CN103051033A - 一种多节串联锂电池均衡方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多节串联锂电池均衡方法及其电路，包括电池包、电压检测电路、电压比较电路、控制电路和均衡电路；其特征在于：电压检测电路检测电池包中各节电池的两端的电压，检测到的电压通过电压比较电路进行比较，控制电路则通过比较结果控制均衡电路的通断，最后均衡电路对电池进行均衡。因此，本发明具有如下优点：1.采用随机控制开关，灵活性好。2.不包含有价格昂贵的锂电池电源管理芯片，电路成本低。

Description

一种多节串联锂电池均衡方法及其电路

技术领域

本发明涉及一种均衡方法及其电路，尤其是涉及一种多节串联锂电池均衡方法及其电路。

背景技术

近年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。锂离子电池由于其具有高能量密度、长寿命、低自放电率、无污染等特性、迅速成为市场的主流电池产品。当前许多世界著名汽车厂商都致力于运用锂电池开发纯电动汽车及混合动力汽车。但是为了满足高动力汽车的高电压需求，不得不将单体电池串联起来使用，然而由于每个电池单体间的化学状况有所不同，如电池的容量、电压、循环寿命等参数的差别，导致电池在充放电过程中不断恶化，致使电池的使用寿命大大降低，安全性能也大幅下降。串联电池包单体电池间的均衡问题成为制约动力锂电池发展的关键技术。

目前由锂电池电源管理芯片所控制的电阻分流方法是对电池包进行均衡管理的主要方式，这种方式必须与确定的电源管理芯片相结合，造价昂贵，电路复杂，难于实施。并且一经启动只能被动的接受均衡，不能人为地在时间上进行改变，灵活性差。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用随机控制开关，灵活性好的一种多节串联锂电池均衡方法及其电路。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种不包含有价格昂贵的锂电池电源管理芯片，电路成本低的一种多节串联锂电池均衡电路及均衡方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种采用多节串联锂电池均衡电路的均衡方法，其特征在于，基于初始状态：定义环形计数器的原始状态为001，使得P型MOS管Q1、Q2和Q3的栅极输入为高电平，则Q1、Q2和Q3处于关断状态，均衡电路不起任何作用；当要启动电池的均衡时，包括以下步骤：

步骤1，手工将中心断位开关与L端相连，然后再与H端相连，接触1s～５s后与OFF端相连，形成了一个上升沿脉冲，能够触发D触发器，使环形计数器的状态由001变为100，此时P型MOS管Q1、Q2和Q3导通，能够进行均衡；

步骤2，电压检测电路检测到的电池BT2和电池BT1的输出端电压VO2和输出端电压VO1输入到电压比较器M1；若VO2大于VO1，则输出高电平，此时N型MOS管Q4被打开，对BT2放电，反之则输出低电平，P型MOS管Q5被打开，对BT1放电；

步骤3，重复步骤2直至环形计数器的状态由100变为010，直至变为001，均衡电路停止工作。

一种多节串联锂电池均衡电路，其特征在于，

一被测电池包：由至少两节锂电池串联组成；

一电压检测电路：检测电池包中各节电池的两端的电压；

一电压比较电路：将电压检测电路检测到的各节电池的两端的电压进行比较；

一电压控制电路：通过比较结果控制均衡电路的通断；

一均衡电路：对被测电池包中的各节锂电池进行均衡；

其中，电压检测电路、电压比较电路、电压控制电路以及均衡电路依次连接；电压检测电路和均衡电路还分别与被测电池包连接。

在上述的一种多节串联锂电池均衡电路，所述电池包由至少两节锂电池串联组成，即电池BT1和电池BT2；电池BT1的负极与地相连，电池BT1的正极分别与电池BT2的负极和电压检测电路相连；电池BT2的负极与电池BT1的正极相连，电池BT2的正极与电压检测电路相连。

在上述的一种多节串联锂电池均衡电路，所述电压检测电路包括运算放大器A1~A5和电阻R1~R7构成，其中每个电阻的大小相等；上述电池BT1的正极分别与电池BT2的负极和电压检测电路中运算放大器A1的同相输入端相连；电池BT2的正极与电压检测电路中的运算放大器A2的同相输入端相连；运算放大器A1、A2的同相输入端分别与BT1和BT2的正极相连，反相输入端分别与自己的输出端相连，构成电压跟随器，运算放大器A1的输出端电压VO1即为BT1的电压；运算放大器 A3的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R1和R2一端相连，输出端与电阻R2的另一端相连，构成电压反相器；运算放大器A4的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R3、R4和R5的一端相连，输出端与电阻R5的另一端相连，构成电压求和电路；运算放大器A5的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R6和R7的一端相连，输出端与电阻R7的另一端相连，构成电压反相器；运算放大器A5的输出端电压VO2即为电池BT2的电压。

在上述的一种多节串联锂电池均衡电路，所述电压比较电路包括电压比较器M1，电压比较器M1的正端与运算放大器A5的输出端VO2相连，电压比较器M1的负端与运算放大器A1的输出端VO1相连，电压比较器的输出端与一个电容C1的一端相连，它对输入的两个电压值进行比较，若输出端VO2大于输出端VO1则输出高电平，反之则输出低电平；电容C1的一端与M1的输出端相连，另一端则与地相连，它对电压比较器M1输出的噪声信号进行过滤。

在上述的一种多节串联锂电池均衡电路，所述电压控制电路包括P型MOS管Q1、P型MOS管Q2以及P型MOS管Q3；

P型MOS管Q1的源极与比较器M1的输出端VO3相连，栅极与一个D触发器的D3的输出端相连，漏极与D触发器的脉冲输入端相连，它控制着整个控制电路的通断；3个D触发器D1、D2和D3依次首尾相连，构成一个3位环形计数器，其中初始设定状态为001，它控制均衡电路对电池均衡的次数；一个中心断位开关的刀与P型MOS管Q1的漏极相连，一个单刀三掷开关的三个掷H、OFF和L依次与电池BT1的正极、高阻态和地相连，不工作时开关与OFF相连，它是人工启动均衡的开关；

P型MOS管Q2的源极与电池BT2的正极相连，栅极与D触发器D3的输出端相连，漏极与均衡电路相连，它是控制BT2均衡电路的开关；

P型MOS管Q3的源极与电池BT1的正极相连，栅极与D触发器D3的输出端相连，漏极与均衡电路相连，它是控制BT1均衡电路的开关。

在上述的一种多节串联锂电池均衡电路，所述均衡电路包括N型MOS管Q4和P型MOS管Q5；上述P型MOS管Q2的漏极与N型MOS管Q4的漏极相连；上述P型MOS管Q3的漏极与P型MOS管Q5的源极相连；

所述N型MOS管Q4的漏极与P型MOS管Q2的漏极相连，栅极与比较器M1的输出端VO3相连，源极与一个电阻R8一端相连，它与电阻R8一起构成BT2的均衡电路；P型MOS管Q5源极与P型MOS管Q3的漏极相连，栅极与比较器M1的输出端VO3相连，漏极与一个电阻R9一端相连；它与R9一起构成BT1的均衡电路；所述电阻R8和电阻R9的另一端都与地相连。

因此，本发明具有如下优点：1.采用随机控制开关，灵活性好。2.不包含有价格昂贵的锂电池电源管理芯片，电路成本低。

 

附图说明

图1是本发明的总体电路结构图。

图2是本发明电池包和电压检测电路的电路结构图。

图3是本发明电压比较电路的电路结构图。

图4是本发明控制电路和均衡电路的电路结构图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

两节串联锂电池均衡电路如图1所示，其组成包括电池包、电压检测电路、电压比较电路、控制电路和均衡电路。其中：电池包与电压检测电路和均衡电路相连；电压检测电路与电池包和电压比较电路相连；电压比较电路与电压检测电路和控制电路相连；控制电路与电压比较电路和均衡电路相连；均衡电路与控制电路和电池包相连。电压检测电路检测电池包中各节电池的两端的电压，检测到的电压通过电压比较电路进行比较，控制电路则通过比较结果控制均衡电路的通断，最后均衡电路对电池进行均衡。

图2是电池包和电压检测电路连接示意图。电池包由两节锂电池BT1和BT2串联构成。电池BT1的负极与地相连，电池BT1的正极分别与电池BT2的负极和电压检测电路中运算放大器A1的同相输入端相连。电池BT2的负极与电池BT1的正极相连，电池BT2的正极与电压检测电路中的运算放大器A2的同相输入端相连。电压检测电路由运算放大器A1~A5和电阻R1~R7构成，其中每个电阻的大小相等。运算放大器A1、A2的同相输入端分别与BT1和BT2的正极相连，反相输入端分别与自己的输出端相连，由此构成电压跟随器，运算放大器A1的输出端电压VO1即为BT1的电压；运算放大器 A3的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R1和R2一端相连，输出端与电阻R2的另一端相连，构成一个电压反相器；运算放大器A4的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R3、R4和R5的一端相连，输出端与电阻R5的另一端相连，由此构成电压求和电路；运算放大器A5的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R6和R7的一端相连，输出端与电阻R7的另一端相连，由此构成一个电压反相器，运算放大器A5的输出端电压VO2即为BT2的电压。

图3是电压比较电路连接示意图。电压比较器M1的正端与运算放大器A5的输出端VO2相连，电压比较器M1的负端与运算放大器A1的输出端VO1相连，电压比较器的输出端与电容C1的一端相连，它对输入的两个电压值进行比较，若VO2大于VO1则输出高电平，反之则输出低电平。电容C1的一端与M1的输出端相连，另一端则与地相连，它对M1输出的噪声信号进行过滤。

图4是控制电路和均衡电路连接示意图。P型MOS管Q1的源极与比较器M1的输出端VO3相连，栅极与D触发器D3的输出端相连，漏极与D触发器的脉冲输入端相连，它控制着整个控制电路的通断；3个D触发器D1、D2和D3依次首尾相连，构成一个3位环形计数器，其中初始设定状态为001，它控制均衡电路对电池均衡的次数；中心断位开关的刀与Q1的漏极相连，3个掷H、OFF和L依次与BT1的正极、高阻态和地相连，不工作时开关与OFF相连，它是人工启动均衡的开关；P型MOS管Q2的源极与BT2的正极相连，栅极与D3的输出端相连，漏极与Q4的漏极相连，它是控制BT2均衡电路的开关；P型MOS管Q3的源极与BT1的正极相连，栅极与D3的输出端相连，漏极与Q5的源极相连，它是控制BT1均衡电路的开关；N型MOS管Q4的漏极与Q2的漏极相连，栅极与VO3相连，源极与电阻R8一端相连，它与R8一起构成BT2的均衡电路；P型MOS管Q5源极与Q3的漏极相连，栅极与VO3相连，漏极与电阻R9一端相连它与R9一起构成BT1的均衡电路；电阻R8和R9的另一端都与地相连。

下面具体说明电池均衡的原理：

 由于环形计数器的原始状态为001，使得P型MOS管Q1、Q2和Q3的栅极输入为高电平，所以Q1、Q2和Q3处于关断状态，均衡电路不起任何作用。

当要启动电池的均衡功能时，手工将中心断位开关与L端相连，然后再与H端相连，接触１s后与OFF端相连，这就形成了一个上升沿脉冲，可以触发D触发器，使环形计数器的状态由001变为100，此时Q1、Q2和Q3导通，可以进行均衡。此时电压检测电路检测到的BT2和BT1的电压VO2和VO1输入到比较器。若VO2大于VO1，则输出高电平，此时N型MOS管Q4被打开，对BT2放电，反之则输出低电平，P型MOS管Q5被打开，对BT1放电。如此反复，环形计数器的状态由100变为010，直至变为001，均衡电路停止工作。在此过程中，电路已经自动均衡4~5次，故最终BT1和BT2的电压相等，达到均衡的目的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种采用多节串联锂电池均衡电路的均衡方法，其特征在于，基于初始状态：定义环形计数器的原始状态为001，使得P型MOS管Q1、Q2和Q3的栅极输入为高电平，则Q1、Q2和Q3处于关断状态，均衡电路不起任何作用；当要启动电池的均衡时，包括以下步骤：

步骤1，手工将中心断位开关与L端相连，然后再与H端相连，接触1s～5s后与OFF端相连，形成了一个上升沿脉冲，能够触发D触发器，使环形计数器的状态由001变为100，此时P型MOS管Q1、Q2和Q3导通，能够进行均衡；

步骤2，电压检测电路检测到的电池BT2和电池BT1的输出端电压VO2和输出端电压VO1输入到电压比较器M1；若VO2大于VO1，则输出高电平，此时N型MOS管Q4被打开，对BT2放电，反之则输出低电平，P型MOS管Q5被打开，对BT1放电；

步骤3，重复步骤2直至环形计数器的状态由100变为010，直至变为001，均衡电路停止工作。

2.一种多节串联锂电池均衡电路，其特征在于，

一被测电池包：由至少两节锂电池串联组成；

一电压检测电路：检测电池包中各节电池的两端的电压；

一电压比较电路：将电压检测电路检测到的各节电池的两端的电压进行比较；

一电压控制电路：通过比较结果控制均衡电路的通断；

一均衡电路：对被测电池包中的各节锂电池进行均衡；

其中，电压检测电路、电压比较电路、电压控制电路以及均衡电路依次连接；电压检测电路和均衡电路还分别与被测电池包连接。

3.根据权利要求2所述的一种多节串联锂电池均衡电路，其特征在于，所述电池包由至少两节锂电池串联组成，即电池BT1和电池BT2；电池BT1的负极与地相连，电池BT1的正极分别与电池BT2的负极和电压检测电路相连；电池BT2的负极与电池BT1的正极相连，电池BT2的正极与电压检测电路相连。

4.根据权利要求3所述的一种多节串联锂电池均衡电路，其特征在于，所述电压检测电路包括运算放大器A1~A5和电阻R1~R7构成，其中每个电阻的大小相等；上述电池BT1的正极分别与电池BT2的负极和电压检测电路中运算放大器A1的同相输入端相连；电池BT2的正极与电压检测电路中的运算放大器A2的同相输入端相连；运算放大器A1、A2的同相输入端分别与BT1和BT2的正极相连，反相输入端分别与自己的输出端相连，构成电压跟随器，运算放大器A1的输出端电压VO1即为BT1的电压；运算放大器 A3的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R1和R2一端相连，输出端与电阻R2的另一端相连，构成电压反相器；运算放大器A4的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R3、R4和R5的一端相连，输出端与电阻R5的另一端相连，构成电压求和电路；运算放大器A5的正相输入端与地相连，反相输入端分别与电阻R6和R7的一端相连，输出端与电阻R7的另一端相连，构成电压反相器；运算放大器A5的输出端电压VO2即为电池BT2的电压。

5.根据权利要求4所述的一种多节串联锂电池均衡电路，其特征在于，所述电压比较电路包括电压比较器M1，电压比较器M1的正端与运算放大器A5的输出端VO2相连，电压比较器M1的负端与运算放大器A1的输出端VO1相连，电压比较器的输出端与一个电容C1的一端相连；电容C1的一端与M1的输出端相连，另一端则与地相连，它对电压比较器M1输出的噪声信号进行过滤。

6.根据权利要求5所述的一种多节串联锂电池均衡电路，其特征在于，所述电压控制电路包括P型MOS管Q1、P型MOS管Q2以及P型MOS管Q3；

P型MOS管Q1的源极与比较器M1的输出端VO3相连，栅极与一个D触发器的D3的输出端相连，漏极与D触发器的脉冲输入端相连；3个D触发器D1、D2和D3依次首尾相连，构成一个3位环形计数器；一个中心断位开关的刀与P型MOS管Q1的漏极相连，一个单刀三掷开关的三个掷H、OFF和L依次与电池BT1的正极、高阻态和地相连；

P型MOS管Q2的源极与电池BT2的正极相连，栅极与D触发器D3的输出端相连，漏极与均衡电路相连；

P型MOS管Q3的源极与电池BT1的正极相连，栅极与D触发器D3的输出端相连，漏极与均衡电路相连。

7. 根据权利要求6所述的一种多节串联锂电池均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括N型MOS管Q4和P型MOS管Q5；上述P型MOS管Q2的漏极与N型MOS管Q4的漏极相连；上述P型MOS管Q3的漏极与P型MOS管Q5的源极相连；

所述N型MOS管Q4的漏极与P型MOS管Q2的漏极相连，栅极与比较器M1的输出端VO3相连，源极与一个电阻R8一端相连；P型MOS管Q5源极与P型MOS管Q3的漏极相连，栅极与比较器M1的输出端VO3相连，漏极与一个电阻R9一端相连；所述电阻R8和电阻R9的另一端都与地相连。

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