电池电压平衡控制系统、电池电压平衡装置及其控制方法与流程

本发明涉及电池电压平衡控制技术领域，尤其涉及一种电池电压平衡控制系统、电池电压平衡装置及其控制方法。

背景技术：

随着绿色能源的倡导，可充电式电池越来越多的应用于电子产品中。而为了适应更多高电压应用场景，电池级联使用的频率越来越高。在电池级联使用中，由于每个电池生产时的特性不一致，在出厂时候就存在电压的差异，电池在反复充放电的使用过程中会由于这些差异导致电压的差异越来越大，进而严重影响电池的续航和使用寿命。而电池平衡技术可以有效解决此类问题，电池平衡技术能够在电池使用过程中不断将原本有电压差异的电池电压逐渐平衡，并能够有效维持这种电压的平衡状态，使电池的续航和寿命得到有效延长。

一个好的电池平衡系统可以准确地检测电池电压之间的压差，并进行能量的搬运实现电池电压的平衡，因此，为了准确地进行平衡，电池电压的压差的判断是关键。这其中，同步控制也是影响系统有效平衡非常重要的一方面。例如，在锂电池系统中，由于平衡一般发生在电池充电的时候，当检测和平衡同时发生的时候，必然会造成电池电压的检测不准确，进而有可能无法准确地进行平衡动作。请参见图1，为现有技术中国专利cn103035965b中提出的4节电池的电池电压平衡器的电路示意图，该专利提出了一种将平衡和检测分开时段进行的技术方案，但是其只在检测结束时进行同步平衡动作，并且其在通信传输过程中实行双向控制，该技术方案存在精确同步的局限性。

由于级联电池浮动地的原理，电池平衡系统如何进行安全有效的逻辑信号传输也一直是个难题。级联使用的级数越多，叠加的电池电压越高，如果每一颗电池平衡芯片的使能信号都直接通过外部提供，则需要处理高压，这会增加芯片设计难度及成本。以上问题亟待解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过一种电池电压平衡控制系统、电池电压平衡装置及其控制方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电池电压平衡装置，该装置包括：

一电池模块，包含多个电池单元，所述多个电池单元的正端与负端耦接串联成一串；

一电池电压平衡控制系统，包含多个电池电压平衡单元，每一个电池电压平衡单元对应耦接相邻的两个电池单元，前级电池电压平衡单元的逻辑输出端与后级电池电压平衡单元的逻辑输入端耦接；

其中，所述电池电压平衡控制系统还包含一决定单元，耦接第一级电池电压平衡单元，用以决定所有电池电压平衡单元同步进入检测阶段或者平衡阶段。

特别地，所述决定单元还用于决定所有电池电压平衡单元的平衡时间和检测时间。

特别地，所述决定单元包含一使能控制模块，所述使能控制模块耦接第一级电池电压平衡单元，并输出一第一使能信号用以决定所有电池电压平衡单元同步开启或关断。

特别地，所述决定单元包含一mcu模块，提供一第一同步信号给第一级电池电压平衡单元的所述逻辑输入端，并通过所述逻辑输出端传输给后级电池电压平衡单元的所述逻辑输入端，其中，所述mcu模块包含所述使能控制模块。

特别地，所述mcu模块提供的所述第一同步信号决定所有电池电压平衡单元的平衡时间和检测时间。

特别地，所述第一同步信号为高电平时进入平衡阶段，所述第一同步信号为低电平时进入检测阶段，或者所述第一同步信号为低电平时进入平衡阶段，所述第一同步信号为高电平时进入检测阶段。

特别地，所述第一级电池电压平衡单元为级联最开始的一级或最后一级。

特别地，所述逻辑输入端和所述逻辑输出端均为多功能pin脚，第一级电池电压平衡单元的所述逻辑输入端还接收所述使能控制模块提供的所述第一使能信号，并通过所述逻辑输出端传输给后级电池电压平衡单元的逻辑输入端。

特别地，所述逻辑输入端为一输入端组，包括一同步输入端，所述逻辑输出端为一输出端组，包括一同步输出端，前级电池电压平衡单元的所述同步输出端与后级电池电压平衡单元的所述同步输入端耦接，第一级电池电压平衡单元通过所述同步输入端接收所述第一同步信号，并通过所述同步输出端传输给后级电池电压平衡单元的所述同步输入端。

特别地，所述输入端组还包括一使能输入端，所述输出端组还包括一使能输出端，前级电池电压平衡单元的所述使能输出端与后级电池电压平衡单元的所述使能输入端耦接，其中，第一级电池电压平衡单元通过所述使能输入端接收所述第一使能信号，并通过所述使能输出端传输给后级所述使能输入端。

特别地，每一个所述电池电压平衡单元还具有一报错输入端及一报错输出端，当任一电池电压平衡单元出现状态异常报错时均会产生一报错信号至所述报错输出端，并逐级传输给前级电池电压平衡单元的所述报错输入端，第一级电池电压平衡单元的所述报错输出端输出一第一报错信号给所述决定单元。

特别地，所述报错信号的传输为单向传输，传输方向与使能信号及同步信号的传输方向相反。

特别地，所述决定单元还包含一外部设定电路，所述外部设定电路决定所有电池电压平衡单元的平衡时间和检测时间。

特别地，所述逻辑输入端为一输入端组，包括一同步输入端和一使能输入端，所述逻辑输出端为一输出端组，包括一同步输出端和一使能输出端，前级电池电压平衡单元的所述同步输出端与后级电池电压平衡单元的所述同步输入端耦接，前级电池电压平衡单元的所述使能输出端与后级电池电压平衡单元的所述使能输入端耦接，第一级电池电压平衡单元的所述同步输入端处于悬浮状态，所述使能输入端接收所述第一使能信号，并通过所述使能输出端传输给后级电池电压平衡单元的所述使能输入端。

特别地，每一个所述电池电压平衡单元还包含一逻辑信号传输电路，所述逻辑信号传输电路接收对应同步信号及对应使能信号，进行电平转换后，传输给后级电池电压平衡单元。

特别地，所述逻辑信号传输电路包含一第一功能模块，一逻辑单元，一第二功能模块，所述第一功能模块为下拉电路，所述第二功能模块为上拉电路。

特别地，所述逻辑信号传输电路包含一逻辑单元，一电平转换电路。

特别地，所述下拉电路为电流源或者电阻，所述上拉电路为功率器件。

本发明还公开了一种电池电压平衡控制方法，该方法包括以下步骤：

多个电池单元的正端与负端耦接串联成一串；

多个电池电压平衡单元对应耦接相邻的两个电池单元，并通过前级电池电压平衡单元的逻辑输出端与后级电池电压平衡单元的逻辑输入端耦接；

一决定单元耦接第一级电池电压平衡单元，用以决定所有电池电压平衡单元同步进入检测阶段或者平衡阶段。

特别地，所述决定单元还用于决定所有电池电压平衡单元的平衡时间和检测时间。

特别地，所述决定单元包含一使能控制模块，所述使能控制模块耦接第一级电池电压平衡单元，并输出一第一使能信号用以决定所有电池电压平衡单元同步开启或关断。

特别地，所述决定单元包含一mcu模块，提供一第一同步信号给第一级电池电压平衡单元的所述逻辑输入端，并通过所述逻辑输出端传输给后级电池电压平衡单元的所述逻辑输入端，其中，所述mcu模块包含所述使能控制模块。

特别地，每一个电池电压平衡单元还具有一报错输入端及一报错输出端，当任一电池电压平衡单元出现状态异常报错时，均会产生一报错信号至所述报错输出端，并逐级传输给前级电池电压平衡单元的所述报错输入端，所述第一级电池电压平衡单元的所述报错输出端输出一第一报错信号给所述决定单元。

本发明进一步公开了一种电池电压平衡系统，该电池电压平衡系统为上述电池电压平衡装置、电池电压平衡控制方法中任一电池电压平衡系统。

本发明提出的电池电压平衡控制系统、电池电压平衡装置及其控制方法通过外部决定单元控制级联的第一级电池电压平衡单元，并以简单的逻辑电平转换方式逐级传输控制信号，从而实现逻辑信号的同步控制，以及更简单方便的级联使用和更精确的同步控制。

附图说明

图1为现有技术中4节电池的电池电压平衡器的电路示意图；

图2为本发明的第一较佳实施例的电池电压平衡装置的电路示意图；

图3a为图2所示电池电压平衡装置的工作时序图，高电平对应平衡时间；

图3b为图2所示电池电压平衡装置的工作时序图，低电平对应平衡时间；

图4为同步信号传输电路的第一较佳实施例的电路示意图；

图5为图4所示同步信号传输电路的工作信号波形图；

图6为同步信号传输电路的第二较佳实施例的电路示意图；

图7为图6所示同步信号传输电路的工作信号波形图；

图8为本发明的第二较佳实施例的电池电压平衡装置的电路示意图；

图9为图8所示实施例的电池电压平衡装置的工作波形图；

图10为本发明的第三较佳实施例的电池电压平衡装置的电路示意图；

图11a为图10所示实施例的电池电压平衡装置的工作波形图，第一级电池电压平衡单元未出现异常；

图11b为图10所示实施例的电池电压平衡装置的工作波形图，第一级电池电压平衡单元出现异常。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，现将详细阐述本发明的较佳实施例，在图式及实施方式中使用相同标号或字母的元件/构件代表相同或类似部分。本发明的电池电压平衡装置的平衡技术可以应用至两个或以上的电池单元进行电压平衡，在实施例中以三个电池单元来进行说明。

请参见图2，图2为根据本发明的第一较佳实施例的电池电压平衡装置的电路示意图，在本实施例中，电池电压平衡装置包含一电池模块100、一电池电压平衡控制系统200以及一决定单元。其中电池模块100包含三个电池单元cell1、cell2、cell3，三个电池单元的正端与负端分别耦接串联成一串，以提供三倍于单个电池单元的电压。电池电压平衡控制系统200包含两个电池电压平衡单元bal1、bal2，每一个电池电压平衡单元对应耦接相邻的两个电池单元，且每一个电池电压平衡单元具有逻辑输入端和逻辑输出端。在本发明中，逻辑输入端可以包括使能输入端、同步输入端以及报错输入端等，逻辑输出端可以包括使能输出端、同步输出端以及报错输出端等，不局限此。

在本实施例中，逻辑输入端为一输入端组，包括一同步输入端dsync及一使能输入端den，逻辑输出端为一输出端组，包括一同步输出端usync及一使能输出端uen，其中第一级电池电压平衡单元的同步输出端usync1与第二级电池电压平衡单元的同步输入端dsync2耦接，第一级电池电压平衡单元的使能输出端uen1与第二级电池电压平衡单元的使能输入端den2耦接。在其他实施例中，级联的电池颗数不多，即不需要处理高压时，第一级电池电压平衡单元可以是bal1，也可以是baln(n为级联颗数)，即为电池电压平衡单元级联最开始的一级或最后一级。级联的电池颗数多，需要处理高压时，第一级电池电压平衡单元则为bal1，即为电池电压平衡单元级联最开始的一级。本领域技术人员很容易联想到的简单置换或者位置的改变等都在本专利保护范围内。

在本实施例中，第一级电池电压平衡单元是bal1，也可以是bal2，仅以第一级电池电压平衡单元是bal1作相应说明。决定单元是外部设定模块，耦接第一级电池电压平衡单元bal1，且仅耦接第一级电池电压平衡单元bal1，用以决定所有电池电压平衡单元同步进入检测阶段或者平衡阶段，也就是决定所有电池电压平衡单元同步进入检测阶段的时刻或者平衡阶段的时刻，以及决定所有电池电压平衡单元的检测时间或者平衡时间。同理，每一个电池电压平衡单元进入检测阶段的时间或者平衡阶段的时间是一致的，同步检测，同步平衡。决定单元还包含一使能控制模块(图中未示出)，耦接第一级电池电压平衡单元bal1，用以决定所有电池电压平衡单元同步开启或关断。

在本实施例中，决定单元包含一mcu模块300，该mcu模块300更包含上述使能控制模块，使能控制模块用于提供一第一使能信号en1。mcu模块300耦接第一级电池电压平衡单元bal1的同步输入端dsync1和使能输入端den1，从外部提供一第一同步信号sync1和上述第一使能信号en1。电池电压平衡单元bal1的同步输入端dsync1和使能输入端den1分别接收第一同步信号sync1和第一使能信号en1，其中第一使能信号en1使能电池电压平衡单元bal1开始工作，第一同步信号sync1用以决定电池电压平衡单元bal1进入检测阶段或者平衡阶段。电池电压平衡单元bal1同时将第一同步信号sync1和第一使能信号en1经过电平转换后，向电池电压平衡单元bal2进行传输，逐级传输来实现整个电池电压平衡控制系统200的使能同步和平衡检测同步。mcu模块300输出第一同步信号sync1控制第一级电池电压平衡单元进入检测阶段的时刻或者平衡阶段的时刻以及检测时间与平衡时间，第一级电池电压平衡单元将控制信号逐级传输给后级，来是实现所有的电池电压平衡单元的使能同步，以及同步平衡与同步检测。同理，mcu模块300中的使能控制模块输出一第一使能信号en1，所有电池电压平衡单元同步开启或关断。在本实施例中，决定平衡时间、检测时间的第一同步信号sync1为方波信号，但不局限于方波信号。

在另一个实施例中，逻辑输入端和逻辑输出端均为多功能pin脚，第一级电池电压平衡单元的逻辑输入端同时接收第一使能信号en1和第一同步信号sync1，提供使能和同步功能，第一同步信号sync1和第一使能信号en1经过电平转换后，再通过逻辑输出端传输第二使能信号en2和第二同步信号sync2给后级电池电压平衡单元的逻辑输入端。在此就不详细描述。

请同时参见图3a和图3b，图3a和图3b均为图2所示电池电压平衡装置的工作时序图。图3a是高电平对应平衡时间，即同步信号为高电平时进入平衡阶段，同步信号为低电平时进入检测阶段。图3b是低电平对应平衡时间，即同步信号为低电平时进入平衡阶段，同步信号为高电平时进入检测阶段。

经过电平转换后，电池电压平衡单元bal1的使能输出端uen1和使能输入端den1的逻辑电平同步，同步输出端usync1和同步输入端dsync1亦是电平同步。由于电池电压平衡单元bal1的使能输出端uen1以及同步输出端usync1和电池电压平衡单元bal2的使能输入端den2以及同步输入端dsync2分别连接在一起，故级联的电池电压平衡单元可以和下一级电池电压平衡单元以同相的逻辑电平来实现同步工作。如图3a所示，第一同步信号sync1的高、低电平分别对应电池电压平衡单元bal1的平衡时间和检测时间，电池电压平衡控制系统200的平衡和检测阶段相互间隔，在平衡阶段系统不做检测动作，而在检测阶段系统不做平衡动作，如此可以避免平衡电流对检测的准确性的影响。第一同步信号sync1受mcu模块300的控制，通过改变高低电平可以自由设定平衡和检测时间的长短，故平衡和检测的时间控制更具弹性。如图3b所示，第一同步信号sync1的高、低电平亦可以换为对应检测时间和平衡时间。

接下来以图3a为例作具体说明。当第一使能信号en1为高电平，对应为电池电压平衡单元的工作电平时，电池电压平衡单元bal1接收到高电平的第一同步信号sync1后即进入平衡阶段。如果此时电池单元cell1、cell2的压差超过一第一阈值则进行平衡操作，如果电池单元cell1、cell2的压差小于一第一阈值则保持待机状态。同时电池电压平衡单元bal1向上一级与其相连的电池电压平衡单元bal2提供高电平的第二使能信号en2和第二同步信号sync2，使能电池电压平衡单元bal2并同时进入平衡阶段。当第一同步信号sync1转为低电平时，电池电压平衡单元bal1则进入检测阶段，开始检测电池单元cell1、cell2的电压，同时向上一级电池电压平衡单元bal2提供一个低电平的第二同步信号sync2，对电池单元cell2、cell3的电压进行检测。当电池电压平衡单元bal1接收到低电平的第一使能信号en1时，则会通过电平转换将上一级电池电压平衡单元bal2的使能输入端den2下拉至电池电压平衡单元bal2的地电压的电平位置，使两个电池电压平衡单元同时处于不工作状态，从而避免由于不同芯片级联工作时下拉地电位不一致导致的漏电。在电池电压平衡控制系统200中，每一个电池电压平衡单元的使能输入端den和同步输入端dsync依次往上一级分别传输使能信号en和同步信号sync，于使能输出端uen和同步输出端usync实现高低电平的同步输出，实现整个电池系统的使能控制及同步控制，使电池电压平衡控制系统200只需要外部提供一个使能信号和一个同步信号即可控制整个系统同时工作和关断，以及同时平衡和检测。实施例一的优点在于平衡控制系统的平衡和检测阶段被分时控制，芯片的使能以及平衡、检测时间的设定由mcu模块直接设定，可以实现平衡和检测时间的精确控制。使能信号en和同步信号sync传输方向均为单方向，信号控制非常简单。而同步功能中，电池电压平衡单元实现逻辑电平的转换，pin脚数量较少，使用方便，mcu模块无需处理高压信号，电池平衡控制系统更为安全。

由于电池是级联工作，级联的电池电压平衡单元的逻辑高低电平不一样，因此每一个电池电压平衡单元还包含一同步信号传输电路210，通过同步信号传输电路210来实现电平转换，达到级联芯片工作时不同电源需要不同逻辑高低电平的目的，并实现更低的器件耐压要求和极小的i/o工作电流。

请参见图4，为上述同步信号传输电路的第一较佳实施例的电路示意图，同步信号传输电路210包含一第一功能模块211，耦接电池电压平衡单元的逻辑输入端，一逻辑单元212耦接第一功能模块211和一第二功能模块213，第二功能模块213耦接电池电压平衡单元的逻辑输出端。第一功能模块211为一下拉电路，包含一电流源或者一电阻，但不局限于此，提供下拉功能皆可。逻辑单元212用于逻辑判断和传输控制。第二功能模块213为一上拉电路，包含一功率开关管mp1，功率开关管mp1可以是nmos，也可以是pmos，但不局限于此，提供上拉功能皆可。级联使用时，逻辑输出端和上一级电池电压平衡单元的逻辑输入端连接在一起，需要高电平时，逻辑输出端通过开关管上拉，而需要低电平时，逻辑输出端将开关管关断，停止上拉，上一级电池电压平衡单元的逻辑输入端通过电流源或者电阻下拉至上一级电池电压平衡单元的最低电位，从而实现逻辑电平的转换。

请同时参见图5，为图4所示同步信号传输电路的工作信号波形图。例如，当第一级电池电压平衡单元bal1的逻辑输入端接受一个方波信号时，如第一使能信号en1或者第一同步信号sync1，其逻辑输出端同步第一使能信号en1或者第一同步信号sync1的逻辑高低电平时序，但输出的第二使能信号en2或者第二同步信号sync2的高低电平则经过转换，高电平为第一级电池电压平衡单元bal1的最高电位vcc1，低电平为第二级电池电压平衡单元bal2的最低电位vss2，因此第二级电池电压平衡单元bal2的低电位并非绝对的系统最低电位。

请参见图6和图7，图6为同步信号传输电路的第二较佳实施例，图7为图6所示同步信号传输电路的工作信号波形图。同步信号传输电路210包含一逻辑模块214和一levelshift电路215，相较于同步信号传输电路的第一较佳实施例，相同部分不做赘述，不同之处在于，通过levelshift电路215直接输出高低电平，高电平亦为第一级电池电压平衡单元bal1的最高电位vcc1，低电平为第二级电池电压平衡单元bal2的最低电位vm，不需上拉电路及下拉电路来完成，不会产生漏电流风险。levelshift电路215的转换速率更快，可以适应驱动能力需求更高的情形，以及降低待机功耗。

接着请参见图8和图9，图8为根据本发明的第二较佳实施例的电池电压平衡装置的电路示意图，图9为图8所示实施例的电池电压平衡装置的工作波形图。相较于图2所示第一较佳实施例，不同之处在于本实施例中，决定单元包含一外部设定电路400和一使能控制模块，每一个电池电压平衡单元还包含平衡时间设定端ctb、检测时间设定端ctd，外部设定电路400通过平衡时间设定端ctb、检测时间设定端ctd与电池电压平衡单元耦接，实现平衡时间和检测时间的设定，不仅达到精确同步控制，还实现了更低成本的需求。第一级电池电压平衡单元bal1的使能输入端den1接受使能控制模块输出的第一使能信号en1，同步输入端dsync1设定为floating状态。外部设定电路400设定的平衡时间、检测时间通过第一同步输出端usync1体现并向其上一级电池电压平衡单元bal2进行传输，而第二级电池电压平衡单元bal2的平衡时间设定端ctb、检测时间设定端ctd端不工作，可以处于floating状态，也可以下拉至地电位，或者上拉至电源电压等，不局限于此。因此，第二级电池电压平衡单元bal2只需要接受第一级电池电压平衡单元bal1的同步输出端usync1的第二同步信号sync2，即可实现级联平衡芯片的同步平衡和检测操作。在本实施例中，外部设定电路400可以是电容、电阻或者rc网络，但不局限于此，如此可以简化设定电路，减少外部元器件的使用。

实施例二的优点，在于平衡和检测时间的设定可以在有mcu模块时由mcu模块来设定，亦可以无需mcu模块提供方波信号，而通过外部设定电路结合电池电压平衡单元来设定，实现同步，更具选择弹性。在实现更精确的平衡检测同时，简化平衡系统的控制，实现更低成本。

接下来请参见图10，图10为根据本发明的第三较佳实施例的电池电压平衡装置的电路示意图。本实施例是在第一较佳实施例的基础上，每一个电池电压平衡单元的逻辑输入端组和逻辑输出端组分别增加一报错输入端ufault及一报错输出端dfault，或者逻辑输入端和逻辑输出端复用报错功能。当任一电池电压平衡单元出现状态异常报错时，均会产生一报错信号fault至报错输出端dfault，并传输给前级电池电压平衡单元的报错输入端ufault，mcu模块接收第一级电池电压平衡单元的报错输出端dfault1输出的一第一报错信号fault1，使电池电压平衡控制系统200选择如何进行下一步工作。报错信号的传输方向与使能信号及同步信号的传输方向相反，并且也是单向传输。

请同时参见图11a和图11b，均为图10所示实施例的电池电压平衡装置的工作波形图。当电池电压平衡单元在工作过程出现错误时，会产生报错信号fault，使其报错输出端dfault跳为高电平，而当电池电压平衡单元没有出现错误时，其接收到级联后级电池电压平衡单元传输过来的高电平报错信号fault时，当前电池电压平衡单元依然会使报错输出端dfault跳为高电平，并向前级的电池电压平衡单元报错输入端的ufault传输，从而实现报错功能的同步传输。

图11a为第一级电池电压平衡单元bal1未出现异常，第二级电池电压平衡单元bal2出错时，第二级电池电压平衡单元bal2的报错输出端dfault2跳为高电平，并通过第一级电池电压平衡单元bal1的报错输入端ufault1传输至其报错输出端dfault1，实现对整个平衡系统的报错。图11b为第二级电池电压平衡单元bal2以及后级级联电池电压平衡单元未出先异常，第一级电池电压平衡单元bal1出现错误时，第一级电池电压平衡单元bal1的报错输出端dfault1跳为高电平，提供给mcu模块，实现对整个平衡系统的报错。

本实施例是在本发明的第一较佳实施例一的基础上，增加报错信号fault的逻辑传输信号的控制，实现对平衡系统中任一电池电压平衡单元的错误侦测，提供给mcu模块，实现电池平衡系统更安全的使用和控制。而报错信号的传输也是单方向传输，mcu模块不用接受高电压而特别的处理，设置简单，使用安全方便。当然，报错信号fault的逻辑传输信号的控制也可以用于本发明的第二较佳实施例，在此不做赘述。

综上所述，本发明通过外部决定单元控制级联的第一级电池电压平衡单元，并以简单的逻辑电平转换方式逐级传输控制信号，从而实现逻辑信号的同步控制，以及更简单方便的级联使用和更精确的同步控制，还通过报错功能模块实现电池电压平衡装置的更安全使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。