专利名称：一种多节串联可充电电池电压平衡电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及可充电电池保护电路领域，特别涉及一种多节串联可充电电池电 压平衡保护电路。
背景技术：
现有高容量可充电电池主要有锂离子电池和铁电池，这两种电池因能量密度高， 对电池的安全性有更高的要求。锂离子电池在过度充电状态下，电池能量将过剩，使电池温 度上升，导致有着火或破裂的危险；在过度放电状态下，电芯容量特性劣化及耐久性劣化。 铁电池过度放电也会使电池特性劣化，缩短电池寿命。可充电电池保护电路就是要避免上 述的过度充电或过度放电的发生，防止电池特性劣化，使用寿命降低。双节可充电电池串联 使用时，平衡电路可以避免两节可充电电池之间容量差异变大。目前电池组之间的平衡方 式主要采用能耗式平衡方式，由电池容量高的一节电池通过额外的放电回路释放电能，降 低自身容量，从而达到双节串联可充电电池之间电压平衡。如图1所示，为现有双节电池平衡电路，其工作原理是平衡电路设置了一个平衡 启动参考值vref，当一节电池电压高于vref，一节电池电压低于vref时，电路平衡功能启 动，电池电压高于vref的那一节电池通过额外的放电回路释放电能。当两节电池电压都高 于vref或都低于vref时，电路平衡功能关闭，两节电池都不会通过各自的额外的放电回路 释放电能。具体电路实现过程，通过比较器得到两节电池与参考值vref比较结果，比较器的 4种输出状态组合，分别对应4种实际的情况，控制P型MOS管的信号是经过逻辑与非运算 得到，控制N型MOS管的信号是经过逻辑与运算得到一两节电池均高于vref，两比较器输出均为1，由上图中的逻辑可看出，此时N_ out为0，P_out为1，平衡不启动。二.电池1高于vref，电池2低于vref，Cl输出为0，C2输出为1，此时经逻辑运 算后N_out为1，P_out为1，电池1的平衡放电旁路导通。三.电池2高于vref，电池1低于vref，Cl输出为1，C2输出为0，此时经逻辑运 算后N_out为0，P_out为0，电池2的平衡放电旁路导通.四.两节电池均低于vref，两比较器输出均为0，由上图中的逻辑可看出，此时丄 out为0，P_out为1，平衡不启动。上述平衡控制方式缺点在于由于电池电压采样的时候产生的误差较大，只要相 邻两节的电池电压一个大于参考电压值，同时另一个小于参考电压值便启动平衡，由此会 造成原来不需要平衡的电池由于检测误差的存在误启动平衡，从而造成本来的容量匹配的 电池出现容量失配现象。
实用新型内容本实用新型为解决现有技术中本来不需要平衡的电池由于检测误差的存在误启动平衡的问题，从而造成本来的容量匹配的电池出现容量失配现象。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案一种多节串联可充电电池电压平衡电路，包括用于采集电池电压的电池采样模 块；判断电池电压是否处于预设区域的第一平衡控制模块；判断电池电压是否处于正常工 作区的第二平衡控制模块；逻辑控制模块；用于可充电电池在电压平衡过程中充放电电流 的平衡电路模块。其中电池采样模块的输入端连接所述多节串联可充电电池，输出端连接 第一平衡控制模块的输入端和第二平衡控制模块输入端；第一平衡控制模块的输出端连接 第二平衡控制模块输入端和逻辑控制模块的输入端；第二平衡控制模块的输出端连接逻辑 控制模块的输入端；逻辑控制模块的输出端连接平衡电路模块的输入端。进一步地，所述电池采样模块包括多个开关和一减法器，所述开关的数目是可充 电电池数目的两倍，每一节电池的两端分别通过相应的开关与减法器的两个输入端相连 接。优选地，所述开关为P型MOS管或N型MOS管。进一步地，第一平衡控制模块包括第一比较器、第二比较器、第一逻辑处理模块； 所述第一比较器的第一输入端的输入信号是第一参考电压值，第一比较器的第二输入端连 接电池采样模块的输出端，第一比较器的输出端连接第一逻辑处理模块的第一输入端；所 述第二比较器的第一输入端的输入信号是第二参考电压值，第二比较器的第二输入端连接 电池采样模块的输出端，第二比较器的输出端连接第一逻辑处理模块的第二输入端；所述 第一逻辑处理模块的输出端连接第二平衡控制模块的输入端和逻辑控制模块的第一输入 端。优选地，所述第一比较器的第一输入端为正输入端，第一比较器的第二输入端为 负输入端；所述第二比较器的第一输入端为正输入端，第二比较器的第二输入端为负输入端。进一步地，第二平衡控制模块包括第三比较器、第四比较器、第二逻辑处理模块； 所述第三比较器的第一输入端的输入信号是第三参考电压值，第三比较器的第二输入端连 接电池采样模块的输出端，第三比较器的输出端连接第二逻辑处理模块的第一输入端；所 述第四比较器的第一输入端的输入信号是第四参考电压值，第四比较器的第二输入端连接 电池采样模块的输出端，第四比较器的输出端连接第二逻辑处理模块的第二输入端；所述 第二逻辑处理模块的输出端连接逻辑控制模块的第二输入端。优选地，第三比较器的第一输入端为正输入端，第三比较器的第二输入端为负输 入端；所述第四比较器的第一输入端为正输入端，第四比较器的第二输入端为负输入端。进一步地，所述平衡电路模块包括多个开关，所述多个开关与可充电电池的数目 相等，其中每一开关与相应的可充电电池并联。优选地，所述开关为P型MOS管或N型MOS管。 本实用新型提供的多节串联可充电电池电压平衡电路，通过电池采样模块依次采 集到各电池的电压，经过第一平衡控制模块和第二平衡控制模块，从而得到各节电池与第 一参考电压值、第二参考电压值、第三参考电压值、第四参考电压值的比较结果，并判断电 池是否处于预设区域和正常工作电压的范围内，由此决定是否启动平衡电路模块；这样经 过两个平衡控制模块解决了现有技术中平衡误启动的问题。
图1是现有技术提供的双节电池平衡电路图；图2是本实用新型实施例提供的多节串联可充电电池电压平衡电路原理框图；图3是本实用新型实施例提供的多节串联可充电电池电压平衡电路示意图；图4是本实用新型实施例提供的多节串联可充电电池与电池采样模块连接的示 意图；图5是本实用新型实施例提供的电池电压是否处于预设区域的划分示意图；图6是本实用新型实施例提供的电池电压是否处于正常工作区域的划分示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下 结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施 例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。图2是本实用新型实施例提供的多节串联可充电电池电压平衡电路原理框图；包 括用于采集电池电压的电池采样模块2、判断电池电压是否处于预设区域的第一平衡控 制模块3、判断电池电压是否处于正常工作区的第二平衡控制模块4、逻辑控制模块5 ；用于 可充电电池在电压平衡过程中充放电电流的平衡电路模块6。其中电池采样模块2的输入 端连接所述多节串联可充电电池1，输出端连接第一平衡控制模块3的输入端和第二平衡 控制模块4输入端；第一平衡控制模块3的输出端连接第二平衡控制模块4的输入端和逻 辑控制模块5的输入端；第二平衡控制模块4的输出端连接逻辑控制模块5的输入端；逻辑 控制模块5的输出端连接平衡电路模块6的输入端，逻辑控制模块5的两个输入端进行与 非运算。图3是本实用新型实施例提供的多节串联可充电电池电压平衡电路示意图；图中 所示电池采样模块2依次采集多节可充电电池的电压，并将每一节电池电压依次送至第一 平衡控制模块3。图4是本实用新型实施例提供的多节串联可充电电池与电池采样模块连 接的示意图；电池采样模块2包括多个开关和一减法器，所述开关的数目是可充电电池数 目的两倍，每一节电池的两端分别通过相应的开关与减法器的两个输入端相连接；图4中 以四节电池为例说明采样原理电池Celll两端分别通过开关201和开关202与减法器22 连接，开关201和开关202的控制信号均为Al ；电池Cell2两端分别通过开关203和开关 204与减法器22连接，开关203和开关204的控制信号均为A2 ；电池Cell3两端分别通过开 关205和开关206与减法器22连接，开关205和开关206的控制信号均为A3 ；电池Cel 14 两端分别通过开关207和开关208与减法器22连接，开关207和开关208的控制信号均为 A4。四个控制信号依次有效，即Al有效时其他均无效，减法器22两输入端的电压是Celll 的电压Vl和零，此时减法器22的输出为Cel 11的电压Vl ；A2有效时其他均无效，减法器22 一个输入端的电压是Celll的电压VI，另一个输入端的电压是Celll与Cell2串联后的电 压V2，此时减法器22的输出为Cell2的电压(V2-V1)；同理，A3有效时减法器22的输出为 Cell3的电压(V3-V2) ；A4有效时减法器22的输出为Cell4的电压(V4-V3)。由此依次得 到了各节电池的电压值。其中开关可以是P型MOS管或N型MOS管。[0031]图3中第一平衡控制模块包括第一比较器31、第二比较器32、第一逻辑处理模块 33 ；所述第一比较器31的第一输入端的输入信号是第一参考电压值，第一比较器31的第二 输入端连接电池采样模块2的输出端，第一比较器31的输出端连接第一逻辑处理模块33 的第一输入端；其中第二比较器32的第一输入端的输入信号是第二参考电压值，第二比较 器32的第二输入端连接电池采样模块2的输出端，第二比较器32的输出端连接第一逻辑 处理模块33的第二输入端；所述第一逻辑处理模块33的输出端连接第二平衡控制模块4 的输入端和逻辑控制模块5的第一输入端。其中第一比较器31的第一输入端为正输入端， 第一比较器31的第二输入端为负输入端；第二比较器32的第一输入端为正输入端，第二比 较器32的第二输入端为负输入端。第二参考电压值Vref2与第一参考电压值Vrefl的差 值是第一预设参考电压值。工作原理如下通过电池采样模块2采集到的每一节电池电压与第一参考电压值 Vrefl和第二参考电压值Vref2比较，比较的结果存入第一逻辑处理模块33并进行处理，当 处理结果是有两节电池电压的差值大于第一预设参考电压值时，第一平衡控制模块3输出 平衡电路第一启动信号35。第一节电池电压分别通过第一比较器31和第二比较器32与第 一参考电压值Vrefl和第二参考电压值Vref2进行比较若第一节电池电压小于第一参考 电压值Vrefl，则第一比较器31输出高电平，否则输出低电平；若第一节电池电压小于第二 参考电压值Vref2，则第二比较器32输出高电平，否则输出低电平；此结果输出至第一逻辑 处理模块33中进行逻辑处理。依次比较第二节电池电压，第三节电池电压等。通过上述电 路的处理可以将电池电压分为三个区域，如图5所示；第一逻辑处理模块33中进行逻辑处 理的详细信息如下表1所示
电池电压第一比较器第二比较器电池电压所处区域电池电压《Ξ Vrefl11AVrefl <电池电压 si Vref 201B电池电压> Vref 200C表 1上表设定第一参考电压值Vrefl小于第二参考电压值Vref2 ；由表1可得当电池 电压小于等于第一参考电压值Vrefl时，设定电池电压所处区域为A区；当电池电压大于第 一参考电压值Vrefl并且小于等于第二参考电压值Vref2时，设定电池电压所处区域为B 区；当电池电压大于第二参考电压值Vref 2时，设定电池电压所处区域为C区。各节电池电 压依次通过电池采样模块2和第一平衡控制模块3，则可得到各节电池电压所处的电压区 域。当且仅当同时有电池电压处在A和C区域时，通过第一逻辑处理模块33将各节电池电 压所处的电压区域的逻辑结果综合判断，输出平衡电路第一启动信号35有效，例如为高电 平。图3中第二平衡控制模块4包括第三比较器43、第四比较器44、第二逻辑处理 模块42 ；其中第三比较器43的第一输入端的输入信号是第三参考电压值Vref3，第三比较 器43的第二输入端连接电池采样模块2的输出端，第三比较器43的输出端连接第二逻辑 处理模块42的第一输入端；其中第四比较器44的第一输入端的输入信号是第四参考电压 值Vref4，第四比较器44的第二输入端连接电池采样模块2的输出端，第四比较器44的输 出端连接第二逻辑处理模块42的第二输入端；第二逻辑处理模块42的第三输入端连接所
7述第一逻辑处理模块33的输出信号——平衡电路第一启动信号35 ；所述第二逻辑处理模 块42的输出端连接逻辑控制模块5的第二输入端。其中第三参考电压值Vref3是电池正 常工作的最低电压，第四参考电压值Vref4是电池正常工作的最高电压；由此可得出电池 正常工作和非正常工作的电压区域；如图6所示，E区为电池正常工作的区域；D区和F区 为电池非正常工作的区域。工作原理如下通过电池采样模块2采集到的每一节电池电压与第三参考电压值 Vref3和第四参考电压值Vref4比较，比较的结果存入第二逻辑处理模块42并进行处理，当 处理结果是有不同节电池电压分别处于正常工作区域和非正常工作区域时，第二平衡控制 模块4输出平衡电路第二启动信号45。第一节电池电压分别通过第三比较器43和第四比 较器44与第三参考电压值Vref 3和第四参考电压值Vref4进行比较若第一节电池电压小 于第三参考电压值Vref3，则第三比较器31输出高电平，否则输出低电平；若第一节电池电 压小于第四参考电压值Vref4，则第四比较器44输出高电平，否则输出低电平；此结果输出 至第二逻辑处理模块42中进行逻辑处理。依次比较第二节电池电压，第三节电池电压等。 第二逻辑处理模块42中进行逻辑处理的详细信息如下表2所示 表 2由表2可得当电池电压小于等于第三参考电压值Vref3时，设定电池电压所处区 域为D区；当电池电压大于第三参考电压值Vref3并且小于等于第四参考电压值Vref4时， 设定电池电压所处区域为E区；当电池电压大于第四参考电压值Vref4时，设定电池电压所 处区域为F区。各节电池电压依次通过电池采样模块2和第二平衡控制模块4，则可得到各 节电池电压所处的电压区域正常工作区域或非正常工作区域。当电池电压处在D、E、F的 不同区域，通过第二逻辑处理模块42将各节电池电压所处的电压区域的逻辑结果综合判 断，输出多个平衡电路第二启动信号45有效，例如为高电平；此多个平衡电路第二启动信 号45的数目与多节串联电池的数目相同，每一节电池对应一个平衡电路第二启动信号45。平衡电路第一启动信号35和多个平衡电路第二启动信号45经过逻辑控制模块5 处理后得到平衡电路模块6的控制信号。逻辑控制模块5中为多个两输入与非门，与非门的 数目与多节电池的数目相等，两输入与非门的输入信号分别是第一启动信号35和平衡电 路第二启动信号45 ；为了电平上的匹配，在各与非门的输出端还可以增加电平移位模块， 电平移位模块的数目与与非门的数目相等；各电平移位模块的输出端分别与平衡电路模块 6的输入端连接；其中平衡电路模块包括多个开关，所述多个开关与可充电电池的数目相 等，其中每一开关与相应的可充电电池并联；即各电平移位模块的输出端分别与平衡电路 模块6中开关的控制信号连接。其中开关为P型MOS管，当第一启动信号35和平衡电路第 二启动信号45均有效为高电平时，经逻辑控制模块5逻辑处理后输出低电平，此低电平信 号作为平衡模块中开关的控制信号，将需要平衡的电池对应的开关开启进行电压平衡。这 样经过两个平衡控制模块解决了现有技术中平衡误启动的问题。以上仅为其中一实施例，上述开关也可以是N型MOS管，第一逻辑处理模块33和第二逻辑处理模块42中逻辑处理也可以是其他逻辑处理，只要能够保证平衡电路第一启 动信号35和平衡电路第二启动信号45有效时相应需要平衡的电池并联的开关为闭合使其 平衡有效即可。 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
权利要求一种多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于该多节串联可充电电池电压平衡电路包括用于采集电池电压的电池采样模块；判断电池电压是否处于预设区域的第一平衡控制模块；判断电池电压是否处于正常工作区的第二平衡控制模块；逻辑控制模块；用于可充电电池在电压平衡过程中充放电电流的平衡电路模块；所述电池采样模块的输入端连接所述多节串联可充电电池，输出端连接第一平衡控制模块的输入端和第二平衡控制模块输入端；第一平衡控制模块的输出端连接第二平衡控制模块输入端和逻辑控制模块的输入端；第二平衡控制模块的输出端连接逻辑控制模块的输入端；逻辑控制模块的输出端连接平衡电路模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于所述电池 采样模块包括多个开关和一减法器，所述开关的数目是可充电电池数目的两倍，每一节电 池的两端分别通过相应的开关与减法器的两个输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于所述开关 为P型M0S管或N型M0S管。
4.根据权利要求1所述的多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于所述第一 平衡控制模块包括第一比较器、第二比较器、第一逻辑处理模块；所述第一比较器的第一 输入端的输入信号是第一参考电压值，第一比较器的第二输入端连接电池采样模块的输出 端，第一比较器的输出端连接第一逻辑处理模块的第一输入端；所述第二比较器的第一输 入端的输入信号是第二参考电压值，第二比较器的第二输入端连接电池采样模块的输出 端，第二比较器的输出端连接第一逻辑处理模块的第二输入端；所述第一逻辑处理模块的 输出端连接第二平衡控制模块输入端和逻辑控制模块的第一输入端。
5.根据权利要求4所述的多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于所述第一 比较器的第一输入端为正输入端，第一比较器的第二输入端为负输入端；所述第二比较器 的第一输入端为正输入端，第二比较器的第二输入端为负输入端。
6.根据权利要求1所述的多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于所述第二 平衡控制模块包括第三比较器、第四比较器、第二逻辑处理模块；所述第三比较器的第一 输入端的输入信号是第三参考电压值，第三比较器的第二输入端连接电池采样模块的输出 端，第三比较器的输出端连接第二逻辑处理模块的第一输入端；所述第四比较器的第一输 入端的输入信号是第四参考电压值，第四比较器的第二输入端连接电池采样模块的输出 端，第四比较器的输出端连接第二逻辑处理模块的第二输入端；所述第二逻辑处理模块的 输出端连接逻辑控制模块的第二输入端。
7.根据权利要求6所述的多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于所述第三 比较器的第一输入端为正输入端，第三比较器的第二输入端为负输入端；所述第四比较器 的第一输入端为正输入端，第四比较器的第二输入端为负输入端。
8.根据权利要求1所述的多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于所述平衡 电路模块包括多个开关，所述多个开关与可充电电池的数目相等，其中每一开关与相应的 可充电电池并联。
9.根据权利要求7所述的多节串联可充电电池电压平衡电路，其特征在于所述开关 为P型M0S管或N型M0S管。
专利摘要本实用新型提供了一种多节串联可充电电池电压平衡电路，包括用于采集电池电压的电池采样模块；判断电池电压是否处于预设区域的第一平衡控制模块；判断电池电压是否处于正常工作区的第二平衡控制模块；逻辑控制模块；用于可充电电池在电压平衡过程中充放电电流的平衡电路模块。本实用新型通过两个平衡控制模块判断电池是否处于预设区域和正常工作电压的范围内，由此决定是否启动平衡电路模块。这样经过两个平衡控制模块解决了现有技术中平衡误启动的问题。
文档编号H02J7/00GK201639315SQ200920206198
公开日2010年11月17日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者吴正栋, 周军, 王文柳, 白青刚 申请人:比亚迪股份有限公司