一种电压比较式非主动控制的BMS锂电池被动均衡电路的制作方法

一种电压比较式非主动控制的bms锂电池被动均衡电路
技术领域
1.本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种电压比较式非主动控制的bms锂电池被动均衡电路。


背景技术：

2.随着国家对新能源行业的政策倾斜，锂电池及bms系统被大量应用在诸多领域。由于多次充放电会对电池一致性造成影响，所以需要对一致性差异较大的电池进行均衡，被动均衡作为简单实用的均衡方式被广泛使用。但被动均衡本身也存在诸多缺点。
3.1、被动均衡往往依赖电池电压采集芯片afe和微处理器mcu控制，需要先采集电池电压信息，经过逻辑处理后才能控制均衡。afe芯片和mcu芯片成本较高，并且一旦芯片故障或软件bug，均衡将无法启动。其实质为需要主动控制的被动均衡。
4.2、被动均衡依靠电阻消耗电池电量，一般情况下均衡电阻为固定值。即在任何电压情况下，仅能按照固定电流消耗电能，其效率较低，并且对较为极端的情况即使开启均衡依旧无法提供足够的均衡功率。
5.3、被动均衡往往为阈值控制，系统中设定压差阈值，当mcu检测到电池压差大于阈值时，开启均衡。这种策略虽然可以排除电压波动干扰，但由于已经积累了一定量的电压差，仅依靠均衡电阻消耗能量，需要很长时间才能完成均衡。
6.4、由于只能按照固定电流进行均衡，除了效率较低，还会大量发热，是的设备在短时间内积累大量热量，超出设备被动散热极限，可能造成电池热环境恶化。并且bms从控模块一般为塑料外壳封闭安装，即使pack启动风扇主动散热，依然无法对均衡电阻散热。所以长时间按固定电流对电池均衡可能对设备散热造成影响。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种电压比较式非主动控制的bms锂电池被动均衡电路。
8.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种电压比较式非主动控制的bms锂电池被动均衡电路，bms锂电池包含n个串联的电池单体，所述bms锂电池被动均衡电路包含n个和电池单体一一对应的均衡单元；所述均衡单元包含电压比较器u1、计数器u2、时钟脉冲发生器u3、mos管p1~p8、均衡电阻r1~r4、分压电阻r5~r8、以及补偿电阻r9~r11；所述计数器u2的d0、d1、d2、d3管脚为预定输入管脚，q0、q1、q2、q3管脚为输出管脚，pl管脚为输出预定输入引脚，up管脚为累加管脚，其中，d0、d1、d2、d3管脚均接地；pl管脚低电平时， q0、q1、q2、q3管脚分别对应输出d0、d1、d2、d3的值；所述mos管p1的源极分别和mos管p1的栅极、电压比较器u1的输出端、计数器u2的up管脚、计数器u2的pl管脚相连，mos管p1的漏极和所述钟脉冲发生器u3的脉冲输出端相连；
所述电压比较器u1的同向输入端分别和分压电阻r5的一端、分压电阻r7的一端相连，反向输入端分别和分压电阻r6的一端、分压电阻r8的一端、补偿电阻r9的一端、补偿电阻r10的一端、补偿电阻r11的一端相连；所述分压电阻r7的阻值远大于分压电阻r5的阻值，分压电阻r8的阻值远大于分压电阻r6的阻值；所述分压电阻r5的另一端分别和均衡单元对应电池单体的正极、mos管p2的源极、mos管p3的源极、mos管p4的源极、mos管p5的源极相连；分压电阻r6的另一端分别和均衡单元对应电池单体的负极、均衡电阻r1的一端、均衡电阻r2的一端、均衡电阻r3的一端、均衡电阻r4的一端、mos管p6的源极相连；分压电阻r7、分压电阻r8的另一端均接地；补偿电阻r9的另一端分别和mos管p6的漏极、mos管p7的源极相连；补偿电阻r10的另一端分别和mos管p7的漏极、mos管p8的源极相连；补偿电阻r11的另一端和mos管p8的漏极相连；所述mos管p6的栅极分别和所述mos管p3的栅极、计数器u2的q1管脚相连；mos管p7的栅极分别和所述mos管p4的栅极、计数器u2的q2管脚相连；mos管p8的栅极分别和所述mos管p5的栅极、计数器u2的q3管脚相连；mos管p2的栅极和所述计数器u2的q0管脚相连；所述均衡电阻r1、r2、r3、r4的另一端分别和所述mos管p2、p3、p4、p5的漏极一一对应相连。
9.作为本发明一种电压比较式非主动控制的bms锂电池被动均衡电路进一步的优化方案，所述均衡电阻r1~r4的阻值均为33ω，为2512封装，功率为1w；分压电阻r5、r6的阻值为33ω，分压电阻r7、r8的阻值为10kω；补偿电阻r9~r11的阻值均为33ω。
10.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 可以不依赖电池电压采集芯片afe和微处理器mcu控制，通过廉价的电压比较器等元件直接比较相邻电池的电压，通过比较电压差，自动选择不同的均衡功率。电压差较小时，选择较低功率；电压差较高时，选择较高功率。由于电路未采用逻辑控制芯片和电压采集芯片，成本较低，同时不存在芯片故障或软件bug问题。通过电压比较实现非主动控制的被动均衡。
11.2. 不同于阈值控制的被动均衡，通过比较相邻电池电压，随时进行被动均衡，并且根据电压差的不同调整均衡功率，使得整个均衡过程均匀的分布在整个充放电过程中。在低压差情况下采用低均衡功率，高压差情况下采用高均衡功率，提高均衡效率。同时为应对充放电末期电芯极化带来的压差剧烈变化，可以提供短时间较高功率的均衡，保证电池一致性。
12.3. 多个补偿电阻，以应对不同压差条件的均衡策略，多个均衡电阻，以提供多种功率的均衡条件。通过比较器和计数器配合，自动控制均衡策略。使bms在无控状态下依然可以自动调节电池一致性。
13.4. 在压差较低的情况下依然启动功率较低的被动均衡。产生的热量可以依靠bms设备被动散热发散，相当于将电量消耗过程缓慢均匀的分布在整个充放电过程中。能够减轻bms散热压力，同时对pack内热环境影响较小。
附图说明
14.图1是本发明的电路示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
16.应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
17.本发明公开了一种电压比较式非主动控制的bms锂电池被动均衡电路，bms锂电池包含n个串联的电池单体，所述bms锂电池被动均衡电路包含n个和电池单体一一对应的均衡单元；所述均衡单元包含电压比较器u1、计数器u2、时钟脉冲发生器u3、mos管p1~p8、均衡电阻r1~r4、分压电阻r5~r8、以及补偿电阻r9~r11；所述计数器u2的d0、d1、d2、d3管脚为预定输入管脚，q0、q1、q2、q3管脚为输出管脚，pl管脚为输出预定输入引脚，up管脚为累加管脚，其中，d0、d1、d2、d3管脚均接地；pl管脚低电平时， q0、q1、q2、q3管脚分别对应输出d0、d1、d2、d3的值；所述mos管p1的源极分别和mos管p1的栅极、电压比较器u1的输出端、计数器u2的up管脚、计数器u2的pl管脚相连，mos管p1的漏极和所述钟脉冲发生器u3的脉冲输出端相连；所述电压比较器u1的同向输入端分别和分压电阻r5的一端、分压电阻r7的一端相连，反向输入端分别和分压电阻r6的一端、分压电阻r8的一端、补偿电阻r9的一端、补偿电阻r10的一端、补偿电阻r11的一端相连；所述分压电阻r7的阻值远大于分压电阻r5的阻值，分压电阻r8的阻值远大于分压电阻r6的阻值；所述分压电阻r5的另一端分别和均衡单元对应电池单体的正极、mos管p2的源极、mos管p3的源极、mos管p4的源极、mos管p5的源极相连；分压电阻r6的另一端分别和均衡单元对应电池单体的负极、均衡电阻r1的一端、均衡电阻r2的一端、均衡电阻r3的一端、均衡电阻r4的一端、mos管p6的源极相连；分压电阻r7、分压电阻r8的另一端均接地；补偿电阻r9的另一端分别和mos管p6的漏极、mos管p7的源极相连；补偿电阻r10的另一端分别和mos管p7的漏极、mos管p8的源极相连；补偿电阻r11的另一端和mos管p8的漏极相连；所述mos管p6的栅极分别和所述mos管p3的栅极、计数器u2的q1管脚相连；mos管p7的栅极分别和所述mos管p4的栅极、计数器u2的q2管脚相连；mos管p8的栅极分别和所述mos管p5的栅极、计数器u2的q3管脚相连；mos管p2的栅极和所述计数器u2的q0管脚相连；所述均衡电阻r1、r2、r3、r4的另一端分别和所述mos管p2、p3、p4、p5的漏极一一对应相连。
18.本发明的工作原理如下：电压比较器能够比较同向输入端和反向输入端的电压，当反向输入端电压低于同向输入端时，输出端输出低电平；当反向输入端电压高于同向输入端时，输出端输出高电平。所以，可以利用电压比较器检测相邻电池电压差，利用电压比较器输出控制均衡电路。
为了适应不通电压条件下采用不同功率的均衡电阻，需要对反向输入端进行补偿，此处采用分压电阻和并联补偿电阻的方法。分压电阻一大一小，大阻值电阻两端电压基本为电池两端电压，小分压电阻用来体现微小的电压差异。通过对小分压电阻的多级并联，改变分压电阻阻值，从而改变电压比较器反向输入端电压值大小，起到电压补偿目的。
19.由于计数器需要监测到高电平上升沿内部寄存器才会变化，所以需要为整个均衡电路提供一个脉冲时钟源，整个电路仅需一个即可。电压比较器输出端为高电平时，能够驱动mos管导通，此时脉冲时钟源与计数器累加引脚导通。脉冲时钟源每秒发出一个脉冲信号，则计数器每秒加一。当计数器加一后，输出端随之发生变化，导通相应的管脚，输出高电平，改变均衡电路并连数，改变均衡功率，同时也改变补偿电阻并连数，改变补偿阻值。直到补偿足够时，比较器反向输入端电压不在大于同相输入端后，比较器输出低电平，计数器不再增加，均衡功率确定，电路开始均衡。直到均衡完成，计数器复位，输出全部为0，此时相邻电池电压相等。
20.如图1所示，下面以第一节电池的均衡电路为例进行说明。
21.图中，u1为电压比较器，u2为计数器，u3为时钟脉冲发生器，p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8为mos管，作为开关管使用。bat1、bat2、bat3、bat4为电池。r1、r2、r3、r4为均衡电阻，r5、r6、r7、r8为分压电阻，r9、r10、r11为补偿电阻。
22.u1为电压比较器，其实质为运算放大器，其同向输入端连接在分压电阻r5、r7之间，其中r5为33ω，r7为10kω，r5一端连接电池bat1正极，另一端连接r7和u1同向输入端，r7另一端接地。由于r7阻值远大于r5，所以u1同向输入端电压约等于bat1电压，r5实质为分压电路阻抗匹配电阻。
23.u1反向输入端接在分压电阻r6、r8之间，其中r6为33ω，r8为10kω，r6一端连接电池bat2负极，另一端连接r8和u1反向输入端，r8另一端接地。由于r8阻值远大于r6，所以u1同向输入端电压约等于bat2电压，r6实质为分压电路阻抗匹配电阻，但r6并不能缺失，通过控制r6与r9、r10、r11的并联状态，改变分压电阻阻值，改变r8上的分压值，同时也改变了u1反向输入端电压，实现电压补偿功能。
24.r6、r9、r10、r11并联，其一端连接在一起，另一端通过mos管控制通断，其中r6、r9间通过p6控制，r9、r10间通过p7控制，r10、r11间通过p8控制。
25.p6栅极连接至计数器u2输出端q1管脚，p7栅极连接至计数器u2输出端q2管脚，p8栅极连接至计数器u2输出端q3管脚。
26.电压比较器u1输出端连接至mos管p1栅极，当u1输出高电平时，p1导通。p1一端连接至时钟脉冲发生器u3的脉冲输出端。另一端连接至计数器u2的累加管脚up。u3每秒发出一次脉冲，当p1导通时，u3的脉冲向计数器u2的累加管脚up发送。当u2累加管脚接收到脉冲高电平时，内部计数器加一。
27.计数器u2的d0、d1、d2、d3管脚为预定输入管脚，此处预定输入全部为0，及全部接地。计数器u2的q0、q1、q2、q3管脚为输出管脚。u2的pl管脚为输出预定输入引脚，其作用为，低电平时，使q0、q1、q2、q3输出d0、d1、d2、d3的预定值。pl管脚与u1输出端相连。输出管脚q0、q1、q2、q3分别控制mos管p2、p3、p4、p5，与其栅极相连。p2、p3、p4、p5为均衡控制mos管，其源极全部连接至bat1正极，漏极分别连接均衡电阻r1、r2、r3、r4，均衡电阻另一端全部连接至bat1负极（bat2正极）。此处均衡电阻r1、r2、r3、r4阻值为33ω，为2512封装，功率1w。通
过控制p2、p3、p4、p5的开通个数，控制r1、r2、r3、r4的并联个数，并联个数越多，均衡功率越大。补偿电阻r9~r11的阻值均为33ω。
28.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
29.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。