CN102593900B - 一种电池电量均衡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池电量均衡装置，包括电池单元；充放电单元，用于电量存储和相邻电池单元之间的能量转移；电子开关单元，用于控制充放电单元的电量存储和相邻电池单元的电量向该电池单元转移时的同步整流；自举升压驱动单元，用于通过自举升压来驱动电子开关单元；采样单元，用于采集电池单元的电压信息并发送给主控单元；主控单元，用于通过输出脉冲宽度调制信号控制相邻的电子开关单元呈互补的导通、关断状态。本发明的目的在于提供一种解决以往串联电池组应用过程中存在的电池单元差异扩大并由此带来的电池容量损失和使用寿命问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池电路技术领域，尤其涉及一种电池电量均衡装置。
背景技术
目前，电池电源普遍采用由N个低电压的电池单元串联组成以获得较高的电源电压和电能容量来满足不同使用场合的需要。但由于制造电池的材料特性和工艺条件限制，各电池单元之间往往存在不同程度的差异，这样在使用中经过多次充放电循环，将会出现各电池单元之间差异扩大化的现象，由于串联电池组的“短板”效应，整个串联电池组电能容量将受限于串联电池组之中那个电能容量最小的电池单元，大大影响串联电池组的使用效果和寿命。
为了解决串联电池组使用过程中出现的各电池单元之间差异而带来的问题，人们采用电子电路来均衡各电池单元的电能容量从而减小或消除串联电池组各电池单元电量的不一致。目前常见的均衡电路一般分为能耗法、能量转移法二大类，其中能耗法由于效率低能量损失大均衡能力有限等弊端一般只应用于小容量串联电池组且对均衡性能要求低的场合；而能量转移法具有效率高可实现双向均衡且均衡能力强等优点，尤其适合大容量串联电池组的均衡应用，能量转移法又可以分为电容、电感储能切换转移和DC-DC变换转移等多种，由于能量转移法电路组成复杂，控制精度要求极高等特点，其电池均衡产品具有较高性价比并且能够进入市场实用的很少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决以往串联电池组应用过程中存在的电池单元差异扩大并由此带来的电池容量损失和使用寿命问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种电池电量均衡装置，包括：M个串联的电池单元、M+1个充放电单元、M个电子开关单元、M个自举升压驱动单元、一个采样单元和一个主控单元，M为大于等于2的正整数；
其中第N电池单元的正极经过第N+1充放电单元、第N电子开关单元和第N充放电单元与负极连接，第N电子开关单元与第N自举升压驱动单元连接，第N自举升压驱动单元与主控单元连接，第N电池单元的正极和负极分别与采样单元连接，N为大于等于1的正整数；
所述充放电单元，用于电量存储和相邻电池单元之间的能量转移；
所述电子开关单元，用于控制充放电单元的电量存储和相邻电池单元的电量向该电池单元转移时的同步整流；
所述自举升压驱动单元，用于通过自举升压来驱动电子开关单元；
所述采样单元，用于采集电池单元的电压信息并发送给主控单元；
所述主控单元，用于通过输出脉冲宽度调制信号控制相邻的电子开关单元呈互补的导通、关断状态。
主控单元输出的脉冲宽度调制信号为高电平时，电子开关单元导通，主控单元输出的脉冲宽度调制信号为低电平时，电子开关单元关断。
电子开关单元关断时，与其连接的充放电单元通过相邻的处于导通状态的电子开关单元向相邻的电池单元转移电量。
主控单元根据相邻电池单元的电压差值判断需要进行电量均衡的相邻的电池单元，向所述需要进行电量均衡的相邻的电池单元输出脉冲宽度调制信号，并根据所述电压差值调整输出脉冲宽度调制信号的频率和/或占空比控制充放电单元存储和转移电量的大小。
所述自举升压驱动单元中，电容器存储的电压为电池单元电压的两倍。
所述电池电量均衡装置还包括一个功耗控制单元，用于降低所述电池电量装置的接入对电池电量的额外消耗；所述M个串联的电池单元组成的电池组的负极与功耗控制单元连接，功耗控制单元与主控单元连接。
所述充放电单元为储能电感器，所述电子开关单元为N沟道MOS场效应管。
采用本发明的技术方案，解决了以往串联电池组应用过程中存在的电池单元差异扩大并由此带来的电池容量损失和使用寿命问题，拓展了本电量均衡装置的适用电池种类，提高了产品可靠性，并且使得本电量均衡装置的接入对电池的额外消耗减至极低，不影响电池原来的正常性能。
附图说明
图1是本发明具体实施方式1提供的电池电量均衡装置的结构示意图。
图2为本发明具体实施方式1提供的电池电量均衡装置的局部电路结构图。
图3为本发明具体实施方式2提供的电池电路均衡装置的结构示意图。
图4为本发明具体实施方式2中的功耗控制单元的电路结构图。
具体实施方式
下面合附图并通过具体实施方式1来进一步说明本发明的技术方案。
图1是本发明具体实施方式1提供的电池电量均衡装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括电池单元、充放电单元、电子开关单元、自举升压驱动单元、采样单元和主控单元。
所述电池电量均衡装置包括由至少两个电池单元串联组成的电池组。当所述电池电量装置包括由M个电池单元串联组成的电池组时(M为大于等于2的正整数)，则所述电池电量均衡装置还包括M+1个充放电单元、M个电子开关单元、M个自举升压驱动单元、一个采样单元和一个主控单元。
其中，第一电池单元的正极经过第二充放电单元、第一电子开关单元和第一充放电单元与负极连接，第一电子开关单元与第一自举升压驱动单元连接，组成第一基本电量均衡模块。所述第一基本电量均衡模块通过第一自举升压驱动单元与主控单元连接，通过第一电池单元的正极和负极分别与采样单元连接。
第二电池单元的正极经过第三充放电单元、第二电子开关单元和第二充放电单元与负极连接，第二电子开关单元与第二自举升压驱动单元连接，组成第二基本电量均衡模块。所述第二基本电量均衡模块通过第二自举升压驱动单元与主控单元连接，通过第二电池单元的正极和负极分别与采样单元连接。
依此类推，第N电池单元的正极经过第N+1充放电单元、第N电子开关单元和第N充放电单元与负极连接，第N电子开关单元与第N自举升压驱动单元连接，组成第N基本电量均衡模块。所述第N基本电量均衡模块通过第N自举升压驱动单元与主控单元连接，通过第N电池单元的正极和负极分别与采样单元连接(N为大于等于1的正整数)。
所述充放电单元，用于电量存储和相邻电池单元之间的能量转移，所述充放电单元优选为储能电感器。
所述电子开关单元，用于控制充放电单元的电量存储和相邻电池单元的电量向该电池单元转移时的同步整流，所述电子开关单元优选为N沟道MOS场效应管。
所述自举升压驱动单元，用于通过自举升压来驱动电子开关单元，所述自举升压驱动单元包括倍压整流派生电路，通过该电路获得的电压优选为电池单元电压的两倍。
所述采样单元，用于采集电池单元的电压信息并发送给主控单元。所述采样单元定期采集每个电池单元的电压信息并发送至主控单元。
所述主控单元，用于通过输出脉冲宽度调制信号控制电子开关单元的导通和关断，所述主控单元优选为MCU控制芯片。
当所述主控单元向一个所述基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号为高电平时，所述基本电量均衡模块中的电子开关单元处于导通状态；当所述主控单元向一个所述基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号为低电平时，所述基本电量均衡模块中的电子开关单元处于关断状态。
所述主控单元向一个所述基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号为高电平时，其向与该基本电量均衡模块相邻的两个基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号为低电平；所述主控单元向一个所述基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号为低电平时，其向与该基本电量均衡模块相邻的两个基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号为高电平；这样使相邻的基本电量均衡模块中的电子开关单元处于互补的导通、关断状态。
所述主控单元向一个所述基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号为高电平，向与该基本电量均衡模块相邻的两个基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号为低电平时，该基本电量均衡模块中的电子开关单元导通，两个充放电单元储存来自电池单元的电量，两倍的电池单元电压向自举升压驱动单元中的电容器充电。主控单元向该基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号变为低电平，向与该基本电量均衡模块相邻的两个基本电量均衡模块输出的脉冲宽度调制信号变为高电平时，该基本电量均衡模块中的电子开关单元关断，相邻的两个基本电量均衡模块的自举升压驱动单元中的电容器上储存的两倍自举电压使其电子开关单元导通，该基本电量均衡模块中的两个充放电单元分别与相邻基本电量均衡模块中导通的电子开关单元构成电量转移的回路，向相邻的基本电量均衡模块中的电池单元转移储存的电量。
所述主控单元接收采样单元定期采集的每个电池单元的电压信息，计算相邻电池单元的电压差值。主控单元根据相邻电池单元的电压差值判断需要进行电量均衡的相邻的电池单元，向所述需要进行电量均衡的相邻的电池单元输出脉冲宽度调制信号，并根据所述电压差值调整输出脉冲宽度调制信号的频率和/或占空比来控制充放电单元的储能时间，从而控制其储存和转移电量的大小。
图2为本发明具体实施方式1提供的电池电量均衡装置的局部电路结构图。图2中所述电池电路均衡装置中的主控单元和采样单元部分的电路未画出，采样单元采集V4、V3、V2、V1的电压值，发送至主控单元计算三个电池单元的电压差值。
如图2所示，该电路包含三个电路结构完全相同的所述基本电量均衡控制模块。H-PWM和L-PWM是驱动相邻基本电量均衡模块的互补带死区调节的可变频、变占空比的脉冲宽度调制信号。
当H-PWM为高电平、F-PWM为低电平时，电池单元BT2之间的电子开关单元Q11呈导通状态，二倍的电池单元电压通过D4、D6分别向C1、C3充电，电感L2、L3储存来自电池单元BT2的电量。因F-PWM为低电平，故相邻的电子开关单元Q10、Q12关断。图2中的C1和D4、C2和D5、C3和D6分别构成了各自举升压驱动单元中的自举升压电路；Q4和Q7、Q5和Q8、Q6和Q9分别构成了各自举升压驱动单元中的整流电路。
当H-PWM为低电平、L-PWM为高电平时，电池单元BT2之间的电子开关单元Q11呈关断状态，由于L-PWM为高电平，C1、C3上储存的二倍自举电压使Q10、Q12驱动电路正常工作将驱动电子开关单元Q10、Q12导通，电感L2储存的电量通过相邻导通的电子开关单元Q10与L1上的储存电量叠加向相邻电池单元BT1传递电量。电感L3储存的电量也通过相邻导通的电子开关Q12单元与L4上的储存电量叠加向相邻电池单元BT3传递电量。通过控制互补电子开关导通和关断的比例和频率，就可以将高电量电池单元的电量转移到低电量电池单元中，从而实现串联电池组中各电池单元间的电量均衡，同时驱动电路的二倍电池单体电压的自举升压技术可以使本电量均衡电路适应更多的低电压电池种类。
该电路结构也可继续扩展为具有N个基本电量均衡模块的情形，原理与工作过程不变。
图3为本发明具体实施方式2提供的电池电路均衡装置的结构示意图。如图1所示，该电池电路均衡装置在本发明具体实施方式1提供的结构基础上，还包括一个功耗控制单元。
所述功耗控制单元与由串联的电池单元组成的电池组的负极连接，所述功耗控制单元的电源启动端口与主控单元连接。
所述功耗控制单元，用于降低所述电池电量装置的接入对电池电量的额外消耗，使本电量均衡装置的接入对电池的额外消耗减至极低，不影响电池原来的正常性能。
图4为本发明具体实施方式2中的功耗控制单元的电路结构图。如图4所示，光耦P1中发光二极管的输入端经过电阻R13与由串联的电池单元组成的电池组的负极连接，发光二级管的输出端作为接入所述电池电路均衡装置后的电池组的负极来使用。
当连接的电池组不输出电量时，ON-OFF端口低电平，Q6、Q7、Q8、Q9组成的双向电子开关全部处于关断，电阻R12不流过电流，其上压降为零，双向光耦P1因此处于高阻状态，电源启动端口D-ON也处于低电位，供给本电池电量均衡装置的电源无输出。
当连接的电池组向外输出电量时，电阻R12上流过电流，在其上产生压降，此电压将使双向光耦P1导通从而使电源启动端口D-ON处于高电位，供给本电池电量均衡装置的电源产生输出使均衡装置进入工作状态，同时主控程序置位D-ON与ON-OFF端口，置位D-ON让电源维持输出，置位ON-OFF端口使Q6、Q7、Q8、Q9组成的双向电子开关全部导通，为电源的大电流输出提高通路，因为D-ON端口被主控单元的程序置位，所以即使Q6、Q7、Q8、Q9全部导通造成R12压降近似为零，也不会影响供给本均衡装置的电源输出。
采用本发明的技术方案，解决了以往串联电池组应用过程中存在的电池单元差异扩大并由此带来的电池容量损失和使用寿命问题，拓展了本电量均衡装置的适用电池种类，提高了产品可靠性，并且使得本电量均衡装置的接入对电池的额外消耗减至极低，不影响电池原来的正常性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种电池电量均衡装置，其特征在于，包括：M个串联的电池单元、M+1个充放电单元、M个电子开关单元、M个自举升压驱动单元、一个采样单元和一个主控单元，M为大于等于2的正整数；
其中第N电池单元的正极经过第N+1充放电单元、第N电子开关单元和第N充放电单元与负极连接，第N电子开关单元与第N自举升压驱动单元连接，第N自举升压驱动单元与主控单元连接，第N电池单元的正极和负极分别与采样单元连接，N为大于等于1的正整数；
所述充放电单元，用于电量存储和相邻电池单元之间的能量转移；
所述电子开关单元，用于控制充放电单元的电量存储和相邻电池单元的电量向该电池单元转移时的同步整流；
所述自举升压驱动单元，用于通过自举升压来驱动电子开关单元，所述自举升压驱动单元包括倍压整流派生电路，通过该电路获得的电压优选为电池单元电压的两倍；
所述采样单元，用于采集电池单元的电压信息并发送给主控单元；
所述主控单元，用于通过输出脉冲宽度调制信号控制相邻的电子开关单元呈互补的导通、关断状态；
还包括一个功耗控制单元，用于降低所述电池电量均衡装置的接入对电池电量的额外消耗；所述M个串联的电池单元组成的电池组的负极与功耗控制单元连接，功耗控制单元与主控单元连接；
其中，所述功耗控制单元的光耦P1中发光二极管的输入端经过电阻R13与由串联的电池单元组成的电池组的负极连接，发光二级管的输出端作为接入所述电池电路均衡装置后的电池组的负极来使用。
2.根据权利要求1所述的电池电量均衡装置，其特征在于，主控单元输出的脉冲宽度调制信号为高电平时，电子开关单元导通，主控单元输出的脉冲宽度调制信号为低电平时，电子开关单元关断。
3.根据权利要求2所述的电池电量均衡装置，其特征在于，电子开关单元关断时，与其连接的充放电单元通过相邻的处于导通状态的电子开关单元向相邻的电池单元转移电量。
4.根据权利要求1所述的电池电量均衡装置，其特征在于，主控单元根据相邻电池单元的电压差值判断需要进行电量均衡的相邻的电池单元，向所述需要进行电量均衡的相邻的电池单元输出脉冲宽度调制信号，并根据所述电压差值调整输出脉冲宽度调制信号的频率和/或占空比控制充放电单元存储和转移电量的大小。
5.根据权利要求1所述的电池电量均衡装置，其特征在于，所述自举升压驱动单元中，电容器存储的电压为电池单元电压的两倍。
6.根据权利要求1所述的电池电量均衡装置，其特征在于，所述充放电单元为储能电感器，所述电子开关单元为N沟道MOS场效应管。
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