电池保护均衡器及电池电压均衡方法与流程

本发明涉及电子技术领域，具体而言，涉及一种电池保护均衡器及电池电压均衡方法。

背景技术：

在新能源技术日新月异发展的同时，电池管理技术显得尤为重要。各种电器设备都离不开电源，只要是电器，要么用交流电，要么用电池，现在的电器设备用电池的越来越趋于主流，就连家用的电器也越来越趋于用电池来供电，如各种家用便携电器。而可移动的电器设备就必须使用电池供电。不管使用什么样的电池都会有电池组合使用的问题。

如电单车，几乎是每个百姓家里的必备的，其电池往往在使用三五个月后就大不如前了。究其根本原因，就是电池出现不均衡的情况，电池的特性不可能每个指标都完全一致，使用久了，其不均衡程度逐渐加大，最后表现出整组电池性能下降，甚至无法使用。更为严重的是，因为电池组中某个电池越来越不堪重负而性能急剧下隆，在充电或放电中引起燃烧或爆炸等严重事故，造成大的经济损失或伤害事故。

因而现有技术已越来越不能满足新的应用。国外的电池再好也会在使用中出现不均衡，且成本成数倍增加。可以说任何电池只要组合使用就必然有均衡问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电池保护均衡器及电池电压均衡方法，解决了电池电压不均衡、电池组的性能下降的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种电池保护均衡器，用于防止电池组过充过放，所述电池组包括多个电池，所述电池保护均衡器包括：电流检测电路、电压检测电路、多个均衡电路以及单片机，所述电流检测电路、电压检测电路均与所述多个电池电连接，所述电流检测电路、电压检测电路均与所述单片机电连接，所述单片机与所述多个均衡电路电连接，每两个相邻的所述电池之间连接有所述均衡电路，所述电流检测电路包括运算放大器；所述电流检测电路采集所述运算放大器输出的电流信号；所述电压检测电路采集所述电池及所述电池组的电压信号；所述单片机在运行时打开所述运算放大器供电，在所述电池的电压信号大小属于第一阈值时，计算所述电池的电压信号与所述电池组的电压信号的比值，当该比值超出第二阈值、且所述运算放大器输出的电流信号大小属于第三阈值时，输出驱动信号至所述均衡电路；当所述比值超出第二阈值、且所述运算放大器输出的电流信号大小超出第三阈值时，定时扫描所述运算放大器输出的电流信号、所述电池的电压信号以及所述电池组的电压信号；所述均衡电路依据所述驱动信号控制所述电池的电压。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电池电压均衡方法，所述电池电压均衡方法包括：所述单片机在运行时打开所述运算放大器供电；所述电流检测电路采集所述运算放大器输出的电流信号；所述电压检测电路采集所述电池及所述电池组的电压信号；所述单片机在所述电池的电压信号大小属于第一阈值时，计算所述电池的电压信号与所述电池组的电压信号的比值，当该比值超出第二阈值、且所述运算放大器输出的电流信号大小属于第三阈值时，所述单片机输出驱动信号至所述均衡电路；所述均衡电路依据所述驱动信号控制所述电池的电压；当所述比值超出第二阈值、且所述运算放大器输出的电流信号大小超出第三阈值时，所述单片机定时扫描所述运算放大器输出的电流信号、所述电池的电压信号以及所述电池组的电压信号。

本发明实施例提供一种电池保护均衡器及电池电压均衡方法，利用单片机输出驱动信号和利用单片机定时器实现带死区时间多驱动信号输出，通过MOS管驱动，完成各级驱动不共地问题，对电压检测和比较以减少处理器的处理时间，对充电放电检测以简化电路进一步降低成本，实现了电池组各电池之间的电荷转移，最终实现电池电压均衡。

为使本发明的上述目的、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发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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示出了本发明实施例提供的电池保护均衡器与电池组连接的示意图。

图2示出了本发明实施例提供的电流检测电路的电路图。

图3示出了本发明实施例提供的电压检测电路的电路图。

图4示出了本发明实施例提供的单片机的电路图。

图5示出了本发明实施例提供的均衡电路的电路图。

图6示出了本发明实施例的电池电压均衡方法。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

请参阅图1，示出了本发明实施例提供的电池保护均衡器100与电池组200连接的示意图。电池保护均衡器100用于防止电池组200过充过放，电池组200包括多个电池，本实施例中，电池的数量为6个(BT1～BT6)，在其他实施例中，电池的数量不限，可以多于或少于6个。本发明的电池保护均衡器100包括：电流检测电路110、电压检测电路120、单片机130以及多个均衡电路140，电流检测电路110、电压检测电路120均与多个电池BT1～BT6电连接，电流检测电路110、电压检测电路120均与单片机130电连接，单片机130与多个均衡电路140电连接，每两个相邻的电池之间连接一个均衡电路140。

请参阅图2，示出了本发明实施例提供的电流检测电路110的电路图。电流检测电路110包括第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B、第一供电开关Q5、第二供电开关Q6、第一反馈电阻R39、第二反馈电阻R32、第一输入电阻R40、第二输入电阻R35、第三输入电阻R36以及多个采样电阻R13、R41、R42、R43。第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B的输出端均与单片机130电连接，第一运算放大器U3A的负电源端与第二运算放大器U3B的负电源端电连接，第一运算放大器U3A的负电源端依次与第一供电开关Q5、第二供电开关Q6电连接，第一反馈电阻R39电连接于第一运算放大器U3A的反相输入端与输出端之间，第二反馈电阻R32电连接于第二运算放大器U3B的反相输入端与输出端之间，第一输入电阻R40的一端连接于第一反馈电阻R39与第一运算放大器U3A的反相输入端之间，另一端接地，第二输入电阻R35、第三输入电阻R36的一端分别连接第二运算放大器U3B的反相输入端与同相输入端，另一端接地。多个采样电阻R13、R41、R42、R43并联之后的一端与电池BT1的负极连接、另一端接地，电池BT1的正极电连接于第一供电开关Q5与第二供电开关Q6之间。需要说明的是，图2示出的电池以电池BT1为例，电池BT1可以作为电池保护均衡器100的供电电池以为电池保护均衡器100进行供电。在其他实施例中，也可以电池组200中的任一电池为例，电流检测电路110可以与电池组200中的任一电池构成的电路，以检测该电路中第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B的输出端输出的电流信号。

请参阅图3，示出了本发明实施例提供的电压检测电路120的电路图。电压检测电路120包括第一分压电阻R5、第二分压电阻R3、第三分压电阻R4、第四分压电阻R1，电池BT1依次与第一分压电阻R5、第二分压电阻R3串联后接地，电池组依次与第三分压电阻R4、第四分压电阻R1串联后接地，单片机130的输入引脚VBAT_DET连接于第一分压电阻R5、第二分压电阻R3之间，输入引脚VBAT6_DET连接于第三分压电阻R4、第四分压电阻R1之间。需要说明的是，图3示出的电池以电池BT1为例，测量出电池BT1的电压信号以及整个电池组的电压信号，便于计算电池BT1的电压信号和整个电池组的电压信号的比值。在其他实施例中，也可以电池组200中的任一电池为例，电压检测电路120可以检测电池组200中的任一电池的电压信号，以计算该电池的电压信号和整个电池组的电压信号的比值。根据该比值，可以确定是否需要启动均衡电路对电池组200进行电压均衡。本发明实施例通过对电压检测和比较以减少处理器的处理时间。

请参阅图4，示出了本发明实施例提供的单片机130的电路图。单片机130包括引脚VBAT_DET、VBAT6_DET、CHG_DET_OUT、DISCHG_DET_OUT、CRSS_SWH、CRSS_SWL。引脚VBAT_DET、VBAT6_DET用于读取电压检测电路120采集的电压，引脚CHG_DET_OUT、DISCHG_DET_OUT用于读取电流检测电路110输出的电流，引脚CRSS_SWH、CRSS_SWL用于输出驱动信号至均衡电路140。

请参阅图5，示出了本发明实施例提供的均衡电路140的电路图。均衡电路140包括PMOS管、NMOS管、第一三极管Q7、第二三极管Q11、第三三极管Q15、第一电阻R2、第二电阻R21、第三电阻R15、第四电阻R17，PMOS管的栅极电连接于第一电阻R2与第二电阻R21之间，PMOS管的源极与电池组中的电池BT4电连接，PMOS管的漏极与NMOS管的漏极电连接，NMOS管的栅极与第三三极管Q15的集电极电连接，NMOS管的源极与栅极之间电连接有电阻R10，第一三极管Q7的集电极与第二电阻R21的一端电连接，第一三极管Q7的发射极接地，第一三极管Q7的基极通过第一下拉电阻R69接地，第三三极管Q15的发射极与电池组200中的电池BT4电连接，第三三极管Q15的基极电连接于第三电阻R15与第四电阻R17之间，第二三极管Q11的集电极与第三电阻R15的一端电连接，第二三极管Q11的发射极接地，第二三极管Q11的基极通过第二下拉电阻R68接地。本发明实施例通过MOS管驱动，完成各级驱动不共地问题。

本发明实施例的工作原理如下：以电池BT1为例，单片机130在运行时打开第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B供电，以检测是否有电流流过采样电阻R13、R41、R42、R43。当第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B供电一段时间，单片机130会去读第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B的第1、7脚输出电流信号的大小。单片机130在电池BT1的电压信号大小属于第一阈值(第一阈值可以为电池BT1的充电上限与充电下限之间的范围)时，计算电池BT1的电压信号与整个电池组200的电压信号的比值，当该比值超出第二阈值(第二阈值可以为电池BT1的转换界线)时，如果第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B输出的电流信号大小超出第三阈值(第三阈值可以是电池BT1正常充放电的电流值，本实施例中为20mA左右)就认为没有电流流过采样电阻R13、R41、R42、R43，即没有充电或放电，然后将关闭第一供电开关Q5一段时间，待下一个周期再打开。反之，当第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B输出的电流信号大小属于第三阈值时，将第一供电开关Q5保持为开启状态，直到采样电阻R13、R41、R42、R43上的电流消失。这样做既可省电，又可随时检测电路状态。当发现电池电量不均便可即时进行电池之间的均衡操作。当第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B输出的电流信号大小属于第三阈值时，单片机130输出驱动信号至均衡电路140，均衡电路140依据驱动信号控制电池BT1的电压。当比值超出第二阈值，且第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B输出的电流信号大小超出第三阈值时，单片机130定时扫描第一运算放大器U3A和第二运算放大器U3B输出的电流信号、电池BT1的电压信号以及电池组200的电压信号。当根据电压、电流信号确定电池组中的电压不均衡时，再进行上述的电压均衡动作。

第二实施例

请参阅图6，示出了本发明使用实施例一中的电池保护均衡器100的电池电压均衡方法，该方法包括：

步骤S1，单片机130在运行时打开第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B供电。

步骤S2，电流检测电路110采集第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B输出的电流信号。

步骤S3，电压检测电路120采集电池BT1～BT6及电池组200的电压信号。

在本发明实施例中，请参阅图3，以电池BT1为例，电池BT1可以作为给整个电路供电的供电电池，电压检测电路120分别采样电池BT1的电压以及电池组200的电压。经计算，电池BT1取1/4电压，电池组200整组供电取1/31是比较好的方式。VBAT_DET的采样值在0-1023之间，换算成电压在0-13.2V之间。VBAT6的检测是其模数转换器(ADC，Analog-to-Digital Converter)读出值的31倍，经计算，刚好ADC的值每一份代表0.1V，即ADC值为100就是10V，1000就是100V，以便于单片机130中软件的计算处理。均衡电路140在运行后最终达电压均衡，单个电池的电压其实就是总电压除以电池个数。在单片机130软件处理时读出ADC的值进行比较，取其比值便知其电压是否均衡。

步骤S4，单片机130在电池BT1～BT6的电压信号大小属于第一阈值时，计算电池BT1～BT6的电压信号与电池组200的电压信号的比值。第一阈值可以是电池组中的任一电池BT1～BT6的充电上限与充电下限之间的范围。

步骤S5，当该比值超出第二阈值，且第一运算放大器U3A、第二运算放大器U3B输出的电流信号大小属于第三阈值时，单片机130输出驱动信号至均衡电路140。

步骤S6，均衡电路140依据驱动信号控制电池BT1～BT6的电压；均衡电路140依据驱动信号控制电池BT1～BT6的电压包括：驱动信号驱动第一三极管Q7和第二三极管Q11导通或截止。

步骤S7，当比值超出第二阈值，且第一运算放大器、第二运算放大器输出的电流信号大小超出第三阈值时，单片机130定时扫描第一运算放大器、第二运算放大器输出的电流信号、电池BT1～BT6的电压信号以及电池组200的电压信号。

在本发明实施例中，单片机130运用了软件定时器。程序中既有定时功能，如毫秒定时ms_count、秒定时second，又可以同时实现预设的两个信号的状态翻转，两信号之间通过巧妙的状态变化设计，使各自输出一个死区时间，这个死区时间更为巧妙的是进入中断和退出中断直入不同的流程而产生，单独程序代码很难理解这个死区时间，其为隐含功能，同时各自的脉冲宽度也可以调整，通过改变定时时间的值便可实现。这里并未用到硬件PWM调制功能，而是通过软件时序实现。而芯片的硬件PWM调制输出作为更为精细的电流电压调整用。

该软件定时器还可驱动LED状态指示，只需在主程序中更改对应的变量值可实现多种状态的变化需求，而并不增加繁琐的代码和浪费更多的时序。在驱动信号的输出上还增加了一个开关变量作为驱动信号的起动项，使程序应用更为灵活。

本发明的单片机程序可以实现各种状态的功耗管理和电压比值判定是否启动均衡电路工作。其中巧妙地应用P2口的模式设置寄存器来记录睡眠次数，因为单片机深度睡眠后其RAM是断电的，所有变量都将在睡眠中失去应有的值，只有特殊功能寄存器(SFR，special function register)会保持其睡眠前的值，在这个电路选用的单片机没有P2口，但有P2口的模式寄存器，所以用这两个寄存器来记录睡眠状态是非常巧妙的。从而避免为记录睡眠前的状态而反复去擦写芯片ROM这种很不划算的做法。

本发明提供的一种电池保护均衡器及电池电压均衡方法，利用单片机输出驱动信号和利用单片机定时器实现带死区时间多驱动信号输出，通过MOS管驱动，完成各级驱动不共地问题，对电压检测和比较以减少处理器的处理时间，对充电放电检测以简化电路进一步降低成本，实现了电池组各电池之间的电荷转移，最终实现电池电压均衡。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。