CN218976386U - 一种动力电池组的均衡电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种动力电池组的均衡电路，动力电池组包括多个单体电池，均衡电路包括与每个单体电池对应的均衡子电路，每个均衡子电路包括被动均衡开关电路、主动均衡开关电路和旁路开关，其中，被动均衡开关电路与单体电池并联连接；旁路开关的第一接线端连接到单体电池的正极，旁路开关的第二接线端连接到单体电池的负极，旁路开关的活动端能够连接到第一接线端或者第二接线端；主动均衡开关电路的第一端连接到旁路开关的第二接线端，各主动均衡开关电路的第二端连接到一起。本申请通过在电池包中引入旁路开关，实现主动均衡电路与被动均衡电路的结合，提高电池包使用寿命和运行效率。

Description

一种动力电池组的均衡电路

技术领域

本申请涉及电池平衡技术领域，尤其涉及一种动力电池组的均衡电路。

背景技术

近年来，随着电动汽车的发展，动力电池的均衡系统起着越来越重要的作用，电池在加工过程中，由于工艺和材料的先天因素，以及电池在后期使用过程中每个电池所处的环境差异，使电池包内部的电池单体在使用过程中会逐渐形成一定SOC差异，组合在一起的电池包就像一个木桶模型，即性能最差的电池单体决定了电池包的整体性能，从而带来能量效率低、可靠性低等问题，因此需要对动力电池进行均衡。

目前的均衡方式主要分为两大类：主动均衡和被动均衡。被动均衡只在充电期间，通过泄放电阻消耗多余的电荷，使所有电池单体都具有大致相当的荷电状态，但它并不能延长系统运行时间。

主动均衡是一种更复杂的平衡技术，放电循环期间，重新分配电池单体内的电荷，以此来解除截止条件限制，使充电过程重新开始，为电池包充入更多电量，因此电池组中总的可用电荷也得到增加，从而延长了系统运行时间，但是主动均衡不能无法在充电过程中完成均衡，且结构方案复杂、成本较高、均衡速度慢。

实用新型内容

有鉴于此，本申请的目的在于至少提供一种动力电池组的均衡电路，通过在电池包中引入旁路开关，实现主动均衡和被动均衡相结合的均衡策略，提高电池包使用寿命和运行效率。

本申请主要包括以下几个方面：

本申请实施例提供一种动力电池组的均衡电路，动力电池组包括多个单体电池，均衡电路包括与每个单体电池对应的均衡子电路，每个均衡子电路包括被动均衡开关电路、主动均衡开关电路和旁路开关，其中，被动均衡开关电路与单体电池并联连接；旁路开关的第一接线端连接到单体电池的正极，旁路开关的第二接线端连接到单体电池的负极，旁路开关的活动端能够连接到第一接线端或者第二接线端；主动均衡开关电路的第一端连接到旁路开关的第二接线端，各主动均衡开关电路的第二端连接到一起。

在一种可能的实施方式中，多个单体电池按序排放，针对位于末尾的单体电池，该单体电池对应的旁路开关的活动端还与充电接口的负极连接，位于首位的单体电池的正极与充电接口的正极连接，针对非末尾的单体电池，该单体电池对应的旁路开关的活动端还与处于排放顺序中的下一单体电池的正极连接。

在一种可能的实施方式中，每个均衡子电路还包括第一电阻，其中，第一电阻的一端连接到电池单体的负极，第一电阻的另一端连接到电池单体对应的旁路开关的第二接线端。

在一种可能的实施方式中，被动均衡开关电路包括被动均衡开关，其中，被动均衡开关的第一接线端连接到单体电池的正极，被动均衡开关的第二接线端连接到旁路开关的第二接线端，被动均衡开关的控制端连接到BMS控制器。

在一种可能的实施方式中，被动均衡开关电路还包括第二电阻和第三电阻，其中，第二电阻的一端连接到电池单体的正极，第二电阻的另一端连接到被动均衡开关的第一接线端；第三电阻的一端连接到被动均衡开关的第二接线端，第三电阻的另一端连接到旁路开关的第二接线端。

在一种可能的实施方式中，主动均衡开关电路包括主动均衡开关，其中，主动均衡开关的一端连接到旁路开关的第二接线端，各主动均衡开关的另一端连接到一起。

在一种可能的实施方式中，均衡电路还包括充电开关，其中，充电开关的一端连接到充电接口的正极，充电开关的另一端连接到位于首位的单体电池的正极。

在一种可能的实施方式中，均衡电路还包括升压稳压器，其中，升压稳压器的一次侧的一端连接到位于首位的单体电池的正极，升压稳压器的一次侧的另一端连接到充电接口的负极；升压稳压器的二次侧的一端连接到用电负载的正极，升压稳压器的二次侧的另一端连接到用电负载的负极。

在一种可能的实施方式中，均衡电路还包括放电开关，其中，放电开关的一端连接到升压稳压器的一次侧的另一端，放电开关的另一端连接到充电接口的负极。

在一种可能的实施方式中，每个均衡子电路还包括电池电量检测电路，其中，电池电量检测电路用于采集单体电池的电压，以将采集的电压发送至BMS控制器。

本申请实施例提供的一种动力电池组的均衡电路，动力电池组包括多个单体电池，均衡电路包括与每个单体电池对应的均衡子电路，每个均衡子电路包括被动均衡开关电路、主动均衡开关电路和旁路开关，其中，被动均衡开关电路与单体电池并联连接；旁路开关的第一接线端连接到单体电池的正极，旁路开关的第二接线端连接到单体电池的负极，旁路开关的活动端能够连接到第一接线端或者第二接线端；主动均衡开关电路的第一端连接到旁路开关的第二接线端，各主动均衡开关电路的第二端连接到一起。本申请通过在电池包中引入旁路开关，实现主动均衡和被动均衡相结合的均衡策略，提高电池包使用寿命和运行效率。

综上所述，本申请的有益之处在于：

本申请通过在动力电池组的电池单体之间引入旁路开关，将电池单体与旁路开关深度耦合，通过旁路开关的高频动作，实现电池网络拓扑的毫秒级重构，即改变动力电池组的串并联连接方式，可以在动力电池组处于充电过程中实现被动均衡、在静止时实现主动均衡，在放电过程中隔离电压较弱的单体电池，实现电池单体间的平衡，提高系统的使用寿命和运行效率。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的一种均衡电路的结构示意图一；

图2示出了本申请实施例所提供的一种均衡电路的结构示意图二；

图3示出了本申请实施例所提供的一种均衡电路的结构示意图三；

图4示出了本申请提供的一种对动力电池组进行均衡控制的流程图；

图5示出了本申请提供的一种动力电池组处于充电状态时的均衡电路图；

图6示出了本申请提供的一种动力电池组处于放电状态时的均衡电路图；

图7示出了本申请提供的一种动力电池组处于静止状态时的均衡电路图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中的附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前的均衡方式主要分为两大类：主动均衡方式和被动均衡方式。

被动均衡方式：只在充电期间，通过泄放电阻消耗多余的电荷，使所有电池单元都具有大致相当的荷电状态，但由于放电电阻的存在而浪费能量，产生热量，且并不能延长系统运行时间。

主动均衡方式：无法在电池包充电过程中实现电池均衡，结构方案往往复杂、成本较高、均衡速度慢，使得其在实际应用中未能得到广泛应用。

基于此，本申请实施例提供了一种动力电池组的均衡电路，通过在电池包中引入旁路开关，实现主动均衡和被动均衡相结合的均衡策略，提高电池包使用寿命和运行效率，具体如下：

请参阅图1，图1示出了本申请实施例所提供的一种均衡电路的结构示意图一。如图1所示，本申请实施例提供动力电池组10包括多个单体电池BAT，均衡电路包括与每个单体电池BAT对应的均衡子电路(图中未示出)，每个均衡子电路包括被动均衡开关电路20、主动均衡开关电路30和旁路开关DT，

其中，被动均衡开关电路20与单体电池BAT并联连接；

旁路开关DT的第一接线端连接到单体电池BAT的正极，旁路开关DT的第二接线端连接到单体电池BAT的负极，旁路开关DT的活动端能够连接到第一接线端或者第二接线端。

主动均衡开关电路30的第一端连接到旁路开关DT的第二接线端，各主动均衡开关电路30的第二端连接到一起。

具体的，旁路开关DT为单刀双掷开关，具体的，旁路开关DT的切换可以实现各单体电池BAT之间的串联结构和并联结构。

请参阅图2，图2示出了本申请实施例所提供的一种均衡电路的结构示意图二。如图2所示，多个单体电池BAT按序排放，针对位于末尾的单体电池BAT，该单体电池BAT对应的旁路开关DT的活动端还与充电接口的负极连接，外部充电电源可通过充电接口接入动力电池组，完成对动力电池组的充电。

位于首位的单体电池BAT的正极与充电接口的正极连接。

针对非末尾的单体电池BAT，该单体电池对应的旁路开关DT的活动端还与处于排放顺序中的下一单体电池BAT的正极连接。

在一具体实施例中，如图2所示，每个均衡子电路还包括第一电阻R1。

其中，第一电阻R1的一端连接到电池单体BAT的负极，第一电阻R1的另一端连接到电池单体BAT对应的旁路开关DT的第二接线端，具体的，第一电阻R1为电池单体BAT对应的内阻。

被动均衡开关电路20包括被动均衡开关Q。

其中，被动均衡开关Q的第一接线端连接到单体电池BAT的正极，被动均衡开关的第二接线端连接到旁路开关DT的第二接线端，被动均衡开关Q的控制端连接到BMS控制器50，以通过BMS控制器50输出对应的控制信号控制被动均衡开关Q的通断，其中，不同单体电池BAT对应的被动均衡开关Q连接到BMS控制器50不同的控制引脚。

如图2所示，主动均衡开关电路30包括主动均衡开关ST，

其中，主动均衡开关ST的一端连接到旁路开关DT的第二接线端，各主动均衡开关ST的另一端连接到一起。

均衡电路还包括充电开关STC。

其中，充电开关STC的一端连接到充电接口的正极，充电开关STC的另一端连接到位于首位的单体电池BAT的正极。

均衡电路还包括升压稳压器DC/DC，升压稳压器DC/DC为直流升压稳压器。

其中，升压稳压器DC/DC的一次侧的一端连接到位于首位的单体电池BAT的正极，升压稳压器DC/DC的一次侧的另一端连接到充电接口的负极。

升压稳压器DC/DC的二次侧的一端连接到用电负载的正极，升压稳压器DC/DC的二次侧的另一端连接到用电负载的负极。

升压稳压器DC/DC输出直接驱动用电负载的电压，用电负载可以为汽车电动机。

请参阅图3，图3示出了本申请实施例所提供的一种均衡电路的结构示意图三。如图3所示，被动均衡开关电路还包括第二电阻R2和第三电阻R3。

其中，第二电阻R2的一端连接到电池单体BAT的正极，第二电阻R2的另一端连接到被动均衡开关Q的第一接线端。

第三电阻R3的一端连接到被动均衡开关Q的第二接线端，第三电阻R3的另一端连接到旁路开关DT的第二接线端。

第二电阻R2和第三电阻R3为被动均衡开关电路的被动均衡散热电阻。

其中，如图3所示，被动均衡开关Q可以为NMOS开关，其可以是板外开关形式也可以是板内开关形式。

如图3所示，均衡电路还包括放电开关ST0。

其中，放电开关ST0的一端连接到升压稳压器DC/DC的一次侧的另一端，放电开关ST0的另一端连接到充电接口的负极。

在另一具体实施例中，每个均衡子电路还包括电池电量检测电路(图中未示出)。

其中，电池电量检测电路用于采集单体电池BAT的电压，以将采集的电压发送至BMS控制器50。

均衡电路还包括充放电状态检测电路(图中未示出)，充放电状态检测电路用于检测充电开关和放电开关的闭合状态，以将采集的充电开关和放电开关的闭合状态发送至BMS控制器50。

请参阅图4，图4示出了本申请提供的一种对动力电池组进行均衡控制的流程图。如图4所示，对动力电池组进行均衡控制的步骤包括：

S110、通过充放电状态检测电路获取动力电池组对应的工作模式。

其中，动力电池组对应的工作模式包括充电模式、放电模式和禁止模式。

S120、若动力电池组对应的工作模式为充电模式，则启动被动均衡开关电路，维持动力电池组在充电过程中的均衡。

请参阅图5，图5示出了本申请提供的一种动力电池组处于充电状态时的均衡电路图。如图5所示，若BMS控制器50通过充放电状态检测电路获取到充电开关STC闭合，放电开关ST0断开则确定动力电池组对应的工作模式为充电模式。

此时，如图5所示，BMS控制器50先控制全部旁路开关DT均拨向对应的单体电池BAT的负极，使全部单体电池BAT实现串联结构，同时，BMS控制器50控制全部主动均衡开关ST断开，开启被动均衡模式，然后，通过电池电量检测电路采集各单体电池BAT的电压。

如图5所示，被动均衡开关Q可以为NMOS开关，被动均衡开关Q的控制端默认的信号为低电平信号，此时，被动均衡开关Q处于截止状态。

在充电过程中，针对每个单体电池BAT，若BMS控制器50检测到该单体电池BAT的电压处于饱和状态，则BMS控制器50输出高电平信号至该单体电池BAT对应的被动均衡开关Q的控制端，此时，被动均衡开关Q导通，该单体电池BAT对应的被动均衡开关电路导通，该单体电池BAT通过第二电阻R2和第三电阻R3泄放掉多余的电荷，以使所有的单体电池BAT都具备相同的电压，完成对动力电池组充电过程中的均衡。

若充电开关STC断开，则此时BMS控制器50控制被动均衡开关Q的控制端全部恢复至低电平，即，关闭被动均衡开关电路，BMS控制器50可控制每个旁路开关DT的活动端处于悬空状态，以结束对动力电池组的充电。

返回图4，S130、若动力电池组对应的工作模式为放电模式，则关闭被动均衡开关电路和主动均衡开关电路，通过旁路开关维持动力电池组在放电过程中的均衡。

请参阅图6，图6示出了本申请提供的一种动力电池组处于放电状态时的均衡电路图。如图6所示，若BMS控制器50通过充放电状态检测电路获取到充电开关STC断开，放电开关ST0闭合则确定动力电池组对应的工作模式为放电模式。

此时，被动均衡开关电路和主动均衡开关电路均处于截止状态，具体的，BMS控制器50控制全部主动均衡开关ST断开，同时控制各被动均衡开关Q的控制端为低电平，处于截止状态。

BMS控制器50先控制全部旁路开关DT均拨向对应的单体电池BAT的负极，使全部单体电池BAT实现串联结构，同时，通过电池电量检测电路采集各单体电池BAT的电压，此时，动力电池组通过升压稳压器DC/DC向用电负载供电。

在放电过程中，BMS控制器50会获取各单体电池BAT对应的电压，同时会确定各单体电池BAT之间所产生的多个电压差值ΔSOC，若最低电压差值ΔSOC_min大于预设阈值时，则对于最低电压差值ΔSOC_min对应的电压最低的单体电池BAT，通过旁路开关DT将该单体电池BAT临时从串联结构中剔除，即让该单体电池BAT不参与到动力电池组的放电过程，将其作为旁路单体电池，例如图6，若位于首位的单体电池BAT确定为旁路单体电池，控制该旁路单体电池对应的旁路开关DT的活动端拨动至该旁路开关DT对应的第一接线端。

且，临时去除对应单体电池BAT的动力电池组输出的电压，经升压稳压器DC/DC升压后输出，实现对用电负载放电，即如图6所示，除位于首位的单体电池BAT之外，其余单体电池BAT均参与放电。

对于旁路电池单体，当BMS控制器50检测到除该旁路电池单体之外的其余单体电池BAT之间，对应的ΔSOC_min与旁路单体电池对应的ΔSOC_min趋于一致时，再控制该旁路单体电池对应的旁路开关DT的活动端拨动至该旁路开关DT对应的第二接线端，以再次将此旁路单体电池串联进动力电池组，共同向用电负载放电。

重复上述过程，直至所有单体电池BAT均处于ΔSOC_min，完成对动力电池组放电过程中的均衡，这样可以最大化的利用电池容量，延长车辆运行时间。

若放电开关ST0断开，则此时BMS控制器50可控制每个旁路开关DT的活动端处于悬空状态，以结束对动力电池组的放电。

返回图4，S140、若动力电池组对应的工作模式为静止模式(即汽车静止，电池包不充电也不放电)，则关闭被动均衡开关电路，开启主动均衡电路，以维持动力电池组在静止状态下的均衡。

请参阅图7，图7示出了本申请提供的一种动力电池组处于静止状态时的均衡电路图。如图7所示，若BMS控制器50通过充放电状态检测电路获取到充电开关STC断开，放电开关ST0断开，则确定动力电池组对应的工作模式为静止模式。

此时，如图7所示，BMS控制器50先控制全部旁路开关DT均拨向其对应的第一接线端，使全部单体电池BAT实现并联结构，同时，BMS控制器50控制全部被动均衡开关Q的控制端处于低电平，被动均衡开关电路处于断开状态，BMS控制器50控制全部主动均衡开关ST闭合，开启主动均衡模式。

由于并联结构，各单体电池BAT对应的电压始终相等，先天性的，在各单体电池BAT并联的情况下，电压高的单体电池BAT会自发给电压低的单体电池BAT充电，从而实现动力电池组的主动均衡，使所有单体电池BAT电压相同。

以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种动力电池组的均衡电路，所述动力电池组包括多个单体电池，其特征在于，所述均衡电路包括与每个单体电池对应的均衡子电路，每个均衡子电路包括被动均衡开关电路、主动均衡开关电路和旁路开关，

其中，被动均衡开关电路与单体电池并联连接；

旁路开关的第一接线端连接到单体电池的正极，旁路开关的第二接线端连接到单体电池的负极，旁路开关的活动端能够连接到第一接线端或者第二接线端；

主动均衡开关电路的第一端连接到旁路开关的第二接线端，各主动均衡开关电路的第二端连接到一起。

2.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，所述多个单体电池按序排放，针对位于末尾的单体电池，该单体电池对应的旁路开关的活动端还与充电接口的负极连接，位于首位的单体电池的正极与所述充电接口的正极连接，

针对非末尾的单体电池，该单体电池对应的旁路开关的活动端还与处于排放顺序中的下一单体电池的正极连接。

3.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，每个均衡子电路还包括第一电阻，

其中，第一电阻的一端连接到电池单体的负极，第一电阻的另一端连接到电池单体对应的旁路开关的第二接线端。

4.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，所述被动均衡开关电路包括被动均衡开关，

其中，所述被动均衡开关的第一接线端连接到单体电池的正极，所述被动均衡开关的第二接线端连接到旁路开关的第二接线端，所述被动均衡开关的控制端连接到BMS控制器。

5.根据权利要求4所述的均衡电路，其特征在于，所述被动均衡开关电路还包括第二电阻和第三电阻，

其中，所述第二电阻的一端连接到电池单体的正极，所述第二电阻的另一端连接到所述被动均衡开关的第一接线端；

所述第三电阻的一端连接到所述被动均衡开关的第二接线端，所述第三电阻的另一端连接到所述旁路开关的第二接线端。

6.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，所述主动均衡开关电路包括主动均衡开关，

其中，所述主动均衡开关的一端连接到所述旁路开关的第二接线端，各主动均衡开关的另一端连接到一起。

7.根据权利要求2所述的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路还包括充电开关，

其中，所述充电开关的一端连接到充电接口的正极，所述充电开关的另一端连接到位于首位的单体电池的正极。

8.根据权利要求2所述的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路还包括升压稳压器，

其中，所述升压稳压器的一次侧的一端连接到位于首位的单体电池的正极，所述升压稳压器的一次侧的另一端连接到所述充电接口的负极；

所述升压稳压器的二次侧的一端连接到用电负载的正极，所述升压稳压器的二次侧的另一端连接到所述用电负载的负极。

9.根据权利要求8所述的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路还包括放电开关，

其中，所述放电开关的一端连接到所述升压稳压器的一次侧的另一端，所述放电开关的另一端连接到所述充电接口的负极。

10.根据权利要求1所述的均衡电路，其特征在于，每个均衡子电路还包括电池电量检测电路，

其中，所述电池电量检测电路用于采集单体电池的电压，以将采集的电压发送至BMS控制器。

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