CN102545335A - 一种均衡充放电电路及均衡充放电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均衡充放电电路，包括串联的多节可充电池的电池组、充放电控制逻辑器，所述电池组的每一个可充电池各自并联一个电压监测分流模块，所述电压监测分流模块监测到与其并联的可充电池先达到设定的均衡电压值时，对其进行分流。本发明还提供一种均衡充放电方法。本发明通过增加电压监测分流模块，实现均衡充放电，在经过多次充、放电循环后，可使各个可充电池之间的电压进行有效均衡，提高可充电池的使用效率；另外，该电路结构设计简单，开发难度小，生产成本低，极易在二次可充电池上推广使用。

Description

一种均衡充放电电路及均衡充放电方法

技术领域

本发明涉及电池组的充放电管理，更具体地说，涉及一种用于对多个电池的均衡充放电电路及均衡充放电方法。

背景技术

为了给用电设备足够的电压，通常需要由多个电池串联而成电池组。但是由于制造精度，工艺控制和检测手段的因素，不同电池之间内阻、放电平台时间、容量、自放电率等参数不可避免有一定的差异。在经过多次充、放电循环后，单体电池之间的电压差异会越来越大，在充放电过程中容易导致串联电池组充电不均衡，使得串联电池组的有效电容减少，影响电池组的使用性能，降低电池的使用效率。这种差异导致电池组的总容量受制于最弱电池的容量。多节电池串联使用时，其性能的好坏不仅取决于电池单体质量的好坏，更重要的取决于其整体质量的高低。如果不采取均衡措施，经过多次充放电循环，这种差异会进一步扩大，使电池组的总容量进一步减少。

现有的通用的可充电池保护方案有三种，第一种方案是：不带均衡充电方案(图1)节电池芯电压Cell1和Celln分别与对应的基准电压Ref1和Refn做比较，任何一节电池芯的电压高于与之对应的基准电压，QC控制Mosfet断开，停止给电池充电。这种控制方式的缺陷是：1、不管其它几节电池芯电压多低，只要有一节电池芯电压达到保护IC的过充门限电压，充电控制Mosfet就断开，整个电池组中止充电。同一电池组各电芯电压不平衡时，充电结束整个电池组的电量将低于正常电量，电池组的总电量降低；2、如果座充充电或充电电压过高，电池芯电压高的将出现过充(超过4.2V)，长期如此会影响电池芯的寿命，性能差的会产生安全隐患。第二种方案：内置均衡充电方案(图2)是有均衡充电功能，当任何一节电池芯电压高于均衡充电的设定电压时，对应的均衡Mosfet导通，通过分流电阻对电池低的电池芯分流充电。这种控制方式的缺陷是：现有的IC的精度低，最高误差有0.2V，导致电池芯单次使用时间短，不能充分发挥每个电池芯的性能。第三种方案：外加比较器均衡充电方案(图3)，该电路图包括比较单元U1A、监测单元U1B、分流单元Q1等)求电池芯的平均电压分流充电，当任何一节电池芯的电压高于平均电压，对应的Mosfet打开，通过电阻给电压低的电池芯分流充电，当高于平均电压时，Mofet断开。这种控制方式的缺陷是：这比较器本身和电阻的误差，不能充分发挥每个电池芯的性能。由以上分析可以看出，现有电池保护电路的缺陷在于：1.电池在长期充放电使用中，充电器电压过高，对电池有过充现象，长期如此会影响电池芯的寿命，性能差的会产生安全隐患；2.以上均衡电路精度不高，不能使电池之间的电压完全均压，不能充分发挥电池芯的性能；3.电池满电后，单次使用的时间短，电池组的放电平台降低；4.放电的情况下掉压严重，使得设备电压检测不准。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可解决以上串联电池组充放电不均衡导致电池组有效容量小、使用性能差的问题的均衡充放电电路及均衡充放电方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种均衡充放电电路，包括有串联的多节可充电池的电池组、充放电控制逻辑器，所述电池组的每一个可充电池各自并联一个电压监测分流模块，所述电压监测分流模块监测到与其并联的可充电池先达到设定的均衡电压值时，对其进行分流；充放电控制逻辑器检测到任何一节可充电池电压大于过充门限电压后，控制充电控制开关MOS管断开，停止充电；当充放电控制逻辑器检测到任何一节可充电池电压低于过放门限电压后，控制放电控制开关MOS管断开，停止放电。

在本发明的均衡充放电电路中，所述电压监测分流模块包括控制单元和分流单元，所述控制单元在充放电过程中监测与其并联的可充电池的电压，当判断其达到预设的均衡开启电压时，控制与可充电电池并联的所述分流单元导通以分流所述并联的可充电池的充放电电流；所有电压监测分流模块具有相同的电路结构。

在本发明的均衡充放电电路中，控制单元是控制器，控制器的电压采集管脚Vc1与所连接的可充电池的正极连接，控制器的Vc1还连接到放电端口正极；控制器的管脚Vss1与所连接的可充电池的的负极连接，还与充放电控制逻辑器的管脚V2连接；控制器的管脚D1与分流单元连接，控制分流单元的通断。

在本发明的均衡充放电电路中，分流单元包括分流电阻、分流开关MOS管，分流开关MOS管的栅极连接控制器的管脚D1，分流开关MOS管的源极与所连接的可充电池的正极连接，分流开关MOS管的漏极通过分流电阻连接可充电池的负极。

在本发明的均衡充放电电路中，分流单元包括分流电阻、分流开关MOS管，分流开关MOS管的栅极连接控制器的管脚D1，分流开关MOS管的源极与所连接的可充电池的负极连接，分流开关MOS管的漏极通过分流电阻连接可充电池的正极。

在本发明的均衡充放电电路中，还包括驱动模块，所述驱动模块包括逻辑电路、驱动MOS管，所述逻辑电路的一端与驱动端连接，逻辑电路另一端与驱动MOS管的栅极连接，驱动MOS管的漏极连接充电端口正极，源极连接第一节可充电池的正极。

在本发明的均衡充放电电路中，所述可充电池是锂电池。

本发明还提供一种均衡充放电方法，使用上述的均衡充放电电路，该方法包括：

S1、电压监测分流模块监测与其并联的可充电池两端的电压；

S2、当电压监测分流模块监测到所述可充电池两端的电压达到设定的均衡电压值时，对所述可充电池进行分流。

在本发明的均衡充放电方法中，进一步包括：

当电压监测分流模块监测到所述可充电池两端的电压达到设定的均衡电压值时，电压监测分流模块的控制单元控制分流单元导通，对所述可充电池进行分流。

实施本发明的均衡充放电电路，具有以下有益效果：在每个可充电池并联一个电压监测分流模块，该电压监测分流模块监测到与其并联的可充电池先达到设定充满电时的电压值时，由其进行分流，减小该可充电池的充电电流，同时保持串联充电回路中电流连续和充电电流相对稳定；电压监测分流模块监测到可充电池的电压低于均衡电压时，则通过控制与之并联的可充电池的分流单元截止，使整个电池组放电时压降掉得慢，提高电池的放电平台时间，充分发挥电池本身的优势；当充电电压超过电池芯本身的安全值时，电池在搁置中可以通过电压监测分流模块把电池芯电压降低，提高电池的安全性，同时把电池芯之间的压差减小。采用本发明使得各个电池实现均衡充放电，在经过多次充、放电循环后，可使各个电池之间的电压均衡，提高电池的质量、提高使用效率；另外，该电路结构简单，生产成本低，极易在二次可充电池上推广使用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的第一种可充电池保护方案的电路图；

图2是现有技术的第二种可充电池保护方案的电路图；

图3是现有技术的第三种可充电池保护方案的电路图；

图4是本发明均衡充放电电路的结构框图；

图5是本发明均衡充放电电路的第一实施例电路图；

图6是本发明均衡充放电电路的第二实施例电路图；

图7是本发明均衡充放电方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图4所示，本发明的均衡充放电电路的结构框图，包括有串联的多节可充电池的电池组1、电压监测分流模块2、充放电控制逻辑器3，充放电控制逻辑器3的一输出端连接一放电控制开关，充放电控制逻辑器3的另一输出端连接一充电控制开关；电池组1的每一个可充电池(E1、E2……En)各自并联一个电压监测分流模块2，电压监测分流模块2监测到与其并联的可充电池先达到设定的均衡电压值时，对其进行分流，减小该可充电池的充电电流，同时保持串联充电回路中电流连续和充电电流相对稳定；充放电控制逻辑器3检测到所有可充电池充足电后，控制充电控制开关断开，停止充电；当充放电控制逻辑器检测到所有可充电池放电电压低于过放电检测电压后，控制放电控制开关断开，停止放电。电压监测分流模块2包括控制单元21和分流单元22，控制单元21在充放电过程中监测与其并联的可充电池的电压，当判断其达到预设的均衡开启电压时，控制分流单元22导通以分流并联的可充电池的充放电电流。所有电压监测分流模块具有相同的电路结构。可充电池是锂电池。该均衡充放电电路还包括驱动模块(图中未标出)，该驱动模块包括逻辑电路、驱动MOS管，逻辑电路的一端连接驱动端，另一端连接驱动MOS管，当驱动端监测到有连接充电电源时，通过逻辑电路使驱动MOS管导通，对各电池进行充电。

如图5所示，本发明的均衡充放电电路的第一实施例电路图，包括可充电池(E1、E2……En)，充放电控制逻辑器IC的一输出端连接一放电控制开关MOS管Qd的栅极，充放电控制逻辑器IC的另一输出端连接一充电控制开关MOS管Qc的栅极；放电控制开关MOS管Qd的源极接地，漏极连接充电控制开关MOS管Qc的源极，充电控制开关MOS管Qc的漏极连接放电端口负极P-，充放电控制逻辑器IC的管脚Vcc连接放电端口正极P+，可充电池是锂电池。每个可充电池并联一个电压监测分流模块2，电压监测分流模块包括控制单元21和分流单元22，每个电压监测分流模块具有相同的电路结构。控制单元21是控制器U1，分流单元22包括分流电阻R1、分流开关MOS管Q1，控制器U1的电压采集管脚Vc1和Vss1分别连接到可充电池的正负极，采集可充电池E1的电压信号；控制器U1的管脚Vc1还连接到放电端口正极P+，控制器U1的管脚Vss1还连接到充放电逻辑控制器IC的管脚V2；控制器U1的管脚D1与分流开关MOS管Q1的栅极连接，控制分流开关MOS管Q1的通断；分流开关MOS管Q1的漏极通过分流电阻R1连接可充电池E1的负极，分流开关MOS管Q1的源极连接可充电池E1的正极。逻辑电路D的一端与驱动端T连接，另一端与驱动MOS管Qr的栅极连接，驱动MOS管Qr的漏极连接充电端口正极CH+，源极连接第一节可充电池E1的正极。

可充电池E2、E3……En的电压监测分流模块的电路结构与E1的一样，在此不在重述。

以对可充电池E1的充放电管理为例，该均衡充放电电路工作原理如下：控制器U1预先设定过充保护电压值作为均衡开启电压，在充电过程中，当控制器U1通过管脚Vc1和Vss1监测到与之并联的可充电池E1电压高于控制器U1设定的均衡电压，控制器U1的D1脚由高电平变为低电平，控制分流开关MOS管Q1导通，通过分流电阻R1分流对电压低的电池芯充电，这样流向可充电池E1的电流就会有一小部分从分流开关MOS管Q1、分流电阻R1流向可充电池E1串接的下一个可充电池的正极，进而起到充电电流分流的作用，保证可充电池E1不会过早发生过充现象；另一方面，当充电器充电电压偏高或由于电池芯之间差异很大，充满电后超过电池芯的安全电压(超过均衡电压)，在搁置过程中，可充电池E1电压高也会通过与之并联的控制器U1的D1脚由高电平变为低电平，与之对应的分流开关MOS管Q1导通，通过分流电阻R1放电，当可充电池E1电压低于控制器U1设定的均衡开启电压时，U1的D1脚的由低电平变为高电平，与之对应的分流开关MOS管Q1断开，停止可充电池E1放电，防止电池芯处于过充状态，提高可充电池E1的安全性。在充电中如果电池芯之间没有电压差异，均衡电路不起作用，也不会影响电池的正常使用和充电效率。可充电池E2、E3……En的均衡充放电工作原理与可充电池E1的一样，在此不在重述。

当驱动端T监测到有连接充电电源时，通过逻辑电路D控制驱动MOS管Qr的导通，对可充电池E1、E2……En进行充电。

充放电控制逻辑器IC通过管脚Vcc、V2……Vn实时监测各可充电池E1、E2……En的电压，当检测到任何一节可充电池En电压大于过充门限电压，控制充电控制开关MOS管Qc断开，停止充电；当充放电控制逻辑器IC检测到所任何一节可充电池电压低于过放门限电压，控制放电控制开关MOS管Qd断开，停止放电，实现过充、过放、过流、短路保护。

如图6所示，本发明的均衡充放电电路的第二实施例电路图，并联于第一节可充电池E1的电压监测分流模块2包括控制器单元21和分流单元22。控制器单元21是控制器U1’，分流单元22包括分流电阻R1’、分流开关MOS管Q1’，控制器U1’的管脚D1与分流开关MOS管Q1’的栅极连接，控制分流开关MOS管Q1’的通断；分流开关MOS管Q1’的漏极通过分流电阻R1’连接可充电池E1的正极，分流开关MOS管Q1’的源极连接可充电池E1的负极。图6的其它元件连接结构与图5的一样，在此不在详述。

以对可充电池E1的充放电管理为例，该均衡充放电电路工作原理如下：控制器U1’预先设定过充保护电压值作为均衡开启电压，在充电过程中，当控制器U1’通过管脚Vc1和Vss1监测到与之并联的可充电池E1电压高于控制器U1’设定的均衡开启电压，控制器U1’的D1脚由低电平变为高电平，控制分流开关MOS管Q1’导通，通过分流电阻R1’分流对电压低的电池芯充电，这样流向可充电池E1的电流就会有一小部分从分流开关MOS管Q1’、分流电阻R1’流向可充电池E1串接的下一个可充电池的正极，进而起到充电电流分流的作用，保证可充电池E1不会过早发生过充现象；另一方面，当充电器充电电压偏高或由于电池芯之间差异很大，充满电后超过电池芯的安全电压(超过均衡开启电压)，在搁置过程中，可充电池E1电压高也会通过与之并联的控制器U1’的D1脚由低电平变为高电平，与之对应的分流开关MOS管Q1’导通，通过分流电阻R1’放电，当可充电池E1电压低于控制器U1’设定的均衡开启电压时，U1’的D1脚的由高电平变为低电平，与之对应的分流开关MOS管Q1’断开，停止可充电池E1放电，防止电池芯处于过充状态，提高可充电池E1的安全性。在充电中如果电池芯之间没有电压差异，均衡电路不起作用，也不会影响电池的正常使用和充电效率。可充电池E2、E3……En的均衡充放电工作原理与可充电池E1的一样，在此不在重述。图6中的其它元件的工作原理与图5的一样，在此不在详述。如图7所示，本发明的均衡充放电方法，具体步骤如下：

一种均衡充放电方法，使用如图5或6所示的均衡充放电电路，该方法包括：

S1、电压监测分流模块监测与其并联的可充电池两端的电压；

S2、当电压监测分流模块监测到可充电池两端的电压达到设定的均衡电压值时，对可充电池进行分流。

步骤S2进一步包括：当电压监测分流模块监测到可充电池两端的电压达到设定的均衡电压值时，电压监测分流模块的控制单元控制分流单元导通，对可充电池进行分流。

在该方法中，电压监测分流模块监测到与其并联的可充电池先达到设定充满电时的电压值时，由其进行分流，减小该可充电池的充电电流，同时保持串联充电回路中电流连续和充电电流相对稳定，把电池芯之间的压差减小。采用本发明使得各个电池实现均衡充放电，在经过多次充、放电循环后，可使各个电池之间的电压均衡，提高电池的质量、提高使用效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种均衡充放电电路，其特征在于，包括有串联的多节可充电池的电池组(1)、充放电控制逻辑器(3)，所述电池组的每一个可充电池各自并联一个电压监测分流模块(2)；

所述电压监测分流模块(2)监测到与其并联的可充电池先达到设定的均衡电压值时，对其进行分流；

充放电控制逻辑器(3)检测到任何一节可充电池电压大于过充门限电压后，控制充电控制开关MOS管(Qc)断开，停止充电；当充放电控制逻辑器(3)检测到任何一节可充电池电压低于过放门限电压后，控制放电控制开关MOS管(Qd)断开，停止放电。

2.根据权利要求1所述的均衡充放电电路，其特征在于，所述电压监测分流模块(2)包括控制单元(21)和分流单元(22)，所述控制单元(21)在充放电过程中监测与所述控制单元并联的可充电池的电压，当判断可充电电池达到预设的均衡电压时，控制与可充电电池并联的所述分流单元(22)导通以分流所述并联的可充电池的充放电电流；所有电压监测分流模块(2)具有相同的电路结构。

3.根据权利要求2所述的均衡充放电电路，其特征在于，所述控制单元(21)是控制器(U1)，控制器(U1)的电压采集管脚Vc1与所连接的可充电池(E1)的正极连接，控制器(U1)的Vc1还连接到放电端口正极(P+)；控制器(U1)的管脚Vss1与所连接的可充电池的(E1)的负极连接，还与充放电控制逻辑器(3)的管脚V2连接；控制器(U1)的管脚D1与分流单元(22)连接，控制分流单元(22)的通断。

4.根据权利要求2所述的均衡充放电电路，其特征在于，所述分流单元(22)包括分流电阻(R1)、分流开关MOS管(Q1)，分流开关MOS管(Q1)的栅极连接控制器(U1)的管脚D1，分流开关MOS管(Q1)的源极与所连接的可充电池(E1)的正极连接，分流开关MOS管(Q1)的漏极通过分流电阻(R1)连接可充电池(E1)的负极。 

5.根据权利要求2所述的均衡充放电电路，其特征在于，所述分流单元(22)包括分流电阻(R1’)、分流开关MOS管(Q1’)，分流开关MOS管(Q1’)的栅极连接控制器(U1’)的管脚D1，分流开关MOS管(Q1’)的源极与所连接的可充电池的负极连接，分流开关MOS管(Q1’)的漏极通过分流电阻(R1’)连接可充电池的正极。

6.根据权利要求1所述的均衡充放电电路，其特征在于，还包括驱动模块，所述驱动模块包括逻辑电路(D)、驱动MOS管(Qr)，所述逻辑电路(D)的一端与驱动端(T)连接，另一端与驱动MOS管(Qr)的栅极连接，驱动MOS管(Qr)的漏极连接充电端口正极(CH+)，源极连接第一节可充电池的正极。

7.根据权利要求1所述的均衡充放电电路，其特征在于，所述可充电池是锂电池。

8.一种均衡充放电方法，采用如权利要求1～7所述的均衡充放电电路，其特征在于，该方法包括：

S1、电压监测分流模块(2)监测与其并联的可充电池两端的电压；

S2、当电压监测分流模块(2)监测到所述可充电池两端的电压达到设定的均衡电压值时，对所述可充电池进行分流。

9.根据权利要求8所述的均衡充放电方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

当电压监测分流模块(2)监测到所述可充电池两端的电压达到设定的均衡电压值时，电压监测分流模块(2)的控制单元(21)控制分流单元(22)导通，对所述可充电池进行分流。 

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