[发明专利]动力电池组电压变换系统与变换方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力电池组电压变换系统与变换方法，更确切地说本发明涉及一种基于开关矩阵的高效动力电池组电压变换方法与系统。属于电源管理技术领域。

背景技术

蓄电池是国家新能源发展的重要技术，在国民经济各个领域中应用广泛。现有技术中汽车、电动车、船舶、潜水艇、通讯机站备用直流电源、UPS电源、电动工具、视听电子产品等很多设备都需要使用蓄电池。单体电池往往电压较低，如镍氢电池1.2伏、锂离子电池3.7伏。当蓄电池应用于功率要求较大或者电压要求较高的设备时，一般需要采用多节单体电池进行串联使用，以满足负载对电压和功率的需求。另一方面负载可能在不同的工作模式需要不同的电压，如电动车在爬坡时往往比在平地行驶时消耗更多电力。针对负载实时动态需求提供不同电压，可以有效减少系统的能耗，极大提高电池能源使用效率。为了使输出电压多样化，目前主要使用各种电压变换器来实现，如直流/直流变换(DC/DC)与低压差线性电压变换器(LDO)等。这两种电压变换方法各有优劣。DC/DC适用范围广，转换效率高，既可以提高电压，也可以降低输出电压。但是DC/DC电压变换器由于使用高速开关，产生的电磁干扰大，而且结构复杂，电路版面面积较大，成本也相对高。而LDO电压变换器，一般用作降压器，结构简单，成本低。但是只有当输入输出电压压差较小时，LDO才可以取得比较高的转换效率。不管是DC/DC还是LDO，它们都来源于以市电为基础的传统电源管理领域，没有充分利用电源电池本身的特性，还有很大的提升空间。如何将电源电池本身的特性引入电源管理系统中，以提高能量转换效率，有望成为新的突破点，从而引导出本发明的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力电池组电压变换系统与方法。本发明充分利用了电池本身具有的电压离散特点，优化选择单体电池的使用数量，通过开关矩阵实现动态连接功能，达到输出电压多样化的目的。即使使用固定数量的单体电池，各个单体电池间的不同连接结构也可以产生不同的输出电压。

为了达到上述目标，本发明采用的技术方案是：

一种高效动力电池组电压变换系统，所述动力电池组至少由两个电池单体串联构成。所述的动力电池组电压变换方案包括对所述动力电池组进行采样的电压监测模块，用于实现电池动态连接的开关矩阵，用于控制开关矩阵中各个开关开闭和电压信号采集的控制模块；所述控制模块分别与电压监测模块与开关矩阵相连，根据各单体电池的电压值和输出电压的目标值等信息计算优化后的电池连接方式。

上述用于单体电池动态连接的开关矩阵，可以使用机械开关或者继电器、MOSFET等电子开关以导通网络的形式实现。通过控制每个开关的开闭来形成不同的通路，连接单体电池对外供电。

上述电压监测模块用于测量每个单体电池的电压值，可以使用开关矩阵形成测量信号的选通路径，也可以使用单独的测量模块，如采用电阻分压与单刀多掷开关等。电压监测模块需要把每个单体电池电压的测量值发送到控制模块。

上述控制模块是整个系统的控制核心，它需要同时和电压监测模块和开关矩阵模块进行通讯。该控制模块利用一定的算法策略(如电压为优化目标的贪心算法)，针对不同的负载电压需求，计算最佳的电池组合方式和相应的连接方式，然后向开关矩阵模块输出各个开关的控制信号。

上述电池组电压变换方法，主要包含如下步骤：

步骤1、获取负载所需的供电电压；

步骤2、通过电压监测模块测量每个单体电池的端电压，并传送给控制模块；

步骤3、控制模块根据负载所需电压和每个单体电池电压，判断需要使用哪些单体电池，并优化单体电池的连接结构。

步骤4、控制模块根据单体电池的连接结构要求判断开关矩阵中每个开关的工作状态，并向开关矩阵模块输出相应控制信号。

步骤5、电源系统以负载所需电压对外供电，当负载所需电压变化或者所用单体电池电压下降较大时可以动态调整，重新实施整个过程。

本发明主要通过调整单体电池的使用数量来输出不同的负载电压，当负载需要较高的电压时，增加单体电池的数量，反之则减少。如果负载对输出电压要求较高，可以在整个系统之后连接一个LDO电压变换器。由于通过调整单体电池数量，输出电压跟负载需求电压压差已经很小(小于4伏)，LDO可以达到很高的转换效率。与现有方法相比，本发明具备以下优点与效果：