CN117526513A - 一种电池均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池技术领域，具体公开了一种电池均衡电路，包括：分时控制模块(100)、电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)和电池均衡动作模块(400)；电池组与电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)和电池均衡动作模块(400)依次串联，构成串联回路；分时控制模块(100)与电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)、电池均衡动作模块(400)分别连接；分时控制模块(100)用于给电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)、电池均衡动作模块(400)分别分配第一窗口时间、第二窗口时间、第三窗口时间，以及分配用于中断的第四窗口时间。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电池均衡电路。
背景技术
随着新能源技术的不断发展，电池作为一种清洁能源，其使用日益广泛。但在日常大量使用过程中，电池组中单体电池不可避免地出现容量和能量差异。如何提升电池组的能量利用率以及使用寿命成为一个重要问题。
传统的电池均衡方法采用实时均衡方式，检测电池组中最高单体电池与最低单体电池的电压差，当电压差超过一定值时开启均衡开关，并对电压差高的单体电池进行减流均衡操作。这种均衡方法比较简单，均衡效果精度差，均衡效率也比较低。无法快速地获取到电池组的整体信息，不能对不同的单体电池采取不同的均衡操作。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种电池均衡电路，有效提升电池均衡效率、均衡精度以及电池使用寿命。
本发明提供一种电池均衡电路，包括：分时控制模块(100)、电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)和电池均衡动作模块(400)；
电池组与所述电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)和电池均衡动作模块(400)依次串联，构成串联回路；所述分时控制模块(100)与所述电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)、电池均衡动作模块(400)分别连接；
所述分时控制模块(100)用于给所述电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)、电池均衡动作模块(400)分别分配第一窗口时间、第二窗口时间、第三窗口时间，以及分配用于中断的第四窗口时间；
在所述第一窗口时间内，所述使能电池电压采集模块(200)获取所述电池组中所有单体电池的电压差；
在所述第二窗口时间内，所述使能电池均衡模块(300)根据所述所有单体电池的电压差确定所有单体电池所处的电压区间，并根据所述电压区间和所述单体电池的电压差生成每个单体电池的均衡信号；
在第三窗口时间内，所述电池均衡动作模块(400)根据所述均衡信号执行均衡操作。
在一种可能的实现方式中，所述电池电压采集模块(200)包括：采样单元(201)和减法器(202)；
所述采样单元用于(201)采样所述电池组中的每节单体电池的正极电压和负极电压；
所述减法器(202)用于根据所述正极电压和负极电压确定每节单体电池的电压差。
在一种可能的实现方式中，所述电池均衡检测模块(300)包括：均衡检测使能模块(301)、加法平均器(302)、电平位移模块(303)、过压比较器(304)、欠压比较器(305)和均衡检测输出模块(306)；
所述均衡检测使能模块(301)用于根据对所述电池电压采集模块(200)的电压控制所述加法平均器(302)、电平位移模块(303)、过压比较器(304)、欠压比较器(305)和均衡检测输出模块(306)开启或关闭；
所述加法平均器(302)用于对所有单体电池的电压差进行求和平均，得到平均电压差；
所述电平位移模块(303)用于根据预设正负偏移量对所述平均电压差进行叠加，得到正叠电压和负叠电压；
所述过压比较器(304)用于将每节单体电池的电压差与所述正叠电压比较，输出过压电平信号；
所述欠压比较器(305)用于将每节单体电池的电压差与所述负叠电压进行比较，输出欠压电平信号；
所述均衡检测输出模块(306)根据所述过压电平信号和所述欠压电平信号，确定所有单体电池所处的电压区间，并根据所述电压区间和所述单体电池的电压差生成每个单体电池的均衡信号。
在一种可能的实现方式中，当单体电池的电压差大于正叠电压时，，所述过压比较器(304)输出的过压电平信号为第一电平；
当单体电池的电压差小于等于正叠电压时，所述过压比较器(304)输出的过压电平信号为第二电平。
在一种可能的实现方式中，当单体电池的电压差小于负叠电压时，，所述欠压比较器(305)输出的欠压电平信号为第一电平；
当单体电池的电压差大于等于负叠电压时，所述欠压比较器(305)输出的欠压电平信号为第二电平。
在一种可能的实现方式中，当单体电池的电压差高于正叠电压时，，所述电池均衡动作模块(400)减速充电；
当单体电池的电压差低于负叠电压时，所述电池均衡动作模块(400)加速充电。
在一种可能的实现方式中，当所述电池组中所有单体电池的电压差均小于或者均大于过充保护电压的预设比例时，所述均衡检测使能模块(301)控制所述加法平均器(302)、电平位移模块(303)、过压比较器(304)、欠压比较器(305)和均衡检测输出模块(306)关闭，反之打开。
在一种可能的实现方式中，所述电池均衡动作模块(400)包括均衡开关401；
所述均衡开关401用于根据所述电池均衡模块(300)的输出对电池组进行均衡操作，所述均衡操作方式包括：主动均衡方式和被动均衡方式。
在一种可能的实现方式中，所述第一窗口时间、所述第二窗口时间、所述第三窗口时间和所述第四窗口时间按顺序构成一个周期。
在一种可能的实现方式中，当所述电池均衡动作模块(400)完成当前周期的均衡操作后，所述分时控制模块(100)自动进入下一周期，同时所述电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)和电池均衡动作模块(400)更新输出信号。
本发明实施例提供了一种电池均衡电路，通过分时控制模块、采样模块、均衡检测模块和均衡动作模块的配合，快速获取所有单体电池的电压差信息，并根据电压差信息对不同电压差的单体电池进行不同的均衡操作，实现有效提升电池均衡效率、均衡精度以及电池使用寿命。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的电池均衡电路的电路图；
图2为本发明的实施例提供的分时模块的状态图；
图3为本发明的实施例提供的采样单元的典型实施例；
图4为本发明的实施例提供的减法器的典型实施例；
图5为本发明的实施例提供的加法平均器的典型实施例；
图6为本发明的实施例提供的均衡开关的典型实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明的实施例提供的电池均衡电路的电路图，如图1所示，本发明提供的电池均衡电路，包括：分时控制模块100、电池电压采集模块200、电池均衡检测模块300和电池均衡动作模块400。
电池组与电池电压采集模块200、电池均衡检测模块300和电池均衡动作模块400依次串联，构成串联回路。分时控制模块100与电池电压采集模块200、电池均衡检测模块300、电池均衡动作模块400分别连接。
图2为本发明的实施例提供的分时模块的状态图，如图2所示，将时间划分多个周期，每个周期按照时间进行顺序又分为四个窗口时间。
分时控制模块100用于给电池电压采集模块200、电池均衡检测模块300、电池均衡动作模块400分别分配第一窗口时间、第二窗口时间、第三窗口时间，以及分配用于中断的第四窗口时间。
在第一窗口时间内，使能电池电压采集模块200获取电池组中所有单体电池的电压差。
在第二窗口时间内，使能电池均衡模块300根据所有单体电池的电压差确定所有单体电池所处的电压区间，并根据电压区间和单体电池的电压差生成每个单体电池的均衡信号。
在第三窗口时间内，电池均衡动作模块400根据均衡信号执行均衡操作。
在第四窗口时间内，不进行任何操作，用以降低静态消耗
其中，电池组为串联电池组。
在一种可能的实现方式中，第一窗口时间、第二窗口时间、第三窗口时间和第四窗口时间按顺序构成一个周期。
在一种可能的实现方式中，当电池均衡动作模块400完成当前周期的均衡操作后，分时控制模块100自动进入下一周期，同时电池电压采集模块200、电池均衡检测模块300和电池均衡动作模块400更新输出信号。
经过分时控制模块100多个周期的调整后，明显地，电池组中单体电池间的电量差异将被大幅度缩减。
在一种可能的实现方式中，电池电压采集模块200包括：采样单元201和减法器202。
采样单元201与减法器202连接。
采样单元用于201采样电池组中的每节单体电池的正极电压和负极电压。
减法器202用于根据正极电压和负极电压确定每节单体电池的电压差。
图3为本发明的实施例提供的采样单元的典型实施例，如图3所示，当采集单元201开始采集到第N节单体电池BN的电压差时，会打开正负极连接开关SN+和SN-，并且传输开关KN+将正极电压传输到总线节点A上，传输开关KN-将负极电压传输到总线节点B上，从而在A和B两个节点上获取当前电池BN的正负极电压信息，其他单体电池的电压采集方式以此类推。
图4为本发明的实施例提供的减法器的典型实施例，如图4所示，，A节点通过电阻R1连接到运放AMP1的正输入端，再通过电阻R2连接到地，B节点通过电阻R3连接到运放AMP1的负输入端，再通过电阻R4连接到运放AMP1的输出端，即节点C，也是减法器202的输出。其中，R1＝R2＝R3＝R4，根据求差公式，减法器202的输出VCN如下：
其中，VAN为第N节单体电池的正极电压，VBN为第N节单体电池的负极电压，VCN第N节单体电池的电压差，以此类推可以得到所有单体电池的电压差。
在一种可能的实现方式中，电池均衡检测模块300包括：：均衡检测使能模块301、加法平均器302、电平位移模块303、过压比较器304、欠压比较器305和均衡检测输出模块306。
电池电压采集模块200的输出端分别与均衡检测使能模块301的输入端、加法平均器302的输入端、过压比较器304的正输入端、欠压比较器305的负输入端连接。
均衡检测使能模块301分别与加法平均器302的使能端、电平位移模块303的使能端、过压比较器304的使能端、欠压比较器305的使能端和均衡检测输出模块306的使能端连接。
加法器302的输出端与电平位移模块303的输入端连接，电平位移模块303的输出端分别与过压比较器304的负输入端和欠压比较器305正输入端连接，过压比较器304的输出端和欠压比较器305的输出端分别与均衡检测输出模块306的输入端连接，均衡检测输出模块306的输出端与电池均衡动作模块400连接。
均衡检测使能模块301用于根据对电池电压采集模块200的电压控制加法平均器302、电平位移模块303、过压比较器304、欠压比较器305和均衡检测输出306开启或关闭。
加法平均器302用于对所有单体电池的电压差进行求和平均，得到平均电压差。
电平位移模块303用于根据预设正负偏移量对平均电压差进行叠加，得到正叠电压和负叠电压。
在一个示例中，电平位移模块303在平均电压差基础上叠加预设正负偏移量ΔX，得到正叠电压。电平位移模块303在平均电压差基础上减去预设正负偏移量ΔX，得到负叠电压。
过压比较器304用于将每节单体电池的电压差与正叠电压比较，输出过压电平信号。
欠压比较器305用于将每节单体电池的电压差与负叠电压进行比较，输出欠压电平信号。
均衡检测输出模块306根据过压电平信号和欠压电平信号，确定所有单体电池所处的电压区间，并根据电压区间和单体电池的电压差生成每个单体电池的均衡信号。
图5为本发明的实施例提供的加法平均器的典型实施例，如图5所示，任意一节单体电池的电压VCN都通过电阻RCN连接到运放AMP2的负输入端，再通过电阻RF1连接到运放AMP2的输出端；运放AMP2的正输入端接地，运放AMP2的输出端通过电阻R5连接到运放AMP3的负输入端，再通过电阻R6连接到运放AMP3的输出端；运放AMP3的正输入端连接到地，运放AMP3的输出端还通过电阻R7和电阻R8串联接地，电阻R7和电阻R8的分压输出节点D作为加法平均器302的输出；其中RF1＝RC1＝RC2＝……＝RCN，由此根据求和公式可以得到运放AMP2的输出端电压为：
AMP2的输出端电压＝-(RF1/RC1×VC1+RF1/RC2×VC2+......+RF1/RCN×VCN2)
＝-(VC1+VC2+……+VCN)
另外，R6＝R5，R7：R8＝(N-1)：1，由此可以得到节点D的电压VD：
VD＝i/N×(VC1+VC2+……+VCN)
然后，电平位移模块303再对加法平均器302的输出电压VD叠加一个固定的正负偏移量ΔX，电平位移模块303的输出节点正叠电压VE和负叠电压VF如下：
VE＝VD+ΔX
VE＝VD-ΔX
其中ΔX是有内部产生的稳定的基准电压，E节点的输出可以通过加法器的方式得到，F节点的输出可以通过减法器得到，本领域的技术人员也可以通过其他方式得到。
在一种可能的实现方式中，当任一单体电池的电压差大于正叠电压时，过压比较器304输出的过压电平信号为第一电平。
当任一单体电池的电压差小于等于正叠电压时，过压比较器304输出的过压电平信号为第二电平。
其中，第一电平为高电平，第二电平为低电平。
在一种可能的实现方式中，当任一单体电池的电压差小于负叠电压时，欠压比较器305输出的欠压电平信号为第一电平。
当任一单体电池的电压差大于等于负叠电压时，欠压比较器305输出的欠压电平信号为第二电平。
在一种可能的实现方式中，当单体电池的电压差高于正叠电压时，，电池均衡动作模块400减速充电，即电压差高于正叠电压的单体电池进行减流均衡操作。
当单体电池的电压差低于负叠电压时，电池均衡动作模块400加速充电，即电压差低于负叠电压的单体电池进行增流均衡操作。
电压差高于负叠电压，并低于正叠电压的单体电池无需进行均衡操作。
在一种可能的实现方式中，当电池组中所有单体电池的电压差均小于或者均大于过充保护电压的预设比例m％时，均衡检测使能模块301控制加法平均器302、电平位移模块303、过压比较器304、欠压比较器305和均衡检测输出306关闭，反之打开。
在一种可能的实现方式中，电池均衡动作模块400包括均衡开关401。
均衡开关401用于根据电池均衡模块300的输出对电池组进行均衡操作，均衡操作方式包括：主动均衡方式和被动均衡方式。
图6为本发明的实施例提供的均衡开关的典型实施例，如图6所示，每一个单体电池都并联一个均衡器，均衡器内部有独立的放电回路和充电回路，并可以根据单体电池状态进行减流均衡和增流均衡操作。
假设BN+1电池的电压差远高于平均电压，均衡器N+1打开内部放电回路为BN+1电池进行减流均衡操作；假设BN电池的电压差与平均电压接近，均衡器N既不打开内部放电回路也不打开内部充电回路，BN电池维持原充电电流；假设BN-1电池的电压差远低于平均电压，均衡器N-1打开内部充电回路为BN-1电池进行增流均衡操作。电流流向如图6所示。
根据上述电路的工作状态，举例进行进一步说明，假设当前有五节串联电池组，过充保护电压为4.3V，电池电压差分别为：VC1＝2.6V，VC2＝3.2V，VC3＝3.5V，VC4＝3.8V，VC5＝4.1V。
在第一窗口时间时，采样模块200和减法器201对五节单体电池的电压差采集完毕后，得到所有单体电池的电压差。
在第二窗口时间时，假设均衡检测使能模块301控制使能开关的百分比m％＝95％，第五节单体电池VC5的电压差超过了过充保护电压4.3V的95％，其余单体电池的电压差均未超过95％，那么均衡检测使能模块301将控制加法平均器302、电平位移模块303、过压比较器304、欠压比较器305和均衡检测输出模块306开启。
加法平均器302得到五节单体电池的平均电压为3.44V，假设电平位移模块303的内部设置的ΔX＝100mV，那么通过过压比较器304和欠压比较器305的比较之后，电压差高于3.54V的单体电池将被减流均衡，电压差低于3.34V的单体电池将被增流均衡，电压差处于3.34V和3.54V之间的单体电池将维持原状态。
由此，均衡检测输出306将会得到如下信息：第一节和第二节单体电池需要增流均衡操作，第三节单体电池无需操作，第四节和第五节单体电池需要减流均衡操作。
在第三窗口时间时，均衡动作模块400中的均衡开关401将会根据均衡检测输出模块306所得到的信息控制上述的均衡器为第一节电池和第二节电池打开内部充电回路，微为第三节电池既不打开内部放电回路也不打开内部充电回路，为第四节电池和第五节电池打开内部放电回路。
在第四窗口时间时，结束均衡操作，进入中断状态。
下一个周期到来时，由于前一周期已经对串联电池组进行了均衡操作，电池组的所有单体电池的电压差都发生了变化，电池电压采集模块200、电池均衡检测模块300和电池均衡动作模块400的信息将被更新。
经过分时控制模块100多个周期的调整后，所有单体电池的电压差均会向平均电压靠近，单体电池间的电量差异将被大幅度缩减，直至所有单体电池的电压差超过过充保护电压的95％，结束所有均衡操作，最终实现减小电池组容量和能量差异的目的。
综上所述，本实施例提供了一种电池均衡电路，通过分时控制模块100、采样模块200、均衡检测模块300和均衡动作模块400的配合，可以快速获取所有单体电池的电压差，并对不同电压差的单体电池进行不同的均衡操作。本发明的均衡操作中，所有单体电池均有参与，并非单一的只减流均衡电压差高的单体电池，可以有效地提升电池均衡效率，而且本命通过正叠电压和负叠电压的设置，可以有效地提高电池均衡精度，最终实现提高电池的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电池均衡电路，其特征在于，包括：分时控制模块(100)、电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)和电池均衡动作模块(400)；
电池组与所述电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)和电池均衡动作模块(400)依次串联，构成串联回路；所述分时控制模块(100)与所述电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)、电池均衡动作模块(400)分别连接；
所述分时控制模块(100)用于给所述电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)、电池均衡动作模块(400)分别分配第一窗口时间、第二窗口时间、第三窗口时间，以及分配用于中断的第四窗口时间；
在所述第一窗口时间内，所述使能电池电压采集模块(200)获取所述电池组中所有单体电池的电压差；
在所述第二窗口时间内，所述使能电池均衡模块(300)根据所述所有单体电池的电压差确定所有单体电池所处的电压区间，并根据所述电压区间和所述单体电池的电压差生成每个单体电池的均衡信号；
在第三窗口时间内，所述电池均衡动作模块(400)根据所述均衡信号执行均衡操作。
2.根据权利要求1所述的一种电池均衡电路，其特征在于，所述电池电压采集模块(200)包括：采样单元(201)和减法器(202)；
所述采样单元用于(201)采样所述电池组中的每节单体电池的正极电压和负极电压；
所述减法器(202)用于根据所述正极电压和负极电压确定每节单体电池的电压差。
3.根据权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，所述电池均衡检测模块(300)包括：均衡检测使能模块(301)、加法平均器(302)、电平位移模块(303)、过压比较器(304)、欠压比较器(305)和均衡检测输出模块(306)；
所述均衡检测使能模块(301)用于根据对所述电池电压采集模块(200)的电压控制所述加法平均器(302)、电平位移模块(303)、过压比较器(304)、欠压比较器(305)和均衡检测输出模块(306)开启或关闭；
所述加法平均器(302)用于对所有单体电池的电压差进行求和平均，得到平均电压差；
所述电平位移模块(303)用于根据预设正负偏移量对所述平均电压差进行叠加，得到正叠电压和负叠电压；
所述过压比较器(304)用于将每节单体电池的电压差与所述正叠电压比较，输出过压电平信号；
所述欠压比较器(305)用于将每节单体电池的电压差与所述负叠电压进行比较，输出欠压电平信号；
所述均衡检测输出模块(306)根据所述过压电平信号和所述欠压电平信号，确定所有单体电池所处的电压区间，并根据所述电压区间和所述单体电池的电压差生成每个单体电池的均衡信号。
4.根据权利要求3所述的电池均衡电路，其特征在于，当单体电池的电压差大于正叠电压时，所述过压比较器(304)输出的过压电平信号为第一电平；当单体电池的电压差小于等于正叠电压时，所述过压比较器(304)输出的过压电平信号为第二电平。
5.根据权利要求3所述的电池均衡电路，其特征在于，当任一单体电池的电压差小于负叠电压时，所述欠压比较器(305)输出的欠压电平信号为第一电平；
当任一单体电池的电压差大于等于负叠电压时，所述欠压比较器(305)输出的欠压电平信号为第二电平。
6.根据权利要求3所述的电池均衡电路，其特征在于，当单体电池的电压差高于正叠电压时，所述电池均衡动作模块(400)减速充电；
当单体电池的电压差低于负叠电压时，所述电池均衡动作模块(400)加速充电。
7.根据权利要求4所述的电池均衡电路，其特征在于，当所述电池组中所有单体电池的电压差均小于或者均大于过充保护电压的预设比例时，所述均衡检测使能模块(301)控制所述加法平均器(302)、电平位移模块(303)、过压比较器(304)、欠压比较器(305)和均衡检测输出模块(306)关闭，反之打开。
8.根据权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，所述电池均衡动作模块(400)包括均衡开关401；
所述均衡开关401用于根据所述电池均衡模块(300)的输出对电池组进行均衡操作，所述均衡操作方式包括：主动均衡方式和被动均衡方式。
9.根据权利要求1所述的电池均衡电路，其特征在于，所述第一窗口时间、所述第二窗口时间、所述第三窗口时间和所述第四窗口时间按顺序构成一个周期。
10.根据权利要求9所述的电池均衡电路，其特征在于，当所述电池均衡动作模块(400)完成当前周期的均衡操作后，所述分时控制模块(100)自动进入下一周期，同时所述电池电压采集模块(200)、电池均衡检测模块(300)和电池均衡动作模块(400)更新输出信号。
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