CN101409457B - 充电电池组均衡电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种充电电池组均衡电路及方法，所述充电电池组均衡电路包括一充电电池组、一均衡模块以及一控制器，所述充电电池组包括1-N个串联的充电电池，所述均衡模块包括与所述1-N个串联的充电电池连接的1-N个均衡单元。所述控制器用于控制所述均衡模块，从而对充电电池组中的1-N个充电电池进行均衡，所述控制器包括1-N个控制所述1-N个均衡单元的电流源。本发明提供的充电电池组均衡电路及方法适用于各种不同类型的充电电池、成本较低并且可以对多个充电电池同时实现均衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种对充电电池进行控制的电路及方法，特别是涉及一种适用于各种充电电池的均衡电路及方法。
背景技术
多种电子装置，如手提计算机、手提电话、电动车辆以及其它电子装置，都可以使用可再充电电池。然而，对以串联工作方式工作的充电电池组而言，由于各个充电电池在性能指标上不可能完全一致，因此在充电电池组充电过程后期，会同时存在过充电和欠充电的问题，产生不均衡的现象，这是因为，虽然充电电池组的端电压还没有达到终止充电的条件，但一部分充电电池已经充电终结，继续对其充电，该部分充电电池必然处于过充电状态；另一方面，当充电电池组的端电压达到终止充电的条件时，仍然可能有部分充电电池没有完全充电，处于欠充电状态，特别地，当十几节充电电池串联连接时，不均衡的问题就更加突出。另外，在放电过程中，也同样会出现部分充电电池提前放电结束，从而造成充电电池组过度放电问题。无论对于那种充电电池，欠充电、过充电和过放电都会严重影响充电电池的使用性能和寿命。此外，对于锂离子充电电池，过充电不仅会伤害电池，而且是严重的安全隐患。
因此，需要一种充电电池组均衡电路，以便对多节串联充电电池进行均衡控制。图1所示为一传统的充电电池组均衡电路100a的示意图，为简洁说明起见，该图中仅示意性地表示了对充电电池组中的一个充电电池进行均衡的电路，对其他多个充电电池进行均衡的电路只需重复图1中的电路即可。该充电电池组均衡电路100a包括充电电池102a、控制器112a和与充电电池102a并联并且被控制器112a控制可 对充电电池102a进行均衡的均衡单元(未作标号)。均衡单元包括均衡开关104a、均衡电阻106a，充电电池102a的正极端通过一个第一电阻110a连接到控制器112a的端口BAT1，充电电池102a的负极端通过一个第二电阻108a连接到控制器112a的端口BAT0，均衡开关104a的控制端连接到控制器20上的一个端口CB，该端口CB控制均衡开关104a的断开和导通。
当充电电池102a需要均衡时，例如当充电电池102a的电压超过其额定电压时，控制器112a通过端口CB控制均衡开关104a，使均衡开关104a导通，从而使一个放电电流流过均衡单元，进而对充电电池102a实施均衡；当充电电池10不需要均衡时，控制器112a通过端口CB控制均衡开关104a，使均衡开关104a断开。然而，这种均衡电路虽然可以实现对充电电池102a的电流均衡，但是，由于控制器112a上需要额外设置一个端口CB来实现对均衡开关104a的控制，而当对十几节串联的充电电池实施均衡时，需要额外增加十几个控制端口，因此使用该传统的充电电池组均衡电路100a时，产品的制造成本较高。
为了节省图1中所示的控制器上的专用控制端口CB，可以采用另外一种方法，即用一个内部开关来控制外部均衡开关，具体如图2所示，图2所示为另外一种传统的充电电池组均衡电路200的示意图，其结构与图1所示类似，区别在于均衡开关104b的断开和导通状态由控制器112b中的一个内部开关114b来控制，该内部开关114b连接在控制器112b的端口BAT1和BAT0之间，内部开关114b的控制端与控制器112b内的一个内部开关控制单元116b连接。
当充电电池10需要均衡时，控制器112b通过内部开关控制单元116b使内部开关114b导通，假定内部开关114b的电阻Rds是300欧姆，第一电阻108b、第二电阻110b的阻值均是1k欧姆，充电电池102b的电压是4V，均衡开关104b的栅极和源极之间的电压Vgs即等于第一电阻108b上的压降，大约为1.74V。如果我们所选择的均衡开关104b的栅极和源极之间的开启电压Vgs为1V，则均衡开关104b将被导通，从而对充电电池102b实施均衡。当充电电池102b不需要均衡时，控 制器112b通过内部开关控制单元116b使内部开关114b断开，此时第一电阻108b上的压降为0V，因此均衡开关104b也断开。然而，这种均衡电路及方法仍然有许多缺点，首先，此种均衡方式需要采用栅极和源极之间的开启电压Vgs较低的均衡开关104b，这样成本较高。其次，当对相邻的彼此串联的充电电池(图2中仅示出一个充电电池102b)同时实施均衡时，两个相邻充电电池的均衡电路就会共用同一个电阻108b，但是在两个充电电池各自的均衡电路中，流过电阻108b的电流的方向是相反的，所以会互相抵消一部分，因此无法保证电阻108b上有足够的压降。而均衡开关104b的断开/导通状态由均衡开关的栅极和源极之间的电压Vgs来决定，也就是由电阻108b上的压降来决定。因此相邻的内部开关114b不能确保使相邻的均衡开关104b能同时导通，亦即：不能同时对相邻的充电电池实施均衡。另外，此种均衡方式，还需要比较大的电池电压以确保外部均衡开关104b能被导通，而诸如磷酸铁锂(LiFePo4)电池就不适用于此种均衡方式。
为了解决上述问题，有必要提供一种可适用于各种不同类型充电电池的充电电池组均衡电路及方法，以解决在多节充电电池充电时不能同时实现均衡以及产品制造成本较高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于各种不同类型充电电池、成本较低并且可以对多个充电电池同时实现均衡的充电电池组均衡电路。
本发明的另一目的还在于提供一种适用于各种不同类型充电电池、成本较低并且可以对多个充电电池同时实现均衡的充电电池均衡方法。
为实现上述目的，本发明提供一种充电电池组均衡电路，包括一充电电池组、一均衡模块以及一控制器，所述充电电池组包括1-N个串联的充电电池，所述均衡模块包括与所述1-N个串联的充电电池连接的1-N个均衡单元。所述控制器用于控制所述均衡模块，从而对充电电池组中的1-N个充电电池进行均衡，所述控制器包括1-N个控制 所述1-N个均衡单元的电流源。其中，所述每一均衡单元与所述每一充电电池并联连接，所述每一均衡单元包括一个均衡开关和一个与均衡开关串联的均衡电阻，所述电流源是一个流入式电流源。
本发明还提供一种充电电池组均衡电路，所述充电电池组均衡电路包括：一充电电池组，包括1-N个串联的充电电池；一均衡模块，包括与所述1-N个串联的充电电池连接的1-N个均衡单元；以及一控制器，用于控制所述均衡模块，从而对充电电池组中的1-N个充电电池进行均衡，所述控制器包括1-N个控制所述1-N个均衡单元的电流源，其中，所述每一均衡单元与所述每一充电电池并联连接，所述每一均衡单元包括一个均衡开关和一个与均衡开关串联的均衡电阻，所述电流源是一个流出式电流源，所述均衡开关是N型MOSFET。
本发明提供一种充电电池组均衡方法，所述充电电池组包括多个充电电池，其特征在于，所述充电电池组均衡方法包括以下步骤：在每一充电电池两端并联一个均衡单元，每一均衡单元包括一个均衡开关；将每一均衡单元的两端与一个控制器两个端口连接；在控制器中设置有与每一均衡单元连接的电流源；通过电流源的工作状态来控制均衡单元的均衡开关的断开和导通；以及在使用过程中，当某一节或多节充电电池的实际电压高于设定的单节充电电池的额定电压时，控制器就会控制电流源使其工作，从而导通均衡开关，进而使一个放电电流流过均衡单元，实现对充电电池的均衡；在充电电池的电压降至设定的单节充电电池的额定电压后，控制器控制电流源使其不工作，从而断开均衡开关，其中，所述每一均衡单元包括一个与均衡开关串联的均衡电阻，所述电流源是一个流入式电流源。
本发明还提供一种充电电池组均衡方法，所述充电电池组包括多个充电电池，所述充电电池组均衡方法包括以下步骤：在每一充电电池两端并联一个均衡单元，每一均衡单元包括一个均衡开关；将每一均衡单元的两端与一个控制器两个端口连接；在控制器中设置有与每一均衡单元连接的电流源；通过电流源的工作状态来控制均衡单元的均衡开关的断开和导通；以及，在使用过程中，当某一节或多节充电电池的实际电压高于设定的单节充电电池的额定电压时，控制器就会控制电流源使其工作，从而导通均衡开关，进而使一个放电电流流过均衡单元，实现对充电电池的均衡；在充电电池的电压降至设定的单节充电电池的额定电压后，控制器控制电流源使其不工作，从而断开均衡开关，其中，所述每一均衡单元包括一个与均衡开关串联的均衡电阻，所述电流源是一个流出式电流源，所述均衡开关是N型MOSFET。
与现有技术相比，本发明的充电电池组均衡电路和方法采用电流源来控制均衡开关的断开和导通状态，可实现对多个单电池同时实现均衡，并且节省了集成芯片上的一个或多个用于控制均衡开关的专用控制端口，因此降低了产品的制造成本。另外，本发明还适用于各种不同类型的充电电池，因为均衡开关的断开或导通状态不受充电电池电压的影响。
本发明的其它特性和优点将在以下详细描述并结合图示的说明中更为明显。
附图说明
图1是传统充电电池均衡电路的示意图。
图2是另一种传统充电电池均衡电路的示意图。
图3是本发明一个实施例的充电电池组均衡电路的示意图。
图4是图3所示充电电池组均衡电路对单节充电电池均衡的示意图。
图5是本发明另一个实施例的充电电池组均衡电路的示意图。
图6是图5所示充电电池组均衡电路对单节充电电池均衡的示意图。
具体实施方式
请参见图3和图4所示，图3是本发明一个实施例的充电电池组 均衡电路300的示意图，充电电池组均衡电路300包括一个充电电池组10、控制器20和被控制器20控制可对电池组10中多个充电电池进行均衡的均衡模块30。充电电池组10包括1-N个串联的充电电池10-1、10-2、......10-N，充电电池可以是任何类型的电池，如锂离子、锂聚合物、镍-镉、镍金属氢化物电池等等。均衡模块30则包括1-N个与1-N个充电电池对应的均衡单元30-1、30-2、......、30-N。充电电池10-1、10-2、......、10-N的两端分别通过电阻33-0、33-1、33-2、......、33-N-1和33-N连接到控制器的端口BAT0、BAT1、BAT2、......、BATN-1、BATN。控制器20包括与1-N个均衡单元30-1、30-2、......、30-N相对应的用于控制均衡单元30-1、30-2、......、30-N的1-N个电流源21-1、21-2、......、21-N，端口BAT1、BAT2、......、BATN-1、BATN分别通过电流源21-1、21-2、......、21-N-1、21-N接地。控制器20还包括一个电流源控制单元22，用于控制电流源21-1、21-2、......、21-N-1、21-N。电流源21-1、21-2、......、21-N-1、21-N可被电流源控制单元22控制成单个或多个同时工作或者单个或多个同时不工作。在本实施例中，电流源21-1、21-2、......、21-N-1、21-N为流入式电流源(currentsink)。
请参见图4所示，图4是图3所示充电电池组均衡电路对第1个充电电池均衡的示意图，对其他多个充电电池进行均衡的原理与第1个类似，不再赘述。充电电池10-1的正极端通过一个第一电阻33-1连接到控制器20的BAT1端，而充电电池10-1的负极端通过一个第二电阻33-0连接到控制器20的BAT0端。均衡单元30-1与充电电池并联连接，并且包括均衡开关31以及与均衡开关31串联的均衡电阻32，在本实施例中，均衡开关31为一P型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，包括栅极、源极和漏极，均衡开关31的栅极与控制器20的端口BAT1连接，电流源21-1一端连接在控制器20的端口BAT1，另一端接地，均衡开关31的源极与充电电池10-1的正极端连接，均衡开关31的漏极通过所述均衡电阻32接地。均衡开关31的断开/导通状态由均衡开关31的栅极和源极之间的电压Vgs来决定，也就是由第一 电阻33-1上的压降来决定。
在一个实施例中，假定电流源的电流为3毫安，第一电阻33-1的阻值为1k欧姆，均衡开关31的栅极和源极之间的开启电压Vgs为-1V。使用时，当充电电池10-1需要均衡时，即当充电电池10-1的实际电压高于设定的单节充电电池的额定电压时，控制器20通过电流源控制单元22控制电流源21-1使其工作，从而提供一个3毫安的电流流过第一电阻33-1，此时流过第一电阻33-1的电压为3V，因此，均衡开关31的栅极和源极之间的电压Vgs为-3V，此时均衡开关31被导通，从而使一个放电电流流过均衡单元30-1，进而对充电电池10-1实施均衡，从而降低了该节充电电池的充电电流。在充电电池10-1的电压降至设置的额定电压后，控制器20通过电流源控制单元22控制电流源21-1使其不工作，此时第一电阻33-1上的压降为0V，均衡开关31断开。
请参见图5和图6所示，图5是本发明另一个实施例的充电电池组均衡电路500的示意图，图5与图3的结构类似，其中相同功能的元件标号相同，图5所示的实施例与图3所示的实施例的区别仅在于：图5中的均衡开关为一N型MOSFET 31’，而控制器20中连接到均衡开关31’的栅极、用于控制均衡开关31’的断开和导通状态的是一流出式电流源21’(current source)。充电电池10-1、10-2、......、10-N的两端分别通过电阻33-0、33-1、33-2、......、33-N-1和33-N连接到控制器20的端口BAT0、BAT1、BAT2、......BATN-1、BATN。控制器20包括1-N个用于控制均衡单元30’-1、30’-2、......、30’-N的电流源21’-0、21’-1、......、21’-N-1，端口BAT0、BAT1、BAT2、......、BATN-1分别通过电流源21’-0、21’-1、21’-2、......、21’-N-1与一电源VCC 23连接。控制器20还包括一个电流源控制单元22，用于控制电流源21’-0、21’-1、......、21’-N-1。电流源21’-0、21’-1、......、21’-N-1可被电流源控制单元22控制成单个或多个同时工作或者单个或多个同时不工作。
请参见图6所示，图6是图5所示充电电池组均衡电路对第1个充电电池均衡的示意图，对其他多个充电电池进行均衡的原理与第1 个类似，不再赘述。充电电池10-1的正极端通过一个第一电阻33-1连接到控制器20的BAT1端，而充电电池10-1的负极端通过一个第二电阻33-0连接到控制器20的BAT0端。均衡单元30’-1与充电电池并联连接，并且包括均衡开关31’以及与均衡开关31’串联的均衡电阻32，在本实施例中，均衡开关31’为一N型MOSFET，包括栅极、源极和漏极，均衡开关31’的栅极与控制器20的端口BAT0连接，电流源21’-0一端连接在控制器20的端口BAT0，另一端与电源VCC 23连接，均衡开关31’的源极与充电电池10-1的负极端连接，均衡开关31’的漏极通过所述均衡电阻32与充电电池10-1的正极端连接。均衡开关31’的断开/导通状态由均衡开关31’的栅极和源极之间的电压Vgs来决定，也就是由第二电阻33-0上的压降来决定。
在一个实施例中，假定电流源的电流为3毫安，第二电阻33-0的阻值为1k欧姆，均衡开关31’的栅极和源极之间的开启电压Vgs为1V。使用时，当充电电池10-1需要均衡时，即当充电电池10-1的实际电压高于设定的单节充电电池的额定电压时，控制器20通过电流源控制单元22控制电流源21’-0使其工作，从而提供一个3毫安的电流流过第二电阻33-0，此时第二电阻33-0上的电压为3V，因此，均衡开关31’的栅极和源极之间的电压Vgs为3V，此时均衡开关31’被导通，从而使一个放电电流流过均衡单元30’-1，进而对充电电池10-1实施均衡，从而降低了该节充电电池的充电电流。在充电电池10-1的电压降至设置的额定电压后，控制器20通过电流源控制单元22控制电流源21’-0使其不工作，此时第二电阻33-0上的压降为0V，均衡开关31’断开。
本领域技术人员知道本发明中的P型MOSFET和N型MOSFET均衡开关31、31’也可以是其他任何类型的其断开和导通状态是由一个压降来控制的开关，例如结型场效应晶体管等。另外，本发明充电电池组均衡电路及方法不仅可以应用于在充电过程中对充电电池实施均衡，也可以应用于在不充电或放电模式中对充电电池实施均衡。
因为本发明充电电池组均衡电路及方法采用电流源控制均衡开关的断开和导通状态，因此节省了控制器上的多个用于控制均衡开关的 专用控制端口，降低了产品的制造成本。另外，本发明还适用于各种不同类型的充电电池，因为均衡开关的断开或导通状态不受充电电池电压的影响。同时本发明可实现对多个单电池同时实现均衡。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (12)
1.一种充电电池组均衡电路，其特征在于，所述充电电池组均衡电路包括：
一充电电池组，包括1-N个串联的充电电池；
一均衡模块，包括与所述1-N个串联的充电电池连接的1-N个均衡单元；以及
一控制器，用于控制所述均衡模块，从而对充电电池组中的1-N个充电电池进行均衡，所述控制器包括1-N个控制所述1-N个均衡单元的电流源，
其中，所述每一均衡单元与所述每一充电电池并联连接，所述每一均衡单元包括一个均衡开关和一个与均衡开关串联的均衡电阻，所述电流源是一个流入式电流源。
2.根据权利要求1所述的充电电池组均衡电路，其特征在于，所述均衡开关是P型MOSFET。
3.根据权利要求2所述的充电电池组均衡电路，其特征在于，所述均衡开关包括栅极、源极和漏极，所述栅极与所述电流源的一端连接，所述电流源的另一端接地，所述源极通过一电阻与所述电流源连接，所述漏极与均衡电阻的一端连接，均衡电阻的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的充电电池组均衡电路，其特征在于，所述控制器包括一个控制所述1-N个电流源工作状态的电流源控制单元。
5.一种充电电池组均衡电路，其特征在于，所述充电电池组均衡电路包括：
一充电电池组，包括1-N个串联的充电电池；
一均衡模块，包括与所述1-N个串联的充电电池连接的1-N个均衡单元；以及
一控制器，用于控制所述均衡模块，从而对充电电池组中的1-N个充电电池进行均衡，所述控制器包括1-N个控制所述1-N个均衡单元的电流源，
其中，所述每一均衡单元与所述每一充电电池并联连接，所述每一均衡单元包括一个均衡开关和一个与均衡开关串联的均衡电阻，
所述电流源是一个流出式电流源，所述均衡开关是N型MOSFET。
6.根据权利要求5所述的充电电池组均衡电路，其特征在于，所述均衡开关包括栅极、源极和漏极，所述栅极与所述电流源的一端连接，所述电流源的另一端与一电源连接，所述源极通过一电阻与所述电流源连接，所述漏极与均衡电阻的一端连接，均衡电阻另一端与充电电池连接。
7.根据权利要求5所述的充电电池组均衡电路，其特征在于，所述控制器包括一个控制所述1-N个电流源工作状态的电流源控制单元。
8.一种充电电池组均衡方法，所述充电电池组包括多个充电电池，其特征在于，所述充电电池组均衡方法包括以下步骤：
在每一充电电池两端并联一个均衡单元，每一均衡单元包括一个均衡开关；
将每一均衡单元的两端与一个控制器两个端口连接；
在控制器中设置有与每一均衡单元连接的电流源；
通过电流源的工作状态来控制均衡单元的均衡开关的断开和导通；以及
在使用过程中，当某一节或多节充电电池的实际电压高于设定的单节充电电池的额定电压时，控制器就会控制电流源使其工作，从而导通均衡开关，进而使一个放电电流流过均衡单元，实现对充电电池的均衡；在充电电池的电压降至设定的单节充电电池的额定电压后，控制器控制电流源使其不工作，从而断开均衡开关，
其中，所述每一均衡单元包括一个与均衡开关串联的均衡电阻，所述电流源是一个流入式电流源。
9.根据权利要求8所述的充电电池组均衡方法，其特征在于，所述控制器通过一个电流源控制单元来控制电流源的工作状态。
10.根据权利要求8所述的充电电池组均衡方法，其特征在于，所述均衡开关是P型MOSFET。
11.一种充电电池组均衡方法，所述充电电池组包括多个充电电池，其特征在于，所述充电电池组均衡方法包括以下步骤：
在每一充电电池两端并联一个均衡单元，每一均衡单元包括一个均衡开关；
将每一均衡单元的两端与一个控制器两个端口连接；
在控制器中设置有与每一均衡单元连接的电流源；
通过电流源的工作状态来控制均衡单元的均衡开关的断开和导通；以及
在使用过程中，当某一节或多节充电电池的实际电压高于设定的单节充电电池的额定电压时，控制器就会控制电流源使其工作，从而导通均衡开关，进而使一个放电电流流过均衡单元，实现对充电电池的均衡；在充电电池的电压降至设定的单节充电电池的额定电压后，控制器控制电流源使其不工作，从而断开均衡开关，
其中，所述每一均衡单元包括一个与均衡开关串联的均衡电阻，所述电流源是一个流出式电流源，所述均衡开关是N型MOSFET。
12.根据权利要求11所述的充电电池组均衡方法，其特征在于，所述控制器通过一个电流源控制单元来控制电流源的工作状态。
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