CN205092599U

CN205092599U - 多节电池的均衡充电装置

Info

Publication number: CN205092599U
Application number: CN201520752474.1U
Authority: CN
Inventors: 刘晓刚
Original assignee: Shenzhen Ailanbo Power Electronics Co Ltd
Current assignee: Huizhou Xinsibeike Power Technology Co ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2025-09-25

Abstract

本实用新型公开了一种多节电池的均衡充电装置，涉及电池领域。相对于结构复杂的BMS，本实用新型提供的均衡充电装置结构简单、成本低廉，能够促进均衡充电方案在消费类电子产品中的应用。该装置包括：电池电压检测电路，其用于检测对应电池两端的电压；驱动信号产生电路，其连接电池电压检测电路，生成多个驱动信号；耦合均衡充电电路，其具有第一多绕组变压器及与各节电池对应的多个MOSFET，多个MOSFET分别连接驱动信号产生电路，在驱动信号的驱动下，多个MOSFET同时打开或关闭，以控制多节电池通过第一多绕组变压器耦合自动进行均衡充电。

Description

多节电池的均衡充电装置

技术领域

本实用新型涉及电池领域，更具体地说，涉及一种多节电池的均衡充电装置。

背景技术

对于锂电池等可充放电电池，由于其单节电压较低，经常需要串联使用。多节电池串联充电时，各节电池个体差异会导致充电不均衡：个别电池会先充满，而另一部分电池尚未充满。各节电池充满所需时间可能完全不一样，已充满的电池还继续充电(即过充电)会损害电池的性能，为了避免充电不均衡造成的问题，现有技术中一般通过BMS(BatteryManagementSystem，电池管理系统)来进行充电管理。具体地，在某节电池充满后，将该节电池旁路掉，或者，消耗掉该节电池的充电电流，从而防止其出现过充电；其他未充满的电池则继续进行充电。

然而，对于一般的消费类电子产品而言，BMS的结构较为复杂，成本也偏高，这限制了BMS在消费类电子产品中的应用。因此，现在需要一种结构简单、成本低廉的均衡充电方案。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种多节电池的均衡充电装置，其结构简单、成本低廉，能够取代结构复杂、成本偏高的BMS，促进均衡充电方案在消费类电子产品中的应用。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多节电池的均衡充电装置，用于为串联的多节电池均衡充电，包括：

电池电压检测电路，其具有与各节电池对应的多个检测端，每个检测端连接对应电池的正极，用于检测对应电池两端的电压；

驱动信号产生电路，其连接所述电池电压检测电路，并根据所述电池电压检测电路检测得到的所述电压生成多个驱动信号；

耦合均衡充电电路，其具有第一多绕组变压器及与各节电池对应的多个MOSFET，所述第一多绕组变压器的原绕组的一端接地，另一端串联二极管后与多节电池总电压端连接，所述第一多绕组变压器具有与各节电池对应的多个副绕组，每一个副绕组与一个MOSFET串联之后再与对应电池并联，

其中，所述多个MOSFET分别连接所述驱动信号产生电路，分别由对应的所述驱动信号驱动，在所述驱动信号的驱动下，所述多个MOSFET同时打开或关闭，以控制多节电池通过所述第一多绕组变压器耦合自动进行均衡充电。

可选地，所述耦合均衡电路还包括与各节电池对应的多个电感，所述第一多绕组变压器的每一个副绕组与一个MOSFET、一个所述电感串联之后再与对应电池并联。

可选地，所述驱动信号产生电路对应于每个所述驱动信号分别具有两个信号输出端，

当所述MOSFET为N型MOSFET时，所述N型MOSFET的源极连接对应电池的正极，漏极与所述副绕组这一侧连接，栅极连接所述驱动信号产生电路的一个信号输出端，所述驱动信号产生电路的另一个信号输出端与对应电池的负极连接，

当所述MOSFET为P型MOSFET时，所述P型MOSFET的源极与所述副绕组这一侧连接，漏极连接对应电池的正极，栅极连接所述驱动信号产生电路的一个信号输出端，所述驱动信号产生电路的另一个信号输出端与对应电池的负极连接。

可选地，所述副绕组连接所述MOSFET这一侧的端子，相对所述原绕组的接地端为同名端。

可选地，所述副绕组与所述原绕组的匝数相同。

可选地，所述驱动信号产生电路包括脉冲信号产生芯片、放大电路及悬浮驱动信号转化电路，其中，所述脉冲信号产生芯片连接所述电池电压检测电路，用于根据所述电池电压检测电路检测得到的所述电压，生成原始的PMW信号；所述放大电路连接所述脉冲信号产生芯片，用于放大所述原始的PMW信号；所述悬浮驱动信号产生电路包括第二多绕组变压器，所述第二多绕组变压器的原绕组连接所述放大电路，所述第二多绕组变压器具有多个副绕组，每一个副绕组分别具有两个所述信号输出端，用于输出悬浮驱动信号。

根据本实用新型提供的多节电池的均衡充电装置，由于作为主要功能电路的耦合均衡充电电路只需由一个多绕组变压器及多个MOSFET构成，其结构非常简单、成本低廉，因而能够取代结构复杂、成本偏高的BMS，能够促进均衡充电方案在消费类电子产品中的应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是实施例一提供的多节电池的均衡充电装置的结构示意图；

图2是实施例二涉及的耦合均衡充电电路的结构示意图；

图3是实施例三涉及的驱动信号产生电路的结构示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的多节电池的均衡充电装置包括电池电压检测电路C1、驱动信号产生电路C2及耦合均衡充电电路C3。多节电池的均衡充电装置用于为串联的多节电池充电。在本说明书中以4节电池BT1、BT2、BT3、BT4为例进行说明，但也可为其他数量的多节电池。

电池电压检测电路C1具有与各节电池BT1～BT4对应的多个检测端BAT1～BAT4。每个检测端BAT1～BAT4连接对应电池BT1～BT4的正极(检测点)。即，检测端BAT1连接电池BT1的正极，检测端BAT2连接电池BT2的正极，检测端BAT3连接电池BT3的正极，检测端BAT4连接电池BT4的正极。

4节串联电池BT1～BT4后有一个公共负极，该公共负极接地。因此，检测端BAT1～BAT4直接采集到的是对应检测点的浮动电压。即，检测端BAT4采集到的是电池BT4的电压，检测端BAT3采集到的是电池BT3～BT4的串联电压，检测端BAT2采集到的是BT2～BT4的串联电压，检测端BAT1采集到的是BT1～BT4的串联电压。电池电压检测电路C1测量出各检测端BAT1～BAT4采集到的浮动电压，并根据测量的浮动电压计算各节电池BT1～BT4两端的电压。需要说明的是，本实用新型对于电池电压检测电路C1的具体电路结构不做限定，可采用现有的浮动电压检测电路来实现。

驱动信号产生电路C2可通过标签E21～E24所示的连接线连接电池电压检测电路C1，可从电池电压检测电路C1接收其测量得到的各节电池BT1～BT4两端的电压。驱动信号产生电路C2根据各节电池BT1～BT4两端的电压，生成用于驱动耦合均衡充电电路C3的驱动信号。在本实施例中，串联电池为4节，驱动信号可对应生成4个。

驱动信号可为PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)信号。在本实用新型中，PWM信号有效的主要参数在于占空比，因此，驱动信号产生电路C2根据各节电池BT1～BT4两端的电压，来生成一定占空比的PWM信号。关于PWM信号作为驱动信号来驱动耦合均衡充电电路C3的过程将在下文说明。

耦合均衡充电电路C3具有多绕组变压器T1及与各节电池对应的多个MOSFETQ1～Q4。为了区别于下文的多绕组变压器T2，在本说明书将T1称为第一多绕组变压器。第一多绕组变压器T1具有一个原绕组与多个副绕组。每个副绕组与一节电池对应。在本实施例中，串联电池为4节，因此，也以4个副绕组为例进行说明。实际上，多个副绕组的个数可为其他，而且，以副绕组的个数为限，串联电池的节数最多可达副绕组的个数。

具体地，原绕组的一端10接地，另一端9串联一个二极管D1后再与多节电池总电压端SOU连接。多节电池总电压端SOU用于为串联电池BT1～BT4进行普通充电(相对于均衡充电而言)。每个副绕组与一个MOSFET串联之后再与对应电池并联。举例而言，端子1、2之间的副绕组与MOSFETQ1串联之后，再与对应的电池BT1并联；端子3、4之间的副绕组与MOSFETQ2串联之后，再与对应的电池BT2并联。

MOSFETQ1～Q4分别连接驱动信号产生电路C2，并由驱动信号产生电路C2产生的驱动信号对应驱动。如图1所示，驱动信号产生电路C2对应于每个驱动信号分别具有两个信号输出端(P1～P4、B1～B4)。当MOSFETQ1～Q4为N型MOSFET时，MOSFETQ1～Q4的源极连接对应电池的正极，漏极与副绕组这一侧(即端子1、3、5、7这一侧)连接，栅极连接驱动信号产生电路C2的一个信号输出端P1～P4，驱动信号产生电路C2的另一个信号输出端B1～B4与对应电池BT1～BT4的负极连接。例如，MOSFETQ1的源极连接对应电池BT1的正极，漏极与端子1连接，栅极连接驱动信号产生电路C2的一个信号输出端P1，驱动信号产生电路C2的另一个信号输出端B1与对应电池BT1的负极连接。

当所述MOSFET为P型MOSFET时(未图示)，P型MOSFET的源极与副绕组这一侧连接，漏极连接对应电池的正极，栅极连接驱动信号产生电路的一个信号输出端，驱动信号产生电路的另一个信号输出端与对应电池的负极连接。

按照上述连接，驱动信号产生电路C2产生的4个驱动信号分别对应输出到MOSFETQ1～Q4。在驱动信号的驱动下，作为开关的4个MOSFETQ1～Q4同时打开(即导通)或关闭(即截止)，从而控制副绕组与对应电池接通或断开。

需要说明的是，副绕组连接MOSFET这一侧的端子，相对原绕组的接地端为同名端。例如，副绕组的端子1、3、5及7与原绕组的接地端10为同名端。而且，每个副绕组与原绕组的匝数相同。

在此，对基于PWM信号驱动的均衡充电过程进行说明。

PWM信号根据高电平及低电平驱动MOSFETQ1～Q4同时打开或关闭。例如，PWM信号在高电平时控制MOSFETQ1～Q4同时打开，在低电平时控制MOSFETQ1～Q4同时关闭。

当MOSFETQ1～Q4同时打开时，4个副绕组与原绕组之间产生磁耦合，从第一多绕组变压器T1方向来看，4节电池BT1～BT4相当于并联。此时，各节电池BT1～BT4之间根据自身两端的电压，通过各自的内阻以及MOSFETQ1～Q4的导通内阻，自动进行电量交换。具体地，在副绕组与原绕组之间发生能量交换：一方面，能量从两端电压高的电池对应副绕组传输到原绕组，另一方面，能量又从原绕组传输到两端电压低的电池对应副绕组，即电池组之间自动通过第一多绕组变压器T1逐步进行均衡。

当MOSFETQ1～Q4同时关闭时，4个副绕组与原绕组之间停止磁耦合，由多节电池总电压端SOU为电池BT1～BT4进行普通充电。

当MOSFETQ1～Q4再次同时打开时，4个副绕组与原绕组之间再次产生磁耦合，电池组之间再次通过第一多绕组变压器T1进行电量均衡的过程。当MOSFETQ1～Q4再次同时关闭时，4个副绕组与原绕组之间再次停止磁耦合，再次进行普通充电。如此反复，直至达到电量均衡。

需要说明的是，对于原绕组的另一端9所串联的二极管D1，其导通方向由第一多绕组变压器T1到多节电池总电压端SOU，因此，均衡充电过程的不会受多节电池总电压端SOU的影响，能够顺利进行。

对于均衡充电过程，电量均衡时间主要由PWM信号的占空比决定。在一个脉冲周期内，PWM信号的占空比越高，MOSFETQ1～Q4同时打开的时间就长，副绕组与原绕组之间磁耦合的时间也就越长，流经它们的均方根电流(即一个脉冲周期内的平均电流)也就更大，因而电池组之间可以更快达到电量均衡。另一方面，MOSFETQ1～Q4所承受的电流、散热等的压力就越大。综合上述情况，实际应用中可根据电池组的可能出现的不均衡情况、可接受的到达均衡的时间，来确定PWM的占空比。

由上可见，根据本实用新型提供的多节电池的均衡充电装置，由于作为主要功能电路的耦合均衡充电电路只需由一个多绕组变压器及多个MOSFET构成，其结构非常简单、成本低廉，因而能够取代结构复杂、成本偏高的BMS，能够促进均衡充电方案在消费类电子产品中的应用。

实施例二

当串联各节电池的个体差异相对较大时，例如，各节电池的老化程度或初始电量等差异较大时，在进行电量均衡时，若不对流经MOSFETQ1～Q4的均衡电流作限定，则MOSFETQ1～Q4所承受的电流、散热等的压力将非常大，容易降低MOSFETQ1～Q4的寿命，严重时甚至会烧坏整个均衡充电装置。

为此，本实施例在实施例一的基础上，对耦合均衡充电电路进行改进，具体地，如图2所示，在耦合均衡电路C1中设置与各节电池对应的多个电感L1～L4。每个电感L1～L4先与一个副绕组、一个MOSFETQ1～Q4串联之后再与对应电池BT1～BT4并联。例如，电感L1先与端子1、2之间的副绕组、MOSFETQ1串联，再与对应的电池BT1并联；电感L2先与端子3、4之间的副绕组、MOSFETQ2串联，再与对应的电池BT2并联。

对于N型MOSFETQ1～Q4，MOSFETQ1～Q4的源极连接对应电池的正极，漏极与副绕组这一侧(即电感L1～L4)连接，栅极连接驱动信号产生电路C2的一个信号输出端P1～P4，驱动信号产生电路C2的另一个信号输出端B1～B4与对应电池BT1～BT4的负极连接。

根据这种设置，由于电感L1～L4的限流作用，能够使电池电量严重不均衡时保持电池间的均衡电流不至于太大，从而减轻MOSFETQ1～Q4的压力。

实施例三

本实施例用于对驱动信号产生电路C2进行说明。如图3所示，驱动信号产生电路C2包括：脉冲信号产生芯片U1，用于生成PWM信号；放大电路，用于对芯片生成的PWM信号进行放大；悬浮驱动信号转化电路，用于将放大电路放大的PWM信号转化为多个悬浮驱动信号。

脉冲信号产生芯片U1连接电池电压检测电路C1，用于根据电池电压检测电路C1检测得到的电压，生成原始的PMW信号。芯片U1包括编号为1～16的管脚。其中，芯片U1与电池电压检测电路C1之间通过标签为E21～E24的连接线路连接，对应传输4个电压信号。管脚5连接5V的芯片工作电压，并经由电容C1接地。

放大电路包括电阻R1、三极管Q5、三极管Q6及电容C2等。电阻R1连接管脚6，接收原始的PMW信号。原始的PMW信号经放大电路放大后成为放大的PMW信号。

悬浮驱动信号转化电路包括第二多绕组变压器T2。第二多绕组变压器T2的原绕组(端子9、10之间)连接经由电容C2连接放大电路。第二多绕组变压器T2具有多个副绕组(例如，端子1、2之间、端子3、4之间、端子5、6之间、端子7、8之间)。每一个副绕组分别均连接电阻(例如，R2～R9)，以输出合适信号。每一个副绕组分别具有两个信号输出端(例如，P1与B1、P2与B2、P3与B3、P4与B4)，放大的PMW信号经过悬浮驱动信号转化电路转化为悬浮驱动信号从一对信号输出端输出。

通过设置上述这种具有悬浮驱动信号转化电路的驱动信号产生电路C2，能够适应于电压检测电路C1检测得到的浮动电压，以悬浮驱动的方式对耦合均衡充电电路C3进行驱动。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种多节电池的均衡充电装置，用于为串联的多节电池均衡充电，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合均衡电路还包括与各节电池对应的多个电感，所述第一多绕组变压器的每一个副绕组与一个MOSFET、一个所述电感串联之后再与对应电池并联。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述驱动信号产生电路对应于每个所述驱动信号分别具有两个信号输出端，

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述副绕组连接所述MOSFET这一侧的端子，相对所述原绕组的接地端为同名端。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述副绕组与所述原绕组的匝数相同。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述驱动信号产生电路包括脉冲信号产生芯片、放大电路及悬浮驱动信号转化电路，其中，所述脉冲信号产生芯片连接所述电池电压检测电路，用于根据所述电池电压检测电路检测得到的所述电压，生成原始的PMW信号；所述放大电路连接所述脉冲信号产生芯片，用于放大所述原始的PMW信号；所述悬浮驱动信号产生电路包括第二多绕组变压器，所述第二多绕组变压器的原绕组连接所述放大电路，所述第二多绕组变压器具有多个副绕组，每一个副绕组分别具有两个所述信号输出端，用于输出悬浮驱动信号。