電池均衡裝置

《電池均衡裝置》是安徽力高新能源技術有限公司於2010年12月3日申請的發明專利，該專利申請號為201010572115X，公布號為CN101986508A，專利公布日為2011年3月16日，發明人是柳海龍、劉新天、姚高亮、楊志華，該發明涉及電子技術領域。

《電池均衡裝置》所述裝置，用於利用均衡電阻對電池組中的多個電池單元進行均衡，其中，電池均衡裝置包括控制器、電阻切換電路、和均衡電阻，其中，電阻切換電路用於在控制器的控制下將均衡電阻與控制器指定的電池單元並聯；控制器用於採集多個電池單元中每個電池單元的電壓值，根據採集的電壓值確定每個電池單元的剩餘電量，並在確定一個電池單元滿足切換條件的情況下，控制電阻切換電路將均衡電阻與該電池單元並聯，其中，切換條件為：該電池單元的剩餘電量比多個電池單元的平均剩餘電量高出預定值的情況下。該發明能夠智慧型地進行電池單元之間的均衡，有效減小電池單元之間存在的差異性，並且能夠節省設備的體積和成本。

2017年6月22日，《電池均衡裝置》獲得安徽省第五屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《電池均衡裝置》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：電池均衡裝置
• 公布號：CN101986508A
• 公布日：2011年3月16日
• 申請號：201010572115X
• 申請日：2010年12月3日
• 申請人：安徽力高新能源技術有限公司
• 地址：安徽省合肥市高新區合歡路28號C樓4層
• 發明人：柳海龍、劉新天、姚高亮、楊志華
• 代理機構：北京市德恆律師事務所
• 代理人：陸鑫; 熊須遠
• Int.Cl.：H02J7/00(2006.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

2010年12月之前，動力鋰電池組在電動汽車、大型後備電源等場景中的套用越來越廣泛。通常，動力鋰電池組一般由多節單體電池進行串、並聯而組成。由於電池組包含多個單體電池，因此，就需要保證單體電池之間的一致性，如果單體電池之間出現差異而又不能夠及時進行均衡處理，則這種差異會在電池組的日常使用過程中會進一步加大，最終導致整個電池組的容量嚴重衰減。

電池組均衡的過程通常是藉助外部電路對電池組內單體電池的一致性差異進行動態調整，達到維護單體電池間均衡性的目的。最常見的均衡方法是在單體電池兩端並聯一個旁路電阻，並通過一個開關來控制電阻的通斷，從而藉助電阻來消耗電壓較高的部分單體電池能量，維持電池組的整體均衡性。

由於這種均衡方案需要採用與鋰電池組中單體電池數相當的電阻，會增加電池組的體積和裝配複雜度，由於並聯電阻的阻值不便於調節，因此存在均衡電流不可調節的缺點，導致對不同剩餘電量的單體電池只能採用一個固定的電流進行均衡，而單體電池之間的差異性卻並不是一定的，而且是可以隨著使用而不斷變化的，因此，即使採用了上述利用均衡電阻的技術方案，也不能夠達到均衡減小電池之間差異性的目的。

針對相關技術中無法有效消除電池組內單體電池之間差異性的問題，2010年12月之前尚未提出有效的解決方案。

發明內容

專利目的

針對相關技術中無法有效消除電池組內單體電池之間差異性的問題，《電池均衡裝置》提出一種電池均衡裝置，能夠智慧型判斷需要進行均衡的電池單元並進行均衡，從而有效減少電池單元之間的差異性。

技術方案

《電池均衡裝置》所述裝置，用於利用均衡電阻對電池組中的多個電池單元進行均衡，其特徵在於，所述電池均衡裝置包括控制器、電阻切換電路、和均衡電阻，其中，所述電阻切換電路用於在所述控制器的控制下將所述均衡電阻與所述控制器指定的電池單元並聯；所述控制器用於採集所述多個電池單元中每個電池單元的電壓值，根據採集的電壓值確定所述每個電池單元的剩餘電量，並在確定一個電池單元滿足切換條件的情況下，控制所述電阻切換電路將所述均衡電阻與該電池單元並聯，其中，所述切換條件為：該電池單元的剩餘電量比所述多個電池單元的平均剩餘電量高出預定值的情況下。

具體地，所述電阻切換電路可包括多個切換單元，每個切換單元對應於一個電池單元設定，且每個切換單元用於在所述控制器的控制下將所述均衡電阻與相應的電池單元並聯；並且，所述控制器包括多個信號輸出端，所述多個信號輸出端與所述多個切換單元一一對應連線，在所述控制器確定出滿足所述切換條件的電池單元後，將控制信號通過與該電池單元對應的信號輸出端傳送至相應的切換單元，以便所述切換單元將所述均衡電阻與確定的所述電池單元並聯。

並且，所述每個切換單元進一步包含光耦合器和金屬氧化物半導體電晶體，所述均衡電阻連線在均衡母線上；其中，所述金屬氧化物半導體電晶體的柵極與所述光耦合器的輸出端連線，所述金屬氧化物半導體電晶體的漏極與該切換單元所對應的電池單元的負極連線，所述金屬氧化物半導體電晶體的源極與所述均衡母線連線；所述光耦合器的輸入端用於接收來自所述控制器的控制信號，並在接收到控制信號後將產生的電信號輸出至所述金屬氧化物半導體電晶體，使所述金屬氧化物半導體電晶體導通，將所述均衡電阻與該切換單元所對應的電池單元並聯。其中，上述控制信號為脈衝寬度調製信號。並且，所述控制器可以進一步用於利用所述脈衝寬度調製信號將流經每個電池單元的電流調節至預定電流值範圍內。

改善效果

藉助於上述技術方案，由控制器進行電壓採集來確定電池單元之間的差異以及需要均衡的電池單元，並由電阻切換電路將電阻並聯至需要均衡的電池單元，從而能夠智慧型地進行電池單元之間的均衡，有效減小電池單元之間存在的差異性，並且能夠節省設備的體積和成本。

附圖說明

圖1是根據《電池均衡裝置》具體結構實例的框圖；

圖2是根據該發明的電池均衡裝置中主控電路內部的部分結構框圖；

圖3是根據該發明的電池均衡裝置中電阻切換電路的具體結構實例的框圖。

權利要求

1.《電池均衡裝置》所述裝置，用於利用均衡電阻對電池組中的多個電池單元進行均衡，其特徵在於，所述電池均衡裝置包括控制器、電阻切換電路、和均衡電阻，其中，所述電阻切換電路用於在所述控制器的控制下將所述均衡電阻與所述控制器指定的電池單元並聯；所述控制器用於採集所述多個電池單元中每個電池單元的電壓值，根據採集的電壓值確定所述每個電池單元的剩餘電量，並在確定一個電池單元滿足切換條件的情況下，控制所述電阻切換電路將所述均衡電阻與該電池單元並聯，其中，所述切換條件為：該電池單元的剩餘電量比所述多個電池單元的平均剩餘電量高出預定值的情況下，所述電阻切換電路包括多個切換單元，每個切換單元對應於一個電池單元設定，且每個切換單元用於在所述控制器的控制下將所述均衡電阻與相應的電池單元並聯；並且，所述控制器包括多個信號輸出端，所述多個信號輸出端與所述多個切換單元一一對應連線，在所述控制器確定出滿足所述切換條件的電池單元後，將控制信號通過與該電池單元對應的信號輸出端傳送至相應的切換單元，以便所述切換單元將所述均衡電阻與確定的所述電池單元並聯，所述每個切換單元進一步包含光耦合器和金屬氧化物半導體電晶體，所述均衡電阻連線在均衡母線上；其中，所述金屬氧化物半導體電晶體的柵極與所述光耦合器的輸出端連線，所述金屬氧化物半導體電晶體的漏極與該切換單元所對應的電池單元的負極連線，所述金屬氧化物半導體電晶體的源極與所述均衡母線連線；所述光耦合器的輸入端用於接收來自所述控制器的控制信號，並在接收到控制信號後將產生的電信號輸出至所述金屬氧化物半導體電晶體，使所述金屬氧化物半導體電晶體導通，將所述均衡電阻與該切換單元所對應的電池單元並聯。

2.根據權利要求1所述的電池均衡裝置，其特徵在於，所述控制信號為脈衝寬度調製信號。

3.根據權利要求2所述的電池均衡裝置，其特徵在於，所述控制器進一步用於利用所述脈衝寬度調製信號將流經每個電池單元的電流調節至預定電流值範圍內。

實施方式

根據《電池均衡裝置》的實施例，提供了一種電池均衡裝置，用於利用均衡電阻對電池組（例如，可以是鋰電池組）中的多個電池單元進行均衡。

其中，電池均衡裝置包括控制器、電阻切換電路、和均衡電阻。具體地，電阻切換電路用於在控制器的控制下將均衡電阻與控制器指定的電池單元並聯；控制器用於採集多個電池單元中每個電池單元的電壓值，根據採集的電壓值確定每個電池單元的剩餘電量，並在確定一個電池單元滿足切換條件的情況下，控制電阻切換電路將均衡電阻與該電池單元並聯，其中，切換條件為：該電池單元的剩餘電量比多個電池單元的平均剩餘電量高出預定值的情況下。

其中，電阻切換電路可以包括多個切換單元，每個切換單元對應於一個電池單元設定，且每個切換單元用於在控制器的控制下將均衡電阻與相應的電池單元並聯；並且，控制器包括多個信號輸出端，多個信號輸出端與多個切換單元一一對應連線，在控制器確定出滿足切換條件的電池單元後，將控制信號通過與該電池單元對應的信號輸出端傳送至相應的切換單元，以便切換單元將均衡電阻與確定的電池單元並聯。

具體地，可以通過在每個切換單元中設定光耦合器來實現控制器與電阻切換電路的隔離，並設定金屬氧化物半導體電晶體（優選地，可以採用大功率的MOS管，下文中簡稱為MOS管），MOS管可以在光耦合器的控制下導通，從而將均衡電阻並聯至相應的單元。 其中，MOS管的柵極與光耦合器的輸出端連線，MOS管的漏極與該切換單元所對應的電池單元的負極連線，MOS管的源極與均衡母線連線；光耦合器的輸入端用於接收來自控制器的控制信號，並在接收到控制信號後將產生的電信號輸出至MOS管，使MOS管導通，將均衡電阻與該切換單元所對應的電池單元並聯。

下面將結合圖1至3，詳細描述控制器和電阻轉換電路的結構和工作原理。 如圖1所示，控制器可以採用集成晶片ATmega16，其具有高精度AD採樣和PWM輸出電路的8BIT微控制器晶片，並且具有高精度電壓採樣功能，用於對電池單元（BT1至BT3）進行電壓採樣，並確定每個電池單元的剩餘電量。集成晶片的信號輸出端PWM1和PWM2可以為大功率MOS管的驅動電路提供驅動電壓；Voltage連線埠為集成晶片採集電壓的輸入端，Voltage連線埠連線集成晶片的AD採樣引腳，藉助Voltage連線埠採集的各電池單元的電壓，就能夠為後續是否需要進行均衡判定提供依據條件；如圖1和圖2所示，集成晶片還具有VCC1端，集成晶片的VCC1引腳可以通過電阻R8連線到VCC端，VCC1端可以連線至電阻R8與電容C1之間，電容C1兩端分別連線集成晶片的VDD和VSS引腳，且集成晶片的VSS引腳接地，這樣，通過電阻R8、電容C1就能夠形成+3V電源RC濾波網路，此時可以認為集成晶片與外圍部件連線得到主控電路。

結合圖1和圖3，集成晶片的PWM1與光耦合器U1的PWM1’連線，集成晶片的PWM2與光耦合器U2的PWM2’連線，MOS管Q2的漏極接BT2電池負極，Q2的源極連線到均衡母線上，與功率電阻R8相連。Q2的柵極接光耦合器U2的發射極輸出端，並通過R4連線到BT2電池的負極，U2的集電極輸出端連線R3，R3的另一端連線的U2的集電極，另一端與BT1電池的正極相連，如果電池組中包含其他更多電池單元，則這些電路單元的電路連線方式與BT2相同（出於清楚的目的，圖1中並未示出BT3所對應的MOS管和光耦合器），由於光耦合器直接在集成晶片的控制下使MOS管導通，因此，可以認為光耦合器是MOS管的驅動電路。 大功率MOS管串聯在放電迴路中，主控電路對電池組內的單體電池進行電壓採樣，判斷是否滿足均衡開啟的條件，如果滿足，則需要進行均衡。主控電路傳送控制信號給電阻切換電路，電阻切換電路將大功率電阻R8與需要均衡的單體電池連線。同時，主控電路根據需要進行均衡單體電池的剩餘電量計算出需要的均衡電流，以PWM（脈衝寬度調製，PulseWidthModulation）波的形式輸入到大功率MOS管驅動電路，驅動電路控制MOS管開關，從而令流經大功率電阻的電流保持在規定值。

具體地，在實際判斷中，對電池單元的電壓值進行採樣後，可以計算獲得該電池單元的剩餘容量，並且與其他單體電池的剩餘容量進行比較。當該電池剩餘容量比平均剩餘電池容量高出一定值時，U1輸出PWM調製信號到該單體電池正負極對應的兩路MOS管驅動電路的光耦合器輸入端，光耦合器在控制信號的作用下導通或截止。導通時，將在大功率MOS管柵極引入接近2倍單體電池電壓的驅動信號，這樣可以保證大功率MOS管的開啟與關閉。當大功率MOS開啟後，需要均衡的單體電池通過MOS管漏極進入均衡母線上的大功率電阻，並通過負極串聯的MOS管的源極回到單體電池的負極，從而完成對多餘能量的消耗過程。由於在大功率MOS管的柵極採用了較高的驅動電壓，因此可以保證在MOS管內從源極到漏極和從漏極到源極都有較低開啟電阻，成為理想的電子開關。

在圖1至圖3所示的電路結構中，可以認為集成晶片ATmega16、MOS管Q1、MOS管Q2構成了電壓檢測電路和電流調節PWM輸出電路；電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、光耦合器U1、及光耦合器U2構成大功率MOS管驅動電路，功率電阻R6構成均衡放電電路；而U1和Q1就相當於對應於BT1的切換單元，U2和Q2就相當於對應於BT2的切換單元，對於包含更多電池單元的電池組，切換單元的數量與電池單元的數量應當是相同的。

通過上述實例可以看出，該發明的方案只需要使用單個功率電阻，當電池組個體間存在較大差異需要進行單體均衡時，該電路會通過大功率MOS管將功率電阻切換到需要均衡的單體電池，與該單體並聯形成放電迴路，消耗多餘的能量。當需要均衡的單體電池數量比較多時，則可以根據單體電池剩餘電量的情況，將功率電阻順序並接到需要均衡的單體電池上。同時該電路還具有均衡電流調節功能，可以根據單體能量的剩餘情況，利用PWM脈寬調製技術控制均衡電流的大小。這樣可以保證同一種電路可以根據不同容量的電池，選擇合適的均衡電流，防止由於均衡電流過大引起的單體電池過熱或是電流過小單體電池均衡無效的情況出現。

榮譽表彰

2017年6月22日，《電池均衡裝置》獲得安徽省第五屆專利獎優秀獎。