CN109496383A - 一种电池充电和平衡电路 - Google Patents
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Abstract
公开了一种电池充电和平衡电路,用于充电和平衡电池之间的电压。该电池充电和平衡电路包括:第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管,电容,第一电池和第二电池;其中,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成串联结构;所述第一电池与所述第二电池串联,且所述第一电池并联在所述第一开关管和第二开关管构成的串联结构的两端,所述第二电池并联在所述第三开关管和第四开关管构成的串联结构的两端;所述电容并联在所述第二开关管和第三开关管构成的串联结构的两端。
Description
技术领域
本申请涉及电路领域,特别涉及一种电池充电和平衡电路。
背景技术
随着新能源产业的快速发展,无论是新能源汽车或是大规模储能应用,均需要大量单体电池串联使用,但由于串联单体电池的不一致性严重影响了动力电池组的有效容量、循环寿命、安全性和经济性,使动力池组难以达到这样的要求。单体电池的一致性决定了串联电池组的性能、寿命和安全性,即只要有一个单体电池的性能变差,整个串联电池组的性能都将变差。常见情况有:其中有一个单体电池的容量偏低,结果是充电时这个单体电池首先达到充电上限截止电压,而放电时首先达到放电下限截止电压,那么这个单体电池的容量决定整个串联电池组的容量;如果初始状态有一个单体电池的电压偏低,充电时这个单体电池达不到截止电压而不能充满,放电时这个单体电池首先到达放电截止,该单体电池没充满电又提前把电放完,串联电池组实际可用的电量由这个单体电池的容量决定;如果一个单体电池的极化阻抗和内阻偏高,充电时电压上升快、放电时电压下降也快,就某一次测试的表现来看就是这个单体电池的容量不足,负载能力下降,充放电时的温度偏高。
电池制造过程中提高单体电池的一致性还有相当大的难度且需要较大投入并将大幅度提高电池的制造费用导致电池价格高而不利于相关产业的快速发展。目前电池制造商或电池组合工厂采用严格的筛选方法进行电池匹配来提高电池的一致性。但即使是严格匹配后的电池,在循环的初期或多次循环之后,就会表现出可见的差别,故采用电池匹配的有效性不尽人意;电池的工作条件和环境也会对一致性产生影响,随着电池循环次数的增加其一致性改变程度具有不可检测性。因此,单体电池的一致性又是相对的,过分强调制造过程中的一致性或使用过程中环境的一致性,只能以提高动力系统成本为代价。
由于制造工艺的限制,当单体电池串联成组使用时,各个单体电池存在差异,容易发生个别单体电池过充与过放现象,导致每个单体电池的电压不一致,从而影响整体串联电池组正常使用,缩短整体串联电池组的使用寿命。
发明内容
本申请实施例提供了一种电池充电和平衡电路,用于充电和平衡电池之间的电压。
本申请第一方面提供了一种电池充电和平衡电路,该电池充电和平衡电路包括:
第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管,电容,第一电池和第二电池;
其中,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成串联结构;
所述第一电池与所述第二电池串联,且所述第一电池并联在所述第一开关管和第二开关管构成的串联结构的两端,所述第二电池并联在所述第三开关管和第四开关管构成的串联结构的两端;
所述电容并联在所述第二开关管和第三开关管构成的串联结构的两端。
在一种可能的实施例中,所述电池充电和平衡电路还包括第一控制器,所述第一控制器分别与所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管连接,其被配置为分别控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的开通和关断。
在一种可能的实施例中,所述第一控制器被配置为在所述第一电池的电压高于所述第二电池时,控制所述第一开关管和第三开关管开通,以对所述电容充电;在所述第一电池与所述电容等压时,控制所述第一开关管和第三开关管关断,并控制所述第二开关管和第四开关管开通,以通过所述电容对所述第二电池放电。
在一种可能的实施例中,所述第一控制器被配置为在所述第二电池的电压高于所述第一电池时,控制所述第二开关管和第四开关管开通,以对所述电容充电;在所述第二电池与所述电容等压时,控制所述第二开关管和第四开关管关断,并控制所述第一开关管和第三开关管开通,以通过所述电容对所述第一电池放电。
在一种可能的实施例中,所述电池充电和平衡电路还包括第五开关管、第六开关管和第二控制器;
所述第五开关管、第六开关管和第一开关管构成串联结构;
所述第二控制器分别与所述第五开关管、第六开关管连接,其被配置为在充电状态时,控制所述第五开关管和第六开关管开通,且在放电状态时,控制所述第五开关管和第六开关管关断。
在一种可能的实施例中,所述第二控制器被配置为在检测到输入信号时,确定为充电状态;在检测到输出信号时,确定为放电状态。
在一种可能的实施例中,所述电池充电和平衡电路还包括用电控制器,所述用电控制器分别与所述第一电池和第二电池连接,其被配置为控制所述第一电池和第二电池中至少其一放电。
在一种可能的实施例中,所述开关管包括场效应晶体管FET。
在一种可能的实施例中,所述场效应晶体管包括金属氧化物场效应晶体管MOSFET或者结型场效应晶体管JFET。
在一种可能的实施例中,所述金属氧化物场效应晶体管MOSFET包括N型MOSFET或者P型MOSFET。
从以上技术方案可以看出,本发明实施例具有以下优点:该电池充电和平衡电路包括:第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管,电容,第一电池和第二电池;其中,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成串联结构;所述第一电池与所述第二电池串联,且所述第一电池并联在所述第一开关管和第二开关管构成的串联结构的两端,所述第二电池并联在所述第三开关管和第四开关管构成的串联结构的两端;所述电容并联在所述第二开关管和第三开关管构成的串联结构的两端。因此,当第一电池和第二电池的电压出现不平衡的状态时,通过第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管高频的开通和关断,从而对电容高频的进行充放电,以平衡第一电池和第二电池上的电压,使得单体电池的电压保持一致,延长电池的使用寿命。
附图说明
图1为本申请提供的电池充电和平衡电路的一个结构示意图;
图2为本申请提供的电池充电和平衡电路的另一结构示意图;
图3为本申请提供的电池充电和平衡电路的另一结构示意图;
图4为本申请提供的电池充电和平衡电路的另一结构示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种电池充电和平衡电路,用于充电和平衡电池之间的电压。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域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,都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
请参阅图1,为本申请提供的电池充电和平衡电路100,该电池充电和平衡电路100具体包括:
第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103、第四开关管104,电容105,第一电池106和第二电池107;
其中,该第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103和第四开关管104构成串联结构;
该第一电池106与该第二电池107串联,且该第一电池106并联在该第一开关管101和第二开关管102构成的串联结构的两端,该第二电池107并联在该第三开关管103和第四开关管104构成的串联结构的两端;
该电容105并联在该第二开关管102和第三开关管103构成的串联结构的两端。
基于上述电池充电和平衡电路100的结构,当第一电池106和第二电池107的电压出现不平衡的状态时,可通过第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103和第四开关管104高频的开通和关断,从而对电容高频的进行充放电,以平衡第一电池106和第二电池107上的电压,使得单体电池的电压保持一致,延长电池的使用寿命。
一个实施例中,如图2所示,该电池充电和平衡电路100还包括第一控制器201,该第一控制器201分别与该第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103和第四开关管104连接,其被配置为分别控制该第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103和第四开关管104的开通和关断。
一个实施例中,该第一控制器201被配置为在该第一电池106的电压高于该第二电池107时,控制该第一开关管101和第三开关管103开通,以对该电容105充电;直至电容105上的电压和第一电池106的电压一样。在该第一电池106与该电容105等压时,控制该第一开关管101和第三开关管103关断,并控制该第二开关管102和第四开关管104开通,等效于电容连接到了第二电池107,由于第二电池107上的电压低于电容105的电压,因此,可以通过该电容105对该第二电池107放电。
一个实施例中,该第一控制器201被配置为在该第二电池107的电压高于该第一电池106时,控制该第二开关管102和第四开关管104开通,以对该电容105充电;直至电容105上的电压和第二电池107的电压一样。在该第二电池107与该电容105等压时,控制该第二开关管102和第四开关管104关断,并控制该第一开关管101和第三开关管103开通,等效于电容105连接到了第一电池106,由于第一电池106上的电压低于电容105的电压,因此,可以通过该电容105对该第一电池106放电。
当整个电路的第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103和第四开关管104不停的开通和关断,上面描述的暂态过程变成了一个连续的模式,这时候只要发生任何的开通和关断,电容105就会不停的平衡第一电池106和第二电池107上的电压。开通的频率越高,第一电池106和第二电池107的压差就可以越快的一致。
一个实施例中,如图3所示,该电池充电和平衡电路100还包括第五开关管301、第六开关管302和第二控制器303;
该第五开关管301、第六开关管302和第一开关管101构成串联结构;
该第二控制器303分别与该第五开关管301、第六开关管302连接,其被配置为在充电状态时,控制该第五开关管301和第六开关管302开通,且在放电状态时,控制该第五开关管301和第六开关管302关断。
一个实施例中,该第二控制器303被配置为在检测到输入信号时,确定为充电状态,从而控制该第五开关管301和第六开关管302开通;在检测到输出信号时,确定为放电状态,从而控制该第五开关管301和第六开关管302关断。该输入信号可以是接入外接电源进行充电状态产生的电信号,该输出信号可以是接入外接设备进行放电状态产生的电信号。
需要说明的是,本申请提供的电池充电和平衡电路100既适用于充电状态下平衡电池之间的电压,也适用于放电状态下平衡电池之间的电压,还适用于不充电也不放电的状态下平衡电池之间的电压;此处不具体限定外围的电路结构。只要当第一电池106和第二电池107的电压出现不平衡的状态时,通过分别控制第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103和第四开关管104之间高频的开通和关断以对电容高频的进行充放电,从而达到平衡第一电池106和第二电池107上的电压。对于第一开关管101、第二开关管102、第三开关管103和第四开关管104之间如何高频的开通和关断,可参考上述实施例中关于第一电池106的电压高于/等于/低于该第二电池107等各状态下,对开关管的开通和关断所进行的描述,此处不再赘述。
一个实施例中,如图4所示,该电池充电和平衡电路100还包括用电控制器401,该用电控制器401分别与该第一电池106和第二电池107连接,其被配置为控制该第一电池106和第二电池107中至少其一放电。放电过程中,当第一电池106和第二电池107出现电压不平衡的状态的时候。电容105同样是可以搬运电荷,从而达到平衡第一电池106和第二电池107的电压的作用。因此,在独立放电的时候,整个电路也可以起到平衡的作用。
其中放电可以细分成,整个电池包放电和单个电池放电。
例如,第一种放电模式,是第二电池107放电,也就是说,放电电压可以是第二电池107。这个时候第一电池106并不对设备有直接的供电作用,但是电容105的作用可以搬运电荷给第二电池107,使得第一电池106和第二电池107上的电压保持一致。
第二种放电模式,是整个电池包放电,这个时候放电电压是第一电池106和第二电池107的电压之和,电容105的作用也是搬运第一电池106和第二电池107两边的电荷,让电池组的电压保持平衡。
因此这种结构完全可以有两种电压模式对用电设备连接,更大的提供了用户的易用性。
一个实施例中,该开关管包括场效应晶体管FET。
一个实施例中,该场效应晶体管包括金属氧化物场效应晶体管MOSFET或者结型场效应晶体管JFET。
一个实施例中,该金属氧化物场效应晶体管MOSFET包括N型MOSFET或者P型MOSFET。
需要说明的是,在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详细描述的部分,可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的各个实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括各个实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种电池充电和平衡电路,其特征在于,包括:
第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管,电容,第一电池和第二电池;
其中,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成串联结构;
所述第一电池与所述第二电池串联,且所述第一电池并联在所述第一开关管和第二开关管构成的串联结构的两端,所述第二电池并联在所述第三开关管和第四开关管构成的串联结构的两端;
所述电容并联在所述第二开关管和第三开关管构成的串联结构的两端。
2.根据权利要求1所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述电池充电和平衡电路还包括第一控制器,所述第一控制器分别与所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管连接,其被配置为分别控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的开通和关断。
3.根据权利要求2所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述第一控制器被配置为在所述第一电池的电压高于所述第二电池时,控制所述第一开关管和第三开关管开通,以对所述电容充电;在所述第一电池与所述电容等压时,控制所述第一开关管和第三开关管关断,并控制所述第二开关管和第四开关管开通,以通过所述电容对所述第二电池放电。
4.根据权利要求2所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述第一控制器被配置为在所述第二电池的电压高于所述第一电池时,控制所述第二开关管和第四开关管开通,以对所述电容充电;在所述第二电池与所述电容等压时,控制所述第二开关管和第四开关管关断,并控制所述第一开关管和第三开关管开通,以通过所述电容对所述第一电池放电。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述电池充电和平衡电路还包括第五开关管、第六开关管和第二控制器;
所述第五开关管、第六开关管和第一开关管构成串联结构;
所述第二控制器分别与所述第五开关管、第六开关管连接,其被配置为在充电状态时,控制所述第五开关管和第六开关管开通,且在放电状态时,控制所述第五开关管和第六开关管关断。
6.根据权利要求5所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述第二控制器被配置为在检测到输入信号时,确定为充电状态;在检测到输出信号时,确定为放电状态。
7.根据权利要求1至4任一项所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述电池充电和平衡电路还包括用电控制器,所述用电控制器分别与所述第一电池和第二电池连接,其被配置为控制所述第一电池和第二电池中至少其一放电。
8.根据权利要求1至4任一项所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述开关管包括场效应晶体管FET。
9.根据权利要求8所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述场效应晶体管包括金属氧化物场效应晶体管MOSFET或者结型场效应晶体管JFET。
10.根据权利要求9所述的电池充电和平衡电路,其特征在于,所述金属氧化物场效应晶体管MOSFET包括N型MOSFET或者P型MOSFET。
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