CN113036847A - 一种高效电池均衡控制电路及均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效电池均衡控制电路，同时还涉及相应的均衡控制方法，属于电动工具技术领域。该控制电路的采样均衡芯片的充电和放电控制端口分别接充电和放电MOS管的受控端；充电器正极插接端口经充电MOS管至电池包正极、串联电池单元到电池包负极端口接地构成充电回路；负载正极接电池包正极通过串联电池单元至电池包负极端口经放电MOS管至负载负极插接端口接负载负极、与负载内部电路构成放电回路；主控芯片的电压和电流采样端口分别接采样均衡芯片的电压和电流信号端口、且其电池包接入和类型检测端口和电池包温度检测端口分别接电池包检测回路和电池包温度检测回路。采用本发明在保证安全的前提下，一次充电即可保证电池包各电池单元电压均衡。

Description

一种高效电池均衡控制电路及均衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种电池均衡控制电路，尤其是一种高效电池均衡控制电路，同时还涉及相应的均衡控制方法，属于电动工具技术领域。

背景技术

电动工具所配的串联电池单元（又称电芯）组成的电池包在使用过程中，由于各电池单元材质、内阻及使用状况等难免存在差异，供电后的压降必然存在差异，其继续使用过程中，实际存在较高电压电池单元对较低电压电池单元的“充电”现象，这不仅不利于电池包的对外供电，而且还会影响其使用寿命。均衡电路的作用就是力图通过对电池包的充电消除电池单元彼此之间电压差，从而保持各电池单元始终处于均衡工作状态，保证使用的正常性同时延长电池包使用寿命。

据申请人了解，长期以来，对电池包的均衡均为被动式，即借助固定的均衡电路或均衡IC，在充电过程中，将电压偏高的电池单元对应的均衡MOS导通、其部分充电电流被分流而使该电池单元的充电电流相对较小，达到充电后该电池单元与其它电池单元电压基本一致的均衡目的。然而，由于充电电流通常远大于均衡分流，因此当充电后电池包的电压达到阈值时，各电池单元彼此的电压差并不能很快消除，即便经过反复多次充电，也由于均衡实际上是一个渐进循环过程，因此很难得到将各电池单元的电压差控制在较小阈值的理想均衡结果。

随着智能器件的发展，专利号为US5886502的美国专利文献、以及专利号为200410082436.6的中国专利文献均提出了采用MCU与被动均衡IC进行组合的主动式均衡技术方案，即不仅通过均衡IC控制均衡开关器件的启闭，还借助MCU适当控制均衡电流，从而加快达到均衡。然而实践表明，上述主动控制均衡的技术方案虽比被动式有明显改观，但依然无法保证一次充电就达到电池包各电池单元电压均衡的理想均衡效果。

发明内容

本发明的首要目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种在保证安全的前提下，一次充电即可保证电池包各电池单元电压均衡的高效电池均衡控制电路，同时给出相应的均衡控制方法。

本发明进一步的目的在于：给出一种一次放电也可保证电池包各电池单元电压均衡的高效电池均衡控制方法。

为了达到以上首要目的，本发明高效电池均衡控制电路的基本技术方案为：包括充电器正极插接端口、电池包正极及负载正极端口、充电器负极及电池包负极端口、负载负极插接端口以及彼此通讯连接的采样均衡芯片和主控芯片；

所述采样均衡芯片的采样均衡端口分别跨接在电池包串联电池单元两端，且其充电控制端口和放电控制端口分别接充电MOS管和放电MOS管的受控端；

所述充电器正极插接端口经充电MOS管至电池包正极、通过电池包内部串联电池单元到电池包负极端口接地构成充电回路；

负载正极接电池包正极后，通过电池包内部串联电池单元至电池包负极端口、再经放电MOS管至负载负极插接端口接负载负极，与负载内部电路构成放电回路；

所述主控芯片的电压采样端口和电流采样端口分别接所述采样均衡芯片的电压信号端口和电流信号端口、且其电池包接入及类型检测端口和电池包温度检测端口分别接电池包检测回路和电池包温度检测回路。

本发明进一步的完善是，所述采样均衡芯片含有充电、放电反馈检测端口。

主控芯片按以下步骤实现一次充电均衡控制：

步骤一、电池包插入后，通过采样均衡芯片导通充电MOS管，开启充电，进入下一步;

步骤二、判断各电池单元的最高电压是否大于均衡许可电压、且各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于允差阈值；如否则返回步骤一；如是则进入下一步；

步骤三、启用采样均衡芯片内部均衡电路对电压不均衡的高电压电池单元进行均衡，进行下一步；

步骤四、判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于均衡阈值；如否则进行步骤九；如是则进行下一步；

步骤五、继续均衡，进行下一步；

步骤六、判断各电池单元的最低电压是否小于充电下限电压，如否则进行步骤十一，如是则进行下一步；

步骤七、通过采样均衡芯片保持导通充电MOS管导通继续充电，进入下一步；

步骤八、判断各电池单元的最高电压是否大于充满电压，如否则返回步骤三；如是则进行步骤十五；

步骤九、关闭采样均衡芯片内部均衡电路停止均衡，通过采样均衡芯片导通充电MOS管继续充电，进行下一步;

步骤十、判断电池包温度是否大于上限温度或各电池单元最高电压是否大于充满电压；如是则进行步骤十五；如否则返回步骤九；

步骤十一、通过采样均衡芯片关闭充电MOS管，继续启用采样均衡芯片内部均衡电路，进行下一步；

步骤十二、判断均衡累积时间是否达到预定值，如是则通过采样均衡芯片导通充电MOS管开启充电，进入下一步；如否返回步骤十一；

步骤十三、判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否小于允差阈值，如否则返回步骤五，如是则进行下一步；

步骤十四、关闭采样均衡芯片的内部均衡电路，停止均衡，返回步骤十；

步骤十五、通过采样均衡芯片关闭充电MOS管，停止充电，结束。

采用本发明后，在保证安全的前提下，一次充电即可保证电池包各电池单元电压均衡。

为了达到进一步的目的，主控芯片按以下步骤实现一次放电均衡控制：

第一步、判断机器启动开关是否按下，如否则进行第十三步；如是则进行下一步；

第二步、启动机器，进入下一步；

第三步、判断各电池单元的最高电压是否大于均衡许可电压、且各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于均衡阈值；如否则进行第十一步；如是则进行下一步；

第四步、启用采样均衡芯片内部均衡电路对电压不均衡的高电压电池单元进行均衡，进行下一步；

第五步、判断电池包温度是否小于适宜温度；如否则进行第十一步；如是则进行下一步；

第六步、继续均衡，进行下一步；

第七步、判断各电池单元的最低电压是否小于均衡许可电压，如是则进行第十一步；如否则进行下一步；

第八步、继续均衡，进行下一步；

第九步、判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于允差阈值；如否则返回第六步，如是则进行下一步；

第十步、关闭采样均衡芯片的内部均衡电路，停止均衡，进入下一步；

第十一步、保持机器处于启动状态，进行下一步；

第十二步、判断电池包温度是否小于高温阈值或各电池单元最低电压是否小于低压阈值；如否则返回上一步，如是则进行下一步；

第十三步、关机结束。

采用本发明后，在保证安全的前提下，一次放电即可保证电池包各电池单元电压均衡。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的电路图。

图2为图1实施例的充电控制过程逻辑框图。

图3为图1实施例的放电控制过程逻辑框图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的高效电池均衡控制电路与电池包组合，如图1所示，包括充电器正极插接端口CH+、电池包正极及负载正极端口BAT+/P+、充电器负极及电池包负极端口CH-/B-、负载负极插接端口P-以及采样均衡芯片U2（型号：ML5238）和主控芯片U3 （型号：STM32G030C8）。

采样均衡芯片U2的采样均衡端口3至11分别跨接在电池包八个串联电池单元两端，其通讯端口24、23、22、21与主控芯片U3通讯端口2、3、4、5连接，电压信号端口18和电流信号端口17分别接主控芯片U3的电压采样端口8、电流采样端口9；其充电控制端口15和放电控制端口16分别接充电MOS管Q1和放电MOS管Q2的受控端。

充电器正极插接端口CH+经充电MOS管Q1至电池包正极BAT+/P+，通过电池包内部串联电池单元（图中未示）到电池包负极端口（CH-/B-）接地构成充电回路。

当负载正极接电池包正极BAT+/P+后，通过电池包内部串联电池单元（与现有技术相同，图中未示）至电池包负极端口CH-/B-，再经放电MOS管Q2至负载负极插接端口P-接负载负极、与负载内部电路（与现有技术相同，图中未示）构成放电回路。

主控芯片U3的电池包接入及类型检测端口6和电池包温度检测端口7分别接电池包检测回路和电池包温度检测回路；采样均衡芯片U2的2是电源端口、12是接地端口、20和19分别是判断系统处于充电或放电反馈检测端口。此外，图中U1是稳压IC（型号：HT7333），用于给U3和外围电路供电，R1——R9是均衡电阻，RS是电流采样电阻，TH1\TH2是温度传感器，LED1——LED3是电量指示发光二极管。

当电池包接充电器进行充电时，参见图2，主控芯片U3按以下步骤实现一次充电均衡控制：

第一步、判断电池包是否插入，如否则结束；如是则通过采样均衡芯片导通充电MOS管Q1，开启充电，进入下一步。

第二步、判断各电池单元的最高电压是否大于均衡许可电压3.6V、且各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于均衡阈值0.05V；如否则返回第一步，从而当存在电压过低（小于3.6V）的电池单元或压差不大（小于0.05V）时，保持充电状态；如是则进入下一步。

第三步、启用采样均衡芯片内部均衡电路对电压不均衡的高电压电池单元进行均衡，进行下一步。

第四步、判断电池包温度是否小于额定温度40℃、且各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于均衡阈值0.05V；如否则说明温度过高或均衡已取得效果，因此进行第九步；如是则说明此时温度正常且均衡未达标，进行下一步。

第五步、继续均衡，进行下一步。

第六步、判断各电池单元的最低电压是否小于充电下限电压4.1 V，如否则说明充电已达标，进行第十一步；如是则说明充电尚不足，因此进行下一步。

第七步、通过采样均衡芯片保持导通充电MOS管Q1导通继续充电，进入下一步。

第八步、判断各电池单元的最高电压是否大于充满电压4.2 V，如否则说明仍可进一步充电，因此返回第三步继续充电；如是则说明充电达标，且已尽可能均衡，因此进行第十五步。

第九步、此步骤承接第四步的温度过高或均衡已取得效果，因此关闭采样均衡芯片内部均衡电路停止均衡，导通MOS管Q1继续充电，进行下一步。

第十步、判断电池包温度是否大于上限温度50℃或各电池单元最高电压是否大于充满电压4.2V；如是则说明温度超标或有电池单元已充满，因此进行第十五步；如否则说明仍具备继续充电条件，因此返回第九步，继续充电循环。

第十一步、此步骤承接第六步的电池单元的最低电压已达标，因此关闭充电MOS管Q1，停止充电，同时可以保持启用采样均衡芯片继续均衡，同时开始计时，并进行下一步。

第十二步、判断均衡累积时间是否达到预定值15min，如是则说明已充分均衡，通过采样均衡芯片导通充电MOS管Q1开启充电，同时停止计时，进入下一步；如否则返回第十一步继续均衡。

第十三步、判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否小于允差阈值0.02V，如否则返回第五步继续均衡循环；如是则说明已均衡达标，进行下一步。

第十四步、关闭采样均衡芯片的内部均衡电路，停止均衡，返回第十步。

第十五步、通过采样均衡芯片关闭充电MOS管Q1，停止充电，结束控制。

这样，由于一次充电过程即可实现电池包各电池单元电压均衡，因此每次充电后，都使得电池包达到理想的充电状态，从而可以有效延长电池包的使用寿命。

当电池包插装到电动工具上之后，主控芯片U3还可以按以下步骤实现一次放电——即每次使用的均衡控制：

第一步、判断机器启动开关是否按下，如否则进行第十三步；如是则进行下一步。

第二步、启动机器，进入下一步。

第三步、判断各电池单元的最高电压是否大于均衡许可电压3.6V、且各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于均衡阈值0.05V；如否则说明不可进行均衡或电池单元间压差不大无需均衡，因此进行第十一步；如是则进行下一步。

第四步、启用采样均衡芯片内部均衡电路对电压不均衡的高电压电池单元进行均衡，进行下一步。

第五步、判断电池包温度是否小于适宜温度60℃；如否则说明温度过高，因此进行第十一步；如是则说明此时温度适宜，进行下一步。

第六步、继续均衡，进行下一步。

第七步、判断各电池单元的最低电压是否小于均衡许可电压3.6 V，如是则说明不可进行均衡，进行第十一步；如否则说明电量较充沛，进行下一步。

第八步、继续均衡，进行下一步。

第九步、判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于允差阈值0.02V；如否则返回第六步，如是则进行下一步。

第十步、关闭采样均衡芯片的内部均衡电路，停止均衡，进入下一步。

第十一步、保持机器处于启动状态，进行下一步。

第十二步、判断电池包温度是否小于高温阈值70℃或各电池单元最低电压是否小于低压阈值2.5V；如否则返回上一步，如是则进行下一步。

第十三步、关机结束。

这样，每次使用电动工具的放电过程也可实现电池包各电池单元电压均衡，从而进一步有效延长电池包的使用寿命。

总之，采用本实施例的高效电池均衡控制电路及均衡控制方法可以使电池包一次充电或放电完成均衡，从而有效延长其使用寿命，提高使用性能，也更为安全可靠。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种高效电池均衡控制电路，其特征在于：包括充电器正极插接端口（CH+）、电池包正极及负载正极端口（BAT+/P+）、充电器负极及电池包负极端口（CH-/B-）、负载负极插接端口（P-）以及彼此通讯连接的采样均衡芯片（U2）和主控芯片（U3）；

所述采样均衡芯片的采样均衡端口分别跨接在电池包串联电池单元两端，且其充电控制端口和放电控制端口分别接充电MOS管（Q1）和放电MOS管（Q2）的受控端；

所述充电器正极插接端口（CH+）经充电MOS管（Q1）至电池包正极（BAT+/P+）、并通过电池包内部串联电池单元到电池包负极端口（CH-/B-）接地构成充电回路；

负载正极接电池包正极（BAT+/P+）后，通过电池包内部串联电池单元至电池包负极端口（CH-/B-）、再经放电MOS管（Q2）至负载负极插接端口（P-）接负载负极，与负载内部电路构成放电回路；

所述主控芯片（U3）的电压采样端口和电流采样端口分别接所述采样均衡芯片（U2）的电压信号端口和电流信号端口、且其电池包接入及类型检测端口和电池包温度检测端口分别接电池包检测回路和电池包温度检测回路。

2.根据权利要求1所述的高效电池均衡控制电路，其特征在于：所述采样均衡芯片含有充电、放电反馈检测端口。

3.根据权利要求1或2所述高效电池均衡控制电路的均衡控制方法，其特征在于所述主控芯片按以下步骤实现一次充电均衡控制：

步骤一、电池包插入后，通过采样均衡芯片导通充电MOS管，开启充电，进入下一步;

步骤二、判断各电池单元的最高电压是否大于均衡许可电压、且各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于允差阈值；如否则返回步骤一；如是则进入下一步；

步骤三、启用采样均衡芯片内部均衡电路对电压不均衡的高电压电池单元进行均衡，进行下一步；

步骤四、判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于均衡阈值；如否则进行步骤九；如是则进行下一步；

步骤五、继续均衡，进行下一步；

步骤六、判断各电池单元的最低电压是否小于充电下限电压，如否则进行步骤十一，如是则进行下一步；

步骤七、通过采样均衡芯片保持导通充电MOS管导通继续充电，进入下一步；

步骤八、判断各电池单元的最高电压是否大于充满电压，如否则返回步骤三；如是则进行步骤十五；

步骤九、关闭采样均衡芯片内部均衡电路停止均衡，通过采样均衡芯片导通充电MOS管继续充电，进行下一步;

步骤十、判断电池包温度是否大于上限温度或各电池单元最高电压是否大于充满电压；如是则进行步骤十五；如否则返回步骤九；

步骤十一、通过采样均衡芯片关闭充电MOS管，继续启用采样均衡芯片内部均衡电路，进行下一步；

步骤十二、判断均衡累积时间是否达到预定值，如是则通过采样均衡芯片导通充电MOS管开启充电，进入下一步；如否返回步骤十一；

步骤十三、判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否小于允差阈值，如否则返回步骤五，如是则进行下一步；

步骤十四、关闭采样均衡芯片的内部均衡电路，停止均衡，返回步骤十；

步骤十五、通过采样均衡芯片关闭充电MOS管，停止充电、结束。

4.根据权利要求3所述高效电池均衡控制电路的均衡控制方法，其特征在于：所述步骤四中，在判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于均衡阈值的同时还判断电池包温度是否小于额定温度；当两个判断结果之一为否则进行步骤九；当两个判断结果均为是则进行下一步。

5.根据权利要求4所述高效电池均衡控制电路的均衡控制方法，其特征在于所述主控芯片按以下步骤实现一次放电均衡控制：

第一步、判断机器启动开关是否按下，如否则进行第十三步；如是则进行下一步；

第二步、启动机器，进入下一步；

第三步、判断各电池单元的最高电压是否大于均衡许可电压、且各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于均衡阈值；如否则进行第十一步；如是则进行下一步；

第四步、启用采样均衡芯片内部均衡电路对电压不均衡的高电压电池单元进行均衡，进行下一步；

第五步、判断电池包温度是否小于适宜温度；如否则进行第十一步；如是则进行下一步；

第六步、继续均衡，进行下一步；

第七步、判断各电池单元的最低电压是否小于均衡许可电压，如是则进行第十一步；如否则进行下一步；

第八步、继续均衡，进行下一步；

第九步、判断各电池单元的最高电压与最低电压之差是否大于允差阈值；如否则返回第六步，如是则进行下一步；

第十步、关闭采样均衡芯片的内部均衡电路，停止均衡，进入下一步；

第十一步、保持机器处于启动状态，进行下一步；

第十二步、判断电池包温度是否小于高温阈值或各电池单元最低电压是否小于低压阈值；如否则返回上一步，如是则进行下一步；

第十三步、关机结束。

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