CN212162838U - 电池均衡管理电路 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种电池均衡管理电路。电池均衡管理电路包括：直流电源输入端；多个电池模块，每个电池模块均包括电池、充电开关组和放电开关组；放电电路，电连接于所述多个电池模块的放电开关组；DC/DC直流功率模块，电连接于所述直流电源输入端和所述多个电池模块的充电开关组；控制器，电连接于所述多个电池模块，用于在任意一个电池模块中电池的电量低于第一预设值时控制该电池模块的充电开关组闭合，放电开关组断开；在任意一个电池模块中电池的电量高于第二预设值时控制该电池模块的放电开关组闭合，充电开关组断开。本公开提供的电池均衡管理电路能够满足大容量、大电流电池的快速、高效、可靠均衡。

Description

电池均衡管理电路

技术领域

本公开涉及电源技术领域，具体而言，涉及一种能够实现大容量、大电流电池的快速、高效、可靠均衡的电池均衡管理电路。

背景技术

目前常用的磷酸铁锂电池均衡电路分为能量耗散型电路和非能量耗散型电路。能量耗散型电路较为简单，但是能耗较大，均衡速度慢，效率低，且电阻散热会影响系统正常运行。

非能量耗散型电路包括由储能元件(电感或电容)和控制开关组成的均衡电路，储能元件可以是电容或电感。非能量耗散型电路结构简单，容易控制，能量损耗比较小，但当相邻电池的电压差较小时，均衡时间会较长，均衡的速度慢，均衡效率低，对大电流快速充电的场合不适用。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

实用新型内容

本公开的目的在于提供一种电池均衡管理电路，用于至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的电池均衡效率低的问题。

根据本公开的第一方面，提供一种电池均衡电路，包括：直流电源输入端；多个电池模块，每个电池模块均包括电池、充电开关组和放电开关组；放电电路，电连接于所述多个电池模块的放电开关组；DC/DC直流功率模块，电连接于所述直流电源输入端和所述多个电池模块的充电开关组；控制器，电连接于所述多个电池模块，用于在任意一个电池模块中电池的电量低于第一预设值时控制该电池模块的充电开关组闭合，放电开关组断开；在任意一个电池模块中电池的电量高于第二预设值时控制该电池模块的放电开关组闭合，充电开关组断开。

在本公开的一个示例性实施例中，所述放电电路包括：充电电容，一端通过第一节点电连接所述多个电池模块的放电开关组；耗电支路，包括串联的耗电元件和耗电开关，所述耗电支路的第一端连接所述第一节点，所述耗电支路的第二端与所述充电电容的第二端连接于第二节点。

在本公开的一个示例性实施例中，电池均衡电路还包括：放电总开关，连接在所述放电电路和所述多个电池模块的放电开关组之间；充电总开关，连接在所述直流电源输入端、所述放电电路和所述DC/DC直流功率模块之间；所述控制器还连接所述放电总开关和所述充电总开关，用于检测所述充电电容的两端电压，在所述充电电容的两端电压低于所述充电电容的饱和设定值时，控制所述充电总开关连接所述直流电源输入端和所述DC/DC直流功率模块，所述放电总开关闭合；在所述充电电容的两端电压高于所述充电电容的饱和设定值时，控制所述充电总开关连接所述放电电路和所述DC/DC直流功率模块，所述放电总开关断开。

在本公开的一个示例性实施例中，所述放电总开关为单刀双掷开关，所述放电总开关位于第一侧的第一端和第二端分别耦接于所述多个电池模块的放电开关组，位于第二测的第三端和第四端分别耦接于所述第一节点和所述第二节点；所述充电总开关为双刀双掷开关，所述充电总开关位于第一侧的第一端和第二端耦接于所述直流电源输入端，位于第二侧的第三端和第四端分别耦接于所述第一节点和所述第二节点，位于控制端的第五端和第六端耦接于所述DC/DC直流功率模块。

在本公开的一个示例性实施例中，所述控制器还设置为：在所述放电总开关断开预设时间时，如果所述充电电容的两端电压高于所述充电电容的饱和设定值，控制所述耗电开关闭合；在所述充电电容的两端电压低于所述充电电容的饱和设定值时，控制所述耗电开关断开。

在本公开的一个示例性实施例中，所述控制器还设置为：响应检修开始信号控制所述耗电开关闭合，响应检修停止信号控制所述耗电开关断开。

在本公开的一个示例性实施例中，所述充电开关组包括：正极充电开关支路，连接在所述电池的正极和所述DC/DC直流功率模块的正输出端之间，包括串联的正极充电开关和正极充电二极管，所述正极充电二极管的正极电连接于所述DC/DC直流功率模块的正输出端；负极充电开关支路，连接在所述电池的负极和所述DC/DC直流功率模块的负输出端之间，包括串联的负极充电开关和负极充电二极管，所述负极充电二极管的负极电连接于所述DC/DC直流功率模块的负输出端；所述放电开关组包括：正极放电开关支路，连接在所述电池的正极和所述放电电路之间，包括串联的正极放电开关和正极放电二极管，所述正极放电二极管的正极电连接于所述电池的正极；负极放电开关支路，连接在所述电池的负极和所述放电电路之间，包括串联的负极放电开关和负极放电二极管，所述负极放电二极管的负极电连接于所述电池的负极。

本公开实施例提供的电池均衡管理电路通过实时监测电池模块中电池的电量，及时根据电量控制每个电池模块的充电开关组和放电开关组，可以在同一时间内实现对多个不同电池模块的充电或放电，并避免对同一电池模块同时充电放电，能够使用简单的电路结构有效提高电池均衡速度，能够应用于需要大电流快速充电的场景；此外，基于电池模块的控制，能够使电路易于扩展，整体结构具有结构简单、高效可靠、易模块化、易于拓展、体积小，成本低的优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开示例性实施例中电池均衡管理电路的方框图。

图2是本公开示例性实施例提供的电池均衡管理电路的控制方法的流程图。

图3是本公开一个实施例中电池均衡管理电路的电路图。

图4是本公开另一个实施例中电池均衡管理电路的电路图。

图5是电池均衡管理电路的控制方法的另一个流程图。

图6是电池均衡管理电路的控制方法的又一个流程图。

图7是电池均衡管理电路的控制方法的再一个流程图。

图8是本公开一个实施例中电池均衡管理电路的电路图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

下面结合附图对本公开示例实施方式进行详细说明。

图1是本公开示例性实施例中电池均衡管理电路的方框图。

参考图1，电池均衡管理电路100可以包括：

直流电源输入端1；

多个电池模块2，多个电池模块2串联，每个电池模块均包括电池21、充电开关组22和放电开关组23；

放电电路3，电连接于多个电池模块2的放电开关组23；

DC/DC直流功率模块4，电连接于直流电源输入端1和多个电池模块2的充电开关组22；

控制器5，电连接于多个电池模块2，用于检测每个电池模块中的电池的电量；在任意一个电池模块2中电池的电量低于第一预设值时控制该电池模块的充电开关组22闭合，放电开关组23断开；在任意一个电池模块中电池的电量高于第二预设值时控制该电池模块的放电开关组23闭合，充电开关组22断开。

在电路100中，直流电源输入端1用于提供直流电输入。多个电池模块2中的多个电池21均串联，为负载提供直流电。DC/DC直流功率模块4例如可以为DC/DC直流功率模块，用于将直流电源输入端1提供的直流电装换为适配电池的电压，以对多个电池模块2中的电池21充电。控制器5例如可以为单片机，或其他具有计算功能的处理器。在图1所示实施例中，第一预设值指示电池需要充电，第二预设值指示电池需要放电，第一预设值和第二预设值均可以由本领域技术人员自行设置。如图1所示，控制器5电连接于各电池模块的电池21、充电开关组22和放电开关组23，用于读取电池21的电量，根据电池21的电量控制充电开关组22和放电开关组23的开合。

可以理解的是，在图1所示实施例中，当充电到目标值(以电池工作电压为均衡目标，并实时计算SOC值(State of charge，荷电状态)，提供参考)以后，充电均衡自动停止；当放电到目标值以后(或放电温度过高)时，放电均衡自动停止。

图1所示的电池均衡管理电路通过单独监控、控制每个电池模块，可以实现高度的模块化，电路结构简单，易于扩展。

图2是本公开示例性实施例提供的电池均衡管理电路的控制方法的流程图。图2所示方法可以应用于图1所示的电池均衡管理电路，由控制器5执行。

参考图2，控制方法200可以包括：

步骤SA1，检测各电池模块中的电池电量；

步骤SA2，在任意一个电池模块中电池的电量低于第一预设值时，控制该电池模块的充电开关组闭合，放电开关组断开；

步骤SA3，在任意一个电池模块中电池的电量高于第二预设值时，控制该电池模块的放电开关组闭合，充电开关组断开。

在图2所示实施例中，控制方法200为循环控制，即执行完步骤SA2和步骤SA3之后，仍旧返回步骤SA1继续监测电池电量。此外，当充电到目标值(以电池工作电压为均衡目标，并实时计算SOC值(State of charge，荷电状态)，提供参考)以后，充电均衡自动停止，充电开关组断开；当放电到目标值以后(或放电温度过高)时，放电均衡自动停止，放电开关组断开。

在图1和图2所示实施例中，通过对串联的每个电池模块均设置单独的充电开关组和放电开关组，并实时监控各电池的电量，根据电量与预设值的比较结果单独控制一个电池对应的充电开关组和放电开关组，可以同时实现多个电池的充电/放电，有效提高串联电池的均衡效率。

通过对多个电池的充电和放电实行了互锁，可以有效提高多个电池同时充放电的可靠性，保障每个电池的安全。

图3是本公开一个实施例中电池均衡管理电路的电路图。

参考图3，在本公开的一个实施例中，放电电路3可以包括：

充电电容C，一端通过第一节点N1电连接多个电池模块2的放电开关组23；

耗电支路31，包括串联的耗电元件311和耗电开关312，耗电支路31的第一端连接第一节点N1，耗电支路31的第二端与充电电容C的第二端连接于第二节点N2。

在图3所示实施例中，充电电容C用于接收各电池模块2的放电；耗电元件311例如可以为电阻，或与电阻功能等价的电路，用于在耗电开关312闭合时，消耗充电电容C的电量，避免充电电容C由于电量过高而爆炸。

耗电开关312可以由控制器5控制，控制器5可以实时监测充电电容C的电量，在充电电容C的电量超过饱和设定值时，控制耗电开关312闭合，以消耗充电电容C的电量。可以理解的是，控制器5在控制耗电开关312闭合后，还可以继续监测充电电容C的电量，在充电电容C的电量低于饱和设定值时，控制耗电开关312断开，以减少能耗。

此外，耗电开关312也可以为常闭合状态，用于随时消耗充电电容C的电量，保持充电电容C能够随时接收各电池模块2的放电。

图3所示实施例通过设置耗电支路，可以有效保障放电电路3的平稳运行，提高电路的可靠性。

图4是本公开另一个实施例中电池均衡管理电路的电路图。

参考图4，在本公开的一个实施例中，电池均衡管理电路400可以包括：

放电总开关6，连接在放电电路3和多个电池模块2的放电开关组23之间；

充电总开关7，连接在直流电源输入端1、放电电路3和DC/DC直流功率模块4之间；

控制器5还连接放电总开关6和充电总开关7，用于检测充电电容C的两端电压，在充电电容C的两端电压低于充电电容的饱和设定值时，控制充电总开关7连接直流电源输入端1和DC/DC直流功率模块4，放电总开关6闭合；在充电电容C的两端电压高于充电电容的饱和设定值时，控制充电总开关7连接放电电路3和DC/DC直流功率模块4，放电总开关6断开。

在图4所示实施例中，放电总开关6为单刀双掷开关，放电总开关6位于第一侧的第一端和第二端分别耦接于多个电池模块2的放电开关组23，位于第二测的第三端和第四端分别耦接于第一节点N1和第二节点N2；充电总开关7为双刀双掷开关，充电总开关7位于第一侧的第一端和第二端耦接于直流电源输入端2，位于第二侧的第三端和第四端分别耦接于第一节点N1和第二节点N2，位于控制端的第五端和第六端耦接于DC/DC直流功率模块4。可以理解的是，放电总开关6和充电总开关7也可以为其他形态，只要能够实现上述功能，本公开对此不作特殊限制。

充电电容C的饱和设定值可以由根据充电电容C的容量值计算，充电电容C的容量值可以根据电池的特性和数量决定。

在图4所示实施例中，放电总开关6用于控制放电电路3与电池模块2之间的连接，用于保护放电电路3中的充电电池C不会过充，通过设置放电总开关6，可以有效提高电路的可靠性。

充电总开关6用于控制电池模块2的充电来源，能够实现外部电源供电和内部放电电路供电。通过实现内部放电电路供电，既可以提高充电电池C的稳定性，也可以将电量富余的电池的电量间接转移到电量亏损的电池中，实现电池模块之间的电量均衡，能够有效节约电能，提高电池均衡效率。

图5是电池均衡管理电路的控制方法的另一个流程图。图5所示方法可以应用于图4所示的电路中，由控制器5执行。

参考图5，控制方法500可以包括：

步骤SA1，检测各电池模块中的电池电量；

步骤SA2，在任意一个电池模块中电池的电量低于第一预设值时控制该电池模块的充电开关组闭合，放电开关组断开；

步骤SA3，在任意一个电池模块中电池的电量高于第二预设值时控制该电池模块的放电开关组闭合，充电开关组断开。

步骤SB1，检测充电电容的两端电压；

步骤SB2，在充电电容的两端电压低于充电电容的饱和设定值时，控制充电总开关连接直流电源输入端和DC/DC直流功率模块，放电总开关闭合；

步骤SB3，在充电电容的两端电压高于充电电容的饱和设定值时，控制充电总开关连接放电电路和DC/DC直流功率模块，放电总开关断开。

图5所示实施例中，步骤SA1～步骤SA3与步骤SB1～步骤SB3并行执行，且步骤SA1～步骤SA3与步骤SB1～步骤SB3均为内部循环的步骤，用以实时监测电池电量和充电电容的两端电压。

此外，当充电到目标值(以电池工作电压为均衡目标，并实时计算SOC值，提供参考)以后，充电均衡自动停止，充电开关组断开；当放电到目标值以后(或放电温度过高)时，放电均衡自动停止，放电开关组断开。

通过在监控电池电量、进行多个电池同时充放电的同时实时监测放电电路中的充电电容的两端电压，并在电容电压过高时将电容接入充电回路，利用多余电量实现电池补电，既可以保护充电电容的稳定性，也可以节省电能，提高电池均衡效率。

图6是电池均衡管理电路的控制方法的又一个流程图。图6所示方法也可以应用在图4所示实施例中。

参考图6，控制方法600可以包括：

步骤SA1，检测各电池模块中的电池电量；

步骤SA2，在任意一个电池模块中电池的电量低于第一预设值时控制该电池模块的充电开关组闭合，放电开关组断开；

步骤SA3，在任意一个电池模块中电池的电量高于第二预设值时控制该电池模块的放电开关组闭合，充电开关组断开。

步骤SB1，检测充电电容的两端电压；

步骤SB2，在充电电容的两端电压低于充电电容的饱和设定值时，控制充电总开关连接直流电源输入端和DC/DC直流功率模块，放电总开关闭合；

步骤SB3，在充电电容的两端电压高于充电电容的饱和设定值时，控制充电总开关连接放电电路和DC/DC直流功率模块，放电总开关断开；

步骤SB4，放电总开关断开预设时间；

步骤SB5，判断充电电容的两端电压是否高于充电电容的饱和设定值；

步骤SB6，控制耗电开关闭合；

步骤SB7，控制耗电开关断开。

其中，放电总开关断开的预设时间可以由本领域技术人员自行设定，以避免电容长时间无法有效放电带来的电容损坏和放电均衡无法进行等问题。

与图5所示实施例不同的是，图6所示实施例中对充电回路无法消耗的电能进行了放电电路内部消耗，能够有效避免充电电容由于长时间无法有效放电，导致充电电容产生故障，以及放电回路无法正常运行。能够在提高电能利用效率的同时，进一步增加电路的可靠性。与图3所示实施例相比，由于将充电电容的电量先引入充电回路，再充电回路无法容纳时再进行放电电路内部耗电，可以避免耗电元件311由于长时间承担放电任务而过热，在节省电能的同时提高耗电元件311的使用寿命。

图7是电池均衡管理电路的控制方法的再一个流程图。图7所示方法也可以应用在图4所示电路中。

参考图7，控制方法700可以包括：

图6中所示的步骤SA1～步骤SA3，和步骤SB1～步骤SB7；

步骤SC，响应检修开始信号控制耗电开关闭合，响应检修停止信号控制耗电开关断开。

除了上述控制耗电开关311的方法，在本公开的其他实施例中，还可以在电池模块更换、检修等过程中，通过对控制器5发送检修开始信号和检修停止信号，人为关闭耗电开关，避免在检修过程中充电电容C中存在余电，损害设备。

图8是本公开一个实施例中电池均衡管理电路的电路图。

参考图8，在一个实施例中，充电开关组22可以包括：

正极充电开关支路221，连接在电池21的正极和DC/DC直流功率模块4的正输出端之间，包括串联的正极充电开关K1和正极充电二极管D1，正极充电二极管D1的正极电连接于DC/DC直流功率模块4的正输出端；

负极充电开关支路222，连接在电池21的负极和DC/DC直流功率模块4的负输出端之间，包括串联的负极充电开关K2和负极充电二极管D2，负极充电二极管D2的负极电连接于DC/DC直流功率模块4的负输出端。

放电开关组23可以包括：

正极放电开关支路231，连接在电池21的正极和放电电路3之间，包括串联的正极放电开关K3和正极放电二极管D3，正极放电二极管D3的正极电连接于电池21的正极；

负极放电开关支路232，连接在电池21的负极和放电电路3之间，包括串联的负极放电开关K4和负极放电二极管D4，负极放电二极管D4的负极电连接于电池21的负极。

其中，D1～D4为防反二极管，K1～K2可以为单刀单掷开关。

图8所示实施例通过设置串联的单刀单掷开关和防反二极管，可以保障电能的单向流动，减少开关器件数量，进而减少成本。

上述控制方法均可以应用在图8所示实施例中，本公开于此不再赘述。

综上所述，本公开实施例提供的电池均衡电路，能够快速调整串联的电池模块的电量均衡，对多个电池模块同时实现补电与放电，能够应用在大电流快速充电的场景中。此外，通过实时监控放电电路中充电电容的电量、将充电电容中多余的电量引入充电回路、在充电回路无法消耗充电电容电量时及时进行内部耗电，可以有效提高电路可靠性。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

此外，上述附图仅是根据本实用新型示例性实施例所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和构思由权利要求指出。

Claims (5)

1.一种电池均衡管理电路，其特征在于，包括：

直流电源输入端；

多个电池模块，所述多个电池模块串联，每个所述电池模块均包括电池、充电开关组和放电开关组；

放电电路，电连接于所述多个电池模块的放电开关组；

DC/DC直流功率模块，电连接于所述直流电源输入端和所述多个电池模块的充电开关组；

控制器，电连接于所述多个电池模块，用于控制所述充电开关组的断开与闭合和所述放电开关组的断开与闭合。

2.如权利要求1所述的电池均衡管理电路，其特征在于，所述放电电路包括：

充电电容，一端通过第一节点电连接所述多个电池模块的放电开关组；

耗电支路，包括串联的耗电元件和耗电开关，所述耗电支路的第一端连接所述第一节点，所述耗电支路的第二端与所述充电电容的第二端连接于第二节点。

3.如权利要求2所述的电池均衡管理电路，其特征在于，还包括：

放电总开关，连接在所述放电电路和所述多个电池模块的放电开关组之间；

充电总开关，连接在所述直流电源输入端、所述放电电路和所述DC/DC直流功率模块之间；

所述控制器还连接所述放电总开关和所述充电总开关，用于检测所述充电电容的两端电压，控制所述充电总开关和所述放电总开关。

4.如权利要求3所述的电池均衡管理电路，其特征在于，所述放电总开关为单刀双掷开关，所述放电总开关位于第一侧的第一端和第二端分别耦接于所述多个电池模块的放电开关组，位于第二测的第三端和第四端分别耦接于所述第一节点和所述第二节点；所述充电总开关为双刀双掷开关，所述充电总开关位于第一侧的第一端和第二端耦接于所述直流电源输入端，位于第二侧的第三端和第四端分别耦接于所述第一节点和所述第二节点，位于控制端的第五端和第六端耦接于所述DC/DC直流功率模块。

5.如权利要求1所述的电池均衡管理电路，其特征在于：

所述充电开关组包括：

正极充电开关支路，连接在所述电池的正极和所述DC/DC直流功率模块的正输出端之间，包括串联的正极充电开关和正极充电二极管，所述正极充电二极管的正极电连接于所述DC/DC直流功率模块的正输出端；

负极充电开关支路，连接在所述电池的负极和所述DC/DC直流功率模块的负输出端之间，包括串联的负极充电开关和负极充电二极管，所述负极充电二极管的负极电连接于所述DC/DC直流功率模块的负输出端；

所述放电开关组包括：

正极放电开关支路，连接在所述电池的正极和所述放电电路之间，包括串联的正极放电开关和正极放电二极管，所述正极放电二极管的正极电连接于所述电池的正极；

负极放电开关支路，连接在所述电池的负极和所述放电电路之间，包括串联的负极放电开关和负极放电二极管，所述负极放电二极管的负极电连接于所述电池的负极。

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