TWI661649B - 電池平衡電路及電池裝置 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種電池平衡電路，應用於電池裝置中，電池平衡電路用於平衡電池裝置中兩個相鄰且串聯連接電池的電量，其包含：第一電容和第二電容，分別並聯連接在兩個相鄰電池的兩端；第一開關電路和第二開關電路，分別並聯連接在兩個相鄰電池的兩端，用於控制對電池進行放電或充電；第三電容，連接在第一開關電路和第二開關電路之間，用於存儲或釋放能量以平衡兩個電池的電量；其中，第三電容和電路中的寄生電感諧振，第一開關電路和第二開關電路工作在諧振頻率。採用本發明技術不僅可以增大轉移電流，且電路具有較高的工作效率。

Description

電池平衡電路及電池裝置

本發明涉及一種電力電子技術，更具體地說，涉及一種應用於移動設備中的電池平衡電路。

電池裝置通常由一個或幾個電池組並聯，每個電池組又由幾個電池串聯構成。這種組合方式能夠滿足筆記本電腦、醫療設備、測試儀器及工業應用所需的電壓和功率要求。然而，這種應用普遍的配置通常並不能發揮其最大功效，因為如果某個串聯電池的容量與其他電池不匹配，電池裝置的容量就只能達到最弱的電池的容量，這將會降低整個電池裝置的容量。

如圖1A所示，為傳統的電阻耗能型電池平衡電路。其中，bat1和bat2為兩個相鄰的串聯連接的電池，電阻R1和R2、開關S1和S2構成平衡電路。例如，電池bat1的電量大於電池bat2的電量，需要對電池bat1進行放電，此時開關S2保持關斷，開關S1閉合導通，電池bat1上的能量以熱的方式在電阻R1上進行釋放，直到其上的電量與電池bat2上的電量相等，完成電量平衡過程。這種電池 平衡方案的平衡能量以熱的方式耗散掉，不能被系統吸收利用，無法達到能量的優化。

如圖1B所示，為現有技術中另一種電容式電池平衡方法，其中，bat1和bat2為兩個相鄰的串聯連接的電池，開關S3~S6以及電容C0構成平衡電路。例如，電池bat1的電量大於電池bat2的電量，需要對電池bat1進行放電，先導通開關S3和S5，使得具有較高電量的電池bat1與電容C0接通，將電池bat1上的部分電荷轉移至電容C0上，接著關斷開關S3和S5，導通開關S4和S6，使得電池bat2與電容C0接通，將C0上的電荷轉移至電池bat2上，如此實現電池間的電量平衡。但是，此種電池平衡方案的平衡電流為脈衝型，平衡能力受限平衡週期和電容大小的限制，且效率較低。

有鑒於此，本發明提供了一種電池平衡電路，以解決現有技術中平衡效率低和平衡能力較弱的問題。

第一方面，提供一種電池平衡電路，應用於電池裝置中，所述電池裝置至少包含兩個串聯連接的電池，所述電池平衡電路用於平衡電池裝置中兩個相鄰的串聯連接電池的電量，其特徵在於，包含：第一電容和第二電容，分別並聯連接在所述兩個相鄰電池的兩端；第一開關電路和第二開關電路，分別並聯連接在所述兩個相 鄰電池的兩端，用於控制對電池進行放電或充電；第三電容，連接在所述第一開關電路和所述第二開關電路之間，用於存儲或釋放能量以平衡兩個電池的電量；其中，所述第三電容和電池平衡電路中的寄生電感諧振，所述第一開關電路和第二開關電路工作在諧振頻率。

優選地，所述第一電容和第二電容的等效電阻小於對應電池的內阻，等效電感小於對應電池的寄生電感，用以消除所述兩個相鄰的串聯連接電池的內阻和寄生電感對轉移電流的影響。

優選地，所述第一開關電路由第一電晶體和第二電晶體串聯構成，所述第二開關電路由第三電晶體和第四電晶體串聯構成。

優選地，在其中一個電池與所述第三電容接通時，另一個電池不會通過相應電晶體的體二極體與所述第三電容接通。

優選地，所述第三電容的第一端連接在所述第一開關電路中第一電晶體和第二電晶體的公共節點，另一端連接在所述第二開關電路中第三電晶體和第四電晶體的公共節點。

優選地，所述第一電晶體和第三電晶體同時導通或同時關斷，在同時導通期間，第三電容對一個電池充電或者使其 放電；所述第二電晶體和第四電晶體同時導通或同時關斷，在同時導通期間，第三電容對另一個電池充電或者使其放電；其中，所述第一電晶體和第二電晶體互補導通。

優選地，在所述第三電容的電流過零時，將第一和第三電晶體由導通狀態切換至關斷狀態，將第二和第四電晶體由關斷狀態切換至導通狀態；或者將第一和第三電晶體由關斷狀態切換至導通狀態，將第二和第四電晶體由導通狀態切換至關斷狀態。

第二方面，提供一種電池裝置，包括：電池；以及如上所述的電池平衡電路。

本發明技術利用電容和寄生電感組成諧振式電池平衡電路，可以最大限度地利用電池的電壓差進行電量傳遞，通過控制諧振電流可以實現開關電路的零電流開通和零電流關斷，且轉移電流不受頻率和電容大小的影響。採用本發明技術不僅可以增大轉移電流，且電路具有較高的工作效率。

bat1‧‧‧電池

bat2‧‧‧電池

S1~S6‧‧‧開關

R1,R2‧‧‧電阻

C0‧‧‧電容

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

C3‧‧‧第三電容

21‧‧‧第一開關電路

22‧‧‧第二開關電路

M1‧‧‧第一電晶體

M2‧‧‧第二電晶體

M3‧‧‧第三電晶體

M4‧‧‧第四電晶體

L1‧‧‧電感

ic‧‧‧轉移電流

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實 施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1A為現有技術中一個電池平衡電路的電路示意圖；圖1B為現有技術中另一個電池平衡電路的電路示意圖；圖2為本發明實施例的電池平衡電路的電路示意圖；圖3A為本發明實施例的電池平衡電路在一個階段的等效電路圖；圖3B為本發明實施例的電池平衡電路在另一個階段的等效電路圖；圖4為本發明實施例的電池平衡電路的等效分析示意圖；圖5為本發明實施例的電池平衡電路的工作波形圖。

以下基於實施例對本發明進行描述，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實 質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敍述。

此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。

同時，應當理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個元件或子電路通過電氣連接或電磁連接構成的導電回路。當稱元件或電路“連接到”另一元件或稱元件/電路“連接在”兩個節點之間時，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。

除非上下文明確要求，否則整個說明書和請求項書中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限於”的含義。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

圖2為本發明實施例的電池平衡電路的電路示意圖。如圖2所示，本發明實施例的電池平衡電路包括第一電容C1和第二電容C2、第一開關電路21和第二開關電路22以及第三電容C3。

可以理解的是，本發明技術提出的電池平衡電路，應用於電池裝置中，所述電池裝置至少包含兩個串聯連接的電池，所述電池平衡電路用於平衡電池裝置中兩個相鄰的串聯連接的電池的電量，即任意兩個相鄰電池中均可以包含本發明實施例的電池平衡電路。

其中，第一電容C1和第二電容C2，分別並聯連接在兩個相鄰電池bat1和bat2的兩端。優選地，第一電容C1和第二電容C2具有較小的等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL，用以消除電池電阻和電池的寄生電感對轉移電流大小的影響。

第一開關電路21和第二開關電路22，分別並聯連接在所述兩個電池bat1和bat2的兩端，用於控制對電池進行放電或充電。具體地，第一開關電路21由第一電晶體M1和第二電晶體M2串聯構成，第二開關電路22由第三電晶體M3和第四電晶體M4串聯構成。在本發明實施例中，所有電晶體均以N溝道增強型場效應電晶體為例來進行說明，第一電晶體M1的漏極接電池bat1的正極，源極接第二電晶體M2的漏極，第二電晶體M2的源極連接至電池bat1的負極；第三電晶體M3的漏極接電池bat2的正極，源極接第四電晶體M4的漏極，第四電晶體M4的源極連接至電池bat2的負極。

第三電容C3，連接在第一開關電路21和第二開關電路22之間，用於存儲或釋放能量以平衡兩個電池bat1和bat2的電量。具體地，第三電容C3的第一端連接在第一開關電路21中第一 電晶體M1和第二電晶體M2的公共節點，另一端連接在所述第二開關電路22中第三電晶體M3和第四電晶體M4的公共節點。

需要說明的是，圖2中所示的電感L1為電路中的雜散電感或者引線電感等寄生電感的集總表徵，即為一集總等效寄生電感，圖2中所示的電阻R1也為一集總等效電阻。由於在每個電池兩端並聯連接了具有較小的等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL的電容，故可以遮罩電池電阻和電池的寄生電感對電感L1和電阻R1的影響。在本發明實施例中，電阻R1為第三電容C3連接至第一電容C1或者第二電容C2回路上的電阻總和，包括電晶體的導通電阻Rdson，線路的引線電阻以及第三電容C3的等效串聯電阻C3_ESR。因此，第三電容C3優先選用具有較小等效電阻的電容，以減小電阻R1的大小來增大轉移電流。

本發明實施例的電池平衡電路在工作時，第三電容C3和電路中的寄生電感L1發生諧振，第一開關電路21和第二開關電路22工作在此諧振頻率下。可以理解的是，由於雜散電感或引線電感等寄生電感的差異，同一個電路在工作過程中的諧振頻率並不固定，因此，還需要一個電流過零檢測電路，用以調節諧振頻率。具體地，電流過零檢測電路可以採樣流過第三電容C3的電流，在電流過零時，切換所述第一電晶體M1至第四電晶體M4的開關狀態，實現諧振控制以及電晶體的零電流開通及零電流關斷，從而使得電路具有較小的開關損耗，較高的工作效率。

採用寄生電感與電容發生諧振，可以節省器件和成本。諧振時頻率為f=1/2π ，電感為寄生電感，感值在幾nH到幾十nH，若需要把開關電路頻率做到MHz以下，需要的電容容值在幾uF到幾十uF，屬於常規型號，也使得本發明技術易於實現。

圖3A為本發明實施例的電池平衡電路在一個階段的等效電路圖，圖3B為本發明實施例的電池平衡電路在另一個階段的等效電路圖。本發明實施例的電池平衡電路在工作時，第一電晶體M1和第三晶體M3管同時導通或同時關斷，第二電晶體M2和第四電晶體M4同時導通或同時關斷，且第一電晶體M1和第二電晶體M2互補導通。

在第一電晶體M1和第三晶體M3同時導通期間，電池平衡電路的工作等效圖為圖3A，從圖3A中可以，在此階段，電池bat1與第三電容C3連接的通路導通，第三電容C3可以對電池bat1進行充電或者使電池bat1進行放電；在第二電晶體M2和第四電晶體M4同時導通期間，電池平衡電路的工作等效圖為圖3B，從圖3B中可以，在此階段，電池bat2與第三電容C3連接的通路導通，第三電容C3可以對電池bat2進行充電或者使電池bat2進行放電，以此來平衡兩個電池上的電量。

進一步地，在電路設置過程中，電晶體的連接方式需要使得在其中一個電池與所述第三電容C3接通時，另一個電池不會由於電晶體的體二極體導致電路誤導通。參考圖3A，可以看 出，圖示的電晶體的連接方式，在電晶體M1和電晶體M3均關斷時，不會因為其體二極體而使得電池bat1與第三電容C3接通。假如，將電晶體M1的漏極和源極反接，則在電池bat1的電壓高於第三電容C3時，會通過電晶體M1的體二極體和電晶體M3的體二極體與第三電容C3構成導通回路，使得電路在錯誤的時刻導通，導致電池平衡電路出現平衡失誤。

優選地，可以將每一開關電路中的電晶體的連接方式一致化，並且，設置為將每一開關電路中的上電晶體(例如M1、M3)的體二極體的陰極接至電池bat1的正極，下電晶體(例如M2、M4)的體二極體的陽極接至電池bat2的負極，如此便可保證電路的正確工作，防止誤導通。

圖4為本發明實施例的電池平衡電路的等效分析示意圖。在本發明實施例中，假設電池bat1的電量大於電池bat2的電量，也即電池bat1的電壓大於電池bat2的電壓，則電池bat1需要向電池bat2轉移電量。在第一電晶體M1和第三晶體M3同時導通階段，第三電容C3對電池bat1上多餘的電量進行存儲，即將電池bat1上的電量轉移至第三電容C3；在第二電晶體M2和第四電晶體M4同時導通階段，第三電容C3對電池bat2進行充電，將bat1上多餘的電量轉移至電池bat2。如此可以實現平衡兩個電池的電量。若所述第一階段與第二階段的時間相等，即圖4中的t1=t2，此時電池平衡電路從LX1和LX2兩端看進去電路即可以等效為圖4所示的等效分 析示意圖。將兩個電池等效為一個占空比為50%的方波信號，此方波信號的幅值即為兩個電池的電壓差。

圖5為本發明實施例的電池平衡電路的工作波形圖。從圖4所示的等效分析示意圖中可以得到，當第三電容C3和寄生電感L1諧振時，串聯諧振使得其阻抗相互抵消，因此轉移電流為：ic=Vs1/(jωL1+1/jωC3+R1)=Vs1/R1

此處Vs1為兩個電池bat1和bat2電壓差的基波。圖5中ic_av為轉移電流的平均值，其正負半周各有一個值。

從以上轉移電流的運算式中可以看出，電路諧振時的轉移電流能力與電容大小和開關頻率沒有關係，只與電池電壓差和回路上的阻抗相關。因此，在電池兩端並聯具有較小的等效串聯電阻和等效串聯電感的電容，以及採用具有較小的等效串聯電阻的電容作為諧振電容(即第三電容)，可以減小回路中的阻抗，從而增大轉移電流。

本發明實施例利用電容和寄生電感組成諧振式電池平衡電路，可以最大限度地利用電池的電壓差進行電量傳遞，通過控制諧振電流可以實現開關電路的零電流開通和零電流關斷，且轉移電流不受頻率和電容大小的影響。採用本發明技術不僅可以增大轉移電流，且電路具有較高的工作效率。

以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制 本發明，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

Claims (7)

1. 一種電池平衡電路，應用於電池裝置中，所述電池裝置至少包含兩個串聯連接的電池，所述電池平衡電路用於平衡電池裝置中兩個相鄰的串聯連接電池的電量，其特徵在於，包含：第一電容和第二電容，分別並聯連接在所述兩個相鄰電池的兩端，所述第一電容和第二電容的等效電阻小於對應電池的內阻，等效電感小於對應電池的寄生電感，用以消除所述兩個相鄰的串聯連接電池的內阻和寄生電感對轉移電流的影響；第一開關電路和第二開關電路，分別並聯連接在所述兩個相鄰電池的兩端，用於控制對電池進行放電或充電；第三電容，連接在所述第一開關電路和所述第二開關電路之間，用於存儲或釋放能量以平衡兩個電池的電量；其中，所述第三電容和電池平衡電路中的寄生電感諧振，所述第一開關電路和第二開關電路工作在諧振頻率。
2. 根據請求項1所述的電池平衡電路，其中，所述第一開關電路由第一電晶體和第二電晶體串聯構成，所述第二開關電路由第三電晶體和第四電晶體串聯構成。
3. 根據請求項2所述的電池平衡電路，其中，在其中一個電池與所述第三電容接通時，另一個電池不會通過相應電晶體的體二極體與所述第三電容接通。
4. 根據請求項2所述的電池平衡電路，其中，所述第三電容的第一端連接在所述第一開關電路中第一電晶體和第二電晶體的公共節點，另一端連接在所述第二開關電路中第三電晶體和第四電晶體的公共節點。
5. 根據請求項4所述的電池平衡電路，其中，所述第一電晶體和第三電晶體同時導通或同時關斷，在同時導通期間，第三電容對一個電池充電或者使其放電；所述第二電晶體和第四電晶體同時導通或同時關斷，在同時導通期間，第三電容對另一個電池充電或者使其放電；其中，所述第一電晶體和第二電晶體互補導通。
6. 根據請求項5所述的電池平衡電路，其中，在所述第三電容的電流過零時，將第一和第三電晶體由導通狀態切換至關斷狀態，將第二和第四電晶體由關斷狀態切換至導通狀態；或者將第一和第三電晶體由關斷狀態切換至導通狀態，將第二和第四電晶體由導通狀態切換至關斷狀態。
7. 一種電池裝置，其包括如請求項1-6中任一項所述的電池平衡電路及至少兩個電池。