CN100380770C - 便携式锂离子电池能源箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式锂离子电池能源箱，其特征在于有由2～14只锂离子电池组成的7.2V至50.4V的电池组，电池组的负极分别与充电器的负极和电流检测器、转换器和逆变装置的负极连接，电池组的正极分别与充电器的正极、熔断器、电源开关和转换器和逆变装置的正极连接，电池组的每只电池的正、负极引出两根测量线与安全监控装置输入端的连接，输出端分别与充电器、报警灯、转换器、逆变装置、剩余电量显示器和电流检测器连接，该能源箱具有可均衡充电，安全性好，重量轻，体积小，对环境无污染的优点及效果。

Description

便携式锂离子电池能源箱

技术领域

本发明涉及一种能源箱，特别是便携式锂离子电池能源箱，可用作小型储能型电源、储藏风力发电、太阳能发电和水力发电的电能，也可用作城市电网临时停电或夜间廉价电力的储藏装置及家庭生活的照明、通风换气家用电器的能源，属应急能源领域。

背景技术

随着工业建设的发展和人们生活水平不断提高，用电范围和用电量不断扩大，能源断缺的矛盾日益突出，造成电力供应日趋紧张，拉闸限电的情况时有发生；另外一些自然灾害如飓风、洪水也造成许多地方电网被迫停止供电，给生产和生活带来了诸多困难；还有一些长途跋涉的车辆以及野外宿营的人们也很需要有种备用应急电源，满足室内外的应急照明、通风、故障车辆启动、通讯供电方面的需求，而目前的应急能源设备，采用的电池体积大，重量重，而且使用范围窄，电量低、寿命短。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述己有技术的缺点与不足而设计一种体积小、重量轻、用途广的便携式锂离子电池能源箱，从而解决了能源紧缺和拉闸限电带来的各种不便。

本发明的目的是通过下列技术方案实现的：

便携式锂离子电池能源箱，包括上箱体1、下箱体22、电池组13、第一照明灯3、第二照明灯4、第一照明灯开关15、第二照明灯开关16、直流电插座19、交流电插座7、充电器9、断路器电源开关8、安全监控装置6、手提拉手和背肩带，其特征在于：

在下箱体底面上固定有2-14只锂离子电池，每只电池的正、负极串联组成7.2～50.4V的电池组，电池组顶部用下箱体的下隔板2隔离，在下隔板上装有充电器、逆变装置10、DC/DC转换器11和安全监控装置，在电池组上面的上隔板21上装有剩余电量显示器5、报警灯17、交流电插座和直流电插座，电池组的负极分别与充电器的负极连接，并通过串联电流检测器14与DC/DC转换器的输出端负极和逆变装置的输入端负极连接，电池组的正极分别与充电器的正极连接，并通过串联第一熔断器18与断路器电源开关和DC/DC转换器的输入端正极，和逆变装置的输入端正极连接，第一照明灯和第一照明灯开关串联成第一支路，第二照明灯和第二照明灯开关串联成第二支路，分别并联在DC/DC转换器的输出端正、负极两侧，DC/DC转换器的输出端正极串联第二熔断器20，之后与直流电插座26的正极接口连接，DC/DC转换器的输出端负极与直流电插座的负极接口连接，逆变装置的一个输出端串联第三熔断器23之后与交流电插座27的一输入端连接，逆变装置的另一输出端与交流电插座另一输入端连接，电池组的每只电池的正、负极引出两根测量线24，25与安全监控装置输入端连接，安全监控装置的输出端分别与充电器、DC/DC转换器、逆变装置、剩余电量显示器和报警灯的控制端连接，还装有与充电器连接的散热风机12；

所述的安全监控装置由电压监控器、电流检测器、温度检测器和输出控制部分组成，电压监控器由光电继电器32、第一线性光电耦合器31和通道选择器34组成，其中，光电继电器型号为：AQW214、第一线性光电耦合器型号为：PC817、通道选择器型号为：CD4067，每只电池两端连接光电继电器输入端的6脚、8脚，光电继电器输出端的5脚、7脚分别连接第一线性光电耦合器控制端的2脚、1脚，第一线性光电耦合器控制端的3脚接地，第一线性光电耦合器控制端的4脚连接控制器35的第一模数转换器输入端A/D0，光电继电器控制端的1脚、3脚连接+5V电源，光电继电器控制端2脚、4脚并联，依次连接内部有2-14路的通道选择器的驱动端(CS1、CS2、……CS10)，控制器的片选信号(RB5)接反相器28输入端，反相器输出端与通道选择器的15脚连接，控制器数据通道(RD0-RD3)分别与通道选择器的10-13脚连接，通道选择器的14、16脚接地；电流检测器采用非接触式霍尔元件采集电流，将霍尔元件主电路电压信号(Ui)与运算放大器36同相输入端连接，运算放大器型号为：ICL7650，运算放大器输出端与控制器的第二模数转换器输入端(A/D1)连接，运算放大器反相输入端串联第一电阻(R11)并接地，运算放大器反相输入端和输出端之间串联第二电阻(R12)；温度检测器选用温度传感器30贴在电池外侧，温度传感器型号为：Lm74，温度传感器U+脚和GND脚之间串联第一电容(C21)，温度传感器U+脚连接二极管29阴极，+5V电源连接二极管的阳极，温度传感器的串行时钟输入端(SC)连接控制器时钟输出端(SCK)，温度传感器串行温度数据的输入/输出端(SI/O)与控制器数据输入端(SDI)连接，温度传感器输入/输出端(SI/O)通过第三电阻(R21)与控制器数据输出端(SD0)连接，控制器片选脚(CS)与温度传感器片选脚(/C)连接；

输出控制部分由控制器、第二线性光电耦合器PC817 33组成，控制器输入/输出第一通道(RA0-4)，分别连接第二线性光电耦合器PC817的输入端，输出五路开关量信号(P1～P5)，第一路开关量信号(P1)和报警灯的输入端接口连接，第二路开关量信号(P2)与DC/DC转换器的紧急停止输出接口连接，第三路开关量信号(P3)与剩余电量显示器接口连接，第四路开关量信号(P4)与逆变装置的紧急停止接口连接，第五路开关量信号(P5)与充电器急停接口连接，控制器输入/输出第二通道(RB0-4)，分别连接报警灯17和剩余电量显示器5；

当此装置充电时：检测到电池温度过高或电压异常时，第一路开关量信号发出报警信号，第五路开关量信号发出停止充电信号；当此装置放电时：检测到电池温度过高或电压超低时，第一路开关量信号发出报警信号，第二和第四路开关量信号发出，分别停止DC/DC转换器和逆变装置放电工作；在充电和放电过程中，第三路开关量信号输出电池组剩余容量的信号。

由于采取上述技术方案使本发明与己有技术相比具有如下优点及效果：

(a)可均衡充电，保证每只电池充饱电，快速充电并可满足浮充要求，

(b)可恒定输出～220V或～110V单相交流电和恒定的12V的直流电，

(c)体积小，重量轻，使用方便，操作简单，安全性好，对环境无污染，

(d)可用作小型储能型电源、储藏风力发电、太阳能发电和水力发电的电能，也可用作城市电网临时停电或夜间廉价电力的储藏装置及家庭生活的照明、通风换气家用电器的能源。

附图说明：

图1为本发明能源箱的结构示意图

图2为本发明能源箱的原理图

图3为安全监控装置的电压监控器、电流检测器原理图

图4为安全监控装置的温度检测器与输出控制原理图

具体实施方式

便携式锂离子电池能源箱，由图1、2所示，它包括上箱体1、下箱体22、电池组13、照明灯3、4、照明灯开关15、16、直流电插座19、交流电插座7、充电器9、断路器电源开关8、安全监控装置6、手提拉手和背肩带(图中未示)，其中上、下箱体采用铝合金及彩色防火板制作，在下箱体底面上固定有2～14只锂离子电池，每只电池的正、负极串联组成7.2～50.4V的电池组，电池组顶部用下箱体的下隔板2隔离，要求单体电池化学性能一致性好，用酚醛树脂绝缘板制作的隔离板(图中未示)将电池组隔离，在下隔板2上装有充电器、逆变装置10、DC/DC转换器11和安全监控装置，在上隔板21上装有剩余电量显示器5、报警灯17、交流电插座和直流电插座，电池组的负极分别与充电器负极和电流检测器14和DC/DC转换器和逆变装置的负极连接，电池组的正极分别与充电器的正极、熔断器18、断路器电源开关和DC/DC转换器输入端正极和逆变装置的输入端正极连接，DC/DC转换器的输出端负极分别连接安装在上箱体内壁上的两个照明灯、两个照明灯开关和与直流电插座26的直流电接口负极连接，DC/DC转换器的输出端正极连接断熔器20与直流电插座约直流电接口正极连接，逆变装置一个输出端与熔断器23和与交流电插座27的一输入端连接，逆变装置的另一个输出端与交流电插座的交流电接口另一输入端连接，可使电池组输出恒定的直流+12V电源，供照明灯及其它用电器使用，可将电池组的直流电压DC12V通过逆变装置转换成220V或者110V交流电源，可用作小型储能型电源、储藏风力发电、太阳能发电和水力发电的电能，也可用作城市电网临时停电或夜间廉价电力的储藏装置及家庭生活的照明、通风换气家用电器的能源，电池组的每只电池的正、负极引出两根测量线24、25与安全监控装置输入端的连接，安全监控装置的输出端分别与充电器、DC/DC转换器、逆变装置、剩余电量显示器和报警灯的控制端连接，安全监控装置对每只电池的电压、电流和温度进行监控，出现异常进行安全保护，还装有与充电器连接的散热风机12，用于充电时通风散热。

所述的安全监控装置由电压监控器、电流检测器、温度检测器和输出控制部分组成，电压监控器由光电继电器32、线性光电耦合器31和通道选择器34组成，每只电池两端连接光电继电器输入端口的6脚、8脚，光电继电器的输出端口的5脚、7脚分别连接线性光电耦合器控制端口的2脚、1脚，线性光电耦合器控制端口的3脚接地，线性光电耦合器控制端口的4脚连接单片机35的模数转换器输入脚A/D0，光电继电器控制端口的1脚、3脚并连接+5V电源，光电继电器控制端口2脚、4脚并联，依次连接内部有2-14路的通道选择器的驱动端CS1、CS2、CS10)，通道选择器与单片机的片选信号RB5接反向器28输入端，反向器输出端与通道选择器15脚连接，单片机数据通道(RD0-RD3)分别与通道选择器10-13脚连接，通道选择器的14、16脚接地，通道选择器选用CD4067，选用内部有2-14路数据通道选择器CD4067，可根据单片机控制其选择端导通或关断不同的光电继电器，将电池的单只的电压值经进光电耦合器传给单片机A/D0进行数据处理，因为电池电压是逐个按顺序的取，又通过光电耦合器进行隔离，解决了与单片机共模地的问题，同时解决了可直接读取每一个电池电压的问题，减少了测量电流误差，电压监控器用于充电器充电的每只电池电压监控，当充满到额定值时，P5发出信号，停止充电，当电压不足时，P3和P4发出信号，停止输出，允许充电。

电流检测器它采用非接触式霍尔元件集电流，将霍尔元件主电路电压信号(Ui)与运算放大器36同相输入端连接，运算放大器输出端与单片机中模数转换器输入脚A/D1连接，运算放大器反相输入端串联电阻R11并接地，运算放大器反相输入端和运算放大器输出端串联电阻R12，运算放大器的公共端和消波两端连接并串联电容C11，运算放大器的公共端和滤波两端连接并串联电容C12，C11、C12为消振电容，它采用非接触式霍尔元件集电流，不消耗电池能量，且输出标准毫伏电压，运算放大器选择ICL7650，ICL7650为低零漂，单电源+5V即可工作，当电流大于规定的最大放电和充电的额定值，将迅速中断充电或放电。

温度检测器和输出控制部分，如图4所示，温度检测器选用温度传感器Lm74传感器30贴在电池外侧，温度传感器的端口(U+)和温度传感器的端口(GND)之间串联电容C21，温度传感器的端口(U+)和+5V电源之间串联二极管29，二极管可使5V电压降低到3.6V，温度传感器的串行时钟输入端(SC)连接单片机的端口(SCK)，温度传感器串行温度数据的输入/输出端口(SI/O)与单片机(SDI)连接，温度传感器(SI/O)通过电阻(R21)与(SDO)连接，单片机的片选(CS)脚与温度传感器的脚/C连接，SI/O为采集施密特触发器的串行温度数据的输入/输出端口，SC为串行时钟输入端，R21为了通讯口的要求而加的电阻，单片机的片选(CS)脚与温度传感器的脚/C连接，温度传感器自身将温度信号通过SI/O脚传给单片机，选用数字温度传感器它能输出温度数据既相关温度控制量，适配各种微控制器，并能最简方式构成高性价比多功能的智能温度监控，选用Im74cim-3传感器是美国半导体公司生产，它内含温度传感器和13位∑-Δ式A/D传感器，测温范围是-55℃～+125℃。当温度过高时，通过P3、P4和P5发出信号，停止放电、充电；输出控制部分的单片机输入、输出(I/O)的RA(0～4)通道，分别连接光电耦合器33输入端，光电耦合器输出五路开关量信号(P1～P5)，开关量信号(P1)和报警灯的输入端接口连接，开关量信号(P2)与DC/DC的紧急输出停止接口连接，开关量信号(P3)与剩余电量显示器接口连接，开关量信号(P4)与逆变装置的紧急停止接口连接，开关量信号(P5)与充电器急停接口连接，单片机输入、输出(I/O)的RB(0～4)通道分别连接报警灯和剩余电量显示器，用于控制充电、放电、报警、剩余电量显示。

本发明的安全监控装置还设有液晶显示接口，选KS0108B/HD61202图形液晶显示器，观察各参数情况。

工作过程：利用市电充电，充电器将市电～220V转换成低压直流电输送到锂离子电池组正、负极对电池组进行充电，同时散热风机工作，从电流测量器取得电流信号，从温度传感器得到电池的温度信号，当单体电池的电压达到允许充电上限时，由开始的恒流工作状态转到恒压工作状态，完成充电。当发现电池温度或电压异常时，通过p5线路，输出信号停止充电器充电。

当放电时，安全监控装置测得每只电池的电压值，当发现个别电池已达到电池V_dis值时，或者温度超过电池允许温度时或电池低于允许值I_dis值，只要满足三者之一条件时，输出线路P3、P4输出开关量信号，而DC/DC转换器和逆变装置检测到该信号时，立刻终止工作输出。

Claims (1)

1.便携式锂离子电池能源箱，包括上箱体(1)、下箱体(22)、电池组(13)、第一照明灯(3)、第二照明灯(4)、第一照明灯开关(15)、第二照明灯开关(16)、直流电插座(19)、交流电插座(7)、充电器(9)、断路器电源开关(8)、安全监控装置(6)、手提拉手和背肩带，其特征在于：

在下箱体底面上固定有2-14只锂离子电池，每只电池的正、负极串联组成7.2～50.4V的电池组，电池组顶部用下箱体的下隔板(2)隔离，在下隔板上装有充电器、逆变装置(10)、DC/DC转换器(11)和安全监控装置，在电池组上面的上隔板(21)上装有剩余电量显示器(5)、报警灯(17)、交流电插座和直流电插座，电池组的负极分别与充电器的负极连接，并通过串联电流检测器(14)与DC/DC转换器的输出端负极和逆变装置的输入端负极连接，电池组的正极分别与充电器的正极连接，并通过串联第一熔断器(18)与断路器电源开关和DC/DC转换器的输入端正极，和逆变装置的输入端正极连接，第一照明灯和第一照明灯开关串联成第一支路，第二照明灯和第二照明灯开关串联成第二支路，分别并联在DC/DC转换器的输出端正、负极两侧，DC/DC转换器的输出端正极串联第二熔断器(20)，之后与直流电插座(26)的正极接口连接，DC/DC转换器的输出端负极与直流电插座的负极接口连接，逆变装置的一个输出端串联第三熔断器(23)之后与交流电插座(27)的一输入端连接，逆变装置的另一输出端与交流电插座另一输入端连接，电池组的每只电池的正、负极引出两根测量线(24，25)与安全监控装置输入端连接，安全监控装置的输出端分别与充电器、DC/DC转换器、逆变装置、剩余电量显示器和报警灯的控制端连接，还装有与充电器连接的散热风机(12)；

所述的安全监控装置由电压监控器、电流检测器、温度检测器和输出控制部分组成，电压监控器由光电继电器(32)、第一线性光电耦合器(31)和通道选择器(34)组成，其中，光电继电器型号为：AQW214、第一线性光电耦合器型号为：PC817、通道选择器型号为：CD4067，每只电池两端连接光电继电器输入端的6脚、8脚，光电继电器输出端的5脚、7脚分别连接第一线性光电耦合器控制端的2脚、1脚，第一线性光电耦合器控制端的3脚接地，第一线性光电耦合器控制端的4脚连接控制器(35)的第一模数转换器输入端(A/D0)，光电继电器控制端的1脚、3脚连接+5V电源，光电继电器控制端2脚、4脚并联，依次连接内部有2-14路的通道选择器的驱动端(CS1、CS2、……CS10)，控制器的片选信号(RB5)接反相器(28)输入端，反相器输出端与通道选择器的15脚连接，控制器数据通道(RD0-RD3)分别与通道选择器的10-13脚连接，通道选择器的14、16脚接地；电流检测器采用非接触式霍尔元件采集电流，将霍尔元件主电路电压信号(Ui)与运算放大器(36)同相输入端连接，运算放大器型号为：ICL7650，运算放大器输出端与控制器的第二模数转换器输入端(A/D1)连接，运算放大器反相输入端串联第一电阻(R11)并接地，运算放大器反相输入端和输出端之间串联第二电阻(R12)；温度检测器选用温度传感器(30)贴在电池外侧，温度传感器型号为：Lm74，温度传感器U+脚和GND脚之间串联第一电容(C21)，温度传感器U+脚连接二极管(29)阴极，+5V电源连接二极管的阳极，温度传感器的串行时钟输入端(SC)连接控制器时钟输出端(SCK)，温度传感器串行温度数据的输入/输出端(SI/O)与控制器数据输入端(SDI)连接，温度传感器输入/输出端(SI/O)通过第三电阻(R21)与控制器数据输出端(SD0)连接，控制器片选脚(CS)与温度传感器片选脚(/C)连接；

输出控制部分由控制器、第二线性光电耦合器PC817(33)组成，控制器输入/输出第一通道(RA0-4)，分别连接第二线性光电耦合器PC817的输入端，输出五路开关量信号(P1～P5)，第一路开关量信号(P1)和报警灯的输入端接口连接，第二路开关量信号(P2)与DC/DC转换器的紧急停止输出接口连接，第三路开关量信号(P3)与剩余电量显示器接口连接，第四路开关量信号(P4)与逆变装置的紧急停止接口连接，第五路开关量信号(P5)与充电器急停接口连接，控制器输入/输出第二通道(RB0-4)，分别连接报警灯(17)和剩余电量显示器(5)；

当此装置充电时：检测到电池温度过高或电压异常时，第一路开关量信号发出报警信号，第五路开关量信号发出停止充电信号；当此装置放电时：检测到电池温度过高或电压超低时，第一路开关量信号发出报警信号，第二和第四路开关量信号发出，分别停止DC/DC转换器和逆变装置放电工作；在充电和放电过程中，第三路开关量信号输出电池组剩余容量的信号。

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