CN107453452A - 一种基于负载开关的多电芯串联锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于负载开关的多电芯串联锂电池，应用于电池供电领域，包括：多节串联的串联锂电芯和多个负载开关，与负载开关连接的储能器，电压检测器和控制器。本发明的技术方案能够在检测到各电芯电量不均衡时，通过自动控制负载开关来实现电量的转移。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种基于负载开关的多电芯串联锂电池。
背景技术
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂电池能量存储密度高、使用寿命长，额定电压高的特性，被广泛应用到电子产品和新能源汽车领域。
现有的锂电池通常采用多节锂电芯串联构成一个整体的锂电池，每节锂电池的电芯可视为一个电池内阻和电容串联的等效电路，电容可视为电芯容量。对于多电芯的锂电池进行整体的充电操作，由于每节电芯的内阻和电池容量不同，在相同的充电截止电压下，必然存在部分电芯先被充满，一般是电池负极部分电芯最先被充满，部分电芯未被充满，导致锂电池充电不完全，极大地降低了锂电池的效率；但是若持续充电，部分已充满的电芯会过充，影响电芯寿命。因此，需要对现有的锂电池结构进行改进。
发明内容
针对现有技术中在锂电池领域存在的上述问题，现提供一种基于负载开关的多电芯串联锂电池。
具体技术方案如下：
一种基于负载开关的多电芯串联锂电池，应用于电池供电领域，所述多电芯串联锂电池包括：
多个串联锂电芯，所述串联锂电芯依次相互串联形成一串联锂电芯组，每个所述串联锂电芯的正极分别连接一第一开关的第一端，每个所述串联锂电芯的负极分别连接一第二开关的第一端；
负极锂电芯，与所述串联锂电芯组串联，且所述负极锂电芯的正极连接所述串联锂电芯组的负极，所述负极锂电芯的正极还连接一第三开关的第一端，所述负极锂电芯的负极连接一第一N型场效应管的源极；
储能器，所述储能器的正极分别连接每个所述第一开关的第二端以及所述第三开关的第二端，所述储能器的负极分别连接每个所述第二开关的第二端以及所述第一N型场效应管的漏极；
电压检测器，分别连接每个所述串联锂电芯和所述负极锂电芯的正极和负极，用于检测每个所述串联锂电芯和所述负极锂电芯的实时电压；
控制器，分别连接所述电压检测器、所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端、所述第三开关的控制端、所述第一N型场效应管的栅极，用于根据所述实时电压，在任一所述串联锂电芯电压低于所述负极锂电芯电压时，通过控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第一N型场效应管的通断的组合，将所述负极锂电芯的电量通过所述储能器转移至对应的所述串联锂电芯中。
优选的，所述控制器为一可编程逻辑控制器，所述控制器内包括：
对比单元，连接所述电压检测器，预设有一均衡电压差，用于在任一所述串联锂电芯的所述实时电压低于所述负极锂电芯的所述实时电压且差值大于所述均衡电压差时，向调控单元发送调控指令；
所述调控单元，连接所述对比单元，预设有一充放电时间，所述调控单元用于在接收到所述调控指令后，控制所述第一N型场效应管导通，控制所述第三开关通导并限流；
在经过所述充放电时间后，关断所述第一N型场效应管和所述第三开关；
之后，控制对应的串联锂电芯的所述第一开关通导，控制对应的串联锂电芯的所述第二开关通导并限流；
在经过所述充放电时间后，关断所述第一开关和所述第二开关。
优选的，所述电压检测器，为一模数转换检测装置，用于将检测到的所述实时电压转化为数字信号。
优选的，所述储能器为一电容或一锂电芯。
优选的，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关均为负载开关，所述负载开关包括：
两个串联的第二N型场效应管，串联在所述负载开关的第一端和第二端之间，用于控制所述负载开关的通导状态；
电荷泵，所述电荷泵的输出端连接所述第二N型场效应管的栅极，用于向所述第二N型场效应管的栅极输出控制电压，控制所述第二N型场效应管的通断状态和限流状态；
限流控制器，分别连接所述电荷泵和所述控制器，用于根据所述控制器指令控制电荷泵输出的所述控制电压。
优选的，所述负载开关还包括电压选高器，分别连接所述负载开关的第一端和第二端，用于选取所述负载开关第一端和第二端中的高电平，对所述负载开关进行供电。
优选的，所述负载开关还包括低压降电压源，连接所述电压选高器，用于从所述高电平中产生所述负载开关的工作电压。
优选的，所述负载开关还包括过压保护单元和欠压保护单元，分别连接所述电荷泵，用于在所述负载开关的工作电压过高或过低时，控制所述负载开关不导通。
优选的，所述第二N型场效应管上各设置有一寄生二极管，所述负载开关的第一端和第二端均连接一个所述第二N型场效应管的漏极。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
采用通过在每个锂电芯上设置负载开关来连接储能器，使得控制器能够控制负载开关的方式，实现将锂电池的电量通过储能器转移到带电量较少的电芯上，从而实现锂电池电量主动均衡，最大限度提高锂电池的储电能力，提高了使用效率。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明一种基于负载开关的多电芯串联锂电池实施例的整体结构示意图；
图2为本发明一种基于负载开关的多电芯串联锂电池实施例中负载开关的结构示意图；
图3为本发明一种基于负载开关的多电芯串联锂电池实施例中控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明一种较佳的实施例中，根据图1所示，一种基于负载开关的多电芯串联锂电池，应用于电池供电领域，包括：
多个串联锂电芯A1，串联锂电芯A1依次相互串联形成一串联锂电芯组，每个串联锂电芯的正极分别连接一第一开关的第一端，每个串联锂电芯的负极分别连接一第二开关的第一端；
负极锂电芯A0，与串联锂电芯组串联，且负极锂电芯A0的正极连接串联锂电芯组的负极，负极锂电芯A0的正极还连接一第三开关的第一端，负极锂电芯A0的负极连接一第一N型场效应管N1的源极；
储能器C1，储能器C1的正极分别连接每个第一开关的第二端以及第三开关的第二端，储能器C1的负极分别连接每个第二开关的第二端以及第一N型场效应管N1的漏极；
电压检测器(图中未示出)，分别连接每个串联锂电芯A1和负极锂电芯A0的正极和负极，用于检测每个串联锂电芯A1和负极锂电芯A0的实时电压；
控制器B1，分别连接电压检测器、第一开关的控制端、第二开关的控制端、第三开关的控制端、第一N型场效应管N1的栅极，用于根据实时电压，在任一串联锂电芯A1电压低于负极锂电芯A0电压时，通过控制第一开关、第二开关、第三开关以及第一N型场效应管N1的通断的组合，将负极锂电芯A0的电量通过储能器C1转移至对应的串联锂电芯A1中。
具体地，本实施例中，对于多节锂电芯串联的锂电池，采用第一开关和第二开关控制每节锂电芯与储能器C1的连接；采用储能器C1实现将负极锂电芯A0的电能临时存储后，传递至电能较少的串联锂电芯A1；采用电压检测器，实现对各锂电芯的电压检测，并发送至控制器B1，作为电量均衡的依据；采用控制器B1，实现根据各锂电芯的电压控制第一开关、第二开关和第一N型场效应管N1导通，对储能器C1充电，之后控制对应的电量较少的串联锂电芯A1的第一开关和第二开关通导，实现将储能器C1的电能传输至对应的串联锂电芯A1。通过将负极锂电芯的电量均衡至各个串联锂电芯A1，实现锂电池电量主动均衡，最大限度提高锂电池的储电能力。
如图1所示，对4个锂电芯串联的锂电池中，串联锂电芯分别为串联锂电芯A11、串联锂电芯A12、串联锂电芯A13，与串联锂电芯A1正极连接的负载开关为负载开关S7、负载开关S6、负载开关S4、负载开关S2，与串联锂电芯A1负极连接的负载开关为负载开关S1、负载开关S3、负载开关S5。电压检测器分别检测各锂电芯的正负极的电压，由于各锂电芯为串联状态，检测到的V0为负极锂电芯A0的负极电压，V1为负极锂电芯A0的正极电压也是串联锂电芯A13的负极电压，V2为串联锂电芯A13的正极电压和串联锂电芯A12的负极电压，V3为串联锂电芯A12的正极电压和串联锂电芯A11的负极电压，V4为串联锂电芯A11的正极电压，因此各锂电芯的电压分别为对应正负极的电压差。其中，第一开关分别为：负载开关7、负载开关6、负载开关4。第二开关分别为：负载开关5、负载开关3、负载开关1。第三开关为负载开关S2。
本发明一种较佳的实施例中，根据图3所示，控制器B1为一可编程逻辑控制器B1，控制器B1内包括：
对比单元B11，连接电压检测器，预设有一均衡电压差，用于在任一串联锂电芯A1的实时电压低于负极锂电芯A0的实时电压且差值大于均衡电压差时，向调控单元B12发送调控指令；
调控单元B12，连接对比单元B11，预设有一充放电时间，调控单元B12用于在接收到调控指令后，控制第一N型场效应管N1导通，控制第三开关通导并限流；
在经过充放电时间后，关断第一N型场效应管N1和第三开关；
之后，控制对应的串联锂电芯A1的第一开关通导，控制对应的串联锂电芯A1的第二开关通导并限流；
在经过充放电时间后，关断第一开关和第二开关。
具体地，本实施例中，采用对比单元B11对各个串联锂电芯A1和负极锂电芯A0进行比对，获取到电压小于负极锂电芯A0电压且差值大于均衡电压差的目标串联锂电芯A1，采用调控单元B12控制负极锂电芯A0连接的第一N型场效应管N1和第三开关通导，并控制第三开关进行限流，保证电能传输的稳定性，实现向储能器C1储能，并在经过充放电时间后停止储能，同时控制根据比对单元B2得到的电压较小的目标串联锂电芯A1的对应第一开关和第二开关通导，接收储能器C1的电能，通过对目标串联锂电芯A1的第二开关进行限流，保证电能传输的稳定性。上述流程为单次电能均衡的过程，在实际运用中，可进行多次电能均衡操作，从而实现将锂电池中的各个锂电芯保持电量一致。
本发明一种较佳的实施例中，电压检测器，为一模数转换检测装置，用于将检测到的实时电压转化为数字信号。
具体地，本实施例中，采用模数转换检测装置，可以在检测电压的同时将电压以数字信号的方式发送至控制器B1，同时，控制器B1为一可编程逻辑控制器B1，仅能对数字信号进行逻辑判断，因此，可以方便控制器B1对每个锂电芯的电压进行比对，确定是够进行电压均衡的操作。
本发明一种较佳的实施例中，根据图1所示，储能器C1为一电容或一锂电芯。具体地，采用电容和储能锂电芯均可实现对电能的存储和释放。
本发明一种较佳的实施例中，根据图1和2所示，第一开关、第二开关和第三开关均为负载开关，负载开关包括：
两个串联的第二N型场效应管N2，串联在负载开关的第一端和第二端之间，用于控制负载开关的通导状态；
电荷泵K1，电荷泵K1的输出端连接第二N型场效应管N2的栅极，用于向第二N型场效应管N2的栅极输出控制电压，控制第二N型场效应管N2的通断状态和限流状态；
限流控制器K2，分别连接电荷泵K1和控制器B1，用于根据控制器B1指令控制电荷泵K1输出的控制电压。
具体地，本实施例中，采用两个第二N型场效应管N2是利用其在栅极电压影响下通导状态可调控的属性来控制负载开关的通断状态和限流状态；采用电荷泵K1产生电压来影响第二N型场效应管N2的栅极；采用限流控制器K2控制电荷泵K1产生的电压来控制第二N型场效应管N2，控制器B1通过对限流控制器K2的控制来实现了对负载开关的控制。
本发明一种较佳的实施例中，根据图2所示，负载开关还包括电压选高器K3，分别连接负载开关的第一端和第二端，用于选取负载开关第一端和第二端中的高电平，对负载开关进行供电。
本发明一种较佳的实施例中，根据图2所示，负载开关还包括低压降电压源K4，分别连接电压选高器K3，用于从高电平中产生负载开关的工作电压。
具体地，本实施例中，采用电压选高器K3能够根据负载开关的两端选取较高的高电平VH，用于内部模块供电；低压降电压源K4从VH产生一个内部工作的低电压VLDO，为5V或者3.3V；第二N型场效应管N2通导电压设置为VH+VLDO，电荷泵K1将第二N型场效应管N2的栅电压充到VH+VLDO，此时NMOS完全导通。
本发明一种较佳的实施例中，根据图2所示，负载开关还包括过压保护单元K5和欠压保护单元K6，分别连接电荷泵K1，用于在负载开关的工作电压过高或过低时，控制负载开关不导通。
本发明一种较佳的实施例中，
第二N型场效应管N2上各设置有一寄生二极管D1，负载开关的第一端和第二端均连接一个第二N型场效应管DI的漏极。
具体地，本实施例中，采用第二N型场效应管N2及寄生二极管D1背靠地设置，且寄生二极管D1正极和负极对应反向设置，即两个第二N型场效应管N2的源极和漏记反向串联，可以有效防止不受控的电压倒灌。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于负载开关的多电芯串联锂电池，应用于电池供电领域，其特征在于，包括：
多个串联锂电芯，所述串联锂电芯依次相互串联形成一串联锂电芯组，每个所述串联锂电芯的正极分别连接一第一开关的第一端，每个所述串联锂电芯的负极分别连接一第二开关的第一端；
负极锂电芯，与所述串联锂电芯组串联，且所述负极锂电芯的正极连接所述串联锂电芯组的负极，所述负极锂电芯的正极还连接一第三开关的第一端，所述负极锂电芯的负极连接一第一N型场效应管的源极；
储能器，所述储能器的正极分别连接每个所述第一开关的第二端以及所述第三开关的第二端，所述储能器的负极分别连接每个所述第二开关的第二端以及所述第一N型场效应管的漏极；
电压检测器，分别连接每个所述串联锂电芯和所述负极锂电芯的正极和负极，用于检测每个所述串联锂电芯和所述负极锂电芯的实时电压；
控制器，分别连接所述电压检测器、所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端、所述第三开关的控制端、所述第一N型场效应管的栅极，用于根据所述实时电压，在任一所述串联锂电芯电压低于所述负极锂电芯电压时，通过控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第一N型场效应管的通断的组合，将所述负极锂电芯的电量通过所述储能器转移至对应的所述串联锂电芯中。
2.根据权利要求1所述的多电芯串联锂电池，其特征在于，所述控制器为一可编程逻辑控制器，所述控制器内包括：
对比单元，连接所述电压检测器，预设有一均衡电压差，用于在任一所述串联锂电芯的所述实时电压低于所述负极锂电芯的所述实时电压且差值大于所述均衡电压差时，向调控单元发送调控指令；
所述调控单元，连接所述对比单元，预设有一充放电时间，所述调控单元用于在接收到所述调控指令后，控制所述第一N型场效应管导通，控制所述第三开关通导并限流；
在经过所述充放电时间后，关断所述第一N型场效应管和所述第三开关；
之后，控制对应的串联锂电芯的所述第一开关通导，控制对应的串联锂电芯的所述第二开关通导并限流；
在经过所述充放电时间后，关断所述第一开关和所述第二开关。
3.根据权利要求2所述的多电芯串联锂电池，其特征在于，所述电压检测器，为一模数转换检测装置，用于将检测到的所述实时电压转化为数字信号。
4.根据权利要求1所述的多电芯串联锂电池，其特征在于，所述储能器为一电容或一锂电芯。
5.根据权利要求1所述的多电芯串联锂电池，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关均为负载开关，所述负载开关包括：
两个串联的第二N型场效应管，串联在所述负载开关的第一端和第二端之间，用于控制所述负载开关的通导状态；
电荷泵，所述电荷泵的输出端连接所述第二N型场效应管的栅极，用于向所述第二N型场效应管的栅极输出控制电压，控制所述第二N型场效应管的通断状态和限流状态；
限流控制器，分别连接所述电荷泵和所述控制器，用于根据所述控制器指令控制电荷泵输出的所述控制电压。
6.根据权利要求5所述的多电芯串联锂电池，其特征在于，所述负载开关还包括电压选高器，分别连接所述负载开关的第一端和第二端，用于选取所述负载开关第一端和第二端中的高电平，对所述负载开关进行供电。
7.根据权利要求6所述的多电芯串联锂电池，其特征在于，所述负载开关还包括低压降电压源，连接所述电压选高器，用于从所述高电平中产生所述负载开关的工作电压。
8.根据权利要求5所述的多电芯串联锂电池，其特征在于，所述负载开关还包括过压保护单元和欠压保护单元，分别连接所述电荷泵，用于在所述负载开关的工作电压过高或过低时，控制所述负载开关不导通。
9.根据权利要求5所述的多电芯串联锂电池，其特征在于，所述第二N型场效应管上各设置有一寄生二极管，所述负载开关的第一端和第二端均连接一个所述第二N型场效应管的漏极。
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- 2017-09-25 CN CN201710877122.2A patent/CN107453452B/zh active Active
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