CN104022537B - 一种电池均衡电路的执行电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池均衡电路的执行电路，用于串联电池间电能的搬移，包括吸收电池电能的自激振荡开关电路和向电池输出电能的输出电路，自激振荡开关电路包括电感、电流采样电路、控制开关和阈值电压比较电路，输出电路由二极管构成，本发明提供的电池均衡电路的执行电路构成的串联电池组均衡电路，不需要产生PWM控制信号，解决了现有技术中单电感的自激振荡开关电路中采样电路功耗高、电路振荡频率低的问题，有利于减小电路体积，降低电路成本，并且可采用数字门电路，简化了结构，增强了系统的稳定性，降低了整体电路功耗，并且有转换效率高，工作稳定，控制方便的优点，有利于普及使用。

Description

一种电池均衡电路的执行电路

技术领域

本发明涉及一种电池均衡技术领域。

背景技术

在现实中，串联电池组被广泛的使用，特别是动力电池组，串联的电池单体个数越来越多，容量越来越大。在电池组中串联的电池单体个数越多，电池单体的一致性就越显重要，而且在电池组的多次充放电使用中，电池单体的容量差异就会愈来愈明显，从而影响电池组的使用性能和使用寿命。因此有必要用电池组的均衡电路对电池单体进行均衡，减小电池单体间的差异。

在目前电池的均衡电路中，使用储能电感的无损电能搬移是效率最高的均衡方式，电感储存电能和释放电能由电路中的开关器件控制完成，而开关器件导通和关断大都依靠外部电路产生的PWM信号驱动，最基本的PWM信号由振荡电路产生的锯齿波信号通过比较电路和取样电路比较后产生，原则上每个电池单体至少有一个开关器件，而每个开关器件必须有自己单独的PWM信号，由N个电池单体组成的电池组至少有N个锯齿波信号电路和取样比较电路，而锯齿波信号电路和取样电路在叠加串联电源的状态下，在电压的波动中(在均衡电流的作用下，叠加串联的电路必有电压波动干扰)很难稳定工作，并输出稳定可靠的PWM信号。有的均衡电路采用了单片机，用单片机产生PWM信号，但单片机无论用什么方式来产生PWM信号，都必需对单体电池进行高精度的测量采样处理。高精度的测量采样意味着采样电路和调理电路复杂，造成系统成本升高，而且由于单片机外接端口数量的限制，对电池组中电池单体串联的个数有一定的要求，对于串联电池单体个数高的电池组只能采用多个单片机组合使用，这些客观的原因造成了目前的无损主动均衡电路相对成本较高，难以在大众领域推广普及使用，而采用自激振荡工作方式的均衡电路，已知的有对电感电流进行采样，转而控制开关器件的导通和关断，来达到电能搬移的目的，在对电流进行采样的电流采样电路中，无损电流采样器件要不结构复杂，要不价格昂贵，只在对特别大的电流进行采样时使用。一般情况下通常采用采样电阻进行采样，但在使用电感的均衡电路中，电感电流是均衡电路的总电流，在较大的均衡电流下，电流采样电路的损耗和发热就会影响整体电路的性能，同时，由于采样于电感电流，电路的振荡频率受电感充放电电流变化速率的限制，只能工作在相对较低的频率下，这对采用小体积电感造成困难，也就是很难让整体均衡电路进一步小型化，在空间狭小环境中使用受到限制。

发明内容

本发明提供一种电池均衡电路的执行电路，通过自激振荡工作方式实现电池电能搬移，对相邻的串联电池进行电能搬移，解决了现有技术中单电感的自激振荡开关电路振荡频率相对较低，采样电阻功耗相对过大的问题。

本发明的具体技术方案是：一种电池均衡电路的执行电路，对相邻的串联电池进行电能搬移，所述串联电池包括电能输出电池和电能接收电池，电能输出电池的正极和电能接收电池的负极连接或者电能输出电池的负极和电能接收电池的正极连接，所述电池均衡电路的执行电路，其特征在于，包括：

一自激振荡开关电路，和所述电能输出电池连接，吸收电池电能；

一输出电路，和所述电能接收电池连接，向电池输出电能；

所述自激振荡开关电路包括控制开关电路、电感和阈值电压比较电路，所述控制开关电路的第一端和所述电感的第二端连接，所述控制开关电路包括串联连接的控制开关和电流采样电路，所述电流采样电路的输出端和所述阈值电压比较电路的输入端连接，所述阈值电压比较电路的输出端直接或通过一控制开关驱动电路和所述控制开关的控制端连接，其中，所述控制开关电路的第二端和所述电感的第一端作为与电能输出电池连接的输入端；

所述输出电路的一端和所述电感的第二端连接，另一端作为和电能接收电池连接的输出端，所述输出电路由续流二极管或电容构成；所述控制开关是半导体器件。

所述阈值电压比较电路由电压比较器构成，所述电压比较器的另一输入端和一参考电压Vref连接。

所述阈值电压比较电路由门电路构成，所述门电路除了输出端和与所述电流采样电路连接的输入端外，其余的各端与相应的电平连接或在电路工作时与相应的电平连接，使得该门电路具有阈值电压。

所述门电路是或门电路或或非门电路，所述或门电路或或非门电路的所有输入端相连接，或除了与所述电流采样电路连接的输入端外，其余的各输入端与低电平连接或在电路工作时与低电平连接。

所述门电路是与门电路或与非门电路，所述与门电路或与非门电路的所有输入端相连接，或除了与所述电流采样电路连接的输入端外，其余的各输入端与高电平连接或在电路工作时与高电平连接。

所述阈值电压比较电路可以是反相器。

所述控制开关是MOS管或者IGPT管。

本技术方案提供的自激振荡开关电路，是对流经控制开关的电流进行采样，由于控制开关在关断时，没有电流流经电流采样电路，电感中的放电电流变化不能控制电流采样电路，电流采样电路的输出电压变化很快，可以让自激振荡开关电路工作在很高的频率上，和采用电感电流采样的自激振荡开关电路比较，在同等的工作条件下，工作频率可以达到后者的2倍，可以大大减小电感的体积，或在同等体积电感下增大1倍的工作电流；再者，流经控制开关的电流只是总电流的一部分，如果电路是在两个电压相等的电池间工作，流经电流采样电路的电流也只是后者的1/2，大大降低了采样电阻的功耗，也有利于减小采样电阻的体积。

本技术方案提供的电池均衡电路执行电路，工作稳定，控制简单，不需要产生PWM控制信号，在阈值电压比较电路的输入端加入控制电平，就可以控制执行电路的工作状态，再加入电压比较器产生比较信号，就可以组成串联电池自动均衡电路。还可以采用数字门电路，大大简化了均衡系统结构，增强了系统的稳定性，并进一步降低整体电路的功耗，有利于减小电路体积，降低电路成本，有利于普及使用。

附图说明

图1是根据本发明的实施例之一的电路；

图2是根据本发明的实施例之二的电路；

图3是根据本发明的实施例之三的电路；

图4是根据本发明的实施例之四的电路。

具体实施方式

如图1所示，是本实发明一种用于串联电池之间电能搬移的电池均衡电路执行电路，是电能输出电池B1向上位的电能接收电池B2搬移电能，在电路中，电阻R3、R4、R5和NPN三极管Q2构成了电流采样电路，其中R5是采样电阻，控制开关由NMOS管G1构成，和电流采样电路串联构成了控制开关电路，控制开关电路中控制开关一端和电感L1连接，电流采样电路一端和L1的另一端作为和B1连接的输入端，阈值电压比较电路由电压比较器N1构成，电阻R1和R2的分压电压V2是N1的参考电压，也是N1的阈值电压。电流采样电路、G1、L1、N1和MOS管驱动电路构成了自激振荡开关电路，并和B1连接，续流二极管D1作为输出电路连接在自激振荡开关电路和B2之间，在电路的初始状态，电流采样电路的输出电压V1高于V2，N1输出高电平，电平信号经过驱动电路电流放大后加给G1，G1导通，B1向L1充电，R5上的电压升高，当R5的电压升高至Q2的导通电压时，Q2导通，V1开始下降，当V1低于V2时，N1输出低电平，G1关断，L1的放电电流经过D1流入B2，此时R5没有电流经过，Q2由导通过程进入截止过程，V1快速上升，当V1高于V2时，N1输出高电平，G1再次导通，L1由放电过程进入新一轮充电过程，电路如此循环，形成振荡，在自激振荡开关电路的工作过程中，B1的电能向B2搬移。

如图2所示，是本发明电能输出电池B1向下位的电能接收电池B2搬移电能的执行电路，在自激振荡开关电路中，电阻R5、R4、R3和PNP三极管Q1组成电流采样电路，并和PMOS管G2构成了控制开关电路，V1是电流采样电路的输出电压，阈值电压比较电路由或门门电路U1构成，或门门电路U1的阈值电压是阈值电压比较电路的阈值电压。在自激振荡开关电路的初始状态，R5没有电流经过，Q1截止，V1为低电平，U1输出低电平，电平信号经驱动电路后加给G2，G2导通，B1向L1充电，R5上的压降加大，当R5的压降大于Q1的导通电压时，V1上升，当V1大于U1的阈值电压时，U1输出高电平，G2关断，L1经过D1向B2放电，此时R5没有电流经过，Q1由导通过程进入截止过程，V1快速下降，U1输出低电平，G2再次导通，L1由放电过程进入新一轮充电过程，电路如此循环，形成振荡，在自激振荡开关电路的工作过程中，B1的电能向B2搬移，在电路中，由于U1的特性，U1的两个输入端可以连接一起和电流采样电路连接，当U1采用或非门门电路时，U1输出的极性反相，这时可选择反相的驱动电路。

在图1和图2中，为了让本领域的技术人员更好的理解电路的工作过程，图中给出了两个电流采样电路的详细结构，在现有的技术中，电流采样电路有多种类型和结构方式，技术人员从中了解到，在实际的应用中，可以根据电路的整体情况和电流采样电路在电路中的不同位置采用合适的电流采样电路。

在图3中，本发明的电池均衡电路执行电路中的输出电路采用的是电容C1，在自激振荡电路中，阈电压比较电路采用的是与非门门电路U2，自激振荡开关电路与电能输出电池B1的连接方式和图2一样，不同的是B1是向处于上位的电能接收电池B2转移电能，电流采样电路串联在控制开关G2和电感L1之间，在这个位置可以采用隔离式的V1和取样电流成反比的电流采样电路对电流进行采样。本图自激振荡开关电路的工作原理可以参照图2，当G2导通时，B1向L1充电，此时C1的电压和B2相等，当G2关断时，L1的电流流经C1放电，C1上的电压升高，当G2再次导通时，由于C1的电压比B2高，在B1向L1充电的同时C1向B2充电，将电能搬移给B2。

在图4中，本发明电池均衡电路执行电路的输出电路采用的也是电容C1，和图3不同的是，在图4中是电能输出电池B1向下位的电能接收电池B2搬移能量，电流采样电路是串联在控制开关G1和电感L1之间，阈值电压比较电路采用的是反相器U3，选用V1和采样电流成正比的电流采样电路，自激振荡开关电路的工作原理和工作过程参见图1。和图3一样，在图4中，C1在控制开关G1导通时向能量接收电池放电，在G1截止时被L1充电。

在阈值电压比较器的输入端外接加入高电平或者低电平的控制电压，迫使控制开关处于关断状态，就可以使电池均衡电路执行电路停止工作。

在采用电压比较器的阈值电压比较电路中，电压比较器的输入端和电流采样电路连接的极性可以根据整体电路的需要来改变，而且在电路静态设定时对参考电压和电流采样电路的输出电压没有特殊的要求，只要有相对的电压差电路就能正常工作，当然这个电压差相对要远离比较器的输入失调电压。

在采用门电路的阈值电压比较电路中，使用多个门电路串联，可以改善输出波形，增强带负载能力，如果其中连接有反相器，还可以改变阈值电压比较器的输出极性。

并且在电池均衡电路的执行电路中，至少有一个以上的电源供阈值电压比较电路选择。

补充说明的是，电能输出电池或电能接收电池，可以是单个电池单体，也可以是由多个电池单体组成的电池单元，组成二者的电池单体个数也不一定要相同，也就是说可以在整个串联电池组中的任意组合。当相邻的两个串联电池都连接有相互搬移电能的执行电路时，可以共用一个电感，因为均衡系统指令不可能让两个电池同时向对方搬移电能，而且控制开关在采用MOS管时，MOS管自身寄生的二极管可以代替续流二极管。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电池均衡电路的执行电路，对相邻的串联电池进行电能搬移，所述串联电池包括电能输出电池和电能接收电池，电能输出电池的正极和电能接收电池的负极连接或者电能输出电池的负极和电能接收电池的正极连接，所述电池均衡电路的执行电路，其特征在于，包括：

一自激振荡开关电路，和所述电能输出电池连接，吸收电池电能；

一输出电路，和所述电能接收电池连接，向电池输出电能；

所述自激振荡开关电路包括控制开关电路、电感和阈值电压比较电路，所述控制开关电路的第一端和所述电感的第二端连接，所述控制开关电路包括串联连接的控制开关和电流采样电路，所述电流采样电路的输出端和所述阈值电压比较电路的输入端连接，所述阈值电压比较电路的输出端直接或通过一控制开关驱动电路和所述控制开关的控制端连接，其中，所述控制开关电路的第二端和所述电感的第一端作为与电能输出电池连接的输入端；

所述输出电路的一端和所述电感的第二端连接，另一端作为和电能接收电池连接的输出端，所述输出电路由续流二极管或电容构成，所述续流二极管对所述电感续流；

其中，所述控制开关是半导体器件。

2.根据权利要求1所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述阈值电压比较电路由电压比较器构成，所述电压比较器的一输入端和所述电流采样电路的输出端连接，另一输入端和一参考电压Vref连接。

3.根据权利要求1所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述阈值电压比较电路由门电路构成，所述电流采样电路的输出端和所述门电路全部或者部分的输入端连接，所述门电路除了输出端和与所述电流采样电路输出端连接的输入端外，其余的各端与相应的电平连接，使得该门电路具有阈值电压。

4.根据权利要求3所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述门电路是或门电路或或非门电路。

5.根据权利要求3所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述门电路是与门电路或与非门电路。

6.根据权利要求3所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述门电路是反相器。

7.根据权利要求1所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述阈值电压比较电路包括两个以上串联连接的门电路，所述门电路具有阈值电压。

8.根据权利要求7所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述两个以上串联连接的门电路包括两个串联连接的反相器。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述控制开关是MOS管或IGBT管。

10.根据权利要求9所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述电能输出电池的正极和所述电能接收电池的负极连接，所述控制开关是MOS管，所述MOS管是NMOS管，所述电流采样电路包括采样电阻和NPN三极管，所述采样电阻一端和所述NPN三极管的发射极连接并作为与电能输出电池负极连接的输入端，另一端和所述NMOS管的源极连接并直接或通过一电阻和所述NPN三极管的基极连接，所述NPN三极管的集电极和一上拉电阻连接并作为电流采样电路的输出端，所述电感的第二端和所述NMOS管的漏极连接，第一端作为与电能输出电池正极连接的输入端。

11.根据权利要求9所述的电池均衡电路的执行电路，其特征在于：所述电能输出电池的负极和所述电能接收电池的正极连接，所述控制开关是MOS管，所述MOS管是PMOS管，所述电流采样电路包括采样电阻和PNP三极管，所述采样电阻一端和所述PNP三极管的发射极连接并作为与电能输出电池正极连接的输入端，另一端和所述PMOS管的源极连接并直接或通过一电阻和所述PNP三极管的基极连接，所述PNP三极管的集电极和一下拉电阻连接并作为电流采样电路的输出端，所述电感的第二端和所述PMOS管的漏极连接，第一端作为与电能输出电池负极连接的输入端。