延长串联直流供电单元组使用寿命的装置及方法.pdf

本发明公开了一种延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，包括电力电子变换电路、控制电路和驱动电路，电力电子变换电路的高压侧与直流供电单元组的两端或者外部直流或交流电源相连，电力电子变换电路的低压侧与控制开关组相连，控制开关组与供电单元组中的每个供电单元相连；控制电路和驱动电路相连，驱动电路为控制开关组提供驱动信号。本发明还同时提供了利用上述装置所进行的延长串联直流供电单元组使用寿命的方法，控制电路通过对直流供电单元组进行采样、比较，当发现故障供电单元时，采用电力电子变换电路对故障供电单元实施替代。采用本发明的装置和方法能使串联直流供电单元组的使用寿命大大延长。

1、  一种延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，其特征是：包括电力电子变换电路、控制电路和驱动电路，所述电力电子变换电路的高压侧与直流供电单元组的两端或者外部直流或交流电源相连，电力电子变换电路的低压侧与控制开关组相连，控制开关组与供电单元组中的每个供电单元相连；控制电路和驱动电路相连，驱动电路为控制开关组提供驱动信号。

2、  根据权利要求1所述的延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，其特征是：所述电力电子变换电路为单输入多输出、单输入单输出、或多输入多输出。

3、  根据权利要求1或2所述的延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，其特征是：所述电力电子变换电路为DC/DC变流器或者AC/DC PFC整流电路。

4、  利用权利要求1～3中任意一种装置所进行的延长串联直流供电单元组使用寿命的方法，其特征是：控制电路通过对直流供电单元组进行采样、比较，当发现故障供电单元时，采用电力电子变换电路对故障供电单元实施替代。

延长串联直流供电单元组使用寿命的装置及方法
技术领域
本发明涉及串联直流供电单元组的保护技术领域，特别涉及一种可以对串联直流供电单元组中的故障单元进行替代以延长整个串联组使用寿命的装置及方法。
背景技术
通常单个直流供电单元所能提供的端电压较低，大多数情况下不能满足实际应用的需要，故在许多情况下需要多个直流供电单元串联成组来满足使用的要求。由于串联的直流供电单元之间存在差异，故每个单元的使用寿命也不相同。当串联直流供电单元组中有一个供电单元出现故障时，会导致整个串联组工作的性能下降甚至报废。可以这样理解：大多数串联直流供电单元组的故障往往只是由于其中一个供电单元发生故障造成的。
以充电电池为例：通常故障充电电池的内阻变大，稍微有一点充电电流就会使电池两端电压急剧上升。同样，只要一开始放电，电池两端电压就会迅速下降。在串联电池组中，一旦出现了一节故障电池，则整个电池组的充放电特性会变差。比如充电时，电池组端电压会很快上升至满充电压，充电器根据电池组端电压进行判断，认为电池组已经“充满电”了，不需要再对其进行充电操作，导致正常的电池欠充、故障电池过充电的情况，进一步导致故障电池的恶化。在放电阶段，由于整个电池组储存的电量很少，故没过多久电就放光了。换句话说：整个电池组实际被使用的容量因为故障电池的出现而变得很小，可以供电的时间-寿命也缩短了很多。
设一个直流供电单元发生故障的概率为P，那么n个直流供电单元串联而成的组中有一个单元发生故障的概率为：C_n¹·P·(1-P)^n-1。假设P＝10％，当n＝4时，故障概率为29.16％；n＝7时故障概率为37.2％；n＝9时故障概率为38.74％。可以看出，随着串联单元数目的增多，由一个单元发生故障而引发整个串联组发生故障的概率就随之增大。
申请号为02109341.5的发明专利“电池切换装置”提出了一种用于串联电池组的电池切换装置，可以“将工作正常的电池串联在电池组内，将工作不正常的电池剔除电池组，继续维持电池组的供电。”采用该方法对故障电池进行处理后，电池组的端电压会下降，比较适用于“各类不间断供电电源”之中，但是对于对串联直流供电单元组端电压要求较高的场合(比如笔记本电池等)并不适用。申请号为03109241.1的发明专利“具有冗余单元的电池”提出“电池组中具有冗余电池单元，该电路可以切除工作不正常的电池，同时通过设置冗余的电池单元，在切除故障电池时仍然能够保证提供足够的电压”。该方法可以使笔记本电池的性能有所提高，但是因为存放了冗余电池，电池组的体积会有所增加，冗余电池越多则体积越大，成本越高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，使用该装置能使串联直流供电单元组的使用寿命大大延长。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，包括电力电子变换电路、控制电路和驱动电路，电力电子变换电路的高压侧与供电单元组的两端或者外部直流或交流电源相连，电力电子变换电路的低压侧与控制开关组相连，控制开关组与供电单元组中的每个供电单元相连；控制电路和驱动电路相连，驱动电路为控制开关组提供驱动信号。
作为本发明的延长串联直流供电单元组使用寿命的装置的改进：电力电子变换电路为单输入多输出、单输入单输出、或多输入多输出。
作为本发明的延长串联直流供电单元组使用寿命的装置的进一步改进：电力电子变换电路为DC/DC变流器或者AC/DC PFC整流电路。
本发明还同时提供了利用上述装置所进行的延长串联直流供电单元组使用寿命的方法：控制电路通过对直流供电单元组进行采样、比较，当发现故障供电单元时，采用电力电子变换电路对故障供电单元实施替代。
在本发明中，直流供电单元组可以是电池组，但不仅限于电池组；只要是能够向外界提供能量的单元(如超级电容、光伏阵列、燃料电池等)都可以采用本发明对其中的故障单元进行替代。
采用本发明的装置，可以将替代用的电力电子变换电路连接至串联直流供电单元组中任意一个供电单元的两端。通过控制电路可选通控制开关组中与每个供电单元相连的开关，从而起到按照实际情况控制相应的供电单元的作用；因此当串联直流供电单元组中若干个供电单元出现故障后，可以采用一个或多个电力电子变换电路对故障单元进行替代操作，以保障整个串联直流供电单元组的性能不会受到故障单元的影响，仍然能够正常工作，并且整个串联直流供电单元组的总输出电压可以维持正常时的水平。当串联直流供电单元组有均衡要求时，本发明可以在不影响对故障单元进行替代操作的前提下为串联直流供电单元组提供均衡操作，且该均衡操作不会影响对故障供电单元的替代操作。本发明的有益效果是可以使串联直流供电单元组的使用寿命大大延长。
本发明的装置与背景技术中的两个专利相比还具有以下优点：既可以保证电池组总输出电压的稳定，而且装置体积较小，每个供电单元的效用都能够得到最大程度的发挥。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明实施例1的采用单输入四输出双向反激变流器实现替代功能的电路示意图；
图2是图1充电时对故障电池进行替代的电路示意图；
图3是图1放电时对故障电池进行替代的电路示意图；
图4是实施例2的采用一路单输入单输出双向反激变流器和开关网络实施替代的电路示意图；
图5是实施例3的采用四路单输入单输出双向反激变流器实现替代功能的电路示意图。
具体实施方式
以下实施例1～3均以电池这种供电单元为例，其中双向反激变流器属于DC/DC变流器。
实施例1：图1给出了一种延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，其所对应的串联直流供电单元组由四节锂电池(B₁、B₂、B₃、B₄)依次串联而成，进行替代操作所采用的电力电子变换电路为单输入四输出的双向反激变流器，该双向反激变流器为DC/DC变流器。
此双向反激变流器的高压侧绕组的同名端与电池B₁的正极相连，另一端与开关管S₁的漏极相连，在开关管S₁的源极与电池B₄负极之间串联入采样电阻Rs，这样可以对流经高压侧的电流值进行采样。采样电阻Rs用于电流采样，采样电阻Rs两端的电压与采样电阻Rs的阻值之比即为电流值。通常采样电阻Rs取值较小，为了得到高压侧电流的平均值需要滤除采样电阻Rs两端的高频电压分量，提高采样精度，故在采样电阻Rs两端并联了一级RC滤波器。R和C的取值由该滤波器的截止频率计算得出。开关管S₁是一个MOSFET(功率绝缘栅场效应晶体管)，其中的二极管是该MOSFET内部寄生的二极管。
此双向反激变流器的四个低压侧绕组具有相同的电感值，每个绕组均通过双向阻断的开关与一节电池相连。具体如下：
开关管S₂和开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅、开关管S₆和开关管S₇、开关管S₈和开关管S₉两两源极相连形成了具有双向阻断能力的开关，以防止其中某一路工作时对其他电池的状态造成影响。低压侧绕组I的同名端与开关管S₂的漏极相连，然后开关管S₃的漏极接至电池B₁的负极；低压侧绕组I的另一端与电池B₁正极相连；电容C₁并联在电池B₁的两端。与此类似，低压侧绕组II的同名端与开关管S₄的漏极相连，开关管S₅的漏极接至电池B₂的负极；低压侧绕组II的另一端与电池B₂正极相连；电容C₂并联在电池B₂的两端。低压侧绕组III的同名端与开关管S₆的漏极相连，开关管S₇的漏极接至电池B₃的负极；低压侧绕组III的另一端与电池B₃正极相连；电容C₃并联在电池B₃的两端。低压侧绕组IV的同名端与开关管S₈的漏极相连，开关管S₉的漏极接至电池B₄的负极；低压侧绕组IV的另一端与电池B₄正极相连；电容C₄并联在电池B₄的两端。
控制电路由AD采样电路、单片机及其供电电路构成(此为常规技术)。驱动电路主要由驱动芯片构成，单片机输出控制信号的引脚与驱动芯片的输入引脚相连接(此为常规技术)。经过RC滤波得到的高压侧电流采样信号和电池电压的采样值通过AD转换后被读入单片机，单片机经过内部运算后，产生控制信号并传输至驱动电路，由驱动电路分别控制开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆、开关管S₇、开关管S₈以及开关管S₉的状态。
可通过控制电路对每节锂电池的电压进行实时监测，还可通过控制电路对此双向反激变流器的高压侧电流进行实时监测。所获得的电流采样值主要是用在均衡操作方面，通过检测高压侧的平均电流值来控制低压侧的电流，以防电池在均衡操作初期出现均衡电流过大的情况。
为了保障电池组中每个电池单元容量均衡，串联电池组在充放电的时候需要进行均衡操作。故当电池组中所有电池均正常时，在电池组充电或放电的过程中，电池组中所有单体电池的电压均被实时监测，并与单片机内设定的阈值相比较，当某电池的电压超过或者低于设定的阈值，则选通相应的一路绕组对该电池补充充电或者放电，以达到均衡操作的目的。在均衡操作的过程中单片机通过电流采样值可以对均衡电流大小进行控制，以防电流过大。
假设在电池组工作过程中出现了一节故障电池，由于故障电池的内阻较大，故充电时该电池两端的电压上升速度比其他电池快，结果电压会远高于其它电池的端电压；放电时该电池两端电压下降速度也是最快的，故电压会远低于其它电池的端电压。控制电路通过对电池电压进行采样、比较后，一旦发现这一异常现象，则立即将相应的一组通路并联至故障电池两端，利用双向反激电路旁路掉绝大部分即将充入故障电池的电流，或者代替故障电池为负载放电，并且保证故障电池两端的电压一直跟随其它三节正常电池的电压平均值。从功能上来看，相当于这一路双向反激变流器成为了故障电池的替代物，而将故障电池从电池组中分离出来。虽然此时电池组的总容量仅为原来的3/4，但是进行了替代操作后，整个电池组的功能不会受到故障电池的影响，其它三节电池还是可以正常发挥作用。如果这时不进行替代操作，整个电池组可能就要被宣告报废。
假设电池B₂为故障电池，在充电过程中，B₂电压远高于其它三节电池的端电压。控制电路经过监测电池电压发现这一不正常现象后，单片机输出控制信号，通过驱动电路令开关管S₅导通。同时，单片机输出PWM(脉宽调制)信号，对开关管S₄采用PWM(脉宽调制)控制，将充入电池B₂的大部分能量用双向反激变流器旁路并回馈至母线，充入其它三节电池中去。同时单片机通过电池电压的采样值来判断电池B₂两端电压与其他三节正常电池端电压平均值之间的关系，然后通过调节脉宽调制信号的占空比来调节B₂两端的电压，使B₂两端的电压跟踪其它三节正常电池端电压的平均值。这样，故障电池就被这个双向反激变流器替代了，其端电压被限制住从而不会上升至危险值，保证了整个电池组的安全运行。同时能够保证电池组的总输出电压不会因为坏电池的出现而减少。图2为充电时对故障电池进行替代的电路示意图。
在放电过程中，故障电池B₂的电压远低于其它三节正常电池。控制电路经过监测电压发现这一不正常现象后，单片机输出控制信号，通过驱动电路将开关管S₅导通，同时，单片机输出PWM(脉宽调制)信号，对开关管S₁采用PWM控制，双向反激电路从母线上吸取一部分能量用来替代故障电池B₂向负载放电，同时单片机通过电池电压的采样值来判断B₂两端电压与其他三节正常电池端电压平均值之间的关系，然后调节脉宽调制信号的占空比使B₂两端的电压跟踪其它三节正常电池端电压的平均值。这样故障电池就不会被过放电，也就不会给电池组带来危险。同时能够保证电池组的总输出电压不会因为故障电池的出现而减少。图3为放电时对故障电池进行替代的电路示意图。
实施例2：图4给出了另一种延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，其所对应的串联直流供电单元组由四节锂电池(B₁、B₂、B₃、B₄)依次串联而成，进行替代操作所采用的电力电子变换电路为一路单输入单输出的双向反激变流器。其通过开关网络与每一节电池均建立连接。
此双向反激变流器高压侧的设计同实施例1；此双向反激变流器低压侧绕组的同名端与开关管S_o2的漏极相连，S_o2的源极接至电容C_o1的负极板，双向反激变流器低压侧绕组的另一端直接接至电容C_o1的正极板。电容C_o1与开关网络并联。开关网络的连接具体如下：
开关管S_o3和开关管S_o4、开关管S_o5和开关管S_o6、开关管S_o7和开关管S_o8、开关管S_o9和开关管S_o10、开关管S_o11和开关管S_o12、开关管S_o13和开关管S_o14、开关管S_o15和开关管S_o16、开关管S_o17和开关管S_o18两两源极相连形成具有双向阻断能力的开关，以防止某一路选通工作时对其他电池的状态造成影响。
开关管S_o3、开关管S_o5、开关管S_o7和开关管S_o9的漏极连接在一起后与电容C_o1的正极板相连；开关管S_o11、开关管S_o13、开关管S_o15和开关管S_o17的漏极连接在一起后与电容C_o1的负极板相连；开关管S_o4的漏极与电池B₁的正极相连；开关管S_o6和开关管S_o12的漏极相连，然后连接至电池B₂的正极；开关管S_o8和开关管S_o14的漏极相连，然后连接至电池B₃的正极；开关管S_o10和开关管S_o16的漏极相连，然后连接至电池B₄的正极；开关管S_o18的漏极与电池B₄的负极相连。
控制电路和驱动电路按常规技术设计，类同于实施例1。
其工作原理类似于实施例1，也假设电池B₂为故障电池，具体如下：
1、在充电过程中，B₂电压远高于其它三节电池的端电压。控制电路通过检测电压发现B₂的端电压不正常时，单片机输出控制信号，驱动电路令开关管S_o5、S_o6、S_o13和S_o14导通，同时，单片机输出PWM(脉宽调制)信号，对开关管S_o2采用PWM控制，将充入电池B₂的大部分能量用双向反激变流器旁路并回馈至母线，充入其它三节电池中去。通过调节PWM信号的占空比来控制电池B₂的端电压。
2、在放电过程中，控制电路发现B₂的端电压不正常时，由单片机输出控制信号通过驱动电路将开关管S_o5、S_o6、S_o13和S_o14导通，同时，单片机输出PWM(脉宽调制)信号，对开关管S₁采用PWM控制，双向反激电路从母线上吸取一部分能量用来替代故障电池B₂向负载放电。通过调节PWM信号的占空比来控制电池B₂的端电压。
实施例3：图5给出了另一种延长串联直流供电单元组使用寿命的装置，其所对应的串联直流供电单元组由四节锂电池(B₁、B₂、B₃、B₄)依次串联而成，进行替代操作所采用的电力电子变换电路为4路单输入单输出的双向反激变流器，每一路双向反激变流器的低压侧绕组分别与其中一节电池建立连接。具体如下：
4路单输入单输出的双向反激变流器按图5中顺序由上而下依次编号为I、II、III、IV。第I路双向反激变流器的高压侧绕组同名端与电池B₁的正极相连，高压侧绕组另一端与开关管S_m1漏极相连，开关管S_m1源极与电池B₄的负极相连；低压侧绕组同名端与开关管S_m2漏极相连，开关管S_m2源极与电容C_m1的负极板相连，低压侧绕组另一端与电容C_m1的正极板相连，电容C_m1与电池B₁并联。
其他三路双向反激变流器的连接情况与第I路双向反激变流器相似：
第II路双向反激变流器的高压侧绕组同名端与电池B₁的正极相连，高压侧绕组另一端与开关管S_m3漏极相连，开关管S_m3源极与电池B₄的负极相连。低压侧绕组同名端与开关管S_m4漏极相连，开关管S_m4源极与电容C_m2的负极板相连，低压侧绕组另一端与电容C_m2的正极板相连，电容C_m2与电池B₂并联。
第III路双向反激变流器的高压侧绕组同名端与电池B₁的正极相连，高压侧绕组另一端与开关管S_m5漏极相连，开关管S_m5源极与电池B₄的负极相连。低压侧绕组同名端与开关管S_m6漏极相连，开关管S_m6源极与电容C_m3的负极板相连，低压侧绕组另一端与电容C_m3的正极板相连，电容C_m3与电池B₃并联。
第IV路双向反激变流器的高压侧绕组同名端与电池B₁的正极相连，高压侧绕组另一端与开关管S_m7漏极相连，开关管S_m7源极与电池B₄的负极相连。低压侧绕组同名端与开关管S_m8漏极相连，开关管S_m8源极与电容C_m4的负极板相连，低压侧绕组另一端与电容C_m4的正极板相连，电容C_m4与电池B₄并联。
控制电路和驱动电路按常规技术设计，类同于实施例1。
其工作原理类似于实施例1，也假设电池B₂为故障电池，具体如下：
1、在充电过程中，控制电路发现B₂的端电压不正常时，单片机输出PWM(脉宽调制)信号，通过驱动电路对开关管S_m4采用PWM控制，将充入电池B₂的大部分能量用双向反激变流器旁路并回馈至母线，充入其它三节电池中去。通过调节PWM信号的占空比来控制电池B₂的端电压。
2、在放电过程中，控制电路发现B₂的端电压不正常时，单片机输出PWM(脉宽调制)信号，通过驱动电路对开关管S_m3采用PWM控制，双向反激电路从母线上吸取一部分能量用来替代故障电池B₂向负载放电。通过调节PWM信号的占空比来控制电池B₂的端电压。
上述3个实施例均以电池这种供电单元为例子。当供电单元为光伏阵列等在串联使用中不需要对其进行充电及均衡操作的供电单元时，可以采用单向反激变流器对故障单元进行替代，单向反激变流器的高压侧供电可以由串联直流供电单元组提供，或者由外部直流电源提供，连接方式类似于实施例1。低压侧同名端与二极管阴极相连，二极管阳极和低压侧另一端可以通过类似于实施例2的控制开关组与每个供电单元相连接。通过调节控制高压侧开关管的PWM(脉宽调制)信号的占空比来控制故障单元两端的电压，从而达到替代的目的。
也可采用AC/DC PFC整流电路作为此时的替代电路。用外部交流电源作为该整流电路的交流侧输入电源，PFC整流电路的直流侧输出端可以通过类似于实施例2的控制开关组与每个供电单元相连。
上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。根据本发明的思路，串联直流供电单元组不仅限于四节电池串联的电池组，而且进行替代操作的电力电子变换电路也不仅限于双向反激变流器，当供电单元数目很多时，可以应用相似的手段对两个及两个以上的故障单元进行替代操作，并同时满足某些串联直流供电单元组的均衡要求，从而大大降低串联直流供电单元组发生故障的概率。无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述电路结构及其控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。