CN110401237B - 电池组平衡充电方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组平衡充电方法及系统，涉及电池充电技术领域。其电池组平衡充电方法的技术要点包括检测电池组内各个电池单元节点的电压，基于对应节点的电压差获得电池单元的电压；响应于电池组中的一个电池单元到达电压阀值，切换电池组的充电回路，使得充电电流不经过到达阀值的电池单元，本发明具有降低平衡充电结构的复杂性的优点。

Description

电池组平衡充电方法及系统

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，更具体地说，它涉及一种电池组平衡充电方法及系统。

背景技术

电池组是由大量串联连接的电池组成。是各种移动式装置的主要动力来源。电池组充电时需要防止单一电池充电过度，影响电池的寿命和充电的安全性。

目前，公开号为CN108432085A的中国专利公开一种多单元电池组充电系统，其通过调整每一电池单元的充电电流以使充电的完成同步。具体的，每一电池单元的充电电流是基于正充电的所述电池单元的电压匹配，将较多充电电流给予较低电压电池单元，直到存在与其它串联连接的电池单元的电压匹配。在所述电压匹配及充电过程期间，可将额外电荷给予所述电池组的较高容量单元。

现有技术中应用类似于上述的电池组充电系统的充电方法，其需要提供多个电源供应器，以提供不同的电流为电池充电，从而需要修改电池组的供电电路，实现过程较为复杂。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的第一目的在于提供一种电池组平衡充电方法，其具有降低平衡充电结构的复杂性的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种电池组平衡充电方法，包括：

检测电池组内各个电池单元节点的电压，基于对应节点的电压差获得电池单元的电压；

响应于电池组中的一个电池单元到达电压阀值，切换电池组的充电回路，使得充电电流不经过到达阀值的电池单元。

通过采用上述技术方案，直接检测电池组内的各个节点，因为电池组之间为串联；因此节点的数量等于电池单元的数量加一；在检测各个每一电池单元电压时，需要的采集的节点较少，就能够通过计算获得每一个电池单元的电压值；而在检测到电池单元的电压到达阀值时，通过改变充电电流流经的途径，来使得对应的电池单元停止充电。因此整体过程中一个充电的电源即可实现；降低了平衡充电结构的复杂性，无需添加过多其他结构。

本发明进一步设置为：检测电池组内各个节点的电压，基于对应节点的电压差获得电池单元的个数；当检测到电池单元数量为0时，输出报错信息。

通过采用上述技术方案，在检测充电之前，可以通过各节点之间的电压差确定电池的个数，仅在存在电池的时候进行充电；而在没有电池时直接报错，避免进行无效的充电。

本发明进一步设置为：充电电流不经过到达阀值的电池单元方式为同时为电池组内未到达阈值的电池单元的正极接通充电电路负极接通接地电路，之后切断电池组内同时接通充电电路和接地电路的连接节点。

通过采用上述技术方案，当某一电池单元到达阀值后，因为之前各电池单元之间为共同充电，整体电压差之间不会相差过大，此时转化为各个电池自己充电能够对电池充电电量进行精确的控制。

本发明的第二目的在于提供一种电池组平衡充电方法的系统，其具有实现平衡充电结构简单的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种电池组平衡充电方法的系统，包括：

电池组，其包括若干的依次串联的电池单元；

正向开关电路，包括分别耦接电池单元正极节点和充电电路输出端且具有进电控制端的进电单元；

负向开关电路，包括分别连接电池单元负极节点和接地电压且具有出电控制端的出电单元；

MCU控制器，其分别耦接于进电控制端和出电控制端，用于输出控制进电单元和出电单元通断的控制信号；以及，

采样电路，其包括分别电连接电池组内的正极节点和MCU控制器的采样单元，用于获取电池组正极节点的电压并转化向MCU控制器输出。

通过采用上述技术方案，MCU控制器通过采样电路获取电池组内的正极节点的电压值，并进行电压差的计算获得各个电池单元的正极节点的电压。当检测到电池单元的电压值到达阈值时，则MCU控制器通过控制正向开关电路和负向开关电路通断，使得充电电流不再通过到达阈值电压的电池单元。因此方案仅通过通断开关电路对充电电流流动的控制，使用较简单的电路结构就达到了避免了电池单元过度充电实现平衡充的效果。

本发明进一步设置为：所述进电单元包括具有控制端的进电开关元件以及连接于进电开关元件控制端的正调控件；所述出电单元包括具有控制端的出电开关元件以及连接于出电开关元件控制端的负调控元件；MCU控制器输出控制信号至正调控件和负调控件，控制输入进电开关元件和出电开关元件的控制端高低电平。

通过采用上述技术方案，MCU控制器仅需要通过正调控件和负调控件分别向进电开关元件和出电开关元件输出高低电平，就能够实现对正向开关电路和负向开关电路的通断实现控制，实现方式简单。

本发明进一步设置为：所述进电开关元件和出电开关元件均采用MOS管。

通过采用上述技术方案，使用MOS管电流经过时产生的压降小，使得进电开关元件和出电开关元件消耗的电源功率小。

本发明进一步设置为：所述正调控件包括进N型三极管、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；

所述第一分压电阻的一端连接充电电路的输出端，另一端分别连接第二分压电阻的一端和进电开关元件的控制端；

第二分压电阻的另一端连接进N型三极管的集电极，进N型三极管的发射极连接地线；

第三分压电阻的一端连接MCU控制器的输出脚，另一端分别连接第四分压电阻的一端和进N型三极管的基极；

第四分压电阻的另一端连接地线。

本发明进一步设置为：所述负调控件包括出P型三极管、出N型三极管、第五分压电阻、第六分压电阻、第七分压电阻、第八分压电阻、第九分压电阻和第十分压电阻；

所述出P型三极管的发射极连接电源电压VIN，所述出P型三极管的集电极连接第五分压电阻的一端，第五分压电阻的另一端分别连接第六分压电阻的一端和出电开关元件的控制端；

第六分压电阻的另一端用于连接地线；

所述第七分压电阻的一端连接电源电压VIN，另一端分别连接第八分压电阻的一端和出P型三极管的基极；

第八分压电阻的另一端连接出N型三极管的集电极，出N型三极管的发射极连接地线；

第九分压电阻的一端连接MCU控制器的输出脚，另一端分别连接第十分压电阻的一端和出N型三极管的基极；

第十分压电阻的另一端连接地线。

本发明进一步设置为：所述电池组内相邻的节点之间均并联有阻值相同的导流电阻。

通过采用上述技术方案，并联阻值相同的导流电阻，在电池组内未放置电池单元时，MCU控制器通过采样电路获得更易检测的电压值。

本发明进一步设置为：所述采样电路内的各个采样单元内均设置有使得在空载情况下进入到MCU控制器的电压全部相等的平衡电阻。

通过采用上述技术方案，采用平衡电阻，平衡MCU控制器获得的电压，便于MCU控制器通过电压差计算各个电池单元的电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）仅通过MCU控制器对开关电路控制的简单结构实现对平衡充电的控制；

（2）采样电路仅需要选取电池组内的正极进行采样，所需占用MCU控制器的接口较少，降低控制成本。

附图说明

图1为电池组平衡充电系统的电路连接示意图；

图2为电池组平衡充电方法的流程图。

附图标记：701、电池组；702、电池单元；703、正向开关电路；704、负向开关电路；705、MCU控制器；706、采样电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例，一种电池组平衡充电系统，如图1所示，包括MCU控制器705、电池组701、正向开关电路703、负向开关电路704和采样电路706。电池组701包括若干串联且可拆装的电池单元702。正向开关电路703包括分别耦接电池组701内各电池单元702正极节点和充电电路输出端的进电单元，且进电单元上具有连接MCU控制器705的进电控制端。负向开关电路704包括分别连接电池组701内各电池单元702负极节点和接地电压的出电单元，且出电单元具有连接MCU控制器705的出电控制端。采样电路706包括分别将电池组701内的正极节点耦接至MCU控制器705的采样单元。

因此首先，MCU控制器705通过采样单元耦接在电池组701上的各个节点，接收电池组701上各个节点的电压值。并通过相对应节点之间的差值，获取到电池单元702的电压值。同时MCU控制器705还通过耦接在进电控制端和出电控制端，向进电控制端和出电控制端输出控制信号达到对进电单元和出电单元通断的控制。从而实现对电池组701内各个电池单元702是否充电的控制。

如图2所示，电池组平衡充电方法的流程包括：

S1、依次检测电池组701内各个对应节点的电压；

本实施例中，如图1所示，电池组701中电池单元702数量选用四节。四节电池单元702依次串联形成了五个节点。以电池组701的负极至电池组701的正极以依次命名为V0、V1、V2、V3和V4。其中V0仅为电池单元702的负极节点，V4仅为电池单元702的正极节点；而V1、V2和V3既可以是电池单元702的正极节点也可以是电池单元702的负极节点。

连接时，电池组701的V1、V2、V3和V4节点通过正向开关电路703的进电单元分别和用于提供充电电流的充电电路之间形成连接；MCU控制器705通过对进电单元的导通控制，能够实现对电池组701的V1、V2、V3和V4节点进电的控制。同时，电池组701的V0、V1、V2和V3节点通过负向开关电路704的出电单元分别和用于提供零电压的接地线之间形成连接；MCU控制器705通过对出电单元的导通控制，能够实现对电池组701的V0、V1、V2和V3节点出电的控制。

为了在电池组701空载的状态下获取到各个节点的电压；本实施例中在V0和V1之间、V1和V2之间、V2和V3之间以及V3和V4之间均并联了电压值相等的导流电阻。使得在空载情况下，MCU控制器705也能够获取到电池组701中各个正极节点的电压。

进一步的，通过对采样模块内各个采样单元阻值设计，使得在电池组701空载的情况下，通过各个采样单元进入到MCU控制器705的电压全部相等。具体的，采样单元可分为连接节点V1的第一采样单元、连接节点V2的第二采样单元、连接节点V3的第三采样单元和连接节点V4的第四采样单元。其中V0节点的电压值为定值，不会随着电池单元702的插入而发生变化，因此在一种实施例中无需采集V0节点的电压值，直接将V0节点的电压值记录在MCU控制器705中即可。

第四采样单元包括四级平衡电阻、导出分压电阻、导入分压电阻和滤波电容。四级平衡电阻的一端连接节点V4，另一端连接分别连接导出分压电阻和导入分压电阻的一端；导出分压电阻的另一端接地，导入分压电阻的另一端连接MCU控制器705的输入端。滤波电容的一端连接MCU控制器705的输入端，另一端接地。

第三采样单元包括三级平衡电阻、导出分压电阻、导入分压电阻和滤波电容。三级平衡电阻的一端连接节点V3，另一端连接分别连接导出分压电阻和导入分压电阻的一端；导出分压电阻的另一端接地，导入分压电阻的另一端连接MCU控制器705的输入端。滤波电容的一端连接MCU控制器705的输入端，另一端接地。

第二采样单元包括二级平衡电阻、导出分压电阻、导入分压电阻和滤波电容。二级平衡电阻的一端连接节点V2，另一端连接分别连接导出分压电阻和导入分压电阻的一端；导出分压电阻的另一端接地，导入分压电阻的另一端连接MCU控制器705的输入端。滤波电容的一端连接MCU控制器705的输入端，另一端接地。

第一采样单元包括一级平衡电阻、导出分压电阻、导入分压电阻和滤波电容。一级平衡电阻的一端连接节点V1，另一端分别连接导出分压电阻和导入分压电阻的一端；导出分压电阻的另一端接地，导入分压电阻的另一端连接MCU控制器705的输入端。滤波电容的一端连接MCU控制器705的输入端，另一端接地。

具体的，四级平衡电阻的电阻阻值是导流电阻阻值的四倍，三级平衡电阻的电阻阻值是导流电阻阻值的三倍，二级平衡电阻的电阻阻值是导流电阻阻值的二倍，一级平衡电阻的电阻阻值和导流电阻阻值相等。同时第一采集单元、第二采集单元、第三采集单元和第四采样单元中的导入分压电阻和导出分压电阻的阻值都和导流电阻阻值相等。因此在空载情况下，MCU控制器705连接在节点V1、V2、V3和V4的输入端的输入电压都相等，均为五分之一的充电电路输入电压。另外的，节点V0和接地线之间串联有等于导流电阻阻值的接地分压电阻。因此节点V0的输入电压值恒等于五分之一的充电电路输入电压。因此MCU控制器705可以直接将获得的五分之一的充电电路输入电压直接记录为节点V0的电压值，因此MCU控制器705无需实时获取节点V0的电压值。

在依次检测电池组701内各个对应节点的电压时，首先MCU控制器705将输出控制信号，将连接在节点V4的进电单元和连接在节点V0上的出电单元导通。导通后，节点V4、V3、V2、V1和V0均被导通。之后MCU控制器705依次获取节点V0和V1之间、节点V1和V2之间、节点V2和V3之间以及节点V3和V4之间的电压。

S2、基于对应节点的电压差计算电池数量；

MCU控制器705将节点V0和V1之间、节点V1和V2之间、节点V2和V3之间以及节点V3和V4之间的电压依次做差。若差值等于0，则表明对应节点之间不存在电池。若节点之间的差值大于0，则表明对应节点之间存在电池单元702。因此当节点V0和V1之间、节点V1和V2之间、节点V2和V3之间以及节点V3和V4之间的差值均大于0时，则表明有四节电池；当节点V0和V1之间、节点V1和V2之间和节点V2和V3之间的差值均大于0时，则表明有三节电池；当节点V0和V1之间和节点V1和V2之间的差值均大于0时，则表明有两节电池；仅当节点V0和V1之间的差值均大于0时，则表明有一节电池；若当所有对应节点之间的差值等于0时，则表明没有电池。

电池单元702的电压大小和对应节点的电压差值呈正相关。因此MCU通过计算获取对应节点之间电压差的大小，通过参数的转换能够计算出电池单元702中电压的大小。

S3、判断电池数量是否等于零，若等于零则输出报错信息，否则执行步骤S4；

具体的，报错信息可以是通过指示灯输出灯光信息也可以是通过蜂鸣器输出的声音信息。指示灯或者蜂鸣器可以通过连接在MCU控制器705的输出端上，受MCU控制器705控制启闭。

S4、开启充电回路，使得电池单元702同步充电；

MCU控制器705根据电池数量对应开启充电回路。即当电池数量为1时，将连接在节点V1的进电单元和连接在节点V0上的出电单元导通；当电池数量为2时，将连接在节点V2的进电单元和连接在节点V0上的出电单元导通；当电池数量为3时，将连接在节点V3的进电单元和连接在节点V0上的出电单元导通；当电池数量为4时，将连接在节点V1的进电单元和连接在节点V4上的出电单元导通。

S5、基于对应节点的电压差获得电池单元702的电压，判断电池组701中是否存在电池单元702到达电压阀值；

MCU控制器705将节点V1之间、节点V1和V2之间、节点V2和V3之间以及节点V3和V4之间的电压依次做差，并依次通过对应参数的计算获得各个电池单元702的电压。

S6、切换电池组701的充电回路，使得充电电流不经过到达阀值的电池单元702。

当检测到其中一个电池单元702达到电压阈值后，MCU控制器705将切换电池组701的充电回路。

步骤S6包括以下步骤：

S61、将电池组701内未到达阈值的电池单元702的正极的进电单元和负极的出电单元接通；

S62、将接通且连接于电池组701同一节点的进电单元和出电单元同时切断。

举个例子，当电池组701中节点V1和V2之间的电池单元702充电到达阈值后，则在步骤S61中，节点V0和V1之间、节点V2和V3之间以及节点V3和V4之间的电池单元702未到达阀值，因此这三组电池单元702的正极的进电单元和负极的出电单元接通。即V1、V3和V4节点的进电单元将被接通；同时V0、V2和V3节点的出电单元也将被接通。

而到了步骤S61后，由于节点V3上的进电单元和出电单元同时接通，因此将被同时切断。因此最后只剩下V1和V4节点的进电单元将被接通，V0和V2节点的出电单元被接通。实现了对剩下三节未到达阈值的电池单元702同步充电。

当然当剩下的电池单元702到达电压阈值后，MCU控制器705会重复步骤S61和步骤S62，实现对未到达阈值的电池单元702同步充电。

具体的，进电单元包括具有控制端的进电开关元件以及连接于进电开关元件控制端的正调控件；出电单元包括具有控制端的出电开关元件以及连接于出电开关元件控制端的负调控元件；MCU控制器705输出控制信号至正调控件和负调控件，控制输入进电开关元件和出电开关元件的控制端高低电平。本实施例中，电开关元件和出电开关元件均采用MOS管。MOS管电流经过时产生的压降小，使得进电开关元件和出电开关元件消耗的电源功率小。

四组的正调控件电路结构相同，以其中一个为例。正调控件包括进N型三极管、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；第一分压电阻的一端连接充电电路的输出端，另一端分别连接第二分压电阻的一端和进电开关元件的控制端；第二分压电阻的另一端连接进N型三极管的集电极，进N型三极管的发射极连接地线；第三分压电阻的一端连接MCU控制器705的输出脚，另一端分别连接第四分压电阻的一端和进N型三极管的基极；第四分压电阻的另一端连接地线。

四组的负调控件电路结构也相同，以其中一个为例。负调控件包括出P型三极管、出N型三极管、第五分压电阻、第六分压电阻、第七分压电阻、第八分压电阻、第九分压电阻和第十分压电阻；所述出P型三极管的发射极连接电源电压VIN，所述出P型三极管的集电极连接第五分压电阻的一端，第五分压电阻的另一端分别连接第六分压电阻的一端和出电开关元件的控制端；第六分压电阻的另一端用于连接地线；所述第七分压电阻的一端连接电源电压VIN，另一端分别连接第八分压电阻的一端和出P型三极管的基极；第八分压电阻的另一端连接出N型三极管的集电极，出N型三极管的发射极连接地线；第九分压电阻的一端连接MCU控制器705的输出脚，另一端分别连接第十分压电阻的一端和出N型三极管的基极；第十分压电阻的另一端连接地线。

进一步的，电池单元702的正极节点和进电开关元件之间均设置有进电二极管；所述电池单元702的负极节点和出电开关单元之间均设置有出电二极管。进电二极管控制电流方向，避免出现对电池倒充电的情况。

本发明的工作过程和有益效果如下：

MCU控制器705通过采样电路706获取电池组701内的各个节点的电压值，并进行电压差的计算获得各个电池单元702的电压。当检测到电池单元702的电压值到达阈值时，则MCU控制通过控制正向开关电路703和负向开关电路704通断，使得充电电流不再通过到达阈值电压的电池单元702。因此方案仅通过通断开关电路对充电电流流动的控制，使用较简单的电路结构就达到了避免了电池单元702过度充电实现平衡充的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电池组平衡充电方法，其特征在于：包括：

S1、检测电池组（701）内依次串连形成的多个电池单元（702）的节点电压；

S2、基于对应节点的电压差计算所述电池单元（702）的电池数量；

S3、判断所述电池单元（702）的电池数量是否等于零；S3的判断若为0，输出报错信息；

S4、基于S3的判断若不为0，开启充电回路，使得所述电池单元（702）同步充电；

S5、基于对应节点的电压差获得个别电池单元（702）的电压，判断所述电池组（701）中是否存在电池单元到达电压阀值；

S6、切换所述电池组（701）的充电回路，使得充电电流不经过到达阀值的电池单元；

其中，步骤S6包括以下步骤：

S61、将所述电池单元（702）内未到达阈值的电池单元的正极的进电单元和负极的出电单元接通；

S62、将接通且连接于所述电池单元（702）同一节点的进电单元和出电单元同时切断；MCU控制器(705)重复步骤S61和步骤S62，实现对未到达阈值的电池单元的同步充电；

使用的电池组平衡充电系统包括：

MCU控制器（705），分别耦接于进电控制端和出电控制端，用于输出控制所述进电单元和所述出电单元通断的控制信号；

采样电路（706），包括分别电连接所述电池组（701）内的正极节点和所述MCU控制器（705）的采样单元，用于获取所述电池组（701）的正极节点的电压并转化向所述MCU控制器（705）输出；

所述进电单元包括具有控制端的进电开关元件以及连接于进电开关元件控制端的正调控件；

所述出电单元包括具有控制端的出电开关元件以及连接于所述出电开关元件控制端的负调控件；

所述MCU控制器（705）输出控制信号至所述正调控件和所述负调控件，控制输入所述进电开关元件和所述出电开关元件的控制端高低电平；

所述采样电路（706）内的各个采样单元内均设置有使得在空载情况下进入到所述MCU控制器（705）的电压全部相等的平衡电阻；

所述电池单元（702）的正极节点和所述进电开关元件之间均设置有进电二极管；所述电池单元（702）的负极节点和所述出电开关元件之间均设置有出电二极管；所述进电二极管控制电流方向，以避免出现对电池倒充电；

所述电池组（701）内相邻的节点之间均并联有阻值相同的导流电阻，在所述电池组（701）内未放置电池单元时，所述MCU控制器（705）通过所述采样电路（706）获得易检测的电压值。

2.一种应用于权利要求1所述的电池组平衡充电方法的电池组平衡充电系统，其特征在于，还包括：

电池组（701），包括若干的依次串联的电池单元（702）；

正向开关电路（703），包括分别耦接电池单元（702）正极节点和充电电路的输出端且具有进电控制端的进电单元；

负向开关电路（704），包括分别连接所述电池单元（702）的负极节点和接地电压且具有出电控制端的出电单元。

3.根据权利要求2所述的电池组平衡充电系统，其特征在于：所述进电开关元件和所述出电开关元件均采用MOS管。

4.根据权利要求2所述的电池组平衡充电系统，其特征在于：所述正调控件包括进N型三极管、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；

所述第一分压电阻的一端连接所述充电电路的输出端，另一端分别连接第二分压电阻的一端和进电开关元件的控制端；

第二分压电阻的另一端连接进N型三极管的集电极，进N型三极管的发射极连接地线；

第三分压电阻的一端连接MCU控制器（705）的输出脚，另一端分别连接第四分压电阻的一端和进N型三极管的基极；

第四分压电阻的另一端连接地线。

5.根据权利要求2所述的电池组平衡充电系统，其特征在于：所述负调控件包括出P型三极管、出N型三极管、第五分压电阻、第六分压电阻、第七分压电阻、第八分压电阻、第九分压电阻和第十分压电阻；

所述出P型三极管的发射极连接电源电压VIN，所述出P型三极管的集电极连接第五分压电阻的一端，第五分压电阻的另一端分别连接第六分压电阻的一端和出电开关元件的控制端；

第六分压电阻的另一端用于连接地线；

所述第七分压电阻的一端连接电源电压VIN，另一端分别连接第八分压电阻的一端和出P型三极管的基极；

第八分压电阻的另一端连接出N型三极管的集电极，出N型三极管的发射极连接地线；

第九分压电阻的一端连接MCU控制器（705）的输出脚，另一端分别连接第十分压电阻的一端和出N型三极管的基极；

第十分压电阻的另一端连接地线。

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