流，将有单体电池的充电电压高于4.2V，这个单体处于过充状态；而其中容量大的电池其端电压低于4.2V，处于欠充状态。处于潜在过充状态的电池若不加以有效限制，极可能损坏，甚至起火燃烧、爆炸；因此对各种电池组的均衡充电是非常重要的，尤其是在大量单体电池串联的场合，超级电容串联同样也存在相似的问题，本申请中的电池组也包括超级电容组成的电容组。针对上述不平衡问题，出现多种均衡充电技术，原始的方案是：电阻消耗均衡法，如图2所示，电阻R1和开关K1串联后并联在单体电池B1上，其它电池相同，当与电池B1并联的电压检测电路检测到电池B1的端电压达到充电终止电压4.2V时，开关K1闭合，电阻R1分 流充电电流，用以确保电池B1中没有电流流过，或电池B1放出电流，或存在涓流对电池B1充电。为补偿电池或电池组自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电，又称维护充电(浮充)。电信装置、信号系统等的直流电源系统的蓄电池等电池，在完全充电后多处于涓流充电状态，以备放电时使用。这种方式使用很不方便，若改变了对电池组的充电电流，那么，相应地，所有电阻的阻值都要更换，以免电池出现过充或欠充。当然，以电池B1为例，可以把电阻R1的阻值取小，即当开关K1闭合时，电池B1还要对电阻R1放出电流，然后使得开关K1工作在开关状态下，要实现在一定时间内，对电池B1的充电电流为零或为额定的小电流涓流。由于电阻存在发热，如3A的电流，充至4.2V时，电阻要吸收3A电流，其发热量为12.6W，这种均衡充电电路的效率低、功耗大，与目前的节能减排发展趋势不合。以下列举具有代表性的国内技术方案：图3为现有的其中一种基于DC-DC变换器作为均衡模块的主动均衡方案示意图，用到的均衡模块为一种非隔离式的DC-DC变换器，自动检测、比较相邻两个单体电池的端电压，并将其中电压高的单体电池的能量往电压低的那个传输，最终达到两两均衡的目的；该方案的好处是主动均衡，控制简单，而且单级均衡模块转换效率高，整体的发热比较低，然而其缺陷也正因为是主动均衡，在触发其工作后一直在主动均衡工作，时间长了，其整个电池组的能量损耗较大，而且级数多了，能量损失较大，目前作为均衡模块的DC-DC变换器转换效率做到90％，就已是比较高的，经过7级传递，效率不足48％，其中任一级变换器出现问题，影响全局，对系统要求较高。图4为现有的其中一种基于DC-DC变换器作为均衡模块的被动式均衡方案示意图，电池组中的每个单体电池从B1～Bn均与一个相应的均衡模块的输入端相连，均衡模块的输出端均与电池组的正极U+和电池组的负极U-相连，通过微控制器控制对应的均衡模块的工作来抽取所对应的单体电池上能量，从而降低其单体两端电压并传递到整个电池组达到各单体电池电压均衡的目的。工作方法如下：对所有单体电池进行电压采样，计算平均值，然后检查电压偏离平均值最大的单体电池，比如若单体电池Bn电压低于平均值，通过控制关闭均衡模块n，使其不工作；若单体电池B1两端电压高于平均值，通过控制均衡模块1使其工作，抽走B1上的能量并对整个电池组充电，这样就可以降低单体电池B1的两端电压，从而达到均衡的目的。图5也是现有的其中一种基于DC-DC变换器作为均衡模块的被动式均衡方案示意图，电池组中的每个单体电池从B1～Bn均与一个相应的均衡模块E1～En的输出端相连，均衡模块E1～En的输入端均与同一直流电源的Vin+和Vin-相连，通过微控制器控制对应的均衡模块E1～En的工作来为该单体电池进行补充充电，从而升高其单体两端电压达到电池均衡的目的。工作方法 如下：对所有单体电池进行电压采样，计算平均值，然后检查电压偏离平均值最大的单体电池，比如若单体电池Bn电压高于平均值，通过控制关闭均衡模块En，使其不工作，这样单体电池Bn两端电压不会升高；这时若单体电池B1两端电压低于平均值，通过控制均衡模块E1使其工作，为单体电池B1单独组补充充电，这样就可以升高单体电池B1的两端电压，从而达到均衡的目的。用上述图4和图5方案的单体电池可以自由串联，控制简单，但是其缺点也很明显，比如所述的均衡模块E1～En必须是隔离式的DC-DC变换器，一般都带有隔离变压器，存在铁损导致转换效率较低，且隔离变压器生产成本较高，在人工工时成本逐日上升的今天，不利于降低生产成本，且有个隔离变压器，整个模块体积不能做到较小。综上，即现有电池组的均衡电路的不足主要为转换效率低，或控制复杂，或体积较大、或成本较高或者串联时不能自由串联等。
技术实现思路
有鉴于此，本申请要解决现有电池的均衡电路所存在的不足，提供一种体积小、成本低、均衡效率高、可以自由串联的均衡级联结构及应用该结构的电池组。现有技术中的均衡级联结构虽然有如图3所示的全部均衡模块应用非隔离式的DC-DC变换器，也有全部应用如图4所示的全部均衡模块应用隔离式的DC-DC变换器，但是本领域的技术人员没有将非隔离式的DC-DC变换器和隔离式的DC-DC变换器进行选择或组合并通过特定的连接和控制关系实现本技术的目的，其原因之一是思维惯性，本领域的技术人员总偏向于使用一个型号的均衡模块来完美解决电池组的均衡问题；之二是开发成本、物料平台及库存成本问题，用两个型号的均衡模块来解决问题在研发设计和小批量应用开发阶段成本反而更高，因此造成本领域的技术人员存在技术偏见，从而不愿意往这个方向思考。为解决上述技术问题，本技术摒弃上述技术偏见，采取的解决方案总的技术构思为：均衡级联结构中的均衡模块采用了两类DC-DC变换器，其中一类为具备外部控制引脚和降压功能的非隔离式DC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种均衡级联结构，包括为电池组中的单体电池充电的A类均衡模块和B类均衡模块，其中所述的A类均衡模块为一种具备外部控制引脚和升压功能的非隔离式DC‑DC变换器，所述的B类均衡模块为一种具备外部控制引脚和降压功能的非隔离式DC‑DC变换器，所述的A类均衡模块和所述的B类均衡模块均至少包含4个端口，分别为电压输入端+Vin、公共端GND、电压输出端+Vo以及控制端Ctrl；所述的A类均衡模块的电压输入端+Vin可以连接于所述的电池组中除离所述的电池组正极最近的单体电池以外的任一单体电池的正极，所述的电压输出端+Vo可以连接于所述的电池组的正极或电池组中除离所述的电池组负极最近的单体电池以外的任一单体电池的正极；所述的B类均衡模块的电压输入端+Vin可以连接于所述的电池组的正极或所述的电池组中除离所述的电池组负极最近的单体电池以外的任一单体电池的正极，所述的电压输出端+Vo可以连接于所述的电池组的负极或所述的电池组中除离所述的电池组正极最近的单体电池以外的任一单体电池的负极；两类均衡模块所述的控制端Ctrl连接用于输入控制所述的均衡模块工作的控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种均衡级联结构，包括为电池组中的单体电池充电的A类均衡模块和B类均衡模块，其中所述的A类均衡模块为一种具备外部控制引脚和升压功能的非隔离式DC-DC变换器，所述的B类均衡模块为一种具备外部控制引脚和降压功能的非隔离式DC-DC变换器，所述的A类均衡模块和所述的B类均衡模块均至少包含4个端口，分别为电压输入端+Vin、公共端GND、电压输出端+Vo以及控制端Ctrl；所述的A类均衡模块的电压输入端+Vin可以连接于所述的电池组中除离所述的电池组正极最近的单体电池以外的任一单体电池的正极，所述的电压输出端+Vo可以连接于所述的电池组的正极或电池组中除离所述的电池组负极最近的单体电池以外的任一单体电池的正极；所述的B类均衡模块的电压输入端+Vin可以连接于所述的电池组的正极或所述的电池组中除离所述的电池组负极最近的单体电池以外的任一单体电池的正极，所述的电压输出端+Vo可以连接于所述的电池组的负极或所述的电池组中除离所述的电池组正极最近的单体电池以外的任一单体电池的负极；两类均衡模块所述的控制端Ctrl连接用于输入控制所述的均衡模块工作的控制信号。2.根据权利要求1所述的均衡级联结构，其特征在于：所述的A类均衡模块的连接关系为：所述的电压输出端+Vo与该均衡模块所充电的单体电池的正极相连，所述的电压输入端+Vin与该均衡模块所充电的单体电池的负极相连，所述的公共端GND与所述的电池组的负极相连；所述的B类均衡模块的连接关系为：所述的电压输入端+Vin与所述的电池组的正极相连，所述的电压输出端+Vo与该均衡模块所充电的单体电池的正极相连，所述的公共端GND与该均衡模块所充电的单体电池的负极相连。3.一种具有权利要求1或2所述结构的电池组，所述的电池组由单体电池B1、B2.......Bn共n个单体电池串联而成，n为大于1的整数，得到的电池组的正极称为U+、负极称为U-，所述的电池组既可以对外放电，又可以外接电源对所述的电池组充电；所述的电池组中每一个单体电池都对应地有一个均衡模块E1、E2.......En在工作时为其对应的单体电池充电，其特征是：所述的均衡模块E1为所述的A类均衡模块，所述的均衡模块En为所述的B类均衡模块，所述的均衡模块E2～En-1可以是所述的A类和所述的B类均衡模块的任意组合。4.一种均衡级联结构，包括为电池组中的单体电池充电的C类均衡模块和B类均衡模块，其中所述的C类均衡模块为一种具...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永昌，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44