專利名稱：串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種串聯(lián)電池組充電裝置或系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于蓄電池在使用過程中一般都采用多只串聯(lián)方式，各單體電池在制作過程中因工藝、環(huán)境、設(shè)備等因素，在內(nèi)阻、容量、平臺、壽命等方面各單體之間存在或大或小的差異。串聯(lián)或者并聯(lián)起來使用的電池組，由于這種單體之間的差異性，在充電過程中，電池組中有的單體充得快，而有的單體充得慢，充得快的個別單體電池很快就能達到保護電壓，而充得慢的單體電池還沒有充飽，如果充電持續(xù)的話，充得快的個別單體將可能超過保護電壓，存在著發(fā)生爆炸等安全隱患，如果充電到此結(jié)束的話，由于受到各單體之間上述差異性的影響，電池組整體充進容量很難達到設(shè)計要求。目前普遍使用的動力電池主要有鋰離子電池、鎳氫電池等種類，對以串聯(lián)工作方式的這些電池組進行充電，如何保證充電過程中電池組各單體的快速高效均衡充電，是一項亟待解決的技術(shù)難題。目前串聯(lián)動力電池充電方式有如下幾種一是優(yōu)先控制方式，就是監(jiān)控串聯(lián)充電電池組中每一只單體電池，其中有一只電池電壓達到充電電壓保護值，整體電路停止充電，即充電結(jié)束，這種方式不可能將電池組中所有單體均充飽，在使用過程中嚴重影響了電池組的容量發(fā)揮和使用壽命；二是并聯(lián)充電方式，就是每只單體電池都有一個獨立的充電回路和放電回路，實行充電過程或放電過程的單獨控制，這種方式基本上可以將電池組中的各單體充飽，但是充電裝置體積較大，成本高，連線繁瑣，不適用于裝備造價較低的小型設(shè)備；三是半調(diào)節(jié)均衡充電方式，就是對串聯(lián)電池組進行充電，然后分別檢測電池組中單體電池的電壓變化，當(dāng)其中有一只電池電壓達到控制電壓，整體電路停止充電，通過旁路對該只電池進行緩慢放電，等到電壓降到指定值，停止放電，然后整體再恢復(fù)充電，這種方式充電均衡調(diào)節(jié)時間較長，性能不穩(wěn)定，而且發(fā)熱問題很難解決；四是自動均衡調(diào)節(jié)充電方式，就是在上一種半均衡調(diào)節(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用單片機，通過輸入相應(yīng)的操作指令進行控制調(diào)整，可縮短充電時間，但是這種充電系統(tǒng)裝置制作成本高，連接線繁瑣，也不適合用在結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的設(shè)備上。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種充電速度較快，能實現(xiàn)串聯(lián)電池組各組成單體電池自動均衡充電的系統(tǒng)。
其技術(shù)解決方案是本實用新型串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其包括設(shè)置恒流恒壓充電電源的充電主回路、待充電串聯(lián)電池組、各單體電池的電壓信號實時采集電路、各單體電池分別配置的自放電回路，待充電串聯(lián)電池組串聯(lián)接入充電主回路，該系統(tǒng)還設(shè)置信號隔離控制驅(qū)動電路和充電電流調(diào)節(jié)電路。
上述充電電流調(diào)節(jié)電路設(shè)置在充電主回路的充電電源與待充電串聯(lián)電池組之間的主線路段上，該充電電流調(diào)節(jié)電路包括串入主線路段的主限流電阻51及與該主限流電阻聯(lián)接的限流支路，上述限流支路上有MOS管54和電阻53。
上述充電電流調(diào)節(jié)電路設(shè)置一個串入充電主路的充電電源與待充電串聯(lián)電池組之間主線路段上的MOS管52。
上述電壓信號實時采集電路可配置一個檢測比較集成電路塊或一個由多個檢測比較集成電路塊依次排列形成的集成電路塊組，檢測比較集成電路塊的每一對相鄰VC腳，通過檢測線路分別連接待充電串聯(lián)電池組中對應(yīng)單體電池的正負極，相鄰一對VC腳之間串入電容，其中位于最首端的VC腳連接待充電串聯(lián)電池組中第一塊單體電池的正極，位于最末端的VC腳連接待充電串聯(lián)電池組中最后一塊單體電池的負極，其他部位的VC腳同時連接在相鄰一對單體電池中的前單體電池負極和后單體電池正極；檢測比較集成電路塊的各CD腳通過線路分別連接各單體電池配置的自放電回路的MOS管32。
上述信號隔離控制驅(qū)動電路可配置光電耦合管41，光電耦合管41的接收端通過線路連接集成電路塊的COP腳，光電耦合管41的輸出端通過導(dǎo)線接通上述充電電流調(diào)節(jié)電路中限流支路上的MOS管54。
上述串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)還可包括上述待充電池組與負載構(gòu)成的工作主回路，工作主回路中設(shè)置MOS管7，上述某一集成電路塊的DOP腳通過導(dǎo)線接通MOS管7。
上述工作主回路可設(shè)置接通上述集成電路塊的VMP腳的回路過流檢測線路。
上述隔離控制驅(qū)動電路還可包括光電耦合管42，光電耦合管42對應(yīng)集成電路塊組中的除第一位次檢測比較集成電路塊外的其他檢測比較集成電路塊，該對應(yīng)集成電路塊的DOP腳連接光電耦合管42的接收端，光電耦合管42的輸出端通過線路連接位于前一位次檢測比較集成電路塊的CTL腳。
本實用新型具有如下特點1、與現(xiàn)有技術(shù)中采用單片機的自動均衡調(diào)節(jié)充電方式相比，本實用新型連線方便、成本低廉；2、與現(xiàn)有技術(shù)中的半調(diào)節(jié)均衡充電方式相比，在個別單體電池放電自調(diào)節(jié)過程中，其他電池仍舊進行充電，提高了充電效率。
圖1為本實用新型一種實施方式的電原理框圖。
圖2為上述實施方式的具體電原理圖。
以下結(jié)合附圖對本實用新型進行說明具體實施方式
結(jié)合圖1、圖2，本實用新型串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)主要有設(shè)置恒流恒壓充電電源6的充電主回路、待充電串聯(lián)電池組1、各單體電池的電壓信號實時采集電路2、各單體電池分別配置的自放電回路3、信號隔離控制驅(qū)動電路4和充電電流調(diào)節(jié)電路5。
上述待充電串聯(lián)電池組1可以是鋰離子動力電池組，也可以是鎳氫電池組等，其串入充電主回路中，每個單體電池的容量可以是幾百毫安時或幾十、幾百個Ah，電池組中單體串聯(lián)數(shù)量不限。本方式以十只單體電池的串聯(lián)電池組為例進行說明。
上述各單體電池的電壓信號實時采集電路2，可根據(jù)電池組單體電池的數(shù)量和現(xiàn)有技術(shù)中集成電路塊等實際情況，配置一個檢測比較集成電路塊或一個由多個檢測比較集成電路塊依次排列形成的集成電路塊組，本方式選用由四個檢測比較集成電路塊依次排列形成的集成電路塊組，該組中的每個檢測比較集成電路塊的每一對相鄰VC腳和相鄰兩個檢測比較集成電路塊之間相鄰的VC腳通過檢測線路分別連接待充電串聯(lián)電池組中對應(yīng)單體電池的正負極，其中位于最首端的VC腳即集成電路塊21的VCC腳連接待充電串聯(lián)電池組中第一塊單體電池的正極，最末端的VC腳即集成電路塊24的VSS腳連接待充電串聯(lián)電池組中最后一塊單體電池的負極，其他部位的VC腳如集成電路塊21的VC1、VC2、VC3腳，集成電路塊22的VCC、VC1、VC2、VC3腳，集成電路塊23的VCC、VC1、VC2、VC3腳等同時連接在相鄰一對單體電池中的前單體電池負極和后單體電池正極，相鄰一對VC腳之間串入電容，檢測比較集成電路塊的各CD腳如集成電路塊21、22、23的CD1、CD2、CD3腳及集成電路塊24的VDD腳通過線路分別連接各單體電池配置的自放電回路的MOS管32。充電過程中，當(dāng)串聯(lián)電池組中某一單體電池電壓達到了保護電壓，通過檢測線路反饋到對應(yīng)的集成電路塊，該部分就會產(chǎn)生兩種信號，一種信號通過該集成塊上的或CD1腳或CD2腳或CD3腳或VDD腳發(fā)出控制信號至該單體電池自放電回路的MOS管，接通自放電回路，該單體電池通過其自放電回路進行適量放電，同時另一部分控制信號通過其上的COP腳發(fā)出，通過信號隔離控制驅(qū)動電路4的光電耦合管41發(fā)送到充電電流調(diào)節(jié)電路5中限流支路上的MOS管54，斷開限流支路，實現(xiàn)限流充電；待到調(diào)整中的該單體電池電壓降到設(shè)定值，該部分就會重新發(fā)送兩部分控制信號，一種信號通過該集成塊上的或CD1腳或CD2腳或CD3腳或VDD腳發(fā)出控制信號至該單體電池自放電回路的MOS管，斷開自放電回路，該單體電池停止放電，同時另一部分控制信號通過COP腳發(fā)出，通過信號隔離控制驅(qū)動電路4的光電耦合管41發(fā)送到充電電流調(diào)節(jié)電路5中限流支路上的MOS管54，接通限流支路，進行正常充電；以上工作過程反復(fù)調(diào)整進行，可實現(xiàn)均衡快速充電。
上述各單體電池分別配置的自放電回路3，就是通過MOS管32和大功率電阻31和對應(yīng)的每只單體電池組成一個獨立的自放電回路。在充電過程中當(dāng)某只單體電池電壓達到控制電壓，該回路中的MOS管32就會收到從電壓信號實時采集電路2發(fā)來的相應(yīng)信號，通過MOS管接通自放電回路，由大功率電阻31耗能放電；當(dāng)該單體電池電壓降到設(shè)定值時，MOS管32又會收到電壓信號實時采集電路2發(fā)來的控制信號，通過MOS管切斷自放電回路，停止放電。
上述信號隔離控制驅(qū)動電路4，其可配置光電耦合管41，光電耦合管41的接收端通過線路連接集成電路塊的COP腳，光電耦合管41的輸出端通過導(dǎo)線接通上述充電電流調(diào)節(jié)電路中限流支路上的MOS管54。充電過程中，當(dāng)某只單體電池電壓上升達到保護電壓時，電壓信號實時采集電路2就會發(fā)出一個控制信號，這個信號通過該部分光電耦合管41進行隔離傳送，發(fā)送到充電電流調(diào)節(jié)電路5限流支路上的MOS管54，斷開限流支路，實現(xiàn)限流充電；當(dāng)該單體電池電壓降到設(shè)定值時，電壓信號實時采集電路2就會重新發(fā)出一個控制信號，這個信號也是通過該部分光電耦合管41進行隔離傳送，通過信號隔離控制驅(qū)動電路4的光電耦合管41發(fā)送到充電電流調(diào)節(jié)電路5限流支路上的MOS管54，接通限流支路，進行正常充電。另外，該信號隔離控制驅(qū)動電路4還可包括光電耦合管42，光電耦合管42對應(yīng)集成電路塊組中的除第一位次檢測比較集成電路塊外的其他檢測比較集成電路塊，如集成電路塊22、23、24，集成電路塊22、23、24的DOP腳分別連接對應(yīng)的光電耦合管42接收端，光電耦合管42的輸出端通過線路連接位于前一位次的檢測比較集成電路塊的CTL腳，如對應(yīng)集成電路塊23的光電耦合管42連接集成電路塊22的CTL腳，集成電路塊21的DOP腳通過線路接通下述工作主回路的MOS管7。
上述充電電流調(diào)節(jié)電路5設(shè)置在充電主回路的充電電源與待充電串聯(lián)電池組之間的主線路段上，該充電電流調(diào)節(jié)電路5包括串入主線路段的主限流電阻51及與該主限流電阻聯(lián)接的限流支路，上述限流支路上有MOS管54和串入的電阻53；上述充電電流調(diào)節(jié)電路5還設(shè)置一個串入充電主路的充電電源與待充電串聯(lián)電池組之間主線路段上的MOS管52，通過調(diào)節(jié)它的開通狀態(tài)，來實現(xiàn)通過它的充電電流的大小。
上述充電主回路配置的具有恒流恒壓功能充電電源6，可采用一種通過PWM調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒流恒壓調(diào)節(jié)的電源系統(tǒng)。充電電源6的充電電壓、電流值可根據(jù)所配電池組的實際要求進行設(shè)定。
上述串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)還可包括串聯(lián)電池組與負載構(gòu)成的工作主回路(或稱放電主回路)，工作主回路中可設(shè)置MOS管7，上述集成電路塊21的DOP腳通過導(dǎo)線接通MOS管7；上述工作主回路可設(shè)置接通上述集成電路塊21、22、23等的VMP腳的回路過流檢測線路。在負載工作過程(即放電主回路放電過程)中，通過相應(yīng)集成電路塊的VCC、VC1、VC2、VC3腳檢測每只單體電池的電壓變化和通過VMP腳檢測工作主回路電流的變化；當(dāng)電池組中的某只單體電池電壓達到下限保護工作電壓時，該部分或通過集成電路塊21的DOP腳發(fā)出一個控制信號，傳送至工作主回路的MOS管7，斷開工作回路；或通過其他相應(yīng)集成電路塊的DOP腳發(fā)出一個控制信號，并通過對應(yīng)光電耦合管42依次發(fā)送至前序集成電路塊，最后通過集成電路塊21的DOP腳發(fā)出一個控制信號，傳送至工作主回路的MOS管7，斷開工作回路，等待恢復(fù)；待該單體電池保護電壓回升到恢復(fù)電壓，才能重新接通；當(dāng)負載工作放電過程中，出現(xiàn)短路、過流現(xiàn)象，由回路過流檢測線路及VMP反饋，該部分也會通過DOP腳發(fā)出一個信號切斷放電主回路MOS管7，直到短路、過流現(xiàn)象解除，MOS管7才可開通。
下面結(jié)合一個實例對上述實施方式工作過程作進一步說明以在電動自行車上使用的16Ah十個單體串聯(lián)鋰離子動力電池組為例，每只單體電池的容量為16Ah，最高充電電壓為4.2V，最低放電電壓為2.75V，最大放電電流為16A，將每只單體電池通過連線與電壓信號實時采集電路2和各自對應(yīng)的放電回路3相連接，然后接通充電電源或接通負載，形成本實用新型自動均衡充電系統(tǒng)。
充電過程為電池組剛開始充電時，因為各單體電池的電壓都比較低，電源充電方式為恒流充電，此時充電恒流值為3A，當(dāng)某只單體電池電壓充到4.2V時，電壓信號實時采集電路2通過VCC、VC1、VC2或VC3腳等檢測到該信息，經(jīng)過處理，同時發(fā)出兩個信號，一個信號通過CD1、CD2或CD3腳等直接傳到該單體電池的自放電電路3，控制MOS管32開通自放電回路，另一個信號通過COP腳傳送到光電耦合管41，通過該電路4的隔離驅(qū)動，將信號發(fā)送到充電電流調(diào)節(jié)電路5，控制限流支路MOS管54，開通限流支路，調(diào)節(jié)MOS管52開通狀態(tài)，實現(xiàn)限流充電，在電流下降到1.5A狀態(tài)下繼續(xù)充電；同樣，當(dāng)4.2V電池的電壓下降到4.1V時，電壓信號實施采集電路2就會檢測到該信息，經(jīng)過處理，同時發(fā)出兩個信號，一個信號直接傳到該單體電池的自放電電路3，控制該部分的MOS管32斷開自放電回路，停止放電，另一個信號傳送到隔離控制驅(qū)動電路4，通過該電路的隔離驅(qū)動，將信號發(fā)送到充電電流調(diào)節(jié)電路5，控制限流支路MOS管54，接通MOS管52實現(xiàn)正常充電，即電流又回到3A狀態(tài)下的充電。如此反復(fù)調(diào)節(jié)，最后就可將10電池電壓都充到4.2V左右。
工作主回路的放電過程為當(dāng)電池組中某只單體電池電壓降到2.75V時，電壓信號信號實時采集電路2就會通過VCC、VC1、VC2、VC3腳檢測到該信息，經(jīng)過處理，通過DOP腳發(fā)出控制信號，信號傳到工作主回路的MOS管7控制端，斷開主回路，等待恢復(fù)；當(dāng)該電池電壓恢復(fù)到恢復(fù)電壓3.0V以上時，電壓信號實時采集電路2就會通過相應(yīng)VCC、VC1、VC2、VC3腳檢測到該信息，經(jīng)過處理，通過DOP腳發(fā)出控制信號，信號傳到工作主回路的MOS管7控制端，閉合工作主回路，繼續(xù)放電，直到放電保護為止。另外，當(dāng)放電電流超過16A或短路時，電壓信號實時采集電路2就會通過相應(yīng)的VMP腳檢測到該信息，經(jīng)過處理，發(fā)出控制信號，信號直接傳到主回路MOS管7的控制端，斷開放電回路，等待恢復(fù)，直到問題解除為止。
最后充放電結(jié)果為充電電池組中每個單體電池端電壓4.2V±0.03V。
放電電池組中沒有一個電池電壓低于2.75±0.03V。
權(quán)利要求1.一種串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其包括設(shè)置恒流恒壓充電電源的充電主回路、待充電串聯(lián)電池組、各單體電池的電壓信號實時采集電路、各單體電池分別配置的自放電回路，待充電串聯(lián)電池組串聯(lián)接入充電主回路，其特征在于所述系統(tǒng)還設(shè)置信號隔離控制驅(qū)動電路和充電電流調(diào)節(jié)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其特征在于所述充電電流調(diào)節(jié)電路設(shè)置在充電主回路的充電電源與待充電串聯(lián)電池組之間的主線路段上，該充電電流調(diào)節(jié)電路包括串入主線路段的主限流電阻(51)及與該主限流電阻聯(lián)接的限流支路，所述限流支路上有MOS管(54)和串入電阻(53)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其特征在于所述充電電流調(diào)節(jié)電路設(shè)置一個串入充電主路的充電電源與待充電串聯(lián)電池組之間主線路段上的MOS管(52)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其特征在于所述電壓信號實時采集電路可配置一個檢測比較集成電路塊或一個由多個檢測比較集成電路塊依次排列形成的集成電路塊組，檢測比較集成電路塊的每一對相鄰VC腳通過檢測線路分別連接待充電串聯(lián)電池組中對應(yīng)單體電池的正負極，相鄰一對VC腳之間串入電容，其中位于最首端的VC腳連接待充電串聯(lián)電池組中第一塊單體電池的正極，位于最末端的VC腳連接待充電串聯(lián)電池組中最后一塊單體電池的負極，其他部位的VC腳同時連接在相鄰一對單體電池中的前單體電池負極和后單體電池正極；檢測比較集成電路塊的各CD腳通過線路分別連接各單體電池配置的自放電回路的MOS管(32)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其特征在于所述電壓信號實時采集電路可配置一個檢測比較集成電路塊或一個由多個檢測比較集成電路塊依次排列形成的集成電路塊組，檢測比較集成電路塊的每一對相鄰VC腳通過檢測線路分別連接待充電串聯(lián)電池組中對應(yīng)單體電池的正負極，相鄰一對VC腳之間串入電容，其中位于最首端的VC腳連接待充電串聯(lián)電池組中第一塊單體電池的正極，位于最末端的VC腳連接待充電串聯(lián)電池組中最后一塊單體電池的負極，其他部位的VC腳同時連接在相鄰一對單體電池中的前單體電池負極和后單體電池正極；檢測比較集成電路塊的各CD腳通過線路分別連接各單體電池配置的自放電回路的MOS管(32)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其特征在于所述信號隔離控制驅(qū)動電路配置光電耦合管(41)，光電耦合管(41)的接收端通過線路連接集成電路塊的COP腳，光電耦合管(41)的輸出端通過導(dǎo)線接通上述充電電流調(diào)節(jié)電路中限流支路上的MOS管(54)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其特征在于所述串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)還包括上述待充電池組與負載構(gòu)成的工作主回路，工作主回路中設(shè)置MOS管(7)，上述某一集成電路塊的DOP腳通過導(dǎo)線接通MOS管(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其特征在于所述工作主回路設(shè)置接通上述集成電路塊的VMP腳的回路過流檢測線路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，其特征在于所述隔離控制驅(qū)動電路還可包括光電耦合管(42)，光電耦合管(42)對應(yīng)集成電路塊組中的除第一位次檢測比較集成電路塊外的其他檢測比較集成電路塊，該對應(yīng)集成電路塊的DOP腳連接光電耦合管(42)的接收端，光電耦合管(42)的輸出端通過線路連接位于前一位次檢測比較集成電路塊的CTL腳。
專利摘要本實用新型公開一種串聯(lián)電池組自動均衡充電系統(tǒng)，主要解決該類現(xiàn)有技術(shù)存在的諸如均衡性不高、影響電池組使用性能或制作成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，其包括設(shè)置恒流恒壓充電電源的充電主回路、待充電串聯(lián)電池組、各單體電池的電壓信號實時采集電路、各單體電池分別配置的自放電回路，待充電串聯(lián)電池組串聯(lián)接入充電主回路，上述系統(tǒng)還設(shè)置信號隔離控制驅(qū)動電路和充電電流調(diào)節(jié)電路。用來實現(xiàn)對串聯(lián)電池組在充電過程中的自動均衡，具有充電速度快、安全可靠等特點。
文檔編號H02J7/04GK2722489SQ20042005214
公開日2005年8月31日 申請日期2004年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月7日
發(fā)明者薛泰安, 吳惠康, 宋延明, 熊俊威, 王希龍 申請人:青島市家用電器研究所, 青島澳柯瑪新能源技術(shù)有限公司