CN105551891A

CN105551891A - 一种电池能量均衡继电器及其控制方法

Info

Publication number: CN105551891A
Application number: CN201510984533.2A
Authority: CN
Inventors: 彭旭华
Original assignee: Chongqing Jingzang Electricity Storage And Distribution Technology Development Co Ltd
Current assignee: Beijing Shengyun Energy Technology Co ltd
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: CN105551891B

Abstract

本发明公开了一种电池能量均衡继电器及其控制方法，与传统继电器中所采用的漆包线线圈不同，本发明继电器中所绕制的线圈的材质为具有低电阻率特性的电阻丝，电阻丝可以是经高温漆覆层处理的康铜丝、镍铬合金丝或锰铜合金丝，线圈还与继电器外壳上的散热板接触，以便散热。相比于传统继电器只作为控制使用而言，本发明的继电器充分利用其特殊线圈的本身功耗来消耗电池的多余能量，这样就实现了继电器的一种反向应用技术，在充分发挥继电器高电压分断能力的同时，结合高能耗输入对类似电池、超级电容等能量体产品进行有效快速的能量均衡控制，一个继电器具备两种功能，保障了储能体产品的安全性和一致性，提升了储能体产品的使用寿命以及工作效率。

Description

一种电池能量均衡继电器及其控制方法

技术领域

本发明涉及继电器领域，具体涉及一种电池能量均衡继电器及其控制方法。

背景技术

继电器是一种十分成熟的电子控制器件，在自动控制电路中常常被使用，能够以较小的线圈电流控制大的触点电流的导通和切断，从而起到自动控制的作用。现有继电器的研究是尽量减小线圈的控制电流，使其满足可靠控制的同时工作起来更加节能。

继电器在能量体产品中如电池组、超级电容等储能系统中作为通断控制器件，同样获得广泛应用，由于电池组充电时，会出现每只电池电压不一致的情况，电压已经充高的电池如果不及时断开继续充电，它的电压会超过允许的最高充电电压，该电池就会出现过充电，导致失效甚至安全隐患，如果长时间断开，则电压低的电池因为没有充满电而影响使用。要做到既安全充满电，又不影响使用容量，这就需要采用一种能量均衡法来达到各电池电压在充电完成后基本一致。如果直接使用现有继电器的控制线圈配合控制电路来对电池进行能量放电均衡的话，由于现有继电器的线圈的工作电压和电流不满足电池均衡的要求，无法应用于电池均衡中。

发明内容

为了解决现有继电器无法应用在电池均衡中的技术问题，本发明提供一种电池能量均衡继电器及其控制方法，既具有一般继电器的控制功能，又能对过充电电池进行能量均衡及安全保护。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种电池能量均衡继电器，包括一个带有散热板的外壳，所述散热板位于所述外壳的一个侧面，所述外壳的底部设置有底壳，所述外壳内部设置有一个电磁铁、弹簧、弹簧座、衔铁、活动触点、常闭触点、常开触点、第一引脚以及第二引脚，所述活动触点、所述常闭触点、所述常开触点、所述第一引脚和所述第二引脚从所述底壳上露出；所述电磁铁由绝缘管、线圈和铁芯组成，所述铁芯设置在所述绝缘管的内部，所述绝缘管的外表面缠绕有一层或多层所述线圈，所述线圈的材质为经高温漆覆层处理的康铜丝，所述线圈的一端与所述第一引脚连接，所述线圈的另一端与所述第二引脚连接；所述电磁铁贴附在所述散热板的内侧面，所述弹簧座位于所述电磁铁的一侧，所述弹簧的下端固定在所述弹簧座上，所述衔铁位于所述电磁铁和所述弹簧座的上方，所述衔铁的后端与所述弹簧的上端相连接，所述衔铁的前端设置有所述活动触点，所述活动触点的头部位于所述常闭触点和所述常开触点之间，所述活动触点的头部受所述弹簧的拉力作用与所述常闭触点接触。

一种电池能量均衡继电器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1）将所述电池能量均衡继电器的所述常闭触点与电池充电回路相连，当测量电路检测到电池的电压值大于允许的最高电压V_MAX时，输出控制信号为高电平，使场效应管饱和导通；

步骤2）所述电池能量均衡继电器的所述第一引脚通过所述场效应管的漏极、源极与所述电池的负极连通，所述电池通过所述线圈进行放电；

步骤3）所述线圈中流过的电流使得所述电磁铁产生电磁效应，所述衔铁在电磁力吸引的作用下，克服所述弹簧的拉力而吸向所述铁芯；

步骤4）所述衔铁带动的所述活动触点与所述常开触点闭合，使所述电池与电池充电电路断开，所述电池停止充电；

步骤5）所述电池能量均衡继电器为所述电池进行能量均衡，所述电池超出最高电压V_MAX的电能将大部分转化为所述电磁铁所产生的磁能，小部分转化为所述线圈所产生的热能，磁能会持续将所述衔铁吸向所述铁芯，而热能则会通过所述散热板散出；

步骤6）当所述测量电路检测到所述电池的电压值小于等于设置的满电电压V_FULL时，其中，V_FULL＜V_MAX，输出控制信号为低电平，使所述场效应管截止断开；

步骤7）所述线圈上的电流消失，所述电磁铁停止工作，其对所述衔铁的吸力也随之消失；

步骤8）所述衔铁在所述弹簧的反作用力下返回初始的位置，使所述活动触点与所述常闭触点闭合，使所述电池与电池充电电路接通，所述电池继续充电。

进一步的，所述外壳与所述底壳所围成的壳体内部为真空环境。

进一步的，所述线圈和所述散热板之间涂有导热硅脂，以便让所述线圈产生的热量尽快传递给所述散热板，有利于对外散热。

优选的，所述线圈的材质还可以为具有较低电阻率的镍镉合金丝或锰铜合金丝。

优选的，所述活动触点、所述常闭触点和所述常开触点均的材质为紫铜表面镀银材料。

优选的，所述散热板的材质为薄铝板。

优选的，所述绝缘管的材质为陶瓷。

所述铁芯和所述衔铁的材质为硅钢片。

优选的，所述外壳和所述底壳的材质均为塑料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

1、相比于传统继电器只作为控制使用而言，本发明电池能量均衡继电器充分利用其线圈的本身功耗来消耗电池的多余能量，这样就实现了继电器的一种反向应用技术，在充分发挥继电器高电压分断能力的同时，结合高能耗输入对类似电池、超级电容等能量体产品进行有效快速的能量均衡控制，实现了一个继电器两种功能的同时应用，保障了储能体产品的安全性和一致性，提升了储能体产品的使用寿命以及工作效率。

2、由于本发明的电池能量均衡继电器的线圈采用了具有低电阻率的电阻丝绕制，既可快速对能量体进行放电均衡，还可快速散热，特别适合运用于大规模单体或者模块电池串并联的电池系统，可作为储能站均衡管理的关键器件；

3、本发明电池能量均衡继电器内部的触点环境采用抽真空方式，实现有效灭弧，可以使该继电器应用于电压在800V以上的储能体，作为其高压保护器件。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明电池能量均衡继电器的结构原理示意图；

图2为本发明电池能量均衡继电器的外壳结构正视图；

图3为本发明电池能量均衡继电器的外壳结构仰视图；

图4为本发明电池能量均衡继电器应用时的电路示意图。

图中标号说明：1、第一引脚；2、第二引脚；3、活动触点；4、常闭触点；5、常开触点；6、散热板；7、电磁铁；8、弹簧座；9、弹簧；10、衔铁；11、外壳；12、底壳；71、绝缘管；72、线圈；73、铁芯；E1、电池；K1、测量电路；Q1、场效应管。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1-3所示，一种电池能量均衡继电器，包括一个带有散热板6的外壳11，所述散热板6位于所述外壳11的一个侧面，所述外壳11的底部设置有底壳12，所述外壳11内部设置有一个电磁铁7、弹簧9、弹簧座8、衔铁10、活动触点3、常闭触点4、常开触点5、第一引脚1以及第二引脚2，所述活动触点3、所述常闭触点4、所述常开触点5、所述第一引脚1和所述第二引脚2从所述底壳12上露出；所述电磁铁7由绝缘管71、线圈72和铁芯73组成，所述铁芯73设置在所述绝缘管71的内部，所述绝缘管71的外表面缠绕有一层或多层所述线圈72，所述线圈72的材质为经高温漆覆层处理的康铜丝，所述线圈72的一端与所述第一引脚1连接，所述线圈72的另一端与所述第二引脚2连接；所述电磁铁7贴附在所述散热板6的内侧面，所述弹簧座8位于所述电磁铁7的一侧，所述弹簧9的下端固定在所述弹簧座8上，所述衔铁10位于所述电磁铁7和所述弹簧座8的上方，所述衔铁10的后端与所述弹簧9的上端相连接，所述衔铁10的前端设置有所述活动触点3，所述活动触点3的头部位于所述常闭触点4和所述常开触点5之间，所述活动触点3的头部受所述弹簧9的拉力作用与所述常闭触点4接触。

进一步的，所述外壳11与所述底壳12所围成的壳体内部为真空环境。

进一步的，所述线圈72和所述散热板6之间涂有导热硅脂，以便让所述线圈72产生的热量尽快传递给所述散热板6，有利于对外散热。

优选的，所述线圈72的材质还可以为具有较低电阻率的镍镉合金丝或锰铜合金丝。

优选的，所述活动触点3、所述常闭触点4和所述常开触点5均的材质为紫铜表面镀银材料。

优选的，所述散热板6的材质为薄铝板。

优选的，所述绝缘管71的材质为陶瓷。

优选的，所述铁芯73和所述衔铁10的材质为硅钢片。

优选的，所述外壳11和所述底壳12的材质均为塑料。

一般传统继电器内的线圈采用漆包线绕制，强调的是控制与节能。区别于传统继电器，本发明的电池能量均衡继电器既作为控制使用，具有传统继电器的功能，又作为电池放电均衡使用，具有对电池快速放电的能力。这是因为本发明电池能量均衡继电器中的所述线圈采用了低电阻率的电阻丝绕制，实现了电池充电过压后的大电流快速放电功能，以满足多个能量体电量均衡的要求。

电阻丝绕制的线圈圈数需要满足最长放电时间约束，按下述方法设定：均衡放电过程花费的时间应小于用户设定的最长放电时间t_MAX，则绕制的线圈圈数应不大于N = t_MAX∙V_FULL/（E_X∙R_C），其中N为线圈匝数，V_FULL表示满电电压，E_X表示过充电量（总电量减去满电电量），R_C表示单个线圈绕组的电阻。

同时，所选电阻丝绕制的线圈需在满电电压下产生的磁场吸力至少能克服所述弹簧的反作用力，才能保证本发明电池能量均衡继电器正常工作，单匝线圈的最大电阻值的具体计算过程如下：

1）求取本发明电池能量均衡继电器的最低磁通密度B_MIN = F_S /( A_EFF∙K_B)，其中，F_S为所述弹簧的反作用力，A_EFF为所述衔铁受磁场吸力作用的有效面积，K_B为磁力系数；

2）求取本发明电池能量均衡继电器产生有效磁吸力的最低通电电流I_MIN = 2∙B_MIN∙r²+ 232d_ep /（N∙μ₀∙r²）,其中r为本发明电池能量均衡继电器的线圈的半径，d_ep为线圈与接触所述常闭触点的衔铁之间的等效距离，该值可通过与详细积分计算结果比较后估计得出，μ₀为真空磁导率；

3）由于产生有效磁吸力与匝数无关，故求取单匝线圈在满电电压下的最大电阻R_C=V_FULL/（N∙I_MIN）。

因此，本发明电池能量均衡继电器的线圈在满足上述条件下应尽可能在高能耗的基础上选择材料，缩短放电时间，优化散热控制。进一步的，本发明电池能量均衡继电器的散热方式包含但不限于传导散热，液冷散热，风冷散热。

参见图1、图4所示，一种电池能量均衡继电器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1）将所述电池能量均衡继电器的所述常闭触点4与电池充电回路相连，当测量电路K1检测到电池E1的电压值大于允许的最高电压V_MAX时，输出控制信号为高电平，使场效应管Q1饱和导通；

步骤2）所述电池能量均衡继电器的所述第一引脚1通过所述场效应管Q1的漏极、源极与所述电池E1的负极连通，所述电池E1通过所述线圈72进行放电；

步骤3）所述线圈72中流过的电流使得所述电磁铁7产生电磁效应，所述衔铁10在电磁力吸引的作用下，克服所述弹簧9的拉力而吸向所述铁芯73；

步骤4）所述衔铁10带动的所述活动触点3与所述常开触点5闭合，使所述电池E1与电池充电电路断开，所述电池E1停止充电；

步骤5）所述电池能量均衡继电器为所述电池E1进行能量均衡，所述电池E1超出最高电压V_MAX的电能将大部分转化为所述电磁铁7所产生的磁能，小部分转化为所述线圈72所产生的热能，磁能会持续将所述衔铁10吸向所述铁芯73，而热能则会通过所述散热板6散出；

步骤6）当所述测量电路K1检测到所述电池E1的电压值小于等于设置的满电电压V_FULL时，其中，V_FULL＜V_MAX，输出控制信号为低电平，使所述场效应管Q1截止断开；

步骤7）所述线圈72上的电流消失，所述电磁铁7停止工作，其对所述衔铁10的吸力也随之消失；

步骤8）所述衔铁10在所述弹簧9的反作用力下返回初始的位置，使所述活动触点3与所述常闭触点4闭合，使所述电池E1与电池充电电路接通，所述电池E1继续充电。

进一步的，所述电池E1可以是单体，也可以是模块；所述电池E1也可以是超级电容，控制原理与电池相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电池能量均衡继电器，其特征在于：包括一个带有散热板（6）的外壳（11），所述散热板（6）位于所述外壳（11）的一个侧面，所述外壳（11）的底部设置有底壳（12），所述外壳（11）内部设置有一个电磁铁（7）、弹簧（9）、弹簧座（8）、衔铁（10）、活动触点（3）、常闭触点（4）、常开触点（5）、第一引脚（1）以及第二引脚（2），所述活动触点（3）、所述常闭触点（4）、所述常开触点（5）、所述第一引脚（1）和所述第二引脚（2）从所述底壳（12）上露出；所述电磁铁（7）由绝缘管（71）、线圈（72）和铁芯（73）组成，所述铁芯（73）设置在所述绝缘管（71）的内部，所述绝缘管（71）的外表面缠绕有一层或多层所述线圈（72），所述线圈（72）的材质为经高温漆覆层处理的康铜丝，所述线圈（72）的一端与所述第一引脚（1）连接，所述线圈（72）的另一端与所述第二引脚（2）连接；所述电磁铁（7）贴附在所述散热板（6）的内侧面，所述弹簧座（8）位于所述电磁铁（7）的一侧，所述弹簧（9）的下端固定在所述弹簧座（8）上，所述衔铁（10）位于所述电磁铁（7）和所述弹簧座（8）的上方，所述衔铁（10）的后端与所述弹簧（9）的上端相连接，所述衔铁（10）的前端设置有所述活动触点（3），所述活动触点（3）的头部位于所述常闭触点（4）和所述常开触点（5）之间，所述活动触点（3）的头部受所述弹簧（9）的拉力作用与所述常闭触点（4）接触。

2.一种如权利要求1所述的电池能量均衡继电器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）将所述电池能量均衡继电器的所述常闭触点（4）与电池充电回路相连，当测量电路（K1）检测到电池（E1）的电压值大于允许的最高电压V_MAX时，输出控制信号为高电平，使场效应管（Q1）饱和导通；

步骤2）所述电池能量均衡继电器的所述第一引脚（1）通过所述场效应管（Q1）的漏极、源极与所述电池（E1）的负极连通，所述电池（E1）通过所述线圈（72）进行放电；

步骤3）所述线圈（72）中流过的电流使得所述电磁铁（7）产生电磁效应，所述衔铁（10）在电磁力吸引的作用下，克服所述弹簧（9）的拉力而吸向所述铁芯（73）；

步骤4）所述衔铁（10）带动的所述活动触点（3）与所述常开触点（5）闭合，使所述电池（E1）与电池充电电路断开，所述电池（E1）停止充电；

步骤5）所述电池能量均衡继电器为所述电池（E1）进行能量均衡，所述电池（E1）超出最高电压V_MAX的电能将大部分转化为所述电磁铁（7）所产生的磁能，小部分转化为所述线圈（72）所产生的热能，磁能会持续将所述衔铁（10）吸向所述铁芯（73），而热能则会通过所述散热板（6）散出；

步骤6）当所述测量电路（K1）检测到所述电池（E1）的电压值小于等于设置的满电电压V_FULL时，其中，V_FULL＜V_MAX，输出控制信号为低电平，使所述场效应管（Q1）截止断开；

步骤7）所述线圈（72）上的电流消失，所述电磁铁（7）停止工作，其对所述衔铁（10）的吸力也随之消失；

步骤8）所述衔铁（10）在所述弹簧（9）的反作用力下返回初始的位置，使所述活动触点（3）与所述常闭触点（4）闭合，使所述电池（E1）与电池充电电路接通，所述电池（E1）继续充电。

3.根据权利要求1所述的电池能量均衡继电器，其特征在于：所述外壳（11）与所述底壳（12）所围成的壳体内部为真空环境。

4.根据权利要求1所述的电池能量均衡继电器，其特征在于：所述线圈（72）和所述散热板（6）之间涂有导热硅脂。

5.根据权利要求1所述的电池能量均衡继电器，其特征在于：所述线圈（72）的材质还可以为镍镉合金丝或锰铜合金丝。

6.根据权利要求1所述的电池能量均衡继电器，其特征在于：所述活动触点（3）、所述常闭触点（4）和所述常开触点（5）均的材质为紫铜表面镀银材料。

7.根据权利要求1所述的电池能量均衡继电器，其特征在于：所述散热板（6）的材质为薄铝板。

8.根据权利要求1所述的电池能量均衡继电器，其特征在于：所述绝缘管（71）的材质为陶瓷。

9.根据权利要求1所述的电池能量均衡继电器，其特征在于：所述铁芯（73）和所述衔铁（10）的材质为硅钢片。

10.根据权利要求1所述的电池能量均衡继电器，其特征在于：所述外壳（11）和所述底壳（12）的材质均为塑料。