CN101931254A - 用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统，包括单片机、A/D转换器电路、电压基准电路、译码器电路I和译码器电路II，单片机的I/O端口与译码器电路I的输入端相联接；还包括充电电路，充电电路包括译码器电路II、继电器充电控制模块和充电控制模块，译码器电路II的输入端与单片机的I/O端口相联接，充电控制模块的控制输入端与单片机的控制输出端相联接；本发明将单体锂电池的电压快速测量与均衡充电紧密地结合在一起，单片机通过电压检测回路判定电压最低的电池，并发出控制信号使充电回路工作，从而解决了在多节锂电池串联充电时，由于各单体电池在性能上的差异，而影响整个串联电池组整体性能的问题，此外，本发明还公开了一种用于串联锂电池组的准静态均衡充电方法。

Description

用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统及方法

技术领域

本发明涉及充电电池领域，特别涉及一种用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统及方法。

背景技术

随着电池技术的发展，现有技术中汽车、电动车、电动工具等很多设备都使用串联电池组来存储电能，由于锂离子电池各单体在性能指标上不可能完全一致，在使用过程中由于各单体间的容量、自放电等的差异，在使用一段时间后，电池组的性能大大降低，影响了电池技术的推广运用。

因此，在多节锂电池串联使用的过程中，对单体电池采用均衡充电，尽量减小它们之间的差异，成为迫切的技术问题。而在公知技术中，均衡充电技术大多是通过对过压单体电池自放电来解决的，而本发明则从能源节约的角度，让电压较高的电池能量转移到电压较低的单体电池上，同时整个充电电路具有自保护功能，在电路发生故障的时候不会发生短路事故，使锂电池串联成组使用时性能和安全得到保障。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统，以解决在多节锂电池串联充电时，由于各单体电池在性能上的差异，而影响整个串联电池组整体性能的问题。在充电过程中，不需要外加任何措施，就可以完成整个锂电池组的自动均衡；本发明的目的之二是提供一种用于串联锂电池组的准静态均衡充电方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：该用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统包括单片机、A/D转换器电路、电压基准电路、译码器电路I和译码器电路II，所述单片机的I/O端口与译码器电路I的输入端相联接，所述译码器电路I包括n路输出端，n为整数且与串联锂电池组的锂电池数量相同，每一路输出端分别通过限流电阻联接到与其一一对应的光耦的第一引脚，所述光耦的第二引脚接地，所述光耦的第四引脚通过分压电阻联接到与其一一对应的单体锂电池的正极，所有光耦的第三引脚均与检测电阻的一端相联接，所述检测电阻的另一端接串联锂电池组的负极端后接地；

所述光耦的第三引脚与检测电阻的公共接点与A/D转换器电路的输入端相联接，所述A/D转换器电路的输出端与单片机的I/O端口相联接；

所述用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统还包括充电电路，所述充电电路包括译码器电路II、继电器充电控制模块和充电控制模块，所述译码器电路II的输入端与单片机的I/O端口相联接，所述充电控制模块的控制输入端与单片机的控制输出端相联接；

所述译码器电路II得输出端为n路，n为整数且与串联锂电池组的锂电池数量相同，所述译码器电路II的输出端分别联接一路继电器充电控制模块，所述每一路继电器充电控制模块均包括限流电阻、NPN三极管、继电器I的控制部分、继电器II的控制部分和二极管，其中，所述译码器电路II的输出端通过限流电阻联接到NPN三极管的基极，所述NPN三极管的发射极接地，所述继电器I和继电器II并联后，一端与NPN三极管的集电极相联接，另一端与电源端相联接，所述二极管的正极与NPN三极管的集电极相联接，负极与电源端相联接；

每一个继电器I和继电器II还包括公共触点、常闭触点和常开触点，所述继电器I的公共触点和常闭触点组成常闭开关I，所述继电器I的公共触点和常开触点组成常开开关I；所述继电器II的公共触点和常闭触点组成常闭开关II，所述继电器II的公共触点和常开触点组成常开开关II；

各路常闭开关I相互串联，其中，第n路常闭开关I的公共触点与充电控制模块的正极端相联接，各路常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的正极相联接；各路常闭开关II相互串联，其中，第n路常闭开关II的公共触点与充电控制模块的负极端相联接，各路常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的负极相联接；

进一步，所述继电器充电控制模块还包括发光二极管，所述发光二极管的正极通过匹配电阻与二极管的负极相联接，所述发光二极管的负极与二极管的正极相联接；

进一步，所述的译码器电路采用标准的4/16线译码器芯片，输出高电平有效；

进一步，所述分压电阻均为精密电阻；

进一步，所述充电控制模块包括专用逆变芯片和变压器。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：该方法包括以下步骤：

1）在串联锂电池组的每一单体锂电池上均连接有电压检测回路和充电控制回路，通过单片机输出控制信号至译码器电路I，通过译码器电路I选通不同的电压检测回路，实现对单体锂电池电压的测量；

2）将测得的电压值经A/D转换模块处理后发送至单片机，单片机经过分析后，筛选出电压较低的电池，并发出控制信号至译码器电路II，通过译码器电路II选通需要进行充电的单体锂电池上的充电控制回路，实现充电。

进一步，在步骤1）中，所述电压检测回路包括限流电阻、光耦、分压电阻和检测电阻，其中，译码器电路I通过限流电组与光耦的第一引脚相联接为其提供驱动信号，而光耦的第二引脚接地，其第四引脚通过分压电阻与单体锂电池的正极相联接，串联锂电池组的负极端与检测电阻的一端相联接，检测电阻的另一端与光耦的第三引脚相联接，所述限流电阻、分压电阻、检测电阻和待测的单体锂电池构成一个闭合回路；单片机的I/O端口与译码器电路I的输入端连接，译码器电路I的每一路输出端对应串联锂电池组中的一个单体锂电池的电压检测回路；通过A/D转换器电路与采集检测电阻与光耦第三引脚相联接一端的电压信号来实现对单体锂电池电压信号的获取，电压基准电路的输出端口与A/D转换器电路的参考基准电压输入脚相接，将A/D转换器电路的输出端与单片机的I/O端口相连。

进一步，所述译码器电路I输出高电平有效，在任何状态只有一位为高位，确定只有一只光耦正常工作选通；

进一步，在步骤1）中，所述充电控制回路包括继电器充电控制模块和充电控制模块，所述充电控制模块的控制输入端与单片机的控制输出端相联接；

所述译码器电路II输出端为n路，n为整数且与串联锂电池组的锂电池数量相同，所述译码器电路II的输出端分别联接一路继电器充电控制模块，所述继电器充电控制模块包括限流电阻、NPN三极管、继电器I、继电器II和二极管，所述译码器电路II的输出端通过限流电阻联接到NPN三极管的基极，所述NPN三极管的发射极接地，所述继电器I和继电器II并联后，一端与NPN三极管的集电极相联接，另一端与电源端相联接，所述二极管的正极与NPN三极管的集电极相联接，负极与电源端相联接；

每一个继电器I和继电器II均包括公共触点、常闭触点和常开触点，所述继电器I的公共触点和常闭触点组成常闭开关I，所述继电器I的公共触点和常开触点组成常开开关I，所述常闭开关I和常开开关I采用互锁设置；所述继电器II的公共触点和常闭触点组成常闭开关II，所述继电器II的公共触点和常开触点组成常开开关II，所述继电器II的常闭开关II和常开开关II采用互锁设置；

各路常闭开关I相互串联，其中，第n路常闭开关I的公共触点与充电控制模块的正极端相联接，各路常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的正极相联接；各路常闭开关II相互串联，其中，第n路常闭开关II的公共触点与充电控制模块的负极端相联接，各路常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的负极相联接。

本发明的有益效果是：

1. 本发明将单体锂电池的电压快速测量与均衡充电紧密地结合在一起，单片机通过电压检测回路判定电压最低的电池，并发出控制信号使充电回路工作，从而解决了在多节锂电池串联充电时，由于各单体电池在性能上的差异，而影响整个串联电池组整体性能的问题，同时，在充电过程中，不需要外加任何措施，就可以完成整个锂电池组的自动均衡；

2．本发明的充电电路具有自保护功能，在电路发生故障的时候不会发生短路事故，使锂电池串联成组使用时的性能和安全得到保障；

3.本发明完全避免了与高电压直接接触的机会，确保了检测系统稳定和检测人员的人身安全，同时也克服了现在技术的不足之处，适合推广使用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

附图为本发明的电路连接示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图所示，本发明的用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统主要包括电压检测部分和充电部分：

1.电压检测部分：

在光电开关用于弱电控制高电压的电路中，译码器电路I A4信号输出端口Y1—Y（n）通过限流电阻与光耦（L1—L(n)）的第1引脚相连，光耦的第2引脚直接接地，这是弱电控制电路部分。由于此图光电开关常态时处断开状态，因此，分压电阻一端与电池相连，另一端与光耦第4引脚相连，所有光耦的第3引脚均与检测电阻R0串联后接地，形成一个开关控制式的电路，这是高电压控制电路部分。A/D转换器电路A2的电池电压信号采取点从检测电阻R0与光耦的第3引脚之间的H点引出。

本实施例中，译码器电路I A4采用4/16线译码器，其使能端口引脚与单片机A1中的I/O端口相联接，则输出16个信号高电平有效，只有当译码器电路I U4信号输出端口Y0—Y15输出高电电位时，在任何时候光电开关电路中的光耦只有一只能导通工作，通过单片机的控制，能够实现光耦的依次导通。

当单片机U1的I/O端口A4A3A2A1A0输出状态为（00000）时，译码器电路I A4端口Y0输出高电平，其余为低电平，此时只有光耦L1导通工作，其余都不导通。单体锂电池E1、分压电阻Ra1、光耦L1和检测电阻R0形成一个闭合回路，这时A/D转换器电路A2采集的检测电阻R0两端电压模拟信号，也是对应A处单体锂电池电压的模拟值。当单片机A1的I/O端口A4A3A2A1A0输出状态为（00001）时，译码器电路A4端口Y1输出高电平，其余为低电平，此时只有光耦L2导通工作，其余都不导通。单体锂电池E2、分压电阻Ra2、光耦L2和检测电阻R0形成一个闭合回路，这时A/D转换器电路A2采集的检测电阻R0两端电压模拟信号，也是对应B处单体锂电池电压的模拟值，以此类推。

 2.充电部分：

充电电路包括译码器电路II A3、继电器充电控制模块和充电控制模块A5，译码器电路II A3的输入端与单片机A1的I/O端口相联接，充电控制模块A5的控制输入端与单片机A1的控制输出端相联接；本实施例中，充电控制模块A5包括专用逆变芯片和变压器，能够保证输出达到充电电压的要求。

译码器电路II A3的输出端为n路，n为整数且与串联锂电池组的锂电池数量相同，译码器电路II A3的输出端分别联接一路继电器充电控制模块，本实施例中，每一路继电器充电控制模块均包括限流电阻、NPN三极管、继电器I的控制部分、继电器II的控制部分和二极管（本实施例中，限流电阻、NPN三极管、继电器I的控制部分、继电器II的控制部分和二极管分别用R(n)、Q(n)、KA(n)a、KA(n)b和D(n)表示、括号中的n表示是第n路），译码器电路II的输出端通过限流电阻联接到NPN三极管的基极， NPN三极管的发射极接地，继电器I和继电器II并联后，一端与NPN三极管的集电极相联接，另一端与电源端U1相联接，二极管的正极与NPN三极管的集电极相联接，负极与电源端相联接；

每一个继电器I和继电器II均由控制部分、公共触点、常闭触点和常开触点组成，其中，继电器I的公共触点（K0）和常闭触点（K1）组成常闭开关I，继电器I的公共触点（K0）和常开触点（K2）组成常开开关I；继电器II的公共触点（K0’）和常闭触点（K1’）组成常闭开关II，继电器II的公共触点（K0’）和常开触点（K2’）组成常开开关II；

本发明中，继电器I的各路常闭开关I相互串联，其中，第n路常闭开关I的公共触点（K0）与充电控制模块的正极端相联接，各路常开开关I的常开触点（K2）与其对应的单体锂电池的正极相联接； 继电器II的各路常闭开关II相互串联，其中，第n路常闭开关II的公共触点（K0’）与充电控制模块的负极端相联接， 各路常开开关II的常开触点与其对应的单体锂电池的负极相联接。单片机对所测电压进行分析后，筛选出电压较低的电池，对译码器A3发出控制信息，使相应继电器动作，充电电路中的继电器开关闭合，同时单片机起动充电控制模块A5开始充电。例如，如果E1为电压最低的电池，则单片机将继电器KA1a和KA1b动作，使E1接入充电回路开始充电。

另外，本实施例中，在充电控制模块A5与串联锂电池组的正极之间设置有继电器常开开关KA，KA的控制部分KAM由A1控制，KA的作用在于通过A1的控制，可以实现关断充电电路A5，降低功耗。

此外，为便于监测继电器I和继电器II的控制部分的通电情况，在各路二极管D（n）上反向并联有发光二极管DG，从而能够方便地对继电器I和继电器II的控制部分进行监测。

本发明的用于串联锂电池组的准静态均衡充电方法，包括以下步骤：

1）在串联锂电池组的每一单体锂电池上均连接有电压检测回路和充电控制回路，通过单片机输出控制信号至译码器电路I，通过译码器电路I选通不同的电压检测回路，实现对单体锂电池电压的测量；

2）将测得的电压值经A/D转换模块处理后发送至单片机，单片机经过分析后，筛选出电压较低的电池，并发出控制信号至译码器电路II，通过译码器电路II选通需要进行充电的单体锂电池上的充电控制回路，实现充电。

待整个均衡过程完成之后，控制中心切断整个均衡电路。这样取自电池组的电压对电压较低的电池逐一充电之后，就能保证各个单体电池的电量基本保持一致。

其中，在步骤1）中，作为一种选择方式，电压检测回路包括限流电阻、光耦、分压电阻和检测电阻，其中，译码器电路I通过限流电组与光耦的第一引脚相联接为其提供驱动信号，而光耦的第二引脚接地，其第四引脚通过分压电阻与单体锂电池的正极相联接，串联锂电池组的负极端与检测电阻的一端相联接，检测电阻的另一端与光耦的第三引脚相联接，限流电阻、分压电阻、检测电阻和待测的单体锂电池构成一个闭合回路；单片机的I/O端口与译码器电路I的输入端连接，译码器电路I的每一路输出端对应串联锂电池组中的一个单体锂电池的电压检测回路；通过A/D转换器电路与采集检测电阻与光耦第三引脚相联接一端的电压信号来实现对单体锂电池电压信号的获取，电压基准电路的输出端口与A/D转换器电路的参考基准电压输入脚相接，将A/D转换器电路的输出端与单片机的I/O端口相连，另外，译码器电路I输出高电平有效，在任何状态只有一位为高位，确定只有一只光耦正常工作选通。

此外，在步骤1）中，作为一种选择方式，充电控制回路包括继电器充电控制模块和充电控制模块，充电控制模块的控制输入端与单片机的控制输出端相联接；

译码器电路II输出端为n路，n为整数且与串联锂电池组的锂电池数量相同，译码器电路II的输出端分别联接一路继电器充电控制模块，继电器充电控制模块包括限流电阻、NPN三极管、继电器I、继电器II和二极管，译码器电路II的输出端通过限流电阻联接到NPN三极管的基极，NPN三极管的发射极接地，继电器I和继电器II并联后，一端与NPN三极管的集电极相联接，另一端与电源端相联接，二极管的正极与NPN三极管的集电极相联接，负极与电源端相联接；

每一个继电器I和继电器II还包括公共触点、常闭触点和常开触点，继电器I的公共触点和常闭触点组成常闭开关I，继电器I的公共触点和常开触点组成常开开关I；继电器II的公共触点和常闭触点组成常闭开关II，继电器II的公共触点和常开触点组成常开开关II；

继电器I的常闭开关I串联在一起，其中，第n路常闭开关I的公共触点与充电控制模块的正极端相联接，各路继电器I的常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的正极相联接；继电器II的常闭开关II串联在一起，其中，第n路常闭开关II的公共触点与充电控制模块的负极端相联接，常开开关II的常开触点与其对应的单体锂电池的负极相联接。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统，其特征在于：包括单片机、A/D转换器电路、电压基准电路、译码器电路I和译码器电路II，所述单片机的I/O端口与译码器电路I的输入端相联接，所述译码器电路I包括n路输出端，n为整数且与串联锂电池组的锂电池数量相同，每一路输出端分别通过限流电阻联接到与其一一对应的光耦的第一引脚，所述光耦的第二引脚接地，所述光耦的第四引脚通过分压电阻联接到与其一一对应的单体锂电池的正极，所有光耦的第三引脚均与检测电阻的一端相联接，所述检测电阻的另一端接串联锂电池组的负极端后接地；

所述光耦的第三引脚与检测电阻的公共接点与A/D转换器电路的输入端相联接，所述A/D转换器电路的输出端与单片机的I/O端口相联接；

所述用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统还包括充电电路，所述充电电路包括译码器电路II、继电器充电控制模块和充电控制模块，所述译码器电路II的输入端与单片机的I/O端口相联接，所述充电控制模块的控制输入端与单片机的控制输出端相联接；

所述译码器电路II输出端为n路，n为整数且与串联锂电池组的锂电池数量相同，所述译码器电路II的输出端分别联接一路继电器充电控制模块，所述每一路继电器充电控制模块均包括限流电阻、NPN三极管、继电器I的控制部分、继电器II的控制部分和二极管，其中，所述译码器电路II的输出端通过限流电阻联接到NPN三极管的基极，所述NPN三极管的发射极接地，所述继电器I和继电器II并联后，一端与NPN三极管的集电极相联接，另一端与电源端相联接，所述二极管的正极与NPN三极管的集电极相联接，负极与电源端相联接；

每一个继电器I和继电器II还包括公共触点、常闭触点和常开触点，所述继电器I的公共触点和常闭触点组成常闭开关I，所述继电器I的公共触点和常开触点组成常开开关I；所述继电器II的公共触点和常闭触点组成常闭开关II，所述继电器II的公共触点和常开触点组成常开开关II；

各路常闭开关I相互串联，其中，第n路常闭开关I的公共触点与充电控制模块的正极端相联接，各路常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的正极相联接；各路常闭开关II相互串联，其中，第n路常闭开关II的公共触点与充电控制模块的负极端相联接，各路常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的负极相联接。

2.根据权利要求1所述的用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统，其特征在于：所述继电器充电控制模块还包括发光二极管，所述发光二极管的正极通过匹配电阻与二极管的负极相联接，所述发光二极管的负极与二极管的正极相联接。

3.根据权利要求1所述的用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统，其特征在于：所述的译码器电路采用标准的4/16线译码器芯片，输出高电平有效。

4.根据权利要求1所述的用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统，其特征在于：所述分压电阻均为精密电阻。

5.根据权利要求1所述的用于串联锂电池组的准静态均衡充电系统，其特征在于：所述充电控制模块包括专用逆变芯片和变压器。

6.用于串联锂电池组的准静态均衡充电方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）在串联锂电池组的每一单体锂电池上均连接有电压检测回路和充电控制回路，通过单片机输出控制信号至译码器电路I，通过译码器电路I选通不同的电压检测回路，实现对单体锂电池电压的测量；

2）将测得的电压值经A/D转换模块处理后发送至单片机，单片机经过分析后，筛选出电压较低的电池，并发出控制信号至译码器电路II，通过译码器电路II选通需要进行充电的单体锂电池上的充电控制回路，实现充电。

7.如权利要求6所述的用于串联锂电池组的准静态均衡充电方法，其特征在于：在步骤1）中，所述电压检测回路包括限流电阻、光耦、分压电阻和检测电阻，其中，译码器电路I通过限流电组与光耦的第一引脚相联接为其提供驱动信号，而光耦的第二引脚接地，其第四引脚通过分压电阻与单体锂电池的正极相联接，串联锂电池组的负极端与检测电阻的一端相联接，检测电阻的另一端与光耦的第三引脚相联接，所述限流电阻、分压电阻、检测电阻和待测的单体锂电池构成一个闭合回路；单片机的I/O端口与译码器电路I的输入端连接，译码器电路I的每一路输出端对应串联锂电池组中的一个单体锂电池的电压检测回路；通过A/D转换器电路与采集检测电阻与光耦第三引脚相联接一端的电压信号来实现对单体锂电池电压信号的获取，电压基准电路的输出端口与A/D转换器电路的参考基准电压输入脚相接，将A/D转换器电路的输出端与单片机的I/O端口相连。

8.如权利要求7所述的用于串联锂电池组的准静态均衡充电方法，其特征在于：所述译码器电路I输出高电平有效，在任何状态只有一位为高位，确定只有一只光耦正常工作选通。

9.如权利要求6或7或8所述的用于串联锂电池组的准静态均衡充电方法，其特征在于：在步骤1）中，所述充电控制回路包括继电器充电控制模块和充电控制模块，所述充电控制模块的控制输入端与单片机的控制输出端相联接；

所述译码器电路II输出端为n路，n为整数且与串联锂电池组的锂电池数量相同，所述译码器电路II的输出端分别联接一路继电器充电控制模块，所述继电器充电控制模块包括限流电阻、NPN三极管、继电器I、继电器II和二极管，所述译码器电路II的输出端通过限流电阻联接到NPN三极管的基极，所述NPN三极管的发射极接地，所述继电器I和继电器II并联后，一端与NPN三极管的集电极相联接，另一端与电源端相联接，所述二极管的正极与NPN三极管的集电极相联接，负极与电源端相联接；

每一个继电器I和继电器II均包括公共触点、常闭触点和常开触点，所述继电器I的公共触点和常闭触点组成常闭开关I，所述继电器I的公共触点和常开触点组成常开开关I，所述常闭开关I和常开开关I采用互锁设置；所述继电器II的公共触点和常闭触点组成常闭开关II，所述继电器II的公共触点和常开触点组成常开开关II，所述继电器II的常闭开关II和常开开关II采用互锁设置；

各路常闭开关I相互串联，其中，第n路常闭开关I的公共触点与充电控制模块的正极端相联接，各路常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的正极相联接；各路常闭开关II相互串联，其中，第n路常闭开关II的公共触点与充电控制模块的负极端相联接，各路常开开关I的常开触点与其对应的单体锂电池的负极相联接。

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