CN212063587U - 一种电池充放电的均衡装置 - Google Patents

Abstract

一种电池充放电的均衡装置，其包括多个电池单体和一一配合的多个开关电路；每个电池单体包括用以接电的第一极和第二极，各个电池单体依次串联形成电池组；每个开关电路包括第一端和若干个第二端，第一端和电池组中相配合的电池单体的第一极连接，若干个第二端分别和电池组中顺序串联在相配合的电池单体之后的各电池单体的第二极一一对应连接。该均衡装置通过简单的电路设计在需要时进行开关通断以达到快速且无损均衡电池电能的效果，利于完美地进行电池压差控制，使电池的利用率得以最大提升。

Description

一种电池充放电的均衡装置

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，具体涉及一种电池充放电的均衡装置。

背景技术

当今社会环境污染和能源危机的问题日益突出，新能源技术得到快速发展，利用电池作为动力的产品越来越多。在一些供电电压要求较高的领域，如电动汽车等，单节电池的电压往往达不到供电的要求，因此通常将若干个电池串联起来组成一个电池组进行使用。但各单体电池由于制造工艺等导致容量、内阻、电压等不均衡或受外界温度、湿度等环境因素的影响，在使用过程中会造成各单体电池间的不一致，这种不一致情况会严重影响整个电池组的寿命和系统的运行。因此，在电池组中往往需要均衡电路来进行电能控制与管理，尽量消除或减小这种不一致性。

现有的对储能电池的利用技术有能量耗散型均衡方案和非能量耗散型均衡方案。其中，能量耗散型均衡电路体积小、成本低，但是其均衡能量通过热能的形式消耗，均衡效率低。非能量耗散型均衡电路是利用电容、电感等非耗能元件作为传能媒介，实现能量从高压电池到低压电池的传输。其中，基于单个变换器和开关组的均衡电路可以实现电池组中任意两个电池的快速均衡，但是无法同时均衡多个电池。因此随着不均衡电池数量的增多，电路的均衡速度会大幅下降。传统开关电容均衡电路可以同时均衡多个电池，在电池间电压差较大时均衡速度较快，但是当电池间电压差较小时均衡速度慢；而且，传统开关电容均衡电路只由一对占空比互补的控制信号控制，均衡效果受电池间参数的不一致及电路参数的影响较大，均衡后的电池间电压差不可控，无法实现满意的均衡效果。

发明内容

本实用新型主要解决的技术问题是如何克服现有电池均衡电路中存在的转换效率低、电路结构复杂和应用成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本申请公开一种电池充放电的均衡装置，其包括多个电池单体和一一配合的多个开关电路；每个所述电池单体包括用以接电的第一极和第二极，各个所述电池单体依次串联形成电池组，所述电池组用于接入外部用电设备或充电设备；每个所述开关电路包括第一端和若干个第二端，所述第一端和所述电池组中相配合的电池单体的第一极连接，所述若干个第二端分别和所述电池组中顺序串联在相配合的电池单体之后的各电池单体的第二极一一对应连接；所述开关电路用于在相配合的电池单体和其余任意电池单体进行充放电的电能均衡时，形成所述第一端和所述其余任意电池单体被接入的第二端之间的电能交换通路。

每个所述开关电路还包括第一开关、传输母线和若干个第二开关；所述第一开关的一个接线端与所述开关电路的第一端连接，另一个接线端与所述传输母线连接；所述若干个第二开关各自的一个接线端均与所述传输母线连接，所述若干个第二开关各自的另一个接线端分别和所述开关电路的若干个第二端一一对应连接。

每个所述开关电路的传输母线上设有电容，所述电容串入所述第一开关和所述若干个第二开关之间的线路上；所述电容用于对所在的传输母线进行浪涌电压保护。

每个所述电池单体的第一极和相配合的开关电路的第一端之间串入有第三开关，每个所述电池单体的第二极和接入该第二极的开关电路的第二端之间串入有第四开关；所述第三开关和所述第四开关均用于在对应接入的电池单体进行充放电的电能均衡时形成输电通路。

对于每个所述电池单体，所述第三开关中未接入该电池单体的第一极的那一个接线端，和所述第四开关中未接入该电池单体的第二极的那一个接线端之间设有电感；所述电感用于平衡所在电池单体的第一极和第二极之间的电势能。

所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关均为晶体管开关器件，所述晶体管开关器件用于在自身的控制极接收到控制信号时导通自身的两个接线端。

所述晶体管开关器件包括MOS管，所述MOS管的栅极作为控制极，源极和漏极分别作为自身的两个接线端。

所述的电池充放电的均衡装置还包括控制器，所述控制器均与各个所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关信号连接；所述控制器用于发送控制信号以驱动所述电池组中任意两个电池单体之间设置的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，形成所述任意两个电池单体之间的电能交换通路。

本申请的有益效果是：

依据上述实施例的一种电池充放电的均衡装置，其包括多个电池单体和一一配合的多个开关电路；每个电池单体包括用以接电的第一极和第二极，各个电池单体依次串联形成电池组；每个开关电路包括第一端和若干个第二端，第一端和电池组中相配合的电池单体的第一极连接，若干个第二端分别和电池组中顺序串联在相配合的电池单体之后的各电池单体的第二极一一对应连接。第一方面，由于各电池单体和一一配合的开关电路之间的电路连接关系，从而借助开关电路可以在相配合的电池单体和其余任意电池单体进行充放电的电能均衡时，形成第一端和其余任意电池单体被接入的第二端之间的电能交换通路，方便实现任意两个电池单体之间的电能均衡；第二方面，由于其中每个电池单体均能通过相配合的开关电路与其它电池单体之间建立唯一的电能交换通路，使得相配合的开关电路相当于“能量转移站”，将电压高的电池能量转移到电压低的电池，达到均衡传输电能的效果；第三方面，由于在开关电路的传输母线上设置电容，使得电容可以对所在的传输母线进行浪涌电压保护，保证电能均衡传输的稳定性；第四方面，保护的电池充放电的均衡装置通过简单的电路设计在需要时进行开关通断以达到快速且无损均衡电池电能的效果，利于完美地进行电池压差控制，使电池的利用率得以最大提升。

附图说明

图1为实施例一中电池充放电的均衡装置的结构示意图；

图2为实施例二中电池充放电的均衡装置的结构示意图；

图3为实施例三中电池充放电的均衡装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

实施例一、

请参考图1，本实施例公开一种电池充放电的均衡装置，该均衡装置包括多个电池单体(比如附图标记BAT1、BAT2、BAT3)和一一配合的多个开关电路(比如附图标记2、3、4)，下面分别说明。

在本实施例中，每个电池单体包括用以接电的第一极和第二极，各个电池单体依次串联形成电池组。例如，电池单体BAT1的第一极111与电池单体BAT2的第二极122连接，电池单体BAT2的第一极121与电池单体BAT2的第二极132连接，依次类推，直到串联到末端的电池单体N(N>3且为正整数)，而电池单体BAT1的第二极112和电池单体N的第一极作为对外的接线端。

需要说明的是，各电池单体串联形成的电池组用于通过两侧的接线端接入外部用电设备或充电设备Z1。这里的用电设备或充电设备Z1应该是与电池组功率、电压相匹配的直流电力设备，利用电池组可以为用电设备提供工作所需的直流电，利用充电设备可以为电池组提供充电所需的直流电。具体地，电池组的输出功率、电压不做限制，用电设备或充电设备Z1的类型不做限制。

在本实施例中，每个开关电路包括第一端和若干个第二端，其中，开关电路的第一端和电池组中相配合的电池单体的第一极连接，开关电路的若干个第二端分别和电池组中顺序串联在相配合的电池单体之后的各电池单体的第二极一一对应连接。这里的开关电路用于在相配合的电池单体和其余任意电池单体进行充放电的电能均衡时，形成第一端和其余任意电池单体被接入的第二端之间的电能交换通路。

例如，参见图1，开关电路2包括第一端211和第二端221、222、223。其中，第一端211与电池单体BAT1的第一极111连接，第二端221与电池单体BAT2的第二极122连接，第二端222与电池单体BAT3的第二极132连接，第二端223与电池单体N的第二极223连接。可以理解，需要对电池单体BAT1和电池单体BAT3进行电能平衡(如电压平衡)时，只需要开关电路2的第一端211和第二端222进行通路即可，如此即可实现电池单体BAT1和电池单体BAT3之间的电能交换，使得电能沿着电能交换通道从高电压的电池搬移到低电压的电池。

需要说明的是，与电池单体BAT2相配合的开关电路3，与电池单体BAT3相配合的开关电路4可以具有和开关电路2相似的结构，同样具有一个第一端和若干个第二端。对于每个开关电路(比如开关电路2、开关电路3或开关电路4)，具有的第二端的数量可以根据电池组中顺序串联在相配合的电池单体之后的各电池单体的数量而设置，在若干个第二端分别和电池组中顺序串联在相配合的电池单体之后的各电池单体的第二极一一对应连接时为宜，比如，开关电路2相配合的电池单体BAT1之后串联了N-1个电池单体，那么开关电路2中第二端的数量应该不少于N-1个。

在本实施例中，每个开关电路还包括第一开关、传输母线和若干个第二开关。其中，开关电路的第一开关的一个接线端与开关电路的第一端连接，另一个接线端与传输母线连接；若干个第二开关各自的一个接线端均与传输母线连接，若干个第二开关各自的另一个接线端分别和开关电路的若干个第二端一一对应连接。

例如，参见图1，对于开关电路2，其还包括第一开关231、传输母线25和若干个第二开关(如第二241、242和第二开关K，K>2且为正整数)。在开关电路2中，第一开关231的一个接线端与开关电路2的第一端211连接，另一个接线端与传输母线25连接，第二开关242、第二开关K的一个接线端均与传输母线25连接，第二开关242的另一个接线端与开关电路2的第二端222连接，第二开关K的另一个接线端与开关电路2的第二端223连接。如此，使得开关电路2中的各个第二开关分别对应连接至一个第二端，控制对应第二端的电能传输。

需要说明的是，开关电路3和开关电路4的具体内部结构可以参考开关电路2，同样可以包括第一开关、传输母线和若干个第二开关。

进一步地，为了避免瞬间高电压对电池造成的损坏，可以在每个开关电路的传输母线上设置电容。对于每个开关电路，电容串入第一开关和若干个第二开关之间的线路上。比如，在开关电路2中，电容C1可以设置在第一开关231和第二开关221之间的传输母线上，从而对所在传输母线进行浪涌电压保护。

本领域的技术人员可以理解，在对电池单体BAT1和电池单体BAT2进行电能平衡时，只需要开关电路2中的第一开关231和第二开关241打开即可，电能就沿着这两个开关之间的电能交换通道从高电压的电池搬移到低电压的电池。在对电池单体BAT1和电池单体BAT3进行电能平衡时，只需要开关电路2中的第一开关231和第二开关242打开即可，电能就沿着这两个开关之间的电能交换通道在电池单体BAT1和电池单体BAT3之间进行电能交换。在对电池单体BAT2和电池单体BAT3进行电能平衡时，只需要开关电路3中的第一开关和通向电池单体BAT3的第二开关打开即可，电能就沿着这两个开关之间的电能交换通道从高电压的电池搬移到低电压的电池。同样，在对电池单体BAT3和电池单体N进行电能平衡时，只需要开关电路4中的第一开关和通向电池单体N的第二开关打开即可，电能就沿着这两个开关之间的电能交换通道从高电压的电池搬移到低电压的电池。

实施例二、

请参考图2，在实施例一中公开的均衡装置的基础上，本实施例中公开一种改进的电池充放电的均衡装置。

本实施例中请求保护的均衡装置包括多个电池单体(比如附图标记BAT1、BAT2、BAT3)和一一配合的多个开关电路(比如附图标记2、3、4)。关于开关电路的电路结构和电池单体之间的连接关系可以参考实施一，这里不再进行赘述。

与实施例一之间的区别之处在于，每个电池单体的第一极和相配合的开关电路的第一端之间串入有第三开关，并且，每个电池单体的第二极和接入该第二极的开关电路的第二端之间串入有第四开关。这里的第三开关和第四开关均用于在对应接入的电池单体进行充放电的电能均衡时形成输电通路。

例如，参见图2，电池单体BAT1的第一极111和相配合的开关电路2的第一端211之间串入第三开关113；电池单体BAT2的第一极121和相配合的开关电路3的第一端之间串入第三开关123，电池单体BAT2的第二极122和开关电路2的第二端221之间串入第四开关124；电池单体BAT3的第一极131和相配合的开关电路4的第一端之间串入第三开关133，电池单体BAT3的第二极132和开关电路2的第二端222之间串入第四开关134；电池单体N的第二极142和开关电路2的第二端223之间串入第四开关144。此外，虽然电池单体BAT1的第二极112和电池单体N的第一极141不直接连接任何一个开关电路，但是为了能够适配连接电感等元器件，还是可以在第二极112和第一极141上分别设置第四开关114、第三开关143。

进一步地，对于每个电池单体，第三开关中未接入该电池单体的第一极的那一个接线端，和第四开关中未接入该电池单体的第二极的那一个接线端之间设有电感。这里的电感用于平衡所在电池单体的第一极和第二极之间的电势能。

例如，对于电池单体BAT1，第三开关113中未接入该电池单体BAT1的第一极111的那一个接线端，和第四开关114中未接入该电池单体BAT1的第二极112的那一个接线端之间设有电感L1。对于电池单体BAT2，第三开关123中未接入该电池单体BAT2的第一极121的那一个接线端，和第四开关124中未接入该电池单体BAT2的第二极122的那一个接线端之间设有电感L2。对于电池单体BAT3，第三开关133中未接入该电池单体BAT3的第一极131的那一个接线端，和第四开关134中未接入该电池单体BAT3的第二极132的那一个接线端之间设有电感L3。对于电池单体N，第三开关143中未接入该电池单体N的第一极141的那一个接线端，和第四开关144中未接入该电池单体N的第二极142的那一个接线端之间设有电感L4。

本领域的技术人员可以理解，图2中设置的电感L1、L2、L3、L4均可以平衡对应电池单体的第一极和第二极之间的电势能。

本领域的技术人员可以理解，在对电池单体BAT1和电池单体BAT3进行电能平衡时，不仅需要开关电路2中的第一开关231和第二开关242打开，还需要第三开关113和第四开关134打开，如此，电能就可以沿着这四个开关之间的电能交换通道在电池单体BAT1和电池单体BAT3之间进行电能交换，将电能从高电压的电池搬移到低电压的电池。

在本实施例中，所涉及的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均可以是手动开关部件，也可以是电子开关部件。若为手动开关部件则需要人为认定需要进行电能平衡的电能，并切换它们之间的开关以形成电能交换通道。若为电子开关部件，比如为晶体管开关器件，则晶体管开关器件用于在自身的控制极接收到控制信号时导通自身的两个接线端，只要有控制器简单协助控制即可，检测各电池单体的两端电压，在某一个电池单体的电压失衡时，由控制器发出控制信号打开该电池单体与其它电池单体之间设置的晶体管开关器件，从而自动地在两个需要进行电能平衡的电池单体之间形成电能交换通道。

本领域的技术人员可以理解，应用上述技术方案是可以达到以下技术优势：(1)借助开关电路可以在相配合的电池单体和其余任意电池单体进行充放电的电能均衡时，形成第一端和其余任意电池单体被接入的第二端之间的电能交换通路，方便实现任意两个电池单体之间的电能均衡；(2)由于其中每个电池单体均能通过相配合的开关电路与其它电池单体之间建立唯一的电能交换通路，使得相配合的开关电路相当于“能量转移站”，将电压高的电池能量转移到电压低的电池，达到均衡传输电能的效果；(3)由于在开关电路的传输母线上设置电容，使得电容可以对所在的传输母线进行浪涌电压保护，保证电能均衡传输的稳定性。

实施例三、

请参考图3，在实施例二中公开的均衡装置的基础上，本实施例中公开具体的电池充放电的均衡装置。

在本实施例中，均衡装置涉及五个电池单体，分别为BAT1、BAT2、BAT3、BAT4、BAT5，涉及四个开关电路，其中所有开关电路中涉及到的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为晶体管开关器件，具体采用MOS管，每个MOS管的栅极作为控制极，源极和漏极分别作为自身的两个接线端。

参见图3，第一个开关电路包括多个MOS管，即MOS管61、62、63、64、65，其中MOS管61相当于第一开关，MOS管62、63、64、65均相当于第二开关。第二个开关电路包括多个MOS管，即MOS管71、72、73、74，其中MOS管71相当于第一开关，MOS管72、73、747均相当于第二开关。第三个开关电路包括多个MOS管，即MOS管81、82、83，其中MOS管81相当于第一开关，MOS管82、83均相当于第二开关。第四个开关电路包括多个MOS管，即MOS管91、92，其中MOS管91相当于第一开关，MOS管92相当于第二开关。此外，电池单体BAT1的第一极与MOS管61之间，电池单体BAT2的第一极与MOS管71之间，电池单体BAT3的第一极与MOS管81之间，电池单体BAT4的第一极与MOS管91之间，分别设有相当于第三开关的MOS管51、53、55、57；电池单体BAT2的第二极与MOS管62之间，电池单体BAT3的第二极与MOS管63之间，电池单体BAT4的第二极与MOS管73之间，分别设有相当于第四开关的MOS管52、54、56、58；电池单体BAT5的第一极上设有相当于第三开关的MOS管59。

参见图3，为进行浪涌电压保护以及平衡电池两端之间的电势能，MOS管61、62之间，MOS管71、2之间，MOS管81、82之间，MOS管91、92之间还分别串入有电容。电池单体BAT1的第二极和MOS管51之间，MOS管52、53之间，MOS管54、55之间，MOS管56、57之间，MOS管58、59之间，还分别接入有电感。

在本实施例中，为方便对各MOS进行开断的控制，请求保护的均衡装置还可以包括控制器Q1，该控制器Q1均与各个MOS管(比如各第一开关、第二开关、第三开关和第四开关)信号连接。这里的控制器Q1内置的控制逻辑比较简单，用于发送控制信号以驱动电池组中任意两个电池单体之间设置的MOS管(比如设置的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关)，从而形成任意两个电池单体之间的电能交换通路。具体地，控制器Q1内置有所有MOS管的连接关系并形成查询表，能够轻松从表中查找到某个电池单体到另一个电池单体之间形成电能交换通路所用到的几个MOS管；当控制器Q1检测到某一个电池单体的电压失衡时，发出控制信号打开该电池单体与其它需要进行电能平衡的电池单体之间设置的几个MOS管，从而使得两个需要进行电能平衡的电池单体之间形成电能交换通道。需要说明的是，针对单个MOS管的控制过程，可以采用诸如PWM的方波作为控制信号。

需要说明的是，由于控制器Q1中涉及的电压检测功能、查表功能、PWM输出功能均属于非常成熟的现有技术，所以不需要本领域技术人员付出创造性劳动即可通过了解现有技术得到，那么这里不对控制器Q1的控制逻辑进行保护。

本申请的技术人员可以理解，本实施例中保护的电池充放电的均衡装置具备一些优异的技术优势，通过简单的电路设计在需要时进行开关通断以达到快速且无损均衡电池电能的效果，利于完美地进行电池压差控制，使电池的利用率得以最大提升。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种电池充放电的均衡装置,其特征在于，包括多个电池单体和一一配合的多个开关电路；

每个所述电池单体包括用以接电的第一极和第二极，各个所述电池单体依次串联形成电池组，所述电池组用于接入外部用电设备或充电设备；

每个所述开关电路包括第一端和若干个第二端，所述第一端和所述电池组中相配合的电池单体的第一极连接，所述若干个第二端分别和所述电池组中顺序串联在相配合的电池单体之后的各电池单体的第二极一一对应连接；所述开关电路用于在相配合的电池单体和其余任意电池单体进行充放电的电能均衡时，形成所述第一端和所述其余任意电池单体被接入的第二端之间的电能交换通路。

2.如权利要求1所述的电池充放电的均衡装置，其特征在于，每个所述开关电路还包括第一开关、传输母线和若干个第二开关；

所述第一开关的一个接线端与所述开关电路的第一端连接，另一个接线端与所述传输母线连接；

所述若干个第二开关各自的一个接线端均与所述传输母线连接，所述若干个第二开关各自的另一个接线端分别和所述开关电路的若干个第二端一一对应连接。

3.如权利要求2所述的电池充放电的均衡装置，其特征在于，每个所述开关电路的传输母线上设有电容，所述电容串入所述第一开关和所述若干个第二开关之间的线路上；所述电容用于对所在的传输母线进行浪涌电压保护。

4.如权利要求3所述的电池充放电的均衡装置，其特征在于，每个所述电池单体的第一极和相配合的开关电路的第一端之间串入有第三开关，每个所述电池单体的第二极和接入该第二极的开关电路的第二端之间串入有第四开关；所述第三开关和所述第四开关均用于在对应接入的电池单体进行充放电的电能均衡时形成输电通路。

5.如权利要求4所述的电池充放电的均衡装置，其特征在于，对于每个所述电池单体，所述第三开关中未接入该电池单体的第一极的那一个接线端，和所述第四开关中未接入该电池单体的第二极的那一个接线端之间设有电感；所述电感用于平衡所在电池单体的第一极和第二极之间的电势能。

6.如权利要求4所述的电池充放电的均衡装置，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关均为晶体管开关器件，所述晶体管开关器件用于在自身的控制极接收到控制信号时导通自身的两个接线端。

7.如权利要求6所述的电池充放电的均衡装置，其特征在于，所述晶体管开关器件包括MOS管，所述MOS管的栅极作为控制极，源极和漏极分别作为自身的两个接线端。

8.如权利要求6所述的电池充放电的均衡装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器均与各个所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关信号连接；所述控制器用于发送控制信号以驱动所述电池组中任意两个电池单体之间设置的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，形成所述任意两个电池单体之间的电能交换通路。

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