CN107528353B

CN107528353B - 一种串联电池电压均衡方法及均衡电路

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Publication number: CN107528353B
Application number: CN201610449034.8A
Authority: CN
Inventors: 赖永利
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: CN107528353A

Abstract

本发明提供一种串联电池电压均衡方法及均衡电路，该方法在充电过程中如果发现有任何单体电池的电压高出平均电压一个门限值，则通过放电电路对该电池进行放电，使其电压降低到平均值，该电路是采用一个芯片实现对电池组中单体电池的均衡。由于只在电池充电过程中进行均衡，其它时间不对电池进行放电，克服了目前的均衡***的不足。

Description

一种串联电池电压均衡方法及均衡电路

技术领域

本发明涉及动力电池使用领域，特别涉及一种大量电池串联时的电池均衡方法及均衡电路。

背景技术

随着环境污染的加剧，电动汽车等新能源技术得到了全世界的关注以及快速的发展，而其中电池储能成为了电动汽车发展的瓶颈。由于电动汽车续驶里程的要求以及电池单体本身低电压低容量的限制，在动力电池组中需要大量的电池单体串联以提供所需的驱动电压及行驶能力。但是，由于现有制造技术以及不可避免的温度等外部环境差异，导致大量单体之间的初始容量、工作电压、剩余容量等不可能完全一致，造成电池使用过程中个别单体过充过放，影响电池使用寿命与安全。而且由于 “木桶效应” 的存在影响整个电池包的容量，正反馈效应使得容量小的电池单体 “亏损” 越发严重。一个好的电池均衡技术能够很大程度上减低电池单体之间的不一致性，从而有效的避免电池包中某些电池单体的过充电或过放电的发生，从而保持电池包的使用特性。因此，电池均衡技术在电动汽车电池管理***中占有重要位置。这里，电池包括目前普遍使用的蓄电池如铅酸蓄电池、锂电池等化学电池，超级电容等物理电池，不论是化学电池还是物理电池在串联时都会由于单体电池个体差异需要进行均衡。

中国专利公开号CN 104113110 A公开了一种电池均衡电路，该电池均衡电路包括：

电池组，包括 N 个串联的电池单体，其中，电池单体根据编号分为奇数组和偶数组，每个电池单元具有阳极和阴极， N 为大于 1 的整数。

电感，用于储存并释放能量。

均衡控制开关，包括 N+1 个可控开关，其中 N 为电池单体数目。

可控开关将电池单体阳极和阴极连接于所述电感，其中，可控开关根据编号分为奇数组和偶数组，奇数组可控开关共同接于电感一极，偶数组可控开关共同接于电感另一极。

均衡控制器，用于检测电池单体实时电压、电流、 SOC 等数据并处理，制定均衡控制策略，控制均衡控制开关启闭。

该均衡电路通过实时监测电池单体电压或 SOC，判断需要均衡单体，实现单体与单体之间或者单体电池与多节电池之间的能量转移。

但是由于该电路中需要一直处于均衡过程中，使各电池之间有能量转移，在能量转移过程中，有能量的损耗，甚至可能使产品发热，影响产品的寿命，同时还不适合于做集成电路。

发明内容

本发明的目的就是克服目前串联电池组中各均衡电路的不足，提供一种串联电池电压均衡方法及均衡电路，该方法是只在电池充电过程中进行均衡，其它时间不对电池进行放电。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种串联电池电压均衡方法，该方法在充电过程中如果发现有任何单体电池的电压高出平均电压一个门限值，则通过放电电路对该电池进行放电，使其电压与降低到平均值。

由于只在电池充电过程中进行均衡，其它时间不对电池进行放电，克服了目前的均衡***的不足。

进一步的，上述的串联电池电压均衡方法中，包括以下步骤：

步骤1、实时测量串联的电池组中每个单体电池的平均电压；

步骤2、判断电池组是否在充电过程中，如果在充电过程中，则转向步骤3，否则结束此次均衡过程；

步骤3、实时检测单体电池的实时电压；

步骤4、将单体电池的实时电压值减去该时刻的平均电压值，如果大于设定的门限值，则转向步骤5，否则结束此次均衡过程；

步骤5、利用放电电路对单体电池两端放电。

进一步的，上述的串联电池电压均衡方法中：在所述的步骤1中，在串联的电池组两端接一组串联电阻，其中串联电阻的电阻数与电池组中单体电池数量一致，各电阻阻值一样；测量任一电阻两端的电压就是电池组中每个单体电池的平均电压。

进一步的，上述的串联电池电压均衡方法中：所述的步骤2中，是通过将前一次测量的电池组中每个单体电池的平均电压值与后一次测量的电池组中每个单体电池的平均电压值相比，如果后一次测量的电池组中每个单体电池的平均电压值大于前一次测量的电池组中每个单体电池的平均电压值，则判断正在对电池组充电。

进一步的，上述的串联电池电压均衡方法中：还包括对单体电池进行过压保护的步骤，该步骤中通过判断实时检测的单体电池的电压，如果大于规定的单体电池最高电压，则控制放电电路对该单体电池放电，并指示。

本发明还提供了一种串联电池电压均衡电路，包括分别对串联电池组中各单体电池进行均衡处理的单体电池处理模块；所述的单体电池处理模块设置在一个集成电路芯片中，包括：

实时测量串联的电池组中每个单体电池的平均电压的平均电压检测电路；

判断电池组是否正在充电过程的充电状态检测电路；

实时检测单体电池的实时电压的单体电池电压实时检测电路；

比较电路；

“与”逻辑门电路；

放电电路；

所述的充电状态检测电路的输入端接所述的平均电压检测电路的输出端，当在充电时，所述的充电状态检测电路的输出有效；

所述的比较电路的输入端为单体电池电压实时检测电路的输出端和平均电压检测电路的输出端，在单体电池电压实时检测电路的输出端的信号高出平均电压检测电路的输出端的信号一设定值时，所述的比较电路输出有效；

所述的“与”逻辑门电路的两个输入端分别接所述的充电状态检测电路的输出端和所述的比较电路的输出端，所述的“与”逻辑门电路的输出端有效时驱动所述的放电电路工作；

所述的放电电路设置在单体电池两端。

进一步的，上述的串联电池电压均衡电路中：所述的平均电压检测电路包括第一电压检测模块、一组与串联电池组中单体电池数量相等的分压电阻，所有的分压电阻阻值相同串联在串联电池组的两端，所述的第一电压检测模块检测任何一个分压电阻两端的电压。

进一步的，上述的串联电池电压均衡电路中：所述的充电状态检测电路包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电容C；所述的平均电压检测电路输出经过电阻R1接运算放大器U1的同相端，所述的平均电压检测电路输出经过电阻R2接运算放大器U1的异相端，所述的电容C连接在运算放大器U1的异相端与单体电池的负极。

进一步的，上述的串联电池电压均衡电路中：所述的放电电路包括放电三极管Q和放电限流电阻R4，所述的“与”逻辑门电路的输出接放电三极管Q的基极，放电限流电阻R4的一端与放电三极管Q发射极相连，另一端接单体电池的负极，放电三极管Q的集电极接单体电池的正极。

进一步的，上述的串联电池电压均衡电路中：在所述的平均电压检测电路和单体电池电压实时检测电路的输出端还包括有对输出信号进行处理以提高输出负载能力的输出电路。

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

图1为本发明单体电池处理模块。

图2为本发明实施例1中的充电状态检测电路原理图。

图3是本发明实施例1中的放电电路原理图。

图4是本发明实施例1的串联电池组均衡电路原理图。

具体实施方式

实施例，本实施例是对串联电池组充电时，对各单体电池进行处理，使各单体电池在电池组中电压均衡，单体电池可以是目前使用较普遍的铅酸蓄电池或者锂电池等化学电池二次电池，也可以是超级电容等物理电池，以后称单体电池就是指这种物理电池或者化学二次电池。

本实施例中，主要体现利用一个三脚芯片或者六脚芯片对一组串联电池组中的单体电池进行均衡，在均衡时只在对串联电池组进行充电的过程中，做均衡工作，因此，需要对电池组的工作状态进行检测，如果正在进行充电，则对各单体电池的实时电压进行检测，如果某单体电池的电压高于平均电压，则对该电池进行放电处理，使其降压到符合要求，如果是2.7V的超级电容电池，在充电过程中，单体电池的电压高出不均电压40mV，就可以驱动放电电路对该单体电池放电了。三脚芯片或者六脚芯片所使用的方法的具体步骤如下：

步骤1、实时测量串联的电池组中每个单体电池的平均电压；目前，测量平均电压的手段很多，如测量整个电池组的电压除以单体电池的个数就可以获得平均电压，这在本领域使用很多，特别是在数字电路中采用了单片机等智能处理器等时使用更多。本实施例中，采用一个办法也非常好，就是在串联的电池组两端接一组串联电阻，其中串联电阻的电阻数与电池组中单体电池数量一致，各电阻阻值一样；测量任一电阻两端的电压就是电池组中每个单体电池的平均电压。

步骤2、判断电池组是否在充电过程中，如果在充电过程中，则转向步骤3，否则结束此次均衡过程；这个步骤是关键，只有判断在充电过程中还进行以后的步骤，否则就止打住。判断电池组是否在充电过程中的方法也很多，比如通过检测电池组的电压，如果后面的实时电压高于前面的电压，就可以得出电池的电压是往上升的，这样就是在充电，本实施例中，因为所获得的样本是通过测量上面的串联电阻中间个电阻两端的电压而获得平均电压的，因此，采用平均电压来判断是否正在充电。是通过将前一次测量的电池组中每个单体电池的平均电压值与后一次测量的电池组中每个单体电池的平均电压值相比，如果后一次测量的电池组中每个单体电池的平均电压值大于前一次测量的电池组中每个单体电池的平均电压值，则判断正在对电池组充电。当然判断是否在充电还有很多方法如：充电状态检测电路也包括运用AD检测、数字延时等其他电路结构组成的上升沿判断电路，也可以实现是否充电判断。

步骤3、实时检测单体电池的实时电压。

步骤4、将单体电池的实时电压值减去该时刻的平均电压值，如果大于设定的门限值，则转向步骤5，否则结束此次均衡过程；本实施例中，门限值设置40mV就可以了，只要该单体电池的电压超过平均电压40mV就对该单体电池放电。

另外，在充电过程上，如果充电后的电压超过一个门限值，则需要停止充电，如2.7V的超级电容，在充电到2.7V时将停止充电，因此，在充电过程上，还需要确定是否充电完成，如果达到充电完成的条件，则立即停止充电，因此，本实施例中还包括对单体电池进行过压保护的步骤，该步骤中通过判断实时检测的单体电池的电压，如果大于规定的单体电池最高电压，则控制放电电路对该单体电池放电，并指示。

本实施例可以采用一个集成电路芯片实现上述功能，该芯片如图1所示，仅仅具有六个引脚，在芯片中具有以下的功能电路，该芯片是一个处理一个单体电池的单体电池处理电路。对于串联电池组中每个单体电池均设置这样一个集成电路芯片，所有的集成电路芯片如图4所示联接，对整个串联电池组进行均衡。

实时测量串联的电池组中每个单体电池的平均电压的平均电压检测电路；平均电压检测电路包括第一电压检测模块、一组与串联电池组中单体电池数量相等的分压电阻，在本实施例中，该分压电阻设置在芯片外，这样，在实践应用过程中，可以就地选择合适大小相等的这些电阻，以保证平均电压检测结果精确。所有的分压电阻阻值相同串联在串联电池组的两端，第一电压检测模块检测任何一个分压电阻两端的电压，这就是平均电压。这里第一电压检测模块就是检测电压的一个模块，只是区分以后的其它电压检测模块。如图1和图4所示，由该分压电阻就是在芯片外的一个电阻，因此，需要为芯片多设置两根引脚，如图1所示的1、2引脚，在实践芯片设计时，也可以将该分压电阻集成到集成电路芯片中，这样，可以减少芯片的引脚，如直接从上面4、5引脚上串联分压电阻，将阻值相同的分压电阻集成到芯片中，测量这个分压电阻上的电压即可得到平均电压。由于分压电阻设置在集成电路芯片中，而实践使用过程中如果在串联电池组中的每个单体电池的均衡芯片不是一个批次的话，不容易保证每个分压电阻阻值精确的相等地，这样可能会导致平均电压检测不精确。

判断电池组是否正在充电过程的充电状态检测电路；充电状态检测电路的输入端接所述的平均电压检测电路的输出端，当在充电时，所述的充电状态检测电路的输出有效。该电路目前有很多形式，本实施例采用如图2所示的原理图的电路，充电状态检测电路包括运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、电容C；平均电压检测电路输出经过电阻R1接运算放大器U1的同相端，平均电压检测电路输出经过电阻R2接运算放大器U1的异相端，电容C连接在运算放大器U1的异相端与单体电池的负极。另外，在该电路中还可以有一个放电电阻R3，对运算放大器U1的同相端放电。这个电路非常简单，仅仅将输入的平均电压的模拟信号延迟一下与后来的比较，如果后来的比较先前的高，则输出有效的信号，但它需要一个电容C，这个就是在集成电路芯片外的一个电容C，使该芯片有一个引脚3，如果采用其它电路，就不需要这个电容C了，如在实践使用过程中，运用AD检测、数字延时等其他电路结构组成的上升沿判断电路，也可以实现是否充电判断，这样就不超大规模置电容C。因此，最终该芯片可以不要第1、2、3号引脚。

实时检测单体电池的实时电压的单体电池电压实时检测电路；该电路可以与前面的第一电压检测模块一样，检测单体电池两端的电压。检测单体电池两端电压现有技术中很多，适合于集成电路设计的也很多，本实施例中，采用一个适合于集成电路的电压检测模块。

比较电路和“与”逻辑门电路，放电电路。

放电电路是对单体电池两端放电的CCS电路，如图3所示，放电电路包括放电三极管Q和放电限流电阻R4， “与”逻辑门电路的输出接放电三极管Q的基极，放电限流电阻R4的一端与放电三极管Q发射极相连，另一端接单体电池的负极，放电三极管Q的集电极接单体电池的正极。在实践使用过程中，放电电路是一个带最小时间长度的放电电路，该放电电路一旦启动，会维持一个最小的设定放电时间。

比较电路的输入端为单体电池电压实时检测电路的输出端和平均电压检测电路的输出端，在单体电池电压实时检测电路的输出端的信号高出平均电压检测电路的输出端的信号一设定值时，比较电路输出有效。

“与”逻辑门电路的两个输入端分别接所述的充电状态检测电路的输出端和所述的比较电路的输出端，所述的“与”逻辑门电路的输出端有效时驱动所述的放电电路工作。

另外，平均电压检测电路和单体电池电压实时检测电路的输出端还包括有对输出信号进行处理以提高输出负载能力的输出电路。

如图4所示，是一种有n节电池组成的串联电池组进行均衡的均衡电路，采用单体电池处理的芯片进行处理，在使用时，在电池组的正极PT1和负极PT2之间串联电阻值一样大的n个电阻，这里n是大于1的任何整数。每个单体电池处理的芯片的第1、2引脚接在一个电阻之间，第3引脚通过电容接该单体电池的负极，第4脚和第5脚跨接在单体电池的两端，每个芯片的第6引脚并联输出TP3接显示灯等指示装置。

Claims

1.一种串联电池电压均衡电路，包括分别对串联电池组中各单体电池进行均衡处理的单体电池处理模块；其特征在于：所述的单体电池处理模块设置在一个集成电路芯片中，包括：

判断电池组是否正在充电过程的充电状态检测电路；

比较电路；

“与”逻辑门电路；

放电电路；

所述的充电状态检测电路的输入端接所述的平均电压检测电路的输出端，当在充电时，所述的充电状态检测电路的输出有效；所述的充电状态检测电路包括集成电路芯片中的运算放大器U1、电阻R1、电阻R2和集成电路芯片外的电容C；所述的平均电压检测电路输出经过电阻R1接运算放大器U1的同相端，所述的平均电压检测电路输出经过电阻R2接运算放大器U1的异相端，所述的运算放大器U1的异相端利用集成电路芯片的引脚与所述的电容C的一端相连，所述的电容C的另一端与单体电池的负极相连；

所述的放电电路利用集成电路芯片的两个引脚与单体电池两端相连。

2.根据权利要求1所述的串联电池电压均衡电路，其特征在于：所述的平均电压检测电路包括设置在集成电路芯片内的第一电压检测模块、设置在集成电路芯片外的一组与串联电池组中单体电池数量相等的分压电阻，所有的分压电阻阻值相同，该一组分压电阻并联在串联电池组的两端，所述的第一电压检测模块利用集成电路芯片的两个引脚分别连接任何一个分压电阻两端。

3.根据权利要求1所述的串联电池电压均衡电路，其特征在于：所述的放电电路包括放电三极管Q和放电限流电阻R4，所述的“与”逻辑门电路的输出接放电三极管Q的基极，放电限流电阻R4的一端与放电三极管Q发射极相连，另一端利用集成电路芯片的引脚接单体电池的负极，放电三极管Q的集电极利用集成电路芯片的引脚接单体电池的正极。

4.根据权利要求1至3中任一所述的串联电池电压均衡电路，其特征在于：在所述的平均电压检测电路和单体电池电压实时检测电路的输出端还包括有对输出信号进行处理以提高输出负载能力的输出电路。