CN102324773A

CN102324773A - 动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片

Info

Publication number: CN102324773A
Application number: CN201110286508A
Authority: CN
Inventors: 杨文荣; 李楠; 李志洲
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明涉及一种动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，它包括三个采样器，一个电压比较模块，一个控制模块，两个DC/DC模块。采样器的输出连接至电压比较模块，电压比较模块的输出端连接至控制模块，串联电池组的电压作为DC/DC模块的输入，其输出电压作为单节电池充放电电压；所述四节串联电池组中的三节电池分别连接三个采样器以获得其电压值，将其电压值送入到电压比较模块，通过比较4节电池电压，从而获得电压值最低的电池信息，将此信息输出至控制模块，并通过输出引脚控制相应的开关，使得电容C工作在被DC/DC模块充电和放电的状态之间。本发明能起到减小电池组单体电池之间的电压差，改善电池之间的不均衡，提高电池使用寿命。

Description

动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片

技术领域

本发明涉及一种电池均衡技术，特别是一种动力锂离子串联电池组使用情况下的均衡芯片。

背景技术

锂离子电池由于单体电压较低、在实际应用中必须多节串联使用，这一局限性对动力电池组管理***的设计带来了困难，尤其是要对每个单体电池都要进行过充、过放电保护、均衡管理和电池状态监控，电路结构相当庞大和复杂。虽然随着技术工艺的提高，单体电池之间的差异逐渐减小，但是，在当前制作工艺水平下，仍难保证每节电池特性完全一致。尤其是在工况运行条件下，频繁地进行不规则的充电、放电，成组电池工作一段时间后电池之间的差异会恶化，从而，使得电池组的使用效率降低，寿命减小。

锂离子电池的剩余电量的变化会引起其端电压差的显著变化，现代电池管理***对锂离子电池过充、过放电的检测都是基于对电池端电压检测基础上，通过设定过充、过放电电压来对电池组进行管理的。电量不均衡的电池组，各个电池的端电压有明显的差异，当某节电池达到过充、过放电时，整个电池组均停止工作，而其它电池尚达到过充、过放电电压，造成电量的浪费和充电的不足。多次充放电后，这种差异会慢慢增大，造成电池组使用效率的降低，使用时间缩短。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片来转移电池电量，改善锂离子电池之间电量的不均衡，提高电池组的使用寿命。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现。

电池（B0、B1、B2）接采样器（101、102、103），采样器通过将输入端电压值线性相减，得到单节电池电压。电压比较模块（104）通过一系列的比较器及选择器，将输出表示电压最低电池号码的2位二进制数。控制模块（105）通过对振荡器产生的时钟信号进行计数分频，根据电压比较模块（105）的输出结果，通过输出引脚控制对应的压控开关的闭合与关断，使电容C交替工作在被DC/DC模块（106和107）充电与向电压最低电池放电状态下。DC/DC模块（106和107）的电源来自串联电池组整体，输出电压可根据所用电池的种类调节。对于锂离子电池，其输出电压可设为4.2V。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，包括三个采样器，一个电压比较模块，一个控制模块，两个DC/DC模块。采样器的输出连接至电压比较模块，电压比较模块的输出端连接至控制模块，串联电池组的电压作为DC/DC模块的输入，其输出电压作为单节电池充放电电压；所述四节串联电池组中的三节电池分别连接三个采样器以获得其电压值，将其电压值送入到电压比较模块，通过比较4节电池电压，从而获得电压值最低的电池信息，将此信息输出至控制模块，并通过输出引脚控制相应的开关，使得电容C工作在被DC/DC模块充电和放电的状态之间。

所述采样器U+和U-端将采样电压分别通过连接电阻R1和电阻R2分别作为一个比较器S1的正端和负端的输入，输出通过电阻R4反馈到负输入端，使用工作在负反馈情况下的运算放大器对端电压进行线性相减。

所述电压模块的结构是I0和I1分别连接至一个第一比较器的正负输入端，其输出连接到一个第一选择器的选择端S，并连接到一个第三选择器的0输入端，I2和I3分别连接至一个第二比较器的正负输入端，其输出连接到一个第二选择器的选择端S，并连接到一个第三选择器的1输入端，第一选择器和第二选择器的输出端分别连接至一个第三比较器的正负输入端，第三比较器的输出端连接到第三选择器的选择端S。采用比较器和模拟选择器完成电压比较，其输出表示电压最低电池号码的2位二进制数。

所述控制模块对时钟信号进行计数分频，控制压控开关，使电容C工作在被DC/DC模块充电与向电池放电的状态之间。

所述DC/DC模块电源由串联电池组整体提供，其输出为单节电池的充电电压。

所述电压比较模块中的模拟选择器采用了CMOS传输门电路，使输出电压与相应的输入电压相等。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

将电池组整体的电量通过电容转移至电压较低的电池中，以实现减小电池组单体电池之间的电压差，改善电池之间的不均衡，提高电池使用寿命。

附图说明

图1是本发明的电路结构图。

图2是电压比较模块结构图。

图3是采样器的结构图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参加图1，本动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，包括三个采样器（101、102、103），一个电压比较模块（104），一个控制模块（105），两个DC/DC模块（106和107）。采样器（101、102、103）的输出连接至电压比较模块（104），电压比较模块（104）的输出端连接至控制模块（105），串联电池组的电压作为DC/DC模块（106和107）的输入，其输出电压作为单节电池充放电电压；所述四节串联电池组中的三节电池（B0、B1、B2）分别连接三个采样器（101、102、103）以获得其电压值，将其电压值送入到电压比较模块（104），通过比较4节电池（B0、B1、B2、B3）电压，从而获得电压值最低的电池信息，将此信息输出至控制模块（105），并通过输出引脚控制相应的开关，使得电容C工作在被DC/DC模块（106和107）充电和放电的状态之间。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

参见图1，图2,和图3，所述采样器（101、102、103），U+和U-端将采样电压分别通过连接电阻R1和电阻R2分别作为一个比较器S1的正端和负端的输入，输出通过电阻R4反馈到负输入端，使用工作在负反馈情况下的运算放大器对端电压进行线性相减。

所述电压模块（104）的结构是I0和I1分别连接至一个第一比较器（201）的正负输入端，其输出连接到一个第一选择器（203）的选择端S，并连接到一个第三选择器（206）的0输入端，I2和I3分别连接至一个第二比较器（202）的正负输入端，其输出连接到一个第二选择器（204）的选择端S，并连接到一个第三选择器（206）的1输入端，第一选择器（203）和第二选择器（204）的输出端分别连接至一个第三比较器（205）的正负输入端，第三比较器（205）的输出端连接到第三选择器（206）的选择端S。采用比较器和模拟选择器完成电压比较，其输出表示电压最低电池号码的2位二进制数。

所述控制模块（105）对时钟信号进行计数分频，控制压控开关，使电容C工作在被DC/DC模块（106和107）充电与向电池放电的状态之间。

所述DC/DC模块（106和107），电源由串联电池组整体提供，其输出为单节电池的充电电压。

所述电压比较模块（104）中的模拟选择器（203、204、206）采用了CMOS传输门电路，使输出电压与相应的输入电压相等。

下面结合附图，具体说明本发明的原理。

图1动力锂离子电池电量均衡芯片结构图，电池B₀、B₁、B₂处于串联使用状态，其端电压为电池串联后的电压。采样器101、102、103通过线性电路直接采样的方法，将电池端电压线性相减，得到相应测量电池的单体电压。电压比较模块（104）的电路图如图2所示，I₀和I₁将B₀和B₁的电压送入比较器201进行比较。若电压值B₀>B₁，201输出为高电平，反之则输出低电平。203是用CMOS传输门设计的模拟选择器，其作用是根据S端的输入，选择相应的输入电压并将其以原电压值输出，所以203的输出电压为B₀和B₁中电压较小的电池电压，记为V_01min。同理，模拟选择器204输出电压为B₂和B₃中较小的电池的电压，记为V_23min。将V_01min和V_23min送入比较器205进行比较。若V_01min>V_23min，比较器205输出为高电平，反之则输出低电平，以Out₁端口输出。206为普通的逻辑门数字选择器，其作用是根据205的结果，选通201或202的输出电平，以Out₀输出。因此，电压最低电池的号码就以2位二进制从Out₀、Out₁端输出。控制模块（105）的作用，是通过其输出引脚，控制对应的压控开关D、G、S₀、S₁、S₂、S₃，实现电容C状态的改变。其输入端接收来自振荡器106的高频时钟信号，通过分频产生一个占空比很大的内部时钟，并交替定义充电和放电周期。在充电周期的上升沿来到时，控制模块（105）闭合压控开关D和G，此时电容C通过DC/DC模块（106和107）充电。在放电周期的上升沿来到，根据电压比较模块（104）的输出信号，闭合相应号码电池两端的压控开关，使C与该电池并联，实现电容对电池的放电。特别的，当电压最低电池是B₃时，放电周期的上升沿来到，控制模块将同时打开压控开关S₃和G。不论是充电周期还是放电周期，当内部时钟的下降沿来到时，控制模块总是将所有的开关断开，这么做的原因是为了避免延迟引起的不必要的竞争冒险。DC/DC模块（106和107）的电源由串联电池组提供，输出电压为单节电池的充电电压。这种均衡方法的实质，是将串联电池组整体的电量通过电容，转移到电池组中电量最低的电池中去，实现了能量转移型的电量均衡，在不造成过多能量损耗的情况下，减小了电池组中电池电量的不均衡。

Claims

1.一种动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，包括三个采样器（101、102、103），一个电压比较模块（104），一个控制模块（105），两个DC/DC模块（106和107）；采样器（101、102、103）的输出连接至电压比较模块（104），电压比较模块（104）的输出端连接至控制模块（105），串联电池组的电压作为DC/DC模块（106和107）的输入，其输出电压作为单节电池充放电电压；所述四节串联电池组中的三节电池（B0、B1、B2）分别连接三个采样器（101、102、103）以获得其电压值，将其电压值送入到电压比较模块（104），通过比较4节电池（B0、B1、B2、B3）电压，从而获得电压值最低的电池信息，将此信息输出至控制模块（105），并通过输出引脚控制相应的开关，使得电容C工作在被DC/DC模块（106和107）充电和放电的状态之间。

2.根据权利要求1所述动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，其特征在于，所述采样器（101、102、103），U+和U-端将采样电压分别通过连接电阻R1和电阻R2分别作为一个比较器S1的正端和负端的输入，输出通过电阻R4反馈到负输入端，使用工作在负反馈情况下的运算放大器对端电压进行线性相减。

3.根据权利要求1所述动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，其特征在于，所述电压模块（104）的结构是I0和I1分别连接至一个第一比较器（201）的正负输入端，其输出连接到一个第一选择器（203）的选择端S，并连接到一个第三选择器（206）的0输入端，I2和I3分别连接至一个第二比较器（202）的正负输入端，其输出连接到一个第二选择器（204）的选择端S，并连接到一个第三选择器（206）的1输入端，第一选择器（203）和第二选择器（204）的输出端分别连接至一个第三比较器（205）的正负输入端，第三比较器（205）的输出端连接到第三选择器（206）的选择端S；采用比较器和模拟选择器完成电压比较，其输出表示电压最低电池号码的2位二进制数。

4.根据权利要求1所述动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，其特征在于，所述控制模块（105）对时钟信号进行计数分频，控制压控开关，使电容C工作在被DC/DC模块（106和107）充电与向电池放电的状态之间。

5.根据权利要求1所述动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，其特征在于，所述DC/DC模块（106和107），电源由串联电池组整体提供，其输出为单节电池的充电电压。

6.根据权利要求3所述动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片，其特征在于，所述电压比较模块（104）中的模拟选择器（203、204、206）采用了CMOS传输门电路，使输出电压与相应的输入电压相等。