CN101414759B - 电池均衡电路以及均衡电池的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池均衡电路以及均衡电池的方法，该电池均衡电路包括具有第一电压值的第一电池、具有第二电压值且与第一电池串联的第二电池以及与第二电池并联的旁路，当第二电压值与第一电压值之间的电压差大于预设门限值时，与第二电池并联的旁路导通以产生流经该旁路的旁路电流，旁路电流持续的均衡时间与第二电压值与第一电压值之间的电压差值成比例；通过采用该电池均衡电路，即便经过多次充放电，都能得以减小或消除电池之间的不均衡现象，从而提高电池组性能并延长电池寿命。

Description

电池均衡电路以及均衡电池的方法

技术领域

本发明是关于电池保护系统，尤其是关于电池均衡系统。

背景技术

对于包含有多节电池的电池组，因为电池老化程度以及电池温度的不同，每节电池的状态可能各不相同。随着充放电次数的增加，电池间的电压差也可能逐渐增加，从而导致电池间的不均衡，并可能导致电池寿命缩短。

当电池组用较大电流进行一段时间的放电，如果电池之间的不均衡达到一定程度，容量最小的电池上产生的极性反向会使对该电池造成永久性的损坏。

发明内容

本发明提供一种电池均衡电路，该电池均衡电路包括具有第一电压值的第一电池，具有第二电压值且与第一电池串联的第二电池，以及与第二电池并联的旁路。当第二电压值与第一电压值之间的电压差值大于预设门限值时，与第二电池并联的旁路导通，产生流经该旁路的旁路电流，所述旁路电流持续的均衡时间与第二电压值与第一电压值之间的电压差值成比例。

本发明还提供一种电池均衡电路，所述电池均衡电路包括与第一电池并联用于导通产省第一旁路电流的第一旁路，与第二电池并联用于导通产生第二旁路电流的第二旁路，所述第二电池与所述第一电池串联，当所述第一电池和所述第二电池同时满足不均衡条件时，所述第一旁路和所述第二旁路同时导通，并持续导通一段预设时间。

本发明还提供一种电池均衡电路，所述电池均衡电路包括：逻辑控制单元，用于监测第一电池的第一荷电态和第二电池的第二荷电态，所述第二电池与所述第一电池串联，其中所述第二荷电态高于所述第一荷电态；及与第二电池并联的旁路，当所述第二荷电态与所述第一荷电态之间的差值大于预设的门限值时，所述旁路导通产生旁路电流，且所述旁路电流持续一段均衡时间。

最后，本发明还提供一种均衡电池的方法，所述方法包括下列步骤：监测第一电池的第一荷电态，监测与第一电池串联的第二电池的第二荷电态，所述第二荷电态高于所述第一荷电态，当所述第二荷电态和所述第一荷电态之间的差值大于预设门限值时，导通第二电池的旁路电流，且所述旁路电流持续一段均衡时间。

通过采用本发明所述的电池均衡电路以及均衡电池的方法，即便经过多次充放电，电池之间的不均衡都能得以减小或消除，从而提高电池组性能并延长电池寿命。

附图说明

以下通过对本发明的一些实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。

图1所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路的方框图；

图2所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路的运作流程图；

图3所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路的运作流程图；

图4所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路的运作流程图；

图5A所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路的方框图；

图5B所示为图5A中的充电均衡控制器的电路示意图。

具体实施方式

以下将对本发明即电池单元均衡的电路和方法的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，本发明涵盖后附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手续、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

图1所示为根据本发明的一个实施例的电池均衡电路100的方框图。如图1所示，电池均衡电路100包括电池组102，电池组102中包括电池102 1-102_N。为简明起见，图1中没有示出所有的电池。电池102_1-102_N分别与一条对应的旁路并联。比如，与电池102_1并联的旁路包含有电阻106_1、电阻106_2和开关104_1；与电池102_2并联的旁路包含有电阻106_2、电阻106_3和开关104_2；与电池102_N并联的旁路包含有电阻106_N、电阻106_N+1和开关104_N。

在一个实施例中，电池均衡电路100还包括均衡控制器110、监测电路120以及逻辑控制单元130。均衡控制器110通过控制开关104_1-104_N来控制每节电池102_1-102_N分别对应的旁路(为简明起见，图1中没有示出所有的开关)。监测电路120监测电池102_1-102_N的电压。逻辑控制单元130接收来自监测电路120的监测信号，并控制均衡控制器110。在一个实施例中，逻辑控制单元130是一个处理器(如一个微处理器)或者是一个状态机。

在一个实施例中，监测电路120包括一个模数转换器(ADC)。在每个模数转换周期中，模数转换器监测电池102_1-102_N的电压，逻辑控制单元130接收来自模数转换器的监测信号，并判断是否有电池满足不均衡的条件。如果一节电池满足不均衡的条件，其对应的旁路会导通，以产生流经该旁路的旁路电流。

图2所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路100的运作流程图200。图2将结合图1进行描述。

在一个实施例中，电池组包含具有第一电压值的第一电池和具有第二电压值的第二电池，且第二电压值大于第一电压值。当第二电压值和第一电压值之间的电压差值大于一个预设的门限值时，与第二电池并联的旁路会导通，以产生第二电池的旁路电流(均衡电流)。较佳地是，第二电池的旁路电流会持续一段时间，这段时间的长短与第二电压值和第一电压值之间的电压差成比例。

在步骤202中，监测每节电池102_1-102_N的电压。在一个实施例中，与电池102_1-102_N耦合的监测电路120监测电池电压，并产生包含每节电池电压信息的监测信号。在一个实施例中，监测信号被传输至逻辑控制单元130。在步骤204中，逻辑控制单元130比较电池102_1-102_N的电池电压。

在一个实施例中，在步骤206，如果最小电池电压值和最大电池电压值之间的电压差值比一个预设的门限值更大，流程图200转到步骤210，否则流程图200回到步骤202。举例来说，如果第一电池102_1的电压值最低，为Vcell_min，第二电池102_2的电压值最高，为Vcell_max，且Vcell_min与Vcell_max之间的电压差值大于预设的门限值，那么流程图200转到步骤210。

在步骤210中，设定一个与Vcell_min和Vcell_max之间的电压差值成比例的均衡时间T_balancing。在一个实施例中，均衡时间T_balancing由一个控制器(比如逻辑控制单元130)按照如下关系决定：

T_balancing＝(Vcell_max-Vcell_min)*Tcd/Vcell_full    (1)

其中，Vcell_full代表一节完全充满电的电池的标称电压值，Tcd代表一节完全充满电的电池的放电时间。如等式(1)所示，均衡时间T_balancing与Vcell_min和Vcell_max之间的电压差值成比例。

在步骤212中，对具有最大电压值Vcell_max的电池，导通其对应的旁路电流。具体来说，均衡控制器110打开对应的开关以导通与具有最大电压值Vcell_max的电池并联的旁路，且导通时间(旁路电流的持续时间)为均衡时间T_balancing。在步骤214中，当均衡时间T_balancing结束，流程图200回到步骤202，开始一个新的周期，否则流程图回到步骤214。

因此，对具有最大电压值Vcell_max的电池，导通其对应的旁路以产生旁路电流。在一个实施例中，旁路电流的持续时间T_balancing是与Vcell_min和Vcell_max之间的电压差值成比例的，所以对于本来具有最大电压值Vcell_max的电池，其电压将逐渐下降至Vcell_min。图2中所采用的算法适用于充放电过程中不同的阶段，如充电阶段、放电阶段或者空闲阶段。

图3所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路100的运作流程图300。图3将结合图1进行描述。

在一个实施例中，电池均衡电路100不仅可以对一节电池进行均衡，还可以对两节或者两节以上的电池同时进行均衡。举例来说，与第一电池并联的第一旁路可以产生第一旁路电流。第二电池与第一电池串联，与第二电池并联的第二旁路可以产生第二旁路电流。在一个实施例中，如果第一电池和第二电池均满足不均衡的条件，第一旁路电流与第二旁路电流可以同时产生，并持续一段预设的时间。第一旁路电流流经第一旁路，第二旁路电流流经第二旁路。

在一个实施例中，如果第一电池的电压值大于一个预设的门限值，且第二电池的电压值也大于该预设的门限值，那么第一电池和第二电池均满足不均衡的条件。在另一个实施例中，如果第一电池与一个第三电池的电压差值大于一个预设的门限值，且第二电池与所述第三电池的电压差值也大于该预设的门限值，那么第一电池和第二电池均满足不均衡的条件。

在步骤302中，开始一个新的模数转换周期。在步骤304中，电池102_i(i＝1)被选定。在步骤306中，如果被选定的电池102_i正处于均衡阶段(即，有旁路电流流经与电池102_i并联的旁路)，则流程图300转到步骤310。

在步骤310中，对电池102_i及与之相邻的电池的均衡操作将会暂时中断，也就是说，流经电池102_i及与之相邻的电池所分别对应的旁路上的旁路电流会暂时中断。举例来说，如果电池102_1被选定，则电池102_1和电池102_2的均衡操作将会暂时中断。如果电池102_2被选定，则电池102_1，电池102_2和电池102_3的均衡操作将会暂时中断。如果电池102_N被选定，则电池102_N-1和电池102_N的均衡操作将会暂时中断。

在步骤312中，监测电路120监测到被选定电池102_i的电压。具体来说，监测电路120中的模数转换器把代表电池电压的模拟信号转换为数字信号，并把该数字信号传输至逻辑控制单元130。在步骤314中，对于电池102_i及与之相邻的电池的均衡操作会恢复进行，流程图转到步骤316。

在步骤306中，如果所选定的电池102_i不是处于均衡阶段，流程图300转到步骤308。监测电路120监测到被选定电池102_i的电压。具体来说，在一个实施例中，监测电路120中的模数转换器把代表电池102_i的电压模拟信号转换为数字信号，并把该数字信号传输至逻辑控制单元130。流程图300转到步骤316。

在步骤316中，如果i的值小于电池组中的电池总数N，流程图300转到步骤318。在步骤318中，i的值加1，于是下一个电池被选中，流程图300回到步骤306。步骤306之后的步骤之前已有描述，为简明起见在此不做重复描述。

在步骤316中，如果i的值不小于电池组中的电池总数N，则流程图300转到步骤320。在步骤320中，逻辑控制单元130比较所有电池102_1-102_N的电压。在步骤322中，对于所有电池102_1-102_N的均衡操作会中断。在步骤324中，逻辑控制单元130检测是否有任何电池满足不均衡的条件。在一个实施例中，如果一节电池的电压值大于一个预设的门限值，则该电池满足不均衡的条件。在另一个实施例中，如果一节电池与该电池组中另一节电池的电压差值大于一个预设的门限值，则该电池满足不均衡的条件。

电池均衡电路100可以一次对一节电池进行均衡，也可以同时对两节或更多节电池进行均衡。比如，在考虑到系统可承受的最大功耗和电池组温度的情况下，对于包含有N节电池的电池组，电池均衡电路100最多可以同时对N-1节电池进行均衡。换句话说，电池均衡电路100可以同时让N-1节电池产生旁路电流。在一个实施例中，同时进行均衡的电池个数由逻辑控制单元130决定，或者/并且由用户设定。

在步骤324中，如果有一节或多节电池满足不均衡的条件，流程图300转到步骤326。在步骤326中，满足不均衡条件的一节或多节电池对应的旁路导通，产生旁路电流。然后流程图300在经历一段延时后(步骤328)，回到步骤302，开始一个新的模数转换周期。在步骤328中，延时长短可以预先设置，也可以被设置为0。在步骤324中，如果没有任何电池满足不均衡的条件，流程图300直接回到步骤302，开始一个新的模数转换周期。

在一个实施例中，电池均衡电路100持续监测电池组102中电池的电压，采用实时的方式对电池进行均衡。对不均衡的电池进行一段预设时长的均衡操作。在对不均衡的电池进行一段预设时长的均衡操作后，再次测量电池组中的电池电压以判断是否有电池满足不均衡的条件。这段预设的时长可以由一个模数转换周期决定，比如小于一个模数转换周期。这段预设的时长也可以由用户在步骤328中设定的延时来决定。

图3中所采用的算法适用于充放电过程中不同的阶段，如充电阶段、放电阶段或者空闲阶段。

图4所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路100的运作流程图400。图4将结合图1进行描述。

在一个实施例中，电池均衡电路100可以根据电池102_1-102_N的荷电态(state-of-charge，SOC)来对电池进行均衡。逻辑控制单元130监测第一电池的荷电态和第二电池的荷电态。在一个实施例中，第二电池的荷电态高于第一电池的荷电态。当第二电池的荷电态和第一电池的荷电态之间的差值大于一个预设的门限值时，则导通与第二电池并联的旁路以产生旁路电流。第二电池的旁路电流持续一段均衡时间。在一个实施例中，均衡时间可以设为与第二电池的荷电态和第一电池的荷电态之间的差值成比例的一个值。在另一个实施例中，均衡时间可以设为一个常数。

在步骤402中，电池组102处于充电阶段。在步骤404中，逻辑控制单元130判断是否有电池正处于均衡阶段。如果当前没有电池处于均衡阶段，逻辑控制单元130将读取在上一充电/放电周期中记录的电池102_1-102_N的完全充电容量(fullcharge capacity，FCC)，如步骤406所示。

如果当前有一节或多节电池处于均衡阶段，逻辑控制单元130将查询对应的计时器，该计时器决定均衡时间的长短，如步骤410所示。在步骤412中，如果计时器计时尚未结束，流程图400返回步骤404，如果计时器计时结束，流程图400转到步骤414。在步骤414中，均衡操作暂时中断，流程图400转到步骤408。

在步骤408中，逻辑控制单元130计算电池组102中每节电池102_1-102_N各自的当前荷电态。在一个实施例中，电池的荷电态由当前电池容量和完全充电容量之间的比值决定。在一个实施例中，电池均衡电路100通过计算每节电池的荷电态，提前预测哪些电池需要进行均衡操作。

在步骤416中，逻辑控制单元130比较所有电池的荷电态。在一个实施例中，逻辑控制单元130在电池102_1-102_N的荷电态中找到最大的荷电态SoC_max和最小的荷电态Soc_min。在步骤418中，如果最大的荷电态和最小的荷电态之间的差值大于一个预设的门限值，流程图400转到步骤420，否则流程图400转到步骤408。步骤408之后的步骤之前已有描述，为简明起见在此不做重复描述。

在步骤420中，逻辑控制单元130决定均衡时间T。在一个实施例中，均衡时间与最大的荷电态和最小的荷电态之间的差值成比例。在步骤422中，对具有最大荷电态SoC_max的电池开始进行均衡操作(如导通其对应的旁路以产生旁路电流)，并令其对应的计时器开始计时。流程图400返回步骤404开始一个新的周期。电池均衡电路100可以根据每节电池的荷电态，而不是每节电池的电压，来决定对哪些电池进行均衡操作。

图4中所采用的算法适用于处于充电阶段、放电阶段或者空闲阶段的电池。

图5A所示为根据本发明一个实施例的电池均衡电路500A。图5A中与图1编号相同的部件具有类似的功能，为简明起见在此不做重复描述。

电池均衡电路500A在电池达到预设的最大充电电压(完全充电电压)之前对电池进行均衡。举例来说，在一节电池达到最大充电电压90％的时候，导通该电池对应的旁路电流进行均衡。通过在电池达到预设的最大充电电压之前就开始对其进行均衡，能够使电池获得更长的均衡时间，从而延长电池寿命。在一个实施例中，图5A中所示的电池均衡电路500A可以用于但不限于电池组120的充电过程。

电池均衡电路500A包括电池102_1-102_N分别对应的充电及均衡控制器510_1-510_N。为简明起见，图5A中没有示出所有的充电及均衡控制器。每个充电均衡控制器510_1-510_N分别监测其对应的电池102_1-102_N，并产生与电池102_1-102_N分别对应的均衡控制信号。每个充电均衡控制器510_1-510_N分别接收代表预设最大充电电压的参考信号522和代表预设均衡门限的参考信号520。预设均衡门限520小于预设最大充电电压(完全充电电压)522，比如预设均衡门限520是预设最大充电电压522的90％。每个充电均衡控制器510_1-510_N还分别接收对应电池102_1-102_N的电压信息。

在一个实施例中，如果任何电池的电压达到预设最大充电电压，其对应的充电均衡控制器510_1-510_N将产生充电终止信号540_1-540_N，以中断电池组102的充电，为了简明起见，图5A中没有示出所有的充电均衡控制器。在一个实施例中，或门541接收充电终止信号540_1-540_N。如果充电终止信号540_1-540_N当中的任意一个有效，或门541将产生控制信号542以中断电池组102的充电。此外，如果有电池电压达到预设均衡门限，该均衡门限小于预设最大充电电压，其对应的充电均衡控制器510_1-510_N将产生电池均衡信号，使得对应的旁路导通，产生旁路电流。旁路电流是通过打开对应的开关104_1-104_N而产生。

图5A中所采用的算法适用于充放电过程中不同的阶段，如充电阶段、放电阶段或者空闲阶段。

图5B所示为图5A中的充电均衡控制器的电路示意图。图5B中与图5A编号相同的部件具有类似的功能，为简明起见在此不做重复描述。

图5A中的充电均衡控制器510_1-510_N具有类似图5B中示出的结构。在一个实施例中，每个充电均衡控制器510_1-510_N包含第一比较器504，第一比较器504将电池电压和预设最大充电电压522进行比较，并根据比较结果产生充电终止信号540_i(i＝1，2，...N)。每个充电均衡控制器510_1-510_N还包含第二比较器502，第二比较器502将电池电压和预设均衡门限520进行比较(比如，预设均衡门限520是预设最大充电电压的90％)，并根据比较结果产生电池均衡信号534_i(i＝1，2，...N)。信号Vcell+和信号Vcell-分别耦合至对应电池的正极和负极。

本发明公开的电池均衡电路可以基于不同的均衡算法对电池进行均衡，从而减少电池之间的不均衡并延长电池寿命。该电池均衡电路的均衡精确度可以预先设定。比如，终止均衡的条件可以是任意两节电池的电压差小于预设门限值，也可以是任意两节电池的容量之差小于预设门限值。

在此使用之措辞和表达都是用于说明而非限制，使用这些措辞和表达并不将在此图示和描述的特性之任何等同物(或部分等同物)排除在发明范围之外，在权利要求的范围内可能存在各种修改。其它的修改、变体和替换物也可能存在。因此，权利要求旨在涵盖所有此类等同物。

Claims (2)

1.一种电池均衡电路，用于均衡电池组中串联连接的多个电池，其特征在于，包括：

逻辑控制单元，用于在当前没有电池处于均衡阶段时，读取在上一充电或放电周期中记录的每个电池的完全充电容量，并计算每个电池的荷电态，所述逻辑控制单元还用于比较所述多个电池的荷电态并找到最大荷电态的电池和最小荷电态的电池；及

与所述最大荷电态的电池并联的旁路，当最大荷电态和最小荷电态之间的差值大于预设的门限值时，所述旁路导通产生旁路电流，且所述旁路电流持续一段均衡时间，其中所述均衡时间与所述差值成比例，其中每个电池的荷电态由每个电池的当前容量和每个电池的完全充电容量之间的比值决定。

2.一种均衡电池的方法，用于均衡电池组中串联连接的多个电池，其特征在于，包括下列步骤：

判断所述多个电池中是否有电池正处于均衡阶段；

如果当前没有电池处于均衡阶段，读取在上一充电或放电周期中记录的每个电池的完全充电容量；

如果当前有电池正处于均衡阶段，查询对应的计时器，该计时器决定均衡时间的长短；

如果计时器计时尚未结束，则继续判断所述多个电池中是否有电池正处于均衡阶段；

如果计时器计时结束，中断均衡操作；

计算每个电池的荷电态，其中每个电池的荷电态由每个电池的当前容量和每个电池的完全充电容量之间的比值决定；

比较所述多个电池的荷电态，并找到最大荷电态的电池和最小荷电态的电池；

当最大荷电态和最小荷电态之间的差值大于预设门限值时，确定均衡时间，其中所述均衡时间与所述差值成比例；及

导通最大荷电态的电池的旁路电流，且所述旁路电流持续所述均衡时间。

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