CN109037814B - 一种充电平衡管理电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电平衡管理方法及具体电路。所述充电平衡管理方法包含平衡模式和非平衡模式，可用于对包含多节电池的电池组进行充电管理。在平衡模式下，在达到平衡条件后，所述充电平衡管理方法可通过减小对电池组中超过设定阈值电压的电池的充电电流来实施电池电量平衡功能，以避免频繁触发过压保护以及多次过压保护后停止充电导致的充电时长过长的问题，改善电池的充电效率，实现更加安全智能的充电过程，使电池的寿命得以最优化。

Description

一种充电平衡管理电路和方法

技术领域

本发明涉及一种电子电路，特别地，涉及电池电路的充电管理。

背景技术

在传统的电池组充电系统中，充电芯片和平衡芯片通常是独立的。充电芯片负责控制充电电压和充电电流，对电池组进行充电，而平衡芯片则负责监测与平衡电池组中各电池的电量。但独立的充电芯片和平衡芯片各自的功能单一，无法实现对电池组的灵活有效控制。

在目前部分小电池组(例如2-4节电池)的充电系统中，也有部分集成充电和平衡的充电平衡管理系统，可以对电池组实行充电管理和电池平衡的控制。图1示出了现有技术的充电平衡管理系统的工作流程。如图1所示，在电池平衡部分，所述充电平衡管理系统会对每个电池电压作一个判断，当发现某一个电池的电压Vbatt大于阈值Vt1时，系统将该电池电压Vbatt与最低的电池电压Vmin相减后再与阈值Vt2相比较，当两者压差大于阈值Vt2时，对具有电压Vbatt的电池进行放电，以实现电池组内各电池电量之间的平衡。而在充电管理部分，在一般情况下，当电池达到判满条件时，即总电池电压达到判满值，并且充电电流下降至一定值时，充电平衡管理系统停止充电。

然而，充电平衡管理系统均设有过压保护，当其中任一电池电压超过阈值Vovp时，过压保护被触发，充电过程将停止。若此时过压的电池电压与最小电池电压Vmin的压差还未达到阈值Vt2时，只有当过压的电池电压重新下降至阈值Vovp以下，充电才会重新开始。而当电池电压再次过压时，充电又将停止，又将等电池电压再次下降时，充电再次开始。这样一来，充电时间会比较长，同时屡屡触发过压保护对电池的寿命也有不利影响。并且，充电平衡管理系统在总电池电压和充电电流达到判满条件时停止充电，而在总电池电压达到判满值时，单个电池间的电压有可能仍未达到平衡。该情况会导致各电池电压的不平衡，不利于电池的工作及寿命。

因此，有必要提出一种智能高效的电池充电平衡管理电路，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充电平衡管理电路及方法，所要解决的技术问题是改善电池的充电效率，缩短电池组的充电时长，实现更加安全智能的充电过程，使电池的寿命得以最优化。

依据本发明一实施例的一种充电平衡管理电路，包括：连接方式检测电路，接收电池组的各电池之间的连接点的电压和接地阈值，基于电池组各电池连接点的电压分别和接地阈值的比较，输出平衡连接信号，其中，在电池组各电池之间的连接点的电压均大于接地阈值时，平衡连接信号有效，否则，平衡连接信号无效；充电电路，接收平衡连接信号、电池组各电池之间的连接点的电压、电池组各电池的电压以及电池组总电压，在平衡连接信号有效时，基于电池组各电池之间的连接点的电压和各电池电压，提供充电电流给电池组充电，在平衡连接信号无效时，基于电池组总电压，提供充电电流给电池组充电；以及电量平衡电路，接收平衡连接信号和电池组各电池的电压，在平衡连接信号有效时，基于电池组各电池的电压，提供各电池的放电开关的控制信号。

依据本发明一实施例的一种充电平衡管理方法，可用于对电池组充电，包括：检测各电池间连接点的电压是否大于接地阈值，若是，则进入电池平衡模式，否则进入非电池平衡模式；在电池平衡模式下：基于电池组中各电池的电压对电池组充电；检测是否有任意电池电压大于第一平衡使能阈值，若是，使能平衡功能，否则，平衡功能不使能；检测是否有任意电池电压与其他电池的最小电压的压差大于第二平衡使能阈值，若是，则实施预设时长的平衡过程，否则，不实施平衡过程；判断平衡是否完成，具体为判断最大电池电压与最小电池电压之间的压差是否小于第二平衡使能阈值，若是，则检测电池组的判满条件是否满足，否则继续检测是否有任意电池电压与其他电池的最小电压的压差大于第二平衡使能阈值；检测电池组的判满条件是否满足，具体为所有电池电压是否达到恒压电压阈值，并且充电电流是否低于电流判满阈值，若均为是，则停止充电，否则继续充电；在非电池平衡模式下：基于电池组总电压对电池组充电；以及检测电池组的判满条件是否满足，具体为检测电池组总电压是否达到恒压总电压阈值，并且充电电流是否低于电流判满阈值，若均为是，则停止充电，否则继续充电。

附图说明

图1示出了现有技术的充电平衡管理系统的工作流程；

图2示出了根据本发明一实施例的充电平衡管理方法20的流程示意图；

图3示出了根据本发明一实施例的基于电池组中各电池电压Vbatt1～Vbattn对电池组充电的具体方法流程示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的基于电池组总电压Vbatts对电池组充电的方法流程示意图；

图5示出了根据本发明一实施例的充电平衡管理电路50的电路模块示意图；

图6示出了根据本发明一实施例的充电电路60的电路结构示意图；

图7示出了根据本发明一实施例的充电调节电路70的电路结构示意图；

图8示出了根据本发明一实施例的电量平衡电路80的电路结构示意图；

图9示出了根据本发明一实施例的电量平衡电路90的电路结构示意图；

图10示出了根据本发明一实施例的电压检测电路100的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图2示出了根据本发明一实施例的充电平衡管理方法20的流程示意图。所述充电平衡管理方法20可用于对包括至少一节电池的电池组充电，并且同时实现电池电量平衡功能，所述电池组的各电池分别与各自的放电开关并联。如图2所示，所述充电平衡管理方法20包括：步骤201，检测各电池间连接点的电压Vmid(1)～Vmid(n-1)是否大于接地阈值Vth-gnd，若是，则进入电池平衡模式，否则进入非电池平衡模式；在电池平衡模式下：步骤202，基于电池组中各电池的电压Vbatt1～Vbattn对电池组充电；步骤203，检测是否有任意电池的电压Vbattx大于第一平衡使能阈值Vbth1，若是，则进入步骤204，否则回到步骤202继续充电；步骤204，使能平衡功能；步骤205，检测是否有任意的电池电压Vbattx与最小的电池电压Vmin的压差大于第二平衡使能阈值Vbth2，若是，则转到步骤206，否则，回到步骤204；步骤206，实施时长为Tb的平衡过程；步骤207，判断平衡是否完成，具体表现为判断最大电池电压Vmax与最小电池电压Vmin之间的压差是否小于第二平衡使能阈值Vbth2，若是，则进入步骤208，否则回到步骤206；步骤208，检测电池组的判满条件是否满足，具体为所有电池电压Vbatt1～Vbattn是否达到恒压电压阈值Vth-cv，并且充电电流Icharge是否低于电流判满阈值Iterm，若均为是，则停止充电，否则回到步骤202继续充电；在非电池平衡模式下：步骤209，基于电池组总电压Vbatts对电池组充电；以及步骤210检测电池组的判满条件是否满足，具体为检测电池组总电压Vbatts是否达到恒压总电压阈值Vth-cvs，并且充电电流Icharge是否低于电流判满阈值Iterm，若均为是，则停止充电，否则回到步骤209继续充电。其中，Vbattx表征的是各电池电压Vbatt1～Vbattn中的任一电压，x为1～n中的任一值，而n则为电池组中的电池个数。

应当了解，在步骤204～步骤209中，电池充电是一直在进行的，步骤204～209仅表示在充电过程中，平衡功能的工作情况。

在一个实施例中，步骤207，使能时长为Tb的平衡过程包括对任意与电池组最小电池电压Vmin的电压差超过第二平衡使能阈值Vbth2的电池进行充电电流的分流。

在本发明实施例中，各电池间连接点的电压Vmid(1)～Vmid(n-1)是指电池充电管理系统检测到的电池连接点的电压。在一个实施例中，接地阈值Vth-gnd的值约等于零，或是比零略大的值。当各电池间连接点的电压Vmid1～Vmid(n-1)大于接地阈值Vth-gnd时，则表征此时电池间连接点未接地，而是被连接至充电平衡管理电路中。也就是说，如果电池充电管理系统连接至电池间连接点的引脚被连接至参考地，则必定会检测到有连接点电压低于接地阈值Vth-gnd，表明此时不需要使能电池电量平衡功能。

图3示出了根据本发明一实施例的基于电池组中各电池电压Vbatt1～Vbattn对电池组充电的具体方法流程示意图。在本发明实施例中，电池充电过程分为四个阶段，即涓流充电阶段(TC,Trickle Charge)、预充电阶段(PRE,Pre-charge)、恒流充电阶段(CC,Constant Current)和恒压充电阶段(CV,Constant Voltage)。如图3所示，充电开始后，充电电流Icharge将以涓流电流值Itc对电池组充电，此过程为涓流阶段；在所有电池电压Vbatt1～Vbattn上升至预充电电压阈值Vth-tc后，并且任一电池电压Vbattx小于恒流电压阈值Vth-pre时，将充电电流Icharge升为预充电电流值Ipre，此过程为预充电阶段；在所有电池电压Vbatt1～Vbattn上升至恒流电压阈值Vth-pre，并且任一电池电压Vbattx小于恒压电压阈值Vth-cv时，将充电电流Icharge保持为恒流电流值Icc，此过程为恒流充电阶段；在任一电池电压Vbattx上升至恒压电压阈值Vth-cv后，进入恒压充电阶段，在充电电流Icharge逐渐降至电流判满阈值Iterm，并且平衡条件满足(Vmax-Vmin<Vbth2)后充电停止。

在一个实施例中，涓流电流值Itc、预充电电流值和恒流电流值Icc具有如下关系Icc>Ipre>Itc，并且预充电电压阈值Vth-tc、恒流电压阈值Vth-pre和恒压电压阈值Vth-cv具有如下关系Vth-cv>Vth-pre>Vth-tc。

图4示出了根据本发明一实施例的基于电池组总电压Vbatts对电池组充电的具体方法流程示意图。在本发明实施例中，电池充电过程分为四个阶段，即涓流充电阶段、预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段。如图4所示，充电开始后，充电电流Icharge将以涓流电流值Itc对电池组充电，此过程为涓流阶段；在电池组总电压Vbatts上升至预充电总电压阈值Vth-tcs恒流总电压阈值Vth-pres之间时，将充电电流Icharge保持为预充电电流值Ipre，此过程为预充电阶段；在电池组总电压Vbatts上升至恒流总电压阈值Vth-pres后时，将充电电流Icharge保持为恒流电流值Icc，此过程为恒流充电阶段；在电池组总电压Vbatts上升至恒压总电压阈值Vth-cvs后，进入恒压充电阶段，此时，电池组总电压Vbatts几乎不再上升，而充电电流Icharge逐渐降至电流判满阈值Iterm，之后充电停止。

在一个实施例中，预充电总电压阈值Vth-tc、恒流总电压阈值Vth-pre和恒压总电压阈值Vth-cv具有如下关系Vth-cvs>Vth-pres>Vth-tcs。

图5示出了根据本发明一实施例的充电平衡管理电路50的电路模块示意图。所述充电平衡管理电路50可用于对图5所示包括n节电池Batt1～Battn的电池组BPack充电，所述电池组的各电池Batt1～Battn分别通过耗电电阻R1～R(n-1)与各自的放电开关S1～Sn并联。如图5所示，充电平衡管理电路50包括：连接方式检测电路501，接收电池组BPack的各电池Batt1～Battn之间的连接点的电压Vmid(1)～Vmid(n-1)和接地阈值Vth-gnd，基于电池组各电池连接点的电压Vmid(1)～Vmid(n-1)分别和接地阈值Vth-gnd的比较，输出平衡连接信号EN_B1，其中，在电池组各电池之间的连接点的电压Vmid(1)～Vmid(n-1)均大于接地阈值Vth-gnd时，平衡连接信号EN_B1有效，否则，平衡连接信号EN_B1无效；充电电路502，接收平衡连接信号EN_B1、电池组各电池之间的连接点的电压Vmid1～Vmid(n-1)、电池组各电池的电压Vbatt1～Vbattn以及电池组总电压Vbatts，在平衡连接信号EN_B1有效时，基于电池组各电池之间的连接点的电压Vmid1～Vmid(n-1)和电池组各电池的电压Vbatt1～Vbattn，提供充电电流Icharge给电池组，在平衡连接信号EN_B1无效时，基于电池组总电压Vbatts，提供充电电流Icharge给电池组；以及电量平衡电路503，接收平衡连接信号EN_B1和电池组各电池的电压Vbatt1～Vbattn，在平衡连接信号EN_B1有效时，基于电池组各电池的电压Vbatt1～Vbattn，提供各电池放电开关S1～Sn的控制信号GS1～GSn。当其中有电池放电开关，例如S1闭合时，相当于电池Batt1与耗电电阻R1并联，耗电电阻R1将分流一部分充电电流Icharge，使得对电池Batt1的充电电流减小，从而达到和其他电池间的平衡。

所述平衡连接信号EN_B1有效对应于电量平衡电路503被使能，开始工作，平衡连接信号EN_B1无效则对应电量平衡电路503不被使能，不工作。

在图5实施例中，充电平衡管理电路50还包括电压检测电路504，接收电池组充电端电压Vcharge和电池组各电池之间的连接点电压Vmid1～Vmid(n-1)，输出电池组总电压Vbatts和各电池的电压Vbatt1～Vbattn。在部分实施例中，电压检测电路504包括差值电路，通过对任一电池两端的电压作差值计算来得出该电池的电压。在部分实施例中，电压检测电路504包括差分放大器，通过对任一电池两端的电压作差分计算，得到该电池的电压。在部分实施例中，电压检测电路504还包括分压电路，用于对电池组充电端电压Vcharge和电池组各电池之间的连接点电压Vmid1～Vmid(n-1)进行分压以适应后级电路的电压输入要求。应当理解，此处电压检测电压504输出的电池组总电压Vbatts和各电池的电压Vbatt1～Vbattn对应于实际的电池组总电压和各电池电压，但并不一定等于实际的各电池电压。为适应后级电路，如充电电路502和电量平衡电路503的输入电压范围要求，电压检测电路504输出的电池组总电压Vbatts和各电池的电压Vbatt1～Vbattn与实际的电池组总电压和各电池电压可以成一定的比例关系。

为叙述简明之故，下面以包括两节电池的电池组为例，阐述充电平衡管理电路的各电路模块的工作原理。

图6示出了根据本发明一实施例的充电电路60的电路结构示意图。所述充电电路60对包括两节电池Batt1和Batt2的电池组进行充电。如图6所示，所述充电电路60包括：充电使能电路601，基于故障信号Fault、电池组总电压Vbatts、各电池电压Vbatt1和Vbatt2、差值电压Vbattd、充电电流Icharge、恒压总电压阈值Vth-cvs、恒压电压阈值Vth-cv、电流判满阈值Iterm和第二平衡使能阈值Vbth2，输出充电使能信号EN_CH；平衡模式电流选择电路602，基于各电池电压Vbatt1～Vbatt2分别与预充电电压阈值Vth-tc的比较输出平衡模式预充电使能信号EN_PRE，基于各电池电压Vbatt1～Vbatt2分别与恒流电压阈值Vth-pre的比较输出平衡模式恒流使能信号EN_CC，其中，在任意电池电压Vbattx小于预充电电压阈值Vth-tc的情况下，所述平衡模式预充电使能信号EN_PRE和平衡模式恒流使能信号EN_CC均无效，在所有电池电压Vbatt1～Vbatt2大于预充电电压阈值Vth-tc，并且任意电池电压Vbattx小于恒流电压阈值Vth-pre的情况下，所述平衡模式预充电使能信号EN_PRE有效，而平衡模式恒流使能信号EN_CC无效，在所有电池电压Vbatt1～Vbatt2大于恒流电压阈值Vth-pre的情况下，所述平衡模式预充电使能信号EN_PRE无效，而平衡模式恒流使能信号EN_CC有效；非平衡模式电流选择电路603，基于电池组总电压Vbatts分别与预充电总电压阈值Vth-tcs和恒流总电压阈值Vth-pres的比较，输出非平衡模式预充电使能信号EN_PREs和非平衡模式恒流使能信号EN_CCs，其中，在电池组总电压Vbatts小于预充电总电压阈值Vth-tcs时，非平衡模式预充电使能信号EN_PREs和非平衡模式恒流使能信号EN_CCs均无效，在电池组总电压Vbatts大于等于预充电总电压阈值Vth-tcs并且小于恒流总电压阈值Vth-pres时，非平衡模式预充电使能信号EN_PREs有效，而非平衡模式恒流使能信号EN_CCs无效，在电池组总电压Vbatts大于等于恒流总电压阈值Vth-pres时，非平衡模式预充电使能信号EN_PREs无效，而非平衡模式恒流使能信号EN_CCs有效；以及充电调节电路605，接收平衡连接信号EN_B1、充电使能信号EN_CH、平衡模式预充电使能信号EN_PRE、平衡模式恒流使能信号EN_CC、非平衡模式预充电使能信号EN_PREs、非平衡模式恒流使能信号EN_CCs、电池组总电压Vbatts、各电池电压Vbatt1和Vbatt2，其中，充电使能信号EN_CH有效的情况下，所述充电调节电路605输出的充电电流Icharge具有各使能信号所对应的充电电流值，即当平衡模式预充电使能信号EN_PRE或非平衡模式预充电使能信号EN_PREs无效时，所述充电电流Icharge具有涓流电流值Itc，当平衡模式预充电使能信号EN_PRE或非平衡模式预充电使能信号EN_PREs有效时，所述充电电流Icharge具有预充电电流值Ipre，当平衡模式恒流使能信号EN_CC或非平衡模式恒流使能信号EN_CCs有效时，所述充电电流Icharge具有恒流电流值Icc。

所述充电调节电路605包括常用的具有电流环和电压环的电池充电电路，当充电开始时，电流环开始工作，此时充电电流Icharge依次具有涓流电流值Itc(TC)、预充电电流值Ipre(PRE)和恒流电流值Icc(CC)，各电池电压Vbatt1、Vbatt2以及总的电池电压Vbatts上升。当充电电路60工作于平衡模式时，即平衡连接信号EN_B1有效，任意电池电压Vbatt1或Vbatt2达到恒压电压阈值Vth-cv时，电压环开始工作，充电电流Icharge下降，若此时未触发平衡条件，即电池电压Vbatt1和Vbatt2的差值电压Vbattd小于第二平衡使能信号Vbth2时，当充电电流Icharge下降至电流判满阈值Iterm时，充电使能信号EN_CH无效，充电停止，若平衡条件被触发，即电池电压Vbatt1和Vbatt2的差值Vbattd大于等于第二平衡使能信号Vbth2时，其中电压较高的电池被放电，直至平衡退出，充电电流Icharge下降至电流判满阈值Iterm时，充电使能信号EN_CH无效，充电停止。当充电电路60工作于非平衡模式时，即平衡连接信号EN_B1无效，在总电池电压Vbatts达到恒压电压阈值Vth-cvs后，电压环工作，充电电流Icharge下降，直至充电电流Icharge降至Iterm时，充电停止。

如图6所示，充电使能电路601包括比较器6011～6014，以及逻辑门电路6015和6016。比较器6011比较电池总电压Vbatts与恒压总电压阈值Vth-cvs，在电池总电压Vbatts小于恒压总电压阈值Vth-cvs的情况下，输出第一比较信号Vcp1通过与门逻辑电路6015和或非门逻辑电路6016，使得充电使能信号EN_CH有效；比较器6012比较电池电压Vbatt1和Vbatt2与恒压电压阈值Vth-cv，在电池电压Vbatt1或Vbatt2均大于恒压电压阈值Vth-cv的情况下，输出第二比较信号Vcp2通过与门逻辑电路6015和或非门逻辑电路6016，使得充电使能信号EN_CH无效；比较器6013比较充电电流Icharge与电流判满阈值Iterm，在充电电流Icharge大于电流判满阈值Iterm时，输出第三比较信号Vcp3通过与门逻辑电路6015和或非门逻辑电路6016，使得充电使能信号EN_CH有效；比较器6014比较差值电压Vbattd与第二平衡使能阈值Vbth2，在差值电压Vbattd大于等于第二平衡使能阈值Vbth2时，输出第四比较信号Vcp4通过与门逻辑电路6015和或非门逻辑电路6016，使得充电使能信号EN_CH有效。故障信号Fault表征系统是否过压或过温或其他的报错信息。在系统过压、过温或者发生其他电路故障的情况下，故障信号Fault为高电平，通过或非门逻辑电路6016使得充电使能信号EN_CH无效，即使得充电调节电路605停止充电。也就是说，只有在故障信号Fault未报错、总电池电压Vbatts未达到恒压总电压阈值Vth-cvs(非平衡模式电池充电未完成)，单节电池Vbatt1或Vbatt2未达到恒压电压阈值Vth-cv(平衡模式电池充电未完成)，充电电流Icharge大于电流判满阈值Iterm(充电未完成)，电池间压差大于第二平衡使能信号Vbth2时(平衡未完成)，充电使能信号EN_CH有效，充电电路对电池组进行充电。

在图6实施例中，平衡模式电流选择电路602包括多个比较器6021～6024和多个与门电路6027～6029。比较器6021比较电池电压Vbatt1与预充电电压阈值Vth-tc，在电池电压Vbatt1大于预充电电压阈值Vth-tc时，输出高电平信号，否则，输出低电平信号；比较器6022比较电池电压Vbatt2与预充电电压阈值Vth-tc，在电池电压Vbatt2大于预充电电压阈值Vth-tc时，输出高电平信号，否则，输出低电平信号。当比较器6021和6022均输出高电平信号时，并且恒流使能信号EN_CC为低电平时，与门电路6027输出高电平的预充电使能信号EN_PRE，否则所述预充电使能信号EN_PRE为低电平，也就是说平衡模式预充电使能信号EN_PRE为高电平时表征其有效状态。平衡模式恒流使能信号EN_CC的产生过程与平衡模式预充电使能信号EN_PRE的产生过程类似，为叙述简明，此处不再展开阐述。

在图6实施例中，非平衡模式电流选择电路603包括多个比较器6031～6032。比较器6031比较电池组总电压Vbatts与预充电总电压阈值Vth-tcs，在电池组总电压Vbatts大于预充电总电压阈值Vth-tcs时，输出高电平信号，即非平衡模式预充电使能信号EN_PREs为高电平，否则，输出低电平信号。在该实施例中，非平衡模式预充电使能信号EN_PREs为高电平时为有效状态。非平衡模式恒流使能信号EN_CCs的产生过程与非平衡模式预充电使能信号EN_PREs的产生过程类似，为叙述简明，此处不再展开阐述。

应当理解，图6所示的平衡模式电流选择电路602和非平衡模式电流选择电路603中的信号形式仅仅作示例性说明。各使能信号的有效状态可以以任意电平形式来表现，并不仅仅限于高电平状态表征有效状态。只要可以与系统前后级电路的其他信号相匹配的信号形式均不脱离本发明精神实质。并且，当各使能信号的有效状态表征形式发生变化时，平衡模式电流选择电路602中的逻辑电路，即与门电路6027和6028，以及充电使能电路601中的逻辑电路，即与门电路6015和或非门电路6016，也可能以其他逻辑门的形式实现。

所述充电调节电路605接收充电使能信号EN_CH、平衡模式预充电使能信号EN_PRE、平衡模式恒流使能信号EN_CC、非平衡模式预充电使能信号EN_PREs以及非平衡模式恒流使能信号EN_CCs。在充电使能信号EN_CH有效状态下，所述充电调节电路605开始工作，向电池组提供充电电流Icharge。任何可调节输出电流的电路均可以用于本发明。所述各充电电流使能信号EN_PRE、EN_PREs、EN_CC以及EN_CCs与充电电流Icharge相关。在一个实施例中，充电调节电路605通过改变输出电流参考值来改变充电电流，而各使能信号EN_PRE、EN_CC、EN_PREs以及EN_CCs则用于控制输出电流参考值。

在一个实施例中，电池电量平衡功能被使能后，即平衡连接信号EN_B1有效情况下，各使能信号的优先级为EN_CC>EN_PRE；电池电量平衡功能未被使能，即平衡连接信号EN_B1无效情况下，各使能信号的优先级为EN_CCs>EN_PREs。也就是说，在平衡模式恒流使能信号EN_CC或非平衡模式恒流使能信号EN_CCs有效的情况下，不管平衡模式预充电使能信号EN_PRE和非平衡模式预充电使能信号EN_PREs是否有效，充电电流Icharge的值为恒流电流值Icc。在平衡模式恒流使能信号EN_CC或非平衡模式恒流使能信号EN_CCs无效的情况下，若平衡模式预充电使能信号EN_PRE或非平衡模式预充电使能信号EN_PREs无效，则充电电流Icharge的值为涓流电流值Itc，若平衡模式预充电使能信号EN_PRE或非平衡模式预充电使能信号EN_PREs有效，则充电电流Icharge的值为预充电电流值Ipre。

有多种方法可以实现通过各充电电流使能信号选择对应的输出电流参考值。例如可以采用选择电路，即可以将各充电电流使能信号设置成选择电路的选择信号，而各输出电流参考值可以作为被选择的输入信号。也可以采用电流镜电路，将各充电电流使能信号设置成不同的镜像电流的选择信号，而各镜像电流通过电阻后形成的各电压值则对应各输出电流参考值。

图6示出的仅仅是针对包括两节电池的电池组的充电电路。应当理解，当充电电路需要对包括超过两节电池的电池组充电时，充电使能电路601、平衡模式电流选择电路602和非平衡模式电流选择电路603中的比较器个数也会相应地增加。假设电池组包括n节电池，而充电电流Icharge具有m个阶梯电流值，则平衡模式电流选择电路602包括n×(m-1)个比较器，并且非平衡模式电流选择电路603包括m-1个比较器。

图7示出了根据本发明一实施例的充电调节电路70的电路结构示意图。如图7所示，所述充电调节电路70包括误差放大器701～704、比较器705和RS触发器706。以电池组总电压环路工作时为例，在每一个开关周期，时钟信号CLK置位RS触发器706，使之输出开关控制信号PWM控制后级的功率开关(未示出)导通，向负载(电池组)输送能量。误差放大器701接收电池组总电压Vbatts和恒压总电压阈值Vth-cvs，输出两者的误差放大信号Vcom1。当电池组总电压Vbatts继续增大，使得误差放大信号Vcom1小于电感电流峰值信号Ipk时，比较器705翻转，输出信号复位RS触发器706，使其输出开关控制信号PWM控制后级的功率开关关断。当时钟信号CLK再次置位RS触发器706时，下一个开关周期开始。功率开关的通断，控制输入电源向负载电池组进行能量的转换。而电池组总电压环路和各电池电压环路是通过平衡连接信号EN_B1来选择的。例如在平衡连接信号EN_B1有效时，电池电压放大器702和703被使能，而平衡连接信号EN_B1无效时，总电池电压放大器701被选择。而电压环和电流环之间，则是通过各放大器输出的值的大小，通过最小值选择电路708实现自动切换。在图7实施例中，最小值选择电路708由二极管D1～D4实现。

应当理解，图7仅示出了充电调节电路的其中一种形式，任意现有的具有电压环和电流环的充电调节电路均可以用于本发明对电池组充电。

图8示出了根据本发明一实施例的电量平衡电路80的电路结构示意图。如图8所示，所述电量平衡电路80包括：计算电路801，接收电池组各电池的电压Vbatt1～Vbatt2，并输出各电池电压Vbatt1～Vbatt2与电池电压最小值Vmin的差值电压Vbattd1～Vbatt2；平衡使能比较电路802，基于电池组各电池的电压Vbatt1和Vbatt2分别与第一平衡使能阈值Vbth1的比较，输出平衡使能信号EN_B2；差值比较电路803，基于各差值电压Vbattd1～Vbattd2与第二平衡使能阈值Vbth2的比较，输出平衡开关信号OPS1～OPS2，其中，在任意差值电压Vbattx大于第二平衡使能阈值Vbth2时，对应的平衡开关信号OPSx有效；以及逻辑电路804，接收平衡开关信号OPS1～OPS2和平衡使能信号EN_B2，在平衡使能信号EN_B2有效时，输出控制信号GS1～GS2分别用于控制对应的电池放电开关S1和S2。在图8实施例中，x的值为1或2。应当明白，当电池组中的电池个数为n时，x的值为1～n中的任意数值。

在一个实施例中，所述计算电路801包括：最小值检测电路8011，接收各电池电压Vbatt1和Vbatt2，并且输出其中各电池电压中的最小值Vmin；以及差值电路8012，接收各电池电压Vbatt1和Vbatt2及最小值Vmin，并输出各电池电压Vbatt1～Vbatt2与最小值Vmin之间的差值电压Vbattd1～Vbattd2。

在一个实施例中，所述最大值比较电路802包括两个比较器，分别将各电池电压Vbatt1和Vbatt2与第一平衡使能阈值Vbth1进行比较，得到对应的比较信号将其作逻辑运算后输出平衡使能信号EN_B2。其中，在任意一个电池电压Vbatt1或Vbatt2大于等于第一平衡使能阈值Vbth1时，平衡使能信号EN_B2有效，在所有电池电压Vbatt1和Vbatt2均小于第一平衡使能阈值Vbth1时，平衡使能信号EN_B2无效。在图8实施例中，由于电池组仅包括两节电池，因此最大值比较电路802仅包括两个比较器。而在包括两节电池以上的电池组的应用中，最大值比较电路802则需要n个比较器分别比较每个电池电压与第一平衡使能阈值Vbth1的大小。其中n为电池组中的电池数量。

在一个实施例中，所述差值比较电路803包括比较器，分别比较各差值电压Vbattd1～Vbattd2与第二平衡使能阈值Vbth2，用于输出平衡开关信号OPS1～OPS2。当任一差值电压Vbattx大于第二平衡使能阈值Vbth2时，即表征对应的电池电压与最小的电池电压的差值已经大到需要做平衡的程度。此时，对应的平衡开关信号OPSx有效，若此时平衡使能信号EN_B2也有效，则平衡开关信号OPSx控制对应的放电开关Sx导通，耗电电阻Rx将分流部分对电池Battx的充电电流，直至电池电压Vbattx与电池电压最小值Vmin的差值小于第二平衡使能阈值Vbth2为止。

在图8实施例中，逻辑电路804包括两个与门电路，其中每个与门电路接收一个平衡开关信号OPSx和平衡使能信号EN_B2。在两者均有效的情况下，该与门电路输出控制信号GSx控制对应的放电开关Sx。应当理解，逻辑电路804并不局限于图4的电路结构，其可包括任意能实现在平衡使能信号EN_B2有效时输出对应的平衡开关信号OPSx的功能的电路。

所述第一平衡使能阈值Vbth1的值大于第二平衡使能阈值Vbth2的值。在一个实施例中，所述电池组的单节电池额定电压为4.2V，所述第一平衡使能阈值Vbth1的值为3.5V，所述第二平衡使能阈值Vbth2的值为50mV。本领域普通技术人员可以在本发明指导下，根据实际的应用情况来选择合适的第一平衡使能阈值Vbth1和第二平衡使能阈值Vbth2的值。

图9示出了根据本发明一实施例的电量平衡电路90的电路结构示意图。与图8相比，图9的电量平衡电路90用于对包含n节电池的电池组充电。如前所述，当n大于2时，图9电路中相应的比较电路中的比较器个数会有所增加。此外，图9中的耗电电阻R1～Rn与放电开关S1～Sn串联。应当理解，耗电电阻R1～Rn与放电开关S1～Sn的连接方式，选择如图8或图9的连接方式均可。

图10示出了根据本发明一实施例的电压检测电路100的电路结构示意图。所示电压检测电路100包括分压电路1001和差值电路1002。所述分压电路接收电压组各电池端的电压，将其分压后输出至差值电路1002。所述差值电路1002将电池两端的电压相减后得到表征电池Batt1和Batt2的电压的电压信号Vbatt1和Vbatt2。

在部分实施例中，所述分压电路1001可被省略。即差值电路1002直接对电池组各电池两端的电压进行相减。电池电压Vbatt1和Vbatt2等于实际的电池电压，电池组总电压Vbatts也等于实际的充电电压Vcharge。

在部分实施例中，差值电路1002可由减法电路来实现。在其他实施例中，差值电路1002也可以由误差放大器来实现。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种充电平衡管理电路，包括：

连接方式检测电路，接收电池组的各电池之间的连接点的电压和接地阈值，基于电池组各电池连接点的电压分别和接地阈值的比较，输出平衡连接信号，其中，在电池组各电池之间的连接点的电压均大于接地阈值时，平衡连接信号有效，否则，平衡连接信号无效；

充电电路，接收平衡连接信号、电池组各电池之间的连接点的电压、电池组各电池的电压以及电池组总电压，在平衡连接信号有效时，基于电池组各电池之间的连接点的电压和各电池电压，提供充电电流给电池组充电，在平衡连接信号无效时，基于电池组总电压，提供充电电流给电池组充电；以及

电量平衡电路，接收平衡连接信号和电池组各电池的电压，在平衡连接信号有效时，基于电池组各电池的电压，提供各电池的放电开关的控制信号。

2.如权利要求1所述的充电平衡管理电路，其中，所述充电电路包括：

充电使能电路，基于故障信号、电池组总电压、各电池电压、差值电压、充电电流、恒压总电压阈值、恒压电压阈值、电流判满阈值和第二平衡使能阈值，输出充电使能信号；

平衡模式电流选择电路，基于各电池电压分别与预充电电压阈值的比较输出平衡模式预充电使能信号，基于各电池电压分别与恒流电压阈值的比较输出平衡模式恒流使能信号，其中，在任意电池电压小于预充电电压阈值的情况下，所述平衡模式预充电使能信号和平衡模式恒流使能信号均无效，在所有电池电压大于预充电电压阈值，并且任意电池电压小于恒流电压阈值的情况下，所述平衡模式预充电使能信号有效，而平衡模式恒流使能信号无效，在所有电池电压大于恒流电压阈值的情况下，所述平衡模式预充电使能信号无效，而平衡模式恒流使能信号有效；

非平衡模式电流选择电路，基于电池组总电压分别与预充电总电压阈值和恒流总电压阈值的比较，输出非平衡模式预充电使能信号和非平衡模式恒流使能信号，其中，在电池组总电压小于预充电总电压阈值时，非平衡模式预充电使能信号和非平衡模式恒流使能信号均无效，在电池组总电压大于等于预充电总电压阈值并且小于恒流总电压阈值时，非平衡模式预充电使能信号有效，而非平衡模式恒流使能信号无效，在电池组总电压大于等于恒流总电压阈值时，非平衡模式预充电使能信号无效，而非平衡模式恒流使能信号有效；以及

充电调节电路，基于平衡连接信号、充电使能信号、平衡模式预充电使能信号、平衡模式恒流使能信号、非平衡模式预充电使能信号、非平衡模式恒流使能信号、电池组总电压、各电池电压对负载充电；

其中，在充电使能信号有效的情况下：

当平衡模式预充电使能信号或非平衡模式预充电使能信号无效时，所述充电电流具有涓流电流值，当平衡模式预充电使能信号或非平衡模式预充电使能信号有效时，所述充电电流具有预充电电流值，当平衡模式恒流使能信号或非平衡模式恒流使能信号有效时，所述充电电流具有恒流电流值。

3.如权利要求2所述的充电平衡管理电路，其中，所述充电使能电路包括：

比较电路，接收电池总电压、恒压总电压阈值、各电池电压、恒压电压阈值、充电电流、电流判满阈值、差值电压和第二平衡使能阈值，其中，所述比较电路基于电池总电压与恒压总电压阈值的比较结果输出第一比较信号，基于各电池电压与恒压电压阈值的比较结果输出第二比较信号，基于充电电流与电流判满阈值的比较结果输出第三比较信号，基于差值电压与第二平衡使能阈值的比较结果输出第四比较信号；以及

逻辑门电路，接收故障信号、第一比较信号、第二比较信号、第三比较信号和第四比较信号，基于故障信号、第一比较信号、第二比较信号、第三比较信号和第四比较信号的逻辑运算结果，输出充电使能信号。

4.如权利要求1所述的充电平衡管理电路，其中所述电量平衡电路包括：

计算电路，接收电池组各电池的电压，并输出各电池电压与电池电压最小值的差值电压；

平衡使能比较电路，基于电池组各电池电压分别与第一平衡使能阈值的比较，输出平衡使能信号；

差值比较电路，基于各差值电压与第二平衡使能阈值的比较，输出平衡开关信号，其中，在任意差值电压大于第二平衡使能阈值时，对应的平衡开关信号有效；以及

逻辑电路，接收平衡开关信号和平衡使能信号，在平衡使能信号有效时，输出平衡开关信号分别用于控制对应的电池放电开关。

5.如权利要求4所述的充电平衡管理电路，其中，所述计算电路包括：

最小值检测电路，接收各电池电压，并且输出其中各电池电压中的最小值；以及

差值电路，接收各电池电压及各电池电压中的最小值，并输出各电池电压与最小值之间的差值电压。

6.如权利要求1所述的充电平衡管理电路，还包括：

电压检测电路，接收电池组充电端电压和电池组各电池之间的连接点电压，输出电池组总电压和各电池电压。

7.如权利要求6所述的充电平衡管理电路，其中所述电压检测电路包括差值电路或差分放大器。

8.一种充电平衡管理方法，可用于对电池组充电，包括：

检测各电池间连接点的电压是否大于接地阈值，若是，则进入电池平衡模式，否则进入非电池平衡模式；

在电池平衡模式下：

基于电池组中各电池的电压对电池组充电；

检测是否有任意电池电压大于第一平衡使能阈值，若是，使能平衡功能，否则，平衡功能不使能；

检测是否有任意电池电压与其他电池的最小电压的压差大于第二平衡使能阈值，若是，则实施预设时长的平衡过程，否则，不实施平衡过程；

判断平衡是否完成，具体为判断最大电池电压与最小电池电压之间的压差是否小于第二平衡使能阈值，若是，则检测电池组的判满条件是否满足，否则继续检测是否有任意电池电压与其他电池的最小电压的压差大于第二平衡使能阈值；

检测电池组的判满条件是否满足，具体为所有电池电压是否达到恒压电压阈值，并且充电电流是否低于电流判满阈值，若均为是，则停止充电，否则继续充电；

在非电池平衡模式下：

基于电池组总电压对电池组充电；以及

检测电池组的判满条件是否满足，具体为检测电池组总电压是否达到恒压总电压阈值，并且充电电流是否低于电流判满阈值，若均为是，则停止充电，否则继续充电。

9.如权利要求8所述的充电平衡管理方法，其中，所述基于电池组中各电池电压对电池组充电包括：

充电电流以涓流电流值对电池组充电；

在所有电池电压上升至预充电电压阈值后，并且任一电池电压小于恒流电压阈值时，将充电电流上升为预充电电流值；

在所有电池电压上升至恒流电压阈值后，将充电电流保持为恒流电流值；

在任一电池电压上升至恒压电压阈值后，进入恒压充电阶段；以及

在充电电流下降至电流判满阈值，并且电池电压的最大值与最小值的压差小于第二平衡使能阈值后充电停止。

10.如权利要求8所述的充电平衡管理方法，其中，所述基于电池组总电压对电池组充电包括：

充电电流以涓流电流值对电池组充电；

在电池组总电压上升至预充电总电压阈值后，并且小于恒流总电压阈值时，将充电电流上升为预充电电流值；

在电池组总电压上升至恒流总电压阈值，并且小于恒压电压阈值时，将充电电流保持为恒流电流值；

在电池组总电压上升至恒压电压阈值后，进入恒压充电阶段；以及

在充电电流下降至电流判满阈值后充电停止。

11.如权利要求8所述的充电平衡管理方法，其中，实施预设时长的平衡过程包括：

闭合需要做平衡的电池的放电开关，使需要做平衡的电池与相应的耗电电阻并联，使流经需要做平衡的电池的充电电流分流至耗电电阻。

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