專利名稱：一種電池電量均衡裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電池電路技術領域，尤其涉及一種電池電量均衡裝置。
背景技術：
目前，電池電源普遍采用由N個低電壓的電池單元串聯組成以獲得較高的電源電壓和電能容量來滿足不同使用場合的需要。但由于制造電池的材料特性和工藝條件限制， 各電池單元之間往往存在不同程度的差異，這樣在使用中經過多次充放電循環，將會出現各電池單元之間差異擴大化的現象，由于串聯電池組的“短板”效應，整個串聯電池組電能容量將受限于串聯電池組之中那個電能容量最小的電池單元，大大影響串聯電池組的使用效果和壽命。為了解決串聯電池組使用過程中出現的各電池單元之間差異而帶來的問題，人們采用電子電路來均衡各電池單元的電能容量從而減小或消除串聯電池組各電池單元電量的不一致。目前常見的均衡電路一般分為能耗法、能量轉移法二大類，其中能耗法由于效率低能量損失大均衡能力有限等弊端一般只應用于小容量串聯電池組且對均衡性能要求低的場合；而能量轉移法具有效率高可實現雙向均衡且均衡能力強等優點，尤其適合大容量串聯電池組的均衡應用，能量轉移法又可以分為電容、電感儲能切換轉移和DC-DC變換轉移等多種，由于能量轉移法電路組成復雜，控制精度要求極高等特點，其電池均衡產品具有較高性價比并且能夠進入市場實用的很少。
發明內容
本發明的目的在于提供一種解決以往串聯電池組應用過程中存在的電池單元差異擴大并由此帶來的電池容量損失和使用壽命問題。為達此目的，本發明采用以下技術方案一種電池電量均衡裝置，包括M個串聯的電池單元、M+1個充放電單元、M個電子開關單元、M個自舉升壓驅動單元、一個采樣單元和一個主控單元，M為大于等于2的正整數；其中第N電池單元的正極經過第N+1充放電單元、第N電子開關單元和第N充放電單元與負極連接，第N電子開關單元與第N自舉升壓驅動單元連接，第N自舉升壓驅動單元與主控單元連接，第N電池單元的正極和負極分別與采樣單元連接，N為大于等于I的正整數；所述充放電單元，用于電量存儲和相鄰電池單元之間的能量轉移；所述電子開關單元，用于控制充放電單元的電量存儲和相鄰電池單元的電量向該電池單元轉移時的同步整流；所述自舉升壓驅動單元，用于通過自舉升壓來驅動電子開關單元；所述采樣單元，用于采集電池單元的電壓信息并發送給主控單元；所述主控單元，用于通過輸出脈沖寬度調制信號控制相鄰的電子開關單元呈互補的導通、關斷狀態。主控單元輸出的脈沖寬度調制信號為高電平時，電子開關單元導通，主控單元輸出的脈沖寬度調制信號為低電平時，電子開關單元關斷。電子開關單元關斷時，與其連接的充放電單元通過相鄰的處于導通狀態的電子開關單元向相鄰的電池單元轉移電量。主控單元根據相鄰電池單元的電壓差值判斷需要進行電量均衡的相鄰的電池單元，向所述需要進行電量均衡的相鄰的電池單元輸出脈沖寬度調制信號，并根據所述電壓差值調整輸出脈沖寬度調制信號的頻率和/或占空比控制充放電單元存儲和轉移電量的大小。所述自舉升壓驅動單元中，電容器存儲的電壓為電池單元電壓的兩倍。所述電池電量均衡裝置還包括一個功耗控制單元，用于降低所述電池電量裝置的接入對電池電量的額外消耗；所述M個串聯的電池單元組成的電池組的負極與功耗控制單元連接，功耗控制單元與主控單元連接。所述充放電單元為儲能電感器，所述電子開關單元為N溝道MOS場效應管。采用本發明的技術方案，解決了以往串聯電池組應用過程中存在的電池單元差異擴大并由此帶來的電池容量損失和使用壽命問題，拓展了本電量均衡裝置的適用電池種類，提高了產品可靠性，并且使得本電量均衡裝置的接入對電池的額外消耗減至極低，不影響電池原來的正常性能。
圖I是本發明具體實施方式
I提供的電池電量均衡裝置的結構示意圖。圖2為本發明具體實施方式
I提供的電池電量均衡裝置的局部電路結構圖。圖3為本發明具體實施方式
2提供的電池電路均衡裝置的結構示意圖。圖4為本發明具體實施方式
2中的功耗控制單元的電路結構圖。
具體實施例方式下面合附圖并通過具體實施方式
I來進一步說明本發明的技術方案。圖I是本發明具體實施方式
I提供的電池電量均衡裝置的結構示意圖。如圖I所示，該裝置包括電池單元、充放電單元、電子開關單元、自舉升壓驅動單元、采樣單元和主控單元。所述電池電量均衡裝置包括由至少兩個電池單元串聯組成的電池組。當所述電池電量裝置包括由M個電池單元串聯組成的電池組時(M為大于等于2的正整數)，則所述電池電量均衡裝置還包括M+1個充放電單元、M個電子開關單元、M個自舉升壓驅動單元、一個采樣單元和一個主控單元。其中，第一電池單元的正極經過第二充放電單元、第一電子開關單元和第一充放電單元與負極連接，第一電子開關單元與第一自舉升壓驅動單元連接，組成第一基本電量均衡模塊。所述第一基本電量均衡模塊通過第一自舉升壓驅動單元與主控單元連接，通過第一電池單元的正極和負極分別與采樣單元連接。第二電池單元的正極經過第三充放電單元、第二電子開關單元和第二充放電單元與負極連接，第二電子開關單元與第二自舉升壓驅動單元連接，組成第二基本電量均衡模塊。所述第二基本電量均衡模塊通過第二自舉升壓驅動單元與主控單元連接，通過第二電池單元的正極和負極分別與采樣單元連接。依此類推，第N電池單元的正極經過第N+1充放電單元、第N電子開關單元和第N 充放電單元與負極連接，第N電子開關單元與第N自舉升壓驅動單元連接，組成第N基本電量均衡模塊。所述第N基本電量均衡模塊通過第N自舉升壓驅動單元與主控單元連接，通過第N電池單元的正極和負極分別與采樣單元連接(N為大于等于I的正整數)。所述充放電單元，用于電量存儲和相鄰電池單元之間的能量轉移，所述充放電單元優選為儲能電感器。所述電子開關單元，用于控制充放電單元的電量存儲和相鄰電池單元的電量向該電池單元轉移時的同步整流，所述電子開關單元優選為N溝道MOS場效應管。所述自舉升壓驅動單元，用于通過自舉升壓來驅動電子開關單元，所述自舉升壓驅動單元包括倍壓整流派生電路，通過該電路獲得的電壓優選為電池單元電壓的兩倍。所述采樣單元，用于采集電池單元的電壓信息并發送給主控單元。所述采樣單元定期采集每個電池單元的電壓信息并發送至主控單元。所述主控單元，用于通過輸出脈沖寬度調制信號控制電子開關單元的導通和關斷，所述主控單元優選為MCU控制芯片。當所述主控單元向一個所述基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號為高電平時，所述基本電量均衡模塊中的電子開關單元處于導通狀態；當所述主控單元向一個所述基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號為低電平時，所述基本電量均衡模塊中的電子開關單元處于關斷狀態。所述主控單元向一個所述基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號為高電平時，其向與該基本電量均衡模塊相鄰的兩個基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號為低電平；所述主控單元向一個所述基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號為低電平時，其向與該基本電量均衡模塊相鄰的兩個基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號為高電平；這樣使相鄰的基本電量均衡模塊中的電子開關單元處于互補的導通、關斷狀態。所述主控單元向一個所述基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號為高電平， 向與該基本電量均衡模塊相鄰的兩個基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號為低電平時，該基本電量均衡模塊中的電子開關單元導通，兩個充放電單元儲存來自電池單元的電量，兩倍的電池單元電壓向自舉升壓驅動單元中的電容器充電。主控單元向該基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號變為低電平，向與該基本電量均衡模塊相鄰的兩個基本電量均衡模塊輸出的脈沖寬度調制信號變為高電平時，該基本電量均衡模塊中的電子開關單元關斷，相鄰的兩個基本電量均衡模塊的自舉升壓驅動單元中的電容器上儲存的兩倍自舉電壓使其電子開關單元導通，該基本電量均衡模塊中的兩個充放電單元分別與相鄰基本電量均衡模塊中導通的電子開關單元構成電量轉移的回路，向相鄰的基本電量均衡模塊中的電池單元轉移儲存的電量。所述主控單元接收采樣單元定期采集的每個電池單元的電壓信息，計算相鄰電池單元的電壓差值。主控單元根據相鄰電池單元的電壓差值判斷需要進行電量均衡的相鄰的電池單元，向所述需要進行電量均衡的相鄰的電池單元輸出脈沖寬度調制信號，并根據所述電壓差值調整輸出脈沖寬度調制信號的頻率和/或占空比來控制充放電單元的儲能時間，從而控制其儲存和轉移電量的大小。圖2為本發明具體實施方式
I提供的電池電量均衡裝置的局部電路結構圖。圖2 中所述電池電路均衡裝置中的主控單元和采樣單元部分的電路未畫出，采樣單元采集V4、 V3、V2、Vl的電壓值，發送至主控單元計算三個電池單元的電壓差值。如圖2所示，該電路包含三個電路結構完全相同的所述基本電量均衡控制模塊。 H-PWM和L-PWM是驅動相鄰基本電量均衡模塊的互補帶死區調節的可變頻、變占空比的脈沖寬度調制信號。當H-PWM為高電平、F-PWM為低電平時，電池單元BT2之間的電子開關單元Qll呈導通狀態，二倍的電池單元電壓通過D4、D6分別向Cl、C3充電，電感L2、L3儲存來自電池單元BT2的電量。因F-PWM為低電平，故相鄰的電子開關單元Q10、Q12關斷。圖2中的Cl 和D4、C2和D5、C3和D6分別構成了各自舉升壓驅動單元中的自舉升壓電路；Q4和Q7、Q5 和Q8、Q6和Q9分別構成了各自舉升壓驅動單元中的整流電路。當H-PWM為低電平、L-PWM為高電平時，電池單元BT2之間的電子開關單元Qll呈關斷狀態，由于L-PWM為高電平，Cl、C3上儲存的二倍自舉電壓使Q10、Q12驅動電路正常工作將驅動電子開關單元Q10、Q12導通，電感L2儲存的電量通過相鄰導通的電子開關單元 QlO與LI上的儲存電量疊加向相鄰電池單元BTl傳遞電量。電感L3儲存的電量也通過相鄰導通的電子開關Q12單元與L4上的儲存電量疊加向相鄰電池單元BT3傳遞電量。通過控制互補電子開關導通和關斷的比例和頻率，就可以將高電量電池單元的電量轉移到低電量電池單元中，從而實現串聯電池組中各電池單元間的電量均衡，同時驅動電路的二倍電池單體電壓的自舉升壓技術可以使本電量均衡電路適應更多的低電壓電池種類。該電路結構也可繼續擴展為具有N個基本電量均衡模塊的情形，原理與工作過程不變。圖3為本發明具體實施方式
2提供的電池電路均衡裝置的結構示意圖。如圖I所示，該電池電路均衡裝置在本發明具體實施方式
I提供的結構基礎上，還包括一個功耗控制單兀。所述功耗控制單元與由串聯的電池單元組成的電池組的負極連接，所述功耗控制單元的電源啟動端口與主控單元連接。所述功耗控制單元，用于降低所述電池電量裝置的接入對電池電量的額外消耗， 使本電量均衡裝置的接入對電池的額外消耗減至極低，不影響電池原來的正常性能。圖4為本發明具體實施方式
2中的功耗控制單元的電路結構圖。如圖4所示，光耦Pl中發光二極管的輸入端經過電阻R13與由串聯的電池單元組成的電池組的負極連接， 發光二級管的輸出端作為接入所述電池電路均衡裝置后的電池組的負極來使用。當連接的電池組不輸出電量時，ON-OFF端口低電平，Q6、Q7、Q8、Q9組成的雙向電子開關全部處于關斷，電阻R12不流過電流，其上壓降為零，雙向光耦Pl因此處于高阻狀態，電源啟動端口 D-ON也處于低電位，供給本電池電量均衡裝置的電源無輸出。當連接的電池組向外輸出電量時，電阻R12上流過電流，在其上產生壓降，此電壓將使雙向光耦Pl導通從而使電源啟動端口 D-ON處于高電位，供給本電池電量均衡裝置的電源產生輸出使均衡裝置進入工作狀態，同時主控程序置位D-ON與ON-OFF端口，置位D-ON讓電源維持輸出，置位ON-OFF端口使Q6、Q7、Q8、Q9組成的雙向電子開關全部導通，為電源的大電流輸出提高通路，因為D-ON端口被主控單元的程序置位，所以即使Q6、Q7、Q8、Q9全部導通造成R12壓降近似為零，也不會影響供給本均衡裝置的電源輸出。采用本發明的技術方案，解決了以往串聯電池組應用過程中存在的電池單元差異擴大并由此帶來的電池容量損失和使用壽命問題，拓展了本電量均衡裝置的適用電池種類，提高了產品可靠性，并且使得本電量均衡裝置的接入對電池的額外消耗減至極低，不影響電池原來的正常性能。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種電池電量均衡裝置,其特征在于,包括:M個串聯的電池單元、M+1個充放電單元、M個電子開關單元、M個自舉升壓驅動單元、一個采樣單元和一個主控單元，M為大于等于2的正整數；其中第N電池單元的正極經過第N+1充放電單元、第N電子開關單元和第N充放電單元與負極連接，第N電子開關單元與第N自舉升壓驅動單元連接，第N自舉升壓驅動單元與主控單元連接，第N電池單元的正極和負極分別與采樣單元連接，N為大于等于I的正整數；所述充放電單元，用于電量存儲和相鄰電池單元之間的能量轉移；所述電子開關單元，用于控制充放電單元的電量存儲和相鄰電池單元的電量向該電池單元轉移時的同步整流；所述自舉升壓驅動單元，用于通過自舉升壓來驅動電子開關單元；所述采樣單元，用于采集電池單元的電壓信息并發送給主控單元；所述主控單元，用于通過輸出脈沖寬度調制信號控制相鄰的電子開關單元呈互補的導通、關斷狀態。
2.根據權利要求I所述的電池電量均衡裝置，其特征在于，主控單元輸出的脈沖寬度調制信號為高電平時，電子開關單元導通，主控單元輸出的脈沖寬度調制信號為低電平時， 電子開關單元關斷。
3.根據權利要求2所述的電池電量均衡裝置，其特征在于，電子開關單元關斷時，與其連接的充放電單元通過相鄰的處于導通狀態的電子開關單元向相鄰的電池單元轉移電量。
4.根據權利要求I所述的電池電量均衡裝置，其特征在于，主控單元根據相鄰電池單元的電壓差值判斷需要進行電量均衡的相鄰的電池單元，向所述需要進行電量均衡的相鄰的電池單元輸出脈沖寬度調制信號，并根據所述電壓差值調整輸出脈沖寬度調制信號的頻率和/或占空比控制充放電單元存儲和轉移電量的大小。
5.根據權利要求I所述的電池電量均衡裝置，其特征在于，所述自舉升壓驅動單元中， 電容器存儲的電壓為電池單元電壓的兩倍。
6.根據權利要求1-5任一所述的電池電量均衡裝置,其特征在于,還包括一個功耗控制單元，用于降低所述電池電量均衡裝置的接入對電池電量的額外消耗；所述M個串聯的電池單元組成的電池組的負極與功耗控制單元連接，功耗控制單元與主控單元連接。
7.根據權利要求6所述的電池電量均衡裝置，其特征在于，所述充放電單元為儲能電感器，所述電子開關單元為N溝道MOS場效應管。
全文摘要
本發明公開了一種電池電量均衡裝置，包括電池單元；充放電單元，用于電量存儲和相鄰電池單元之間的能量轉移；電子開關單元，用于控制充放電單元的電量存儲和相鄰電池單元的電量向該電池單元轉移時的同步整流；自舉升壓驅動單元，用于通過自舉升壓來驅動電子開關單元；采樣單元，用于采集電池單元的電壓信息并發送給主控單元；主控單元，用于通過輸出脈沖寬度調制信號控制相鄰的電子開關單元呈互補的導通、關斷狀態。本發明的目的在于提供一種解決以往串聯電池組應用過程中存在的電池單元差異擴大并由此帶來的電池容量損失和使用壽命問題。
文檔編號H02J7/00GK102593900SQ20121004042
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月22日 優先權日2012年2月22日
發明者虞金中 申請人:無錫金雨電子科技有限公司