一种用于多节电池充电的防电池反接均衡电路

技术领域

本发明涉及电池充电领域，尤其涉及一种用于多节电池充电的防电池反接 均衡电路。

背景技术

对多节(包括两节)电池进行充电时，各个电池的起始电压以及电池性能 会有差异，充电过程中会出现一个电池已经过压而另一节电池还未充满的情况。 充电芯片是通过检测电池电压来确定工作状态的，因此需要在充电过程中对多 节电池进行均衡处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于 多节电池充电的防电池反接均衡电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于多节电池充电 的防电池反接均衡电路，适用于串联的N节电池的充电，N为大于等于2的正 整数，所述N节电池分布在N+1个充电节点之间，相邻两个充电节点之间设置 一节电池，其特征在于，所述均衡电路包括：

N个开关单元，相邻两个充电节点之间设置一个所述开关单元，每一开关 单元包括串接的均衡开关管和防反接开关管；

电压采样电路，与各个充电节点分别连接，用于输出每一节电池的采样电 压以及所有电池总的采样电压；

均衡开关驱动电路，与所述电压采样电路以及均衡开关管的控制端连接， 用于根据电压采样电路输出的每一节电池的采样电压确定任意两节电池的压 差，并在任意两节电池的压差超过第一阈值时导通该两节电池中的电压较高者 所对应的开关单元中的均衡开关管，并在压差降低到第二阈值时关断之前导通 的均衡开关管；

防反接开关管驱动电路，与充电节点以及防反接开关管的控制端连接，并 在任意相邻的两个充电节点之间的电池反接时关断该两个充电节点之间的防 反接开关管。

优选地，所述防反接开关管驱动电路包括N-1个比较器和N-1个前级开关 管，

所述N+1个充电节点按照充电电流的方向依次分为第1个至第N+1个充电 节点，第i个前级开关管的控制端连接第i个比较器的输出端，第i个前级开 关管的输入端接入第一电压，第i个前级开关管的输出端连接第i个充电节点 和第i+1个充电节点之间的防反接开关管的控制端，第i个比较器的第一输入 端连接第i个充电节点，第i个比较器的第二输入端连接第i+1个充电节点， 其中，i为1至N-1的正整数，第N个充电节点和第N+1个充电节点之间的防 反接开关管的控制端连接第N个充电节点。

优选地，所述均衡开关驱动电路包括

当N为2时，同相输入端为第一个电池的采样电压的比较器的输出经由电 压转换电路连接至第一个均衡开关管的控制端，另一个比较器的输出直接连接 至第二个均衡开关管的控制端；

当N大于2时，所述均衡开关驱动电路还包括逻辑处理电路，所述多组比 较器的输出分别连接至逻辑处理电路，所述逻辑处理电路用于将同相输入端为 第i个电池的采样电压的所有比较器的输出进行或处理后输出至所述逻辑处 理电路的第i个输出端，所述逻辑处理电路的第i个输出端经由第i个电压转 换电路连接至第i个均衡开关管的控制端，所述逻辑电路的第N个输出端直接 连接第N个均衡开关管的控制端。

优选地，所述均衡开关管和防反接开关管均为IGBT功率管，所述均衡开 关管和防反接开关管的源端连接在一起，所述均衡开关管和防反接开关管的漏 端分别连接同一个电池两端的充电节点。

优选地，所述防反接开关管的控制端和源端之间还连接有限流电阻和稳压 管，所述限流电阻和稳压管并联。

优选地，所述电压采样电路包括第一分压电路、第二分压电路、N-1个运 放、N-1个开关管、N个第一电阻和N个第二电阻，所述N+1个充电节点按照 充电电流的方向依次分为第1个至第N+1个充电节点；

第i个运放的同相输入端经由第i个第一电阻连接第i个充电节点，第i 个运放的异相输入端连接第i+1个充电节点，第i个开关管的控制端连接第i 个运放的输出端，第i个开关管的输入端连接第i个运放的同相输入端，第i 个开关管的输出端经由第i个第二电阻连接第N+1个充电节点，第i个开关管 的输出端用于输出第i节电池的采样电压，其中，i为1至N-1的正整数；

第一分压电路连接于第N个充电节点和第N+1个充电节点之间，用于输出 第N节电池的采样电压；

第二分压电路连接于第1个充电节点和第N+1个充电节点之间，用于输出 所有电池总的采样电压；

其中，第一分压电路的输出电压与输入电压的分压比等于第二电阻与第一 电阻的比值，第二分压电路的输出电压与输入电压的分压比等于第一分压电路 的输出电压与输入电压的分压乘以1/N。

优选地，所述均衡电路还包括：

过压检测电路，其输入与所述电压采样电路的各个输出端分别连接，其输 出连接至给所述N节电池充电的充电模块，所述过压检测电路用于对所有的采 样电压进行过压检测，并在任一检测结果过压时触发充电模块启动过压保护。

优选地，所述过压检测电路包括N+1个比较器和一个逻辑或电路，所述 N+1个比较器的其中一个输入端接设定好的参考电压，所述N+1个比较器的另 一个输入端分别一一对应的接入电压采样电路的N+1个采样电压，所述N+1 个比较器的输出端连接所述逻辑或电路的输入，所述逻辑或电路的输出连接至 所述充电模块。

本发明的用于多节电池充电的防电池反接均衡电路，具有以下有益效果： 本发明在当检测到任意两个电池的压差大于第一阈值时导通电压较高的电池 所对应的均衡开关管，从而进入非均衡状态，使得此节电池的充电电流减小， 另一节电池充电电流不变，直到二者的压差减小到第二阈值时，才关断之前导 通的均衡开关管，恢复至均衡状态，二者充电电流恢复相等，如此实现多节电 池的均衡充电；而且当电池反接时，防反接开关管会关断，避免造成电池的损 耗；而且，本发明采样到了各节电池的具体电压以及总的电压，这样就能对各 节电池电压、总电池电压进行过压检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创 造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明实施例一的用于多节电池充电的防电池反接均衡电路的示 意图；

图2是比较器的功能特性示意图；

图3是第2节电池正常工作时等效电路；

图4是第2节电池反接时等效电路；

图5是第1节电池正常工作时等效电路；

图6是第1节电池反接时等效电路；

图7是本发明实施例二的用于多节电池充电的防电池反接均衡电路的示 意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实 现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本 发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特 征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不 冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构 成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于 将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前 提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以 被命名为第一构成要素。

参考图1、7，本发明的用于多节电池充电的防电池反接均衡电路100，可 以封装成一个芯片，适用于串联的N节电池的充电，N为大于等于2的正整数。 所述均衡电路100包括：充电模块、N个开关单元，电压采样电路，均衡开关 驱动电路，防反接开关管驱动电路，过压检测电路。

所述N节电池分布在N+1个充电节点之间，相邻两个充电节点之间设置一 节电池，如图1中BAT、MID、GND表示三个充电节点，图7中BAT、MID、DN、 GND表示四个充电节点，当将整个均衡电路100封装成一个芯片时，充电节点 即相当于芯片的外接电池的引脚。

其中，充电模块用于充电管理，充电模块连接于外部充电电源的正极和第 1个充电节点之间，最后一个充电节点连接外部充电电源的负极，充电模块对 整个充电过程进行管理，控制充电是否启动以及充电电流I1的大小。所述N+1 个充电节点按照充电电流的方向依次分为第1个至第N+1个充电节点，除了第 1个充电节点和第N+1个充电节点，中间的其他充电节点都是通过一个电阻 Rlimit与电池连接。

其中，相邻两个充电节点之间设置一个所述开关单元，每一开关单元包括 串接的均衡开关管和防反接开关管。本发明的两个实施例中，所述均衡开关管 和防反接开关管均为IGBT功率管，具体的，如图1中，M1、M2均为均衡开关 管，M3、M4.cn均为防反接开关管，所述均衡开关管和防反接开关管的源端连 接在一起，所述均衡开关管和防反接开关管的漏端分别连接同一个电池两端的 充电节点。所述防反接开关管的控制端和源端之间还连接有限流电阻和稳压管， 所述限流电阻和稳压管并联。

其中，电压采样电路与各个充电节点分别连接，用于输出每一节电池的采 样电压以及所有电池总的采样电压。均衡开关驱动电路与所述电压采样电路以 及均衡开关管的控制端连接，用于根据电压采样电路输出的每一节电池的采样 电压确定任意两节电池的压差，并在任意两节电池的压差超过第一阈值时导通 该两节电池中的电压较高者所对应的开关单元中的均衡开关管(此时即代表进 入非均衡状态)，并在压差降低到第二阈值时关断之前导通的均衡开关管(此 时即代表退出非均衡状态)。防反接开关管驱动电路与充电节点以及防反接开 关管的控制端连接，并在任意相邻的两个充电节点之间的电池反接时关断该两 个充电节点之间的防反接开关管。过压检测电路，其输入与所述电压采样电路的各个输出端分别连接，其输出连接至给所述N节电池充电的充电模块，所述 过压检测电路用于对所有的采样电压进行过压检测，并在任一检测结果过压时 触发充电模块启动过压保护。

下面对各个电路进行详细说明。

具体的，电压采样电路包括第一分压电路、第二分压电路、N-1个运放、 N-1个开关管、N个第一电阻和N个第二电阻，所述N+1个充电节点按照充电 电流的方向依次分为第1个至第N+1个充电节点。第i个运放的同相输入端经 由第i个第一电阻连接第i个充电节点，第i个运放的异相输入端连接第i+1 个充电节点，第i个开关管的控制端连接第i个运放的输出端，第i个开关管 的输入端连接第i个运放的同相输入端，第i个开关管的输出端经由第i个第 二电阻连接第N+1个充电节点，第i个开关管的输出端用于输出第i节电池的 采样电压，其中，i为1至N-1的正整数。如图1中，相当于N取2，因此只 有一个运放和一个开关管，开关管具体为MOS管，开关管的输出端即源端，用 于输出第1节电池的采样电压V

第一分压电路连接于第N个充电节点和第N+1个充电节点之间，用于输出 第N节电池的采样电压，如图1中，第一分压电路接于第2个充电节点和第3 个充电节点之间，即MID和GND之间，用于输出第2节电池的采样电压V

第二分压电路连接于第1个充电节点和第N+1个充电节点之间，用于输出 所有电池总的采样电压。如图1中，第二分压电路连接于第1个充电节点和第 3个充电节点之间，即BAT和GND之间，用于输出所有电池的采样电压V

其中，第一分压电路的输出电压与输入电压的分压比等于第二电阻与第一 电阻的比值，第二分压电路的输出电压与输入电压的分压比等于第一分压电路 的输出电压与输入电压的分压乘以1/N。比如图1中，第一分压电路的分压比 是R/(R+R)＝1/2,第二电阻与第一电阻的比值是R/2R＝1/2,第二分压电路的 分压比是R/(3R+R)＝1/4＝1/2*1/2。同理，如图7中，第一分压电路的分压比 是R/(R+R)＝1/2,第二电阻与第一电阻的比值是R/2R＝1/2,第二分压电路的 分压比是R/(5R+R)＝1/6＝1/2*1/3。

如此，通过以上的电压采样电路本发明可以采样得到反映各个电池的电压 的采样电压，还可以得到反映所有电池总的电压的采样电压。对于所有这些电 压，可以继续送往所述过压检测电路进行过压检测，实现对每个电池的过压检 测，有效保护电池。具体的，过压检测电路包括N+1个比较器和一个逻辑或电 路，所述N+1个比较器的其中一个输入端接设定好的参考电压vref1，所述N+1 个比较器的另一个输入端分别一一对应的接入电压采样电路的N+1个采样电 压，所述N+1个比较器的输出端连接所述逻辑或电路的输入，所述逻辑或电路 的输出连接至所述充电模块，如此在任一个比较器的输出为1时，即任一个采样电压过压时，都会触发充电模块启动过压保护。

继续参考图1、7，所述均衡开关驱动电路包括

如图1，N为2时，同相输入端为第一个电池的采样电压的比较器的输出 经由电压转换电路连接至第一个均衡开关管的控制端，另一个比较器的输出直 接连接至第二个均衡开关管的控制端。

如图7，当N大于2时，所述均衡开关驱动电路还包括逻辑处理电路，所 述多组比较器的输出分别连接至逻辑处理电路，所述逻辑处理电路用于将同相 输入端为第i个电池的采样电压的所有比较器的输出进行或处理后输出至所 述逻辑处理电路的第i个输出端，所述逻辑处理电路的第i个输出端经由第i 个电压转换电路连接至第i个均衡开关管的控制端，所述逻辑电路的第N个输 出端直接连接第N个均衡开关管的控制端。因为如果某一节电池与任一个电 池的压差太大比较器会输出1，所以进行或处理就意味着任意某一节电池与任 一个电池的压差太大都会导致逻辑处理电路对应的输出端会输出1，进而可导 通对应的均衡开关管导通而进入非均衡状态。

继续参考图1、7，所述防反接开关管驱动电路包括N-1个比较器和N-1 个前级开关管，前级开关管也选取IGBT管，如图1中M5所示。第i个前级开 关管的控制端连接第i个比较器的输出端，第i个前级开关管的输入端接入第 一电压，所述第一电压大于输入到第1个充电节点的充电电压与前级开关管的 开启电压之和，第i个前级开关管的输出端连接第i个充电节点和第i+1个充 电节点之间的防反接开关管的控制端，第i个比较器的第一输入端连接第i 个充电节点，第i个比较器的第二输入端连接第i+1个充电节点，其中，i为 1至N-1的正整数，第N个充电节点和第N+1个充电节点之间的防反接开关管 的控制端连接第N个充电节点。

下面以图1的两节电池为例，说明本发明的均衡控制原理。

以第1节电池电压V

V

V

如图1中，V

V

V

V

当V

当V

2*V

进入非均衡状态后，此时第1节电池的充电电流为：

I

其中，I为充电模块控制的总的充电电流，I

I

可见，此时第1节电池的充电电流小于第2节电池的充电电流。通过一段 时间充电，直到第1节电池与第2节电池压差低于40mV时退出非均衡状态， 关断M1，二者的充电电流恢复相等。

下面以图1的两节电池为例，说明本发明的防反接原理。

对于第2节电池来说，当处于正常工作时，如图3所示，M4的GATE端 连接MID，MID连接电池正端，M4管的栅源电压V

对于第1节电池而言，当电池正常接时，电路如图5所示，V

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本 领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。