CN100372213C - 一种串联电池组的均衡充电方法及其装置 - Google Patents

一种串联电池组的均衡充电方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及串联电池组的均衡充电方法及其装置。该装置包括充电器、充电开关、均衡器、电流方向检测器、控制器和由至少两节电池串联组成的电池组，组成电池组的每节电池并联一个均衡器，与串联电池组对应，各均衡器串联连接，最外端的两个均衡器中一个与充电开关连接，另一个与电流方向检测器连接，充电开关和电流方向检测器分别与充电器连接；控制器还分别与充电开关和电流方向检测器连接。本发明提供了一种能够使原本不均衡的串联电池组，经充电后每一节电池都处于充满状态的均衡充电方法与装置，具有充电效率高、电池组中各电池充电均衡效果好、可扩展性好的优点，而且本发明的装置成本低，具有较好的产业化前景。

Description

一种串联电池组的均衡充电方法及其装置
技术领域
本发明涉及电池充电技术领域，特别是涉及一种串联电池组的均衡充电方法及其装置。
背景技术
为了给用电设备提供足够的电压，通常需要由多个电池串联而成电池组。但是，由于制造精度，工艺控制和检测手段的因素，不同电池之间内阻、容量、自放电率等参数不可避免有一定的差异。这种差异导致电池包的总容量受制于最弱电池的容量。如果不采取均衡措施，经过多次充放电循环，这种差异会进一步扩大，使电池包总容量进一步减少。例如，锂电池充满电压为4.2V，放空电压为2.5V，串联电池组中，最弱电池充电时总是最先达到充满电压，放电时总是最先达到放空电压，这两种状态都会使电池保护电路动作，切断回路，终止充电或放电过程。由此可见，电池组中其它电池始终处于没有充满和没有放空的状态，容量得不到充分利用，不能发挥其最大功效。同时最弱电池经历全充全放的循环，性能劣化速度比其它电池要快，经过多次充放电循环后，差异具有累积效应，从而使电池包总容量进一步减少。为此，需要对串联电池组进行均衡充电。
现有对串联电池组进行均衡充电的技术方案主要有三种：
1、旁路电流法。
如图1所示，对串联电池组由电池B1、B2…Bn组成，其中每节电池设置旁路电阻R1、R2...Rn和旁路开关S1、S2....Sn，电阻和开关串联，各旁路开关与控制器连接，控制器实时检测每节电池的电压。当任何两节电池电压差异超过某一设定值(例如：10mV)时，控制器打开电压较高电池对应的旁路开关，由旁路电阻对此电池进行放电，同时起到分流作用，减少对此电池的充电电流。例如：控制器实时检测串联电池组中每节电池B1、B2…Bn，在某一时刻检测到B2电压比B1电压高10mV以上，控制器打开B2对应的旁路开关S2，接通旁路电阻R2对电池B2进行放电，同时，由于R2的分流作用，充电器对B2的充电电流从I减少为(I-I2)。可见，均衡电路延缓了电压最高电池的充电速度，而对其它电池不起作用，从而使所有电池均衡地充电。但该方案存在以下缺点：(1)均衡效果差，通常情况下，旁路电阻因散热的限制，功率不能设定太大，放电和分流作用有限，旁路开关打开时，充电机仍然对电池进行充电，并没有停止；(2)扩展性能差，所有电池单元都需要连接电压信号和旁路开关控制信号电缆到中心节点的控制器，改变电池组单元数量时，需要更改控制器的设计，比如改变电压采样通道和旁路开关控制通道；(3)控制电路复杂，成本高。由于控制器需要精确检测每节电池的电压，必须采用AD转换器件(模拟-数字转换器件)将电池的模拟电压信号转换为数字信号送到CPU(中央处理器)系统进行计算，处理结果以开关量输出控制旁路开关，需要增加隔离驱动电路。这样每节电池需要占用一条AD通道和一条开关量通道，电池数量增加时，将使电路复杂程度和成本大大增加。对7节以上电池串联的24V以上高电压应用场合，考虑AD转换器件的电压承受能力，还需要增加复杂的隔离电压检测电路。
2、切换充电法。
如图2所示，与旁路电流法不同的是，每节电池的充放电不是单独由一个旁路开关控制，而是由相邻两个开关控制，旁路电路也没有电阻。控制器与开关S1、S2....Sn连接，充电器的输出端也与开关连接，并经过开关切换网络，轮流对每节电池进行充电。由于所有电池的充电电源来自同一个充电器，可以保证所有电池的充满电压是完全一致的，从而达到了均衡的目的。例如：在时间段T1，控制器使电池B1对应开关S1和S2接通，其它开关断开，充电器对电池B1充电；在时间段T2，控制器使电池B2对应开关S2和S3接通，其它开关断开，充电器对电池B2充电，如此循环进行，直至所有电池充电完成。切换充电法可达到非常好的均衡充电效果，但也存在以下不足：(1)开关切换网络数量多，控制复杂，成本高，可靠性低；(2)充电器某一时间段内，只对一节电池进行充电，充电效率低；(3)充电器只对一节电池充电，电压必须设定在4.2V左右，对于大容量电池，必须要很大的充电电流，这种低压大电流情况会造成充电器转换效率低，发热严重，成本高；(4)扩展性能差，增加电池需要更改控制器的设计。
3、单独充电法。
如图3所示，对每节电池B1、B2…Bn单独设置一个充电器，单独进行充电。由于电池是单独进行充电的，只要将每个充电器电压调整好，就可达到均衡充电的目的。单独充电法控制最简单，均衡充电效果良好，扩展方便，但存在以下不足：(1)需要使用多个充电器，成本高，体积大，特别是串联电池数量多的情况；(2)充电器只对一节电池充电，电压必须设定在4.2V左右，对于大容量电池，必须要很大的充电电流，这种低压大电流情况会造成充电器转换效率低，发热严重。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可使原来不均衡的电池组经过一次充电后变得完全均衡，且电路简单，控制器采用总线式，易于扩展，总体成本低的串联电池组的均衡充电装置。
本发明的另一目的在于提供一种应用上述装置实现串联电池组的均衡充电方法。
本发明的目的通过如下技术实现：
一种串联电池组的均衡充电装置，包括充电器、充电开关、控制器和由至少两节电池串联组成的电池组以及均衡器和电流方向检测器，所述组成电池组的每节电池并联一个均衡器，与串联电池组对应，各均衡器串联连接，最外端的两个均衡器中一个与充电开关连接，另一个与电流方向检测器连接，充电开关和电流方向检测器分别与充电器连接；所述各均衡器的输入端连接一起，并与控制器的输出端连接，各均衡器的输出端连接一起，并与控制器的输入端连接，所述控制器还分别与充电开关和电流方向检测器连接。
所述均衡器包括电源控制开关、电压比较器、参考电压源和放电电路，电压比较器正输入端与均衡器所并联的电池正极连接，负输入端与参考电压源连接，电压比较器还分别与电源控制开关、放电电路连接和控制器连接，所述电压比较器的输出端为均衡器的输出端，电源控制开关的输入端为均衡器的输入端。所述电源控制开关优选为场效应管(MOSEFT)或者继电器。
所述电流方向检测器主要由电流采样电阻和电压比较器二组成，电压比较器二的正负两端分别与电流采样电阻两端连接，其输出端与控制器连接，电流采样电阻一端与充电器连接，另一端与均衡器和电池组连接。电压比较器二根据充电回路串联的电流采样电阻上的电压判断电流方向，输出信号使控制器能够识别电池的充电和放电两种状态。
所述控制器由一块89C52单片机集成电路组成，对电流方向和均衡动作两个输入信号的情况进行判断，产生充电开关控制和均衡器电源控制两个输出信号控制均衡器和充电开关动作。
一种串联电池组均衡充电方法，包括如下步骤：
(1)先对控制器上电初始化，然后接通充电开关，电流方向检测器检测电流方向，判断是否处于充电状态，如果是，进行第(2)步，否则，进入循环等待；所述的控制器上电初始化就是控制器上电后，对控制器内各寄存器进行初始化。
(2)控制器打开充电开关并维持一段时间T，然后关闭充电开关；T优选为10～180秒。
(3)由控制器通过均衡器内的电源控制开关接通电压比较器电源，电压比较器通过检测所并联的电池电压值，并与参考电压源的设定的门限电压比较，如果电池电压值大于设定的门限电压，则向控制器发出均衡动作信号，控制器如果收到任何一个均衡器送来的均衡动作信号，同时对与该均衡器所并联的电池进行放电，而其它电池则进行循环等待，直至该电池电压值不大于设定的充满电压门限；如果电池电压值不大于设定的充满门限电压，电压比较器不向控制器不输出均衡动作信号，控制器关闭均衡器的电源，然后进入步骤(1)循环。
上述过程中，控制器先打开充电开关对所有电池充电一段时间，然后通过均衡器检测到任一电池电压超过设定门限电压，而并非全部电池电压超过设定门限电压时，对此电池放电，放电时充电开关处于关闭状态，直到该电池的电压不大于设定的门限电压，然后再对所有电池充电，直至全部电池充满。
与现有技术相比，本发明提供了一种能够使原本不均衡的串联电池组，经充电后每一节电池都处于充满状态的均衡充电方法与装置。本发明具有充电效率高、电池组中各电池充电均衡效果好的优点，以及各均衡器采用输入端和输出端连接在一起分别与控制器连接的总线式，本发明还具有电池组电池和均衡器可扩展性好的优点，而且本发明的装置成本低，具有较好的产业化前景。
附图说明
图1是旁路电流法均衡充电实现原理图。
图2是切换充电法均衡充电实现原理图。
图3是单独充电法均衡充电实现原理图。
图4是本发明串联电池组的均衡充电装置实现原理示意图。
图5是本发明均衡器模块原理示意图。
图6是本发明电流方向检测器模块原理示意图。
图7是本发明控制器模块原理框图。
图8是本发明充电过程流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1
充电对象为7个8安时24V锂电池组。
如图4所示，串联电池组的均衡充电装置包括充电器1、充电开关2、控制器3、均衡器5和电流方向检测器4以及7串电池串联组成的电池组6(B1、B2....Bn)；所述组成电池组的每节电池并联一个均衡器5，与串联电池组对应，7个均衡器串联连接，最外端的两个均衡器分别与充电开关2和电流方向检测器4连接，充电开关2和电流方向检测器4分别与充电器1连接，所述各均衡器5的输入端连接一起并与控制器3的输出端连接，接收控制器发出的接通均衡器电源信号，各均衡器5的输出端连接一起，并与控制器3的输入端连接，向控制器3发出均衡动作信号，所述控制器3还分别与充电开关2和电流方向检测器4连接。
如图5所示，所述的均衡器包括电源控制开关51、电压比较器54、参考电压源53和放电电路52。电压比较器54型号为LM393，其正输入端与均衡器5并联的电池正极连接，负输入端与参考电压源53连接，电压比较器54还分别与电源控制开关51、放电电路52和控制器3连接，所述电压比较器的输出端为均衡器的输出端，电源控制开关的输入端为均衡器的输入端。一般情况，参考电压源53提供4.2伏的电压，电源控制开关51为一场效应管(MOSEFT)，也可以为一继电器，放电电路52主要由控制开关和电阻构成。当电池电压大于参考电压源提供的4.2伏电压时，电压比较器54输出高电平，向控制器3发出均衡动作信号，同时通过控制开关接通放电电路52对电池进行放电，控制器3收到均衡器5送来的均衡动作信号后，关掉充电开关2(如图4所示)，如果此时电池电压仍然大于参考电压源53提供的4.2伏电压时，电压比较器54维持输出高电平，均衡动作信号仍然有效，放电电路52维持对电池进行放电，直到电池电压不大于参考电压源53提供的4.2伏电压。电源控制开关51一端与控制器3连接，另一端与电压比较器54连接，接收控制器3发送的接通均衡器5电源信号，接通电压比较器54电源，如电源控制开关51没有收到这个信号，即使电池电压大于4.2伏，均衡器不工作。总的来说，均衡器5具有检测所并联的电池电压值并与设定电压门限比较，如果电池电压值大于设定的充满电压门限，则向控制器发出均衡动作信号，同时对电池进行放电，直至电池电压值不大于设定的充满电压门限，如果电池电压不大于设定的电压门限，不输出均衡动作信号。
如图6所示，电流方向检测器4主要由电流采样电阻41和电压比较器二42组成。电压比较器二42的正负两端分别与电流采样电阻41两端连接，如电池处于充电状态，充电电流从右往左流过电流采样电阻41，电压比较器二42的负输入端电压大于正输入端的电压，输出低电平；如果电池处于放电状态，放电电流从左往右流过电流采样电阻41，电压比较器二42的负输入端电压低于正输入端的电压，输出高电平。电流方向检测器4根据充电回路串联的电流采样电阻41上的电压来判断电流方向，输出信号使控制器3能够识别电池的“充电”和“放电”两种状态。
控制器3由单片机系统组成，本实施例单片机由一块89C52单片机集成电路组成，原理框图如图7所示，控制器3对电流方向和均衡动作两个输入信号的情况进行判断，产生充电开关控制和均衡器电源控制两个输出信号控制均衡器和充电开关动作，完成均衡充电过程，均衡充电过程控制程序流程如图8所示，也就是充电过程流程，其程序采用C语言编写，也可采用汇编语言编写。
充电器1采用深圳市强能电气有限公司生产的QND602型电动车充电机，向电池提供充电电流，具有限压恒流特性。限压是指充电器的最高输出电压不超过电池组的充满电压(4.20V×N，N指电池的个数)。恒流是指充电电流为恒定值(例如：0.2C，C指电池的容量)。事实上，市售具有限压恒流特性的充电器均可作为本发明的充电器部件使用。
充电开关2为一场效应管(MOSEFT)，接受控制器的指令接通或断开充电器与电池的电流回路，即按控制器的要求启动或停止对电池的充电。
应用本发明的均衡充电装置实现7个8安时容量锂电池串联电池组的均衡充电时。充电器电压29.4V，充电电流1.6A，其过程如下：
(1)先对控制器3上电初始化，然后接通充电开关2，电流方向检测器4检测电流方向，判断是否处于充电状态，如果是，进行第(2)步，否则，进入循环等待；控制器上电初始化就是控制器上电后，对控制器内各寄存器进行初始化。
(2)控制器3打开充电开关2并维持一段时间T，充电维持时间T为60秒，然后关断充电开关；
(3)由控制器3通过均衡器5内的电源控制开关51接通电压比较器54电源，电压比较器54通过检测所并联的电池电压值，并与参考电压源53设定的门限电压比较，如果电池电压值大于设定的门限电压，则向控制器3发出均衡动作信号，控制器3如果收到任何一个均衡器5送来的均衡动作信号，同时对与该均衡器5所并联的电池进行放电，均衡器5放电功率P为6.72W，而其它电池则进行循环等待，直至该电池电压值不大于设定的门限电压；如果电池电压值不大于设定的门限电压，均衡器5不向控制器3不输出均衡动作信号，控制器关闭均衡器5的电源，然后进入步骤(1)循环。
充电时，本实施例7个8安时24V锂电池组，充电电流为1.6A，对于完全均衡的电池组，考虑损耗，按充入电池容量的120％计算，正常充电时间为6小时(8×120％/1.6)。对于部分电池容量为0％，部分电池容量为100％的极限不均衡情况，一次均衡充电全部时间为12小时。
实施例2
10个12安时36V锂电池均衡充电系统：本系统实现10个12安时容量锂电池串联电池组的均衡充电。充电器电压42V，充电电流2.4A。充电维持时间T为180秒。均衡器放电功率P为10W。均衡充电装置和充电过程同实施例1。对于完全均衡的电池组，正常充电时间为6小时(按充入120％容量计算)。对于部分电池容量为0％，部分电池容量为100％的极限不均衡情况，一次均衡充电全部时间为12小时。
实施例3
4个3.6安时14.4V锂电池均衡充电系统：本系统实现4个3.6安时容量锂电池串联电池组的均衡充电。充电器电压16.8V，充电电流2A。充电维持时间T为10秒。均衡器放电功率P为2.1W。均衡充电装置和充电过程同实施例1。对于完全均衡的电池组，正常充电时间为2.16小时(按充入120％容量计算)。对于部分电池容量为0％，部分电池容量为100％的极限不均衡情况，一次均衡充电全部时间为10.8小时。
本发明建议的电池范围：
串联电池数：3串～13串
电池容量：1安时～100安时
如上所述，即可较好实施本发明。对比现有技术，本发明具有充电效率高、电池组中各电池充电均衡效果好的优点，以及各均衡器采用输入端和输出端连接在一起分别与控制器连接的总线式，本发明还具有电池组电池和均衡器可扩展性好的优点，而且本发明的装置成本低，具有较好的产业化前景，具体对比情况如表1所示。
表1本发明与现有均衡充电方法对比情况表
  均衡方法   装置成本   可扩展性   均衡效果   充电效率
  本发明   低   好   好   高
旁路电流法 高 差 中 中
  切换充电法   中   差   好   低
  单独充电法   高   中   好   低

Claims (7)

1.一种串联电池组的均衡充电装置，包括充电器、充电开关、控制器和由至少两节电池串联组成的电池组，其特征在于，该装置还包括均衡器和电流方向检测器，所述组成电池组的每节电池并联一个均衡器，与串联电池组对应，各均衡器串联连接，最外端的两个均衡器中一个与充电开关连接，另一个与电流方向检测器连接，充电开关和电流方向检测器分别与充电器连接；所述各均衡器的输入端连接一起，并与控制器的输出端连接，各均衡器的输出端连接一起，并与控制器的输入端连接，所述控制器还分别与充电开关和电流方向检测器连接；
所述均衡器包括电源控制开关、电压比较器、参考电压源和放电电路，电压比较器正输入端与均衡器所并联的电池正极连接，负输入端与参考电压源连接，电压比较器还分别与电源控制开关、放电电路连接和控制器连接，所述电压比较器的输出端为均衡器的输出端，电源控制开关的输入端为均衡器的输入端。
2.根据权利要求1所述的串联电池组的均衡充电装置，其特征在于，所述电源控制开关为场效应管或者继电器。
3.根据权利要求1所述的串联电池组的均衡充电装置，其特征在于，所述电流方向检测器由电流采样电阻和电压比较器二组成，电压比较器二的正负两端分别与电流采样电阻两端连接，其输出端与控制器连接，电流采样电阻一端与充电器连接，另一端与均衡器和电池组连接。
4.根据权利要求1所述的串联电池组的均衡充电装置，其特征在于，所述控制器由一块89C52单片机集成电路组成，对电流方向和均衡动作两个输入信号的情况进行判断，产生充电开关控制和均衡器电源控制两个输出信号控制均衡器和充电开关动作。
5.一种应用权利要求1～4任一项所述串联电池组的均衡充电装置的均衡充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)先对控制器上电初始化，然后接通充电开关，电流方向检测器检测电流方向，判断是否处于充电状态，如果是，进行第(2)步，否则，进入循环等待；
(2)控制器打开充电开关并维持一段时间T，然后关闭充电开关；
(3)由控制器通过均衡器内的电源控制开关接通电压比较器电源，电压比较器通过检测所并联的电池电压值，并与参考电压源的设定的门限电压比较，如果电池电压值大于设定的门限电压，则向控制器发出均衡动作信号，控制器如果收到任何一个均衡器送来的均衡动作信号，同时对与该均衡器所并联的电池进行放电，而其它电池则进行循环等待，直至该电池电压值不大于设定的充满电压门限；如果电池电压值不大于设定的充满门限电压，电压比较器不向控制器不输出均衡动作信号，控制器关闭均衡器的电源，然后进入步骤(1)循环。
6.根据权利要求5所述的串联电池组的均衡充电装置的均衡充电方法，其特征在于，所述步骤(1)控制器上电初始化就是控制器上电后，对控制器内各寄存器进行初始化。
7.根据权利要求5所述的串联电池组的均衡充电装置的均衡充电方法，其特征在于，所述步骤(2)的时间T为10～180秒。
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