CN212012165U - 多节串联锂电池平衡电路和移动设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了多节串联锂电池平衡电路和移动设备，包括与锂电池数量相等的平衡电路，每个平衡电路包括LDO、第一半导体开关、功率电阻、输出端负载电阻；单节锂电池的正极分别与LDO的VIN引脚、EN引脚以及第一半导体开关连接，LDO的VOUT引脚与第一半导体开关和输出端负载电阻连接，输出端负载电阻的另一端与单节锂电池的负极连接；第一半导体开关与功率电阻的一端连接，功率电阻的另一端与单节锂电池的负极连接；通过锂电池电池电压和输出电压值的对比控制第一半导体开关的闭合与断开，进而实现对单节锂电池的平衡充电控制，根据锂电池的一致性差异情况来调节电池充电电流，实现平衡充电功能。另外本实用新型不用额外的微处理器和ADC电路，成本较低。

Description

多节串联锂电池平衡电路和移动设备

技术领域

本实用新型涉及到多节串联锂电池保护技术领域，特别是涉及到多节串联锂电池平衡电路和移动设备。

背景技术

多节锂电池串联时对各个锂电池之间的性能一致性要求很高，否则会因某节锂电提前进入过充状态而影响电池组的总容量和使用寿命。目前能有效解决这一问题的方法是增加平衡充电电路，但目前实现该功能的电路较复杂，成本较高，无法在中低端移动设备上全面推广。

实用新型内容

本实用新型的主要目的为提供一种结构简单、成本较低的多节串联锂电池平衡电路和移动设备，用于解决现有平衡充电电路结构复杂、成本较高，无法在中低端移动设备上全面推广的技术问题。

本实用新型提出一种多节串联锂电池平衡电路，用于保护串联锂电池组，串联锂电池组由多节锂电池串联组成，多节串联锂电池平衡电路包括与锂电池数量相等的平衡电路，平衡电路与单节锂电池连接；每个平衡电路包括LDO、第一半导体开关、功率电阻；单节锂电池的正极分别与LDO的VIN引脚、EN引脚以及第一半导体开关连接，LDO的VOUT引脚与第一半导体开关连接；第一半导体开关与功率电阻的一端连接，功率电阻的另一端与单节锂电池的负极连接；LDO用于提供输出电压值，通过锂电池电池电压和输出电压值的对比来控制第一半导体开关的闭合与断开；功率电阻在第一半导体开关闭合时对与其连接的锂电池进行分流。

进一步地，LDO包括可调电压LDO和反馈电阻，反馈电阻与可调电压LDO的VREF引脚和VOUT引脚连接，反馈电阻还与单节锂电池的负极连接，反馈电阻用于决定可调电压LDO的输出电压值。

进一步地，反馈电阻包括第一反馈电阻、第二反馈电阻、第三反馈电阻，第一反馈电阻、第二反馈电阻以及第三反馈电阻的一端分别与VREF引脚连接，第一反馈电阻另一端与单节锂电池的正极连接，第二反馈电阻的另一端与单节锂电池的负极连接，第三反馈电阻另一端与VOUT引脚连接。

进一步地，第一半导体开关为PMOS管，PMOS管的源极与单节锂电池的正极连接，PMOS管的漏极通过功率电阻与单节锂电池的负极连接，PMOS管的栅极与VOUT引脚连接，且PMOS管的栅极通过输出端负载电阻与锂电池的负极连接连接。

进一步地，每个平衡电路还包括第二半导体开关，第二半导体开关分别与单节锂电池的负极和VREF引脚连接，第二半导体开关还与充电检测控制单元连接，充电检测控制单元用于发送控制信号至第二半导体开关，第二半导体开关根据控制信号闭合或断开，当第二半导体开关闭合时，LDO输出接近LDO输入的高电压，使第一半导体开关关闭。

进一步地，第二半导体开关为NPN三极管,NPN三极管的集电极与VREF引脚连接，NPN三极管的发射极与单节锂电池的负极连接，NPN三极管的基极与充电检测控制单元连接。

进一步地，每个平衡电路还包括输入端电容，输入端电容一端连接单节锂电池的正极，另一端连接可调电压LDO的GND引脚。

进一步地，每个平衡电路还包括第一电阻，第一电阻一端与单节锂电池的正极连接，另一端与LDO的EN引脚连接。

进一步地，可调电压LDO为低功耗高精度的小电流可调线性稳压器。

本实用新型还提供一种移动设备，包括的多节串联锂电池平衡电路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过设置可调电压LDO来实现对单节锂电池的平衡充电控制，根据锂电池的一致性差异情况来调节电池内部电压，方便地实现平衡充电功能。另外本实用新型不用额外的微处理器和ADC电路，成本较低。

附图说明

图1为本申请多节串联锂电池平衡电路一实施例的结构示意图；

图2为本申请多节串联锂电池平衡电路一实施例的方框图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”“上述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件、单元、模块和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、单元、模块、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

参照图1和2，多节串联锂电池平衡电路，用于保护串联锂电池组1，串联锂电池组1由多节锂电池串联组成，多节串联锂电池平衡电路包括与锂电池数量相等的平衡电路，平衡电路与单节锂电池连接；每个平衡电路包括LDO2、第一半导体开关3、功率电阻4；单节锂电池的正极分别与LDO的VIN引脚、EN引脚以及第一半导体开关3连接，LDO的VOUT引脚与第一半导体开关3连接；第一半导体开关3与功率电阻4的一端连接，功率电阻4的另一端与单节锂电池的负极连接；LDO用于提供输出电压值，通过锂电池电池电压和输出电压值的差值来控制第一半导体开关3的闭合与断开；功率电阻在第一半导体开关3闭合时对与其连接的锂电池进行分流，降低对应的锂电池的充电速率，使临近充满电的锂电池降低充电速度，而充电电压没有达到的锂电池对应的平衡电路的第一半导体开关3处于断开状态，不会被降低充电速度，进而逐渐缩小各个锂电池间的电压差距，使充电中的各锂电池在充满电时电压趋于一致。

参照图1-2，具体地，以3节锂电池为例，锂电池分别为BATT1、BATT2、BATT3，与锂电池对应连接的平衡电路都包括LDO 2、第一半导体开关3、功率电阻4、输出端负载电阻，在对应的平衡电路中，LDO分别为U1、U2、U3，第一半导体开关3分别为Q2、Q4、Q6，功率电阻4分别为电阻R6、R10、R16，输出端负载电阻分别为R19、R20、R21。其他锂电池BATT2、BATT3对应的平衡电路的结构及工作原理与锂电池BATT1对应的平衡电路相同。以锂电池BATT1对应的平衡电路为例，锂电池BATT1的正极连接LDO U1的VIN引脚、EN引脚、第一半导体开关3Q2，LDO的VOUT引脚与第一半导体开关3Q2和输出端负载电阻R19连接，输出端负载电阻R19的另一端与单节锂电池的负极连接；第一半导体开关3Q2与功率电阻4R6的一端连接，功率电阻4R6的另一端与单节锂电池的负极连接。

LDO是通过其外部的反馈电阻来确定输出电压值，其输出电压值通过与单节锂电池电压对比来控制第一半导体开关3是否导通。当第一半导体开关3导通后，电流经由功率电阻流向锂电池负极，实现锂电池的充电电流的分流，从而降低了单节锂电池的充电速度，没达到第一半导体开关3导通条件的锂电池保持原先的充电速度，因此各锂电池的电压差异将缩小，避免某节锂电池出现过充情况。输出端负载电阻R19、R20、R21的作用是使LDO输出低电压时更稳定、一致性更好。另外，本实用新型不需要额外的微处理器和ADC电路，成本较低，有利于在中低端移动设备上全面推广。

优选地，参照图1，LDO包括可调电压LDO 2和反馈电阻，LDO的VREF引脚、VOUT引脚、VIN引脚、EN引脚和GND引脚，即分别为可调电压LDO 2的VREF引脚、VOUT引脚、VIN引脚、EN引脚和GND引脚，反馈电阻与可调电压LDO 2的VREF引脚和VOUT引脚连接，反馈电阻还与单节锂电池的负极连接，反馈电阻用于决定可调电压LDO的输出电压值。可调电压LDO 2是一种输出电压可调节的低压差线性稳压器，其通过确定反馈电阻的阻值来调节输出电压。可调电压LDO 2可根据不同的需求外接阻值、连接方式不同的反馈电阻来确定其输出电压值，通过输出电压值与锂电池电压的比对，从而使第一半导体开关3在锂电池内部电压达到输出电压值时导通，降低锂电池的充电速度。

优选地，参考图1，反馈电阻包括第一反馈电阻、第二反馈电阻和第三反馈电阻，在对应的平衡电路中，第一反馈电阻分别为R3、R8、R14、第二反馈电阻分别为R4、R7、R13、第三反馈电阻分别为R5、R9、R15，以锂电池BATT1对应的平衡电路为例，反馈电阻包括第一反馈电阻R3、第二反馈电阻R4和第三反馈电阻R5，第一反馈电阻R3、第二反馈电阻R4、第三反馈电阻R5的一端与VREF引脚连接,且第一反馈电阻R3一端还与第一半导体开关3Q2连接，第一反馈电阻R3另一端与单节锂电池的正极连接，第二反馈电阻R4的另一端与单节锂电池的负极连接，第三反馈电阻R5另一端与VOUT引脚连接。其他第一反馈电阻R8、R14，第二反馈电阻R7、R13，第三反馈电阻R9、R15在电路中的结构和工作原理与电阻R3、R4、R5相同，此处不再赘述。第一、第二、第三反馈电阻的作用是决定输出电压Vout的电压值。输出电压Vout是由第一、第二、第三反馈电阻进行分压构成的，输出电压Vout经过反馈电阻分压到可调电压LDO的VREF引脚，当输出电压Vout高于设定值时，内部回路会改变驱动电压，使得可调电压LDO 2内部的MOS管的导通压降增大，从而降低输出电压Vout。当输出电压Vout低于设定值时，内部回路会改变驱动电压，使得可调电压LDO 2内部的MOS管导通压降减小，从而提高输出电压Vout。因此输出电压Vout会稳定在设定值，而该设定值就是通过反馈电阻分压得来的。而输出电压Vout则决定锂电池内部电压达到什么电压值时启动平衡电路。也可根据需求选择其他组合的反馈电阻。

优选地，参考图1，在对应的平衡电路中，第一半导体开关3分别为PMOS管Q2、Q4、Q6，以锂电池BATT1对应的平衡电路为例，PMOS管Q2的源极与单节锂电池BATT1的正极连接，PMOS管Q2的漏极通过功率电阻R6与单节锂电池BATT1的负极连接，PMOS管Q2的栅极与VOUT引脚连接，且PMOS管Q2的栅极通过输出端负载电阻R19与锂电池的负极连接连接。其他PMOS管Q4、Q6的结构和工作原理与PMOS管Q2相同。具体原理以第一半导体开关3为PMOS管Q2举例说明。在开始充电时，各个锂电池内部的电压值各有差异，当锂电池内部电压达到设定的电压阈值时，PMOS管Q2将导通，电流经由功率电阻4流向锂电池BATT1的负极，功率电阻4起到分流作用，降低了充电速度。也就是说，当充电中的锂电池电压达到设定的电压阈值时，其充电速度会因功率电阻4的分流作用而降低，而没达到设定的电压阈值的锂电池会保持原有充电速度，因此一段时间后各个锂电池在充电时的电压差异会明显减小，各个锂电池的充电速度将趋于一致直至充满电。PMOS管为电压控制型半导体开关，相比电流控制型的三极管，其栅极驱动电流很小，LDO输出端负载电阻R19、R20、R21可以取较大值，能有效降低静态功耗。PMOS管的导通阻抗会比三极管的导通阻抗低，因此相同LDO输出电压下开关的分流一致性更好。

优选地，参考图1和2，每个平衡电路还包括第二半导体开关6，第二半导体开关6分别与单节锂电池的负极和VREF引脚连接，第二半导体开关6还与充电检测控制单元5连接，充电检测控制单元5用于发送控制信号至第二半导体开关6，第二半导体开关6根据控制信号闭合或断开，当第二半导体开关6闭合时，可调电压LDO 2的输出接近LDO的输入电压，第一半导体开关关闭，平衡电路停止分流，能有效降低非充电状态时锂电池的功耗。

优选地，参考图1，在对应的平衡电路中，第二半导体开关6分别为NPN三极管Q1、Q3、Q5,以锂电池BATT1对应的平衡电路为例，NPN三极管Q1的集电极与VREF引脚连接，NPN三极管Q1的发射极与单节锂电池BATT1的负极连接，NPN三极管Q1的基极与充电检测控制单元5连接。在非充电或充满电状态，充电检测控制单元5输出高电平，当NPN三极管Q1的基极接收到充电检测控制单元5发送的高电平信号时，NPN三极管Q1导通，此时VREF引脚电压被拉低，随后可调电压LDO 2的输出电压被调整到最高，使第一半导体开关关闭，有效降低功耗。

优选地，参考图1，在对应的平衡电路中，平衡电路还分别包括输入端电容C1、C2、C3，以锂电池BATT1对应的平衡电路为例，输入端电容C1一端连接单节锂电池的正极，另一端连接可调电压LDO 2的GND引脚。输入端电容C1的作用是滤波，并降低电路对PCB布局的敏感性。

优选地，每个平衡电路还包括第一电阻，第一电阻包括R1、R11、R17，以锂电池BATT1对应的平衡电路为例，第一电阻R1一端与单节锂电池BATT1的正极连接，另一端与可调电压LDO 2的EN引脚连接。第一电阻R11和R17在电路中的结构和工作原理与第一电阻R1相同。第一电阻R11的作用是限制EN引脚端的电流，对EN脚进行浪涌保护。

优选地，可调电压LDO 2为参考电压VREF精度为1％(或以内)的低功耗小电流线性稳压器，反馈电阻为1％误差的精密电阻，以保证平衡电路的电压控制精度，可调电压LDO 2为SGM2037-ADJ、RT9053A等高精度小电流线性稳压器。

工作原理：根据常规锂电池的电压—能量百分比曲线，能量密度最高的区间是3.6-3.8V区间，约占锂电容量的40％，3.8-4.2V约占总容量的50％，因此平衡充电电路调节锂电池内部电压的范围最好在3.8-4.2V内，优选3.9V和4.1V。具体以锂电池BATT1和可调电压LDO2 U1所在的平衡电路为例，可调电压LDO2的VREF为0.6V，电阻R3、R4、R5为反馈电阻，可调电压LDO 2的输出电压Vout由反馈电阻R3、R4、R5决定。由于VREF端的输入阻抗很高，可以看成开路，因此流过电阻R4的电流等于流过电阻R3和电阻R5的电流之和，经整理后列出方程式如下：(VB-VREF)/R3+(Vout-VREF)/R5＝VREF/R4，其中VB＝VB1-VB2是单节锂电池电压。合理选择反馈电阻R3、R4、R5的值，使锂电池电压VB1-VB2小于3.9V时，经LDO反馈电阻的调节，输出电压Vout的值大于VB1-0.6V，即PMOS管的VGS电压差VB1-VOUT小于0.6V，常规PMOS的VGS阈值电压为0.6V，则Q2不导通，平衡电路不工作；反之当锂电电压VB1-VB2大于3.9V时，输出电压Vout的值小于VB1-0.6V，PMOS管Q2开始导通，充电时经功率电阻R6的分流逐渐增大，当锂电电压VB1-VB2大于等于4.1V时，经LDO反馈电阻的调节，输出电压Vout的值接近等于VB2，PMOS管Q2完全导通，充电电流经功率电阻R6分流最大。

综上所述，当锂电池电压低于3.9V时，平衡充电电路不工作，各个锂电池都用同样的电流充电，先充到3.9V以上的锂电池充电电流开始减小，各个锂电池电压达到3.9V以上后，电压高的锂电池充电电流依次小于电压低的锂电池，慢慢地各个锂电池在充满电之前各节锂电池电压趋于一致，充电电流相同直到充满电。

本申请还公开了一种移动设备，包括的多节串联锂电池平衡电路。多节串联锂电池平衡电路结构简单且成本低，因此包括多节串联锂电池平衡电路的移动设备的成本较低，有利于移动设备的大面积推广。

综上所述，本实用新型通过可调电压LDO 2来实现对单节锂电池的平衡充电控制，可根据锂电池的一致性差异情况来调节电池充电电流，方便地实现平衡充电功能。在平衡电路确定反馈电阻后即可确定可调电压LDO 2的输出电压Vout。当充电中的锂电池电压达到某个电压值时，平衡电路将自动平衡调节充电电流，使各个锂电池在充满电之前电压趋于一致，平衡电路结构简单，不需要额外的微处理器和ADC电路，成本较低，能够延长串联锂电池组使用寿命。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.多节串联锂电池平衡电路，用于保护串联锂电池组，所述串联锂电池组由多节锂电池串联组成，其特征在于，所述多节串联锂电池平衡电路包括与锂电池数量相等的平衡电路，每个所述平衡电路与单节所述锂电池连接；每个所述平衡电路包括LDO、第一半导体开关、功率电阻；单节所述锂电池的正极分别与所述LDO的VIN引脚、EN引脚以及第一半导体开关连接，所述LDO的VOUT引脚与所述第一半导体开关连接；所述第一半导体开关与所述功率电阻的一端连接，所述功率电阻的另一端与单节所述锂电池的负极连接；所述LDO用于提供输出电压值，通过锂电池电池电压和所述输出电压值的对比控制所述第一半导体开关的闭合与断开；所述功率电阻在所述第一半导体开关闭合时对与其连接的锂电池进行分流。

2.根据权利要求1所述的多节串联锂电池平衡电路，其特征在于，所述LDO包括可调电压LDO和反馈电阻，所述反馈电阻与所述可调电压LDO的VREF引脚和VOUT引脚连接，所述反馈电阻还与单节所述锂电池的负极连接，所述反馈电阻用于决定所述可调电压LDO的输出电压值。

3.根据权利要求2所述的多节串联锂电池平衡电路，其特征在于，所述反馈电阻包括第一反馈电阻、第二反馈电阻和第三反馈电阻，所述第一反馈电阻、第二反馈电阻以及第三反馈电阻的一端分别与所述VREF引脚连接，所述第一反馈电阻另一端与单节所述锂电池的正极连接，所述第二反馈电阻的另一端与单节所述锂电池的负极连接，所述第三反馈电阻另一端与所述VOUT引脚连接。

4.根据权利要求2所述的多节串联锂电池平衡电路，其特征在于，所述第一半导体开关为PMOS管，所述PMOS管的源极与单节所述锂电池的正极连接，所述PMOS管的漏极通过所述功率电阻与单节所述锂电池的负极连接，所述PMOS管的栅极与所述VOUT引脚连接，且所述PMOS管的栅极通过输出端负载电阻与所述锂电池的负极连接。

5.根据权利要求2所述的多节串联锂电池平衡电路，其特征在于，每个所述平衡电路还包括第二半导体开关，所述第二半导体开关分别与单节所述锂电池的负极和所述VREF引脚连接，所述第二半导体开关还与充电检测控制单元连接，所述充电检测控制单元用于发送控制信号至所述第二半导体开关，所述第二半导体开关根据所述控制信号闭合或断开。

6.根据权利要求5所述的多节串联锂电池平衡电路，其特征在于，所述第二半导体开关为NPN三极管,所述NPN三极管的集电极与所述VREF引脚连接，所述NPN三极管的发射极与单节所述锂电池的负极连接，所述NPN三极管的基极与所述充电检测控制单元连接。

7.根据权利要求2所述的多节串联锂电池平衡电路，其特征在于，每个所述平衡电路还包括输入端电容，所述输入端电容一端连接单节所述锂电池的正极，另一端连接所述可调电压LDO的GND引脚。

8.根据权利要求2所述的多节串联锂电池平衡电路，其特征在于，每个所述平衡电路还包括第一电阻，所述第一电阻一端与单节所述锂电池的正极连接，另一端与所述LDO的EN引脚连接。

9.根据权利要求2所述的多节串联锂电池平衡电路，其特征在于，所述可调电压LDO为低功耗高精度的小电流可调线性稳压器。

10.一种移动设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的多节串联锂电池平衡电路。

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