一种改进型电池模组均衡电路的制作方法

1.本实用新型涉及电池管理技术领域，特别是涉及一种改进型电池模组均衡电路。


背景技术：

2.在新能源应用领域，锂电池越来越多地被应用于电子电气产品中，如电动汽车、电动自行车、电动工具、通信基站、机器人等。为了让锂电池能够被安全可靠的使用，需要配置使用电池管理系统(bms)来监测锂电池的使用状态，并实现过充、过放、过温等保护功能。
3.在实际应用中，一般通过由多个单体电池串联而成的电池模组或电池系统，来为负载供电，但是，由于单体电池性能并不是绝对一致的，因此会出现每个单体电池之间的电量存在差异的情况，如果这个差异严重，就会导致电量较低的单体电池不能被充满或者总是最先进入过放电状态、电量较高的单体电池总是最先进入过充电状态，这样不但减少电池模组的循环使用寿命，而且还会因为有较大差异的单体电池被频繁的过充电和过放电而引发安全事故，因此，在电池管理系统中，就需要采用均衡电路来减小单体电池之间的差异或者维持差异不再继续增大，以求尽量延长电池模组的循环使用寿命，降低安全事故的发生几率。
4.在现有的被动均衡技术方案中，通常会采用专用电池前端检测芯片和外置均衡电阻，来实现对单体电池的均衡。电池前端检测芯片是一种集成检测芯片，主要用来检测单体电池的电压和温度，同时还具有均衡功能；其中，有的集成检测芯片，只提供均衡控制信号，控制外置均衡开关的导通和截止；而有的集成检测芯片，则将均衡开关集成在芯片内部，在内部控制均衡开关的导通和截止。
5.对于将均衡开关集成在内部的电池前端检测芯片，所允许的均衡电流的最大值一般为几百个毫安左右，这样当芯片内部的均衡开关导通时，电池前端检测芯片的发热量极大，因此需要使每一个均衡开关的导通时间非常短，而均衡开关的导通时间非常短，不但降低了均衡效果，而且过大的发热量，也会造成芯片的潜在失效，直至彻底失效；
6.另外，当电池模组容量很大时，需要相应增大均衡电流，那么受电池前端检测芯片中允许的最大均衡电流的限制，芯片只是允许几百个毫安的均衡电流通过，势必也会降低均衡的效果。
7.因此，目前迫切需要开发出一种新的技术，能够提高电池模组均衡电路的可靠性和对电池的均衡效果，降低安全事故的发生几率。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种改进型电池模组均衡电路。
9.为此，本实用新型提供了一种改进型电池模组均衡电路，包括多个串联的单体电池b；
10.该均衡电路，包括多个均衡回路和电池前端检测芯片；
11.其中，每个单体电池b，分别与一个均衡回路相对应连接；
12.电池前端检测芯片，与多个均衡回路相连接；
13.对于每个均衡回路，其输入端1，分别连接一个单体电池b的正极端b+，用于接收单体电池b的电压和电流，从而对单体电池b1进行均衡；
14.对于每个均衡回路，其输入端2，连接单体电池b的负极端b
‑
，用于接收单体电池b的电压和电流，从而对单体电池b进行均衡；
15.对于每个均衡回路，其输入端3，连接电池前端检测芯片的一个输出端，用于接收电池前端检测芯片向本均衡回路发送的一个均衡控制信号，该均衡控制信号用于控制本均衡回路的开启和截止；
16.对于每个均衡回路，其输入端4，连接电池前端检测芯片的另外一个输出端，用于接收电池前端检测芯片向本均衡回路发送的另外一个均衡控制信号，该均衡控制信号用于控制本均衡回路的开启和截止。
17.优选地，电池前端检测芯片，其包括多对输出端bc；
18.每对输出端bc，具体包括两个输出端；
19.每对输出端bc，分别与一个均衡回路的输入端3和输入端4连接，用于发送两个均衡控制信号bc给本均衡回路，用于控制单体电池b所对应的均衡回路的开启和截止。
20.优选地，对于任意一个单体电池bm所对应连接的均衡回路，包括：均衡电阻rb1、均衡开关qb1、电阻r1～r9、开关管q2～q3，二极管d1和电容c1，其中：
21.m是小于或等于n，且大于或等于1的任意一个自然数；
22.对于电池模组中的单体电池b，n为电池模组中单体电池串联的数量；
23.均衡电阻rb1的第1管脚，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路的输入端1，连接单体电池bm的正极端bm+，用于接收单体电池bm的电压和均衡电流；
24.均衡电阻rb1的第2管脚，连接均衡开关qb1的漏极d；
25.均衡开关qb1的源极s，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路的输入端2，连接单体电池bm的负极端bm
‑
，用于接收单体电池b1的电压和均衡电流；
26.均衡开关qb1的源极s，还连接二极管d1的阴极；
27.均衡开关qb1的栅极g，连接t3端；
28.t3端，分别连接电阻r9的第1管脚、开关管q1的漏极d和开关管q3的漏极d；
29.电阻r9的第2管脚、二极管d1的阳极、开关管q1的源极s、开关管q2的源极s、电容c1的第2管脚和电阻r3的第2管脚在汇流相交后的端口，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路的输入端4，连接电池前端检测芯片的一个输出端bcm2，用于接收电池前端检测芯片向本均衡回路发送的均衡控制信号bcm2，该均衡控制信号bcm2的信号状态固定为低电平；
30.电阻r8的第1管脚，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路的输入端1，连接单体电池bm的正极端bm+，用于接收单体电池bm的电压和电流；
31.电阻r8的第2管脚，连接开关管q3的源极s；
32.开关管q3的栅极g，连接电阻r7的第1管脚；
33.电阻r7的第2管脚，连接开关管q2的漏极d；
34.开关管q2的栅极g，分别连接电阻r5的第1管脚和电容c1的第1管脚；
35.电阻r5的第2管脚，连接t1端；
36.t1端，分别连接电阻r1的第2管脚和电阻r2的第1管脚；
37.电阻r2的第2管脚，连接t2端；
38.t2端，分别连接电阻r3的第1管脚、电阻r4的第1管脚和电阻r6的第2管脚；
39.电阻r6的第1管脚，连接开关管q1的栅极g；
40.电阻r4的第2管脚，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路的输入端3，连接电池前端检测芯片的另外一个输出端bcm1，接收所述电池前端检测芯片发送的均衡控制信号bcm1。
41.由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种改进型电池模组均衡电路，其设计科学，根据电池前端检测芯片的工作原理，增加外置均衡开关和均衡回路，减小流过电池前端检测芯片内部集成的均衡开关的电流，并通过电池前端检测芯片内部集成的均衡开关和均衡回路，控制外置均衡开关的导通和截止，提高了作为集成芯片的电池前端检测芯片的可靠性，具有重大的实践意义。
附图说明
42.图1为本实用新型提供的一种改进型电池模组均衡电路的结构方框图；
43.图2为本实用新型提供的一种改进型电池模组均衡电路中，对于任意一个单体电池b
m
，其具有的均衡回路的电路原理图；
44.图3为在本实用新型中，具体实施例中，单体电池b1对应的第1个均衡回路的原理图，即m为1。
具体实施方式
45.为使本实用新型实现的技术手段更容易理解，下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分。
46.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
47.参见图1至图3，本实用新型提供了一种改进型电池模组均衡电路，该电池模组包括多个串联的单体电池b；
48.该均衡电路，包括多个均衡回路100和电池前端检测芯片200；
49.其中，每个单体电池b，分别与一个均衡回路100相对应连接。
50.电池前端检测芯片200，与多个均衡回路100相连接。
51.在本实用新型中，具体实现上，对于每个均衡回路100(即任意一个均衡回路100)，其输入端1，分别连接一个单体电池b的正极端b+，用于接收单体电池b的电压和电流，从而对单体电池b1进行均衡；
52.对于每个均衡回路100，其输入端2，连接单体电池b的负极端b
‑
，用于接收单体电池b的电压和电流，从而对单体电池b进行均衡；
53.对于每个均衡回路100，其输入端3，连接电池前端检测芯片200的一个输出端，用于接收电池前端检测芯片200向本均衡回路100发送的一个均衡控制信号，该均衡控制信号
用于控制本均衡回路100的开启和截止；
54.对于每个均衡回路100，其输入端4，连接电池前端检测芯片200的另外一个输出端，用于接收电池前端检测芯片200向本均衡回路100发送的另外一个均衡控制信号，该均衡控制信号用于控制本均衡回路100的开启和截止；
55.在图1中，电池前端检测芯片200，其包括多对(例如n对)输出端bc；
56.每对输出端bc，具体包括两个输出端；
57.每对输出端bc，分别与一个均衡回路100的输入端3和输入端4连接，用于发送两个均衡控制信号bc给本均衡回路100，用于控制单体电池b所对应的均衡回路100的开启和截止。
58.在本实用新型中，具体实现上，在图1中，电池模组包括n个单体电池，n是大于或等于1的自然数。
59.在图1中，对于电池模组中的单体电池b，n为电池模组中电池串联的数量，对应的有n个均衡回路100。
60.需要说明的是，n的最大值，根据电池前端检测芯片200的规格来确定，例如，如果电池前端检测芯片200最多能检测10串电池，那么n的最大值等于10；
61.在本实用新型中，n的数值越大，说明单体电池b在电池模组中的位置越低，就越靠近电池模组的负极端bn
‑
，反之，在电池模组中的位置越高，也就越靠近电池模组的正极端b1+。
62.需要说明的是，每个单体电池b分别具有一个均衡回路100，也就是，有n个单体电池，就有n个均衡回路100；因此，对于每一个单体电池b，电池前端检测芯片200有两个输出端(一对输出端)与该单体电池b具有的均衡回路100连接，用于控制该均衡回路100的均衡状态，包括均衡开启和均衡截止两种均衡状态。
63.需要说明的是，每个均衡回路100的均衡状态，对其他任意一个均衡回路100的均衡状态没有影响。
64.在本实用新型中，每个均衡回路100的结构设计相同，下面以第1个均衡回路100为例进行具体解释：
65.在图1中，第1个均衡回路100，其输入端1，连接单体电池b1的正极端b1+，用于接收单体电池b1的电压和电流，对单体电池b1进行均衡；
66.第1个均衡回路100，其输入端2，连接单体电池b1的负极端b1
‑
，用于接收单体电池b1的电压和电流，对单体电池b1进行均衡；
67.第1个均衡回路100，其输入端3，连接电池前端检测芯片200的输出端bc11，用于接收电池前端检测芯片200向本均衡回路100发送的一个均衡控制信号bc11，该均衡控制信号bc11用于控制第1个均衡回路(即本均衡回路100)的开启和截止；
68.第1个均衡回路100，其输入端4，连接电池前端检测芯片200的另外一个输出端bc12，用于接收电池前端检测芯片200向本均衡回路100发送的另外一个均衡控制信号bc12，该均衡控制信号bc12用于控制第1个均衡回路的开启和截止；
69.电池前端检测芯片200，其输出端bc11，与第1个均衡回路100的输入端3连接，用于发送均衡控制信号bc11给第1个均衡回路100，用于控制单体电池b1所对应的第1个均衡回路100的开启和截止；
70.电池前端检测芯片200，其输出端bc12，与第1个均衡回路100的输入端4连接，用于发送均衡控制信号bc12第1个均衡回路100，用于控制单体电池b1所对应的第1个均衡回路100的开启和截止。
71.同理，第2个～第n个均衡回路100，其输入端1，分别与所对应的单体电池b的正极端b+连接，用于接收单体电池b的电压和电流，可以对单体电池b进行均衡；
72.第2个～第n个均衡回路100，其输入端2，分别与所对应的单体电池b的负极端b
‑
连接，用于接收单体电池b的电压和电流，可以对单体电池b进行均衡；
73.第2个～第n个均衡回路100，其输入端3，分别连接电池前端检测芯片200的一个输出端bcn1，用于电池前端检测芯片200向本均衡回路100发送的均衡控制信号bcn1，该均衡控制信号用于控制本均衡回路100(即第n个均衡回路)的开启和截止；
74.第2个～第n个均衡回路100，其输入端4，分别连接所述电池前端检测芯片200的另外一个输出端bcn2，用于接收电池前端检测芯片200向本均衡回路100发送的另外一个均衡控制信号bcn2，该均衡控制信号用于控制本均衡回路100(即第n个均衡回路)的开启和截止；
75.在本实用新型中，需要说明的是，电池前端检测芯片200是现有的一种内部集成均衡开关的集成芯片，能够在内部控制均衡开关的导通和截止。
76.需要说明的是，在本实用新型中，流过电池前端检测芯片200内部所集成的均衡开关的电流不是均衡电流，其电流值远远小于均衡电流，极大地降低了电池前端检测芯片200的发热量，从而降低了电池前端检测芯片200的失效率。
77.在本实用新型中，每个均衡回路100的工作原理相同，下面以第1个均衡回路100为例进行具体解释：
78.在本实用新型中，电池前端检测芯片200的输出端bc12(即电池前端检测芯片200上用于连接均衡回路100的输入端4的输出端)固定为低电平；
79.一、均衡截止：当电池前端检测芯片200的输出端bc11(即电池前端检测芯片200上用于连接均衡回路100的输入端3的输出端)为高电平时，第1个均衡回路100处于均衡截止状态，不能对单体电池b1进行均衡，也就没有均衡电流流入该均衡回路100；
80.二、均衡开启：当电池前端检测芯片200的输出端bc11为低电平时，第1个均衡回路100处于均衡开启状态，能够对单体电池b1进行均衡，此时有均衡电流流入均衡回路100；
81.需要说明的是，在均衡回路100处于均衡开启状态时，电池前端检测芯片200的输出端bc11和输出端bc12中流过的电流不是均衡电流，而是远远小于均衡电流的控制电流，目的是最大限度的减小电池前端检测芯片200的发热量，从而降低电池前端检测芯片200的失效率。
82.图2为对于单体电池bm，对应的第m个均衡回路100的原理图；图3为在具体实施例中，单体电池b1对应的第1个均衡回路100的原理图，即m为1。
83.在本实用新型中，具体实现上，参见图2所示，对于任意一个单体电池bm所对应连接的均衡回路100，包括：均衡电阻rb1、均衡开关qb1、电阻r1～r9、开关管q2～q3，二极管d1和电容c1，其中：
84.需要说明的是，m是小于或等于n，且大于或等于1的任意一个自然数；
85.对于电池模组中的单体电池b，n为电池模组中单体电池串联的数量；
86.在本实用新型中，均衡电阻rb1的第1管脚，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路100的输入端1，连接单体电池bm的正极端bm+，用于接收单体电池bm的电压和均衡电流；
87.均衡电阻rb1的第2管脚，连接均衡开关qb1的漏极d；
88.需要说明的是，通过调节均衡电阻rb1的电阻值，来获得所需要的均衡电流；
89.均衡开关qb1的源极s，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路100的输入端2，连接单体电池bm的负极端bm
‑
，用于接收单体电池b1的电压和均衡电流；
90.均衡开关qb1的源极s，还连接二极管d1的阴极；
91.均衡开关qb1的栅极g，连接t3端；
92.t3端，分别连接电阻r9的第1管脚、开关管q1的漏极d和开关管q3的漏极d；
93.电阻r9的第2管脚、二极管d1的阳极、开关管q1的源极s、开关管q2的源极s、电容c1的第2管脚和电阻r3的第2管脚在汇流相交后的端口，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路100的输入端4，连接电池前端检测芯片200的一个输出端bcm2，用于接收电池前端检测芯片200向本均衡回路100发送的均衡控制信号bcm2，该均衡控制信号bcm2的信号状态固定为低电平；
94.电阻r8的第1管脚，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路100的输入端1，连接单体电池bm的正极端bm+，用于接收单体电池bm的电压和电流；
95.电阻r8的第2管脚，连接开关管q3的源极s；
96.开关管q3的栅极g，连接电阻r7的第1管脚；
97.电阻r7的第2管脚，连接开关管q2的漏极d；
98.开关管q2的栅极g，分别连接电阻r5的第1管脚和电容c1的第1管脚；
99.电阻r5的第2管脚，连接t1端；
100.t1端，分别连接电阻r1的第2管脚和电阻r2的第1管脚；
101.电阻r2的第2管脚，连接t2端；
102.t2端，分别连接电阻r3的第1管脚、电阻r4的第1管脚和电阻r6的第2管脚；
103.电阻r6的第1管脚，连接开关管q1的栅极g；
104.电阻r4的第2管脚，作为单体电池bm其所对应连接的均衡回路100的输入端3，连接电池前端检测芯片200的另外一个输出端bcm1，用于接收所述电池前端检测芯片200发送的均衡控制信号bcm1，该均衡控制信号bcm1的信号状态包括高电平和低电平；
105.参见图2、图3所示，对于本实用新型，以单体电池b1为例，说明每个单体电池的均衡回路100的工作原理，具体如下：
106.由于电池前端检测芯片200的输出端bc12通过二极管d1与单体电池b1的负极端b1
‑
连接，所以均衡启动信号bc12固定为低电平。
107.一、均衡截止：当电池前端检测芯片200的输出端bc11所输出的均衡控制信号bc11为高电平时，t1端和t2端通过电阻r1～r3分压后，均保持高电平，高电平的t2先使开关管q1导通，然后在电容c1的延时作用下，高电平的t1再使开关管q2、q3导通；导通的开关管q1使t3端为低电平，从而使均衡开关qb1截止，此时均衡电阻rb1和均衡开关qb1中没有均衡电流，不能对单体电池b1进行均衡；
108.需要说明的是，电池前端检测芯片200的输出端bc11为高电平时，说明电池前端检
测芯片200的内部集成的均衡开关处于截止状态。
109.二、均衡开启：当电池前端检测芯片200的输出端bc11所输出的均衡控制信号bc11为低电平时，此时bc11端与bc12端在电池前端检测芯片200内部接通，t2端被并联接入的电阻r4下拉为低电平，使开关管q1由导通变为截止；但是，t1端则通过电阻r1、电阻r2和电阻r4的分压作用，仍然保持为高电平，继续使开关管q2、q3保持导通，通过电阻r8和电阻r9的分压作用，使t3端由低电平变为高电平，从而使均衡开关qb1导通，此时均衡电阻rb1和均衡开关qb1中有均衡电流流过，开始对单体电池b1进行均衡；
110.需要说明的是，电池前端检测芯片200的输出端bc11为低电平时，说明电池前端检测芯片200的内部集成的均衡开关处于导通状态；
111.需要说明的是，电池前端检测芯片200的输出端bc11为低电平时，流过输出端bc11的电流不是均衡电流，该电流值远远小于均衡电流的数值，极大地降低了电池前端检测芯片200的发热量，从而降低了电池前端检测芯片200的失效率；
112.需要说明的是，通过调节电阻r1、电阻r2和电阻r4的大小，来获得流过电池前端检测芯片200输出端bc11电流值，以保证电池前端检测芯片200可以正常工作，该电流值的范围，可以从电池前端检测芯片200的规格书中获取；
113.需要说明的是，电阻r4的阻值，要远远小于电阻r3的阻值，保证t2端能够使开关管q1可靠截止。
114.在本实用新型中，具体实现上，需要说明的是，电池前端检测芯片200，可以应用目前在bms技术方案中普遍采用的品牌、系列和型号，如nxp(恩智浦)的mc33771电池控制器集成电路芯片。对于本实用新型，电池前端检测芯片的型号及其内部工作原理、控制逻辑不在本实用新型保护范围内。
115.与现有技术相比较，本实用新型提供的改进型电池模组均衡电路，具有如下有益效果：
116.1、本实用新型，通过电池前端检测芯片内部集成的均衡开关来控制外置均衡开关的开启和截止，既可以灵活调节均衡电流，提高了均衡效果，又极大降低了芯片的发热量，提高了均衡功能的可靠性；
117.2、对于本实用新型的技术方案，硬件电路设计科学，电子元器件为普遍应用型号，易于选型且元器件价格低廉；
118.3、由于本实用新型的技术方案的硬件电路功耗较低，故可以采用表贴型小功率电子元器件，因此电路板占用空间小，极大降低了材料成本。因此，本实用新型的技术方案，具有很强的实用价值和市场推广价值。
119.综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供的一种改进型电池模组均衡电路，其设计科学，根据电池前端检测芯片的工作原理，增加外置均衡开关和均衡回路，减小流过电池前端检测芯片内部集成的均衡开关的电流，并通过电池前端检测芯片内部集成的均衡开关和均衡回路，控制外置均衡开关的导通和截止，提高了作为集成芯片的电池前端检测芯片的可靠性，具有重大的实践意义。
120.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。