CN110365068A - 平衡多个电池单元的平衡电路及其保护方法、电池包 - Google Patents

平衡多个电池单元的平衡电路及其保护方法、电池包 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于平衡多个电池单元的平衡电路、电池包和平衡电路的保护方法。所述平衡电路包括：多个开关电路，分别与多个电池单元连接，如果所述多个开关电路其中一个开关电路导通，则使旁路电流从对应电池单元的正端流出，其中，所述多个开关电路中每个开关电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关包括第一二极管，所述第二开关包括第二二极管，所述第一二极管和所述第二二极管反向连接，并且其中，如果所述其中一个开关电路的所述第二开关断开，则切断所述旁路电流；以及与所述多个开关电路连接的控制电路，用于通过控制所述多个开关电路来平衡所述多个电池单元。该平衡电路具有自我保护功能，免受因电池单元接反了或者连接不良带来的损坏。

Description

平衡多个电池单元的平衡电路及其保护方法、电池包
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种平衡多个电池单元的平衡电路、包括所述平衡电路的电池包以及平衡电路的保护方法。
背景技术
图1A所示为现有技术中用于平衡电池包100中多个电池单元110(以下称为：电池组110)的平衡电路112。平衡电路112包括限流电阻器R0、R1、R2、R3和R4，开关S1、S2、S3和S4，以及控制器102。控制器102监控电池组110的单元电压并基于监控所得信息平衡电池组110。举例说明，在充电过程期间，如果电池组110的电池单元CellM(M＝1、2、3或4)具有大于平衡阈值的电池电压，则控制器102导通相应的开关SM(M＝1、2、3或4)，使得充电电流的一部分电流IPT绕过电池单元CellM被分流掉。因此，电池单元CellM的电压增加速度低于其他电池单元的电压增加速度。再举例说明，如果电池单元CellN(N＝1、2、3或4)的电压大于其他电池单元电压一定量，并且该量超过一电压参考，则控制器102导通相应的开关SN(N＝1、2、3或4)，使得充电电流的一部分电流IPT绕过电池单元CellN被分流掉。因此，电池组110中电池单元电压之间的差异减小，从而达到相互平衡。
然而，现有技术中的平衡电路112具有一些缺点。举例说明，如果电池组110其中一个电池单元CellX(X＝1、2、3或4)与其他电池单元反向连接，则开关SX(X＝1、2、3或4)的体二极管被导通，从而产生漏电流IRV对电池单元CellX放电。漏电流IRV流过体二极管可能会产生大量的热量，从而损坏平衡电路112和/或损坏包括平衡电路112的整个集成电路(IC)封装。再举例说明，如果电池组110中的某电池单元(例如：Cell4)与平衡电路112接触不良或者断开了，那么开关S4的体二极管导通，这导致漏电流从电池单元Cell1、Cell2和Cell3，流过开关S4的体二极管，然后对连接至电池包100的正端PACK+的滤波电容器CC充电。这种漏电流相对较大并且可能损坏开关S4。
更具体地说，图1B所示为现有技术中电池包100的电池平衡电路112的示意图，其中电池单元Cell2与其他电池单元反向连接。如图1B所示，反向连接的电池单元Cell2在开关S2的体二极管上施加一个正向偏置电压，因此开关S2的体二极管导通从而对电池单元Cell2放电。电池单元Cell2的漏电流IRV不仅可能使电池单元Cell2过度地放电，而且可能导致大量热量损坏整个IC封装。
图1C所示为电池组110中电池单元Cell4与平衡电路112的连接断开了的情况。举例说明，在电池包100B的组装过程中，电池单元Cell1、Cell2、Cell3和Cell4可能是从下至上一个接一个地与平衡电路112焊接。当电池单元Cell1、Cell2和Cell3已经与开关S1、S2和S3连接，而电池单元Cell4尚未与开关S4连接时，串联耦合的电池单元Cell1、Cell2和Cell3上的电压VC施加在开关S4、电阻器R4和电容器CC上。由于电压VC相对较大，所以开关S4的体二极管被正向偏置(例如：导通)，并且从电池单元Cell1、Cell2和Cell3流出，经过开关S4的体二极管和电阻器R4流向电容器CC并对其充电的漏电流ILK相对较大。此相对较大的漏电流ILK可能会损坏开关S4。再举例说明，当电池包100B已经封装成型，电池组110中一个或多个电池单元可能与平衡电路接触不良。如果电池单元(例如：Cell3)与平衡电路的连接松开了，则串联耦合的电池单元Cell1和Cell2的电压施加到开关S3和S4、电阻器R4以及电容器CC上。同理，开关S3和S4的体二极管导通，并且相对大的漏电流流过所述体二极管对电容器CC充电，从而可能损坏开关S3和S4。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种平衡多个电池单元的平衡电路、包括所述平衡电路的电池包和平衡电路的保护方法，用于在平衡多个电池单元的同时保护所述平衡电路免受损坏。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于平衡多个电池单元的平衡电路，所述平衡电路包括：多个开关电路，分别与所述多个电池单元连接，如果所述多个开关电路其中一个开关电路导通，则使旁路电流从所述多个电池单元中对应电池单元的正端流出，其中，所述多个开关电路中每个开关电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关包括第一二极管，所述第二开关包括第二二极管，所述第一二极管和所述第二二极管反向连接，并且其中，如果所述其中一个开关电路的所述第二开关断开，则切断所述旁路电流；以及与所述多个开关电路连接的控制电路，用于通过控制所述多个开关电路来平衡所述多个电池单元。
本发明还提供了一种电池包，所述电池包包括上述平衡电路和多个电池单元。
本发明又提供了一种平衡电路的保护方法，所述保护方法包括：通过控制多个开关电路来平衡多个电池单元，所述多个开关电路分别与所述多个电池单元连接，其中，所述每个开关电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关包括第一二极管，所述第二开关包括第二二极管，并且其中，所述第一二极管和所述第二二极管反向连接；通过导通所述多个开关电路其中一个开关电路使旁路电流从所述多个电池单元中对应电池单元的正端流出；以及通过关断所述其中一个开关电路的所述第二开关来切断所述旁路电流。
本发明提供的平衡电路、电池包和保护方法利用开关电路中的第一二极管和第二二极管反向连接，使得在第一开关和第二关关断时阻止漏电流的产生，所以能够保护平衡电路免受损坏。
附图说明
以下通过对本发明的一些实施例将结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。
图1A所示为现有技术中电池包的电池平衡电路的示意图。
图1B所示为现有技术中电池包的电池平衡电路的示意图，其中所述电池包中一电池单元与其他电池单元反向连接。
图1C所示为现有技术中电池包的电池平衡电路的示意图，其中所述电池包中一电池单元与所述电池平衡电路的连接断开。
图2A所示为根据本发明一个实施例的电池包的电池平衡电路的示意图。
图2B所示为根据本发明一个实施例的电池包的电池平衡电路的示意图。
图2C所示为根据本发明一个实施例的电池包的电池平衡电路的示意图。
图2D所示为根据本发明一个实施例的电池包的电池平衡电路的示意图。
图3A所示为根据本发明一个实施例的电池包的电池平衡电路的示意图。
图3B所示为根据本发明一个实施例的电池包的电池平衡电路的示意图。
图4所示为根据本发明一个实施例的电池平衡电路的保护方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅局限于这些实施方式。相反，本发明涵盖后附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手续、部件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
图2A所示为根据本发明一个实施例的电池包200A中用于平衡多个电池单元220(以下称为：电池组220)的电池平衡电路212A的示意图。在一个实施例中，电池组220中的电池单元相互串联。虽然图2A示出了电池包200A包括四个电池单元，但本发明不限于此。在另一个实施例中，电池包200A可以包括其他数量的电池单元(例如：两个、三个、五个、六个、七个等等)。在一个实施例中，电池组220包括如锂离子电池单元那样的可充电电池单元。在其他实施例中，电池组220可以包括其他类型的可充电电池单元，例如：镍镉电池单元、铅酸电池单元、太阳能电池单元等等。
在一个实施例中，平衡电路212A包括一组开关电路(例如：包括多个开关电路)和控制电路202A。每个开关电路与电池组220中相应的电池单元连接，在所述开关电路导通时，可以使旁路电流从所述相应电池单元的正端流出。此外，每个开关电路包括第一开关和第二开关，第一开关的第一体二极管与第二开关的第二体二极管反向连接。如果所述第二开关被关断，则所述第二开关可切断所述旁路电流。本文提及的第一二极管和第二二极管反向连接指的是要么两个二极管的阳极相互连接，要么两个二极管的阴极相互连接。
举例说明，如图2A所示，与电池单元Cell1连接的开关电路(以下称为：开关电路QN11-QN12)包括第一开关QN11和第二开关QN12，第一开关QN11的第一体二极管和第二开关QN12的第二体二极管经过连接节点222相互连接。在一个实施例中，这种类型的开关电路被称为“背靠背开关”(“back-to-back switch”)。如果第一开关QN11和第二开关QN12导通，则开关电路QN11-QN12导通，并且可以使旁路电流IBY从电池单元Cell1的正端228流出，经过开关电路QN11-QN12，流到电池单元Cell1的负端226。在电池组220的充电过程中，旁路电流IBY可以降低电池单元Cell1的电池电压VCELL1的增加速度。如果电池组220既没有充电也没有放电，则旁路电流IBY可以使电池单元Cell1放电以减小电池电压VCELL1。如果第二开关QN12断开，则第二开关QN12可以切断/阻隔旁路电流IBY。同理，如果第一开关QN11断开，则第一开关QN11可以切断/阻隔从端子226流到端子228的电流。如果第一开关QN11和第二开关QN12断开，则没有电流流过开关电路QN11-QN12。在一个实施例中，分别连接于电池单元Cell2、Cell3和Cell4的开关电路QN21-QN22、QN31-QN32和QN41-QN42的电路结构和功能类似于开关电路QN11-QN12的电路结构和功能。开关QN21、QN31和QN41可以分别称为开关电路QN21-QN22、QN31-QN32和QN41-QN42的第一开关。开关QN22、QN32和QN42可以分别称为开关电路QN21-QN22、QN31-QN32和QN41-QN42的第二开关。
因此，如果电池单元CellK(K＝1、2、3或4)与其他电池单元反向连接，则可以通过断开相应开关电路中的第一开关(例如：QN11、QN21、QN31或QN41)来阻隔/切断电池单元CellK的漏电流(例如：类似于图1B描述中的漏电流IRV)。举例说明，如果电池单元Cell2与电池单元Cell1、Cell3和Cell4反向连接，可以通过断开开关QN21来切断/阻隔电池单元Cell2的漏电流。由于所有开关QN11、QN12、QN21、QN22、QN31、QN32、QN41和QN42最初都是断开的，所以可以保护平衡电路212A和/或包括平衡电路212A的IC封装免受图1B中提及的漏电流IRV的损坏。
此外，在一个实施例中，电池包200A包括连接至电池包200A正端PACK+的电容器CC。电容器CC可以过滤掉端子PACK+上的电压峰刺和/或电流峰刺。在一个实施例中，如果电池组220的顶部电池单元(例如，Cell4)与顶部开关电路(例如：QN41-QN42)接触不良或者断开了，则通过断开顶部开关电路QN41-QN42可以阻止从与顶部电池单元Cell4相邻的电池单元Cell3流出的电流对电容器CC充电。因此，平衡电路212A可以保护开关电路QN41-QN42免受漏电流的损坏(例如：类似于图1C中描述的从电池单元Cell1、Cell2和Cell3流出的漏电流ILK)。此外，在一个实施例中，控制电路202A可以通过控制(例如：选择性地导通或断开)开关电路QN11-QN12、QN21-QN22、QN31-QN32和QN41-QN42来平衡电池组220，从而延长电池的寿命。举例说明，控制电路202A可以监控电池组220的状态(例如：电池单元的电压)。如果控制电路202A检测到电池组220中电池单元CellQ(Q＝1、2、3或4)的电压大于平衡参考电压，则控制电路202A导通开关电路组中相应开关电路的第一开关和第二开关(也就是说，控制电路202A导通所述相应开关电路)。在一个实施例中，所述平衡参考电压是预设的参考电压。在另一个实施例中，所述平衡参考电压由电池组220中最小电池单元电压决定。例如：所述平衡参考电压可以等于所述最小电池单元电压加上一预设电压。又在另一个实施例中，所述平衡参考电压由电池组220的电池单元电压的平均值决定。综上所述，通过控制开关电路QN11-QN12、QN21-QN22、QN31-QN32和QN41-QN42可平衡电池组220。
在一个实施例中，上述开关电路组中的开关QN11、QN12、QN21、QN22、QN31、QN32、QN41和QN42是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor；简称为MOSFET管)。第一MOSFET管QN11的体二极管的阳极和第二MOSFET管QN12的体二极管的阳极之间的连接节点222包括所述第一MOSFET管QN11的源极和第二MOSFET管QN12的源极之间的连接节点。
在图2A的示例中，上述多个开关电路的每个开关电路中的两个体二极管其阳极相互连接。然而，本发明不仅限于此。在其他实施例中(例如：图2B和图2D的示例中)，每个开关电路中的两个体二极管其阴极相互连接。以图2B为例，第一开关QN11的体二极管的阴极和第二开关QN12的体二极管的阴极经过节点224相互连接。
此外，虽然图2A示例中显示，开关电路中的开关包括为n沟道MOSFET管，但本发明不限于此。在其他实施例中(例如：在图2C和图2D的举例中)，开关电路中的开关可以是p沟道MOSFET管。
在图2A、图2B、图2C和图2D的举例中，每个开关电路包括第一MOSFET管和第二MOSFET管。通过导通两个MOSFET管可导通所述开关电路，并且由于MOSFET的低功耗特性，开关电路的功耗相对较小。然而，本发明不仅限于此。在其他实施例中，开关电路包括一个如MOSFET那样的晶体管和一个常规PN结二极管。
举例说明，如图3A所示，与电池单元Cell1连接的开关电路(以下称为：开关电路QN12-D11)包括晶体管QN12和二极管D11(例如：一种常规PN结二极管)。在一个实施例中，晶体管QN12可以在控制电路302A的控制下用作开关，二极管D11可以在晶体管QN12的控制下用作开关。以图3A举例说明，晶体管QN12包括n沟道MOSFET管。因此，控制电路302A可以控制驱动器电路304A以上拉晶体管QN12的栅极电压以导通晶体管QN12，或者下拉晶体管QN12的栅极电压以关断晶体管QN12。如果晶体管QN12导通，则电池单元Cell1可以通过电阻器R0和R1以及晶体管QN12向二极管D11施加正向偏置电压，以导通二极管D11。开关电路QN12-D11也可以被导通。如果晶体管QN12被关断，则二极管D11以及开关电路QN12-D11被关断。
在一个实施例中，二极管D11可以称为开关电路QN12-D11的第一开关，晶体管QN12可以称为开关电路QN12-D11的第二开关。分别连接于电池单元Cell2、Cell3和Cell4的开关电路QN22-D21、QN32-D31和QN42-D41的电路结构和功能类似于开关电路QN12-D11的电路结构和功能。二极管D21、D31和D41可以分别称为开关电路QN22-D21、QN32-D31和QN42-D41的第一开关。开关QN22、QN32和QN42可以分别称为开关电路QN22-D21、QN32-D31和QN42-D41的第二开关。
在一个实施例中，二极管D11、D21、D31和D41是单向导电器件，可以阻隔从其阴极流向其阳极的电流。因此，如果电池单元CellK(K＝1、2、3或4)与其他电池单元反向连接，则二极管DK1可以阻隔漏电流(例如：类似于图1B中描述的从电池单元CellK流出的漏电流IRV)。因此，可以保护平衡电路312A和/或包括平衡电路312A的IC封装免受如图1B中描述的漏电流IRV的损坏。
此外，在一个实施例中，如果电池组220的顶部电池单元Cell4与顶部开关电路QN42-D41连接不良或者断开了，则二极管D41可以阻隔漏电流(例如：类似于图1C中描述的从电池单元Cell1、Cell2和Cell3流到电容器CC的漏电流ILK)。因此，可以保护开关电路QN42-D41免受漏电流ILK的损坏。
在图3A的举例中，每个开关电路包括n沟道MOSFET管和二极管。然而，本发明不仅限于此。在另一个实施例中，每个开关电路可以包括p沟道MOSFET管和二极管(例如：图3B中的举例)。图3B中平衡电路312B的操作与功能与图3A中平衡电路312A的操作与功能类似。
图4所示为根据本发明一个实施例的电池平衡电路的保护方法的流程示意图。以下结合图2A、图2B、图2C、图2D、图3A和图3B对图4进行描述。本领域技术人员可以理解的是，图4所涵盖的具体步骤仅仅作为示例。也就是说，本发明适用于其他合理的流程或对图4进行改进的步骤。
在步骤402，控制电路通过控制开关电路组来平衡电池组220中的多个电池单元。所述控制电路例如可以具体包括上述控制电路202A、202B、202C、202D、302A或302B。所述开关电路组可以具体包括图2A中的开关电路QN11-QN12、QN21-QN22、QN31-QN32和QN41-QN42，或者图2B中的开关电路QN12-QN11、QN22-QN21、QN32-QN31和QN42-QN41，或者图2C中的开关电路QP11-QP12、QP21-QP22、QP31-QP32和QP41-QP42，或者图2D中的开关电路QP12-QP11、QP22-QP21、QP32-QP31和QP42-QP41，或者图3A中的开关电路QN12-D11、QN22-D21、QN32-D31和QN42-D41，或者图3B中的开关电路D11-QP12、D21-QP22、D31-QP32和D41-QP42。
所述开关电路组中的每个开关电路与所述电池组220中对应的电池单元连接。所述每个开关电路包括第一开关和第二开关，所述第二开关包括第一二极管，所述第二开关包括第二二极管，所述第一二极管与所述第二二极管反向连接。在一个实施例中，所述控制电路通过使能或禁止电池组220中电池单元的旁路电流来平衡电池组220。
举例说明，在步骤404，所述控制电路(例如：图2A中的控制电路202A)可以通过导通开关电路QN11-QN12来使能从电池单元Cell1的正端流出的旁路电流IBY。
在步骤406，控制电路202A可以通过关断第二开关QN11或者关断开关QN11和QN12来禁止旁路电流IBY。
在此使用的措辞和表达都是用于说明而非限制，使用这些措辞和表达并不将在此图示和描述的特性的任何等同物(或部分等同物)排除在发明范围之外，在权利要求的范围内可能存在各种修改。其它的修改、变体和替换物也可能存在。因此，权利要求旨在涵盖所有此类等同物。

Claims (15)

1.一种用于平衡多个电池单元的平衡电路，所述平衡电路包括：
多个开关电路，分别与所述多个电池单元连接，如果所述多个开关电路其中一个开关电路导通，则使旁路电流从所述多个电池单元中对应电池单元的正端流出，其中，所述多个开关电路中每个开关电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关包括第一二极管，所述第二开关包括第二二极管，所述第一二极管和所述第二二极管反向连接，并且其中，如果所述其中一个开关电路的第二开关断开，则切断所述旁路电流；以及
与所述多个开关电路连接的控制电路，用于通过控制所述多个开关电路来平衡所述多个电池单元。
2.根据权利要求1所述的平衡电路，其特征在于，所述第一二极管的第一阳极和所述第二二极管的第二阳极经过连接节点相互连接。
3.根据权利要求2所述的平衡电路，其特征在于，所述第一开关包括第一金属氧化物半导体场效应晶体管，并且所述第二开关包括第二金属氧化物半导体场效应晶体管，其中，所述第一阳极和所述第二阳极之间的所述连接节点包括所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的源极之间的连接节点。
4.根据权利要求1所述的平衡电路，其特征在于，所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阴极经过连接节点相互连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的平衡电路，其特征在于，
所述控制电路被配置为监控所述多个电池单元的状态，其中，如果所述控制电路检测到所述多个电池单元中存在电池单元的电压大于平衡参考电压，则所述控制电路通过导通所述多个开关电路中对应开关电路的第一开关和第二开关来导通所述对应开关电路。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的平衡电路，其特征在于，所述多个电池单元串联连接。
7.一种电池包，所述电池包包括权利要求1至6中任一项所述的平衡电路和多个电池单元。
8.根据权利要求7所述的电池包，其特征在于，所述电池包还包括：
连接至所述电池包正端的电容器，其中，所述多个电池单元包括顶部电池单元和与所述顶部电池单元相邻的相邻电池单元，所述多个开关电路包括与所述顶部电池单元连接的顶部开关电路，并且其中，当所述顶部开关电路断开时，所述顶部开关电路阻隔从所述相邻电池单元流向所述电容器的电流。
9.一种平衡电路的保护方法，所述保护方法包括：
通过控制多个开关电路来平衡多个电池单元，所述多个开关电路分别与所述多个电池单元连接，其中，所述每个开关电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关包括第一二极管，所述第二开关包括第二二极管，并且其中，所述第一二极管和所述第二二极管反向连接；
通过导通所述多个开关电路其中一个开关电路使旁路电流从所述多个电池单元中对应电池单元的正端流出；以及
通过关断所述其中一个开关电路的所述第二开关来切断所述旁路电流。
10.根据权利要求9所述的保护方法，其特征在于，所述第一二极管的第一阳极和所述第二二极管的第二阳极经过连接节点相互连接。
11.根据权利要求10所述的保护方法，其特征在于，所述第一开关包括第一金属氧化物半导体场效应晶体管，并且所述第二开关包括第二金属氧化物半导体场效应晶体管，其中，所述第一阳极和所述第二阳极之间的所述连接节点包括所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的源极之间的连接节点。
12.根据权利要求9所述的保护方法，其特征在于，所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阴极经过连接节点相互连接。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的保护方法，其特征在于，所述保护方法还包括：
监控所述多个电池单元的状态；以及
如果所述多个电池单元中存在电池单元的电压大于平衡参考电压，则通过导通所述多个开关电路中对应开关电路的第一开关和第二开关来导通所述对应开关电路。
14.根据权利要求9至12中任一项所述的保护方法，其特征在于，所述多个电池单元串联连接。
15.根据权利要求14所述的保护方法，其特征在于，所述多个电池单元被封装于电池包中，所述电池包的正端与电容器连接，其中，所述多个电池单元包括顶部电池单元和与所述顶部电池单元相邻的相邻电池单元，并且所述多个开关电路包括与所述顶部电池单元连接的顶部开关电路，所述保护方法包括：
通过关断所述顶部开关电路来阻隔从所述相邻电池单元流向所述电容器的电流。
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