CN108370164B

CN108370164B - 一种电池组均衡电路

Info

Publication number: CN108370164B
Application number: CN201680000437.2A
Authority: CN
Inventors: 赵世兴; 钟高峰; 成转鹏
Original assignee: Shenzhen Autel Intelligent Aviation Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Autel Intelligent Aviation Technology Co Ltd
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2036-05-20
Also published as: WO2017197631A1; CN108370164A

Abstract

一种电池组均衡电路，包括：电池阵列(15)，该电池阵列(15)包括至少两个电池组；均衡电路(11)，该均衡电路(11)与电池阵列(15)连接，用于消耗该电池组内部的电量，使不同电池组的电压趋于一致；开关列阵(12)，该开关列阵(12)与该均衡电路(11)连接，该开关列阵(12)包括与该电池组数量相同的开关组，该开关列阵(12)用于开启或关闭该均衡电路(11)；检测控制模块(J1)，该检测控制模块(J1)分别与该电池阵列(15)和该开关列阵(12)连接，用于检测电池组的电压值，并控制该开关列阵(12)；该电池阵列(15)与该均衡电路(11)相互隔离，且该均衡电路(11)所在的位置设有散热系统。

Description

一种电池组均衡电路

技术领域

本发明涉及电池控制领域，特别是一种电池组均衡电路。

背景技术

随着锂电作为电源使用的日益广泛，人们对于锂电池的使用要求也越来越高，对于多节锂电池，提高电池的容量利用率，如果提高使用寿命尤为重要，电池组内各节电池间的电压不平衡是威胁电池寿命的重要因素，如果使BMS(电池管理系统，BATTERYMANAGEMENT SYSTEM更加有效的均衡各节电池电压成为一个关键的技术问题。

目前最常用的均衡方案是被动均衡，被动均衡具有电路简单可靠，成本低廉的优点，成为了最普遍使用的均衡方式，被动均衡法工作原理：就是把整组电池系统中，串联成组的单体电池电压差异性，通过BMS进行电压采集，以事先预设的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。其目的就是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。

发明人在研究中发现，现有技术的被动均衡方案因为采用功耗型电阻，锂电池与均衡电路集成在一起，如果均衡电流太大，锂电池与均衡电路同时发热，具有发热量大，热量无法释放，导致均衡电路温度会急剧升高，从而烧坏电路，有安全隐患。

技术问题

本发明主要解决的技术问题是提供一种电池组均衡电路，通过将电池列阵与均衡电路相互隔离，且在均衡电路所在的位置设置散热系统，能够有效的防止锂电池与均衡电路双重发热，在均衡电路所在的位置设置散热系统，能够保证均衡电路能够及时散热，使均衡电路能够承受更大的均衡电流。

问题的解决方案

技术解决方案

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种电池组均衡电路，包括：

电池阵列，所述电池阵列包括至少两个电池组；

均衡电路，所述均衡电路与电池列阵连接，用于消耗所述电池组内部的电量，使不同电池组的电压趋于一致；

开关列阵，所述开关列阵与所述均衡电路连接，所述开关列阵包括与所述电池组数量相同的开关组，所述开关列阵用于开启或关闭所述均衡电路；

检测控制模块，所述检测控制模块分别与所述电池阵列和所述开关列阵连接，用于检测电池组的电压值，并控制所述开关列阵；

所述电池列阵与所述均衡电路相互隔离，且所述均衡电路所在的位置设有散热系统。

进一步地，所述散热系统包括散热电路，所述散热电路与所述开关列阵连接，当所述开关列阵中任意一个开关组处于开启状态时，所述散热电路处于工作状态。

更进一步地，所述散热电路包括：或门列阵、第一NPN三极管与风冷器，所述或门列阵的输入端连接在所述开关组上，所述或门列阵的输出端连接第一NPN三极管的基极，所述第一NPN三极管的发射极下拉接地，所述第一NPN三极管的集电极连接所述风冷器的开关。

进一步地，所述检测控制模块内预设放空阈值，所述检测控制模块检测所述电池组电压均低于所述放空阈值时，所述检测控制模块控制所述开关列阵中所述开关组均处于开启状态。

进一步地，所述检测控制模块还用于检测所述电池列阵中电池组的电量，所述检测控制模块内预设放空阈值，所述检测控制模块检测所述电池组的电量均低于所述放空阈值时，所述检测控制模块控制所述开关列阵中所述开关组均处于开启状态。

更进一步地，所述电池组均衡电路还包括：放空保护电路，所述放空保护电路连接在所述开关列阵上，当所述开关列阵中的开关组均处于开启状态时，所述放空保护电路禁止对所述电池组进行充电。

更进一步地，所述放空保护电路包括：与门列阵、第二NPN三极管、充电控制模块与充电电源，所述与门列阵的输入端连接在所述开关组上，所述与门列阵的输出端连接第二NPN三极管的基极，所述第二NPN三极管的发射极下拉接地，所述第二NPN三极管的集电极连接所述充电控制模块的开关引脚，所述充电控制模块的开关引脚上拉至充电电源。

进一步地，所述电池组均衡电路还包括：节能开关电路，所述节能开关电路与所述电池组连接，当所述电池组中插入电池时，所述节能开关电路导通。

更进一步地，所述节能开关电路包括：第三NPN三极管、第一PMOS管、稳压器与充电电源，所述第三NPN三极管的基极与所述电池组连接，所述第二NPN三极管的发射极下拉接地，所述第二NPN三极管的集电极与第一PMOS管的栅极连接，所述第二NPN三极管的集电极与第一PMOS管的栅极同时上拉至充电电源，所述第一PMOS管的源极也上拉至充电电源，所述第一PMOS管漏极与稳压器的输入端连接。

进一步地，所述检测控制模块内预设有均衡阈值区间，所述检测控制模块将电池组的实时电压值与所述均衡阈值区间进行比对，当所述电池组的实时电压值在所述均衡阈值区间内时，所述检测控制模块控制开关列阵开启，均衡电路开始消耗所述电池组中的电量。

发明的有益效果

有益效果

本发明的有益效果：本发明通过将电池列阵与均衡电路相互隔离，且在均衡电路所在的位置设置散热系统，能够有效的防止锂电池与均衡电路双重发热，在均衡电路所在的位置设置散热系统，能够保证均衡电路能够及时散热，使均衡电路能够承受更大的均衡电流。

对附图的简要说明

附图说明

图1为本发明电池组均衡电路连接框图；

图2为本发明检测控制模块的电路图；

图3为本发明开关列阵与均衡电路连接电路图；

图4为本发明散热电路的电路图；

图5为本发明放空保护电路的电路图；

图6为本发明节能开关电路的电路图；

附图说明：11、均衡电路；12、开关列阵；13、散热电路；14、放空保护电路；15、电池列阵；16、节能开关电路。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

发明实施例

实施例

请参阅图1、图2，一种电池组均衡电路，包括：电池阵列、均衡电路11、开关列阵12与检测控制模块J1。其中，电池阵列包括至少两个电池组；均衡电路与电池列阵15连接，用于消耗电池组内部的电量，使不同电池组的电压趋于一致；开关列阵12与均衡电路连接，开关列阵12包括与电池组数量相同的开关组，开关列阵12用于开启或关闭均衡电路；检测控制模块J1分别与电池阵列和开关列阵12连接，用于检测电池组的电压值，并控制开关列阵12；

电池列阵15与均衡电路相互隔离，且均衡电路所在的位置设有散热系统。

本实施例通过将电池列阵15与均衡电路相互隔离，且在均衡电路所在的位置设置散热系统，能够有效的防止锂电池与均衡电路双重发热，在均衡电路所在的位置设置散热系统，能够保证均衡电路能够及时散热，使均衡电路能够承受更大的均衡电流。

本实施方式中，电池列阵15中包括：两个或两个以上的电池组。优选地，本实施例中以电池列阵15中包括四个电池组为例说明电池组均衡电路。

电池阵列中包括四个电池组，分别为第一电池组、第二电池组、第三电池组与第四电池组，第一电池组、第二电池组、第三电池组与第四电池组分别设有一节锂电池。锂电池在充电过程中会出现四个电池组的电量值不一致的情况，进而导致四个电池组的电压值不一致，电池组间的电压不平衡是威胁电池寿命的重要因素。

在四个电池组的输出端连均衡电路，均衡电路是由四个电阻串组成电阻列阵，分别为第一均衡电阻串、第二均衡电阻串、第三均衡电阻串和第四均衡电阻串。如图3所示，其中，第一均衡电阻串是由电阻R4、R5和R6并联而成，第二均衡电阻串是由电阻R9、R10和R11并联而成，第三均衡电阻串是由电阻R15、R16和R17并联而成，第四均衡电阻串是由电阻R21、R22和R23并联而成。构成电阻串的电阻均为20Ω。第一均衡电阻串连接在第一电池组的输出端CELL4上，第二均衡电阻串连接在第二电池组的输出端CELL3+4-上，第三均衡电阻串连接在第三电池组的输出端CELL2+3-，第四均衡电阻串连接在第四均衡电阻串CELL1+2-上。

常态下均衡电路处于断开状态，为控制均衡电路的通断，在均衡电路的输出端连接有开关列阵12，开关列阵12是由四个相互独立的开关组组成，分别为第一开关组、第二开关组、第三开关组和第四开关组。其中，如图4所示，第一开关组包括：第四NPN三极管Q2与第二POMS管Q1，第四NPN三极管的基极连接在检测控制模块MCU_VC1引脚上，第四NPN三极管Q2的发射极下拉接地，第四NPN三极管Q2的集电极与第二POMS管Q1的栅极连接，且第四NPN三极管Q2的集电极与第二POMS管Q1的栅极连接均上拉至第一电池组的输出端CELL4上，第二POMS管Q1的源极与第一电池组的输出端CELL4连接，第二POMS管Q1的漏极与第一均衡电阻串的输出端连接。举例说明第一开关组的工作原理，在常态下，第四NPN三极管Q2基极处于低电平，即基极电压小于集电极电压，第四NPN三极管Q2处于断开状态，同理由于栅极电压与源极电压一致，第二POMS管Q1也处于断开状态。检测控制模块J1内预设有均衡阈值区间，阈值区间为3.6V≤VCELL(MAX)≤4.15V与VCELL(MAX)-VCELL(MIN)≥20mV时，检测控制模块J1将电池组的实时电压值与均衡阈值区间进行比对，当电池组的实时电压值在均衡阈值区间内时，如检测到第一电池组输出端CELL4的电压值在上述均衡阈值区间内时，检测控制模块J1控制MCU_VC1引脚处于高电平，使第四NPN三极管Q2基极处于高电平，即基极电压大于集电极电压，第四NPN三极管Q2处于接通状态，第二POMS管Q1的栅极电压由于第四NPN三极管Q2的导通而处于接地状态，即源极电压大于栅极电压，第二POMS管Q1也处于导通状态。第一开关组完全导通，从而使第一均衡电阻串电路处于通路状态，开始消耗第一电池组中的电量，直至第一电池组的电压不处于该均衡阈值区间内时，第一开关组断开。

相同的，如图3所示，第二开关组包括：第五NPN三极管Q4与第三POMS管Q3，第五NPN三极管的基极连接在检测控制模块J1MCU_VC2引脚上，第五NPN三极管Q4的发射极下拉接地，第五NPN三极管Q4的集电极与第三POMS管Q3的栅极连接，且第五NPN三极管Q4的集电极与第三POMS管Q3的栅极连接均上拉至第二电池组的输出端CELL3+4-上，第三POMS管Q3的源极与第二电池组的输出端CELL3+4-连接，第三POMS管Q3的漏极与第二均衡电阻串的输出端连接。

如图3所示，第三开关组包括：第六NPN三极管Q6与第四POMS管Q5，第六NPN三极管Q6的基极连接在检测控制模块J1MCU_VC3引脚上，第六NPN三极管Q6的发射极下拉接地，第六NPN三极管Q6的集电极与第四POMS管Q5的栅极连接，且第六NPN三极管Q6的集电极与第四POMS管Q5的栅极连接均上拉至第三电池组的输出端CELL2+3-上，第四POMS管Q5的源极与第三电池组的输出端CELL2+3-连接，第四POMS管Q5的漏极与第三均衡电阻串的输出端连接。

如图3所示，第四开关组包括：第七NPN三极管Q8与第五POMS管Q7，第七NPN三极管Q8的基极连接在检测控制模块J1MCU_VC4引脚上，第七NPN三极管Q8的发射极下拉接地，第七NPN三极管Q8的集电极与第五POMS管Q7的栅极连接，且第七NPN三极管Q8的集电极与第五POMS管Q7的栅极连接均上拉至第四电池组的输出端CELL1+2-上，第五POMS管Q7的源极与第四电池组的输出端CELL1+2-连接，第五POMS管Q7的漏极与第四均衡电阻串的输出端连接。

请参阅图4，电池列阵15与均衡电路相互隔离，且均衡电路所在的位置设有散热系统。电池列阵15与均衡电路在硬件结构中处于不同的安装壳体(图未示)内，在均衡电路所在的空间内设有散热系统。散热系统包括散热电路13，散热电路13与开关列阵12连接，当开关列阵12中任意一个开关组处于开启状态时，散热电路13处于工作状态。散热电路13包括：或门列阵、第一NPN三极管Q11与风冷器J3，或门列阵的输入端连接在开关组上，或门列阵的输出端连接第一NPN三极管Q11的基极，第一NPN三极管Q11的发射极下拉接地，第一NPN三极管Q11的集电极连接风冷器J3的开关。

其中，或门列阵包括：第一或门U4、第二或门U5与第三或门U6，第一或门U4的输入端分别连接检测控制模块J1MCU_VC1与MCU_VC2引脚，第二或门U5的输入端分别连接检测控制模块J1MCU_VC3与MCU_VC4引脚，第三或门U6的输入端分别连接第一或门与第二或门的输出端，第三或门U6的输出端连接第一NPN三极管Q11的基极，第一NPN三极管Q11的发射极下拉接地，第一NPN三极管Q11的集电极连接风冷器的开关。当连接检测控制模块J1MCU_VC1、MCU_VC2、MCU_VC3或MCU_VC4引脚中任意一个引脚处于高电平时，第一NPN三极管Q11的基极电压大于集电极电压，第一NPN三极管Q11导通，开启风冷器J3，风冷器J3开始为均衡电路散热。

检测控制模块J1内预设放空阈值，检测控制模块J1检测电池组电压均低于放空阈值时，检测控制模块J1控制开关列阵12中开关组均处于开启状态。检测控制模块J1检测第一电池组、第二电池组、第三电池组与第四电池组的电压值，当电压值小于预设的放空阈值时，代表电池列阵15中的电量较少，当电池列阵15中的电池组的电量余量均小于等于额定电池组容量的百分之十五后，检测控制模块J1控制开关列阵12中开关组均处于开启状态。本实施方案中检测控制模块J1在检测电池列阵15的电压值后，将该电压值计算转换为电量值。

在一些选择性实施例中，检测控制模块J1内预设放空阈值，检测控制模块J1检测电池组电量均低于放空阈值时，检测控制模块J1控制开关列阵12中开关组均处于开启状态。检测控制模块J1检测第一电池组、第二电池组、第三电池组与第四电池组的电量值，当电量值小于预设的放空阈值时，代表电池列阵15中的电量较少，当电池列阵15中的电池组的电量余量均小于等于额定电池组容量的百分之十五后，检测控制模块J1控制开关列阵12中开关组均处于开启状态。

请参阅图5，放空保护电路14包括：与门列阵、第二NPN三极管Q10、充电控制模块D1与充电电源CHG，与门列阵的输入端连接在开关组上，与门列阵的输出端连接第二NPN三极管Q10的基极，第二NPN三极管Q10的发射极下拉接地，第二NPN三极管Q10的集电极连接充电控制模块的开关引脚，充电控制模块的开关引脚上拉至充电电源。

其中，与门列阵包括：第一与门U1、第二与门U2与第三与门U3，第一与门U1的输入端分别连接检测控制模块J1MCU_VC1与MCU_VC2引脚，第二与门U2的输入端分别连接检测控制模块J1MCU_VC3与MCU_VC4引脚，第三与门U3的输入端分别连接第一与门U1与第二与门U3的输出端，第三与门U3的输出端连接第二NPN三极管Q10的基极，第二NPN三极管Q10的发射极下拉接地，第二NPN三极管Q10的集电极连接充电控制模块D1的开关引脚。充电控制模块D1的开关引脚还上拉至充电电源CHG，且充电控制模块D1的开关引脚为高电平有效。当连接检测控制模块J1MCU_VC1、MCU_VC2、MCU_VC3与MCU_VC4引脚中均处于高电平时，第二NPN三极管Q10的基极电压大于集电极电压，第一NPN三极管Q10导通，使充电控制模块D1的开关引脚位于低电位，充电控制模块D1断开。

请参阅图6，电池组均衡电路还包括：节能开关电路16，节能开关电路16与电池组连接，当电池组中插入电池时，节能开关电路16导通。节能开关电路16包括：第三NPN三极管Q12、第一PMOS管Q9、稳压器U7与充电电源CHG，第三NPN三极管Q12的基极与第一电池组的输出端CELL4连接，第三NPN三极管Q12的发射极下拉接地，第三NPN三极管Q12的集电极与第一PMOS管Q9的栅极连接，第三NPN三极管Q12的集电极与第一PMOS管Q9的栅极同时上拉至充电电源CHG，第一PMOS管Q9的源极也上拉至充电电源CHG，第一PMOS管Q9漏极与稳压器U7的输入端连接。第一电池组内安装锂电池后，第三NPN三极管Q12与第一PMOS管Q9导通，稳压器U7开启。

需要说明的是，本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，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。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种电池组均衡电路，其特征在于，包括：

电池阵列，所述电池阵列包括至少两个电池组；

所述电池列阵与所述均衡电路相互隔离，且所述均衡电路所在的位置设有散热系统；

其中，所述散热系统包括散热电路，所述散热电路与所述开关列阵连接，当所述开关列阵中任意一个开关组处于开启状态时，所述散热电路处于工作状态；

所述散热电路包括：或门列阵、第一NPN三极管与风冷器，所述或门列阵的输入端连接在所述开关组上，所述或门列阵的输出端连接第一NPN三极管的基极，所述第一NPN三极管的发射极下拉接地，所述第一NPN三极管的集电极连接所述风冷器的开关。

2.根据权利要求1所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述检测控制模块内预设放空阈值，所述检测控制模块检测所述电池组电压均低于所述放空阈值时，所述检测控制模块控制所述开关列阵中所述开关组均处于开启状态。

3.根据权利要求1所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述检测控制模块还用于检测所述电池列阵中电池组的电量，所述检测控制模块内预设放空阈值，所述检测控制模块检测所述电池组的电量均低于所述放空阈值时，所述检测控制模块控制所述开关列阵中所述开关组均处于开启状态。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述电池组均衡电路还包括：放空保护电路，所述放空保护电路连接在所述开关列阵上，当所述开关列阵中的开关组均处于开启状态时，所述放空保护电路禁止对所述电池组进行充电。

5.根据权利要求4所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述放空保护电路包括：与门列阵、第二NPN三极管、充电控制模块与充电电源，所述与门列阵的输入端连接在所述开关组上，所述与门列阵的输出端连接第二NPN三极管的基极，所述第二NPN三极管的发射极下拉接地，所述第二NPN三极管的集电极连接所述充电控制模块的开关引脚，所述充电控制模块的开关引脚上拉至充电电源。

6.根据权利要求1所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述电池组均衡电路还包括：节能开关电路，所述节能开关电路与所述电池组连接，当所述电池组中插入电池时，所述节能开关电路导通。

7.根据权利要求6所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述节能开关电路包括：第三NPN三极管、第一PMOS管、稳压器与充电电源，所述第三NPN三极管的基极与所述电池组连接，所述第三NPN三极管的发射极下拉接地，所述第三NPN三极管的集电极与第一PMOS管的栅极连接，所述第三NPN三极管的集电极与第一PMOS管的栅极同时上拉至充电电源，所述第一PMOS管的源极也上拉至充电电源，所述第一PMOS管漏极与稳压器的输入端连接。

8.根据权利要求1所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述检测控制模块内预设有均衡阈值区间，所述检测控制模块将电池组的实时电压值与所述均衡阈值区间进行比对，当所述电池组的实时电压值在所述均衡阈值区间内时，所述检测控制模块控制开关列阵开启，均衡电路开始消耗所述电池组中的电量。