一种能量补充型的电池均衡装置的制作方法

1.本实用新型涉及电池管理技术领域，特别涉及一种能量补充型的电池均衡装置。


背景技术：

2.一般的电池均衡分为主动均衡和被动均衡，其中，被动均衡一般采用电阻放热的方式将高容量电池“多出的电量”进行释放，从而达到均衡的目的，但因为被消耗的能量基本转化为热能，所有这种均衡一般单位时间功率较低，且考虑到bms板的散热和体积，单节电芯一般都不会超过0.3w，所以均衡效率也较低，能量损耗大；主动均衡充电时将多余电量转移至高容量电芯，放电时将多余电量转移至低容量电芯，可提高使用效率，主动均衡包括电容式均衡、电感式均衡、变压器式均衡，但均需频繁切换均衡电路，会加快电芯的衰减老化。
3.中国专利文献cn110165718a公开一种带主动被动均衡的免维护锂电池管理系统，包括电池、开关、均衡电阻、开关控制回路、恒流恒压源、隔离电源和内接或外接电源，结合了被动均衡和主动均衡，当电芯间存在压差为正值且大于均衡阈门电压利用电阻释放能量，当电芯间存在压差为负值且其绝对值小于均衡阈门电压时使用恒流恒压源进行升压。但仍存在上述被动均衡的均衡效率低、能量损耗大的问题。
4.专利文献wo2018086459a1公开了串联电池组均衡充放电方法和电路、直流电隔离降压电路，实质上是进化版的电容式主动均衡，均衡吸收电能阶段来源于外部电源，但这种均衡方法需要不断吸收电能，再释放电能，所以需要频繁切换开关，且要求部分开关是同步打开的，这大大增大了系统的复杂性和控制的复杂性，且这种均衡方法非恒流恒压方式，会导致在释放电能的瞬间出现冲击电流，加快电芯的衰减老化。
5.同时，现有技术的均衡方法只能做到同一时间均衡一节电芯，效率低；并且现有技术的均衡装置中都没有电路和策略检测故障，无法保障电路安全。


技术实现要素：

6.为解决以上技术问题，本实用新型公开一种能量补充型的电池均衡装置，提高均衡效率，减少能量损耗，进而提升充电效率，同时增加电路和策略检测故障。本实用新型所采用的技术方案是：
7.一种能量补充型的电池均衡装置，包括充电输入端口和处理器，充电输入端口电连接有非隔离降压电路，非隔离降压电路连接有电流检测电路，电流检测电路连接有n个隔离降压电路，n个隔离降压电路分别连接有对应的n个恒流限压均衡电路，n个恒流限压均衡电路分别连接有对应的第n节电芯，n个恒流限压均衡电路均与处理器相连，其中n为不小于2的自然数。
8.进一步地，所述非隔离降压电路与处理器之间连接有稳压电路，所述电流检测电路与稳压电路电连接。
9.进一步地，所述非隔离降压电路包括第一芯片u1，第一芯片u1的1脚分为两路，第
一路连接有第三电容c3的一端，第二路连接有第二电阻r2的一端，第一芯片u1的2脚连接有第一电阻r1的一端，第一芯片u1的3脚分为四路，第一路连接有第六电容c6的一端，第二路连接有第五电阻r5的一端，第三路经第六电阻r6接地，第四路连接有第二电容组，第一芯片u1的4脚分为三路，第一路与第一电容组的一端相连，第二路与充电输入端口相连，第三路接地，第一芯片u1的5脚分为两路，第一路连接有第三电阻r3的一端，第二路连接有第二mos管q2的源极，第一芯片u1的6脚连接有第二mos管q2的栅极，第一芯片u1的7脚连接有第四电容c4的一端，第四电容c4的另一端分为两路，第一路与第三电阻r3的另一端相连，第二路和第一芯片u1的8脚、第三电容c3的另一端、第二电阻r2的另一端、第一电阻r1的另一端、第一电容组的另一端汇合后与充电输入端口相连；第一电容组包括并联第一电容c1和第二电容c2；第二mos管q2的漏极分为三路，第一路与第一二极管d1的负极相连，第二路连接有第四电阻c4的一端，第三路连接有第一电感器l1的一端，第一二极管d1的正极接地，第四电阻c4的一端分为两路，第一路连接有第六电容c6的另一端，第二路连接有第五电容c5的一端，第一电感器l1的另一端、第五电容c5的另一端、第五电阻r5的另一端汇合后连接有第二电容组的另一端，第二电容组包括并联的第七电容c7和第八电容c8，第二电容组的两端分别连接电源vbus和接地。
10.进一步地，所述隔离降压电路包括第九芯片u9，第九芯片u9的1脚和2脚连接在第二十六电容c26的两端；第九芯片u9的3脚和4脚连接在第三十电容c30的两端。
11.进一步地，所述恒流限压均衡电路包括有第二十三电阻r23，第二十三电阻r23的一端分为两路，第一路连接有电源v_bn，第二路连接有第七三极管q7的集电极，第二十三电阻r23的另一端分为三路，第一路与第n个信号输入端口bls_ctr_n相连，第二路与第七三极管q7的基极相连，第三路连接有第十二稳压二极管d12的负极；第七三极管q7的发射极分为五路，第一路与第十七电阻r17的一端相连，第二路与第十三电阻r13的一端相连，第三路连接有第六三极管q6的发射极，第四路连接有第十四电阻r14的一端，第五路连接有第三十五电容c35的一端；第十七电阻r17的另一端分为两路，第一路经第十八电阻r18接地，第二路连接有第十二稳压二极管d12的正极；第十三电阻r13的另一端分为了两路，第一路连接有第五三极管q5的发射极，第二路连接有第六三极管q6的基极，第六三极管q6的集电极、第十四电阻r14的另一端和第三十五电容c35的另一端电路汇合后分为两路，第一路与第五三极管q5的基极相连；第二路连接有第十五电阻r15的一端，第五三极管q5的集电极连接有第十二极管d10的正极，第十二极管d10的负极与第n节电芯相连，第十五电阻r15的另一端分为两路，第一路接地，第二路与第n节电芯相连。
12.进一步地，所述电流检测电路包括第五运算放大器u5和第六运算放大器u6，第五运算放大器u5的1脚分为两路，一路经第九电阻r9与第六运算放大器u6的3脚相连，另一路与第八电阻r8的一端相连，第八电阻r8的另一端分为两路，一路与第六运算放大器u6的2脚相连，另一路接地；第五运算放大器u5的2脚接地，第五运算放大器u5的3脚连接有第十电阻r10的一端，第十电阻r10的另一端分为两路，一路连接有系统电源vbus，另一路连接有第七电阻r7的一端，第五运算放大器u5的4脚连接有第十一电阻r11的一端，第十一电阻r11的另一端分为两路，一路连接有均衡电源vbls，另一路连接有第七电阻r7的另一端；第五运算放大器u5的5脚分为两路，第一路连接有电源，第二路经第十九电容c19接地；第六运算放大器u6的1脚分为两路，一路经第十二电阻r12连接有模拟信号输出端i_det_adc，第二路与第六
运算放大器u6的4脚相连，第六运算放大器u6的5脚分为两路，第一路连接有电源，第二路经第二十五电容c25接地。
13.本实用新型有益效果为：
14.1、相比起现有技术，本实用新型将原本被动均衡的模拟前端，改为能量补充型的电池均衡方案的处理器；设置隔离降压电路用于将系统功率地与恒流能量补充的地隔离开、以及将每一级恒流能量补充的地隔离开，确保能量补充能只充到容量比较低的电芯，同时保证系统的整体电压维持不变，提高提高均衡的单位时间功率，提高均衡效率，降低能量损耗。
15.2、本实用新型提供的一种能量补充型的电池均衡装置采用恒流限压，避免在释放电能的瞬间出现冲击电流，减缓电芯的衰减老化。
16.3、本实用新型提供的一种能量补充型的电池均衡装置内设置有电流检测电路，对电路进行自检，保障电路安全。
17.4、本实用新型提供的一种能量补充型的电池均衡装置和均衡方法可以均衡多节电芯，均衡电芯数量为n(即最大数量)，提高均衡效率。
附图说明
18.附图1为本实用新型实施例中电池均衡装置模块示意图。
19.附图2为本实用新型实施例中恒流限压均衡电路的电路示意图。
20.附图3为本实用新型实施例中非隔离降压电路的电路示意图。
21.附图4为本实用新型实施例中电流检测电路的电路示意图。
22.附图5为本实用新型实施例中隔离降压电路的电路示意图。
23.附图6为本实用新型实施例中稳压电路的电路示意图。
24.附图7为本实用新型实施例中处理器的示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本实用新型要求保护的范围构成限制。
26.实施例1
27.如图1所示，一种能量补充型的电池均衡装置，包括充电输入端口和处理器，充电输入端口电连接有非隔离降压电路，非隔离降压电路连接有电流检测电路，电流检测电路连接有n个隔离降压电路，n个隔离降压电路分别连接有对应的n个恒流限压均衡电路，n个恒流限压均衡电路分别连接有对应的第n节电芯，n个恒流限压均衡电路均与处理器相连；所述非隔离降压电路与处理器之间连接有稳压电路，所述电流检测电路与稳压电路电连接。
28.充电输入端口是与bms板的充电输入口对接，取充电输入口的电源，用于给电池均衡装置供电。
29.因为整个能量补充的对象是电芯，对于多节电芯串并联组成的电池包，其电压会远远大于电芯电压，所以为了更进一步提高能效，设置非隔离降压电路，非隔离降压电路用于降低系统电源电压。
30.如图3所示，非隔离降压电路包括第一芯片u1，第一芯片u1的1脚分为两路，第一路连接有第三电容c3的一端，第二路连接有第二电阻r2的一端，第一芯片u1的2脚连接有第一电阻r1的一端，第一芯片u1的3脚分为四路，第一路连接有第六电容c6的一端，第二路连接有第五电阻r5的一端，第三路经第六电阻r6接地，第四路连接有第二电容组，第一芯片u1的4脚分为三路，第一路与第一电容组的一端相连，第二路与充电输入端口相连，第三路接地，第一芯片u1的5脚分为两路，第一路连接有第三电阻r3的一端，第二路连接有第二mos管q2的源极，第一芯片u1的6脚连接有第二mos管q2的栅极，第一芯片u1的7脚连接有第四电容c4的一端，第四电容c4的另一端分为两路，第一路与第三电阻r3的另一端相连，第二路和第一芯片u1的8脚、第三电容c3的另一端、第二电阻r2的另一端、第一电阻r1的另一端、第一电容组的另一端汇合后与充电输入端口相连；第一电容组包括并联第一电容c1和第二电容c2；第二mos管q2的漏极分为三路，第一路与第一二极管d1的负极相连，第二路连接有第四电阻c4的一端，第三路连接有第一电感器l1的一端，第一二极管d1的正极接地，第四电阻c4的一端分为两路，第一路连接有第六电容c6的另一端，第二路连接有第五电容c5的一端，第一电感器l1的另一端、第五电容c5的另一端、第五电阻r5的另一端汇合后连接有第二电容组的另一端，第二电容组包括并联的第七电容c7和第八电容c8，第二电容组的两端分别连接电源vbus和接地。
31.电流检测电路用于检测隔离降压电路n的总功率，方便自检电路是否故障、检测电路是否误打开，以及均衡控制。
32.如图4所示，电流检测电路包括第五运算放大器u5和第六运算放大器u6，第五运算放大器u5的1脚分为两路，一路经第九电阻r9与第六运算放大器u6的3脚相连，另一路与第八电阻r8的一端相连，第八电阻r8的另一端分为两路，一路与第六运算放大器u6的2脚相连，另一路接地；第五运算放大器u5的2脚接地，第五运算放大器u5的3脚连接有第十电阻r10的一端，第十电阻r10的另一端分为两路，一路连接有系统电源vbus，另一路连接有第七电阻r7的一端，第五运算放大器u5的4脚连接有第十一电阻r11的一端，第十一电阻r11的另一端分为两路，一路连接有均衡电源vbls，另一路连接有第七电阻r7的另一端；第五运算放大器u5的5脚分为两路，第一路连接有电源，第二路经第十九电容c19接地；第六运算放大器u6的1脚分为两路，一路经第十二电阻r12连接有模拟信号输出端i_det_adc，第二路与第六运算放大器u6的4脚相连，第六运算放大器u6的5脚分为两路，第一路连接有电源，第二路经第二十五电容c25接地。
33.隔离降压电路用于将系统功率地与恒流能量补充的地隔离开，以及将每一级恒流能量补充的地隔离开，以确保能量补充能只充到容量比较低的电芯，同时保证系统的整体电压维持不变。
34.如图5所示，隔离降压电路包括第九芯片u9，第九芯片u9的1脚和2脚连接在第二十六电容c26的两端；第九芯片u9的3脚和4脚连接在第三十电容c30的两端。
35.恒流限压均衡电路用于保证充电电流恒定，且也有利于均衡的控制。
36.如图2所示，恒流限压均衡电路包括有第二十三电阻r23，第二十三电阻r23的一端分为两路，第一路连接有电源v_bn，第二路连接有第七三极管q7的集电极，第二十三电阻r23的另一端分为三路，第一路与第n个信号输入端口bls_ctr_n相连，第二路与第七三极管q7的基极相连，第三路连接有第十二稳压二极管d12的负极；第n个信号输入端口bls_ctr_n
从处理器的引脚牵出；第七三极管q7的发射极分为五路，第一路与第十七电阻r17的一端相连，第二路与第十三电阻r13的一端相连，第三路连接有第六三极管q6的发射极，第四路连接有第十四电阻r14的一端，第五路连接有第三十五电容c35的一端；第十七电阻r17的另一端分为两路，第一路经第十八电阻r18接地，第二路连接有第十二稳压二极管d12的正极；第十三电阻r13的另一端分为了两路，第一路连接有第五三极管q5的发射极，第二路连接有第六三极管q6的基极，第六三极管q6的集电极、第十四电阻r14的另一端和第三十五电容c35的另一端电路汇合后分为两路，第一路与第五三极管q5的基极相连；第二路连接有第十五电阻r15的一端，第五三极管q5的集电极连接有第十二极管d10的正极，第十二极管d10的负极与第n节电芯相连，第十五电阻r15的另一端分为两路，第一路接地，第二路与第n节电芯相连。
37.一种能量补充型的电池均衡装置的均衡方法，主要包括以下步骤：
38.s1-1：处理器实时检测电芯电压，检测到电芯最大压差超过均衡压差阈值vth时进入s1-2；其中，均衡压差阈值vth一般取50mv；
39.s1-2：通过实时采样电芯电压，获取影响到均衡压差阈值的电芯位置也即第n节电芯，及其电压值vn；
40.s1-3：通过查电芯属性表并根据下述公式，计算第n节电芯对应的容量cn：
41.cn＝(vn-vi)
×
ki+vi
42.其中，vn为第n节电芯电压，vi是通过vn与vj(j为0,1,2...,20)相减的最小的正值对应的vj，ki为vi对应的斜率；vj从电芯属性表中可查；
43.s1-4：获取最高电压电芯的电压值vm；
44.s1-5：通过查电芯属性表并根据下面公式，计算最高电压电芯对应的容量cm：
45.cm＝(vm-vk)
×
kk+vk
46.其中，vm为最高电压电芯，vk是通过vm与vj(j为0,1,2...,20)相减的最小的正值对应的vj，kk为vk对应的斜率；vj从电芯属性表中可查；
47.s1-6：根据下面公式，计算出均衡所需时间t：
[0048][0049]
其中，ib为恒流限压均衡电路中的恒流值；
[0050]
s1-7：启动影响到均衡压差阈值的电芯对应的恒流限压均衡电路；
[0051]
s1-8：直至均衡时间达到，结束均衡。
[0052]
其中，电芯属性表如表1：
[0053]
表1电芯属性表
[0054]
[0055][0056]
其中，斜率的计算公式如下：
[0057][0058]
当充电器接入或者整个电池包开始充电时，bms启动自检，自检流程包括以下步骤：
[0059]
s2-1：关闭所有均衡驱动，检测电流检测电路中的实际漏电流值；
[0060]
s2-2：对步骤s2-1中的实际漏电流值进行判断：若实际漏电流值小于漏电流阈值，则判断为隔离降压电路正常；若实际漏电流值大于漏电流阈值，小于单节均衡电流阈值，则判断为隔离降压电路存在异常；若实际漏电流值大于单节均衡电流阈值，则判断为隔离降压电路存在误导通/短路故障；其中，漏电流阈值即隔离电路1～n在空载状态下的电流总和，一般一个隔离电路其漏电流不超过10ma，单节均衡电流阈值是等于恒流限压均衡电路中的恒流值，一般恒流值大于等于400ma；
[0061]
s2-3：依次打开恒流限压均衡电路1～n，每次打开后检测电流检测电路是否存在电流，若恒流限压均衡电路i存在电流，则把该电流减去步骤s2-1检测到的实际漏电流值，得到电流值；
[0062]
s2-4：对步骤s2-4中的电流值进行判断：若电流值小于单节均衡电流范围值，则判
断隔离降压电路i开启故障；若电流值在单节均衡电流范围值内，则判断隔离降压电路i检测正常；若电流值大于单节均衡电流范围值，则判断隔离降压电路i过流故障，其中，隔离降压电路i与恒流限压均衡电路i相对应，单节均衡电流范围值等于单节均衡电流阈值。
[0063]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。