CN101986508A - 电池均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池均衡装置，用于利用均衡电阻对电池组中的多个电池单元进行均衡，其中，电池均衡装置包括控制器、电阻切换电路、和均衡电阻，其中，电阻切换电路用于在控制器的控制下将均衡电阻与控制器指定的电池单元并联；控制器用于采集多个电池单元中每个电池单元的电压值，根据采集的电压值确定每个电池单元的剩余电量，并在确定一个电池单元满足切换条件的情况下，控制电阻切换电路将均衡电阻与该电池单元并联，其中，切换条件为：该电池单元的剩余电量比多个电池单元的平均剩余电量高出预定值的情况下。本发明能够智能地进行电池单元之间的均衡，有效减小电池单元之间存在的差异性，并且能够节省设备的体积和成本。

Description

电池均衡装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种电池均衡装置。

背景技术

今年来，动力锂电池组在电动汽车、大型后备电源等场景中的应用越来越广泛。通常，动力锂电池组一般由多节单体电池进行串、并联而组成。由于电池组包含多个单体电池，因此，就需要保证单体电池之间的一致性，如果单体电池之间出现差异而又不能够及时进行均衡处理，则这种差异会在电池组的日常使用过程中会进一步加大，最终导致整个电池组的容量严重衰减。

电池组均衡的过程通常是借助外部电路对电池组内单体电池的一致性差异进行动态调整，达到维护单体电池间均衡性的目的。最常见的均衡方法是在单体电池两端并联一个旁路电阻，并通过一个开关来控制电阻的通断，从而借助电阻来消耗电压较高的部分单体电池能量，维持电池组的整体均衡性。

由于这种均衡方案需要采用与锂电池组中单体电池数相当的电阻，会增加电池组的体积和装配复杂度，由于并联电阻的阻值不便于调节，因此存在均衡电流不可调节的缺点，导致对不同剩余电量的单体电池只能采用一个固定的电流进行均衡，而单体电池之间的差异性却并不是一定的，而且是可以随着使用而不断变化的，因此，即使采用了上述利用均衡电阻的技术方案，也不能够达到均衡减小电池之间差异性的目的。

针对相关技术中无法有效消除电池组内单体电池之间差异性的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中无法有效消除电池组内单体电池之间差异性的问题，本发明提出一种电池均衡装置，能够智能判断需要进行均衡的电池单元并进行均衡，从而有效减少电池单元之间的差异性。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的实施例，提供了一种电池均衡装置，用于利用均衡电阻对电池组中的多个电池单元进行均衡，其特征在于，所述电池均衡装置包括控制器、电阻切换电路、和均衡电阻，其中，所述电阻切换电路用于在所述控制器的控制下将所述均衡电阻与所述控制器指定的电池单元并联；所述控制器用于采集所述多个电池单元中每个电池单元的电压值，根据采集的电压值确定所述每个电池单元的剩余电量，并在确定一个电池单元满足切换条件的情况下，控制所述电阻切换电路将所述均衡电阻与该电池单元并联，其中，所述切换条件为：该电池单元的剩余电量比所述多个电池单元的平均剩余电量高出预定值的情况下。

具体地，所述电阻切换电路可包括多个切换单元，每个切换单元对应于一个电池单元设置，且每个切换单元用于在所述控制器的控制下将所述均衡电阻与相应的电池单元并联；并且，所述控制器包括多个信号输出端，所述多个信号输出端与所述多个切换单元一一对应连接，在所述控制器确定出满足所述切换条件的电池单元后，将控制信号通过与该电池单元对应的信号输出端发送至相应的切换单元，以便所述切换单元将所述均衡电阻与确定的所述电池单元并联。

并且，所述每个切换单元进一步包含光耦合器和金属氧化物半导体晶体管，所述均衡电阻连接在均衡母线上；其中，所述金属氧化物半导体晶体管的栅极与所述光耦合器的输出端连接，所述金属氧化物半导体晶体管的漏极与该切换单元所对应的电池单元的负极连接，所述金属氧化物半导体晶体管的源极与所述均衡母线连接；所述光耦合器的输入端用于接收来自所述控制器的控制信号，并在接收到控制信号后将产生的电信号输出至所述金属氧化物半导体晶体管，使所述金属氧化物半导体晶体管导通，将所述均衡电阻与该切换单元所对应的电池单元并联。

其中，上述控制信号为脉冲宽度调制信号。

并且，所述控制器可以进一步用于利用所述脉冲宽度调制信号将流经每个电池单元的电流调节至预定电流值范围内。

借助于上述技术方案，由控制器进行电压采集来确定电池单元之间的差异以及需要均衡的电池单元，并由电阻切换电路将电阻并联至需要均衡的电池单元，从而能够智能地进行电池单元之间的均衡，有效减小电池单元之间存在的差异性，并且能够节省设备的体积和成本。

附图说明

图1是根据本发明的电池均衡装置中主控电路的具体结构实例的框图；

图2是根据本发明的电池均衡装置中主控电路内部的部分结构框图；

图3是根据本发明的电池均衡装置中电阻切换电路的具体结构实例的框图。

具体实施方式

针对相关技术中无法有效消除电池组内单体电池之间差异性的问题，本发明提出，由控制器进行电压采集来确定电池单元(也可以称为单体电池)之间的差异以及需要均衡的电池单元，并由电阻切换电路将电阻并联至需要均衡的电池单元，从而能够智能地进行电池单元之间的均衡，有效减小电池单元之间存在的差异性，并且能够节省设备的体积和成本。

下面将详细描述本发明的实施例。

根据本发明的实施例，提供了一种电池均衡装置，用于利用均衡电阻对电池组(例如，可以是锂电池组)中的多个电池单元进行均衡。

其中，电池均衡装置包括控制器、电阻切换电路、和均衡电阻。具体地，电阻切换电路用于在控制器的控制下将均衡电阻与控制器指定的电池单元并联；控制器用于采集多个电池单元中每个电池单元的电压值，根据采集的电压值确定每个电池单元的剩余电量，并在确定一个电池单元满足切换条件的情况下，控制电阻切换电路将均衡电阻与该电池单元并联，其中，切换条件为：该电池单元的剩余电量比多个电池单元的平均剩余电量高出预定值的情况下。

其中，电阻切换电路可以包括多个切换单元，每个切换单元对应于一个电池单元设置，且每个切换单元用于在控制器的控制下将均衡电阻与相应的电池单元并联；并且，控制器包括多个信号输出端，多个信号输出端与多个切换单元一一对应连接，在控制器确定出满足切换条件的电池单元后，将控制信号通过与该电池单元对应的信号输出端发送至相应的切换单元，以便切换单元将均衡电阻与确定的电池单元并联。

具体地，可以通过在每个切换单元中设置光耦合器来实现控制器与电阻切换电路的隔离，并设置金属氧化物半导体晶体管(优选地，可以采用大功率的MOS管，下文中简称为MOS管)，MOS管可以在光耦合器的控制下导通，从而将均衡电阻并联至相应的单元。

其中，MOS管的栅极与光耦合器的输出端连接，MOS管的漏极与该切换单元所对应的电池单元的负极连接，MOS管的源极与均衡母线连接；光耦合器的输入端用于接收来自控制器的控制信号，并在接收到控制信号后将产生的电信号输出至MOS管，使MOS管导通，将均衡电阻与该切换单元所对应的电池单元并联。

下面将结合图1至3，详细描述控制器和电阻转换电路的结构和工作原理。

如图1所示，控制器可以采用集成芯片ATmega16，其具有高精度AD采样和PWM输出电路的8BIT微控制器芯片，并且具有高精度电压采样功能，用于对电池单元(BT1至BT3)进行电压采样，并确定每个电池单元的剩余电量。集成芯片的信号输出端PWM1和PWM2可以为大功率MOS管的驱动电路提供驱动电压；Voltage端口为集成芯片采集电压的输入端，Voltage端口连接集成芯片的AD采样引脚，借助Voltage端口采集的各电池单元的电压，就能够为后续是否需要进行均衡判定提供依据条件；如图1和图2所示，集成芯片还具有VCC1端，集成芯片的VCC1引脚可以通过电阻R8连接到VCC端，VCC1端可以连接至电阻R8与电容C1之间，电容C1两端分别连接集成芯片的VDD和VSS引脚，且集成芯片的VSS引脚接地，这样，通过电阻R8、电容C1就能够形成+3V电源RC滤波网络，此时可以认为集成芯片与***部件连接得到主控电路。

结合图1和图3，集成芯片的PWM1与光耦合器U1的PWM1’连接，集成芯片的PWM2与光耦合器U2的PWM2’连接，MOS管Q2的漏极接BT2电池负极，Q2的源极连接到均衡母线上，与功率电阻R8相连。Q2的栅极接光耦合器U2的发射极输出端，并通过R4连接到BT2电池的负极，U2的集电极输出端连接R3，R3的另一端连接的U2的集电极，另一端与BT1电池的正极相连，如果电池组中包含其他更多电池单元，则这些电路单元的电路连接方式与BT2相同(出于清楚的目的，图1中并未示出BT3所对应的MOS管和光耦合器)，由于光耦合器直接在集成芯片的控制下使MOS管导通，因此，可以认为光耦合器是MOS管的驱动电路。

大功率MOS管串联在放电回路中，主控电路对电池组内的单体电池进行电压采样，判断是否满足均衡开启的条件，如果满足，则需要进行均衡。主控电路发送控制信号给电阻切换电路，电阻切换电路将大功率电阻R8与需要均衡的单体电池连接。同时，主控电路根据需要进行均衡单体电池的剩余电量计算出需要的均衡电流，以PWM(脉冲宽度调制，Pulse WidthModulation)波的形式输入到大功率MOS管驱动电路，驱动电路控制MOS管开关，从而令流经大功率电阻的电流保持在规定值。

具体地，在实际判断中，对电池单元的电压值进行采样后，可以计算获得该电池单元的剩余容量，并且与其他单体电池的剩余容量进行比较。当该电池剩余容量比平均剩余电池容量高出一定值时，U1输出PWM调制信号到该单体电池正负极对应的两路MOS管驱动电路的光耦合器输入端，光耦合器在控制信号的作用下导通或截止。导通时，将在大功率MOS管栅极引入接近2倍单体电池电压的驱动信号，这样可以保证大功率MOS管的开启与关闭。当大功率MOS开启后，需要均衡的单体电池通过MOS管漏极进入均衡母线上的大功率电阻，并通过负极串联的MOS管的源极回到单体电池的负极，从而完成对多余能量的消耗过程。由于在大功率MOS管的栅极采用了较高的驱动电压，因此可以保证在MOS管内从源极到漏极和从漏极到源极都有较低开启电阻，成为理想的电子开关。

在图1至图3所示的电路结构中，可以认为集成芯片ATmega16、MOS管Q1、MOS管Q2构成了电压检测电路和电流调节PWM输出电路；电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、光耦合器U1、及光耦合器U2构成大功率MOS管驱动电路，功率电阻R6构成均衡放电电路；而U1和Q1就相当于对应于BT1的切换单元，U2和Q2就相当于对应于BT2的切换单元，对于包含更多电池单元的电池组，切换单元的数量与电池单元的数量应当是相同的。

通过上述实例可以看出，本发明的方案只需要使用单个功率电阻，当电池组个体间存在较大差异需要进行单体均衡时，该电路会通过大功率MOS管将功率电阻切换到需要均衡的单体电池，与该单体并联形成放电回路，消耗多余的能量。当需要均衡的单体电池数量比较多时，则可以根据单体电池剩余电量的情况，将功率电阻顺序并接到需要均衡的单体电池上。同时该电路还具有均衡电流调节功能，可以根据单体能量的剩余情况，利用PWM脉宽调制技术控制均衡电流的大小。这样可以保证同一种电路可以根据不同容量的电池，选择合适的均衡电流，防止由于均衡电流过大引起的单体电池过热或是电流过小单体电池均衡无效的情况出现。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，将大功率MOS管作为功率电阻的切换器件，每个电池组所需要的功率电阻由原来的数个变为了一个，大大降低了整个均衡电路的成本和体积；而由于该电路可以控制流经功率电阻的电流大小，即控制单体电池的均衡电流大小，因此可以在只使用同一规格的功率电阻的情况下，根据动力电池组的单体容量大小控制合适的均衡电流，这样可以避免均衡电流过大时单体电池过热和电流过小时均衡效果差的问题。

应当注意图1至图3所示出的仅仅是实现电阻切换的一种具体的实现方案，在实际应用中也可以采用其他的连接方式对上述部件进行组合连接，而所进行的连接方式的改变同样属于本发明的保护范围。

另外，除了通过图1至3所示的方案能够将电阻选择性地并联至某个单体电池之外，还可以通过开关阵列或结合其他电路器件的方式达到该目的，具体的方式本文不再一一列举。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电池均衡装置，用于利用均衡电阻对电池组中的多个电池单元进行均衡，其特征在于，所述电池均衡装置包括控制器、电阻切换电路、和均衡电阻，其中，

所述电阻切换电路用于在所述控制器的控制下将所述均衡电阻与所述控制器指定的电池单元并联；

所述控制器用于采集所述多个电池单元中每个电池单元的电压值，根据采集的电压值确定所述每个电池单元的剩余电量，并在确定一个电池单元满足切换条件的情况下，控制所述电阻切换电路将所述均衡电阻与该电池单元并联，其中，所述切换条件为：该电池单元的剩余电量比所述多个电池单元的平均剩余电量高出预定值的情况下。

2.根据权利要求1所述的电池均衡装置，其特征在于，所述电阻切换电路包括多个切换单元，每个切换单元对应于一个电池单元设置，且每个切换单元用于在所述控制器的控制下将所述均衡电阻与相应的电池单元并联；

并且，所述控制器包括多个信号输出端，所述多个信号输出端与所述多个切换单元一一对应连接，在所述控制器确定出满足所述切换条件的电池单元后，将控制信号通过与该电池单元对应的信号输出端发送至相应的切换单元，以便所述切换单元将所述均衡电阻与确定的所述电池单元并联。

3.根据权利要求2所述的电池均衡装置，其特征在于，所述每个切换单元进一步包含光耦合器和金属氧化物半导体晶体管，所述均衡电阻连接在均衡母线上；

其中，所述金属氧化物半导体晶体管的栅极与所述光耦合器的输出端连接，所述金属氧化物半导体晶体管的漏极与该切换单元所对应的电池单元的负极连接，所述金属氧化物半导体晶体管的源极与所述均衡母线连接；所述光耦合器的输入端用于接收来自所述控制器的控制信号，并在接收到控制信号后将产生的电信号输出至所述金属氧化物半导体晶体管，使所述金属氧化物半导体晶体管导通，将所述均衡电阻与该切换单元所对应的电池单元并联。

4.根据权利要求2所述的电池均衡装置，其特征在于，所述控制信号为脉冲宽度调制信号。

5.根据权利要求4所述的电池均衡装置，其特征在于，所述控制器进一步用于利用所述脉冲宽度调制信号将流经每个电池单元的电流调节至预定电流值范围内。

Images