CN114336812A - 多节串联电池电压均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多节串联电池电压均衡电路，属于锂离子电池的均衡技术领域，包括：电源正极端IN+；电源负极端IN‑；恒流放电回路，电源正极端IN+与恒流放电回路的输入端连接；开关K1，恒流放电回路的输出端与开关K1的输入端连接，开关K1的输出端与电源负极端IN‑连接；电阻R4，作为限流电阻，电源正极端IN+与电阻R4连接，电阻R4与恒流放电回路并联；三极管V1。本发明由高精度的三端精密稳压管与电阻及恒流放电回路构成，无论电池电压高低，均衡电流均保持不变，可以有较大的均衡电流，而均衡的控制电压精度很高，在均衡完成时，单体电池之间的电压差值很小，荷电状态一致，从而使电池组的整体寿命得以延长。

Description

多节串联电池电压均衡电路

技术领域

本发明涉及锂离子电池的均衡技术领域，更具体地说，涉及多节串联电池电压均衡电路。

背景技术

随着电池行业的飞速发展，多节串联电池的应用越来越多，比如电动自行车、电动汽车、储能系统、通信后备电池组等领域。而电池在多节串联使用时，由于电池的不一致性，会造成电池组的荷电状态不一致而失去平衡，这又会导致在电池组在充电时，内部会有一些电芯出现过充电，而有一些电芯没有充满；在电池组放电时，没充满的电芯容易出现过放电而导致寿命衰减加剧或是出现安全问题，这使得电池组整体使用寿命大大缩短，因此多节串联的电池组在没有进行平衡而使用时，寿命会很短，而且容易出现安全性问题。目前市场上多节串联的锂离子电池组的电池管理系统(缩写为BMS)中主要采用被动均衡的方式，被动均衡的方法常用的有两种，第一种是过压均衡方式，即单体电池电压超过某个值时开启均衡用的放电回路(例如超过4.2V时对单体电池放电)；第一种是充电均衡，在充电过程中将电压较高的单体电池进行放电，从而减小充电电流，而其它电池则正常充电。市场上还有很少量的电池组是采用成本较高的主动均衡方式，它主要是通过复杂的电子开关阵列和开关电源或隔离电源将单体电池的能量与电池组能量进行交换，从而实现单体电池间的均衡。

现有的均衡方式中，主动均衡的优点是能量利用率高，但电路复杂、可靠性差且成本很高，因此市场上很少被使用。被动均衡中过压均衡方式的缺点在于均衡电流小而均衡开启又是在接近充电结束时进行，因此均衡的时间短导致均衡的效率低；而过压均衡采用的是专用芯片，这类芯片的电压精度只有20mV左右，因此均衡完成时单体电池之间的电压差还会较大；而当充电电压低于正常电压时，过压均衡方式会不起作用，例如对于10节串联的电池组，正常充电电压为42V，如果充电器输出电压偏低0.5％，为41.79V，当9节电池电压为4.2V，1节为3.99V时，这类的均衡电路就不起作用，无法对电池进行均衡；对于被动均衡中的充电均衡方式，是在充电过程中将电压较高的单体电池通过电阻进行放电，这需要电池组的BMS对单体电池的电压检测精度较高，但目前市场上的前端模拟电压采集芯片的电压检测精度普遍只有20mV，少数精度高的也只能做到10mV左右，而如果是磷酸亚铁锂的电池，在中间电压区域时，1mV的电压差别就会有1.5％的荷电容量差别，电压检测精度低就会导致充电均衡的效果不佳，并甚于有可能因为电压检测误差较大而使电池组加剧了不平衡状态，而由于市场上的充电均衡是通过电阻将电池放电的方式，当电池电压低时，均衡电流较小，影响了均衡效率。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供多节串联电池电压均衡电路，它由高精度的三端精密稳压管与电阻及恒流放电回路构成，无论电池电压高低，均衡电流均保持不变，可以有较大的均衡电流，而均衡的控制电压精度很高，在均衡完成时，单体电池之间的电压差值很小，荷电状态一致，从而使电池组的整体寿命得以延长。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

电压均衡电路，包括：

电源正极端IN+；

电源负极端IN-；

恒流放电回路，所述电源正极端IN+与恒流放电回路的输入端连接；

开关K1，所述恒流放电回路的输出端与开关K1的输入端连接，所述开关K1的输出端与电源负极端IN-连接；

电阻R4，作为限流电阻，所述电源正极端IN+与电阻R4连接，所述电阻R4与恒流放电回路并联；

三极管V1，作为恒流放电的驱动三极管，所述电阻R4的输出端与三极管V1的射极连接，所述三极管V1的集电极与恒流放电回路的输入端连接；

电阻R3，所述电源正极端IN+与电阻R3的输入端连接，所述电阻R3与电阻R4并联，所述电阻R3的输出端与三极管V1的基极连接；

电阻R1，用以实现电压检测时的分压作用，所述电源正极端IN+与电阻R1的输入端连接，所述电阻R1与电阻R3并联；

三端精密稳压管N1，作为电压均衡电路控制核心，用以控制电压，所述电阻R1的输出端、电阻R3的输出端和三极管V1的基极均与三端精密稳压管N1的调整端连接，所述三端精密稳压管N1的负端与开关K1的输入端连接；以及

电阻R2，用以实现电压检测时的分压作用，所述电阻R1的输出端与电阻R2的输入端连接，所述电阻R2与三端精密稳压管N1并联，所述电阻R2的输出端与开关K1的输入端连接。本发明由高精度的三端精密稳压管与电阻及恒流放电回路构成，无论电池电压高低，均衡电流均保持不变，可以有较大的均衡电流，而均衡的控制电压精度很高，在均衡完成时，单体电池之间的电压差值很小，荷电状态一致，从而使电池组的整体寿命得以延长。

作为本发明的一种优选方案，所述恒流放电回路包括：

三极管V3，所述电源正极端IN+与三极管V3的集电极连接，所述三极管V1的集电极与三极管V3的基极连接；

三极管V2，所述三极管V1的集电极还与三极管V2的集电极连接，所述三极管V3的射极与三极管V2的基极连接，所述三极管V2的射极与开关K1的输入端连接；以及

电阻R5，所述三极管V3的射极和三极管V2的基极连接后与电阻R5的输入端连接，所述电阻R5的输出端与开关K1的输入端连接。

作为本发明的一种优选方案，所述三极管V2的型号为2SC1623，且三极管V2的基极开启电压为0.5V，所述三极管V3的型号为2SD882，所述电阻R5的阻值为1Ω。

作为本发明的一种优选方案，所述三极管V1的型号为2SA1162。

作为本发明的一种优选方案，所述三端精密稳压管N1的型号为AZ341。

作为本发明的一种优选方案，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4的阻值分别为51KΩ、75KΩ、1KΩ和510Ω。

多节串联电池电压均衡电路，将一个电池不平衡的多节串联电池组中的每节电芯都连接一个如权利要求1-6任意一项所述的电压均衡电路，并连接充电器。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明由高精度的三端精密稳压管与电阻及恒流放电回路构成，无论电池电压高低，均衡电流均保持不变，可以有较大的均衡电流，而均衡的控制电压精度很高，在均衡完成时，单体电池之间的电压差值很小，荷电状态一致，从而使电池组的整体寿命得以延长。

(2)本发明的控制电压精度很高，可以控制到误差小于5mV，在均衡完成时，单体电池之间的电压差值很小，荷电状态一致，从而使电池组的均衡效果更好。

(3)本发明的恒流放电回路具有恒流控制功能，无论电池电压高低，均衡电流均能保持不变，放电的热功率由功率管和电阻共同承担，可以承受较大的均衡电流。

(4)本发明为纯硬件电路，无需软件控制，可靠性高。

(5)本发明为针对每个单体电池独立工作的电路，既可以设计在BMS中使用，也可以将电路做成多节串联电池组的维护设备来使用，用于维护不平衡的电池组。

附图说明

图1为本发明电压均衡电路实施例1处的电路原理图；

图2为本发明电压均衡电路实施例2处的电路原理图；

图3为本发明多节串联电池电压均衡电路实施例3处的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1，电压均衡电路，包括：

电源正极端IN+；

电源负极端IN-；

恒流放电回路，电源正极端IN+与恒流放电回路的输入端连接；

开关K1，恒流放电回路的输出端与开关K1的输入端连接，开关K1的输出端与电源负极端IN-连接；

电阻R4，作为限流电阻，电源正极端IN+与电阻R4连接，电阻R4与恒流放电回路并联；

三极管V1，作为恒流放电的驱动三极管，电阻R4的输出端与三极管V1的射极连接，三极管V1的集电极与恒流放电回路的输入端连接；

电阻R3，电源正极端IN+与电阻R3的输入端连接，电阻R3与电阻R4并联，电阻R3的输出端与三极管V1的基极连接；

电阻R1，用以实现电压检测时的分压作用，电源正极端IN+与电阻R1的输入端连接，电阻R1与电阻R3并联；

三端精密稳压管N1，作为电压均衡电路控制核心，用以控制电压，电阻R1的输出端、电阻R3的输出端和三极管V1的基极均与三端精密稳压管N1的调整端连接，三端精密稳压管N1的负端与开关K1的输入端连接；以及

电阻R2，用以实现电压检测时的分压作用，电阻R1的输出端与电阻R2的输入端连接，电阻R2与三端精密稳压管N1并联，电阻R2的输出端与开关K1的输入端连接；

具体的，恒流放电回路包括：

三极管V3，电源正极端IN+与三极管V3的集电极连接，三极管V1的集电极与三极管V3的基极连接；

三极管V2，三极管V1的集电极还与三极管V2的集电极连接，三极管V3的射极与三极管V2的基极连接，三极管V2的射极与开关K1的输入端连接；以及

电阻R5，三极管V3的射极和三极管V2的基极连接后与电阻R5的输入端连接，电阻R5的输出端与开关K1的输入端连接。

具体的，本发明的工作原理为：

当开关K1闭合时，电压均衡电路处于工作状态，接入的电池电压经过电阻R1和电阻R2分压后，若该电压分压值小于三端精密稳压管N1调整端的阀值Vre(例如，三端精密稳压管N1采用LM431型号，其调整端阀值Vref＝2.495V)，三端精密稳压管N1则处于截止状态，三端精密稳压管N1的负端电流输入为0，此时由于三极管V1的基极电流也为0，三极管V1处于关断状态，因此三极管V2和三极管V3也处于关断状态，这时电路的恒流放电回路处于关断状态；

当接入的电池电压经过电阻R1和电阻R2分压后，若该电压分压值大于三端精密稳压管N1调整端的阀值Vref，此时三端精密稳压管N1处于导通状态，电流会从电池正极经过电阻R4、三极管V1的射极到基极、再到三端精密稳压管N1的负端再到三端精密稳压管N1的调整端并经过开关K1流到电池负极，这时由于三极管V1的射极到基极有电流流过，使三极管V1处于导通状态，会有驱动电流从电池正极经过电阻R4、三极管V1的射极到集电极、再由三极管V3的基极到射极并经过电阻R5和开关K1流到电池负极，此时由于三极管V3的基极到射极有电流流过，三极管V3导通，电池会通过三极管V3的集电极到射极再经过电阻R5和开关K1进行放电，恒流放电回路处于工作状态，会有放电电流产生，当放电电流从电阻R5上流过时，会在电阻R5上产生电压降，当该电压降大于三极管V2的基极、射极间的开启电压时，三极管V2会处于导通状态，此时三极管V2的集电极与射极之间会有电流，使三极管V3的基极电流变小，使三极管V3的集电极至射极之间的电流也变小，从而使放电电流被限制在一个电流值，该电流值≈三极管V2的基极开启电压(约0.5V)/R5的阻值。

实施例2：

请参阅图2，电压均衡电路，为了实现均衡电流限制为0.5A，实施例2在实施例1的基础上给出如下具体参数：三极管V1采用了2SA1162型号，三极管V3采用了2SD882型号，电阻R3的阻值为1KΩ，电阻R4的阻值为510Ω，三端精密稳压管N1采用了AZ431型号，它的调整端控制电压为2.495V，电阻R1和电阻R2采用了分别阻值为51KΩ和75KΩ的精密电阻，因此均衡电路的控制电压＝(51KΩ+75KΩ)/75KΩ*2.495V＝4.192V，电路中三极管V2采用了2SC1623型号，其基极开启电压为0.5V，电阻R5采用了1Ω的阻值，因此均衡电路的电流限制值为0.5V/1Ω＝0.5A；当接入的电池电压高于4.192V时，均衡电路会开启，均衡电流限制为0.5A。

实施例3：

请参阅图3，多节串联电池电压均衡电路，实施例3将一个电池不平衡的多节串联电池组中的每节电芯都连接一个电压均衡电路，将所有均衡电路的开关K1闭合，并将电池组连接一个充电电流为0.5A的充电器进行充电，随着充电过程的进行，有的电池电压会较高，会先达到4.192V，这时电压达到4.192V的单体电池会进入均衡工作状态，电压会保持在4.192V进行恒压充电，此时0.5A的充电电流一部分给该单体电池充电，另一部分从均衡电路流过；其它电压较低的单体电池则会继续以0.5A电流进行充电，直到电压也达到4.192V，随着充电过程的继续进行，在充电完成时，电池组中所有单体电池的电压都会稳定在4.192V，从而达到了电压均衡的目的，需要进行说明的是：图3出示的是将一个电池不平衡的4节串联电池组中的每节电芯都连接一个电压均衡电路，本实施例包括但不限于4节。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.电压均衡电路，其特征在于，包括：

电源正极端IN+；

电源负极端IN-；

恒流放电回路，所述电源正极端IN+与恒流放电回路的输入端连接；

开关K1，所述恒流放电回路的输出端与开关K1的输入端连接，所述开关K1的输出端与电源负极端IN-连接；

电阻R4，作为限流电阻，所述电源正极端IN+与电阻R4连接，所述电阻R4与恒流放电回路并联；

三极管V1，作为恒流放电的驱动三极管，所述电阻R4的输出端与三极管V1的射极连接，所述三极管V1的集电极与恒流放电回路的输入端连接；

电阻R3，所述电源正极端IN+与电阻R3的输入端连接，所述电阻R3与电阻R4并联，所述电阻R3的输出端与三极管V1的基极连接；

电阻R1，用以实现电压检测时的分压作用，所述电源正极端IN+与电阻R1的输入端连接，所述电阻R1与电阻R3并联；

三端精密稳压管N1，作为电压均衡电路控制核心，用以控制电压，所述电阻R1的输出端、电阻R3的输出端和三极管V1的基极均与三端精密稳压管N1的调整端连接，所述三端精密稳压管N1的负端与开关K1的输入端连接；以及

电阻R2，用以实现电压检测时的分压作用，所述电阻R1的输出端与电阻R2的输入端连接，所述电阻R2与三端精密稳压管N1并联，所述电阻R2的输出端与开关K1的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的电压均衡电路，其特征在于，所述恒流放电回路包括：

三极管V3，所述电源正极端IN+与三极管V3的集电极连接，所述三极管V1的集电极与三极管V3的基极连接；

三极管V2，所述三极管V1的集电极还与三极管V2的集电极连接，所述三极管V3的射极与三极管V2的基极连接，所述三极管V2的射极与开关K1的输入端连接；以及

电阻R5，所述三极管V3的射极和三极管V2的基极连接后与电阻R5的输入端连接，所述电阻R5的输出端与开关K1的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的电压均衡电路，其特征在于，所述三极管V2的型号为2SC1623，且三极管V2的基极开启电压为0.5V，所述三极管V3的型号为2SD882，所述电阻R5的阻值为1Ω。

4.根据权利要求3所述的电压均衡电路，其特征在于，所述三极管V1的型号为2SA1162。

5.根据权利要求4所述的电压均衡电路，其特征在于，所述三端精密稳压管N1的型号为AZ341。

6.根据权利要求5所述的电压均衡电路，其特征在于，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4的阻值分别为51KΩ、75KΩ、1KΩ和510Ω。

7.多节串联电池电压均衡电路，其特征在于，将一个电池不平衡的多节串联电池组中的每节电芯都连接一个如权利要求1-6任意一项所述的电压均衡电路，并连接充电器。

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