CN101162847B - 一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置 - Google Patents

Abstract

一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置，一一对应地安装在串联蓄电池组的每个电池上，均衡充电装置由精密衡压分流器[1]和限流熔断器[2]串连组成。它可以长期自动地使串联蓄电池组中的蓄电池得到均衡充电，大大地延长蓄电池组的实际使用寿命。本发明具有电路简单，体积小，成本低廉，使用效果好的特点，适用于各种串联蓄电池组用于不需要任何措施就可以自动解决均衡充电问题。

Description

一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置

技术领域：

本发明属于电能存储系统。

背景技术：

现有技术中汽车、电动车、船舶、潜水艇、UPS电源、电动工具、视听设备等很多设备都使用串联蓄电池组来存储电能，由于在制造中每个蓄电池在电容量、充电效率、漏电等多方面不尽相同，经过几乎完全相同的多次充放电循环后产生部分蓄电池早衰从而导致蓄电池组提前报废就是不可避免的事情。日本专利JP2003289629A、中国ZL(申请)03156376.7、02124897.4、02100307.6和03118370.0披露了几种主动式蓄电池的均衡充电装置，但都采用了包括与单个蓄电池并联的开关式放电电路、检测电路、外置单片微型计算机或专用控制装置的闭环控制方式，其过于复杂、连接线路多、体积大、成本高、不能满足中小型用电设备内空间狭小、广泛使用、要求低成本、一体化使用方便的实际需要因而不能采用，ZL03266703.5披露了一种包括与单个蓄电池并联的开关式放电电路、串联稳压器、电压比较器、温控开关的被动式蓄电池的均衡充电装置，但存在：

1.静态工作电流过大，仅并联稳压二极管的稳定电流就有数mA，如果与蓄电池一体化安装会严重影响中小容量蓄电池存储寿命；

2.稳压二极管的稳压值偏差一般为2-5％，动态内阻一般约20Ω，由于稳压值的离散性、大的动态内阻和稳压二极管的稳压值的温度系数过大，很难把并联在同一串联蓄电池组上的多个均衡充电装置的主观开关动作电压调整在20mV以内，更难达到邮电通讯部门提出的铅酸蓄电池组均衡充电电压的小于等于50mV的规范；

3.并联开关采用V-MOS晶体管，它的G极控制电压至少需要6V，电压比较器输出的高电平又不可能达到满摆幅，因此不能用于6V以下蓄电池串联组成的蓄电池组，特别是锂蓄电池串联组成的蓄电池组；

4.并联的开关式放电电路功耗较大，为了保护均衡充电装置在蓄电池主回路中串入了温控开关，从一般意义上看就失去了一体化安装的可能性而成为一种专用装置，给使用带来不方便。

目前，因为均衡充电问题，大多数蓄电池组的实际使用寿命远不能达到蓄电池生产厂家设计使用寿命，大量提前报废蓄电池，既不经济，还会对环境造成严重的二次污染，问题极待解决。

发明内容：

本发明的目的是提供一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置，其便于与蓄电池一体化安装，在通常的使用情况下不需要任何措施就可以自动地解决蓄电池组的各个蓄电池均衡充电维护问题，从而解决蓄电池组实际上没有简单廉价的有效的能广泛使用的使用方便的均衡充电措施来对蓄电池组的各个蓄电池均衡充电维护的问题，大大地延长蓄电池组的实际使用寿命。

本发明的技术解决方案是：一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置，包括与每个蓄电池并联的包含由精密程控并联稳压器IC1、电阻R1、R2、R3和扩流晶体管T1组成的精密衡压分流器[1]和由电阻R0担当的限流熔断器[2]串连而成的相同的放电回路，其中电阻R1和R2串连，中点连接在精密程控并联稳压器IC1的Uref引脚上，电阻R3和精密程控并联稳压器IC1串连，中点阴极K连接在扩流晶体管T1的基极b上，电阻R2的另一端、R3的另一端和扩流晶体管T1的发射极e并接在精密衡压分流器[1]的一端a点上，限流熔断器[2]一端与a点相连接，另一端与相应蓄电池的正极连接，电阻R1的另一端、精密程控并联稳压器IC1的阳极A和扩流晶体管T1的集电极c并接在精密衡压分流器[1]另一端b点上，b点连接在相应蓄电池的负极上，并且该自动均衡充电装置以分流电流If＝(Uc-Uh)/R0＝1/R0×Uc-Uh/R0的模拟方式工作，其中Uc是蓄电池的充电电压，Uh是精密恒压分流器[1]的恒压值；各个跨接于同一蓄电池组上的各个精密衡压分流器[1]的衡压值调节在生产厂家推荐的蓄电池浮充电电压值的-400mV到+400mV之间并使彼此之间的衡压值最大差别不大于20mV限流熔断器[2]可以选择电阻、电阻熔断器、PTC自恢复保险丝等，其电阻大小在正常工作时可能出现的最大充电电压条件下应能限制电流在蓄电池额定容量的3％以下，如果电流过大，发热严重，势必增加散热，其体积难于和蓄电池一体化安装，限流熔断器[2]的熔断电流可以按被限制电流的2-7倍选取，用于防止在非正常工作状态下断开自动均衡充电装置保护蓄电池，由于自动均衡充电装置很小，它可以直接安装在蓄电池或蓄电池组上。

有一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置的蓄电池组是这样工作的：

当有一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置的蓄电池组连接上以限流定压或衡流定压或有一段或两段或三段或四段充电控制方式的充电机后自动均衡充电即行开始。在充电中，前期每个蓄电池的充电电压都低于精密衡压分流器[1]的衡压值，精密衡压分流器[1]不工作，因为其静态工作电流远小于蓄电池的漏电流(锂蓄电池除外)，故可以视为断开。现假定蓄电池组中的蓄电池已经失衡，有的开路电压已低于其它有的蓄电池开路电压100mV，在充电后期，由于蓄电池组中的蓄电池已经失衡，总有蓄电池率先达到并超过精密衡压分流器[1]的衡压值，并接于这个蓄电池上的自动均衡充电装置开始分流，其分流的大小随充电电压的升高而加太，蓄电池充电电压越高，自动均衡充电装置分流越大，由于所有蓄电池是串联关系，因此，实际流入这个蓄电池内部的电流越小。不难看出，从有一个蓄电池充电电压达到并超过精密衡压分流器[1]的衡压值时起，充电就开始向充电电压低的蓄电池倾斜，充电电压越低的蓄电池充的电就越多，最终必然使蓄电池组中的各个铅酸蓄电池达到充电均衡。

必须说明，一般新出厂的串联蓄电池组在配组时各蓄电池的各项技术指标都是比较接近的，其100％荷电的开路不平衡电压一般控制在50mV以内，需要经过多次充放电循环或较长时间储存后才会出现均衡充电问题，有一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置的蓄电池组一开始使用，就在一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置的工作下一直保持着有一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置的蓄电池组内各个蓄电池的充电平衡，那种大电流流过一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置进行均衡充电的情况实际是不成在的，因此它的实际功耗是很小的，甚至使得开关式放电能量返回的设计有时都显得没有必要。

必须说明，有一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置的静态工作电流很小，精密衡压分流器[1]的衡压值比蓄电池100％荷电的开路电压高，除锂蓄电池外基本上不影响蓄电池的存储和增加额外放电。

附图说明：

附图1是一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置在较大容量串联蓄电池组中工作的电路原理图，其中：

E1到En是较大容量串联蓄电池组中的N个铅酸蓄电池；

[1]是精密衡压分流器[2]是限流熔断器[3]是充电机

附图2是一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置在较小容量串联蓄电池组中工作的电路原理图，其中：

E1到En是较小容量串联蓄电池组中的N个锂蓄电池；

[1]是精密衡压分流器    [2]是限流熔断器    [3]是充电机

具体实施方式：

如附图1，用天津明佳车业有限公司2003年2月28日出厂的专用12V10AH的铅酸蓄电池3个装配有一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置的电动自行车串联铅酸蓄电池组为例：

制造3个如附图1中自动均衡充电装置，对应直接贴装在3个铅酸蓄电池顶面上并与铅酸蓄电池的正负电极连接。

在精密衡压分流器[1]中选取：

R1＝22KΩ1/6W  1％误差  R2＝100K Ω1/6W1％误差  R3＝100Ω1/6W

IC1＝TL431C T1＝TIP42C(B＝80配30mm×50mm×2mm的平板散热器)

限流熔断器[2]选用熔断电阻器，以利于降低成本：

R0＝3.6Ω1W

充电器[3]：

天津明佳车业有限公司生产的36v10AH的铅酸蓄电池组用具有衡流控制的三段式充电器，按照原电动自行车说明书要求进行充电作业。

静态电路参数设置：

精密衡压分流器[1]的衡压值＝13.890V偏差小于10mV

自动均衡充电装置静态工作电流＜400μA

限流熔断器[2]R0在1A电流时熔断

将其中一个铅酸蓄电池首先放去0.3AH容量，然后进行自动均衡充电模拟试验。模拟试验中，率先达到并超过精密衡压分流器[1]的衡压值的铅酸蓄电池开始分流，其分流按线性关系进行，满足式：

If＝(Uc-Uh)/R0＝1/R0×Uc-Uh/R0

If：自动均衡充电装置的分流电流Uc：铅酸蓄电池的充电电压

Uh：精密衡压分流器[1]的衡压值

天津明佳车业有限公司生产的36V10AH的铅酸蓄电池组用具有衡流控制的三段式充电器的过充电压是每个铅酸蓄电池14.5V，因此自动均衡充电装置的最大分流电流Ifm＝170mA。经过测试，一个试验的充电过程可以使充电不均衡电压减小27mV。

实际运行在电动自行车上进行，经有一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置的电动自行车串联铅酸蓄电池组的电动自行车使用3年又7月后铅酸蓄电池充电依然良好，3个铅酸蓄电池的开路端电压最大偏差仍＜63mV，此为本发明的一个较佳实施例。

如附图2，采用松下CGR18650锂离子蓄电池10只串连组成36V1.35AH的锂离子蓄电池组为例：

制造10个如附图2中自动均衡充电装置，把它们分别并连接在每个锂离子蓄电池上，因为设计的最大分流电流为100mA，IC1直接就可以承担，因此省去了扩大分流电流的R3和晶体管T1，其结构体积更加微小，材料成本更低。

在精密衡压分流器[1]中选取：

R1＝22K Ω1/6W  1％误差  R2＝13K Ω1/6W 1％误差  IC1＝TL431C

TL431C的稳定电压精度，温度漂移比稳压二极管优秀2-3个数量级，动态内阻仅0.22Ω，其程控性可以使衡压值调节到任意数值上，彼此偏差不超过10mV也很容易做到，优于大多数专用充电IC的基准电压Uref的精度，完全适用于锂蓄电池充电使用，早期专用充电IC价格高，锂离子蓄电池定压衡流充电器就是采用TL431C来稳定充电电压的。

限流熔断器[2]选用电阻熔断器，以利于降低成本：

R0＝1.0Ω1/4W

充电器[3]：衡流定压式充电机，最高充电电压不超过42V。

静态电路参数设置：

精密衡压分流器[1]的衡压值＝4.100V  偏差小于10mV

自动均衡充电装置静态工作电流＜400μA

限流熔断器[2]R0在0.5A电流时熔断

经过模拟试验，36V1.35AH的锂离子蓄电池组组内原最大不均衡电压为73mV，经一次充电减小到最大不均衡电压为9mV，此为本发明的另一个较佳实施例。

本发明的一种串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置，其便于与蓄电池一体化安装，在通常的使用情况下不需要任何措施就可以自动地解决蓄电池组的各个蓄电池均衡充电维护问题，从而解决蓄电池组实际上没有简单廉价的有效的能广泛使用的使用方便的均衡充电措施来对蓄电池组的各个蓄电池均衡充电维护的问题，大大地延长蓄电池组的实际使用寿命。

Claims (1)

1.一种蓄电池串联充电的自动均衡充电装置，包括与每个蓄电池并联的包含由精密程控并联稳压器IC1、电阻R1、R2、R3和扩流晶体管T1组成的精密衡压分流器[1]的相同的放电回路，其中电阻R1和R2串联，中点连接在精密程控并联稳压器IC1的Uref引脚上，电阻R3和精密程控并联稳压器IC1串联，中点阴极K连接在扩流晶体管T1的基极b上，电阻R2的另一端、R3的另一端和扩流晶体管T1的发射极e并接在相应蓄电池的正极上，电阻R1的另一端、精密程控并联稳压器IC1的阳极A和扩流晶体管T1的集电极c并接在相应蓄电池的负极上，其特征是：还具有由电阻R0担当的限流熔断器(2)，其与精密恒压分流器(1)串联，限流熔断器(2)一端与精密衡压分流器(1)的a点连接，限流熔断器(2的另一端连接在相应蓄电池的正极上，并且该自动均衡充电装置以分流电流If＝(Uc-Uh)/R0＝1/R0×Uc-Uh/R0的模拟方式工作，其中Uc是蓄电池的充电电压，Uh是精密恒压分流器[1]的恒压值；各个跨接于同一蓄电池组上的各个精密衡压分流器[1]的衡压值调节在生产厂家推荐的蓄电池浮充电电压值的-400mV到+400mV之间并使彼此之间的衡压值最大差别不大于20mV。 

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