CN112467811B - 双电池电压均衡方法和双电池电压均衡电路 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种双电池电压均衡方法和双电池电压均衡电路，所述双电池电压均衡电路包括反馈电路和开关电路；其中，双电池用电系统的负向输入端通过所述开关电路分别连接第一电池的负极和第二电池的负极；所述双电池用电系统的正向输入端分别连接所述第一电池的正极和所述第二电池的正极；所述反馈电路用于根据所述第一电池和所述第二电池的电压，控制所述开关电路的阻抗大小，使得所述第一电池和所述第二电池的压差减小到预设范围。实施本申请实施例，可在双电池并联场景下根据压差反馈自动调整电路参数，实现双电池电压的自动均衡处理。

Description

双电池电压均衡方法和双电池电压均衡电路

技术领域

本申请涉及电池技术领域，特别涉及一种双电池电压均衡方法和双电池电压均衡电路。

背景技术

单体电池的容量受材料技术、能量密度及工业生产安全的限制，通常都限定在一定范围内，为提升电子系统电池电量及续航能力，业界越来越多的使用双电池并联体系为系统实现供电设计，然而双电池并联体系存在充放电不均衡的问题，存在较大的安全隐患。

发明内容

本申请实施例提供了一种双电池电压均衡方法和双电池电压均衡电路，可实现双电池并联场景下根据压差自动调整电路参数，实现双电池电压的均衡处理。

第一方面，本申请实施例提供一种双电池电压均衡电路，所述双电池电压均衡电路包括反馈电路和开关电路；

其中，双电池用电系统的负向输入端通过所述开关电路分别连接第一电池的负极和第二电池的负极；所述双电池用电系统的正向输入端分别连接所述第一电池的正极和所述第二电池的正极；

其中，所述反馈电路用于根据所述第一电池和所述第二电池的电压，控制所述开关电路的阻抗大小，使得所述第一电池和所述第二电池的压差减小到预设范围。

第二方面，本发明实施例提供了一种电源模块，所述电源模块包括充电装置、第一电池、第二电池、双电池用电系统以及第一方面所述的双电池电压均衡电路。

第三方面，本发明实施例提供了一种终端，所述终端包括第二方面所述的电源模块。

第四方面，本发明实施例还提供一种非易失性存储介质，所述非易失性存储介质用于存储第一方面所描述的方法。

可以看出，在本申请中，根据两电池当前电压查询闪存中存储的映射关系表，可确定微控制单元给控制电路输入的目标门级控制电压，通过目标门级控制电压将开关电路的阻抗调整为目标阻抗，进而调节环路电流，缩小两电池电压差，不断根据压差反馈调节开关电路的阻抗，经过多次反馈调节之后，实现双电池电压均衡，调节速度快，电路结构简单，易于实现，成本低。此外，在电池负端使用开关电路进行电池充放电通路的隔离，只需要提供门级电压对地电压压差即可，无需使用额外的升压器件，可以降低控制电压，极大的节省电路设计成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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是本申请提供的一种可能的实现双电池电压均衡的电路示意图；

图2是本申请提供的另一种可能的实现双电池电压均衡的电路示意图；

图3为本申请实施例提供的终端结构示意图；

图4是本申请实施例提供的充电装置的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种双电池电压均衡电路及相关电路的框架结构示意图；

图6是本申请实施例提供的双电池电压自均衡过程中的充电回路示意图；

图7是本申请实施例提供的一种双电池电压均衡电路及相关电路的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一张映射关系表的示意图；

图9是本申请实施例提供的一种双电池电压均衡方法的流程示意图；

图10是本申请实施例提供的初步调节示意图；

图11是本申请实施例提供的充电曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1，图1是本申请提供的一种可能的实现双电池电压均衡的电路示意图。如图所示，在该双电池并联体系中使用电池正极控制方式，即将两个电池(电池20和电池30)的正极通过场效应管MOS和控制电路与用电负载的正向输入端连接，两电池的负极直接与用电负载的负向输入端连接，在这种情况下，因为MOS需要一定的触发电压才能导通，所以MOS的门级电压为电池电压加上触发电压，高于电池电压，因此，还需要加入Boost升级电路才能得到MOS需要的门级电压，显然，这种控制方式会增加电路复杂程度，增加电路功耗和成本。

因此，本申请提供了另一种可选方案，见图2，图2是本申请提供的另一种可能的实现双电池电压均衡的电路示意图。如图所示，整个均衡电路由两个完全相同的部分组成，每个部分包括电芯11、均压充电模块12、充电开关13、电池管理装置14、放电开关15，其中，电池管理装置14包括微处理器142和通信器143。

上述均衡电路中使用独立的单元分别针对各电池进行电压充放电控制，并通过控制电路的交互控制设计方案来确保电池间充放电的均衡控制，显然在这种控制方式中，控制电路需要使用复杂的控制逻辑，且各电池需要独立使用一套检测电路和控制电路进行充放电控制，电路复杂，且设计成本高。

为解决上述问题，本申请提出以下实施例中所述的双电池电压均衡电路和双电池电压均衡方法。

如图3所示，图3为本申请实施例提供的终端结构示意图。该终端包括双电池、充电装置、双电池电压均衡电路和用电系统，其中，用电系统包括电源管理单元PMU和后级负载，PMU用于将分立的电源管理器件整合在单个的封装之内，保证向后级负载供电的稳定性，该终端通过电池提供能量，此类终端可以是移动电话、平板电脑、电动汽车、电动自行车、电子烟、无人机、灯具等多种等设备。

其中，充电装置的示意图可参阅图4，图4是本申请实施例提供的充电装置的结构示意图。如图所示，充电装置包括受控交流电源、交流电能分配单元、滤波单元和整流单元，充电装置用于给双电池充电，从受控交流电源输出的交流电能经过交流电能分配单元后分配给滤波单元1和滤波单元2，经过滤波和整流之后，输出给第一电池和第二电池，从而实现对第一电池和第二电池的充电。

请参阅图5，图5是本申请实施例提供的一种双电池电压均衡电路及相关电路的框架结构示意图，其中，双电池电压均衡电路包括反馈电路和开关电路，开关电路包括第一开关子电路MOS1和第二开关子电路MOS2，相关电路包括第一电池、第二电池和用电系统。第一电池的正极与第二电池的正极均连接双电池用电系统的正向输入端，第一电池正极连接反馈电路的第一输入端口，第二电池正极连接反馈电路的第二输入端口，反馈电路的第一输出端口连接MOS1，反馈电路的第二输出端口连接MOS2，MOS1的第一输入端口a连接第一电池的负极，MOS1的第二输入端口b连接双电池用电系统的负向输入端，MOS2的第一输入端口c连接第二电池的负极，MOS2的第二输入端口d连接双电池用电系统的负向输入端。

其中，反馈电路用于根据第一电池和第二电池的电压，控制开关电路的阻抗大小，使得第一电池和第二电池的压差减小到预设范围，从而实现双电池电压均衡。

在实际应用中，因为受限于电池所占据空间的大小，所以第一电池和第二电池的容量不一定相同，其内阻也不一定相同，因此第一电池的电压和第二电池的电压不一定相同。当第一电池的电压等于第二电池的电压时，第一电池和第二电池均向外供电；当第一电池的电压不等于第二电池的电压时，若双电池用电系统中后级负载较大，则电池电压高的一方优先向负载供电，若后级负载较小或空载，分为以下两种情况：

1)当两电池电压差小于预设压差时，通过电池间的自然互充实现双电池电压的自均衡，即通过电压高的电池给电压低的电池充电，形成充电回路，最终使得两电池电压均衡，以第一电池电压较高为例说明，见图6，图6是本申请实施例提供的双电池电压自均衡过程中的充电回路示意图，此时，充电回路(以下统称为“环路”)为：第一电池正极→第二电池正极→第二电池负极→MOS2→MOS1→第一电池负极，最终两电池电压均衡。

2)当两电池电压差大于预设压差时，一般的，电池可承受的最大电流为电池容量的1.5～2倍，例如电池容量为2000mA，则可承受最大电流为2000×2＝4000mA，此时若通过电压高的电池给电压低的电池充电，则环路电流会超过电压低的电池的可承受最大电流，需要通过外部的均衡方法在确保电路安全的前提下，来实现电压均衡。

可见，在本实施例中，反馈电路通过控制开关电路的阻抗大小，最终实现双电池电压均衡，电路结构简单，控制易于实现，可靠性强。

请参阅图7，图7是本申请实施例提供的一种双电池电压均衡电路及相关电路的结构示意图，其中，反馈电路包括模数转换器、微控制器MCU、闪存FLASH和控制电路，控制电路包括第一控制子电路和第二控制子电路，第一控制子电路包括数模转换器和第一驱动电路，第二控制子电路包括数模转换器和第二驱动电路；

模数转换器的第一输入端口连接第一电池的正极，模数转换器的第二输入端口连接第二电池的正极，模数转换器的输出端口连接MCU，FLASH连接MCU；

模数转换器用于将检测到的模拟信号转换为MCU可读的数字信号，在本实施例中，需要检测的模拟信号包括第一电池的电压、第二电池的电压。

MCU的第一输出端输出第一门级控制电压CTL1给第一控制子电路中的数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接第一驱动电路；

MCU的第二输出端输出第二门级控制电压CTL2给第二控制子电路中的数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接第二驱动电路；

MCU通过输出的门级控制电压间接控制Q1、Q2、Q3和Q4中源漏级间的阻抗大小从而控制Q1、Q2、Q3和Q4的导通程度，即控制MOS1和MOS2为完全导通或关断或不完全导通。

FLASH中存储多张映射关系表，不同映射关系表对应不同的电池类型，每张映射关系表中存储多条映射关系记录，参见图8，图8为本申请实施例提供的一张映射关系表的示意图，映射关系表中包括第一电池的电压、第二电池的电压、电池电压差、目标阻抗、目标门级控制电压和目标环路电流；

其中，目标环路电流为电压低的电池在当前电压时的最优充电电流，目标阻抗为在第一电池的电压、第二电池的电压和目标环路电流确定的状态下的MOS1的阻抗以及MOS2的阻抗，目标门级控制电压为MCU输出给第一控制子电路和第二控制子电路的电压控制信号，该信号最终使得与第一控制子电路连接的MOS1的阻抗以及与第二控制子电路连接的MOS2的阻抗均调整为目标阻抗。

可见，在该映射关系表中，电压对与目标环路电流相对应，目标环路电流与目标阻抗相对应，目标阻抗与目标门级控制电压相对应，即在已知两电池的电压的条件下，可根据该映射关系表得到MCU应该输出的目标门级控制电压。

控制电路中，第一电池给第一控制子电路供电，第二电池给第二控制子电路供电，数模转换器用于将输入的数字信号形式的门级控制电压转换为模拟信号输出给对应的驱动电路。

MOS1由两个N沟道场效应管Q1和Q2串联而成，Q1和Q2的栅极均连接第一控制子电路的输出端，Q1和Q2的漏极连接在一起，Q1的源级连接第一电池的负极，Q2的源级连接双电池用电系统的负向输入端；

MOS2由两个N沟道场效应管Q3和Q4串联而成，Q3和Q4的栅极均连接第二控制子电路的输出端，Q3和Q4的漏极连接在一起，Q3的源级连接第二电池的负极，Q4的源级连接双电池用电系统的负向输入端。

其中，第一控制子电路输出给Q1和Q2的门级电压越高，MOS1的阻抗越小，即Q1和Q2的漏栅级间阻抗越小，当输出的门级电压为0时，MOS1截止，阻抗无穷大，MOS1的特性类似，在此不在赘述。

其中，Q1和Q2用于防止第一开关子电路自然导通，Q3和Q4用于防止第二开关子电路自然导通。Q1、Q2、Q3和Q4的参数一致，Q1、Q2、Q3和Q4均包括晶体管，每个晶体管并联体二极管，体二极管的方向设置为在其并联的场效应管被反向偏置时导通，第一驱动电路和第二驱动电路的参数一致。

可见，在本实施例中，在电池负端使用第一开关子电路MOS1和第二开关子电路MOS2进行电池充放电通路的隔离，无需提供门级电压对电池电压的参考，只需要提供门级电压对地电压压差即可，无需使用额外的升压器件，可以降低控制电压，极大的节省电路设计成本。此外，本实施例根据两电池当前电压值查映射关系表从而确定MCU给控制电路输入的门级控制电压大小，使得开关电路的阻抗为目标阻抗，不仅调节速度快，而且电路结构简单，易于实现。

本申请实施例提供了一种双电池电压均衡方法，应用于双电池电压均衡电路中，该方法适用于空载和负载较小的情况，尤其适用于设备开机时需要电压均衡的情况。具体方法可参见图9，图9是本申请实施例提供的一种双电池电压均衡方法的流程示意图，该方法包括但不限于以下步骤：

S101：调整MOS1和MOS2的阻抗为默认值。

S102：通过模数转换器获取第一电池的电压U1和第二电池的电压U2。

S103：计算U1和U2的压差△U，若△U＜U_r，控制MOS1和MOS2完全导通，U_r为预设压差，若△U＞U_r，执行S104。

S104：若U2小于U1，控制MOS1完全导通，查询映射关系表中与U1以及U2对应的目标门级控制电压，输出目标门级控制电压给第二控制子电路。

S105：进行压差反馈调节，直至所述压差处于预设范围内，所述压差反馈调节包括：获取第一电池的电压U1′和第二电池的电压U2′，查询映射关系表中与U1′以及U2′对应的目标门级控制电压，输出目标门级控制电压给第二控制子电路。

其中，在步骤S101中，在MOS1和MOS2还未导通时，整个环路也不导通，因此需要通过第一门级控制电压CTL1和第二门级控制电压CTL2间接的控制MOS1和MOS2的导通程度，使得MOS1和MOS2的阻抗达到设定的默认值，环路导通。

在步骤S102中，在环路导通后，除了获取第一电池的电压U1和第二电池的电压U2之外，模数转换器还会获取环路电流。

在步骤S103中，根据实际情况设定U_r大小，如0.2V、0.3V、0.4V等。在两电池电压差较小时，环路中电流较小，不会超过两电池的可承受最大电流，因此不存在安全防护问题，控制MOS1和MOS2完全导通，通过电池间的自然互充实现双电池电压的自均衡。

在步骤S104中，因为FLASH中存储有多张映射关系表，不同映射关系表对应不同的电池类型，所以在查询映射关系表中与U1以及U2对应的目标门级控制电压之前，还包括：确认第一电池和第二电池的电池类型，在多张映射关系表中查找到与第一电池和第二电池的电池类型对应的目标映射关系表。

步骤S104为双电池电压均衡方法的初步调节，如图10所示，图10是本申请实施例提供的初步调节示意图，图中，U1和U2分别为第一电池的电压和第二电池的电压，R1和R2分别为第一电池的内阻和第二电池的内阻，Z_MOS1为MOS1的阻抗，Z_MOS2为MOS2的阻抗，Z_MOS2′为MOS2的目标阻抗，i₁为环路电流，i_ref为目标环路电流。以U2小于U1为例进行说明，为了保证向双电池用电系统的正常供电，控制MOS1完全导通，即Z_MOS1＝0，因为△U＞U_r，且在MOS1完全导通后，环路中总的MOS阻抗下降，故环路电流i₁大于第二电池可承受最大电流，需要将Z_MOS2调大，使环路电流i₁减少到第二电池可承受最大电流范围以内，调节Z_MOS2至目标阻抗Z_MOS2′，此时环路电流为目标环路电路i_ref。

因为初步调节过程中，第一电池给第二电池充电，所以第一电池的电压下降为U1′，第二电池的电压升高为U2′，两电池电压差△U′＝U1′－U2′＜△U，可见，在经过初步调节后，第一电池和第二电池的电压差在减小。因为两电池电压差减小，所以环路电流i_ref也相应的减小，参见图11，图11为本申请实施例提供的充电曲线图，在电流控制阶段t1-t2期间，随着第二电池的电压升高，相应的第二电池可承受的最大充电电流(控制电流)也比预处理阶段0-t1大，由以上两点可知，经过步骤4的初步调节，环路电路i_ref小于第二电池可承受的最大电流，因此在接下来的压差反馈调节过程中，需要将Z_MOS2′调小，以增大环路电流，从而快速提升第二电池的电压，其中，若U1小于U2，方法类似，不再赘述。

由图11可知，电池电压(充电电压)不同时，电池可承受的最大电流(充电电流)也不同，目标环路电流即为电压较低的电池在该充电电压时可承受的最大充电电流，在初步调节过程中，最后将环路电流调整为电压较低的电池可承受的最大充电电流，即目标充电电流，如此，一方面可以保护电路，另一方面可以尽快的给电池较低的电池充电，提升其电压，从而尽快实现电压均衡。

在步骤S105中，在多次压差反馈调节的过程中，不断地调小MOS2的MOS阻抗，使得环路电流不断增大，直至最后第一电池和第二电池的压差处于预设范围内，如0.1V，0.2V等，此时，MOS2完全导通，在此之后，双电池电压均衡电路的双电池电压始终保持均衡状态。

在本实施例中，通过调节开关电路的阻抗进而调节环路电流，逐步缩小两电池电压差，在经过多次压差反馈调节后，最终实现电压均衡，调节速度快，安全可靠，电路结构简单，无需复杂的电路设计和算法设计，成本低。

本申请实施例还提供一种电源模块，所述电源模块包括充电装置、第一电池、第二电池、双电池用电系统以及本申请实施例中所述的双电池电压均衡电路。

本申请实施例还提供一种终端，所述终端包括上述电源模块。

本申请实施例还提供一种非易失性存储介质，所述非易失性存储介质用于存储上述方法实施例中记载的任一方法的部分或全部步骤。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种双电池电压均衡电路，其特征在于，所述双电池电压均衡电路包括反馈电路和开关电路；

其中，双电池用电系统的负向输入端通过所述开关电路分别连接第一电池的负极和第二电池的负极；所述双电池用电系统的正向输入端分别连接所述第一电池的正极和所述第二电池的正极；

其中，所述反馈电路用于根据所述第一电池和所述第二电池的电压，控制所述开关电路的阻抗大小，使得所述第一电池和所述第二电池的压差减小到预设范围;

其中，所述反馈电路包括模数转换器、闪存、微控制器和控制电路；

其中，所述模数转换器的第一输入端口连接所述第一电池的正极，所述模数转换器的第二输入端口连接所述第二电池的正极，所述模数转换器的输出端口连接所述微控制器；

所述闪存用于存储多条映射关系记录，其中，所述多条映射关系记录中的不同映射关系记录用于记录不同电压对所对应的门级控制电压；

所述微控制器用于在所述多条映射关系记录中查找到与第一电压对应的目标门级控制电压，其中，所述第一电压对由所述第一电池和所述第二电池的电压组成；

所述微控制器用于输出所述目标门级控制电压给所述控制电路；

所述控制电路用于输出门级电压给所述开关电路，所述门级电压用于控制所述开关电路的阻抗大小，使得所述第一电池和所述第二电池的压差减小到预设范围。

2.根据权利要求1所述的双电池电压均衡电路，其特征在于，

所述闪存具体用于存储多张映射关系表，所述多张映射关系表中每张映射关系表中存储多条映射关系记录，所述多张映射关系表中的不同映射关系表对应不同的电池类型；

所述微控制器具体用于，在所述多张映射关系表中查找到与所述第一电池和所述第二电池的电池类型对应的目标映射关系表，在所述目标映射关系表中记录的多条映射关系记录中查找到与所述第一电压对应的所述目标门级控制电压。

3.根据权利要求1或2所述的双电池电压均衡电路，其特征在于，

所述微控制器还用于在所述开关电路工作前，输出初始门级控制电压给所述控制电路；

所述控制电路还用于，输出初始门级电压给所述开关电路，以使所述开关电路在阻抗为默认值的状态下开始工作。

4.根据权利要求1或2所述的双电池电压均衡电路，其特征在于，

所述控制电路包括第一控制子电路和第二控制子电路，所述开关电路包括第一开关子电路和第二开关子电路；

所述多条映射关系记录中的不同映射关系记录还用于记录不同电压对所对应的目标阻抗；

所述微控制器用于在所述第一电池的电压大于所述第二电池的电压，且所述第一电池与所述第二电池的压差大于预设压差时，输出第一目标门级控制电压给所述第一控制子电路，输出第二目标门级控制电压给所述第二控制子电路；

所述第一控制子电路用于输出第一目标门级电压给所述第一开关子电路，所述第一目标门级电压用于控制所述第一开关子电路完全导通；

所述第二控制子电路用于输出第二目标门级电压给所述第二开关子电路，所述第二目标门级电压用于控制所述第二开关子电路的阻抗大小为目标阻抗大小。

5.根据权利要求4所述的双电池电压均衡电路，其特征在于，

所述微控制器用于在所述压差大于所述预设压差时，输出第三目标门级控制电压给所述第二控制子电路；

所述第二控制子电路用于输出第三目标门级电压给所述第二开关子电路，所述第三目标门级电压用于控制所述第二开关子电路的阻抗大小为目标阻抗大小。

6.根据权利要求4所述的双电池电压均衡电路，其特征在于，所述微控制器用于在所述压差小于所述预设压差时，控制所述第一开关子电路和所述第二开关子电路完全导通，使得所述第一电池和所述第二电池的压差在预设范围内。

7.根据权利要求4-6任一项所述的双电池电压均衡电路，其特征在于，

所述第一开关子电路包括第一场效应管和第二场效应管，所述第一场效应管和第二场效应管的漏极相连接，所述第一场效应管和第二场效应管的栅极均连接所述第一控制子电路的输出端，所述第一场效应管的源级连接所述第一电池的负极，所述第二场效应管的源级连接所述双电池用电系统的负向输入端；

所述第二开关子电路包括第三场效应管和第四场效应管，所述第三场效应管和第四场效应管的漏极相连接，所述第三场效应管和第四场效应管的栅极均连接所述第二控制子电路的输出端，所述第三场效应管的源级连接所述第二电池的负极，所述第四场效应管的源级连接所述双电池用电系统的负向输入端；

所述第一场效应管和第二场效应管用于防止所述第一开关子电路自然导通；

所述第三场效应管和第四场效应管用于防止所述第二开关子电路自然导通。

8.一种电源模块，其特征在于，包括充电装置、第一电池、第二电池、双电池用电系统以及如权利要求1-7任一项所述的双电池电压均衡电路。

9.一种终端，其特征在于，包括如权利要求8所述的电源模块。

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