电池均衡电路及控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电池均衡电路及控制方法。

背景技术：

一个电池组包括多节电池，由于实际生产工艺的问题，每个单体电池之间都有差异，电池组充放电过程也会造成每节电池上电压和容量的不同。现有技术的电池均衡电路，以四节电池为例，每节电池均并联一个串联电路，每个串联电路包括一个电流源和一个开关串联。采样4节电池上电压，经比较电路后输出4个开关信号控制每个串联电路中每个开关的通断。

现有技术电池均衡电路的选择电路原理图如图1所示，所述选择电路包括四个比较器u101、u102、u103和u104。将采样得到的四节电池电压分别于设定的均衡开启阈值电压vref相比较，输出控制信号v101、v102、v103和v104分别去控制与电池并联的串联电路中开关的通断。当某节电池上电压大于vref时，对应比较器输出高电平控制所述电池并联电路上的开关闭合，此时所述电池向相应并联电路上的电流源放电。当所述电池电压下降至均衡开启阈值电压vref时，对应比较器输出低电平控制所述电池并联电路上的开关断开。由于各个电池上电压有可能同时大于均衡开启阈值电压vref，因而这种电池均衡电路会存在多节电池同时向相应并联电路上电流源放电的情况，易造成电路上热量大，引起电路安全、降低电池使用寿命及缩短电池续航里程的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多节电池均衡电路和控制方法，用于解决现有技术存在的电路安全、电池使用寿命低和电池续航里程短的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电池均衡电路，包括：

选择电路，接收表征每节电池两端电压差的电池电压信号，并从中选出最大的电池电压信号；

电池放电电路，在所述最大的电池电压信号达到阈值电压时，则对所述最大的电池电压信号所对应的电池放电。

可选的，所述的选择电路包括比较电路，所述比较电路包括一个或多个比较器，将每节电池上的电压通过比较器进行比较，选出最大电池电压。

可选的，所述的选择电路将每两节电池上的电压进行比较，选出较大电压，将选出的所有较大电压再两两进行比较，以此类推，直至选出最大电池电压。

可选的，所述的选择电路只需要一个比较器，所述比较器两端接收电池电压信号，不断切换比较器两端输入的电池电压信号，直至选出最大电池电压。

可选的，所述选择电路包括差分放大电路和输出电路，所述差分放大电路和输出电路连接形成负反馈结构，所述差分放大电路一端输入电池电压信号，另一端输入经输出电路反馈调节后的电压信号，所述反馈调节后的电压信号为最大电池电压信号。

可选的，所述差分放大电路包括多个输入管和电流镜，所述输入管输入电池电压信号，所述电流镜输出端连接所述多个输入管；

可选的，所述输出电路包括多个输出管和电流源，所有输出管相并联，所述并联端一端接负载，所述负载可以为电阻或电流源，所述并联端与所述电流源公共端的电压为最大电池电压。

可选的，输入最大电池电压的输入管与电流镜公共连接端处的电压为低电平，输入非最大电池电压的输入管与电流镜公共连接端的电压为高电平，通过判断输入管与电流镜公共连接端的电压大小可选出电压最大的电池。

可选的，所述选择电路包括镜像电路和输出电路及电池电压转换成的电流源，所述镜像电路、输出电路和电流源连接形成负反馈结构。

可选的，所述镜像电路包括第一镜像管和多个第二镜像管，所有镜像电路共用第一镜像管，所述电流源表征相应的电池电压：经反馈调节后，流经所述第一镜像管的电流为最大输入电流，所述最大输入电流表征最大电池电压。

可选的，所述电流源与所述镜像电路输出端相连，所述最大电池电压转化的电流源与镜像电路公共连接端处的电压为高电平，其他电流源与镜像电路公共端处的电压为低电平，通过判断每个电流源与镜像电路公共端处的电压大小可选出电压最大的电池。

可选的，所述电池放电电路包括多个电池放电模块，每个电池对应一个电池放电模块。

可选的，所述电池放电模块包括开关和电阻或开关和电流源，所述电阻或电流源用来给电池放电；所述最大电池电压达到阈值电压时，最大电池电压所对应的电池放电模块中的开关闭合，所述最大电池电压所对应的电池放电。

本发明还提供一种电池均衡控制方法，包括以下步骤：

采样每节电池上电压，并从中选出最大的电压信号；在所述最大的电压信号达到阈值电压时，则对所述最大的电压信号所对应的电池放电；采样每节电池两端电压的采样方式为周期性采样或者连续性采样。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：采样每节电池上电压，并从中选出最大的电压信号；所述最大的电压信号达到阈值电压时，则对所述最大的电压信号所对应的电池放电。本发明所述的电池均衡电路可以集成在片内，也可以由分立器件搭建而成。本发明选择电压最大的电池放电，电路发热量明显降低，从而可以提高电路安全性能和电池使用寿命。

附图说明：

图1为现有技术电池均衡电路中的选择电路示意图；

图2为本发明电池均衡电路的电路原理图；

图3为本发明选择电路的第一种电路示意图；

图4为本发明选择电路的第二种电路示意图；

图5为本发明选择电路的第三种电路示意图；

图6为本发明选择电路的第四种电路示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图2所示，示意了本发明电池均衡电路的电路结构，并以4节电池为例，包括电池放电电路、选择电路u01、放电开关管s01、充电开关管s02和充电器/负载模块u02。正常充放电时，s01和s02均导通；出现电池过充或充电过流等充电故障时s02关断，切断充电器u02向电池组的充电回路；出现电池过放或放电过流等放电故障时s01关断，切断电池组向负载u02的放电回路。pack+、pack-分别为充电器/负载的正极和负极。电池放电电路包括4个放电模块，每个电池放电模块包括一节电池、一个电流源(或电阻)和一个开关。每节电池上并联一个串联电路，所述串联电路由一个电流源和一个开关管组成。采样每节电池两端电压，每节电池上电压分别为v1、v2、v3和v4，经选择电路u01后输出4个开关信号控制所述串联电路中每个开关的通断。

本发明所述电池电压采样为周期性采样或连续性采样，当采样得到的最大电池电压达到阈值电压时，所述最大电池电压所对应的电池放电。

参照图3，示意了本发明比较电路u01的第一种电路结构，包括四个比较器u301、u302、u303和u304。例如，将v1和v2通过比较器u301选出v1、v2中的最大值，将v3和v4通过比较器u303选出v3和v4中最大值，将v1和v2中的最大值与v3和v4中的最大值进行比较选出v1、v2、v3和v4中的最大值vmax。将所述最大值vmax与阈值电压vref通过比较器u304进行比较，输出比较信号out。比较信号out为高电平时，电压最大的电池并联电路上的开关闭合，电压最大的电池通过电流源放电。

此外，比较器u301的两个输入信号可以为任意两个电池上的电压，假定v1、v2，比较器u302的一个输入信号为v1、v2中的最大值，另一输入信号假定v3，比较器u303的一个输入信号为v1、v2和v3中的最大值，另一个输入信号为v4，比较器u304的一个输入信号为v1、v2、v3、v4中的最大值，另一个输入信号为阈值信号。

参照图4，示意了本发明选择电路u01的第二种电路结构，只需要一个比较器u401。用一个比较器u401切换输入获得v1、v2、v3、v4中的最大值。假定比较器u401同相输入v1、反相输入v2，根据比较结果out选出v1、v2中的最大电压，比如v1。然后将比较器u401同相输入切换到v1，反相输入切换到v3，根据比较结果out选出v1、v2、v3中的最大电压，比如v3。然后将比较器u401同相切换到v1和v2和v3之间的最大值v3，反相输入v4，根据比较结果out选出v1、v2、v3、v4中的最大电压，比如v4。然后将比较器u401正相切换到v1和v2和v3和v4之间的最大值v4，反相输入阈值电压vref，如果最大电池电压v4达到阈值电压vref，电压最大的电池放电。参照图4列出如下公式：

u1＝φ1+φ2*out1+φ3*out1*out2+φ4*out1*out2*out3

根据公式(1)进行如下说明：

φ1、φ2、φ3、φ4和u1、u2、u3、u4为开关控制信号，out1、out2、out3为比较器u401输出信号，以下所述的1和0分别表示高电平和低电平，所述开关控制信号为高电平时，控制相应开关闭合，反之控制相应开关断开。φ1＝1时，φ2＝φ3＝φ4＝0，u1＝1，u2＝u3＝u4＝0，比较器u401同相输入端接v1，反相输入端接v2，输出out1在φ1结束时刻锁存住，当v1＜v2时，out1＝0，否则out1＝1；切换比较器u401输入信号，φ2＝1时，φ1＝φ3＝φ4＝0，假定φ1时的比较结果out1＝1，则u1＝1，u2＝u3＝u4＝0，比较器401正相输入端接v1，负相输入端接v3；假定φ1时的比较结果out1＝0，则u2＝1，u1＝u3＝u4＝0，比较器u401正相输入端接v2，负相输入端接v3。综上，φ2时把v1与v2中的最大值与v3比较。以此类推，φ3时把v1、v2和v3中的最大值与v4比较；φ4时把v1、v2、v3和v4中的最大值与阈值电压vref比较，如果最大电池电压达到阈值电压vref，电压最大的电池放电。

参照图5，示意了本发明选择电路的第三种电路结构，包括差分放大电路、输出电路和比较器u601。所述差分放大电路包括电流镜，输入管和电流源i601。所述电流镜包括参考管s605和镜像管s601、s602、s603、s604；所述输入管s606和s610、s607和s610、s608和s610、s609和s610分别组成4对输入管，4对输入管共用一个输入管s610。所述输出电路包括电流源i602和输出管s611、s612、s613、s614。上述中s601、s602、s603、s604、s611、s612、s613、s614以pmos管为例，s606、s607、s608、s609、s610以nmos管为例。

上述所述差分电路和输出电路连接形成单位增益负反馈结构，具体如下：所述电流镜中所有镜像管和参考管共源共栅极，所述栅极均接参考管s605漏极。所述4对输入管共源极，所述源极接电流源i601，输入管s606、s607、s608和s609的栅极分别接4个电池电压信号，漏极分别接电流镜输出端即镜像管s601、s602、s603、s604的漏极，其节点处电压分别为vo1、vo2、vo3和vo4，输入管s610漏极接参考管s605漏极。所述输出电路的4个输出管并联，且所述并联端一端接负载，所述负载可以为电阻或电流源，这里负载以电流源i602为例。所述并联端还连接开关管s610的栅极，其公共节点处电压为vm。比较器u610正相输入端接电压vm，反相输入端接阈值电压vref，输出端输出out信号。

假定节点处电压vm大于最大电池电压，则参考电流和镜像电流很大，输出电路的4个pmos管栅极被上拉，4个pmos管关断，4个pmos管上无电流，这种情况在电路中不允许存在，因此，节点处压vm不可能大于最大电池电压。假定4节电池上电压v1＞vm＞v2＞v3＞v4时，随着镜像电流跟随参考电流，pmos管s611栅极被下拉，pmos管s611导通，pmos管s612、s613和s614栅极被上拉，pmos管s612、s613和s614关断。随着pmos管s611栅极下拉驱动电流增大，节点处电压vm上升，当vm上升至v1后，电路稳定下来。此外，节点处电压vo1为低电平，vo2、vo3、vo4为高电平，通过检测电压vo1、vo2、vo3、vo4大小可以选出最大电池电压v1所对应的电池。本发明所述的选择电路节点处电压vm最终可达到最大电池电压，将所述最大电池电压vm与阈值电压vref进行比较，当vm达到阈值电压vref时，电压最大的电池放电。

参照图6，示意了本发明选择电路的第四种电路结构，包括镜像电路、输出电路、电流源、电流镜u701、电阻r2比较器u702，所述镜像电路包括第一镜像管s705、第二镜像管s701、s702、s703、s704和电阻r1，所述输出电路包括多个输出管s706、s707、s708、s709，所述电流源包括i701、i702、i703、i704，分别表征电池电压v1、v2、v3、v4，i1～4＝v1～4/r2。以上所述的第一镜像管、第二镜像管、输出管均以nmos管为例。

以上所述镜像电路、输出电路和电流源连接形成负反馈结构，具体连接方式如下：所述镜像电路的第一镜像管和第二镜像管共栅共源极，所述共源极接地，所述共栅极接一电阻r1后接地，所述共栅极节点处电压为vml，流经第一镜像管s705的电流记为im，第一镜像管s705漏极接电流镜u701输入端，电流镜u701输出端接电阻r2一端，其公共节点处电压记为vm。第二镜像管s701、s702、s703、s704漏极分别接电流源i701、i702、i703、i704的一端和输出管s706、s707、s708、s709的栅极，其公共节点处电压分别为vp1、vp2、vp3、vp4。输出管s706、s707、s708、s709共源共漏极，所述共源极接所述镜像电路的共栅极，所述共漏极接电源vdd。比较器u702正相输入端接电压vm，反相输入端接阈值电压vref，输出端输出信号out。

假定流经第一镜像管s705上的电流im＞i701＞i702＞i703＞i704，则各第二镜像管上漏电流分别大于i701、i702、i703和i704，输出管s706、s707、s708、s709栅极被下拉，输出管s706、s707、s708、s709关断，这种情况不允许存在。假定电流i701＞im＞i702＞i703＞i704，输出管s706栅极被上拉，输出管s707、s708、s709栅极被下拉，输出管s706导通，输出管s707、s708、s709关断，随着输出管s706栅极上拉驱动电流增大，电压vml增大，流经第一镜像管s705的电流im增大直至电路达到稳定状态，此时电流im等于电流源i701大小，即电流镜u701输出电流等于电流源i701大小，节点处电压vm等于最大电池电压。此外，节点处电压vp1为高电平，vp2、vp3、vp4为低电平，通过检测电压vp1、vp2、vp3、vp4的大小可以选出最大电流源i701所对应的电压最大的电池。将vm与阈值电压vref进行比较，当vm达到阈值电压vref时，电压最大的电池放电。

虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。