CN110620413A - 电池系统的能量均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池系统的能量均衡电路，包括：控制模块、电池选择模块和均衡模块，均衡模块包括储能单元和开关单元，储能单元的使能端通过开关单元与控制模块相连，电池选择模块的一端与控制模块相连，电池选择模块的另一端分别与储能单元的能量传输端和开关单元相连，控制模块获取电池系统中的每个电池的电压值，比较任意两个电池的电压值的大小，得到电压差值，当电压差值大于预设阈值时，确定电压差值大于预设阈值对应的两个电池均为均衡电池，控制模块将均衡电池中的高电压对应的电池中的均衡能量存储至储能单元，然后将储能单元的能量分配至均衡电池中的低电压对应的电池，实现能量的双向均衡，提高了能量均衡的效率。

Description

电池系统的能量均衡电路

技术领域

本发明涉及电池能量均衡技术领域，具体涉及一种电池系统的能量均衡电路。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、重量轻、绿色环保等特点，在新能源汽车及电力储能领域应用迅速拓展。在一个电池系统中，要用大量的单体电芯通过串、并联方式集成，然而，锂离子电池还存在一些弱点，诸如过充电、过放电、低温应用限制等。电池内在参数的离散性及组成电池包时的荷电状态的不一致，都会对电池系统的使用形成潜在危害。电池管理系统就是要把系统中所有单体电池的电压、温度，及充放电状态进行采集、管理、控制，通过对电池的均衡控制，使电池系统始终处于最佳状态。

电阻放电型在均衡过程中，能量消耗在电阻上，会产生大量的热，存在安全隐患，电阻均衡方式一般均衡电流都很小，均衡效果较差。电容型均衡电路，由于电池的电压差只有几十毫伏，电容充放电能量也很小，此方法的均衡效果有限，导致能量耗散较多。共变压器型均衡缺点是当电压比较高、电池组串联电池数量比较多的时候，变压器的副边绕组的精确匹配难度就会较大，变压器的漏感所造成的电压差也很难补偿，元件多，体积大不易于模块化，开关管耐压高，能量耗散较高。电感升降压式变换型均衡技术，因结构比较简单，不适用于串联电池组数目较多的场合，在电池组数目较多时，能量耗散较高。

上述无论哪种形式的均衡电路，只能实现对能量的有限量均衡，并使部分能量耗散，对电池的使用寿命产生一定的损害，导致能量均衡效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电池系统的能量均衡电路，以实现能量的双向均衡，提高能量均衡的效率。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种电池系统的能量均衡电路，包括：控制模块、电池选择模块和均衡模块；

所述均衡模块包括储能单元和开关单元；

所述储能单元的使能端通过所述开关单元与所述控制模块相连；

所述电池选择模块的一端与所述控制模块相连，所述电池选择模块的另一端与所述储能单元的能量传输端相连；

所述控制模块获取所述电池系统中的每个电池的电压值，比较任意两个所述电池的电压值的大小，得到电压差值，当所述电压差值大于预设阈值时，确定所述电压差值大于所述预设阈值对应的两个所述电池均为均衡电池；

所述控制模块发送高电压选择信号至所述电池选择模块，发送充电信号至所述开关单元，使所述均衡电池中的高电压对应的电池与所述储能单元导通，使所述高电压对应的电池中的均衡能量存储至所述储能单元；

所述控制模块发送低电压选择信号至所述电池选择模块，发送放电信号至所述开关单元，所述均衡电池中的低电压对应的电池与所述储能单元导通，使所述储能单元将所述均衡能量分配至所述低电压对应的电池，以实现能量的双向均衡。

可选的，上述所述储能单元包括升压储能电感、第一升压续流开关管、第一降压整流开关管、第一储能电容和第二储能电容；

所述升压储能电感一端与所述电池选择模块相连，所述升压储能电感的另一端分别与所述第一升压续流开关管的第三端和所述第一降压整流开关管的第二端相连；

所述第一升压续流开关管的第一端与所述开关单元相连，第二端分别与所述第二储能电容和所述电池选择开关模块相连；

所述第二储能电容与所述第一储能电容串联，所述第一储能电容还与所述第一降压整流开关管的第三端相连；

所述第一降压整流开关管的第一端与所述开关单元相连；

所述控制模块发送高电压选择信号至所述电池选择模块，所述均衡电池中的高电压对应的电池与所述升压储能电感导通，使所述均衡能量存储至所述升压储能电感；

所述控制模块发送充电导通信号至所述开关单元，所述控制模块均与所述第一升压续流开关管和所述第一降压整流开关管导通，所述控制模块发送充电使能信号至所述第一升压续流开关管和所述第一降压整流开关管，使所述升压储能电感中的均衡能量存储至所述第一储能电容和所述第二储能电容；

所述控制模块发送低电压选择信号至所述电池选择模块，所述均衡电池中的低电压对应的电池与所述升压储能电感导通；

所述控制模块发送放电导通信号至所述开关单元，所述控制模块均与所述第一升压续流开关管和所述第一降压整流开关管导通，所述控制模块发送放电使能信号至所述第一升压续流开关管和所述第一降压整流开关管，使所述第一储能电容和所述第二储能电容中的所述均衡能量分配至所述均衡电池中的低电压对应的电池。

可选的，上述所述储能单元还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管和第二二极管；

所述第五电阻和所述第二二极管均并联于所述第一储能电容两端；

所述第六电阻和所述第一二极管均并联于所述第二储能电容两端；

所述第一电阻串联于所述开关单元与所述升压续流开关管的第一端之间，所述第二电阻串联于所述升压续流开关管的第一端与所述电池选择开关模块之间；

所述第三电阻串联于所述开关单元与所述降压整流开关管的第一端之间，所述第四电阻串联于所述降压整流开关管的第一端与所述升压储能电感之间。

可选的，上述所述储能单元包括变压器、第二升压续流开关管、第二降压整流开关管、第三储能电容和第四储能电容；

所述变压器的初级线圈分别与所述开关单元和所述第二升压续流开关管的第三端相连；

所述变压器的次级线圈分别与所述第三储能电容和所述第二降压整流开关管的第三端相连；

所述第二升压续流开关管的第一端分别与所述开关单元、所述电池选择模块和所述第四储能电容相连；

所述第二降压整流开关管的第一端分别与所述开关单元、所述电池选择模块和所述第四储能电容相连；

所述第三储能电容和所述第四储能电容串联。

可选的，上述所述储能单元还包括：第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第三二极管和第四二极管；

所述第十五电阻和所述第四二极管均并联于所述第三储能电容两端；

所述第十六电阻和所述第三二极管均并联于所述第四储能电容两端；

所述第十一电阻串联于所述开关单元与所述第二升压续流开关管的第一端之间，所述第十二电阻串联于所述第二升压续流开关管的第一端与所述电池选择开关模块之间；

所述第十三电阻串联于所述开关单元与所述第二降压整流开关管的第一端之间，所述第十四电阻串联于所述第二降压整流开关管的第一端与所述电池选择开关模块之间；

所述第七电阻串联于所述第二升压续流开关管的第二端与所述电池选择模块之间，所述第八电阻并联于所述第七电阻的两端；

所述第九电阻串联于所述第二降压整流开关管的第二端与所述电池选择模块之间，所述第十电阻并联于所述第九电阻的两端。

可选的，上述所述开关单元包括第一触发开关、第二触发开关和预充电路；

所述第一触发开关串联于所述储能单元和所述控制模块之间；所述第二触发开关串联于所述储能单元和所述控制模块之间；

所述预充电路分别与所述第一触发开关、所述第二触发开关和所述储能单元相连。

可选的，上述所述控制模块包括控制单元和电池监控单元；

所述控制单元通过所述电池监控单元与所述电池系统中的电池相连；

所述电池监控单元获取所述电池系统中的每个电池的电压值，并将所述每个电池的电压值发送至所述控制单元；

所述控制单元比较任意两个所述电池的电压值的大小，得到电压差值，当所述电压差值大于预设阈值时，确定所述电压差值大于所述预设阈值对应的两个所述电池均为均衡电池，发送选择指令至所述电池选择模块；

所述电池选择模块选择所述均衡电池，所述控制单元发送触发指令至所述开关单元，所述控制单元与所述储能单元导通，所述控制单元将所述均衡电池中的高电压对应的电池的均衡能量存储至所述储能单元，并将所述均衡能量分配至所述均衡电池中的低电压对应的电池，以实现能量的双向均衡。

可选的，上述所述电池选择模块包括电池选择开关矩阵；

所述电池选择开关矩阵包括至少一个电子开关；

所述电池选择开关的一端与所述控制模块相连，所述电池选择开关的另一端分别与所述电池系统中的电池、所述开关单元和储能单元相连；

所述控制模块发送选择指令至所述电子开关和所述开关单元，以使所述电子开关对应的电池进行能量均衡。

可选的，上述所述电池选择模块还包括极性选择单元；

所述极性选择单元与所述电子开关的输出端相连，以使所述电子开关对应的电池的极性一致。

可选的，上述所述电子开关包括双组合场效应管和光伏光耦；

所述双组合场效应管的一端与所述电池系统中的电池相连，所述双组合场效应管的另一端与所述光伏光耦的一端相连，所述光伏光耦的另一端与所述控制模块相连；

所述双组合场效应管用于阻止电流双向流动，所述光伏光耦用于驱动所述双组合场效应管工作。

本发明的一种电池系统的能量均衡电路，包括：控制模块、电池选择模块和均衡模块，均衡模块包括储能单元和开关单元，储能单元的使能端通过开关单元与控制模块相连，电池选择模块的一端与控制模块相连，电池选择模块的另一端与储能单元的能量传输端相连；控制模块获取电池系统中的每个电池的电压值，比较任意两个电池的电压值的大小，得到电压差值，当电压差值大于预设阈值时，确定电压差值大于预设阈值对应的两个电池均为均衡电池，控制模块发送高电压选择信号至电池选择模块，发送充电信号至所述开关单元，使高电压对应的电池中的均衡能量存储至储能单元，当均衡能量存储至储能单元后，控制模块发送低电压选择信号至电池选择模块，发送充电信号至所述开关单元，均衡电池中的低电压对应的电池与储能单元导通，使储能单元将均衡能量分配至低电压对应的电池，以实现能量的双向均衡。控制模块通过储能单元可以实现将均衡电池的高电压对应的均衡能量存储至储能单元，而为了避免对能量造成浪费，同时又将存储于储能单元的均衡能量分配至低电压对应的均衡电池，间接地实现了将高出的均衡能量分配至能量较低的均衡电池，使得实现了能量之间的相互转移，避免了高电压部分对应能量的直接耗散，通过均衡能量转移实现双向主动均衡，可以一定程度上延长电池的使用寿命，有效地提高了能量均衡的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种电池系统的能量均衡电路的结构示意图。

图2是图1中的控制模块的第一部分的电路连接原理图。

图3是图1中的控制模块的第二部分的电路连接原理图。

图4是图1中的控制模块的第三部分的电路连接原理图。

图5是图1中的均衡模块的电路连接原理图。

图6是图5中的第一触发开关的电路连接原理图。

图7是图5中的第二触发开关的电路连接原理图。

图8是图5中的预充电路的电路连接原理图。

图9是图5中的储能单元的一种电路原理示意图。

图10是图5中的储能单元的另一种电路原理示意图。

图11是图1中的电池选择模块的电路连接原理图。

图12是图11中的电池选择开关矩阵的部分结构示意图。

图13是图11中的极性选择单元的第一部分的结构示意图。

图14是图11中的极性选择单元的第二部分的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明实施例提供的一种电池系统的能量均衡电路的结构示意图。

如图1所示，本实施例的一种电池系统的能量均衡电路，包括：控制模块01、电池选择模块02和均衡模块03，其中，均衡模块03包括开关单元031和储能单元032，储能单元032的使能端通过开关单元031与控制模块01相连，电池选择模块02的一端与控制模块01相连，电池选择模块02的另一端与储能单元032的能量传输端相连，控制模块01获取电池系统中的每个电池的电压值，比较任意两个电池的电压值的大小，得到电压差值，当电压差值大于预设阈值时，确定电压差值大于预设阈值对应的两个电池均为均衡电池，控制模块01发送高电压选择信号至电池选择模块02，发送充电信号至开关单元031，使均衡电池中的高电压对应的电池与储能单元032导通，使高电压对应的电池中的均衡能量存储至储能单元032，当均衡能量存储至储能单元032后，控制模块01发送低电压选择信号至电池选择模块02，发送放电信号至开关单元031，均衡电池中的低电压对应的电池与储能单元032导通，使储能单元032将均衡能量分配至低电压对应的电池，以实现能量的双向均衡。

在一个具体的实现过程中，电池系统通常会包括多节电池，而无论是在对电池系统进行充电或是电池系统进行放电时，都需要尽可能的去保证电池系统中的每个电池的电压保持一致，保持一致可以是完全相同，也可以是两者之间存在一定的差值，而该差值即为所描述的预设阈值，预设阈值为用户根据电池系统的实际情况所自行确定的，例如，在本实施例中，设定预设阈值为40毫伏(mv)，当控制模块01检测到电池系统中的任意两个电池的电压差值达到40毫伏时，表明达到了之前设定的阈值，则为了保证对电池系统的最小损耗，开始能量均衡，均衡的方式在大的理论上可以理解为，将能量高的电池中的能量转移出一部分至储能单元032，然后再通过储能单元032，转移一部分能量至能量低的电池，使得能量不会进行耗散，实现了主动均衡。而从高电压中的电池转移出的能量的多少，不是固定值，也可以是用户自行进行确定的，同样也不是一次性转移完成的，例如当检测到均衡电池后，选择从高电压对应的电池中转移5毫伏至储能单元032，然后过段时间再进行检测，使得一步一步地进行，如此便可以尽可能的去保证了使两者均衡，而避免转移完之后的同一电池从相反的方向出现异常。均衡电路的作用就是把同一时刻荷电量高(高电压)的电池的能量放出一部分，同时将能量补充到荷电量低(低电压)的电池，把高出的能量消耗掉，通常称为被动式均衡。而本发明则是把高出的能量存入储能单元032，通过控制手段，再把能量输送到需要补充能量的电池，能量在转换的过程中没有消耗，称为主动式均衡。而本发明中的能量可以转移，而且在充电和放电的过程中均可以使用，实现了双向的主动均衡，使得避免了能量的耗散。

图2是图1中的控制模块的第一部分的电路连接原理图，图3是图1中的控制模块的第二部分的电路连接原理图，图4是图1中的控制模块的第三部分的电路连接原理图。

具体的，如图1、图2、图3和图4所示，控制模块01为整个均衡系统的控制核心，采用单片机多为本系统的控制核心，型号为STM32F107VCT6，需要指出的是具体的型号只是列举对本实施例的详细说明，对本方案并没有任何的实际的限定作用，当然也可以采用其他的控制方式，不再进行详细的一一说明。控制模块01包括控制单元和电池监控单元，控制单元通过电池监控单元与电池系统中的电池相连，电池监控单元获取电池系统中的每个电池的电压值，并将每个电池的电压值发送至控制单元，控制单元比较任意两个电池的电压值的大小，得到电压差值，当电压差值大于预设阈值时，确定电压差值大于预设阈值对应的两个电池均为均衡电池，发送选择指令至电池选择模块02，电池选择模块02选择均衡电池，控制单元发送触发指令至所述开关单元031，控制单元与储能单元032导通，控制单元将均衡电池中的高电压对应的电池的均衡能量存储至储能单元032，并将均衡能量分配至均衡电池中的低电压对应的电池，以实现能量的双向均衡。其中控制单元即为图2中单片机STM32F107VCT6，电池监控单元即为ML5238芯片，其两者工作的具体的外围电路，可参照附图进行理解。而为了获得电池系统中每一个电池的电压值，选用ML5238芯片与单片机配合获取并进行比较，ML5238芯片是一款用于16芯锂离子电池组二级保护系统的模拟前端(此处所讲的模拟前端是指在对信号源进行模数转换前进行的信号放大、降噪等处理单元)。ML5238锂电池组监控芯片具有逐节电池电压监控、充放电电流监控功能。与外部单片机配合使用可保护每节电池免受过充电、过放电、过电流造成的损害。此外，它还具有短路电流检测功能，当检测到短路时，ML5238在无需外部单片机干预的情况下可以主动关断充电/放电的电路，保护电池组及系统的安全。ML5238的内部包含多个控制及状态寄存器，有电压监测寄存器、电流监测寄存器、充放电控制寄存器、状态寄存器、充放电监测寄存器、内部状态寄存器或各节电池平衡开关控制寄存器等。通过ML5238芯片与单元机的配合使得可以清楚地快速地查询到均衡电池，便可以及时地对均衡电池进行均衡处理，关于控制模块01的具体的详细的电路连接原理示意图，可参照图2、图3和图4进行理解说明，例如，图2中所示PAX，X为1....15，表示图中的引脚的功能序号，TCX、LEDX、ENX，X为1、2、3....等，均为表示的芯片的引脚的连接关系，以PA1为例进行举例说明，图2中的PA1对应的单片机的23引脚，与TC8引脚相连，关于单片机以及其他电路的引脚的具体连接关系可以参照附图进行理解，不再对其所有引脚的连接关系进行详细的一一说明。而且各个部分经过仿真测试，可以精准无误的实现，根据各个引脚的电路连接关系图所焊接出来的成品，也同样可以实现本发明的目的，可以高效的完成主动均衡。

本实施例的一种电池系统的能量均衡电路，包括：控制模块01、电池选择模块02和均衡模块03，均衡模块03包括储能单元032和开关单元031，储能单元032的使能端通过开关单元031与控制模块01相连，电池选择模块02的一端与控制模块01相连，电池选择模块02的另一端与储能单元032的能量传输端相连；控制模块01获取电池系统中的每个电池的电压值，比较任意两个电池的电压值的大小，得到电压差值，当电压差值大于预设阈值时，确定电压差值大于预设阈值对应的两个电池均为均衡电池，控制模块01发送高电压选择信号至电池选择模块02，使均衡电池中的高电压对应的电池与储能单元032导通，控制模块01发送充电导通信号至开关单元031，控制模块01与储能单元032导通，控制模块01发送充电使能信号至储能单元032，使高电压对应的电池中的均衡能量存储至储能单元032，当均衡能量存储至储能单元032后，控制模块01发送低电压选择信号至电池选择模块02，均衡电池中的低电压对应的电池与储能单元032导通，控制模块01发送放电导通信号至开关单元031，控制模块01与储能单元032导通，控制模块01发送放电使能信号至储能单元032，使储能单元032将均衡能量分配至低电压对应的电池，以实现能量的双向均衡。控制模块01通过储能单元032可以实现将均衡电池的高电压对应的均衡能量存储至储能单元032，而为了避免对能量造成浪费，同时又将存储于储能单元032的均衡能量分配至低电压对应的均衡电池，间接地实现了将高出的均衡能量分配至能量较低的均衡电池，使得实现了能量之间的相互转移，避免了高电压部分对应能量的直接耗散，通过均衡能量转移实现双向主动均衡，有效地提高了能量均衡的效率。

图5是图1中的均衡模块的电路连接原理图。

如图1-图5所示，均衡模块03包括储能单元032和开关单元031，开关单元031控制着控制模块01与储能单元032的导通与截止，控制模块01为储能单元032提供使能，使得将能量更好的从高电压的电池转移至储能单元032，然后再从储能单元032转移至低电压对应的电池，而关于开关单元031的具体的详细的电路连接关系，在本实施例中不再进行详尽的说明，可以参照附图进行理解。附图中的角标仅是为了表明芯片的引脚关系，每个元器件对应的名称也是为了便于理解每个元器件的含义，Rx表示电阻，VCC表示电源，Lx表示电感，Cx表示电容x为1、2、3...等，使得可以更加快速地了解每一个元器件的具体功能。

进一步地，如图1、图5、图6、图7和图8所示，开关单元031包括第一触发开关0311、第二触发开关0312和预充电路0313，其中，第一触发开关0311串联于储能单元032和控制模块01之间，第二触发开关0312串联于储能单元032和控制模块01之间，预充电路0313分别与第一触发开关0311、第二触发开关0312和储能单元032相连。第一触发开关0311和第二触发开关0312均在单片机的控制作用下工作，如图5所示，预充电路0313的作用是保证第一储能电容C1和第二储能电容C2的基本工作电压，也可理解为使得第一储能电容C1和第二储能电容C2处于工作状态所必须的外部条件，起到准备工作的作用。第一触发开关0311和第二触发开关0312可以在单片机的电流或电压的控制作用下实现导通或截止，更好地控制能量的转移，更好地简化了电路的构成，关于第一触发开关0311、第二触发开关0312和预充电路0313的详细的电路连接关系，不再进行详细的阐述说明，可参照图5、图6、图7和图8进行理解。

图9是图5中的储能单元的一种电路原理示意图。

具体的，如图1-图9所示，储能单元032包括升压储能电感L1、第一升压续流开关管Q1、第一降压整流开关管Q2、第一储能电容C1和第二储能电容C2，其中，升压储能电感L1一端与电池选择模块02相连，升压储能电感L1的另一端分别与第一升压续流开关管Q1的第三端和第一降压整流开关管Q2的第二端相连，第一升压续流开关管Q1的第一端与开关单元031相连，第二端分别与第二储能电容C2和电池选择开关模块相连，第二储能电容C2与第一储能电容C1串联，第一储能电容C1还与第一降压整流开关管Q2的第三端相连，第一降压整流开关管Q2的第一端与开关单元031相连。储能单元032还包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1和第二二极管D2，其中，第五电阻R5和第二二极管D2均并联于第一储能电容C1两端，第六电阻R6和第一二极管D1均并联于第二储能电容C2两端，第一电阻R1串联于开关单元031与升压续流开关管的第一端之间，第二电阻R2串联于升压续流开关管的第一端与电池选择模块02之间，第三电阻R3串联于开关单元031与降压整流开关管的第一端之间，第四电阻R4串联于降压整流开关管的第一端与升压储能电感L1之间。DRV为储能单元032的使能端，控制模块01通过使能端控制能量的均衡过程和路径。

根据电容器能量计算公式E＝¹/₂V²C，其中，E为电容器储存的能量，单位为焦耳；V为电容器两端电压，单位为伏特；C为电容量，单位为法拉。磷酸铁锂电池标称电压为3.2V，其充电截止电压为3.65V，放电截止电压为2.5V，在充电过程中，电池电压差值超过40毫伏，开始均衡操作，同样在放电过程中，也是差值超过40毫伏开启均衡。对应100Ah容量的磷酸铁锂电池，相差40毫伏的容量差约3.5Ah，如果用2A电流的均衡电路，需1.75小时才能补足，一个电池系统一般由12～16节电池组成，如果每个电池系统有4节以上的电池出现较大的差别，完成一个电池包的均衡大约7个小时。本发明从荷电量高的电芯取出能量的方法，是利用升压电路，将电压升到10V以上，储存到储能电容即第一储能电容C1和第二储能电容C2上，比现有电容式均衡电路存储能量高出数百倍，释放放出的能量则高于现有电容型均衡电路数千倍。

而把电池高出的能量存到储能电容的工作过程：第一二极管D1，第二二极管D2，第五电阻R5，和第六电阻R6为构成储能电容均衡保护电路。当确定要把电池高出的能量存入第一储能电容C1和第二储能电容C2时，DRV1使能第一升压续流开关管Q1，使其工作在PWM模式，第一升压续流开关管Q1导通时，先将能量存入升压储能电感L1，第一升压续流开关管Q1关闭时，升压储能电感L1的能量通过第一降压整流开关管Q2转入到第一储能电容C1和第二储能电容C2，第一储能电容C1和第二储能电容C2上的电压与第一升压续流开关管Q1导通的占空比有关。

VC为第一储能电容C1或第二储能电容C2的电压；VB为电池上的电压；D为占空比；调节第一升压续流开关管Q1导通的占空比，可使第一储能电容C1或第二储能电容C2上的电压达到预期值。如果电池放出的电流为10A，通过升压储能电感L1的峰值电流为28A，电感量L＝(3.2*20*0.7)/28＝1.6uH，工作频率50KHz，开关管选择BSC0906NS，耐压30V，漏极电流63A。储能电容可以为超级电容SCRRV5R0505，耐压5.5V，容量5法拉，串联后，耐压11V，容量为2.5法拉，储存能量可满足32A持续2秒工作周期，大约200秒可完成电池容量差为3.5Ah的均衡。大大提高了均衡的速度，缩短了均衡的时间。

而把储能电容的能量放电至能量低的均衡电池的工作过程：选择开关选通荷电量低的电芯，DRV2给出PWM脉冲信号，第一降压整流开关管Q2工作在PWM状态，储能电容向电池放电，形成降压电路，此时，第一升压续流开关管Q1其到续流二级管的作用，随着储能电容电压的降低，第一降压整流开关管Q2的导通占空比加大，输出到电池的维持电压不变，第一升压续流开关管Q1和第一降压整流开关管Q2在不同的工作状态，表现的作用不同，能量既可以从电池流向储能电容，储能电容的能量也可流向电池，实现了双向均衡。

图10是图5中的储能单元的另一种电路原理示意图。

具体的，如图1-图10所示，本实施例的能量均衡电路，储能单元032包括变压器、第二升压续流开关管Q01、第二降压整流开关管Q02、第三储能电容C01和第四储能电容C02，其中，变压器的初级线圈T1A分别与开关单元031和第二升压续流开关管Q01的第三端相连，变压器的次级线圈T1D分别与第三储能电容C01和第二降压整流开关管Q02的第三端相连，第二升压续流开关管Q01的第一端分别与开关单元031、电池选择模块02和第四储能电容C02相连，第二降压整流开关管Q02的第一端分别与开关单元031、电池选择模块02和第四储能电容C02相连，第三储能电容C01和第四储能电容C02串联。储能单元032还包括：第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R01、第十二电阻R02、第十三电阻R03、第十四电阻R04、第十五电阻R05、第十六电阻R06、第三二极管D01和第四二极管D02，其中，第十五电阻R05和第四二极管D02均并联于第三储能电容C01两端，第十六电阻R06和第三二极管D01均并联于第四储能电容C02两端，第十一电阻R01串联于开关单元031与第二升压续流开关管Q01的第一端之间，第十二电阻R02串联于第二升压续流开关管Q01的第一端与电池选择模块02之间，第十三电阻R03串联于开关单元031与第二降压整流开关管Q02的第一端之间，第十四电阻R04串联于第二降压整流开关管Q02的第一端与电池选择模块02之间，第七电阻R7串联于第二升压续流开关管Q01的第二端与电池选择模块02之间，第八电阻R8并联于第七电阻R7的两端，第九电阻R9串联于第二降压整流开关管Q02的第二端与电池选择模块02之间，第十电阻R10并联于第九电阻R9的两端。

本实施例的原理基本为通过变压器充当中间媒介，来使得高出部分的能量存入第三储能电容C01和第四储能电容C02，并转移至能量低的电池，变压器通过初级线圈和次级线圈的作用，同样可以加大工作电流，提高均衡的效率，通过利用变压器形式的反激式电路也同样可以实现通过第三储能电容C01和第四储能电容C02对能量的双向转移。反激式电路最大的特点就是电路相对最简单，不会出现如桥式变换器那种共同导通的问题，因此在相同的技术条件下可靠性会比桥式变换器高。

图11是图1中的电池选择模块的电路连接原理图，图12是图11中的电池选择开关矩阵的部分结构示意图，图13是图11中的极性选择单元的第一部分的结构示意图，图14是图11中的极性选择单元的第二部分的结构示意图。

如图1-图12所示，本实施例中的能量均衡电路，电池选择模块02包括电池选择开关矩阵021，电池选择开关矩阵021包括至少一个电子开关，电池选择开关的一端与控制模块01相连，电池选择开关的另一端分别与电池系统中的电池、开关单元031和储能单元032相连，控制模块01发送选择指令至电子开关和开关单元031，以使电子开关对应的电池进行能量均衡。图12中仅为列出了部分的电池选择开关矩阵021的结构示意图，由于其余部分与之结构以及元器件完全相同，仅为连接单片机的引脚不同，因此不再对每一部分的图进行详细解释，其原理均相同，而且，具体的电池选择开关矩阵021的电子开关的具体数量，可以人为地根据电池系统来确定，因此只对其中的部分电子开关进行附图说明即可。电子开关包括双组合场效应管和光伏光耦，双组合场效应管的一端与电池系统中的电池相连，双组合场效应管的另一端与光伏光耦的一端相连，光伏光耦的另一端与控制模块01相连，双组合场效应管用于阻止电流双向流动，光伏光耦用于驱动双组合场效应管工作。简单的电路的结构和逻辑原理使得，可以更加高效的完成对电池的选择。开关矩阵使得可以准确快速的选择电池系统中的目标电池，电路结构简单，通过单片机控制给出电平的高低实现对电池系统中的电池的选择。如图11、图13和图14所示，为了使得保证其选择的电池与储能单元032连接一端的极性始终保持一致，即正极始终连接正极，负极始终连接负极，电池选择模块02还包括极性选择单元022，极性选择单元022与电子开关的输出端相连，以使电子开关对应的电池的极性一致。极性选择单元022连接于储能单元032与电池选择开关矩阵021之间，使得可以更好地保证极性的一致，使得避免出现对储能电容的工作干扰问题，一定程度上加快了均衡的速度和效率，减少了对储能电容的损伤与消耗。使得在电池使用的中后期，依旧可以实现均衡，有效地延长了电池的使用寿命，利用大电流参与均衡，均衡速度快，效果好，利用储能电容减小了储能单元032的体积，利用储能电容的存储特点，使得储能电容的充放电能力可以提高数百倍，利用电子开关的复用技术，有效地减少了元器件的数量，降低了生产的成本，提高了电池系统的可靠性。

需指出的是，在本实施例中电路连接部分的元器件较多，不再详细对各个元器件的连接关系进行一一说明，举例说明，例如，图4中的EN1表示该端与图2中的单片机的63引脚PC6相连，图4中的EN1对应的另一端标有SW1，在图11中，可以看到与电池选择开关矩阵中的其中一个电子开关相连，因此，每一个引脚都有着各自对应的连接关系，在附图中可以清晰的查看到，即使不对每一个引脚的连接关系进行说明，也可以准确的得知其连接关系。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种电池系统的能量均衡电路，其特征在于，包括：控制模块、电池选择模块和均衡模块；

所述均衡模块包括储能单元和开关单元；

所述储能单元的使能端通过所述开关单元与所述控制模块相连；

所述电池选择模块的一端与所述控制模块相连，所述电池选择模块的另一端与所述储能单元的能量传输端相连；

所述控制模块获取所述电池系统中的每个电池的电压值，比较任意两个所述电池的电压值的大小，得到电压差值，当所述电压差值大于预设阈值时，确定所述电压差值大于所述预设阈值对应的两个所述电池均为均衡电池；

所述控制模块发送高电压选择信号至所述电池选择模块，发送充电信号至所述开关单元，使所述均衡电池中的高电压对应的电池与所述储能单元导通，使所述高电压对应的电池中的均衡能量存储至所述储能单元；

所述控制模块发送低电压选择信号至所述电池选择模块，发送放电信号至所述开关单元，所述均衡电池中的低电压对应的电池与所述储能单元导通，使所述储能单元将所述均衡能量分配至所述低电压对应的电池，以实现能量的双向均衡。

2.根据权利要求1所述的能量均衡电路，其特征在于，所述储能单元包括升压储能电感、第一升压续流开关管、第一降压整流开关管、第一储能电容和第二储能电容；

所述升压储能电感一端与所述电池选择模块相连，所述升压储能电感的另一端分别与所述第一升压续流开关管的第三端和所述第一降压整流开关管的第二端相连；

所述第一升压续流开关管的第一端与所述开关单元相连，第二端分别与所述第二储能电容和所述电池选择开关模块相连；

所述第二储能电容与所述第一储能电容串联，所述第一储能电容还与所述第一降压整流开关管的第三端相连；

所述第一降压整流开关管的第一端与所述开关单元相连；

所述控制模块发送高电压选择信号至所述电池选择模块，所述均衡电池中的高电压对应的电池与所述升压储能电感导通，使所述均衡能量存储至所述升压储能电感；

所述控制模块发送充电导通信号至所述开关单元，所述控制模块均与所述第一升压续流开关管和所述第一降压整流开关管导通，所述控制模块发送充电使能信号至所述第一升压续流开关管和所述第一降压整流开关管，使所述升压储能电感中的均衡能量存储至所述第一储能电容和所述第二储能电容；

所述控制模块发送低电压选择信号至所述电池选择模块，所述均衡电池中的低电压对应的电池与所述升压储能电感导通；

所述控制模块发送放电导通信号至所述开关单元，所述控制模块均与所述第一升压续流开关管和所述第一降压整流开关管导通，所述控制模块发送放电使能信号至所述第一升压续流开关管和所述第一降压整流开关管，使所述第一储能电容和所述第二储能电容中的所述均衡能量分配至所述均衡电池中的低电压对应的电池。

3.根据权利要求2所述的能量均衡电路，其特征在于，所述储能单元还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管和第二二极管；

所述第五电阻和所述第二二极管均并联于所述第一储能电容两端；

所述第六电阻和所述第一二极管均并联于所述第二储能电容两端；

所述第一电阻串联于所述开关单元与所述升压续流开关管的第一端之间，所述第二电阻串联于所述升压续流开关管的第一端与所述电池选择开关模块之间；

所述第三电阻串联于所述开关单元与所述降压整流开关管的第一端之间，所述第四电阻串联于所述降压整流开关管的第一端与所述升压储能电感之间。

4.根据权利要求1所述的能量均衡电路，其特征在于，所述储能单元包括变压器、第二升压续流开关管、第二降压整流开关管、第三储能电容和第四储能电容；

所述变压器的初级线圈分别与所述开关单元和所述第二升压续流开关管的第三端相连；

所述变压器的次级线圈分别与所述第三储能电容和所述第二降压整流开关管的第三端相连；

所述第二升压续流开关管的第一端分别与所述开关单元、所述电池选择模块和所述第四储能电容相连；

所述第二降压整流开关管的第一端分别与所述开关单元、所述电池选择模块和所述第四储能电容相连；

所述第三储能电容和所述第四储能电容串联。

5.根据权利要求4所述的能量均衡电路，其特征在于，所述储能单元还包括：第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第三二极管和第四二极管；

所述第十五电阻和所述第四二极管均并联于所述第三储能电容两端；

所述第十六电阻和所述第三二极管均并联于所述第四储能电容两端；

所述第十一电阻串联于所述开关单元与所述第二升压续流开关管的第一端之间，所述第十二电阻串联于所述第二升压续流开关管的第一端与所述电池选择开关模块之间；

所述第十三电阻串联于所述开关单元与所述第二降压整流开关管的第一端之间，所述第十四电阻串联于所述第二降压整流开关管的第一端与所述电池选择开关模块之间；

所述第七电阻串联于所述第二升压续流开关管的第二端与所述电池选择模块之间，所述第八电阻并联于所述第七电阻的两端；

所述第九电阻串联于所述第二降压整流开关管的第二端与所述电池选择模块之间，所述第十电阻并联于所述第九电阻的两端。

6.根据权利要求1所述的能量均衡电路，其特征在于，所述开关单元包括第一触发开关、第二触发开关和预充电路；

所述第一触发开关串联于所述储能单元和所述控制模块之间；所述第二触发开关串联于所述储能单元和所述控制模块之间；

所述预充电路分别与所述第一触发开关、所述第二触发开关和所述储能单元相连。

7.根据权利要求1所述的能量均衡电路，其特征在于，所述控制模块包括控制单元和电池监控单元；

所述控制单元通过所述电池监控单元与所述电池系统中的电池相连；

所述电池监控单元获取所述电池系统中的每个电池的电压值，并将所述每个电池的电压值发送至所述控制单元；

所述控制单元比较任意两个所述电池的电压值的大小，得到电压差值，当所述电压差值大于预设阈值时，确定所述电压差值大于所述预设阈值对应的两个所述电池均为均衡电池，发送选择指令至所述电池选择模块；

所述电池选择模块选择所述均衡电池，所述控制单元发送触发指令至所述开关单元，所述控制单元与所述储能单元导通，所述控制单元将所述均衡电池中的高电压对应的电池的均衡能量存储至所述储能单元，并将所述均衡能量分配至所述均衡电池中的低电压对应的电池，以实现能量的双向均衡。

8.根据权利要求1所述的能量均衡电路，其特征在于，所述电池选择模块包括电池选择开关矩阵；

所述电池选择开关矩阵包括至少一个电子开关；

所述电池选择开关的一端与所述控制模块相连，所述电池选择开关的另一端分别与所述电池系统中的电池、所述开关单元和储能单元相连；

所述控制模块发送选择指令至所述电子开关和所述开关单元，以使所述电子开关对应的电池进行能量均衡。

9.根据权利要求8所述的能量均衡电路，其特征在于，所述电池选择模块还包括极性选择单元；

所述极性选择单元与所述电子开关的输出端相连，以使所述电子开关对应的电池的极性一致。

10.根据权利要求8所述的能量均衡电路，其特征在于，所述电子开关包括双组合场效应管和光伏光耦；

所述双组合场效应管的一端与所述电池系统中的电池相连，所述双组合场效应管的另一端与所述光伏光耦的一端相连，所述光伏光耦的另一端与所述控制模块相连；

所述双组合场效应管用于阻止电流双向流动，所述光伏光耦用于驱动所述双组合场效应管工作。