一种储能系统的充电均衡电路的制作方法

本发明涉及均衡领域，特别是涉及一种储能系统的充电均衡电路。

背景技术：

电动汽车的动力电池的性能在很大程度上决定了电动车的性能，目前电动汽车的动力电池一般由多节单体电池串联而成，由于单体电池本身化学性质存在差异，在对单体电池进行多次的充放电后，单体电池间的不一致性就会明显的体现出来。例如，其容量会产生差异，而串联电池组的容量是由单体电池的最小容量决定，因而这些差异会缩短电池组的使用寿命，为了降低这种单体电池的不一致性对电池组的影响，在实际的充放电电路中，均会在电路中加入均衡电路。

现有技术中，对单体电池的均衡方法为两种，被动均衡和主动均衡，被动均衡的优势在于电路的组成元器件较少，成本便宜，但缺陷在于电能会转换为热能散发，虽然节省了成本，但消耗了多余的能量；主动均衡的优势在于能量转移，将能量高的单体电池多余的能量转移到能量低的单体电池中，不损耗多余的能量，但缺陷在于，主动均衡的电路较为复杂，成本高。

在传统的被动均衡电路中，存在两个缺陷。第一，固定被动均衡基准电压值，当某个单体电池的电压大于基准电压值时，就对单体电池进行均衡，当只有某个单体电池存在问题时，但电池组的一致性情况还是良好时，对出问题的单体电池进行均衡会消耗无效的能量，对电池组的一致性的改进并不明显。第二，被动均衡电路一直处于供电状态，并不是在需要对单体电池进行被动均衡时才对被动均衡电路供电，即在不需要对单体电池进行被动均衡时还需对被动均衡电路供电，这就容易造成电能的多余消耗。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种储能系统的充电均衡电路。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种储能系统的充电均衡电路，包括若干单体电池，每一所述单体电池与其对应的被动均衡模块连接；

所述被动均衡模块包括供电单元、电压检测单元、电压变换单元、电压比较单元和被动均衡单元，所述供电单元的第一输入端与所述单体电池的正极连接，所述供电单元的第二输入端与所述单体电池的负极连接，所述供电单元的第一输出端分别与所述电压检测单元、所述电压变换单元、所述电压比较单元和所述被动均衡单元连接；

所述电压检测单元的第一输入端与所述单体电池的正极连接，所述电压检测单元的第二输入端与所述单体电池的负极连接，所述电压检测单元的输出端与所述电压变换单元的输入端连接；

所述电压变换单元的输出端与基准电压线连接；

所述电压比较单元的第一输入端与基准电压线连接，所述电压比较单元的第二输入端与所述电压变换单元连接；

所述电压比较单元的输出端与所述被动均衡单元的输入端连接，所述被动均衡单元的第一输出端与所述单体电芯的正极连接，所述被动均衡单元的第二输出端与所述单体电芯的负极连接。

在其中一个实施例中，所述供电单元包括电压检测控制芯片、隔离电源芯片、第一电容、第一电阻、第二电阻和第一mos管，所述电压检测控制芯片的电源端作为所述供电单元的第一输入端，所述电压检测控制芯片的接地端作为所述供电单元的第二输入端，所述隔离电源芯片的第一输出端作为所述供电单元的第一输出端；

所述第一电容的一端与所述电压检测控制芯片的延时端连接，另一端与所述电压检测控制芯片的接地端连接；

所述第一mos管的栅极分别与所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端连接，所述第一mos管的源极分别与所述第二电阻的另一端和所述电压检测控制芯片的接地端连接；

所述第一电阻的另一端与所述电压检测控制芯片的输出端连接；

所述隔离电源芯片的第一输入端与所述电压检测控制芯片的电源端连接，所述隔离电源芯片的第二输入端与所述第一mos管的漏极连接，所述隔离电源芯片第二输出端接地。

在其中一个实施例中，所述供电单元还包括第二电容，所述第二电容的一端与所述电压检测控制芯片的电源端连接，另一端与所述电压检测控制芯片的接地端连接。

在其中一个实施例中，所述供电单元还包括第三电容，所述第三电容的一端与所述隔离电源芯片的第一输出端连接，另一端与所述隔离电源芯片的第二输出端连接。

在其中一个实施例中，所述供电单元还包括第一极性电容，所述第一极性电容并联于所述第三电容。

在其中一个实施例中，所述电压检测单元包括第一运算放大器、第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的一端作为所述电压检测单元的第一输入端，所述第四电阻的一端作为所述电压检测单元的第二输入端，所述第一运算放大器的输出端作为所述电压检测单元的输出端；

所述第一运算放大器的同相输入端与所述第三电阻的另一端连接，反相输入端与所述第四电阻的另一端连接；

所述第一运算放大器的电源端与所述隔离电源芯片的第一输出端连接，所述第一运算放大器的接地端接地。

在其中一个实施例中，所述电压变换单元包括第二运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻，所述第五电阻的一端作为所述电压变换单元的输入端，所述第七电阻的一端作为所述电压变换单元的输出端；

所述第二运算放大器的正相输入端与所述第五电阻的另一端连接，反相输入端串联所述第六电阻连接于地；

所述第二运算放大器的输出端与所述第七电阻的另一端连接；

所述第三运算放大器的电源端与所述供电单元的第一输出端连接，所述第三运算放大器的接地端接地；

所述第八电阻的一端与所述第二运算放大器的反相输入端连接，另一端与所述第二运算放大器的输出端连接。

在其中一个实施例中，所述电压比较单元包括第三运算放大器、第九电阻、第十电阻和第十一电阻，所述第十一电阻的一端作为所述电压比较单元的输入端，所述第九电阻的一端作为所述电压比较单元的第二输入端，所述第三运算放大器的输出端作为所述电压比较单元的输出端；

所述第九电阻r9的一端分别与所述第七电阻r7的一端和所述第八电阻r8的一端连接；

所述第三运算放大器的反相输入端与所述第十一电阻的另一端连接，所述第三运算放大器的正相输入端分别与第九电阻r的另一端和第十电阻的一端连接；

所述第三运算放大器的输出端与所述第十电阻的另一端连接。。

在其中一个实施例中，所述被动均衡单元包括第一光电耦合器、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻和第二mos管，所述第十二电阻的一端作为所述被动均衡单元的输入端，所述第十五电阻的一端作为所述被动均衡单元的第一输出端，所述第二mos管的源极作为所述被动均衡单元的第二输出端；

所述第一光电耦合器中的发光二极管的阳极与所述第十二电阻的另一端连接，所述第一光电耦合器中的发光二极管的阴极接地；

所述第一光电耦合器中的光电三极管的集电极串联所述第十三电阻与所述第十五电阻的一端连接，所述第一光电耦合器中的光电三极管的发射极分别于所述第二mos管的栅极和所述第十四电阻的一端连接；

所述第十四电阻的另一端与所述第二mos管的源极连接；

所述第二mos管的漏极与所述第十五电阻的另一端连接。

本次技术方案相比于现有技术有以下有益效果：

1.不固定被动均衡基准电压值vbase，根据单体电池的使用条件、使用情况和使用环境，在基准电压线自动均压产生基准电压值vbase，基准电压值vbase围绕着电池组内所有单体电池的平均电压小幅度波动，使得被动均衡后各单体电池的一致性更加良好。

2.设置供电单元，在供电单元判定单体电池满足均衡条件时，供电单元的第一输出端输出供电电压，启动相应单元进行被动均衡工作；在单体电池不满足均衡条件时，供电单元的第一输出端不输出供电电压，不启动相应单元进行被动均衡工作，不损耗多余能量，在需要进行被动均衡工作才启动相应单元进行被动均衡，节省能耗。

附图说明

图1为本实施例中的储能系统的充电均衡电路的结构示意图；

图2为本实施例中的储能系统的充电均衡电路的原理图；

图3为本实施例中的基准电压值vbase的产生电路原理图；

图4为本实施例中的自动均压前△vn的离散分布图；

图5为本实施例中的自动均压后△vn的离散分布图；

图6为本实施例中的变换后单体电池电压g*vn与基准电压值vbase的趋近走势图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示为储能系统的充电均衡电路结构示意图，请一并结合参照图2，包括若干单体电池，每一所述单体电池与其对应的被动均衡模块连接；

所述被动均衡模块包括供电单元100、电压检测单元200、电压变换单元300、电压比较单元400和被动均衡单元500，所述供电单元100的第一输入端与所述单体电池的正极连接，所述供电单元100的第二输入端与所述单体电池的负极连接，所述供电单元100的第一输出端分别与所述电压检测单元200、所述电压变换单元300、所述电压比较单元400和所述被动均衡单元500连接；

所述电压检测单元200的第一输入端与所述单体电池的正极连接，所述电压检测单元200的第二输入端与所述单体电池的负极连接，所述电压检测单元200的输出端与所述电压变换单元300的输入端连接；

所述电压变换单元300的输出端与基准电压线连接；

所述电压比较单元400的第一输入端与基准电压线连接，所述电压比较单元400的第二输入端与所述电压变换单元300连接；

所述电压比较单元400的输出端与所述被动均衡单元500的输入端连接，所述被动均衡单元500的第一输出端与所述单体电芯的正极连接，所述被动均衡单元500的第二输出端与所述单体电芯的负极连接。

具体地，所述供电单元100包括电压检测控制芯片u1、隔离电源芯片u2、第一电容c1、第一电阻r1、第二电阻r2和第一mos管q1，所述电压检测控制芯片u1的电源端作为所述供电单元100的第一输入端，所述电压检测控制芯片u1的接地端作为所述供电单元100的第二输入端，所述隔离电源芯片u2的第一输出端作为所述供电单元100的第一输出端；

所述第一电容c1的一端与所述电压检测控制芯片u1的延时端连接，另一端与所述电压检测控制芯片u1的接地端连接；

所述第一mos管q1的栅极分别与所述第一电阻r1的一端和所述第二电阻r2的一端连接，所述第一mos管q1的源极分别与所述第二电阻r2的另一端和所述电压检测控制芯片u1的接地端连接；

所述第一电阻r1的另一端与所述电压检测控制芯片u1的输出端连接；

所述隔离电源芯片u2的第一输入端与所述电压检测控制芯片u1的电源端连接，所述隔离电源芯片u2的第二输入端与所述第一mos管q1的漏极连接，所述隔离电源芯片u2第二输出端接地。

进一步地，所述供电单元100还包括第二电容c2，所述第二电容c2的一端与所述电压检测控制芯片u1的电源端连接，另一端与所述电压检测控制芯片u1的接地端连接。

进一步地，所述供电单元100还包括第三电容c3，所述第三电容c3的一端与所述隔离电源芯片u2的第一输出端连接，另一端与所述隔离电源芯片u2的第二输出端连接。

进一步地，所述供电单元100还包括第一极性电容k1，所述第一极性电容k1并联于所述第三电容c3。

具体地，所述电压检测单元200包括第一运算放大器u3、第三电阻r3和第四电阻r4，所述第三电阻r3的一端作为所述电压检测单元200的第一输入端，所述第四电阻r4的一端作为所述电压检测单元200的第二输入端，所述第一运算放大器u3的输出端作为所述电压检测单元200的输出端；

所述第一运算放大器u3的同相输入端与所述第三电阻r3的另一端连接，反相输入端与所述第四电阻r4的另一端连接；

所述第一运算放大器u3的电源端与所述隔离电源芯片u2的第一输出端连接，所述第一运算放大器u3的接地端接地。

具体地，所述电压变换单元300包括第二运算放大器u4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7和第八电阻r8，所述第五电阻r5的一端作为所述电压变换单元300的输入端，所述第七电阻r7的一端作为所述电压变换单元300的输出端；

所述第二运算放大器u4的正相输入端与所述第五电阻r5的另一端连接，反相输入端串联所述第六电阻r6连接于地；

所述第二运算放大器u4的输出端与所述第七电阻r7的另一端连接；

所述第三运算放大器u4的电源端与所述供电单元的第一输出端连接，所述第三运算放大器u4的接地端接地；

所述第八电阻r8的一端与所述第二运算放大器u4的反相输入端连接，另一端与所述第二运算放大器u4的输出端连接。

具体地，所述电压比较单元400包括第三运算放大器u5、第九电阻r9、第十电阻r10和第十一电阻r11，所述第十一电阻r11的一端作为所述电压比较单元400的输入端，所述第九电阻r9的一端作为所述电压比较单元400的第二输入端，所述第三运算放大器u5的输出端作为所述电压比较单元400的输出端；

所述第九电阻r9的一端分别与所述第七电阻r7的一端和所述第八电阻r8的一端连接；所述第三运算放大器u5的反相输入端与所述第十一电阻r11的另一端连接，所述第三运算放大器u5的正相输入端分别与第九电阻r9的另一端和第十电阻r10的一端连接；

所述第三运算放大器u5的输出端与所述第十电阻r10的另一端连接。具体地，所述被动均衡单元500包括第一光电耦合器u6、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15和第二mos管q2，所述第十二电阻r12的一端作为所述被动均衡单元500的输入端，所述第十五电阻r15的一端作为所述被动均衡单元500的第一输出端，所述第二mos管q2的源极作为所述被动均衡单元500的第二输出端；

所述第一光电耦合器u6中的发光二极管的阳极与所述第十二电阻r12的另一端连接，所述第一光电耦合器u6中的发光二极管的阴极接地；

所述第一光电耦合器u6中的光电三极管的集电极串联所述第十三电阻r13与所述第十五电阻r15的一端连接，所述第一光电耦合器u6中的光电三极管的发射极分别于所述第二mos管q2的栅极和所述第十四电阻r14的一端连接；

所述第十四电阻r14的另一端与所述第二mos管q2的源极连接；

所述第二mos管q2的漏极与所述第十五电阻r15的另一端连接。

电路工作原理：

需要说明的是，本次技术方案公开了一种储能系统的充电均衡电路，此电路特别应用在储能系统的充电末端。

请再次参照图1和图2，供电单元100中的电压检测控制芯片u1实时检测单体电池的电压，当单体电池的电压超出预设值时，电压检测控制芯片u1的输出端输出控制信号(即图2中的电压检测控制u1的out管脚)，导通第一mos管q1，进而隔离电源芯片u2的第一输出端对外输出供电电压，为相应的单元进行供电。需要说明的是，由于电压检测单元200、电压变换单元300、电压比较单元400和被动均衡单元500均与隔离电源芯片u2的第一输出端连接，可以理解，只有当供电单元100判定单体电池需要进行被动均衡时，从隔离电源芯片u2的第一输出端输出供电电压；在供电单元100判定单体电池不需要进行被动均衡时，隔离电源芯片u2的第一输出端不输出供电电压。可以理解，只有当单体电池处于被动均衡条件下时，隔离电源芯片u2的第一输出端才输出供电电压。传统的被动均衡电路在不需要进行被动均衡时依旧处于供电状态下，消耗电能的同时却不需要进行被动均衡，损耗多余的电能。本次技术方案只有在单体电池需要进行被动均衡时，在启动相应的单元进行对单体电池进行被动均衡，在不需要进行被动均衡时，由于相应单元没有输入供电电压，无法启动工作，不损耗多余的电能，节省能耗。

在隔离电源芯片u2的第一输出端输出供电电压后，与第一输出端连接的电压检测单元200、电压变换单元300和电压比较单元400启动工作。首先，电压检测单元200检测单体电池电压输入至电压变换单元300，电压变换单元将单体电池的电压进行比例转换。具体流程为，设电压检测单元200与电压变换单元300的共同比例系数常数为g，单体电池电压为vn，则电压变换单元300的输出输出的变换单体电池电压为g*vn，电压变换单元300通过一个隔离电阻(即图2中的第五电阻r5)输入至基准电压线。由于充电末端均衡电路包含若干单体电池，与对应单体电池连接的被动均衡模块都会通过隔离电阻(即每个被动均衡模块都存在一个隔离电阻)向基准电压线输入变换后的单体电池电压g*vn，在基准电压线自动均压产生基准电压值vbase。

基准电压线产生基准电压值vbase后，向电压比较单元的输入端输入基准电压值vbase，由于电压比较单元400的正相输入端与电压变换单元300的输出端连接，电压变换单元300把变换后的单体电池电压g*vn输入至电压比较单元400。可以理解，基准电压值vbase输入至电压比较单元400的反向输入端，变换后的单体电池电压g*vn输入至电压比较单元400的正相输入端，当基准电压值vbase与变换后的单体电池电压g*vn的压差值大于电压比较单元400的触发值时，电压比较单元400的输出端输出高电平信号，导通第一光电耦合器u6中的发光二极管，进而导通第一光电耦合器u6中的光电三极管，最终使第二mos管q2导通，启动被动均衡单元500对单体电池进行被动均衡工作，被动均衡单元500通过均衡电阻(即图2中的第十五电阻r15)对单体电池完成被动均衡工作。

请结合参照图3和图4，需要强调的是，本次技术方案的基准电压值vbase是在基准电压线上自动均压产生，基准电压值vbase是浮动值，并不固定。被动均衡模块通过其隔离电阻(即图3中的r1、r2、……、rn)向基准电压线输入变换后的单体电池电压g*vn，基准电压线自动均压产生基准电压值vbase，基准电压值vbase用于平衡隔离电阻两端的压差△vn，△vn＝g*vn-vbase，根据基尔霍夫定律，可知基准电压值vbase使得△v1+△v2+△v3+……+△vn＝0，即(g*v1-vbase)+(g*v2-vbase)+(g*v3-vbase)+……+(g*vn-vbase)＝0，即基准电压值vbase＝(g*v1+g*v2+g*v3+……+g*vn)/n，此过程即为自动均压产生基准电压值vbase的过程。

在充电过程中，因单体电池电压差异，g〃vn与vbase之间的压差δvn存在正值与负值之分，δvn为正值时被检出，表征单节电池电压已经高于电池组中单体电池的平均电压需要被动均衡，δvn为正值的被用于被动均衡开启的判断条件，当δvn大于电压比较单元400触发门限值时，电压比较单元400被触发输出高电平，从而导通第一光电耦合器u6启动被动均衡单元500进行单节电池放电。继而，被被动均衡的单体电池的电压因被动均衡而逐渐降低，逐渐趋向与电池组内所有单体电池的平均电压。被动均衡的持续效果使得所有的单体电池电压均趋向与电池组内所有单体电池的平均电压，最终δv1≈δv2≈δv3≈……≈δvn≈0，同样满足δv1+δv2+δv3+……δvn＝0；则可知最终单节电池的电压到达较好的一致性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。