一种电池系统的电压平衡装置及电压平衡方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种电池系统的电压平衡装置及电压平衡方法，所述装置包括：互感器或变压器，包括初级绕组、多个次级绕组和磁性芯体；第一开关，与所述初级绕组串联连接，该第一开关与所述初级绕组并联于电池系统；多个第二开关，分别与各个次级绕组串联连接，各个第二开关与相串联的次级绕组并联于各个电芯；电压平衡控制电路，在电池系统充电时，控制并联于电压最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该第二开关同时闭合所述第一开关，在电池系统放电时，控制所述第一开关闭合，并于一设定时间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电芯的第二开关闭合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多节电芯串联组成的电池系统的电压平衡技术，具体地讲，是 。
技术介绍
目前常用的可充电式蓄电池普遍的一个特点是单节电池电压低，如铅酸电池单节2.0V、锂离子电池单节3.7V、镍氢电池单节1.2V。在一些需要高压供电 的系统上，必须使用同类电池多节串联的方式实现高压供电。如在通信领域， 通常采用每6个铅酸电池(电芯) 一组，组成12V电池包，然后再将4组电池 包串联起来，形成48V电池供电系统。在笔记本电脑上面，也通常是采用3 4 节锂离子电池串联起来形成11. IV或者14. 8V的电池系统。但是串联电池不可 避免的由于电池单体的电压、电气特性差异会出现每组串联电池中各个电池的 电压有差异，这种差异经过多次的充放电循环后会变得越来越明显，从而严重 影响串联电池系统的寿命和可靠性。所以在多级电池串联系统中一般会增加电 池电压平衡调节控制电路，用来降低每组电池中单体电芯之间的电压差异，提 高电池系统的循环寿命和可靠性。目前最常用的电池电压平衡电路是采用被动的平衡方式，即在每节电芯上 并联一个电阻和一个开关，开关由电压平衡控制电路控制，电压平衡控制电路 会对每节电芯的电压进行监控，当发现其中一个电芯的电压异常后，即对开关 进行控制。如图1所示，具体实现有两个阶段l)充电过程中的平衡当在充电过程中，发现其中一个电芯的电压较其他电池的电压高后，就将 和这个电芯并联的开关闭合，这样充电电流就会有一部分通过此电阻被旁路掉， 从而减缓电压较高的那个电芯的充电速度，使得电芯电压趋于一致。2)放电过程中的平衡当在放电过程中，发现其中一个电芯的电压较其他电芯的电压高后，就将和这个电芯并联的开关QX闭合，这样电压高的电芯就存在两个放电回路1、负载；2、与其并联的旁路电阻Rx，这样高电压的电芯的电压下降就会加快，使得各个电芯的电压趋于一致。图l所示的电池电压平衡电路为被动平衡方式，多余的能量(电压高的电芯存储了多余能量)都是通过平衡电阻R以热能的方式消耗掉，效率为0，同时增 加了系统散热压力。另外，由于平衡开关、电阻和电压平衡控制电路一般都是 集成在专用控制芯片内部以便节约单板面积，因此受限于芯片的散热能力，平 衡电流一般都不会超过100mA，这样对丁一些大容量的电池系统来说，平衡电压 的整个过程所需要的时间可能长达8小时甚至更长。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种电池系统的电压平衡装置，以提高电池能 量利用率。相应地，本专利技术还提供一种电池系统的电压平衡方法。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供的电池系统的电压平衡装置中，电 池系统包括两个以上(包括两个)串联的电芯，该装置包括互感器(如电流互感器、电压互感器)或变压器，该互感器或变压器包括 初级绕组、磁性芯体(如铁芯)和多个次级绕组；第一开关，与所述初级绕组串联连接，该第一开关与所述初级绕组并联于 所述电池系统；多个第二开关，分别与各个次级绕组串联连接，各个第二开关与相串联的 次级绕组并联于各个电芯；电压平衡控制电路，用于检测电池系统的每一节电芯的电压并控制所述第 一开关和所述第二开关的闭合与断开，在所述电池系统充电时控制并联于电压 最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该第二开关同时闭合所述第一开关，以及在所述电池系统放电时控制所述第一开关闭合，并于一设定时 间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电芯的第二开关闭合。本专利技术还提供的电池系统的电压平衡方法包括判断步骤，用于判断所述电池系统的充放电状态；检测步骤，用于检测电池系统的每一节电芯的电压；以及平衡步骤，该步骤包括 在电池系统充电时利用一第二开关导通与电压最高的电芯并联的互感器次级绕组或变压器次 级绕组；在所述次级绕组导通设定时间后，断开所述第二开关，并利用第一开关导通与电池系统并联的互感器初级绕组或变压器初级绕组；在电池系统放电时利用所述第一开关导通与电池系统并联的互感器初级绕组或变压器初级绕组；在该初级绕组导通设定时间后，断开所述第一开关，并利用所述第二开关 导通与电压最低的电芯并联的互感器次级绕组或变压器次级绕组。本专利技术实施例将多余的能量通过互感器或变压器绕组耦合的方式重新返回 电池系统内部，提高了电池能量利用率。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的限定。在附图中图l为现有的电池系统电压平衡装置的电路示意图；图2为本专利技术实施例的电池系统电压平衡装置的电路示意图；图3为本专利技术实施例中电压平衡控制电路的结构框图；图4本专利技术实施例的电池系统电压平衡方法的流程图。具体实施方式本专利技术实施例在一个多节电池串联系统中，增加以变压器为核心的主动平 衡电路，使得多余的能量在电池系统和电芯之间相互传递，达到均衡电芯电压 的目的，从而提高电池能量利用率。下面以三节电芯串联构成的电池系统为例 进行说明。如图2所示的电池系统电压平衡电路中，包括一变压器、多个开关及一电 压平衡控制电路，其中所述变压器包括初级绕组U磁性芯(如铁芯)和次级绕 组(Ll， L2， L3)，初级绕组和次级绕组绕于铁芯上。具体地，图2所示的电 路在串联电池系统的每个电芯上面并联一个变压器的绕组(次级绕组L1， L2， L 3)和开关(Ql， Q2、 Q3)，同时还有一个并联于整个电池系统之间的变压器绕 组(初级绕组L)和开关Q。这些开关由电压平衡控制电路(该电压平衡控制电 路可由专用芯片或者逻辑电路、模拟电路等多种电路形式来实现)控制轮流闭 合和断开，实现能量在整个电池系统和单体电芯之间相互传递。图2中的变压 器还可以为互感器(如电流互感器或电压互感器)。图2所示的电池系统的电压平衡电路能够实现充电时的平衡过程和放电时 的平衡过程。1)充电平衡过程当充电器对电池系统进行充电时，电压平衡控制电路首先控制将所有的开 关(Ql、 Q2、 Q3和Q)断开，然后时刻检测每个电芯的电压，当发现其中一个 电芯(假设是图2中最下面的那个电芯U3)的电压高于其他电芯时，便启动此 充电平衡过程。首先，和电压最高的电芯U3并联的开关Q3将会闭合，这样电 芯电压便会施加在对应的次级绕组L3上面，由于变压器绕组的电感会抑制电流 的突变，流过此绕组L3的电流因此线性增加，绕组L3上面同时感应出和电芯 电压的绝对值相等、极性相反的感生电动势(如图2中所示，黑点方向为正)， 当电流增大到一定程度时，将开关Q3断开。由于绕组L3的电流线性增加，因 此本专利技术实施例中对电流的大小判断是通过开关Q3的导通时间来判断，导通时间可以进行设定并由电压平衡控制电路控制， 一般是导通时间为US级，不然绕组L3上面的电流持续增加，直至超过其饱和电流从而导致电芯短路。开关Q3 断开时由于次级绕组上面的电流瞬变为0，从而导致次级绕组L3感应产生反向 的感生电动势(图2中此时黑点为负)，同时初级绕组L由于变压器的互感也 会产生感生电动势，此电动势同样为黑点为负，与此同时电压平衡控制电路将 初级开关Q闭合，此时初级绕组所产生的感应电动势便会从初级绕组流出，施 加在负载、充电器和电池系统的共同端，即多余的能量通过变压器的绕组耦合 重新返回到了电源，给负载供电和给电池充电。开关Q的导通时间同样由平衡 控制电路控制和调节，达到设定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池系统的电压平衡装置，该电池系统包括两个以上串联的电芯，其特征在于，该装置包括：　互感器或变压器，该互感器或变压器包括初级绕组、磁性芯体和多个次级绕组；　第一开关，与所述初级绕组串联连接，该第一开关与所述初级绕组并联于所述 电池系统；　多个第二开关，分别与各个次级绕组串联连接，各个第二开关与相串联的次级绕组并联于各个电芯；　电压平衡控制电路，用于检测电池系统的每一节电芯的电压并控制所述第一开关和所述第二开关的闭合与断开，在所述电池系统充电时控制并联 于电压最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该第二开关同时闭合所述第一开关，以及在所述电池系统放电时控制所述第一开关闭合，并于一设定时间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电芯的第二开关闭合。

【技术特征摘要】
1.一种电池系统的电压平衡装置，该电池系统包括两个以上串联的电芯，其特征在于，该装置包括互感器或变压器，该互感器或变压器包括初级绕组、磁性芯体和多个次级绕组；第一开关，与所述初级绕组串联连接，该第一开关与所述初级绕组并联于所述电池系统；多个第二开关，分别与各个次级绕组串联连接，各个第二开关与相串联的次级绕组并联于各个电芯；电压平衡控制电路，用于检测电池系统的每一节电芯的电压并控制所述第一开关和所述第二开关的闭合与断开，在所述电池系统充电时控制并联于电压最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该第二开关同时闭合所述第一开关，以及在所述电池系统放电时控制所述第一开关闭合，并于一设定时间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电芯的第二开关闭合。2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述电压平衡控制电路包括 判断单元，用于判断所述电池系统是处于充电还是放电状态，并产生状态信号；电压检测单元，用于检测所述电池系统的每一节电芯的电压； 控制单元，连接所述判断单元及电压检测单元，在所述电池系统处于充电 状态时控制并联于电压最高的电芯的第二开关闭合，并于一设定时间后断开该 第二开关同时闭合所述第一开关，以及在电池系统处于放电状态时控制所述第 一开关闭合，并于一设定时间后断开该第一开关同时控制并联于电压最低的电 芯的第二开关闭合。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭祖峰，
申请(专利权)人：深圳华为通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]