CN103532204A - 一种基于开关电容的动力锂离子电池组电量均衡芯片电路 - Google Patents

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徐鹏
杨文荣
陈欣
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Abstract

本发明涉及一种基于开关电容的动力锂离子串联电池组的电量均衡芯片,可用于多节锂离子电池串联的情况。电池B0、电池B1、电池B2接采样器101、采样器102、采样器103以获得其电压值。电压比较模块104通过比较4节电池电压,获得电压最低电池信息。控制模块105通过输出引脚,控制相应的开关,使电容C工作在被DC/DC模块107充电与向电池放电的状态之间。本发明能起到减小电池组单体电池之间的电压差,改善电池之间的不均衡,提高电池使用寿命。

Description

—种基于开关电容的动力锂离子电池组电量均衡芯片电路
技术领域
[0001] 本发明涉及一种多节动力锂离子电池串联使用情况下的均衡芯片,属于电池均衡技术领域。
背景技术
[0002] 锂离子电池由于单体电压较低、在实际应用中必须多节串联使用,这一局限性对动力电池组管理系统的设计带来了困难,尤其是要对每个单体电池都要进行过充、过放电保护、均衡管理和电池状态监控,电路结构相当庞大和复杂。虽然随着技术工艺的提高,单体电池之间的差异逐渐减小,但是,在当前制作工艺水平下,仍难保证每节电池特性完全一致。尤其是在工况运行条件下,频繁地进行不规则的充电、放电,成组电池工作一段时间后电池之间的差异会恶化,从而,使得电池组的使用效率降低,寿命减小。
[0003] 锂离子电池的剩余电量的变化会引起其端电压差的显著变化,现代电池管理系统对锂离子电池过充、过放电的检测都是基于对电池端电压检测基础上,通过设定过充、过放电电压来对电池组进行管理的。电量不均衡的电池组,各个电池的端电压有明显的差异,当某节电池达到过充、过放电时,整个电池组均停止工作,而其它电池尚达到过充、过放电电压,造成电量的浪费和充电的不足。多次充放电后,这种差异会慢慢增大,造成电池组使用效率的降低,使用时间缩短。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是在锂离子串联电池组中,提供一种电量均衡芯片来转移电池电量,改善锂离子电池之间电量的不均衡,提高电池组的使用寿命。
[0005] 为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是提供了一种基于开关电容的动力锂离子电池组电量均衡芯片电路,该动力锂离子电池组包括N颗串联的动力锂离子电池,每颗动力锂离子电池的正极与负极分别连接一个放电压控开关后与均与同一电容C串联形成回路,电容C的一端串接负极充电压控开关后连接相对地,电容C的另一端串接正极充电压控开关,其特征在于,包括N-1个采样器、DC / DC模块、振荡器及控制模块,由动力锂离子电池组为DC / DC模块及振荡器提供电源,DC / DC模块的输出端串接正极充电压控开关,振荡器为控制模块提供高频时钟信号,控制模块通过分频产生一个占空比很大的内部时钟,并交替定义充电周期和放电周期,第j个采样器的一个输入端连接第j个动力锂离子电池的正极,另一个输入端连接第j+Ι个动力锂离子电池的正极,第j个采样器将两个输入端上的电压值线性相减得到第j个动力锂离子电池的电压形成输出,I ( j ( N-1,所有采样器的输出均连接电压比较模块,第N-1个采样器与第N个动力锂离子电池正极相连的输入端同时还直连电压比较模块,通过第N-1个采样器的该输入端将第N个动力锂离子电池的电压输入给电压比较模块,由电压比较模块通过两两对比的方式从输入的N路电压中选出最小值并将与该最小电压相对应的动力锂离子电池的号码的二进制数输出给控制模块,在充电周期,控制模块控制负极充电压控开关及正极充电压控开关,由DC / DC模块为电容C充电,在放电周期,控制模块根据从电压比较模块得到的二进制数控制与该二进制数相对应编号的动力锂离子电池的放电压控开关闭合,由电容C为相应的动力锂离子电池充电。
[0006] 优选地,所述采样器为3个,记为第一采样器、第二采样器及第三采样器,则所述电压比较模块包括第一比较器及第二比较器,第一比较器分别接收来自第一采样器及第二米样器的输出,若第一米样器的输出大于第二米样器,则第一比较器输出为高电平,否则输出为低电平,第一米样器及第二米样器的输出同时还输入第一模拟选择器,第一模拟选择器的控制端接收来自第一比较器的输出,若第一比较器的输出为高电平,贝1J第一模拟选择器选择将第二采样器的输出以原电压值输出给第三比较器,否则第一模拟选择器选择将第一米样器的输出以原电压值输出给第三比较器;
[0007] 第二比较器分别接收来自第三采样器的输出及由第三采样器与第4颗动力锂离子电池正极相连的输入端获得的动力锂离子电池电压信号,若第三米样器的输出大于动力锂离子电池电压信号,则第二比较器输出为高电平,否则输出为低电平,第三采样器的输出及动力锂离子电池电压信号同时还输入第二模拟选择器,第二模拟选择器的控制端接收来自第二比较器的输出,若第二比较器的输出为高电平,则第二模拟选择器选择将动力锂离子电池电压信号以原电压值输出给第三比较器,否则第二模拟选择器选择将第三采样器的输出以原电压值输出给第三比较器;
[0008] 第三比较器分别接收来自第一模拟选择器及第二模拟选择器的输出,若第一模拟选择器的输出大于第二模拟选择器的输出,则第三比较器输出高电平,否则第三比较器输出低电平,第一比较器及第二比较器的输出同时还输入第三模拟选择器,第三模拟选择器的控制端接收来自第三比较器的输出,若第三比较器的输出为高电平,则第三模拟选择器选择将第二比较器的输出以原电压值输出,否则第三模拟选择器选择将第一比较器的输出以原电压值输出;
[0009] 第三比较器的输出端及第三模拟选择器的输出端均连接所述控制模块。
[0010] 本发明将电池组整体的电量通过电容转移至电压较低的电池中,以实现减小电池组单体电池之间的电压差,改善电池之间的不均衡,提高电池使用寿命。
附图说明
[0011] 图1是本发明提供的一种基于开关电容的动力锂离子电池组电量均衡芯片电路的电路结构图;
[0012] 图2是电压比较模块结构图。
具体实施方式
[0013] 为使本发明更明显易懂,兹以优选实施例,并配合附图作详细说明如下。
[0014] 结合图1,本发明应用在以下环境中,应当注意的是:以下部分所论及的元器件并不属于本发明所提供的芯片电路的一部分:
[0015] 动力锂离子电池组包括N颗串联的动力锂离子电池,每颗动力锂离子电池的正极与负极分别连接一个放电压控开关后与均与同一电容C串联形成回路,电容C的一端串接负极充电压控开关G后连接相对地,电容C的另一端串接正极充电压控开关D。如图1所示,在本实施例中,动力锂离子电池组由4颗串联的动力锂离子电池组成,每颗动力锂离子电池的正极与负极分别连接一个放电压控开关,分别为放电压控开关S0、放电压控开关S1、放电压控开关S2及放电压控开关S3,其中,第N颗电池动力锂离子电池负极上串联的放电压控开关与负极充电压控开关G共用,从而可以简化电路并降低成本。
[0016] 本发明提供的一种基于开关电容的动力锂离子电池组电量均衡芯片电路,则包括N-1个采样器(在本实施例中,N=4)、DC / DC模块107、振荡器106及控制模块105,由动力锂离子电池组为DC / DC模块107及振荡器106提供电源,DC / DC模块107的输出端串接正极充电压控开关D,振荡器106为控制模块105提供高频时钟信号,控制模块105通过分频产生一个占空比很大的内部时钟,并交替定义充电周期和放电周期,第j个采样器的一个输入端连接第j个动力锂离子电池的正极,另一个输入端连接第j+Ι个动力锂离子电池的正极,第j个采样器将两个输入端上的电压值线性相减得到第j个动力锂离子电池的电压形成输出,I < j < N-1,所有米样器的输出均连接电压比较模块104,第N-1个米样器与第N个动力锂离子电池正极相连的输入端同时还直连电压比较模块104,通过第N-1个采样器的该输入端将第N个动力锂离子电池的电压输入给电压比较模块104,由电压比较模块104通过两两对比的方式从输入的N路电压中选出最小值并将与该最小电压相对应的动力锂离子电池的号码的二进制数输出给控制模块105,在充电周期,控制模块105控制负极充电压控开关G及正极充电压控开关D,由DC / DC模块107为电容C充电,在放电周期,控制模块105根据从电压比较模块104得到的二进制数控制与该二进制数相对应编号的动力锂离子电池的放电压控开关闭合,由电容C为相应的动力锂离子电池充电。
[0017] 本领域技术人员可以结合集成电路设计的知识采用多种集成电路来实现电压比较模块104,在本实施例中,以图2所示电路为例来说明电压比较模块104的一个较佳的实施方式。此时,采样器为3个,记为第一采样器101、第二采样器102及第三采样器103,则电压比较模块104包括第一比较器201及第二比较器202。
[0018] 第一比较器201分别接收来自第一米样器101及第二米样器102的输出,若第一米样器101的输出大于第二米样器102,即电压值B0>电压值BI,贝U第一比较器201输出为高电平,否则输出为低电平。第一采样器101及第二采样器102的输出同时还输入用CMOS传输门设计的第一模拟选择器203。第一模拟选择器203的控制端(即图中的S端)接收来自第一比较器201的输出,若第一比较器201的输出为高电平,贝U第一模拟选择器203选择将第二米样器102的输出以原电压值输出给第三比较器205,即输出电压值BI,否则第一模拟选择器203选择将第一米样器101的输出以原电压值输出给第三比较器205,即输出电压值B0,所以第一模拟选择器203的输出电压为电压值BO和电压值BI中电压较小的电池电压。
[0019] 同理,第二比较器202分别接收来自第三采样器103的输出及由第三采样器103与第4颗动力锂离子电池正极相连的输入端获得的动力锂离子电池电压信号,若第三采样器103的输出大于动力锂离子电池电压信号,即电压值B2>电压值B3,则第二比较器202输出为高电平,否则输出为低电平。第三采样器103的输出及动力锂离子电池电压信号同时还输入第二模拟选择器204,第二模拟选择器204的控制端接收来自第二比较器202的输出,若第二比较器202的输出为高电平,则第二模拟选择器204选择将动力锂离子电池电压信号以原电压值输出给第三比较器205,即输出电压值B3,否则第二模拟选择器204选择将第三米样器103的输出以原电压值输出给第三比较器205,即输出电压值B2,所以第二模拟选择器204的输出电压为电压值B2和电压值B3中电压较小的电池电压。
[0020] 第三比较器205分别接收来自第一模拟选择器203及第二模拟选择器204的输出,若第一模拟选择器203的输出大于第二模拟选择器204的输出,贝U第三比较器205输出高电平,否则第三比较器205输出低电平,以端口 Out1输出。第一比较器201及第二比较器202的输出同时还输入第三模拟选择器206,第三模拟选择器206的控制端接收来自第三比较器205的输出,若第三比较器205的输出为高电平,贝U第三模拟选择器206选择将第二比较器202的输出以原电压值输出,否则第三模拟选择器206选择将第一比较器201的输出以原电压值输出,以端口 Outci输出。端口 Out1及端口 Outci均连接所述控制模块105。
[0021] 第三模拟选择器206为普通的逻辑门数字选择器,其作用是根据第三比较器205的结果,选通第一比较器201或第二比较器202的输出电平,以端口 Out。输出。因此,电压最低电池的号码就以2位二进制从端口 Out1及端口 Outci输出。
[0022] 回看图1,控制模块105的作用,是通过其输出引脚,控制对应的负极充电压控开关G、正极充电压控开关D、放电压控开关S0、放电压控开关S1、放电压控开关S2、放电压控开关S3,实现电容C状态的改变。其输入端接收来自振荡器106的高频时钟信号,通过分频产生一个占空比很大的内部时钟,并交替定义充电和放电周期。在充电周期的上升沿来到时,控制模块105闭合负极充电压控开关G即正极充电压控开关D,此时电容C通过DC / DC模块107充电。在放电周期的上升沿来到,根据电压比较模块104的输出信号,闭合相应号码电池两端的压控开关,使电容C与该电池并联,实现电容C对电池的放电。特别地,当电压最低电池是电压值B3时,放电周期的上升沿来到,控制模块105将同时打开放电压控开关S3和负极充电压控开关G。不论是充电周期还是放电周期,当内部时钟的下降沿来到时,控制模块105总是将所有的开关断开,这么做的原因是为了避免延迟引起的不必要的竞争冒险。DC / DC模块107的电源由动力锂离子电池组提供,输出电压为单节电池的充电电压。这种均衡方法的实质,是将串联电池组整体的电量通过电容,转移到电池组中电量最低的电池中去,实现了能量转移型的电量均衡,在不造成过多能量损耗的情况下,减小了电池组中电池电量的不均衡。

Claims (2)

1.一种基于开关电容的动力锂离子电池组电量均衡芯片电路,该动力锂离子电池组包括N颗串联的动力锂离子电池,每颗动力锂离子电池的正极与负极分别连接一个放电压控开关后与均与同一电容C串联形成回路,电容C的一端串接负极充电压控开关(G)后连接相对地,电容C的另一端串接正极充电压控开关(D),其特征在于,包括N-1个采样器、DC /DC模块(107)、振荡器(106)及控制模块(105),由动力锂离子电池组为DC/DC模块(107)及振荡器(106)提供电源,DC/DC模块(107)的输出端串接正极充电压控开关(D),振荡器(106)为控制模块(105)提供高频时钟信号,控制模块(105)通过分频产生一个占空比很大的内部时钟,并交替定义充电周期和放电周期,第j个采样器的一个输入端连接第j个动力锂离子电池的正极,另一个输入端连接第j+Ι个动力锂离子电池的正极,第j个采样器将两个输入端上的电压值线性相减得到第j个动力锂离子电池的电压形成输出,I ( j ( N-1,所有采样器的输出均连接电压比较模块(104),第N-1个采样器与第N个动力锂离子电池正极相连的输入端同时还直连电压比较模块(104),通过第N-1个采样器的该输入端将第N个动力锂离子电池的电压输入给电压比较模块(104),由电压比较模块(104)通过两两对比的方式从输入的N路电压中选出最小值并将与该最小电压相对应的动力锂离子电池的号码的二进制数输出给控制模块(105),在充电周期,控制模块(105)控制负极充电压控开关(G)及正极充电压控开关(D),由DC/DC模块(107)为电容C充电,在放电周期,控制模块(105)根据从电压比较模块(104)得到的二进制数控制与该二进制数相对应编号的动力锂离子电池的放电压控开关闭合,由电容C为相应的动力锂离子电池充电。
2.如权利要求1所述的一种基于开关电容的动力锂离子电池组电量均衡芯片电路,其特征在于:所述采样器为3个,记为第一采样器(101)、第二采样器(102)及第三采样器(103),则所述电压比较模块(104)包括第一比较器(201)及第二比较器(202),第一比较器(201)分别接收来自第一采样器(101)及第二采样器(102)的输出,若第一采样器(101)的输出大于第二米样器(102),则第一比较器(201)输出为高电平,否则输出为低电平,第一米样器(101)及第二米样器(102)的输出同时还输入第一模拟选择器(203),第一模拟选择器(203)的控制端接收来自第`一比较器(201)的输出,若第一比较器(201)的输出为高电平,贝1J第一模拟选择器(203)选择将第二米样器(102)的输出以原电压值输出给第三比较器(205),否则第一模拟选择器(203)选择将第一米样器(101)的输出以原电压值输出给第三比较器(205);第二比较器(202)分别接收来自第三采样器(103)的输出及由第三采样器(103)与第4颗动力锂离子电池正极相连的输入端获得的动力锂离子电池电压信号,若第三采样器(103)的输出大于动力锂离子电池电压信号,则第二比较器(202)输出为高电平,否则输出为低电平,第三采样器(103)的输出及动力锂离子电池电压信号同时还输入第二模拟选择器(204),第二模拟选择器(204)的控制端接收来自第二比较器(202)的输出,若第二比较器(202)的输出为高电平,则第二模拟选择器(204)选择将动力锂离子电池电压信号以原电压值输出给第三比较器(205),否则第二模拟选择器(204)选择将第三采样器(103)的输出以原电压值输出给第三比较器(205);第三比较器(205)分别接收来自第一模拟选择器(203)及第二模拟选择器(204)的输出,若第一模拟选择器(203)的输出大于第二模拟选择器(204)的输出,则第三比较器(205)输出高电平,否则第三比较器(205)输出低电平,第一比较器(201)及第二比较器(202)的输出同时还输入第三模拟选择器(206),第三模拟选择器(206)的控制端接收来自第三比较器(205)的输出,若第三比较器(205)的输出为高电平,则第三模拟选择器(206)选择将第二比较器(202)的输出以原电压值输出^否则第三模拟选择器(206)选择将第一比较器(201)的输出以原电压值输出;第三比较器(205)的输出端及第三模拟选择器(206)的输出端均连接所述控制模块(105 )。
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