CN101877423A - 一种用于电池均衡控制的芯片 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于电池均衡控制的芯片，包括：电压基准模块为比较器模块提供参考电压；比较器采集相邻两节电池的电压，计算出两节电池的电压差，并将这些数值与设定值比较，决定是否产生均衡控制信号；当两节电池的电压差、单节电池的电压在设定值范围内，振荡器模块开始工作，否则均衡使能控制信号无效，振荡器停止工作；滤波电路对产生的控制信号进行滤波，输出相位控制模块根据产生均衡所需控制信号的电平及所需相位关系；电平转换电路对输出脉冲信号进行电平转换从而作为开关的控制信号；本发明的优点：采用该均衡控制芯片，显著改善均衡的效率，降低均衡系统损耗；提高了均衡系统可靠性；使电池系统的性能及安全性提高，使用寿命延长。

Description

一种用于电池均衡控制的芯片

技术领域：

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种用于电池均衡控制的芯片。

背景技术：

电池通常被串联使用以提供较高的输出电压和较大驱动电流，现在很多大功率电池供电都采用由多个单体电池串联、并联构成电池系统供电。

影响串联电池系统的性能和寿命的主要包括电池的材料、制造工艺等基本要素，其中电池单体一致性，成为关键因素；电池单体的差异性，在电池串联的使用过程中，电池单体的差异性将逐步加大，直接影响电池系统的性能和寿命，甚至影响电池系统的安全；当电池系统中单体电池电压高的电池，相对串联电池系统内其他电池单体较早地进入过充电状态，发生过充的电池单体随着充电的不断进行，极化作用加强，升温加剧，伴随不可逆的析气反应，电池容量降低，并有可能在充电结束后的短时间内使电池内部物质燃烧，导致电池报废。当电池系统中单体电池电压过低，放电过度，致使负极材料中的锂离子大量析出，并结晶，导致负极材料结构发生不可逆变化；金属结晶可能穿透隔膜，这都会造成电池损坏，甚至发热爆炸。

电池系统是电池单体串联使用，充电、放电是单一回路，因此保持各电池单体在使用过程中的一致(电压相同)，至关重要。保持串联使用各电池单体的电压相同，称为电池均衡。

目前，为解决电池串联使用时由于电池单体的固有差异，导致使用中电池单体间的电压不同，主要有以下两种方法：

1.采用电阻进行电池间的均衡：利用对电池电压的监测，当某节电池电压过高时，该电池利用旁路电阻进行放电达到均衡的效果；

2.采用储能元件进行电池间的均衡：通过监测相邻的两节电池的电压，利用储能元件通过开关回路将能量在相邻的两节电池间进行转移。

采用方法1的优点是控制电路很简单，成本较低，该方法是将多余的电量转换成热能耗掉，因此均衡电流较小，当大电流充电时均衡效果很差，利用电阻放电损失了大量能量，同时产生大量热，导致电池系统过热。采用方法2可以减少能量的损耗，并可以实现大电流均衡，均衡速度快，效果明显。

因此本发明的一个目标是提供一种高效、低功耗的均衡控制芯片，使得方法2均衡控制方便，均衡的精度和效率都大大提高。本发明主要精力贯注在这样的一种均衡控制电路的芯片的功能及结构上。

发明内容：

本发明的目的就是为实现一种串联电池系统均衡控制电路方案，提供一种低功耗的均衡控制芯片，以保证均衡电路方案简单高效。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于电池均衡控制的芯片，包括

电压基准模块，为比较器模块提供参考电压；

比较器模块，采集相邻两节电池的电压，计算出两节电池的电压差，并将这些数值与设定值比较，决定是否产生均衡控制信号；当两节电池的电压差、单节电池的电压在设定值范围内，则均衡使能控制信号有效，振荡器模块开始工作；否则均衡使能控制信号无效，振荡器模块停止工作；

滤波电路，对所述比较器模块的输出控制信号进行滤波后产生均衡使能控制信号，保证均衡使能控制信号的稳定。

振荡器模块，为经过所述滤波电路滤波的控制信号提供基准时序参考信号；

输出相位控制模块，根据基准时序参考信号和经过所述滤波电路滤波的控制信号产生均衡所需控制信号的电平及所需相位关系；

电平转换电路，对所述输出相位控制模块输出脉冲信号进行电平转换从而作为开关的控制信号；

电源模块，为衡控制芯片中各个功能模块提供稳定的电源，所述功能模块包括所述基准电路模块，所述振荡器模块，所述比较器模块，所述输出相位控制模块，所述电平转换电路，所述滤波电路。

所述比较器模块监测外部温度进行采集，判断温度是否在设定值范围内，在设定范围值内，则产生均衡控制信号，否则停止均衡。

所述控制芯片的输出信号满足控制均衡电路中的开关所需电平，所述的开关为N沟道场效应管、P沟道场效应管、三极管、绝缘栅双极型功率管或继电器中的一种或其组合。

所述电路可根据需要设置均衡启动阈值电压值、均衡停止阈值电压值。

本发明有益效果是：本发明提供的一种用于电池均衡的控制芯片的结构，该控制芯片实时监测电池的电压变化，根据电池的电压的变化决定何时启动何时停止均衡控制输出。采用该均衡控制芯片，使系统显著改善均衡的效率，大大降低均衡系统损耗；同时利用均衡控制芯片，大大提高了均衡系统可靠性；最终使电池系统的性能及安全性提高，寿命延长。

附图说明

图1是现有电容均衡控制电路

图2是现有的一种电感均衡控制电路

图3是本发明一种用于电池均衡控制的芯片结构框图

图4是本发明实施例一的电路原理图

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是电容电池均衡电路，图中B1、B2、B3、B4为锂电池，C1、C2、C3为用于电池均衡的电容，K1、K2、K3、K4等为开关。它的基本原理是：若电池B1的电压高于B2的电压，则K1与K3闭合，电池B1给电容C1充电，然后K1、K3断开，K2、K4闭合电容C1对电池B2充电，经过若干周期过后，电池B1与B2的电压达到一致，电池停止均衡；当B2电压大于B1电压也可完成该过程。同理，电容C2用于电池B2和B3的均衡，电容C3是用于电池B3和B4的均衡。从以上分析可以看出，开关控制信号的频率、时序及相位直接关系到电池均衡的效果及安全。为此我们单独设计出均衡控制芯片，用于精确控制开关信号。

图2是电感均衡电路，它的基本结构是由相邻电池B1、B2，两个开关K1和K2、两个二极管D1和D2和一个储能元件电感L组成。图2画出的是以两节相邻电池的均衡为例。如B1的电压＞B2的电压，则K1导通，电池B1向电感L充电，当K1关断时，L1为了续流，与B2、D2构成回路，电感中储存的能量就转移到B2中，实现了能量从B1到B2的转移。同理当B1的电压＜B2电压时，则通过K2的通断来实现能量从B2到B1的转移，即该电路是一种能量双向传递的均衡装置。

图3是本发明的结构原理图，电源模块的输出为芯片中基准电路、振荡器、相位控制电路、比较器模块、滤波电路提供电源。基准电路是由电源模块供电，基准电路根据设计要求为芯片中比较器模块提供参考电压；

比较器模块的输入信号是采集到的电压信号，即相邻两节电池的电压信号。比较器模块通过采集到的这些信号来判断电池组是否需要均衡，滤波模块是对比较器的输出的均衡起停信号进行滤波，并输出控制信号给振荡器，如果需要均衡则振荡器开始工作，若不需要均衡则振荡器停止工作。

当比较器检测到电池组需要均衡时，比较器通过对参考电压V_ref1～V_refn与对应的采集到的电压信号V1～Vn分别进行比较得到的输出信号输入给滤波模块，滤波模块是对输出信号进行滤波，再输给相位控制电路，相位控制电路根据这些输入信号来调整控制其输出信号的电平及相位关系。

电平转换模块将相位控制电路的输出信号转换成符合开关导通或关断的电平信号。

输出信号的个数可以根据所使用的均衡电路中使用的开关的个数来选择。例如选择有四个开关的电容均衡电路时，可以选择四路输出来控制这些开关电路的通断，当选择有两个开关的电感均衡电路时，可以选择两路输出来控制这两个开关电路的通断。这些信号可以根据电池组中电池电压的变化准确控制其均衡电路中的开关的导通或关断，从而使电池组中的电池能够实时的、精确的得到均衡，有效保护了电池组，使电池寿命得以延长。

图4以控制芯片与电容均衡电路结合为例。均衡控制芯片中的比较器模块通过采集到B1与B2的电压以及温度信号计算出B1与B2的电压差，当相邻电池单体电压差，在设定的上限及下限值范围内，同时B1、B2单体电压在设定值范围内，外部温度在设定范围内，均衡使能控制信号有效，振荡器模块开始工作，否则均衡使能控制信号无效，振荡器停止工作。控制芯片的四路输出信号A、B、C、D分别控制电容均衡电路中的Q1、Q2、Q3、Q4的导通与截止。假设B2的电压高于B1的电压，并且压差在均衡设置的上限以及下限范围内，同时B1与B2的单体电压也在均衡设定范围之内且温度没有超出设定范围，比较器模块通过采集到的信号判断电池B1与B2需要均衡，振荡器起振，参考脉冲信号经由相位控制模块以及电平转换模块作为控制芯片的输出信号用来控制均衡电路中的Q1、Q2、Q3、Q4。输出信号A、C使得Q1、Q3导通，输出信号B、D使得Q2、Q4截止，电池B2通过Q1、C1、Q3回路向C1充电，充至C1两端的电压与B2的电压相等，然后输出信号A、C使得Q1、Q3截止，B2停止对C1充电。随后输出信号B、D使得Q2、Q4导通，此时电容C1通过Q2、Q4、B1回路向B1充电，由此原理完成电池B2的能量向电池B1转移。当一段时间过后电池B1与B2的电压相接近且不在均衡设定的范围之内，此时比较器模块通过采集到的B1、B2的电压判断电池B1与B2不需要均衡，振荡器停止振荡，输出信号A、B、C、D分别使得均衡电路中的Q1、Q2、Q3、Q4截止。均衡电路不工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种用于电池均衡控制的芯片，其特征在于：包括

基准电路模块，为比较器模块提供参考电压；

比较器模块，采集相邻两节电池的电压，计算出两节电池的电压差，并将这些数值与设定值比较，决定是否产生均衡控制信号；当两节电池的电压差、单节电池的电压在设定值范围内，则均衡使能控制信号有效，振荡器模块开始工作；否则均衡使能控制信号无效，振荡器模块停止工作；

滤波电路，对所述比较器模块的输出控制信号进行滤波后产生均衡使能控制信号，保证均衡使能控制信号的稳定；

振荡器模块，为经过所述滤波电路滤波的控制信号提供基准时序参考信号；

输出相位控制模块，根据基准时序参考信号和经过所述滤波电路滤波的控制信号产生均衡所需控制信号的电平及所需相位关系；

电平转换电路，对所述输出相位控制模块的输出脉冲信号进行电平转换从而满足开关控制需要的电平，作为开关的控制信号；

电源模块，为衡控制芯片中各个功能模块提供稳定的电源，所述功能模块包括所述基准电路模块，所述振荡器模块，所述比较器模块，所述输出相位控制模块，所述电平转换电路，所述滤波电路。

2.根据权利要求1所述的用于电池均衡控制的芯片，其特征在于：所述控制芯片的输出信号满足控制均衡电路中的开关所需电平，所述的开关为N沟道场效应管、P沟道场效应管、三极管、绝缘栅双极型功率管或继电器中的一种或其组合。

3.根据权利要求1所述的用于电池均衡控制的芯片，其特征在于：所述控制芯片由相邻两组电池供电，供电电压为两组串联电池电压之和。

4.根据权利要求1所述的用于电池均衡控制的芯片，其特征在于：所述比较器模块监测外部温度进行采集，判断温度是否在设定值范围内，在设定范围值内，则产生均衡控制信号，否则停止均衡。

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