用于电池组的主动均衡装置的制作方法

本申请涉及电池充电领域，具体涉及一种用于电池组的主动均衡装置。

背景技术：

在电力领域，锂电池以其能量密度高、体积小、环保等优势逐渐成为电动汽车、储能以及通信后备电源的主流动力来源。

在实际使用时，锂电池均采用电池组的形式。但锂电池在生产时由于环境、生产机器等方面的原因会不可避免地出现的微小性能差异，这就导致了锂电池组中的每个锂电池可能出现每节电池的电压值不同的情况，在多次使用后，这些电池的电压差会逐渐增大，如果不及时进行均衡处理，这些不断增大的不一致性会导致锂电池组的寿命提前耗尽。

目前常见的均衡方式是采用被动均衡电路，该被动均衡电路主要通过在每节电池单体两端并联一个功率电阻和开关，当某节电池电压较高时，吸合开关，消耗部分电量，直至达到均衡状态。

这样的均衡电路虽然可以在一定程度上对电池进行均衡处理。但是，由于均衡过程是将电能转化为热能，尤其是在对由多电池组组成的电池阵列进行均衡时，其散热过程就必须配置相应的冷却设备，这就使得工业生产中的成本大大增加并且将电能转化成热能会造成无谓的电力浪费；此外，如果散热不合理的话，会导致整个电池组合均衡模块温度过高，导致电池加速衰减以及均衡模块烧毁的后果。

申请内容

本申请的目的是提供一种用于电池组的主动均衡装置，该主动均衡装置能够将锂电池组中电压高的锂电池中的电量转化到电压低的锂电池中，取代了将电能转化成热能的均衡流程，同时采用多层均衡电路的组成形式，能够同时对多电池组组成的电池阵列进行均衡，不仅节约了能源，同时还降低了电池因为散热不当而导致寿命耗尽过快的风险。

为了实现上述目的，本申请提供一种用于电池组的主动均衡装置，该主动均衡装置包括：多层均衡电路，每一层均衡电路包括至少一个均衡单元，每一个均衡单元包括串联的两个可控开关和一个电容器，该串联的两个可控开关连接到多个电池单元中的串联的至少两个电池单元的两端，一个电容器连接在两个可控开关之间的节点与至少两个电池单元中间节点之间，该中间节点将至少两个电池单元分成电池单元数量相同的两组电池单元；电压传感器，用于检测每一个电池单元两端的电压；控制器，用于接收电压传感器检测到的每一组电池单元两端的电压，根据该电压逐层控制多层均衡电路中的每一层均衡电路执行电压均衡操作。

可选地，控制器可以用于：针对每一层均衡电路，控制该层均衡电路中的均衡单元间隔执行电压均衡操作。

可选地，控制器可以用于：针对每一个均衡单元，判断检测到的该均衡单元连接的两组电池单元中的一组电池单元两端的电压是否大于另一组电池单元两端的电压；在判断一组电池单元两端的电压大于另一组电池单元两端的电压的情况下，闭合该均衡单元中的两个可控开关中与一组电池单元对应的第一可控开关，使得一组电池单元给该均衡单元中的电容器充电；在给电容器充电结束后，断开第一可控开关，闭合两个可控开关中的第二可控开关，使得电容器对另一组电池单元进行充电，以均衡两组电池单元两端的电压。

可选地，控制器可以用于：判断两组电池单元两端的电压的差值是否大于预设值；在判断两组电池单元两端的电压的差值大于预设值的情况下，闭合第一可控开关，以使得一组电池单元对电容器充电。

可选地，在判断一组电池单元两端的电压大于另一组电池单元两端的电压的情况下，闭合该均衡单元中的两个可控开关中与一组电池单元对应的第一可控开关，使得一组电池单元给该均衡单元中的电容器充电包括：如果两组电池单元两端的电压的差值减小到初始差值的一半，则断开第一可控开关，以停止给电容器充电，该初始差值为开始给电容器充电时两组电池单元两端的电压的差值。

可选地，控制器还可以用于：在检测到两组电池单元两端的电压都小于预定电压的情况下，不对两组电池单元进行均衡。

可选地，多层均衡电路中的第一层均衡电路中的每一个均衡单元所连接的电池单元的数量可以为2个。

可选地，多层均衡电路中的最后一层均衡电路可以包括一个均衡单元，与该一个均衡单元连接的两组电池单元中的每一组电池单元的数量为多个电池单元的数量的一半。

可选地，多层均衡电路中的下一层均衡电路中的每一个均衡单元所连接的电池单元的数量是多层均衡电路中的上一层均衡电路中的每一个均衡单元所连接的电池单元的数量的两倍。

可选地，该控制器可以为电池管理系统(batterymanagementsystem，bms)。

通过上述技术方案，该主动均衡装置能够将锂电池组中电压高的锂电池中的电量转化到电压低的锂电池中，取代了将电能转化成热能的均衡流程，同时采用多层均衡电路的组成形式，能够同时对多电池组组成的电池阵列进行均衡，不仅节约了能源，同时还降低了电池因为散热不当而导致寿命耗尽过快的风险。

本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请，但并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是根据本申请的一实施方式的用于电池组的主动均衡装置的结构框图；

图2是根据本申请的一实施方式的主动均衡装置中的多层均衡电路的结构示意图；

图3是可以由图1中示出的主动均衡装置执行的根据本申请的一实施方式的均衡单元的均衡方法的流程图；

图4是可以由图1中示出的主动均衡装置执行的根据本申请的一实施方式的均衡单元的均衡方法的流程图；

图5是可以由图1中示出的主动均衡装置执行的根据本申请的一实施方式的均衡单元的均衡方法的流程图；以及

图6是可以由图1中示出的主动均衡装置执行的根据本申请的一实施方式的均衡单元的均衡方法的流程图。

附图标记说明

1、电压传感器2、电池组

3、多层均衡电路4、控制器

具体实施方式

以下结合附图对本申请的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。

图1是根据本申请的一实施方式的用于电池组的主动均衡装置的结构框图。如图1所示，在本申请的一个实施方式中，提供了一种用于电池组的主动均衡装置，该电池组2包括串联的多个电池单元，该主动均衡装置可以包括：

多层均衡电路3，每一层均衡电路包括至少一个均衡单元，每一个均衡单元包括串联的两个可控开关和一个电容器，串联的两个可控开关连接到多个电池单元中的串联的至少两个电池单元的两端，一个电容器连接在两个可控开关之间的节点与至少两个电池单元的中间节点之间，该中间节点将至少两个电池单元分成电池单元数量相同的两组电池单元。

图2示出了根据本申请的一实施方式的多层均衡电路的电路示意图。参考图2，图2中示出了电池组可以包括16个串联的电池单元b1～b16。第一层均衡电路可以包括16个可控开关s1～s16和8个电容器c1～c8，其中第一层均衡电路的均衡单元可以包括8个，例如其中一个均衡单元可以包括可控开关s1、s2和电容器c1。这两个可控开关s1和s2串联并连接到电池单元b1和b2的两端，电容器c1连接在串联的电池单元b1和b2之间的节点与可控开关s1和s2的之间的节点之间。这样，8个均衡单元串联连接。

同样地，第二层均衡电路可以包括8个可控开关s21～s28、和4个电容器c21～c24，其中第二层均衡电路的均衡单元可以包括4个，例如其中一个均衡单元可以包括可控开关s21、s22和电容器c21。这两个可控开关s21和s22串联并连接到串联的4个电池单元b1～b4的两端，电容器c21连接在电池单元b2和b3之间的节点与可控开关s21和s22的之间的节点之间。也就是说，电容器c21将4个电池单元b1～b4分成数量相同的两组电池单元，一组包括电池单元b1和b2，另一组包括电池单元b3和b4。这样，4个均衡单元串联连接。

第三层和第四层均衡电路的结构与前两层均衡电路的结构类似，只是可控开关和电容器的数量逐层减半。图2中示出的第四层均衡电路为最后一层均衡电路，其包括一个均衡单元。

虽然图2中示出了16个电池单元和四层均衡电路，但是，本领域技术人员可以理解，电池单元的数量可以是任意的，多层均衡电路的层数也可以是任意的。出于优化结构的考虑，电池单元的数量可以是2ⁿ个，多层均衡电路为n层，其中n是大于1的正整数。

主动均衡装置还可以包括：

电压传感器1，用于检测每一组电池单元b1～b16两端的电压；

控制器4，用于接收电压传感器检测到的每一组电池单元b1～b16两端的电压，根据该电压逐层控制均衡电路中的每一层均衡电路执行电压均衡操作。

例如，参考图2，控制器4可以先控制第一层均衡电路对电池单元b1～b16进行电压均衡，再控制第二层均衡电路对电池单元b1～b16进行均衡，以此类推，直至控制最后一层(图2中示出的第四层)均衡电路对电池单元b1～b16进行均衡。

控制器4的示例可以包括但不限于，通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(dsp)、多个微处理器、与dsp核心关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)电路、其他任何类型的集成电路(ic)、和/或状态机等等。

在本申请的一实施方式中，该控制器4可以被配置成用于：针对每一层均衡电路，控制该层均衡电路中的均衡单元间隔执行电压均衡操作。这样能够避免相邻两个均衡单元在均衡时相互干扰的问题。

继续参考图2，以第一层均衡电路为例，控制器4可以先控制第一层均衡电路对电池单元b1和b2、b5和b6、b9和b10、b13和b14进行均衡，然后再对其余的电池单元进行均衡。在对电池单元b1和b2、b5和b6、b9和b10、b13和b14进行均衡时，断开第一层均衡电路中与其余电池单元对应的可控开关。另外，在执行第一层均衡电路的均衡操作时，断开其他层均衡电路中的可控开关。其他层均衡电路也可以执行类似操作。

上述所列出的只是控制器4控制均衡单元间隔均衡的一种方式，本领域技术人员也可以理解为该间隔均衡还可以包括其他的实施方式，如先对b1和b2、b7和b8、b13和b14进行均衡，再对b3和b4、b9和b10、b15和b16进行均衡，最后再对其余均衡单元进行均衡，这样也可以避免在均衡时两个相邻的电池单元相互干扰的问题。

继续参考图2，例如控制器4可以先控制第一层均衡电路对电池单元b1和b2、b5和b6、b9和b10、b13和b14进行均衡，然后再对其余的电池单元进行均衡。在对电池单元b1和b2、b5和b6、b9和b10、b13和b14进行均衡时，断开第一层均衡电路中与其余电池单元对应的可控开关。另外，在执行第一层均衡电路的均衡操作时，断开其他层均衡电路中的可控开关。

在本申请的一实施方式中，控制器4可以被配置成针对每一个均衡单元执行用于电池组的主动均衡方法中的至少一部分步骤。图3是可以由图1中示出的主动均衡装置执行的根据本申请的一实施方式的均衡单元的均衡方法的流程图。控制器4可以执行该方法中的至少一部分步骤。在图3中，该方法可以包括：

在步骤s11中，电压传感器1检测每一个电池单元两端的电压。

在步骤s12中，控制器4接收电压传感器1检测到的每一个电池单元两端的电压，判断与该均衡单元连接的两组电池单元中的第一组电池单元两端的电压是否大于第二组电池单元两端的电压。

在步骤s13中，在判断第一组电池单元两端的电压大于第二组电池单元两端的电压的情况下，闭合该均衡单元中的两个可控开关中与第一组电池单元对应的第一可控开关，使得第一组电池单元给电容器充电。

在步骤s14中，在给电容器充电结束后，断开第一可控开关，闭合两个可控开关中的第二可控开关，使得电容器对第二组电池单元进行充电，以均衡两组电池单元两端的电压。

图4是可以由图1中示出的主动均衡装置执行的根据本申请的一实施方式的均衡单元的均衡方法的流程图。控制器4可以执行该方法中的至少一部分步骤。与图3中所示出的方法不同的地方在于，图3中示出的方法中的步骤s12、s13被替换成以下步骤：

在步骤s22中，判断两组电池单元的电压的差值是否大于预设值；

在步骤s23中，在判断两组电池单元两端的电压的差值大于预设值的情况下，闭合第一可控开关，以使得第一组电池单元对电容器充电。

图5是可以由图1中示出的主动均衡装置执行的根据本申请的一实施方式的均衡单元的均衡方法的流程图。控制器4可以执行该方法中的至少一部分步骤。与图4中示出的方法的不同之处在于，图5中示出的方法在步骤s23和步骤s24之间增加了以下步骤：

在步骤s34中，如果两组电池单元两端的电压的差值减小到初始差值的一半，则断开第一可控开关，以停止给电容器充电。该初始差值可以为开始给电容器充电时两组电池单元两端的电压的差值。

图6是可以由图1中示出的主动均衡装置执行的根据本申请的一实施方式的均衡单元的均衡方法的流程图。控制器可以执行该方法中的至少一部分步骤。与图5中示出的方法不同之处在于，该方法在步骤s31和步骤s32之间增加了以下步骤：

在步骤s42中，判断两组电池单元的两端的电压是否都小于预定电压。该预定电压可以是例如在两组电池单元都处于低电量时两组电池单元的电压值，这样在电压过低(小于预定电压)时，不进行上述的主动均衡操作。

上述方法同样适用于第二组电池单元两端的电压大于第一组电池单元两端的电压的情况。另外，上述方法对多层均衡电路中的任意一层均衡电路中的任意均衡单元都适用。

在本申请的一实施方式中，如图2所示，该多层均衡电路中的第一层均衡电路中的每一个均衡单元所连接的电池单元的数量可以为2个。

在本申请的一实施方式中，该多层均衡电路中的最后一层均衡电路可以包括一个均衡单元，与该一个均衡单元连接的两组电池单元b1～b16中的每一组电池单元b1～b16的数量为多个电池单元b1～b16的数量的一半。多层均衡电路中的下一层均衡电路中的每一个均衡单元所连接的电池单元b1～b16的数量是多层均衡电路中的上一层均衡电路中的每一个均衡单元所连接的电池单元b1～b16的数量的两倍

在以上的实施方式中，在每一层均衡电路执行完电池均衡操作之后，可以断开电容器c1～c41与电池单元b1～b16(例如断开可控开关s1～s32)。

在以上的实施方式中，可控开关s1～32均可以选用电磁继电器，但本领域技术人员可以理解可控开关也可以为三极管、mos管等。

在以上的实施方式中，控制器4可以选用bms，本领域技术人员也可以理解为其他控制器如数字信号处理器、微控制器等也是适用的。

在以上的实施方式中，电压传感器1可以选用霍尔电压传感器，但本领域技术人员也可以理解为其他电压传感器也是适用的。

如图2所示，在对电池组进行均衡时，该主动均衡装置中的控制器4先对电池组中的电池单元b1和b2、b5和b6、b9和b10、b13和b14所对应的可控开关进行控制，以对电池单元b1和b2、b5和b6、b9和b10、b13和b14进行均衡。此时，控制器4断开其余电池单元所对应的可控开关。在对电池单元b1和b2、b5和b6、b9和b10、b13和b14均衡结束后，再断开电池单元b1和b2、b5和b6、b9和b10、b13和b14对应的可控开关，开始对其余电池单元进行均衡。对电池单元的均衡过程中，控制器4控制可控开关的均衡过程上面已经详细描述，此处不再赘述。

通过上述技术方案，本申请提供的用于电池组的主动均衡装置能够对锂电池阵列中的单个电池进行一一均衡，再逐步对电池组进行均衡，以达到对锂电池阵列整体进行均衡的目的，此外，由于采用的均衡单元能够将锂电池组中电压高的锂电池中的电量转化到电压低的锂电池中，取代了将电能转化成热能的均衡流程，不仅节约了能源，同时还降低了电池因为散热不当而导致寿命耗尽过快的风险。

以上结合附图详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。