电量均衡电路的制作方法

1.本技术涉及动力电池技术领域，具体涉及一种电量均衡电路。


背景技术：

2.在实际应用中，锂离子电池单体通常以一定的串并联形式组成电池组来使用。然而，由于制作工艺、使用环境等方面的原因，造成了电池单体的电量出现不平衡。为了充分利用电池单体能量，延长电池单体使用寿命，在使用过程中通常会对电池组进行均衡管理，使各电池单体基本上同时放空、同时充满，达到各电池单体的剩余能量趋于一致。
3.均衡管理电路(以下简称均衡电路)的拓扑结构通常包括主动均衡电路和被动均衡电路两种。主动均衡电路中的均衡电流一般比被动均衡电路大得多，从而能够在电池组内实现快速均衡。然而，随着主动均衡电路中的均衡电流的增大，意味着主动均衡电路中的储能元件的体积增大，导致成本升高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例提供了一种电量均衡电路，以解决现有技术中均衡电路中的储能元件的成本高和体积大的问题。
5.本技术提供了一种电量均衡电路，包括：电池组，包括多个电池；至少一个均衡单元，均衡单元包括并联设置的耗能元件和储能元件；开关电路，配置为响应于不同的第一控制信号能够将需要均衡的至少两个电池分别与同一均衡单元连成回路，以在至少两个电池之间进行电量均衡；其中，耗能元件的阻值和储能元件的内阻的比值大于或等于1:100并且小于或等于100:1。
6.在一个实施例中，多个电池单体依次串联，至少一个均衡单元包括一个均衡单元；开关电路包括多个开关元件，每个电池单体的正极通过两个开关元件分别连接均衡单元的两端，每个电池单体的负极通过两个开关元件分别连接均衡单元的负极。
7.在一个实施例中，相邻两个电池单体的相邻电极通过同一开关元件连接均衡单元的同一端。
8.在一个实施例中，多个电池单体阵列排布，每列电池单体依次串联，相邻列的电池单体的电极反向设置，前一列电池单体尾端的电池单体的负极连接后一列电池单体首端的电池单体的正极。
9.在一个实施例中，多个电池单体包括第一列电池单体和第二列电池单体，至少一个均衡单元的数量、第一列电池单体的数量和第二列电池单体的数量相等，至少一个均衡单元依次串联；开关电路包括多个开关元件，第一列电池单体各自的正极分别通过一个开关元件连接同序位均衡单元的第一端，第二列电池单体各自的负极分别通过一个开关元件连接同序位均衡单元的第一端，每个均衡单元与一个开关元件并联。
10.在一个实施例中，耗能元件的内阻可调；开关电路进一步配置为响应于不同的第二控制信号以将耗能元件的内阻调整至不同的数值。
11.在一个实施例中，耗能元件包括并联设置的多个电阻；开关电路包括与多个电阻一一对应的多个开关元件，相互对应的电阻和开关元件串联设置。
12.在一个实施例中，耗能元件包括电阻。
13.在一个实施例中，耗能元件的内阻大于1欧并且小于50欧。
14.在一个实施例中，储能元件包括电容、电感、变压器中的任一项或多项的组合。
15.在一个实施例中，多个开关元件分别选自晶体管和机械继电器中的任一项。
16.根据本技术提供的电量均衡电路，通过设置与储能元件并联的耗能元件，利用耗能元件对均衡电流进行分流，从而使得流过储能元件的电流减小，进而减小储能元件的体积，降低成本。
附图说明
17.图1为本技术一实施例提供的电量均衡电路的原理图。
18.图2为本技术第一实施例提供的电量均衡电路的拓扑结构。
19.图3为本技术第二实施例提供的电量均衡电路的拓扑结构。
20.图4为本技术第三实施例提供的电量均衡电路的拓扑结构。
21.图5为本技术第四实施例提供的电量均衡电路的拓扑结构。
具体实施方式
22.如背景技术所述，现有技术中的主动均衡电路的均衡电流越大，储能元件的体积越大，成本越高。有鉴于此，本技术实施例提供了一种电量均衡电路，通过设置与储能元件并联的耗能元件，利用耗能元件对均衡电流进行分流，从而使得流过储能元件的电流减小，进而减小储能元件的体积，降低成本。
23.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.图1为本技术一实施例提供的电量均衡电路的原理图。如图1所示，电量均衡电路100包括电池组110、至少一个均衡单元120和开关电路。其中，电池组110包括多个电池，电池包括至少一个电池单体，电池单体例如为锂离子电池单体。均衡单元120包括并联设置的储能元件121和耗能元件122。储能元件121可以为电容、电感、变压器中的任一项或多项的组合。在一示例中，储能元件121包括电容和电感组成的谐振电路。耗能元件122为纯电阻元件，例如电阻。开关电路配置为响应于不同的第一控制信号能够将需要均衡的至少两个电池分别与同一均衡单元120连成回路，以在至少两个目标电池之间进行电量均衡，目标电池选自多个电池。在至少两个目标电池之间进行电量均衡包括如下情况：在两个电池单体之间进行电量均衡，或者在两个电池之间进行均衡，或者在电池单体和多个电池组成的整体之间进行均衡，或者在多个电池组成的整体与多个电池组成的整体之间进行均衡等。
25.下面以两个电池单体为例，对图1所示原理图的电量均衡过程进行详细说明。
26.图2为本技术第一实施例提供的电量均衡电路的拓扑结构。结合图1和图2所示，在本实施例中，电量均衡电路100具体包括第一电池单体b1、第二电池单体b2、均衡单元120和
开关电路。均衡单元120包括并联设置的电感l1和电阻r1。开关电路包括两个开关元件，即第一开关元件s1、第二开关元件s2。第一电池单体b1的正极通过第一开关元件s1连接均衡单元120的第一端a，第一电池单体b1的负极连接均衡单元120的第二端b。第二电池单体b2的正极连接均衡单元120的第二端b，第二电池单体b2的负极通过第二开关元件s2连接均衡单元120的第一端a。这里提到的开关元件可以是晶体管或机械继电器等，多个开关元件分别选自晶体管和机械继电器中的任一项。
27.以第一电池单体b1的电压高于第二电池单体b2的电压为例，根据本实施例提供的电量均衡电路的电量均衡过程可以包括：
28.第一步，第一电池单体b1放电。
29.参阅图3a，在一个脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)周期里，先控制第一开关元件s1导通，第一电池单体b1的放电电流依次流经第一开关元件s1、电感l1和电阻r1组成的环路，最后流回第一电池单体b1的负极。在该过程中，第一电池单体b1的电量减少，第一电池单体b1减少的电量一部分存储到电感l1中，其余部分被电阻r1消耗掉了。
30.第二步，第二电池单体b2充电。
31.参阅图3b，接着在同一个pwm周期中，控制第一开关元件s1断开，并控制第二开关元件s2导通，电感l1中储存的电量释放，放电电流流经两个回路。一个回路的电流依次流经第二电池单体b2、第二开关元件s2，最后流回电感l1；另一个回路的电流流经电阻r1，然后流回电感l1。在该过程中，电感l1上的电量释放，电感l1释放的电量一部分为第二电池单体b2充电，其余部分被电阻r1消耗掉了。
32.经过上述过程，实现了第一电池单体b1和第二电池单体b2之间的电量均衡。
33.结合图1和图2所示，根据本技术实施例提供的电量均衡电路100中的耗能元件122参与电量均衡过程，所以耗能元件122的阻值一般比较小，具体数值根据设计需求选取，例如需要综合考虑被动均衡的电流大小、发热量和成本等参数，以既可以有效提高均衡电流，又能保证储能元件121顺利为电池充电为准。
34.在一个实施例中，耗能元件122的内阻和储能元件121的内阻之比大于或等于1:100并且小于或等于100:1。这样，可以确保耗能元件122能够起到明显的分流作用，从而与储能元件121一起参与电量均衡过程，从而达到减小储能元件121的体积，进而降低储能元件121的成本的目的。
35.在一个实施例中，耗能元件122的内阻大于或等于1欧姆并且小于或等于50欧姆。例如，耗能元件122的内阻为9欧姆、10欧姆或11欧姆。这种情况下，流过耗能元件122的电流较大，一般为几百ma级别，从而能够起到良好的电量均衡效果。
36.按照上述任一实施例来设置耗能元件122的阻值，可以使得耗能元件122参与电量均衡过程，起到提高均衡速度的作用。这种情况下，在满足均衡电流要求的前提下，可以适当减少储能元件121的体积，从而缩减成本。
37.下面具体描述两个基于上述均衡原理的电量均衡电路的拓扑结构。
38.图3为本技术第二实施例提供的电量均衡电路的拓扑结构。如图3所示，在本实施例中，电池组中的多个电池单体线性排布并依次串联。这种情况下，根据本实施例提供的电量均衡电路200包括一个均衡单元。开关电路包括多个开关元件，每个电池单体的正极通过两个开关元件分别连接均衡单元的两端，每个电池单体的负极通过两个开关元件分别连接
均衡单元的负极。
39.具体而言，如图3所示，电池组包括四个电池单体，即第一电池单体b1、第二电池单体b2、第三电池单体b3和第四电池单体b4。该四个电池单体线性排布，并依次串联。开关电路包括十个开关元件，开关元件包括串联设置的晶体管和二极管。第一开关元件包括第一晶体管s1和第一二极管d1。第一电池单体b1的正极连接第一晶体管s1的源极，第一晶体管s1的漏极连接第一二极管d1的负极，第一二极管d1的正极连接均衡单元的第一端a。第二开关元件包括第二晶体管s2和第二二极管d2。第二电池单体b2的正极连接第二晶体管s2的源极，第二晶体管s2的漏极连接第二二极管d2的负极，第二二极管d2的正极连接第一二极管d1的正极和均衡单元的第一端a。第三开关元件包括第三晶体管s3和第三二极管d3。第三电池单体b3的正极连接第三晶体管s3的源极，第三晶体管s3的漏极连接第三二极管d3的负极，第三二极管d3的正极连接第二二极管d2的正极和均衡单元的第一端a。第四开关元件包括第四晶体管s4和第四二极管d4。第四电池单体b4的正极连接第四晶体管s4的源极，第四晶体管s4的漏极连接第四二极管d4的负极，第四二极管d4的正极连接第三二极管d3的正极和均衡单元的第一端a。第五开关元件包括第五晶体管s5和第五二极管d5。第四电池单体b4的负极连接第五晶体管s5的源极，第五晶体管s5的漏极连接第五二极管d5的负极，第五二极管d5的正极连接第四二极管d4的正极和均衡单元的第一端a。第六开关元件包括第六晶体管s6和第六二极管d6。第四电池单体b4的负极连接第六二极管d6的正极，第六二极管d6的负极连接第六晶体管s6的漏极，第六晶体管s6的源极连接均衡单元的第二端b。第七开关元件包括第七晶体管s7和第七二极管d7。第四电池单体b4的正极连接第七二极管d7的正极，第七二极管d7的负极连接第七晶体管s7的漏极，第七晶体管s7的源极连接第六晶体管s6的源极和均衡单元的第二端b。第八开关元件包括第八晶体管s8和第八二极管d8。第三电池单体b3的正极连接第八二极管d8的正极，第八二极管d8的负极连接第八晶体管s8的漏极，第八晶体管s8的源极连接第七晶体管s7的源极和均衡单元的第二端b。第九开关元件包括第九晶体管s9和第九二极管d9。第二电池单体b2的正极连接第九二极管d9的正极，第九二极管d9的负极连接第九晶体管s9的漏极，第九晶体管s9的源极连接第八晶体管s8的源极和均衡单元的第二端b。第十开关元件包括第十晶体管s
10
和第十二极管d
10
。第一电池单体b1的正极连接第十二极管d
10
的正极，第十二极管d
10
的负极连接第十晶体管s
10
的漏极，第十晶体管s
10
的源极连接第九晶体管s9的源极和均衡单元的第二端b。
40.应当理解，电量均衡电路200中的电池单体的数量可以根据实际需要合理设置，开关电路中开关单元的数量随着电池单体数量的增加而增加。当电池组还包括第五电池单体时，开关电路还包括第十一开关元件和第十二开关元件，第五电池单体的正极连接第四电池单体b4的负极、第六二极管d6的正极和第五晶体管s5的源极。第五电池单体的负极分别通过第十一开关元件和第十二开关元件连接均衡单元的第一端a和第二端b。当电池组中的电池单体的数量再增加时，开关电路中开关元件的数量和连接关系同理，这里不再赘述。
41.在图3所示电量均衡电路200中，相邻两个电池单体的相邻电极通过同一开关元件连接均衡单元的同一端。例如，第一电池单体b1的负极和第二电池单体b2的正极分别通过第二开关元件(例如串联设置的第一晶体管s2和第一二极管d1)连接均衡单元的第一端a，第一电池单体b1的负极和第二电池单体b2的正极分别通过第九开关元件(例如串联设置的第九晶体管s9和第九二极管d9)连接均衡单元的第二端b。这样，可以简化电路。
42.根据本实施例提供的电量均衡电路，串联设置的多个电池单体通过同一均衡单元实现电量均衡。
43.图4为本技术第三实施例提供的电量均衡电路的拓扑结构。如图4所示，在本实施例中，电池组中的多个电池单体阵列排布，每列电池单体依次串联，相邻列电池单体的电极反向设置，前一列电池单体尾端的电池单体的负极连接后一列电池单体首端的电池单体的正极。需要说明的是，对于一列电池单体而言，首端的电池单体的负极连接下一电池单体的正极，尾端的电池单体的正极连接上一电池单体的负极。
44.以两列电池单体，即第一列电池单体和第二列电池单体为例，这种情况下，根据本实施例提供的电量均衡电路300包括一列均衡单元，一列均衡单元依次串联，均衡单元的数量、第一列电池单体的数量和第二列电池单体的数量相等。开关电路包括多个开关元件，第一列电池单体各自的正极分别通过一个开关元件连接同序位均衡单元的第一端，第二列电池单体各自的负极分别通过一个开关元件连接同序位均衡单元的所述第一端，每个均衡单元与一个开关元件并联。
45.例如，如图4所示，多个电池单体包括四个电池单体，即第一电池单体b1、第二电池单体b2、第三电池单体b3和第四电池单体b4。第一电池单体b1和第二电池单体b2组成第一列电池单体，第三电池单体b3和第四电池单体b4组成第二列电池单体。第一电池单体b1的负极连接第二电池单体b2的正极，第二电池单体b2的负极连接第三电池单体b3的正极，第三电池单体b3的负极连接第四电池单体b4的正极。电量均衡电路300包括第一均衡单元和第二均衡单元，第一均衡单元包括并联设置的第一电感l1和第一电阻r1，第二均衡单元包括并联设置的第二电感l2和第二电阻r2。开关电路包括六个开关元件，即第一开关元件s1、第二开关元件s2、第三开关元件s3、第四开关元件s4、第五开关元件s5和第六开关元件s6。第一电池单体b1的正极通过第一开关元件s1连接第一均衡单元的第一端a，第二电池单体b2的正极通过第二开关元件s2连接第二均衡单元的第一端b，即第一均衡单元的第二端，第三电池单体b3的负极通过第三开关元件s3连接第二均衡单元的第一端b，第四电池单体b4的负极通过第四开关元件s4连接第一均衡单元的第一端a。
46.根据本技术实施例提供的电量均衡电路，阵列排布的多个电池单体通过多个均衡单元实现了电量均衡。
47.图5为本技术第四实施例提供的电量均衡电路的拓扑结构。如图5所示，根据本实施例提供的电量均衡电路和图1所示电量均衡电路的区别在于，耗能元件222的内阻可调。这种情况下，开关电路进一步配置为响应于不同的第二控制信号以将耗能元件222的内阻调整至不同的数值。
48.具体而言，如图5所示，耗能元件222包括并联设置的多个电阻，例如第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3。多个电阻的阻值相同或不同。开关电路包括与多个电阻一一对应的多个开关元件，例如，第三开关元件s3、第四开关元件s4和第五开关元件s5，第三开关元件s3和第一电阻r1对应、第四开关元件s4和第二电阻r2对应，第五开关元件s5和第三电阻r3对应。相互对应的电阻和开关元件串联设置。这种情况下，可以通过控制多个开关元件的开关逻辑调整耗能元件122的阻值，从而可以适应不同的均衡电流。
49.应当理解，在其他实施例中，耗能元件122还可以实施为多个电阻串联的形式，或滑动变阻器。
50.根据本实施例提供的耗能元件222的具体结构替换上述任一实施例提供的电量均衡电路中的储能元件122。
51.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。