CN101409455A - 一种电池***的电压平衡装置及电压平衡方法 - Google Patents

一种电池***的电压平衡装置及电压平衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电池***的电压平衡装置及电压平衡方法，所述装置包括：互感器或变压器，包括初级绕组、多个次级绕组和磁性芯体；第一开关，与所述初级绕组串联连接，该第一开关与所述初级绕组并联于电池***；多个第二开关，分别与各个次级绕组串联连接，各个第二开关与相串联的次级绕组并联于各个电芯；电压平衡控制电路，在电池***充电时，控制并联于电压最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该第二开关同时闭合所述第一开关，在电池***放电时，控制所述第一开关闭合，并于一设定时间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电芯的第二开关闭合。

Description

一种电池***的电压平衡装置及电压平衡方法
技术领域
本发明涉及多节电芯串联组成的电池***的电压平衡技术，具体地讲，是一种电池***的电压平衡装置及电压平衡方法。
背景技术
目前常用的可充电式蓄电池普遍的一个特点是单节电池电压低，如铅酸电池单节2.0V、锂离子电池单节3.7V、镍氢电池单节1.2V。在一些需要高压供电的***上，必须使用同类电池多节串联的方式实现高压供电。如在通信领域，通常采用每6个铅酸电池(电芯)一组，组成12V电池包，然后再将4组电池包串联起来，形成48V电池供电***。在笔记本电脑上面，也通常是采用3～4节锂离子电池串联起来形成11.1V或者14.8V的电池***。但是串联电池不可避免的由于电池单体的电压、电气特性差异会出现每组串联电池中各个电池的电压有差异，这种差异经过多次的充放电循环后会变得越来越明显，从而严重影响串联电池***的寿命和可靠性。所以在多级电池串联***中一般会增加电池电压平衡调节控制电路，用来降低每组电池中单体电芯之间的电压差异，提高电池***的循环寿命和可靠性。
目前最常用的电池电压平衡电路是采用被动的平衡方式，即在每节电芯上并联一个电阻和一个开关，开关由电压平衡控制电路控制，电压平衡控制电路会对每节电芯的电压进行监控，当发现其中一个电芯的电压异常后，即对开关进行控制。如图1所示，具体实现有两个阶段：
1)充电过程中的平衡
当在充电过程中，发现其中一个电芯的电压较其他电池的电压高后，就将和这个电芯并联的开关闭合，这样充电电流就会有一部分通过此电阻被旁路掉，从而减缓电压较高的那个电芯的充电速度，使得电芯电压趋于一致。
2)放电过程中的平衡
当在放电过程中，发现其中一个电芯的电压较其他电芯的电压高后，就将和这个电芯并联的开关Qx闭合，这样电压高的电芯就存在两个放电回路：1、负载；2、与其并联的旁路电阻Rx，这样高电压的电芯的电压下降就会加快，使得各个电芯的电压趋于一致。
图1所示的电池电压平衡电路为被动平衡方式，多余的能量(电压高的电芯存储了多余能量)都是通过平衡电阻R以热能的方式消耗掉，效率为0，同时增加了***散热压力。另外，由于平衡开关、电阻和电压平衡控制电路一般都是集成在专用控制芯片内部以便节约单板面积，因此受限于芯片的散热能力，平衡电流一般都不会超过100mA，这样对于一些大容量的电池***来说，平衡电压的整个过程所需要的时间可能长达8小时甚至更长。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种电池***的电压平衡装置，以提高电池能量利用率。
相应地，本发明还提供一种电池***的电压平衡方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的电池***的电压平衡装置中，电池***包括两个以上(包括两个)串联的电芯，该装置包括：
互感器(如电流互感器、电压互感器)或变压器，该互感器或变压器包括初级绕组、磁性芯体(如铁芯)和多个次级绕组；
第一开关，与所述初级绕组串联连接，该第一开关与所述初级绕组并联于所述电池***；
多个第二开关，分别与各个次级绕组串联连接，各个第二开关与相串联的次级绕组并联于各个电芯；
电压平衡控制电路，用于检测电池***的每一节电芯的电压并控制所述第一开关和所述第二开关的闭合与断开，在所述电池***充电时控制并联于电压最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该第二开关同时闭合所述第一开关，以及在所述电池***放电时控制所述第一开关闭合，并于一设定时间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电芯的第二开关闭合。
本发明还提供的电池***的电压平衡方法包括：
判断步骤，用于判断所述电池***的充放电状态；
检测步骤，用于检测电池***的每一节电芯的电压；以及
平衡步骤，该步骤包括：
在电池***充电时：
利用一第二开关导通与电压最高的电芯并联的互感器次级绕组或变压器次级绕组；
在所述次级绕组导通设定时间后，断开所述第二开关，并利用第一开关导通与电池***并联的互感器初级绕组或变压器初级绕组；
在电池***放电时：
利用所述第一开关导通与电池***并联的互感器初级绕组或变压器初级绕组；
在该初级绕组导通设定时间后，断开所述第一开关，并利用所述第二开关导通与电压最低的电芯并联的互感器次级绕组或变压器次级绕组。
本发明实施例将多余的能量通过互感器或变压器绕组耦合的方式重新返回电池***内部，提高了电池能量利用率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为现有的电池***电压平衡装置的电路示意图；
图2为本发明实施例的电池***电压平衡装置的电路示意图；
图3为本发明实施例中电压平衡控制电路的结构框图；
图4本发明实施例的电池***电压平衡方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例在一个多节电池串联***中，增加以变压器为核心的主动平衡电路，使得多余的能量在电池***和电芯之间相互传递，达到均衡电芯电压的目的，从而提高电池能量利用率。下面以三节电芯串联构成的电池***为例进行说明。
如图2所示的电池***电压平衡电路中，包括一变压器、多个开关及一电压平衡控制电路，其中所述变压器包括初级绕组L、磁性芯(如铁芯)和次级绕组(L1，L2，L3)，初级绕组和次级绕组绕于铁芯上。具体地，图2所示的电路在串联电池***的每个电芯上面并联一个变压器的绕组(次级绕组L1，L2，L3)和开关(Q1，Q2、Q3)，同时还有一个并联于整个电池***之间的变压器绕组(初级绕组L)和开关Q。这些开关由电压平衡控制电路(该电压平衡控制电路可由专用芯片或者逻辑电路、模拟电路等多种电路形式来实现)控制轮流闭合和断开，实现能量在整个电池***和单体电芯之间相互传递。图2中的变压器还可以为互感器(如电流互感器或电压互感器)。
图2所示的电池***的电压平衡电路能够实现充电时的平衡过程和放电时的平衡过程。
1)充电平衡过程
当充电器对电池***进行充电时，电压平衡控制电路首先控制将所有的开关(Q1、Q2、Q3和Q)断开，然后时刻检测每个电芯的电压，当发现其中一个电芯(假设是图2中最下面的那个电芯U3)的电压高于其他电芯时，便启动此充电平衡过程。首先，和电压最高的电芯U3并联的开关Q3将会闭合，这样电芯电压便会施加在对应的次级绕组L3上面，由于变压器绕组的电感会抑制电流的突变，流过此绕组L3的电流因此线性增加，绕组L3上面同时感应出和电芯电压的绝对值相等、极性相反的感生电动势(如图2中所示，黑点方向为正)，当电流增大到一定程度时，将开关Q3断开。由于绕组L3的电流线性增加，因此本发明实施例中对电流的大小判断是通过开关Q3的导通时间来判断，导通时间可以进行设定并由电压平衡控制电路控制，一般是导通时间为uS级，不然绕组L3上面的电流持续增加，直至超过其饱和电流从而导致电芯短路。开关Q3断开时由于次级绕组上面的电流瞬变为0，从而导致次级绕组L3感应产生反向的感生电动势(图2中此时黑点为负)，同时初级绕组L由于变压器的互感也会产生感生电动势，此电动势同样为黑点为负，与此同时电压平衡控制电路将初级开关Q闭合，此时初级绕组所产生的感应电动势便会从初级绕组流出，施加在负载、充电器和电池***的共同端，即多余的能量通过变压器的绕组耦合重新返回到了电源，给负载供电和给电池充电。开关Q的导通时间同样由平衡控制电路控制和调节，达到设定的导通时间即断开开关Q。此过程不断循环，电压平衡控制电路时刻检测电芯电压，将电压较高的电芯的能量会泄放一部分回到充电环节，避免整个电池***因为其中一节电芯充电过快而导致整个***没有充满电，直到充电过程结束。
2)放电平衡过程
当电池对负载放电时，电压平衡控制电路首先控制将所有的开关断开，然后时刻检测每个电芯的电压，当发现其中一个电芯(假设是最上面电芯U1)的电压低于其他电芯时，便启动此放电平衡过程。首先，初级开关Q闭合，整个电池的输出电压便施加在初级绕组L上，由于变压器绕组的电感会抑制电流的突变，流过此绕组L的电流线性增加，绕组L上面同时感应出和***电压的绝对值相等、极性相反的感生电动势(如图2中所示，黑点方向为负)，开关Q的导通时间由平衡控制电路控制和调节，当达到设定的导通时间(表示电流增大到一定程度时)，将开关Q断开，此时同样是根据导通时间推定电流的大小，导通时间由电压平衡控制电路控制，一般是uS级，不然绕组L上面的电流持续增加，直至超过其饱和电流从而导致电芯短路。开关Q断开时由于初级绕组上面的电流发生瞬变，导致初级绕组产生反向的感生电动势(此时图2中黑点为正)，同时次级绕组L1由于电压或电流的互感也会产生感生电动势，此电动势同样为黑点为正，与此同时电压平衡控制电路控制将和低电压电芯U1相并联的开关Q1闭合，此时和低电压电芯U1相连的次级绕组所产生的感生电动势便会因为开关Q1的导通而流出，给电压低的电芯充电，提高电芯U1的电压，其他的次级绕组由于对应的开关管处于断开状态，所以无法形成充电回路。开关Q1的导通时间同样由平衡控制电路控制和调节，达到设定的导通时间即断开开关Q1。此过程不断循环，电压平衡控制电路时刻检测电芯电压，将电池***的一部分能量通过变压器耦合的方式提供给电压较低的电芯，从而避免其中一个电芯电压过低而导致整个电池***无法正常工作，直到所有的电芯能量耗尽。
上述可知，本发明实施例以主动平衡的方式，将多余的能量通过变压器绕组耦合的方式重新返回电池***内部，只有极少数能量损耗发生在绕组耦合的过程中(耦合效率一般在80％以上)，提高了电池能量利用率，并提高了多节电池串联电压均衡的效率，特别是在高功率、大电流的电池应用环境。
图3所示为本发明实施例的电压平衡控制电路的结构框图，如图3所示，该电压平衡控制电路包括：
判断单元301，用于判断所述电池***是处于充电还是放电状态，并产生状态信号；
电压检测单元302，用于检测所述电池***的每一节电芯的电压；以及
控制单元303，连接所述判断单元及电压检测单元，在所述电池***处于充电状态时控制并联于电压最高的电芯的开关(Q1、Q2或Q3)闭合，并于一设定时间后断开该开关同时闭合开关Q，以及在电池***处于放电状态时控制开关Q闭合，并于一设定时间后断开该开关Q的同时控制并联于电压最低的电芯的开关闭合(Q1、Q2或Q 3)。
所述控制单元中还包括一复位单元，用于电池***充电过程中开关Q导通一设定时间后断开开关Q，以及在电池***放电过程中开关Q1、Q2或Q3导通一设定时间后断开开关Q1、Q2或Q3。
图3所示的电压平衡控制电路可以集成在一块专用控制芯片上，也可以与所述变压器、开关一起集成在一专用控制芯片上。
本发明实施例中，所述开关可以是三极管，还可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者其他可以被控制的具备闭合和断开两种状态的器件。
图4所示为利用图2中的电路进行电池***的电压平衡的方法流程示意图，如图4所示，该方法包括：
步骤401，判断电池***的充放电状态，及判断电池***是在充电还是在放电，如果电池***在充电，进行步骤402，如果放电进行步骤407。
步骤402，检测电池***的每一节电芯U1～U3的电压。
步骤403，控制并联于电压最高的电芯(如U3)的开关(如Q3)。
步骤404，经过一设定的导通时间后断开上述开关(如Q3)，同时闭合与初级绕组串联的开关Q。
步骤405，经过一设定的导通时间后断开闭合的开关Q。
步骤406，判断是否充电完毕，如果是，流程结束；如果否，转到步骤402。
步骤407，检测电池***的每一节电芯U1～U3的电压。
步骤408，控制闭合与初级绕组串联的开关Q。
步骤409，经过一设定的导通时间后，断开开关Q，并控制并联于电压最低的电芯(如U1)的开关(如Q1)闭合。
步骤410，经过一设定的导通时间后断开闭合的开关(如Q1)。
步骤411，判断是否放电完毕，如果放电完毕，流程结束；如果未放电完毕，转到步骤407。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电池***的电压平衡装置，该电池***包括两个以上串联的电芯，其特征在于，该装置包括：
互感器或变压器，该互感器或变压器包括初级绕组、磁性芯体和多个次级绕组；
第一开关，与所述初级绕组串联连接，该第一开关与所述初级绕组并联于所述电池***；
多个第二开关，分别与各个次级绕组串联连接，各个第二开关与相串联的次级绕组并联于各个电芯；
电压平衡控制电路，用于检测电池***的每一节电芯的电压并控制所述第一开关和所述第二开关的闭合与断开，在所述电池***充电时控制并联于电压最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该第二开关同时闭合所述第一开关，以及在所述电池***放电时控制所述第一开关闭合，并于一设定时间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电芯的第二开关闭合。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压平衡控制电路包括：
判断单元，用于判断所述电池***是处于充电还是放电状态，并产生状态信号；
电压检测单元，用于检测所述电池***的每一节电芯的电压；
控制单元，连接所述判断单元及电压检测单元，在所述电池***处于充电状态时控制并联于电压最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该第二开关同时闭合所述第一开关，以及在电池***处于放电状态时控制所述第一开关闭合，并于一设定时间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电芯的第二开关闭合。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电压平衡控制电路还包括：
复位单元，连接所述控制单元，用于电池***充电过程中第一开关导通一设定时间后断开所述第一开关，以及在电池***放电过程中第二开关导通一设定时间后断开所述第二开关。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述第一开关和第二开关为三极管或金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.一种电池***的电压平衡方法，该电池***包括两个以上串联的电芯，其特征在于，该方法包括：
判断步骤，用于判断所述电池***的充放电状态；
检测步骤，用于检测电池***的每一节电芯的电压；以及
平衡步骤，该步骤包括：
在电池***充电时：
利用一第二开关导通与电压最高的电芯并联的互感器次级绕组或变压器次级绕组；
在所述次级绕组导通设定时间后，断开所述第二开关，并利用第一开关导通与电池***并联的互感器初级绕组或变压器初级绕组；
在电池***放电时：
利用所述第一开关导通与电池***并联的互感器初级绕组或变压器初级绕组；
在该初级绕组导通设定时间后，断开所述第一开关，并利用所述第二开关导通与电压最低的电芯并联的互感器次级绕组或变压器次级绕组。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
复位步骤，在电池***充电时第一开关导通一设定时间后断开所述第一开关，以及在电池***放电时第二开关导通一设定时间后断开所述第二开关。
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