CN214506576U - 一种多串锂电池混合均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多串锂电池混合均衡电路，包括串联的锂电池组以及分别与锂电池组电性连接的主动均衡模块、被动均衡模块、主控模块，主控模块与主动均衡模块、被动均衡模块分别信号连接；还包括多个采样电路，采样电路与主控模块、主动均衡模块、被动均衡模块分别信号连接；采样电路用于采样主动均衡模块的均衡电流以及锂电池组的电压信号；主控模块用于根据各个锂电池的均衡电流向主动均衡模块发出控制信号，以及根据锂电池组的电压对被动均衡模块发出控制信号；主动均衡模块用于根据主控模块发出的控制信号对对应的锂电池进行充电；被动均衡模块用于根据主控模块发出的控制信号对锂电池组进行放电。本实用新型具有较好的电量一致性。

Description

一种多串锂电池混合均衡电路

技术领域

本实用新型涉及电池管理技术领域，具体涉及一种多串锂电池混合均衡电路。

背景技术

随着锂电池大量的应用，其安全性也得到认可，由于锂电池的能量密度、功率密度远大于铅酸电池，所以近几年锂电池替换铅酸电池的应用案例越来越多，特别是4串12V的锂电池应用，这些电池应用的场景除传统锂电池相关技术特征之外，主要还有电池容量大和经常被串联使用两个特征。大容量电池由于一致性问题，需要采用主动均衡技术才能保证电池一致性稳定。但是当多个12V的电池模块串联使用的时候，电池模块与模块之间的均衡，以目前市面上现有技术并没有得到很好的解决。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种多串锂电池混合均衡电路，以解决串联锂电池组的一致性问题，使电池模块之间电压均衡。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种多串锂电池混合均衡电路，包括由多个锂电池串联形成的锂电池组以及分别与所述锂电池组电性连接的主动均衡模块、被动均衡模块、主控模块，所述主控模块与所述主动均衡模块、所述被动均衡模块分别信号连接；还包括多个采样电路，所述采样电路与所述主控模块、所述主动均衡模块、所述被动均衡模块分别信号连接；

所述采样电路用于采样所述主动均衡模块的均衡电流以及所述锂电池组的电压信号；

所述主控模块用于根据各个所述锂电池的均衡电流向所述主动均衡模块发出控制信号，以及根据所述锂电池组的电压对所述被动均衡模块发出控制信号；

所述主动均衡模块用于根据所述主控模块发出的控制信号对对应的所述锂电池进行充电；

所述被动均衡模块用于根据所述主控模块发出的控制信号对所述锂电池组进行放电。

优选地，所述主动均衡模块包括多个DC－DC模块，所述主控模块的信号输出端、所述采样电路分别与所述DC－DC模块一一对应连接，所述DC－DC模块的直流输入端连接所述锂电池组，所述DC－DC模块的直流输出端连接单个的所述锂电池；

所述采样电路用于采样所述DC－DC模块的均衡电流；

所述主控模块用于根据采样的所述DC－DC模块的均衡电流输出PWM信号，以控制所述DC－DC模块的通断；

所述DC－DC模块用于将所述锂电池组的电量为单个的所述锂电池充电。

优选地，所述DC－DC模块包括逆变模块、变压器、整流二极管、隔直电容、电感、滤波电容，所述逆变模块的控制端连接所述主控模块的信号输出端，所述逆变模块的直流输入端与直流输出端分别连接所述锂电池组的正、负极，所述逆变模块的一个交流输出端连接所述变压器的初级绕组一端，所述逆变模块的另一个交流输出端串联所述隔直电容后连接所述变压器的初级绕组另一端，所述变压器的次级绕组一端依次串联所述整流二极管、所述电感、单个所述锂电池的正极，所述变压器的次级绕组另一端连接单个所述锂电池的负极；所述滤波电容并联在单个所述锂电池的正负两极。

优选地，所述逆变模块为可控桥式逆变电路。

优选地，所述变压器为次级绕组带有中间抽头的双输出变压器，所述中间抽头连接单个所述锂电池的负极，所述变压器的次级绕组两端分别通过一个所述整流二极管电性连接所述电感的一端，所述整流二极管正偏。

优选地，所述DC－DC模块还设有第一电流保险丝，所述第一电流保险丝串联在所述电感与单个所述锂电池的正极之间。

优选地，所述逆变模块的交流输出端设有所述采样电路，用于采样所述 DC－DC模块的均衡电流。

优选地，所述被动均衡模块包括依次串联的第二电流保险丝、放电电阻、功率开关管，所述功率开关管的控制端连接所述主控模块，所述第二电流保险丝上与所述放电电阻相背离的一端连接所述锂电池组的正极，所述功率开关管的电流输出端连接所述锂电池组的负极。

优选地，所述被动均衡模块还包括一对串联的分压电阻，一对所述分压电阻的公共节点连接所述功率开关管的控制端，其中一个所述分压电阻的一端连接所述主控模块的信号输出端，另一个所述分压电阻的一端连接所述锂电池组的负极。

优选地，所述放电电阻为多个并联的电阻。

本实用新型的有益效果是：本实用新型对电池串的各电池进行实时监控，采用主动均衡电路与被动均衡模块相互配合，解决了锂电池串之间的均衡问题，使锂电池组的电量一致性较佳。

附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型主动均衡电路示意图；

图3为本实用新型主动均衡电路单个锂电池接线示意图；

图4为本实用新型实施例逆变模块芯片内部结构示意图；

图5为本实用新型被动均衡模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的技术方案在实际应用中可应用于不限定数量的多串锂电池，本实施例以4串锂电池串联使用为例进行说明。

如图1所示，将锂电池CELL1～CELL4进行串联，锂电池CELL4的正极作为锂电池组的正极，CELL1－作为锂电池组的负极。

本实施例提供的一种多串锂电池混合均衡电路，包括由4个锂电池串联形成的锂电池组以及分别与所述锂电池组电性连接的主动均衡模块、被动均衡模块、主控模块。主控模块可采用现有技术常用的单片机实现。所述主控模块与所述主动均衡模块、所述被动均衡模块分别信号连接；本实施例提供的多串锂电池混合均衡电路还包括多个采样电路，所述采样电路与所述主控模块、所述主动均衡模块、所述被动均衡模块分别信号连接；

所述采样电路用于采样所述主动均衡模块的均衡电流以及所述锂电池组的电压信号；

所述主控模块用于根据各个所述锂电池的均衡电流向所述主动均衡模块发出控制信号，以及根据所述锂电池组的电压对所述被动均衡模块发出控制信号；

所述主动均衡模块用于根据所述主控模块发出的控制信号对对应的所述锂电池进行充电；

所述被动均衡模块用于根据所述主控模块发出的控制信号对所述锂电池组进行放电。

被动均衡模块一般适用于，当一个锂电池组作为一个电池模块，将几个电池模块串联使用时，对每个电池模块的电量进行均衡。而主动均衡模块适用于，在一个串联的锂电池组中，对单个的锂电池进行均衡，当监测到某一个锂电池电压不足时，由串联的锂电池组作为电源向这个锂电池进行充电。

本实施例中，所述主动均衡模块包括4个DC－DC模块，每个所述DC－DC 模块均与所述主控模块的信号输出端信号连接，使得主控模块对每个所述 DC－DC模块分别进行控制。4个所述采样电路分别与4个所述DC－DC模块一一对应连接，将采样信号传送到主控模块。如图1～2所示，所有的DC－DC模块的直流输入端均连接所述锂电池组，由锂电池CELL4的正极为每个DC－DC 模块提供电源；每个所述DC－DC模块的直流输出端连接单个的所述锂电池的正、负极，例如锂电池CELL1、锂电池CELL2、锂电池CELL3、锂电池CELL4。

所述采样电路在主动均衡模块中用于采样所述DC－DC模块的均衡电流，即流过DC－DC模块的直流输入端的电流。

所述主控模块用于根据采样的所述DC－DC模块的均衡电流输出PWM信号，以控制所述DC－DC模块的通断。

所述DC－DC模块用于将所述锂电池组的电量为单个的所述锂电池充电，例如将锂电池组的电量为锂电池CELL1充电。

进一步，所述开关模块包括可控桥式整流电路，所述可控桥式整流电路的控制端连接所述主控模块的信号输出端，所述可控桥式整流电路的直流输入端连接所述锂电池组的正、负极(即锂电池CELL4的正极和锂电池CELL1 的负极)，所述可控桥式整流电路的直流输出端连接所述DC－DC模块的输入端。即主控模块发出PWM控制信号，控制可控桥式整流电路的通断，从而控制串联的锂电池组向单个的DC－DC模块的输入端提供电源。

本实施例中，所述开关模块采用驱动芯片型号A4950，如图2～3所示，其内部由4个MOSFET组成一个可控桥式整流电路。可控桥式整流电路的控制端(即该A4950芯片的IN1引脚与IN2引脚)分别通过电阻R1和电阻R3 连接主控模块(即单片机)的两个PWM信号输出端，主控模块输出两路PWM 信号，用于控制该桥式整流电路的通断以及输出电流方向。可控桥式整流电路的直流输入端(即该A4950芯片的VBB引脚)连接所述锂电池组的正极(即锂电池CELL4的正极)、A4950芯片的GND引脚连接所述锂电池组的负极(即锂电池CELL1的负极)。A4950芯片的VREF引脚通过电阻R4连接+3.3V参考电压，其GND引脚接地。在A4950芯片的VBB引脚上还可以设置滤波电容C9，滤波电容C9的另一端接地。在A4950芯片的VBB引脚上还可以设置几个并联的滤波电容，此处滤波电容的另一端接地，例如图2所示的电容C12/C18/C19。

以其中一个锂电池的接线为例。如图2～3所示，所述DC－DC模块包括逆变模块U1、变压器T1、整流二极管D1、隔直电容C39、电感L4、滤波电容 C4。所述逆变模块U1的控制端连接所述主控模块的信号输出端，所述逆变模块U1的直流输入端与直流输出端分别连接所述锂电池组的正、负极(即对应CELL4+与CELL1－)，所述逆变模块U1的一个交流输出端连接所述变压器T1的初级绕组一端，所述逆变模块U1的另一个交流输出端串联所述隔直电容C39后连接所述变压器T1的初级绕组另一端。

所述逆变模块U1为可控桥式逆变电路。本实施例中，所述逆变模块U1 采用驱动芯片型号A4950，如图4所示，其内部由4个MOSFET组成一个可控桥式逆变电路。可控桥式逆变电路的控制端(即该A4950芯片的IN1引脚与 IN2引脚)分别通过电阻R1和电阻R3连接主控模块(即单片机)的两个PWM 信号输出端，主控模块输出两路PWM信号，用于控制该桥式逆变电路的通断以及输出电流方向。可控桥式逆变电路的直流输入端(即该A4950芯片的VBB 引脚)连接所述锂电池组的正极(即锂电池CELL4的正极)、A4950芯片的 GND引脚作为可控桥式逆变电路的直流输出端连接所述锂电池组的负极(即锂电池CELL1的负极)。A4950芯片的VREF引脚通过电阻R4连接+3.3V参考电压，其GND引脚接地。在A4950芯片的VBB引脚上还可以设置滤波电容C9，滤波电容C9的另一端接地。为了使滤波效果更好，在A4950芯片的VBB引脚上还可以设置几个并联的滤波电容，此处滤波电容的另一端接地，例如图 2所示的电容C12/C18/C19。

所述变压器T1的初级绕组串联所述隔直电容C39后连接所述逆变模块 U1的交流输出端(即A4950芯片的OUT1、OUT2引脚)，即逆变模块U1将锂电池组的直流电逆变为交流电为所述变压器T1的初级绕组供电。隔直电容 C39通交流阻直流，防止变压器T1的偏磁现象，以防止变压器T1在直流电的作用下饱和。所述变压器T1的次级绕组一端依次串联所述整流二极管D1、所述电感L4、单个所述锂电池CELL1的正极，所述变压器T1的次级绕组另一端连接单个所述锂电池CELL1的负极；所述滤波电容C4并联在所述锂电池CELL1的正负两极，滤波电容C4与电感L4串联形成LC滤波电路。实际应用中，为了减小体积，可将隔直电容设置为多个隔直电容(C39/C3/C10/C11) 并联。同样的，为了减小体积或者解决结构限制问题，可将电感设置为多个电感串联使用，例如图2所示的电感L4和电感串联L9串联。电感(L4/L9)与电容C4形成LC滤波电路。

作为更进一步的优选方案，为了达到全波整流效果同时减少整流二极管的数量，所述变压器T1可采用次级绕组带有中间抽头的双输出变压器，所述中间抽头连接锂电池CELL1的负极，所述变压器的次级绕组两端分别通过一个整流二极管(即整流二极管D1与整流二极管D2)电性连接所述电感(L4) 的一端，整流二极管D1与整流二极管D2正偏。

本实施例中，所述DC－DC模块还设有第一电流保险丝F1，所述第一电流保险丝F1串联在所述电感(L4/L9)与锂电池CELL1的正极之间，为所述DC－DC 模块提供过电流保护。

优选地，所述逆变模块的交流输出端设有所述采样电路，用于采样所述DC－DC模块的均衡电流，即变压器T1初级的电流。具体的，如图2～4所示，在A4950芯片的LSS引脚处连接采样电路(采样电阻R6)以采样均衡电流， A4950芯片的LSS引脚连接芯片内的MOSFET的S极，实时监控输入变压器 T1初级的电流，从而通过换算得到对单个的锂电池(例如锂电池CELL1)充电的均衡电流。

如图5所示，所述被动均衡模块包括依次串联的第二电流保险丝F5、放电电阻R21、功率开关管Q1，所述功率开关管Q1的控制端连接所述主控模块的信号输出端(如图4中的BL＿EN端)，所述第二电流保险丝F5上与所述放电电阻R21相背离的一端连接所述锂电池组的正极(即锂电池CELL4的正极)，所述功率开关管Q1的电流输出端连接所述锂电池组的负极(即锂电池 CELL1的负极)。为了防止电阻意外击穿引起短路或其他断路等故障，所述放电电阻可采用多个并联的电阻，例如图4中所示的电阻R21/R22/R23/R26/ R27/R28/R29/R8/R11/R14/R32/R82并联。如前文所述，被动均衡模块适用于，当一个锂电池组作为一个电池模块，将几个电池模块串联使用时，对每个电池模块的电量进行均衡。可以理解为，当采样电路采样到某个电池模块的电压过高时，主控模块控制功率开关管Q1打开，放电电阻进行放电，从而保持各个电池模块之间的均衡。

如图5所示，所述被动均衡模块还包括一对串联的分压电阻(即电阻R33 与电阻R20)，电阻R33与电阻R20的公共节点连接所述功率开关管Q1的控制端，电阻R33的另一端连接所述主控模块的信号输出端，电阻R20的另一端连接所述锂电池组的负极，即锂电池CELL1的负极。

工作原理：

本实用新型的混合均衡电路用于串联使用的多个锂电池组上，用于对锂电池组的电量进行均衡。其主要包括两个部分，即主动均衡电路与被动均衡模块，可以共用一个主控模块对其进行控制。主动均衡电路对串联的锂电池组中单个的锂电池电量进行均衡，当采样电路监测到某一个锂电池电压偏低时，主动均衡电路利用锂电池组整体的电量为对应的单个锂电池充电，使锂电池组内各单个的锂电池电量平衡。被动均衡模块对串联的锂电池组整体的电量进行均衡，其适用于多个锂电池组串联使用的情况，每一串锂电池组作为一个电源模块，多个电源模块串联使用，当采样电路监测到某一电源模块的电量超过主控模块内的预设值时，主控模块输出控制信号控制被动均衡模块对这一电源模块进行放电，以保持各个电源模块的电量均衡。主动均衡电路与被动均衡模块相互配合，很好地解决了串联锂电池组的电量均衡问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，包括由多个锂电池串联形成的锂电池组以及分别与所述锂电池组电性连接的主动均衡模块、被动均衡模块、主控模块，所述主控模块与所述主动均衡模块、所述被动均衡模块分别信号连接；还包括多个采样电路，所述采样电路与所述主控模块、所述主动均衡模块、所述被动均衡模块分别信号连接；

所述采样电路用于采样所述主动均衡模块的均衡电流以及所述锂电池组的电压信号；

所述主控模块用于根据各个所述锂电池的均衡电流向所述主动均衡模块发出控制信号，以及根据所述锂电池组的电压对所述被动均衡模块发出控制信号；

所述主动均衡模块用于根据所述主控模块发出的控制信号对对应的所述锂电池进行充电；

所述被动均衡模块用于根据所述主控模块发出的控制信号对所述锂电池组进行放电。

2.根据权利要求1所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述主动均衡模块包括多个DC－DC模块，所述主控模块的信号输出端、所述采样电路分别与所述DC－DC模块一一对应连接，所述DC－DC模块的直流输入端连接所述锂电池组，所述DC－DC模块的直流输出端连接单个的所述锂电池；

所述采样电路用于采样所述DC－DC模块的均衡电流；

所述主控模块用于根据采样的所述DC－DC模块的均衡电流输出PWM信号，以控制所述DC－DC模块的通断；

所述DC－DC模块用于将所述锂电池组的电量为单个的所述锂电池充电。

3.根据权利要求2所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述DC－DC模块包括逆变模块、变压器、整流二极管、隔直电容、电感、滤波电容，所述逆变模块的控制端连接所述主控模块的信号输出端，所述逆变模块的直流输入端与直流输出端分别连接所述锂电池组的正、负极，所述逆变模块的一个交流输出端连接所述变压器的初级绕组一端，所述逆变模块的另一个交流输出端串联所述隔直电容后连接所述变压器的初级绕组另一端，所述变压器的次级绕组一端依次串联所述整流二极管、所述电感、单个所述锂电池的正极，所述变压器的次级绕组另一端连接单个所述锂电池的负极；所述滤波电容并联在单个所述锂电池的正负两极。

4.根据权利要求3所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述逆变模块为可控桥式逆变电路。

5.根据权利要求3所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述变压器为次级绕组带有中间抽头的双输出变压器，所述中间抽头连接单个所述锂电池的负极，所述变压器的次级绕组两端分别通过一个所述整流二极管电性连接所述电感的一端，所述整流二极管正偏。

6.根据权利要求3所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述DC－DC模块还设有第一电流保险丝，所述第一电流保险丝串联在所述电感与单个所述锂电池的正极之间。

7.根据权利要求3所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述逆变模块的交流输出端设有所述采样电路，用于采样所述DC－DC模块的均衡电流。

8.根据权利要求1所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述被动均衡模块包括依次串联的第二电流保险丝、放电电阻、功率开关管，所述功率开关管的控制端连接所述主控模块，所述第二电流保险丝上与所述放电电阻相背离的一端连接所述锂电池组的正极，所述功率开关管的电流输出端连接所述锂电池组的负极。

9.根据权利要求8所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述被动均衡模块还包括一对串联的分压电阻，一对所述分压电阻的公共节点连接所述功率开关管的控制端，其中一个所述分压电阻的一端连接所述主控模块的信号输出端，另一个所述分压电阻的一端连接所述锂电池组的负极。

10.根据权利要求8所述一种多串锂电池混合均衡电路，其特征在于，所述放电电阻为多个并联的电阻。

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