发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种针对多节锂电池组分时复用采样电路的均衡电路结构,以解决现有技术中电池组中单体电池电压出现不均衡,整体电池组电压变低,电池组的电容量减小的问题。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种针对多节锂电池组分时复用采样电路的均衡电路结构,包括多节锂电池组,所述多节锂电池组由n节单体锂电池串联组成,n为≥1的自然数;第n个单体锂电池的正极连接一个第一开关SCPn的第一端,第n个锂电池的负极连接一个第二开关SCNn的第一端;
所有的第一开关SCPn的第二端均连接至节点VA,所有的第二开关SCNn的第二端均连接至节点VB;
所述节点VA连接有电阻R1的第一端,电阻R1的第二端连接至节点VC,节点VC还同时连接有电阻R3的第一端和运算放大器A1的负极;所述节点VB连接有电阻R2的第一端,电阻R2的第二段连接至节点VD,节点VD还同时连接有电阻R4的第一端和运算放大器A1的正极;所述运算放大器A1的输出端输出电流Io;
所述电阻R3的第二端和电阻R4的第一端均连接至电流采样和补偿电路;所述电流采样和补偿电路分为第一电流采样和补偿电路以及第二电流采样和补偿电路,所述第一电流采样和补偿电路连接节点VA,所述第二电流采样和补偿电路连接节点VB。
本发明的进一步改进在于:
优选的,所述运算放大器A1包括输入级U1、负载驱动级U2、P型MOS管MP01和N型MOS管MN01。
优选的,输入级U1的正向输入端连接节点VD,输入级U1的负向输入端连接节点VC,输入级U1的输出与负载驱动级U2相连,负载驱动级U2通过节点VP1连接到P型MOS管MP01的栅极,负载驱动级U2通过节点VN1和N型MOS管MN01的栅极连接。
优选的,所述第一电流采样和补偿电路包括P型MOS管MP02、P型MOS管MP03、P型MOS管MP04、P型MOS管MP05、N型MOS管MN02、N型MOS管MN03、N型MOS管MN04和N型MOS管MN05;
P型MOS管MP02的源极、P型MOS管MP03的源极、P型MOS管MP04的源极和P型MOS管MP05的源极连接到VCC,其中VCC为多节锂电池组的顶节电池的正极电压;
N型MOS管MN02的源级、N型MOS管MN03的源级、N型MOS管MN04的源级和N型MOS管MN05的源级接到节点GND,节点GND为多节锂电池组第一节单体电池的负极。
优选的,所述P型MOS管MP02、P型MOS管MP03、P型MOS管MP04和P型MOS管MP05的尺寸取值相等;N型MOS管MN02、N型MOS管MN03、N型MOS管MN04和N型MOS管MN05的尺寸取值相等。
优选的,N型MOS管MN02的栅极和N型MOS管MN03的栅极连接到节点VN1;N型MOS管MN02的漏极、P型MOS管MP02的漏极、N型MOS管MN04的漏极、N型MOS管MN04的栅极和N型MOS管MN05的栅极接入节点VN27。
优选的,P型MOS管MP03的漏极、N型MOS管MN03的漏极、P型MOS管MP04的漏极、P型MOS管MP04的栅极和P型MOS管MP05的栅极接入节点VP2;P型MOS管MP05的漏极和N型MOS管MN05的漏极连接到节点VA。
优选的,所述第二电流采样和补偿电路包括运算放大器U3、电阻R5、N型MOS管MN1、P型MOS管MP1以及P型MOS管MP2。
优选的,运算放大器U3的正向输入端接到节点VD,运算放大器的负向输入端、N型MOS管MN1的源级以及电阻R5的第一端接到节点VN3,电阻的第二端接到节点GND,节点GND为多节锂电池组第一节电池的负极,运算放大器A1的输出端和N型MOS管MN1的栅级接一起,N型MOS管MN1的漏级、P型MOS管MP1的漏级、P型MOS管MP1的栅极和P型MOS管MP2的栅极接到节点VP3,P型MOS管MP1的源级和P型MOS管MP2的源级接到节点VCC,节点VCC为多节锂电池组的顶节电池的正极电压,P型MOS管MP2的漏极接到节点VB。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明公开了一种针对多节锂电池组分时复用采样电路的均衡电路结构。该电路包括:n节单体锂电池组成的多节锂电池组(n为整数),开关网络,电阻R1、电阻R2、电阻R3以及电阻R4,运算放大器A1,电流采样和补偿电路,其中电流采样和补偿电路具体电路包括第一电流采样和补偿电路和第二电流采样和补偿电路。该电路通过采样运算放大器A1输出电流Io,得到补偿电流IBAN,补偿电流IBAN的电流与运算放大器A1输出电流Io大小相等且方向相反,将所述补偿电流IBAN接入节点VA,使得第一开关组SCNn流过的电流IBN=0。第二电流采样和补偿电路采样电阻R4上的电流,得到补偿电流IBBP,补偿电流IBBP的电流与采样电阻R4电流IR4大小相等且方向相反,将电流IBBP接入节点VB,使得第二开关SCPn流过的电流IBP=0。该电路针对分时复用的多节锂电池组采样电路,通过电流补偿方式,在多节锂电池组分时复用采样电路中,不会在每节单体电池上产生额外采样电流,从而实现了多节锂电池组中单体电池之间的电压均衡。
进一步的,该电路对多节锂电池组分时复用采样电路的方案,采用了电流补偿的方式对采样电路采样过程中产生的采样电流进行补偿,有利于多节锂电池组中每个单体电池的平衡。
进一步的,该电路由于多节锂电池组分时复用采样电路的方案,电路中只存在一路采样运放,在进行补偿时,只需要对一个采样电路补偿,减小了补偿电路,节省了成本。
进一步的,该电路具有结构简单,实用性较好,且有效性高的特性,能有效的实现多节锂电池组中单体电池电压的均衡。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制;术语“第一”、“第二”、“第三”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,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2所示,本发明的公开的实施例之一,包括:n节单体锂电池组成的多节锂电池组(n为整数),开关网络,电阻R1、电阻R2、电阻R3以及电阻R4,运算放大器A1,电流采样和补偿电路。
所述n节单体电池通过串联的方式得到多节锂电池组,包括从CELL1、CELL2…到CELLn依次串联的多节单体电池。
所述开关网络由n个个体开关组成的第一开关组SCNn以及n个个体开关组成的第二开关组SCPn,第一开关组SCNn的第一端分别接n个单体电池的负极,第一开关组SCNn的第二端都连接到节点VA,第二开关组SCPn的第一端分别接n个单体电池的正极,第二开关组SCPn的第二端都连接到节点VB。更为具体的,第一开关组中的每一个开关SCNn接入其对应第n个单体电池的负极,第二端接入节点VA,第二开关组的中每一个开关SCPn的第一端接入其对应第n个单体电池的正极,第二端连接到节点VB。
所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及运算放大器A1组成放大采样电路;每一时刻,通过第一开关组SCNn和第二开关组SCPn,分别将单体电池接入所述放大采样电路,得到代表每一节电池的电压Vo。
第一电流采样和补偿电路包括第一电流采样电路和第一补偿电路,第一电池采样电路通过对电阻R1和电阻R3所组成的通路流过的电流进行采样。第一补偿电路,根据第一电流采样电路采集到的电流信息,产生补偿电流IBAN,补偿到节点VA,使得电池组通过第一开关组SCNn流到所述放大采样电路的电流为0,从而使得多节锂电池组在对单体电池分别进行采样时,不再从单体电池中产生额外电流,实现多节锂电池组中单体电池间电压的均衡。
第二电流采样和补偿电路包括第二电池采样电路和第二补偿电路,第二电流采样电路通过对电阻R2和电阻R4组成的通路流过的电流进行采样。第二补偿电路根据第二电流采样电路采集到的电流信息,产生补偿电流IBBP,补偿到节点VB,使得电池组通过第二开关组SCPn流到所述放大采样电路的电流为0,从而使得多节锂电池组在对单体电池分别进行采样时,不再从单体电池中产生额外电流,实现多节锂电池组中单体电池间电压的均衡。
优选的,本发明公开的实施例之一为如图3所示一种针对多节锂电池组分时复用采样电路的均衡方案,包括:n节单体锂电池单元组成的多节锂电池组(n为整数),开关网络,电阻R1、电阻R2、电阻R3以及电阻R4,运算放大器A1,电流采样和补偿电路。
所述n节单体电池通过串联的方式得到多节锂电池组。
所述开关网络由n个个体开关组成的第一开关组SCNn以及n个个体开关组成的第二开关组SCPn,第一开关组SCNn的第一端分别接n个单体电池的负极,第一开关组SCNn的第二端都连接到节点VA,第二开关组SCPn的第一端接n个单体电池的正极,第二开关组SCPn的第二端都连接到节点VB。
所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及运算放大器A1组成放大采样电路;所述采样放大电路通过电阻R1的第一端接入节点VA,电阻R2的第一端接入节点VB,电阻R1的第二端、电阻R3的第一端以及运算放大器A1的负向输入端接入节点VC;电阻R2的第二端、电阻R4的第一端以及运算放大器A1的正向输入端接入节点VD;电阻R3的第二端和运算放大器A1的输出接入节点Vo,电阻R4的第二端接到节点GND,节点GND为第一节单体电池的负极。每一时刻,通过第一开关组SCNn和第二开关组SCPn,分别将单体电池接入所述放大采样电路,得到代表每一节单体电池电压的电压Vo,同时会产生对应的第一开关组SCNn流到节点VA的电流IBN、第二开关组SCPn流到节点VB的电流IBP、运算放大器A1的输出电流Io和电阻R4的电流IR4,其中采样不同节多节锂电池组中的单体电池电压而产生的电流IBN和电流IBP,会造成锂电池组中单体电池电压的不均衡。
所述电流采样和补偿电路,分为电流采样电路和电流补偿电路。所述电流采样电路,通过分别对所述放大采样电路中电阻R1和电阻R3所组成的通路流过的电流Io以及电阻R2和电阻R4组成的通路流过的采样电流IR4进行采样。所述电流补偿电路,根据所述电流采样电路采集到的电流信息,产生补偿电流IBAN和电流IBBP,分别补偿到节点VA以及节点VB,使得IBN=IBP=0,根据节点电流定律,即IBAN=Io,IBBP=IR4。
为了分别得到补偿电流IBAN和输出电流Io电流值相等且电流流向相反,以及补偿电流IBBP和电阻R4电流IR4电流值相等且电流流向相反,分别构建了如图3和图4所示的电流采样和补偿电路的结构。
如图4所示的第一电流采样和补偿电路,实现对第一开关组SCNn产生的采样电流IBN的补偿。所述第一电流采样和补偿电路,包括:输入级U1、负载驱动级U2、P型MOS管MP01、P型MOS管MP02、P型MOS管MP03、P型MOS管MP04、P型MOS管MP05、N型MOS管MN01、N型MOS管MN02、N型MOS管MN03、N型MOS管MN04、N型MOS管MN05。其中P型MOS管MP01、P型MOS管MP02、P型MOS管MP03、P型MOS管MP04和P型MOS管MP05的尺寸取值相等,N型MOS管MN01、N型MOS管MN02、N型MOS管MN03、N型MOS管MN04、N型MOS管MN05的尺寸取值相等,输入级U1、负载驱动级U2、P型MOS管MP01和N型MOS管MN01组成了所述运算放大器A1。输入级U1的正向输入端连接节点VD,输入级U1的负向输入端连接节点VC,输入级U1的输出与负载驱动级U2相连,负载驱动级U2分别通过节点VP1和节点VN1连接到P型MOS管MP01的栅极和N型MOS管MN01的栅极,实现控制运算放大器输出电流的目的。P型MOS管MP01的栅极、P型MOS管MP02的栅极和P型MOS管MP03的栅极连接到节点VP1,P型MOS管MP01的源极、P型MOS管MP02的源极、P型MOS管MP03的源极、P型MOS管MP04的源极和P型MOS管MP05的源极连接到VCC,其中VCC为多节锂电池组的顶节电池的正极电压,N型MOS管MN01的源级、N型MOS管MN02的源级、N型MOS管MN03的源级、N型MOS管MN04的源级和N型MOS管MN05的源级接到节点GND,节点GND为多节锂电池组第一节单体电池的负极,N型MOS管MN01的栅极、N型MOS管MN02的栅极和N型MOS管MN03的栅极连接到节点VN1,N型MOS管MN01的漏极和P型MOS管MP01的漏极连接到节点Vo,N型MOS管MN02的漏极、P型MOS管MP02的漏极、N型MOS管MN04的漏极、N型MOS管MN04的栅极和N型MOS管MN05的栅极接入节点VN2,P型MOS管MP03的漏极、N型MOS管MN03的漏极、P型MOS管MP04的漏极、P型MOS管MP04的栅极和P型MOS管MP05的栅极接入节点VP2,P型MOS管MP05的漏极和N型MOS管MN05的漏极连接到节点VA。其基本工作原理为:运算放大器的输出电流Io为采样电阻R1和采样电阻R3流过的电流,根据电流节点定律,该电流Io值为P型MOS管MP01流过的电流IMP01与N型MOS管MN01管流过的电流IMN01之差,通过所述第一电流采样和补偿电路得到该差值后,通过电流镜镜像的关系补偿的节点VA,使得电流IBN=0。具体原理如下所述,
P型MOS管MP01流过的电流IMP01与N型MOS管MN01管流过的电流IMN01差值为输出电流Io。
由于P型MOS管MP01、P型MOS管MP02和P型MOS管MP03的尺寸相等,P型MOS管MP02和P型MOS管MP03通过与P型MOS管MP01镜像关系得到可以输出电流值为IMP01的能力,由于N型MOS管MN02、N型MOS管MN03与N型MOS管MN01的尺寸相等,N型MOS管MN02和N型MOS管MN03通过与N型MOS管MN01镜像的关系得到可以输出电流值为IMN01的能力,即,
IMP02≤IMP01
IMP03≤IMP01
IMN02≤IMN01
IMN03≤IMN01
电流IMP02和电流IMN02分别流到节点VN2,
若N型MOS管MN01比P型MOS管MP01的电流小,根据电流镜关系,即N型MOS管MN02比P型MOS管MP02的电流小,N型MOS管MN04流走N型MOS管MN02比P型MOS管MP02小的差值电流,则:
IMN04=IMP02-IMN02=IMP01-IMN01
若N型MOS管MN01比P型MOS管MP01的电流大,根据电流镜关系,即N型MOS管MN02比P型MOS管MP02的电流大,N型MOS管MN04流走的电流为0,即:
IMN04=0
由于N型MOS管MN05与N型MOS管MN04的尺寸相等,N型MOS管MN05镜像与N型MOS管MN04的相等的电流值IMN05,则:
IMN05=IMN04
电流IMP03和电流IMN03分别流到节点VP2,
若N型MOS管MN01比P型MOS管MP01的电流小,根据电流镜关系,即N型MOS管MN03比P型MOS管MP03的电流小,P型MOS管MP04流走的电流为0,即:
IMP04=0
若N型MOS管MN01比P型MOS管MP01的电流大,根据电流镜关系,N型MOS管MN03比P型MOS管MP03的电流大,P型MOS管MP04流走N型MOS管MN03比P型MOS管MP02大的差值电流,则
IMP04=IMN02-IMP02=IMN01-IMP01
由于P型MOS管MP04与P型MOS管MP05的尺寸相等,P型MOS管MP05镜像与P型MOS管MP04的相等的电流值IMP05,则:
IMP05=IMP04
而P型MOS管IMP05的电流与N型MOS管MN05的电流流到节点VB得到补偿电流IBAN。
综上可知,当N型MOS管MN01的电流比P型MOS管MP01的电流小时,
IMN05=IMN04=IMP01-IMN01
IMP05=0
即,
IBAN=IMN05-IMP05=IMP01-IMN01
当N型MOS管MN01的电流比P型MOS管MP01的电流大时,
IMN05=IMN04=0
IMP05=IMP04=IMN01-IMP01
即,
IBAN=IMP05-IMN05=IMN01-IMP01
即,补偿电流IBAN的电流值始终为P型MOS管MP01流过的电流IMP01与N型MOS管MN01管流过的电流IMN01差值。
即补偿电流IBAN值为,
IBAN=Io=|IMP01-IMN01|
而在电流方向上,对于节点VA,补偿电流IBAN与输出电流Io相反,即通过第一电流采样和补偿电路,可以完全补偿掉采样电阻R1和采样电阻R3通路上的电流,根据节点电流定律可知,第一开关组SCNn流过的电流IBN=0。
如图5所示的第二电流采样和补偿电路,实现对第二开关组SCPn采样电流IBP的补偿。该电路包括运算放大器U3,电阻R5,N型MOS管MN1,P型MOS管MP1以及P型MOS管MP2。其中运算放大器U3的正向输入端接到节点VD,运算放大器的负向输入端、N型MOS管MN1的源级以及电阻R5的第一端接到节点VN3,电阻的第二端接到节点GND,节点GND为多节锂电池组第一节电池的负极,运算放大器的输出端和N型MOS管MN1的栅级接一起,N型MOS管MN1的漏级、P型MOS管MP1的漏级、P型MOS管MP1的栅极和P型MOS管MP2的栅极接到节点VP3,P型MOS管MP1的源级和P型MOS管MP2的源级接到节点VCC,节点VCC为多节锂电池组的顶节电池的正极电压,P型MOS管MP2的漏极接到节点VB。其基本工作原理为,通过运算放大器U3、电阻R5和N型MOS管MN1组成的电流采样电路得到流过采样电阻R2和R4的电流,P型MOS管MP1和P型MOS管MP2组成的电流镜将所述电流采样电路得到的采样电流镜像得到补偿电流IBBP,使得IBP=0。具体原理如下所述:
电阻R4的阻值与电阻R5的阻值相等,由于运算放大器U3的作用,使得节点VN3的电压和节点VD的电压相等,则由欧姆定律可知,流过电阻R4的电流和流过电阻R5的电流相等,记为IR5。而N型MOS管MN1、P型MOS管MP1和电阻R5属于串联关系,则流过N型MOS管MN1的电流IMN1、流过P型MOS管MP1的电流IMP1和流过电阻R5的电流相等,P型MOS管MP1和P型MOS管MP2的尺寸相等,则P型MOS管MP1和P型MOS管MP2组成的电流镜流过的电流相等,即电流IBBP与流过采样电阻R4的电流相等,而电流流向相反,则由节点电流定律可知,IBP=0,即通过电流采样补偿电路2抵消了电流IBP。
综上所述,第一电流采样和补偿电路通过采样运算放大器A1输出电流Io,得到补偿电流IBAN,补偿电流IBAN的电流与运算放大器A1输出电流Io大小相等且方向相反,将所述补偿电流IBAN接入节点VA,使得第一开关组SCNn流过的电流IBN=0。第二电流采样和补偿电路采样电阻R4上的电流,得到补偿电流IBBP,补偿电流IBBP的电流与采样电阻R4电流IR4电流大小相等且方向相反,将电流IBBP接入节点VB,使得第二开关SCPn流过的电流IBP=0。即通过电流补偿方式,在多节锂电池组分时复用采样电路中,不会在每节单体电池上产生额外采样电流,从而实现了多节锂电池组中单体电池之间的电压均衡。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。