CN108072842B - 被动均衡失效检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种被动均衡失效检测电路，包括均衡电路模块和采集驱动模块，均衡电路模块包括多个均衡电路单元，各均衡电路单元的一端均连接采集驱动模块，且另一端分别连接由多个储能元件串联组成的储能模块中对应的储能元件，均衡电路单元用于采集对应储能元件的输出电压并发送至采集驱动模块；采集驱动模块用于控制均衡电路单元的通断状态，并且根据均衡电路单元发送的输出电压和均衡电路单元的通断状态来判断电路是否出现失效。通过上述被动均衡失效检测电路能够在对储能元件进行均衡的同时检测均衡电路是否失效，从而避免出现均衡电路失效影响储能元件一致性的问题。

Description

被动均衡失效检测电路

技术领域

本发明涉及储能元件管理系统技术领域，特别是涉及一种被动均衡失效检测电路。

背景技术

随着科技的飞速发展，高能量密度、无污染的锂电池应用越来越广泛。然而，由于功率需求量非常大，单个锂电池无法满足人们的需求，因此，出现了由多个单体电芯串联组成的多串锂电池包。由于制造工艺等的限制，在同一锂电池包中的个单体电芯在实际充放电的过程中会产生容量不平衡差异，出现单体电芯过充或者过放的现象，进而损坏锂电池，降低了锂电池的使用寿命。

传统的均衡电路是通过在单体电芯的正负极两端并连一个由大功率电阻和场效应管串联组成的均衡电路，闭合相应均衡回路中的场效应管时，能够通过相应的大功率电阻对所并联的单体电芯进行放电，从而实现均衡效果。然而，如果均衡电路中出现开路或短路失效的情况，将达不到均衡的效果或者对应的单体电芯将会处于持续放电状态。不仅达不到提高电池一致性的目的，反而会对电池造成更大的损坏，带来极大的安全隐患。

发明内容

基于此，有必要针对均衡电路失效会影响电池一致性的问题，提供一种被动均衡失效检测电路。

一种被动均衡失效检测电路，包括均衡电路模块和采集驱动模块，均衡电路模块包括多个均衡电路单元，各均衡电路单元的一端均连接采集驱动模块，且另一端分别连接由多个储能元件串联组成的储能模块中对应的储能元件，均衡电路单元用于采集对应储能元件的输出电压并发送至采集驱动模块；采集驱动模块用于控制均衡电路单元的通断状态，并且根据均衡电路单元发送的输出电压和均衡电路单元的通断状态来判断电路是否出现失效。

在一个实施例中，各所述均衡电路单元通过采样线束与对应储能元件连接，所述采集驱动模块根据各所述均衡电路单元均处于关断状态时采集得到的对应储能元件的输出电压，判断用于连接各所述均衡电路单元和所述对应储能元件的采样线束是否出现失效。

在一个实施例中，所述采样线束均正常工作时，所述采集驱动模块控制各所述均衡电路单元处于不同的通断状态，并且根据各所述均衡电路单元所采集的对应储能元件的输出电压，判断各所述均衡电路单元是否出现失效。

在一个实施例中，所述均衡电路单元包括匹配电阻、均衡电阻和均衡开关管，所述匹配电阻与所述均衡电阻串联，所述匹配电阻与所述均衡电阻的公共端连接所述采集驱动模块，所述匹配电阻另一端连接对应储能元件，所述均衡电阻另一端连接所述均衡开关管的第一端，所述均衡开关管第二端连接相邻均衡电路单元的匹配电阻和均衡电阻的公共端，所述均衡开关管的控制端连接所述采集驱动模块。

在一个实施例中，所述均衡电阻阻值为所述匹配电阻阻值的3-10倍。

在一个实施例中，所述均衡开关管为场效应管。

在一个实施例中，所述采集驱动模块包括滤波单元、驱动辅助单元以及电压采集和均衡驱动电路单元，所述滤波单元的数量与所述均衡电路单元的数量相同，各所述滤波单元均连接所述电压采集和均衡驱动电路单元，且分别连接对应的均衡电路单元；所述驱动辅助单元的数量与所述均衡电路单元的数量相同，各所述驱动辅助单元均连接所述电压采集和均衡驱动电路单元，且分别连接对应的均衡电路单元。

在一个实施例中，所述滤波单元包括采样限流电阻和采样滤波电容，所述采样限流电阻和所述采样滤波电容串联且公共端连接所述电压采集和均衡驱动电路单元，所述采样限流电阻另一端连接所述均衡电路单元，所述采样滤波电容另一端接地。

在一个实施例中，所述驱动辅助单元包括均衡偏置电阻、均衡驱动滤波电容和均衡限流电阻，所述均衡限流电阻一端连接所述均衡电路单元和所述均衡偏置电阻一端，所述均衡限流电阻另一端连接所述电压采集和均衡驱动电路单元，所述均衡偏置电阻另一端连接所述均衡电路单元，所述均衡驱动滤波电容与所述均衡偏置电阻并联。

在一个实施例中，所述电路还包括由多个储能元件串联组成的储能模块，各储能元件分别连接对应均衡电路单元。

上述被动均衡失效检测电路，通过采集和驱动模块来控制均衡电路单元的导通和关闭，同时采集均衡电路单元的电压，将均衡电路单元处于不同通断状态下的电压进行对比分析，从而判断电路是否失效。通过上述被动均衡失效检测电路能够在对储能元件进行均衡的同时检测均衡电路是否失效，从而避免出现均衡电路失效影响储能元件一致性的问题。

附图说明

图1为一实施例被动均衡失效检测电路模块图；

图2为一实施例被动均衡失效检测电路原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

请参阅图1，一种电压失效检测电路，包括均衡电路模块100和采集驱动模块200，均衡电路模块100包括多个均衡电路单元，并且各均衡电路单元的一端均连接采集驱动模块200，另一端分别连接由多个储能元件串联组成的储能模块中对应的储能元件。

均衡电路模块100中各均衡电路单元用于采集对应储能元件的输出电压并发送至采集驱动模块200；采集驱动模块200用于控制均衡电路单元的通断状态，并且根据均衡电路单元发送的输出电压和均衡电路单元的通断状态来判断电路是否出现失效。

请继续参阅图1，在一个实施例中，被动均衡失效检测电路还包括由多个储能元件310串联组成的储能模块300，各储能元件310分别连接对应均衡电路单元。将被动均衡失效检测电路接入储能模块300，利用被动均衡失效检测电路能够在对储能模块300进行能量均衡的同时，检测电路是否出现失效，能够有效地提高储能模块300的使用效率，延长储能模块300的使用寿命。

具体地，储能模块300为由多个单体电芯串联组成的锂电池包，由于制造工艺的限制，同一锂电池包的各单体电芯在实际充放电过程中很容易产生容量不平衡的差异，从而降低了锂电池包的总容量。在对锂电池包进行均衡的同时，检测电路是否出现短路失效，避免失效导致锂电池包处于持续放电状态，给电池造成更大的损害。

均衡电路单元的具体数量并不唯一，可以是两个或两个以上。在一个实施例中，请参阅图2，以均衡电路模块100包括两个均衡电路单元为例，其中一个均衡电路单元110包括匹配电阻R3、均衡电阻R1和均衡开关管T1，匹配电阻R3与均衡电阻R1串联，匹配电阻R3与均衡电阻R1的公共端连接采集驱动模块200，匹配电阻R3另一端连接对应储能元件，均衡电阻R1另一端连接均衡开关管T1的第一端，均衡开关管T1的第二端连接相邻均衡电路单元的匹配电阻R4和均衡电阻R2的公共端，均衡开关管T1的控制端连接采集驱动模块200。进一步地，匹配电阻R3、均衡电阻R1和采集驱动模块200的连接点作为一个电压采集点，用于采集均衡电路单元的输出电压，匹配电阻R3和均衡电阻R1组成一个分压电路，在均衡电路单元110处于导通状态时，改变所采集到的对应储能元件的电压值。采集驱动模块200控制均衡开关管T1的导通和关闭，并且通过电压采集点采集均衡电路单元的输出电压，通过所采集的的输出电压和均衡开关管T1的开断状态，判断电路是否出现失效。可以理解，另一个均衡电路单元中匹配电阻R4、均衡开关管T2和均衡电阻R2的连接关系与均衡电路单元110中匹配电阻R3、均衡开关管T1和均衡电阻R1的连接关系类似，这里不再赘述。

在一个实施例中，均衡电阻阻值为匹配电阻阻值的3-10倍。进一步地，若对应储能元件两端的真实电压记为V，在对应均衡电路单元中各器件均没有出现短路失效的情况下，断开所有均衡开关管，采集驱动模块200采集对应均衡电路单元的电压记为U，此时应当有V＝U。

闭合任一均衡开关管，其对应的均衡电路单元所采集的对应储能元件的输出电压记为U’，以其中一个均衡电路单元为例，此时有：

U’＝V*((R2)/(R2+R4+R5))

均衡电阻阻值为匹配电阻阻值的3-10倍，则有U’≈(0.6～0.833)*V。

在一较佳实施例中，均衡电阻阻值为匹配电阻阻值的10倍，对应的有：

U’≈0.833*V

均衡电阻阻值为匹配电阻阻值的3-10倍，能够保证均衡电路单元开启时匹配电阻承受较小的功率，具体地，均衡电阻采用大功率电阻，承担均衡生效时的能量消耗。通过上述原理，采集驱动模块200控制均衡电路单元处于不同的开断状态，同时根据对应均衡电路所采集的对应储能元件的输出电压，将所采集电压与上述电压进行对比分析，从而判断出电路是否出现短路失效。

在一个实施例中，各均衡电路单元通过采样线束与对应储能元件连接，采集驱动模块200根据各均衡电路单元均处于关断状态时采集得到的对应储能元件的输出电压，判断用于连接各均衡电路单元和对应储能元件的采样线束是否出现失效。具体地，均衡电路单元均处于关断状态时，均衡驱动电路单元所采集的对应储能元件的输出电压记为Ua。

若Ua＝0，则说明采样线束出现失效；

若Ua≠0，则说明采样线束没有出现失效。

通过上述方法，能够对采样线束进行失效检测，避免了采样线束失效导致均衡电路达不到均衡的效果。

在一个实施例中，采样线束均正常工作时，采集驱动模块200控制各均衡电路单元处于不同的通断状态，并且根据各均衡电路单元所采集的对应储能元件的输出电压，判断各均衡电路单元是否出现失效。

具体地，采样线束均正常工作时，采集驱动模块200在分别控制均衡电路模块100中的一个或者多个均衡电路单元处于导通状态时，根据均各衡电路单元所采集的对应储能元件的输出电压，进而判断各均衡电路是否出现失效。

请参阅图2，进一步地，同样以被动均衡失效检测电路中有两个均衡电路单元为例，采样线束X1、X2均没有出现失效时，采集驱动模块200控制均衡电路单元处于不同的通断状态下，并根据均衡电路单元分别采集储能元件S1与储能元件S2的输出电压，来判断均衡开关管是否出现短路失效。

具体地，均衡电阻阻值为匹配电阻阻值的10倍，均衡电路单元均处于关断状态时，均衡电路单元所采集的储能元件S1与S2的输出电压分别记为U1和U2，采集驱动模块200控制均衡开关管T2断开，均衡开关管T1导通，相应均衡电路单元采集储能元件S1与S2的输出电压，分别记为U3和U4。

如果U3≈0.833*U1,，U4＝U2，说明均衡开关管T1正常；

如果U3＝U1，U4＝U2，说明均衡开关管T1失效。

采集驱动模块200控制均衡开关管T1断开，均衡开关管T2导通，相应均衡电路单元采集储能元件S1与S2的输出电压，分别记为U5和U6，

如果U5＝U1，U6≈0.833*U2，说明均衡开关管T2正常，

如果U5＝U1，U6＝U2，说明均衡开关管T2失效。

通过上述方法，在采样线束正常工作的情况下，进一步判断均衡电路单元是否出现短路失效，进一步地保障了在对储能元件进行均衡时，不会对储能元件的使用寿命造成危害。

应当指出的是，储能元件的个数超过两个时，判断均衡电路单元是否处于失效的方法与上述两个储能元件的判断方法一样，在这里不再赘述。

在一个实施例中，采集驱动模块200包括滤波单元、驱动辅助单元以及电压采集和均衡驱动电路单元，滤波单元的数量与均衡电路单元的数量相同，各滤波单元均连接电压采集和均衡驱动电路单元，且分别连接对应的均衡电路单元；驱动辅助单元的数量与均衡电路单元的数量相同，各驱动辅助单元均连接电压采集和均衡驱动电路单元，且分别连接对应的均衡电路单元。具体地，储能元件、均衡电路单元、滤波单元和驱动辅助单元的个数都至少有两个，并且一一对应，至少两组一一对应的储能元件、均衡电路单元、滤波单元和驱动辅助单元，完成至少两个储能元件的均衡和均衡失效检测。

以采集驱动模块200中的一对应滤波单元、驱动辅助单元以及电压采集和均衡驱动电路单元为例。在一实施例中，如图2所示，滤波单元210包括采样限流电阻R6和采样滤波电容C3，采样限流电阻R6和采样滤波电容C3串联且公共端连接电压采集和均衡驱动电路单元，采样限流电阻R6另一端连接均衡电路单元110，具体连接均衡电路单元110中匹配电阻R3和均衡电阻R1的公共端，采样滤波电容C3另一端接地。采样限流电阻R6和采样滤波电容C3组成RC滤波器，提高储能元件电压采集准确度，滤波后的信号输入到后端采样电路，以获取当前储能元件的电压值。此外，采集驱动模块200还包括采样限流电阻R8和采样滤波电容C4组成的驱动辅助单元，以及采样限流电阻R10和采样滤波电容C5组成的驱动辅助单元。采样限流电阻R8和采样滤波电容C4的连接关系，以及采样限流电阻R10和采样滤波电容C5的连间接关系与滤波单元210中的采样限流电阻R6和采样滤波电容C3的连接关系类似，这里亦不再赘述。可以理解，在对两个以上储能元件进行失效检测时，各滤波单元中的采样滤波电容和采样限流电阻的连接关系和作用与滤波单元210中所述相一致。进一步地，滤波单元210还可为其它形式的滤波电路，比如LC滤波电路，只要能够实现滤波功能均可。

驱动辅助单元220的具体结构也不是唯一的，在一实施例中，继续参照图2，驱动辅助单元220包括均衡偏置电阻R11、均衡驱动滤波电容C1和均衡限流电阻R7，均衡限流电阻R7一端连接均衡电路单元110和均衡偏置电阻R11一端，均衡限流电阻R7另一端连接电压采集和均衡驱动电路单元230，均衡偏置电阻R11另一端连接均衡电路单元110，均衡驱动滤波电容C1与均衡偏置电阻R11并联，均衡限流电阻R7连接均衡驱动电路单元110以及电压采集和均衡驱动电路单元230，具体地，均衡限流电阻R7的一端连接均衡电路单元110中均衡开关管T1的控制端和均衡偏置电阻R11的公共端，均衡偏置电阻R11的另一端连接均衡电路单元110中均衡开关管T1的第二端，均衡限流电阻R7传递电压采集和均衡驱动电路单元230控制均衡电路单元导通和关闭的信号至对应均衡电路单元110中相应的均衡开关管T1，均衡偏置电阻R11保证对应均衡开关管T1可靠截止，均衡驱动滤波电容C1用于提高EMC(ElectroMagnetic Compatibility，电磁兼容性)抗干扰能力。在另一驱动辅助单元中，均衡偏置电阻R12、均衡驱动滤波电容C2和均衡限流电阻R9与驱动辅助单元220中的均衡偏置电阻R11、均衡驱动滤波电容C1和均衡限流电阻R7的连接关系和作用类似，这里不在赘述。可以理解，对两个以上的储能元件进行均衡失效检测时，各驱动辅助单元中的均衡限流电阻、均衡偏置电阻和均衡驱动滤波电容的连接关系和作用均与辅助单元220中所述相类似。

进一步地，在一个实施例中，均衡开关管为场效应管，如图2所示，同样以均衡开关管T1为例，均衡开关管T1的源端连接相邻均衡电路单元的匹配电阻R4和均衡电阻R2的公共端，漏端连接对应均衡电路单元的均衡电阻R1，栅端通过均衡驱动限流电阻R7连接到采集驱动模块200的电压采集和均衡驱动电路单元230，电压采集和均衡驱动电路单元230通过栅端来控制场效应管T1的开断，从而根据采集到的电压来进行失效检测。进一步地，场效应管可以是耐高压场效应管，能够在高压环境下对储能元件进行均衡和通过不同开断状态来实现对均衡电路的失效检测。

为了便于更好地理解被动均衡失效检测电路，下面结合具体实施例进行详细的解释说明。

请参阅图2，均衡模块300为锂电池包，包括两个串联的单体电芯，均衡电路单元、驱动辅助单元和滤波单元的数量与单体电芯相对应，均衡开关管T1与T2均为耐高压场效应管，均衡电阻阻值为匹配电阻阻值的10倍，均衡电阻为大功率电阻。两节单体电芯S1、S2两端的真实电压记为V1、V2，如果场效应管T1、T2均正常工作，且采样线束连接正常，则有：

断开所有场效应管时，通过采样电路采集单体电芯S1和单体电芯S2的电压U1、U2，

U1＝V1

U2＝V2

场效应管T1导通且场效应管T2关断时，通过对应采样电路再次采集单体电芯S1的电压，记为U1’，

U1’＝V1*((R2)/(R2+R4+R5))≈0.833*V1

场效应管T2导通且场效应管T1关断时，通过对应采样电路再次采集单体电芯S2的电压，记为U2’，

U2’＝V2*((R1)/(R1+R3+R4))≈0.833*V2

进一步地，控制场效应管T1与T2均处于关断状态，采集单体电芯S1与S2的输出电压，分别记为U1a，U2a，

如果U1a＝0V，U2a＝0V，说明X1、X2采样线束均断线，

如果U1a＝0V，U2a≠0V，说明X1采样线束断线，

如果U1a≠0V，U2a＝0V，说明X2采样线束断线，

如果U1a≠0V且U2a≠0V，说明采样线束均没有断线。

更进一步地，控制场效应管T2断开，场效应管T1导通，此时采集单体电芯S1和S2的单体电压，分别记为U1b，U2b，

如果U1b≈0.833*U1a，U2b＝U2a，说明场效应管T1正常，

如果U1b＝U1a，U2b＝U2a，说明场效应管T1失效；

控制场效应管T1断开，T2导通，此时采集单体电芯S1和S2的单体电压，分别记为U1c，U2c，

如果U1c＝U1a，U2c≈0.833*U2a，说明场效应管T2正常，

如果U1c＝U1a，U2c＝U2a，说明场效应管T2失效。

通过上述方法能够实现两个单体电芯的均衡和均衡失效检测，有效地保障两单体电芯处于稳定的工作状态，避免出现短路失效导致两单体电芯处于持续放电状态，对单体电芯的使用寿命造成危害。

上述被动均衡失效检测电路通过采集和驱动模块来控制均衡电路单元的导通和关闭，同时采集均衡电路单元的电压，将均衡电路单元不同状态下所采集的电压进行对比分析，从而判断均衡电路单元是否失效。通过上述被动均衡失效检测电路能够在对储能元件进行均衡的同时检测均衡电路单元是否失效，从而避免出现均衡电路失效影响储能元件一致性的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种被动均衡失效检测电路，其特征在于，包括均衡电路模块和采集驱动模块，所述均衡电路模块包括多个均衡电路单元，各所述均衡电路单元的一端均连接所述采集驱动模块，且另一端分别通过采样线束连接由多个储能元件串联组成的储能模块中对应的储能元件，

各所述均衡电路单元用于采集对应储能元件的输出电压并发送至所述采集驱动模块；所述采集驱动模块用于控制各所述均衡电路单元的通断状态，并且根据各所述均衡电路单元发送的输出电压和均衡电路单元的通断状态来判断电路是否出现失效，所述采集驱动模块根据各所述均衡电路单元均处于关断状态时采集得到的对应储能元件的输出电压，判断用于连接各所述均衡电路单元和所述对应储能元件的采样线束是否出现失效，

所述均衡电路单元包括匹配电阻、均衡电阻和均衡开关管，所述匹配电阻与所述均衡电阻串联，所述匹配电阻与所述均衡电阻的公共端连接所述采集驱动模块，所述匹配电阻另一端连接对应储能元件，所述均衡电阻另一端连接所述均衡开关管的漏端，所述均衡开关管的源端连接相邻均衡电路单元的匹配电阻和均衡电阻的公共端，所述均衡开关管的栅端连接所述采集驱动模块，所述均衡电阻阻值为所述匹配电阻阻值的3-10倍，

根据各所述均衡电路单元发送的输出电压和均衡电路单元的通断状态来判断电路是否出现失效为：根据所述均衡开关管闭合时所述均衡电路单元发送的输出电压，与预设倍数的所述均衡开关管断开时所述均衡电路单元发送的输出电压，判断电路是否出现失效，所述预设倍数为0.6-0.833。

2.根据权利要求1所述的被动均衡失效检测电路，其特征在于，所述采样线束均正常工作时，所述采集驱动模块控制各所述均衡电路单元处于不同的通断状态，并且根据各所述均衡电路单元所采集的对应储能元件的输出电压，判断各所述均衡电路单元是否出现失效。

3.根据权利要求1所述的被动均衡失效检测电路，其特征在于，所述均衡开关管为场效应管。

4.根据权利要求1所述的被动均衡失效检测电路，其特征在于，所述采集驱动模块包括滤波单元、驱动辅助单元以及电压采集和均衡驱动电路单元，所述滤波单元的数量与所述均衡电路单元的数量相同，各所述滤波单元均连接所述电压采集和均衡驱动电路单元，且分别连接对应的均衡电路单元；所述驱动辅助单元的数量与所述均衡电路单元的数量相同，各所述驱动辅助单元均连接所述电压采集和均衡驱动电路单元，且分别连接对应的均衡电路单元。

5.根据权利要求4所述的被动均衡失效检测电路，其特征在于，所述滤波单元包括采样限流电阻和采样滤波电容，所述采样限流电阻和所述采样滤波电容串联且公共端连接所述电压采集和均衡驱动电路单元，所述采样限流电阻另一端连接所述均衡电路单元，所述采样滤波电容另一端接地。

6.根据权利要求4所述的被动均衡失效检测电路，其特征在于，所述驱动辅助单元包括均衡偏置电阻、均衡驱动滤波电容和均衡限流电阻，所述均衡限流电阻一端连接所述均衡电路单元和所述均衡偏置电阻一端，所述均衡限流电阻另一端连接所述电压采集和均衡驱动电路单元，所述均衡偏置电阻另一端连接所述均衡电路单元，所述均衡驱动滤波电容与所述均衡偏置电阻并联。

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