CN108429311A - 可实现大容量电池组安全自由并联的电路 - Google Patents

Abstract

本发明为一种可实现大容量电池组安全自由并联的电路，包括外部充放电接口的正极和外部充放电接口的负极，还包括至少一个UPS电池组模块，每个UPS电池组模块包括电池组和DC‑UPS模块，每个电池组的正极与外部充放电接口的正极连接，每个电池组的负极与DC‑UPS模块的一端连接，DC‑UPS模块的另一端与外部充放电接口的负极连接，DC‑UPS模块包括二极管、等压恒流模块和二极管组，二极管和等压恒流模块串联之再后与二极管组并联，二极管组由多个二极管同一方向并联组成。本发明可解决各电池组因初始电压不一致而不安全的问题，进而解决大容量电池组并联扩容的技术难题，进一步实现大容量电池组的模块化和标准化，对新能源电动车电池组的自由替换或者扩容具有极大的技术促进。

Description

可实现大容量电池组安全自由并联的电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是指一种大容量安全自由并联电池组的电路，使用该电路结构可实现电池组的大容量安全自由并联。

背景技术

当今时代，传统汽车对环境的污染和对地球石油资源的开采已经让人类对未来产生担忧。环境保护已经上升到全球和国家高度的重视程度。新能源汽车已经是发展大趋势，近期大众、奔驰、宝马、沃尔沃等都发布了关于新能源汽车的发展规划。同时德国、荷兰、英国和法国也都正式宣布停售内燃机汽车的时间表。我国工信部已经开始研究制定传统燃油汽车停产停售的时间表。从全球新能源汽车的发展来看，其动力电源主要包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器，其中铅酸电池、超级电容器大多以辅助动力源的形式出现，主要原因是这些电池技术还不完全成熟或缺点明显，与传统汽车相比不管是从成本上、动力还是续航里程上都有不少差距，这也是制约新能源汽车的发展的重要原因。

导致新能源汽车很难推广的原因很多：

1)续航能力少，目前大多数新能源车只能装载20度电容量左右，续航大约200公里；

2)充电站建设成本太高，一个充电站国家需要投资上千万；

3)充电桩少，由于汽车停靠位置受限，充电桩目前数量很少；

4)充电站占地成本太高，吞吐率很低；建设一个充电站需要很大的面积给汽车停放，需要至少2-10小时才能大致充满；毫无疑问，虽然电费成本低，但是用地、时间成本极高。

5)新能源汽车生产成本太高，一辆新能源汽车一般在20万元左右，比普通汽车成本高一倍。目前基本靠国家补贴推进新能源汽车产业，产业前进步伐缓慢，国家补贴负担沉重。普遍推广明显不可行，国家补贴难以重负。

6)电池寿命的老化，一般运行3年左右就要考虑更换电池。

7)技术困难：

a)串联增加容量以至于电压偏高接近极限。意味着出现的故障率高和安全隐患增大；

b)充电困难，需要几百伏高压对锂电池进行充电；如果是按照锂电池使用正确规范对电池充电，完整充满需要一天以上，虽然很多厂家宣称自己可以快充，也是采用高于锂电池充电电压通过高压保护切断充电电源。大电流充电对电池寿命影响很大。

c)整车安装完成后很难扩容。串联锂电池组对电池组合的一致性要求非常高。

很明显，现有的锂电池新能源汽车出现了技术瓶颈，让国家投资也踌躇不前，处于非常尴尬的两难境地，除非有三种技术革新才可以让现有的新能源汽车出现质的飞跃：

1)如果能源技术出现突破，有一种成本低的新能源能在比较小的体积安置在汽车上面行驶里程与汽车续航里程相当将改变现状；

2)充电技术的变革，让汽车能占用极小空间或者极少时间完成充电；

3)现有的新能源汽车的整个设计架构的出现新的变革。(现有的能源技术产品无法满足汽车的正常续航和充电，现有的新能源汽车的设计架构也存在巨大的不合理性和安全隐患，一台汽车固化一整个特大电池组，这个特大电池组在一个BMS系统统一管理。从这个设计的出发点本身就是有极大的局限性，无论如何量变很难有质变的突破，沿着这个思路设计的电池组性能越强，安全隐患也越大)

这3种技术突破都可能让新能源汽车迈上一个新台阶，才能快速推进。

针对三种技术革新的分析：

第一种方式，等待发现一种全新的高密度能源出现，目前暂时没有成熟的技术发现，即使出现也需要20年左右的研发试验才能变成成熟商用。这个目前不现实。

第二种方式，充电技术的变革，如果能在5-20分钟能完成充电并续航200公里都可以让用户勉强接受。但是，在20分钟以内让一个汽车电池充满20度电，20000瓦时/220V/0.33小时＝275A，这么大电流给汽车电瓶充电，可想而知需要的充电技术成本多高，20分钟一台车在一线城市占用那么宝贵的地方时间成本多么高，充电站该建设多大的面积才能满足社会车辆的正常运转，这些充电站可能在人口越密集的地方分布越多，充电站也变得多么危险。朝这个方向去研究，现有的技术已经在这个方向走到了极限，是一个没有前途或者前途暗淡的方向。这个数据计算下去都是很庞大让人担忧的，

计算数据：

假设：普通的汽车6分钟加满60升汽油可以行驶600公里；一台电动汽车花2小时充满20度电行驶200公里。(实际正常充电需要10-20小时)。我们计算一下一个可以停靠20辆车的加油站或者充电站1小时能给汽车和电动车完成等同能量补充数量的数量。

我们按照一个加油站能同时停靠20辆车同时加油，一个小时理论上可以完成(60分钟/6分钟)*20辆＝200辆(完成200辆汽车加满油行驶600公里)

1个小时理论上完成电动汽车充电计算：(1小时/2小时)*20辆*(200公里/600公里)＝3.3辆，那么相当于一个充电站1个小时只能给3.3台电动车充满电达到行驶600公里的效果。

达到同样能量补充效果相当于：1个加油站＝60个充电站＝1200个充电桩。

在城市空间有限的情况下，这个数据无疑是让政府决策者头脑崩溃的数据。无论是空间、时间还是资金成本都是无法操作执行的。

第三种方式，根据现在有限的技术水平，尝试改变现有的新能源汽车的整个设计架构来提高效率。就目前来说，第一，二个方式还遥遥无期的探索阶段，只有第三种方式是我们能唯一能把控和操作执行的。

针对第三种方式，通过建立一种电池组合新的架构来解决新能源汽车技术瓶颈问题，就是将电池组高级模块化。模块化的电池组是可以替换的，也是可以任意组合的，对电池组的平衡要求降到最低，对新能源汽车遇到的各种技术困难和社会困难以及政府的财政补贴困难的矛盾化解提供了一条全新的解决思路。

模块化后的电动车，假设每个模块的技术标准统一，电压必须一致，都是13串48V锂电池组，汽车厂家可以根据产品的差异化可以不同模块数目串并联。假设一辆车由6个4度电的模块(2并3串组合)，如图1所示，当低电量时候，可以直接到充电站替换6个已经充满电的标准化模块。5分钟可以完成一辆车电池替换工作。(这样避免了汽车的现场充电需要消耗的场地，时间成本，可以在地下或者其他地方完成对标准模块的充电，实现了电池充电的时间和空间的转换)。

如前面所述，采用了多一倍数量备用电池对汽车电池迅速替换完成的转换，分析这代价是完全可以接受的，多一倍电池也多一倍的电池寿命，而且是多方都乐于看到的最优效果。电池标准化后，对电池模块的管理变得非常轻松，标准化的电池可以变成一种可以独立于汽车生产商的标准产品，可以是电池厂直接生产并参与电池投放运营，也可以是专业电池运营商市场化运营管理，相应的会产生一些积极效果：1)汽车工厂以后只生产汽车裸车和自带应急续航约50公里的基本电池；2)用户购车后，到电池管理站办理电池使用卡，交电池押金，然后就可以租用多组充满电的电池模块达到使用目的，租用时间和电费可以约定；3)电池厂家按照行业技术标准生产出标准化的电池模块；4)电池模块的运营商采购电池厂家的电池模块，在全国各地建立网络站点为用户提供电池续航替换服务，电池模块的最终产权归属电池运营商，用户通过租借获取暂时使用权。5)不需要政府投入资金，由于是新的一个产业，蕴含的机会巨大，电池厂家，电池运营商等等社会资金或者国有资金都会积极争取机会出资介入，根本就不需要政府出资出力，政府只需要制定标准，制定行业管理规范，严格审批具有资质的企业才能生产和运营，严格审批电池替换站点的经营场地和数量，做好消防的检查。

综上所述，电池模块的标准化对新能源车的发展至关重要。

电池模块的标准化需要具备以下几个要素：

1)电池组标称电压必须一致。(也就是锂电池类型和串联数目要一致，比如以13串48V或者16串60V为标准)；

2)外形尺寸、接口标准都要一致。

3)几个模块一并多串后，放电电流要达到汽车行驶最低标准。

4)可以任意串联。这个一直不存在安全问题，要求尽量平衡，即使不平衡的串联也只影响使用效果(不平衡串联最大的影响是以串联中容量最小的电池模块为瓶颈受限，缩短了行驶里程，并不影响安全问题)

5)可以安全自由并联，对参与并联的电池模块一致性要求极低甚至没有要求。(此项要求越高，换电站就越难操作，电池模块替换的可能性越小；要求越低，换电站就越容易操作，电池模块的替换的作用就越大。)

对于这五点要素，前面4点都是一些规范，没有技术难度，通过制定规范可以满足要求。但是最后一点可以任意安全并联，这个才是问题的核心。

如图2所示，图2是传统的电池并联图，为了方便描述，图2所示的48V锂电池组都是以3.7V三元锂电池13组串联为独立单位，在电池配组良好的情况下，3组电池没有压差，不存在电池组相互平衡充电电流，这样并联没有任何问题，可以充分发挥出并联扩容扩功率的目的。

但是，如果3组电池配组不好，或者是随机组合的情况下，假设1号电池组充满情况下电压54V，2号电池组有一半电量48V，3号电池组低电量42V，假设每组电池6毫欧内阻。那么1号对2号电池组压差6V，串联后内阻12毫欧，6V/0.012毫欧＝500A电流；

1号对3号电池组压差12V：12V/0.012毫欧＝1000A，

1号电池组瞬间放电总电流＝500+1000＝1500A，

当然，随着2、3号电池组电量增加，和1号电池电量减少，两者压差越来越小，相互平衡充电电流也越来越小，但是瞬间500A以上的电流的危害性显而易见，可能引发安全问题。这样可能出现的情况：1，保护电路产生保护,2，可能损坏保护电路继续充电导致电池发热损坏；3，电池或线路过载直接起火燃烧。

结论：电池组直接并联不可行，将带来无法估计的严重后果。

针对以上所述可知，电池组模块化的方式是现有技术手段中能实现大容量电池组替换和扩容的最有效实用的方式，然而解决电池组并联的问题是亟需解决的问题，若解决了电池组安全并联的技术问题，则实现大容量电池组的问题将随之解决，对应的，对于新能源汽车以及其他需要使用大容量电池组的产品将是巨大的技术进步以及变革。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，我们知道，一个独立的电池组在串并联组合当中，电池电压，内阻，容量、电池放电平台电压、质量寿命等都必须尽可能一致才会才长久的时间组合中发挥良好稳定的性能。以该电池组保护电路为划分界限，在保护电路保护范围内的组合遵守此规则，保护电路以外不必遵守这个规则。本发明讨论的是模块之间的安全并联技术，对于单个电池组内部的性能平衡方面的问题不讨论，只需要制定规范即可解决。

由背景技术得知，大容量电池要直接并联的要求很高，不同电池之间电压必须一致，否则可能出现电压高的对电压低的电池大电流充电出现安全问题。此问题解决了，其他都迎刃而解。本发明设计了一种可实现大容量电池组安全自由并联的电路，可以在实际运用中发挥重要作用。本发明将每个电池组单元设计为，充电恒定电流，输出不限制；可以将存在压差的电池组直接并联一起，电压高的将对电压低的电池组进行小电流充电，并最终达到相互平衡；电池放电不做限制。

本发明的技术方案是这样实现的：一种可实现大容量电池组安全自由并联的电路，包括外部充放电接口的正极和外部充放电接口的负极，还包括至少一个UPS电池组模块，每个UPS电池组模块包括电池组和DC-UPS模块，每个电池组的正极与所述外部充放电接口的正极连接，每个电池组的负极与DC-UPS模块的一端连接，所述DC-UPS模块的另一端与所述外部充放电接口的负极连接。

在上述技术方案中，所述电池组由多个串联的电池组成。

在上述技术方案中，所述DC-UPS模块包括二极管、等压恒流模块和二极管组，所述二极管和等压恒流模块串联，串联后的二极管和等压恒流模块与二极管组并联，所述二极管组由多个二极管同一方向并联组成，所述二极管组的负极与电池组的负极连接，所述二极管组的正极与外部充放电接口的负极连接，所述DC-UPS模块中串联电路部分的二极管的正极与电池组的负极连接，所述二极管的负极与等压恒流模块的一端连接，所述等压恒流模块的另一端与外部充放电接口的负极连接。

在上述技术方案中，所述DC-UPS模块包括二极管、恒压恒流模块和二极管组，所述二极管和恒压恒流模块串联，串联后的二极管和恒压恒流模块与二极管组并联，所述二极管组由多个二极管同一方向并联组成，所述二极管组的负极与电池组的负极连接，所述二极管组的正极与外部充放电接口的负极连接，所述DC-UPS模块中串联电路部分的二极管的正极与电池组的负极连接，所述二极管的负极与恒压恒流模块的一端连接，所述恒压恒流模块的另一端与外部充放电接口的负极连接。

在上述技术方案中，所述等压恒流模块包括可调型稳压芯片、比较器、采样电阻和MOS管，所述二极管与MOS管连接，所述比较器从可调型稳压芯片提取参考电压，同时从采样电阻提取电压进行比较，比较后输出不同电压去控制MOS管电流实现恒流。

在上述技术方案中，所述MOS管为N-MOS管。

在上述技术方案中，所述DC-UPS模块还包括过充保护、低压告警模块，所述过充保护模块是通过采样外部电压与可调型稳压芯片进行比较，电压过高将输出低电平关闭充电MOS管，所述低压告警模块是通过采样电池组电压与可调型稳压芯片进行比较，低于设定值将产生红灯告警。

在上述技术方案中，所述过充保护、低压告警模块集成于所述比较器中。

本发明的可实现大容量电池组安全自由并联的电路，相较于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明的DC-UPS模块中的二极管组、二极管和等压恒流充电模块实现了在进行并联的几个电池组初始电压不平衡情况下，原来电压高的电池组对电压低的电池组进行大电流放电变成限制下的小电流平衡充电，保证电流始终处于安全状态，防止电池组受损害烧毁甚至造成无法估计的严重后果。

2、本发明利用模块化的UPS电池组模块，重新设计一个电池组合架构，由多个简单稳定的UPS电池组模块组合成一个特大容量电池组合，来代替原有的一体化的复杂特大电池组合，去繁就简，将困难化整为零，达到自由替换和扩容的目的。

3、由于本发明解决了电池组并联不安全的问题，解决了大容量电池组模块化的限制难题，使新能源汽车以及其他需要使用大容量电量的产品在续航和相关方面上不受限制，进一步为电池组模块的标准化生产提供了理论基础，实现电池组模块的标准化，并可在几分钟内就可以完成对汽车或其他产品能量的替换或者补充，为新能源汽车替换燃油汽车提供进一步的可能性。

4、由于本发明解决了大容量电池组模块化的限制难题，相应的，需要使用电池的产品(包括汽车产品)则可实现多样化，市面上可出现不同续航要求的产品，迎合了市场需求，有利于市场的多样化需求。

5、解决了大容量电池组模块化的限制难题，随之而来可推动附加产业的产生以及发展。

6、解决了大容量电池组模块化的限制难题，相应的受电池容量限制的产品则会得到解放，其由于受电池容量限制影响的相关研究则会得到进展并随之出现不可预料的技术变化。

7、本发明的增加成本并不高，且电路结构的简洁，有利于推广和应用。

附图说明

图1为由6个48V电池模块2并3串组合的144V锂电池组；

图2为传统大容量电池并联电路图；

图3为简化版的大容量电池并联模块电路图的原理图；

图4为图3的变化图1；

图5为图3的变化图2；

图6为图5的大容量电池组的并联电路中单个UPS电池组模块的结构图；

图7为图6中的充电电流方向图；

图8为图6中的放电电流方向图；

图9为图6的元件参数表。

具体实施方式

为叙述方便，本实施例所指的电池组均为带保护电路的48V锂电池组，但其实际使用并不仅限于锂电池组。本实施例对于电池组串联的情况不做具体描述，具体参见背景技术中对于说明书附图图1的描述，本实施例为针对电池组并联的技术问题所提出的解决方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了下文方便说明，我们对几个名词进行约定和定义，后续不再重复说明。

名词1,锂电池：本文所述的锂电池都是指默认为标称电压3.7V，充满电压4.2V的三元锂电池。其他类型锂电池类似，但不在此文讨论。

名词2，48V锂电池组：本文所述的48V锂电池组，都是指采用经过严格配对的、参数一致的三元锂电池，13节串联的锂电池组，并焊接好市面成熟的锂电池保护电路板，带过充、低压、过流、短路等保护电路，如图3的A、B、C分别是3个独立的带保护电路的48V锂电池组。

名词3，DC-UPS模块：直流UPS功能模块，是本发明的核心内容，能实现充电限流，放电不限制，自动充放电的功能模块，并且可以过充保护和低压告警。在充电或者与其他模块并联时候，模块内外最终电压无限接近趋于相等。包括一个等压恒流电路与充电二极管串联，然后再与多个输出二极管并联。如图3右边的虚线框部分内容。

名词4，UPS电池组模块：是本发明的核心内容，是指48V锂电池组除了本身自带的保护电路以外，再增加了本发明的DC-UPS电路。形成一个可以独立使用，也可以多并多串灵活组合的自动充放电的电池组模块。如图3左边虚线框部分就是本发明内容。

如图3所示，为了方便说明，图3为简化版的大容量电池组自由并联模块的原理图,其原理图的电路包括3个并联的UPS电池组模块，UPS电池组模块内部包括单个电池组和与电池组串联的DC-UPS模块，48V锂电池组+(DC-UPS模块)＝UPS电池组模块，当然也可以仅由一个UPS电池组模块组成并单独实施。每个电池组可由多个串联的电池组成，为叙述方便，这三个带保护电路的48V锂电池组分别称为A电池组、B电池组和C电池组，每个UPS电池组模块的电池组各串联有一个DC-UPS模块，下面以A电池组所在的UPS电池组模块的电路作为说明：A电池组的正极与外部充放电接口的正极P+连接，A电池组的负极与DC-UPS模块的一端连接，DC-UPS模块的另一端与外部充放电接口的负极P-连接。DC-UPS模块包括二极管AD1、等压恒流模块AM和二极管组，其中，二极管AD1和等压恒流模块AM串联，串联后的二极管AD1和等压恒流模块AM与二极管组并联，二极管组由多个二极管同一方向并联组成，其多个二极管分别为二极管AD2、二极管AD3和二极管AD4，二极管组的负极与电池组的负极连接，二极管组的正极与外部充放电接口的负极P-连接，DC-UPS模块中串联电路部分的二极管AD1的正极与电池组的负极连接，二极管AD1的负极与等压恒流模块AM的一端连接，等压恒流模块AM的另一端与外部充放电接口的负极P-连接。电池组充电时，外部充放电接口的正极P+与外部电源正极连接，外部充放电接口的负极P-与外部电源负极连接，当充电完成后，可撤出外部电源；此外，外部充放电接口的正极P+还与负载的正极连接，外部充放电接口的负极P-与负载的负极连接。

为使理解更清楚，以下为图3的电路分析：

充电时，会出现两种情况，一种是A、B、C三组电池组电压平衡，还有一种是A、B、C三组电池组电压不平衡，其不平衡情况有多种，但其解决方式类似，下面以极端情况作为讨论。

情况一：A、B、C三组电池组电压一致，那么处于平衡状态，3个电池组由于相互之间没有压差，静态不充电也不接负载情况下相互电流为0电流，此时，外部电源对电池组充电的情况，其电流路分别为：

P+，A+，A-，AD1，AM，P-；

P+，B+，B-，BD1，BM，P-；

P+，C+，C-，CD1，CM，P-。

情况二(最坏的情况)：A电池组54V；B组电池48V；C电池组42V；

此时，A电池组对B组电池高6V电压，对C电池组高12V电压；那么A电池组会对B组和C电池组进行充电，也就是说，A组是放电状态，B、C组为充电状态。

A对B充电的电流方向为：A电池组正极A+—→B电池组正极B+—→B电池组负极B-—→二极管BD1—→等压恒流模块BM—→经过A电池组中二极管组的二极管AD2、AD3、AD4—→A电池组负极A-；(此刻，AD1，BD2，BD3，BD4处于工作截止状态)，由于经过了等压恒流模块BM，充电电流被限制在设定的范围。

A对C充电的电流方向为：A电池组正极A+—→C电池组正极C+—→C电池组负极C-—→二极管CD1—→等压恒流模块CM—→A电池组3个二极管AD2、AD3、AD4—→A电池组负极A-；(此刻，AD1，CD2，CD3，CD4工作截止状态)，同理，由于经过了经过等压恒流模块CM，充电电流被限制在设定的范围。

整个过程中，A电池组随着电量下降，电压降低，B、C电池组随着充电电量增高，电压提升，3个电池组电压朝着3组电池电量平均值电压无限接近，充电电流也越来越小，最后接近0。

放电时，由于放电不经过等压恒流模块，通过二极管直接输出，采取不限制措施。正常情况下，要求电池配对平衡后组合，三组电池将一致的均衡放电，达到满意效果。但是，特殊情况下，万一电池模块不平衡，电压高的会先放电，如果带负载功率大，A电池组电压会被拉低，拉低后的电压如果还高于B、C电池组，那么A组放电同时还会对B、C电池组小电流充电；如果被拉低的电压低于B组电池，高于C电池组，那么A、B两组电池都会放电，C组被充电；具体视负载功率大小与压差大小而定。

对于图3的电路的结论：采用本发明的技术后，3个电池组模块在组合平衡状态下正常均衡放电，达到期望效果。在3个电池模块不平衡的情况下并联，原来的大电流放电变成限制下的小电流平衡充电，最终达到3者电压均衡，放电不加限制。原来的不安全并联变成了可控的安全并联，并可以自由无限扩容，原来的不安全并联问题得到解决。

进一步地，如图4所示，图4是图3的一个变化电路，将每个UPS电池组模块的DC-UPS模块中的等压恒流模块替换成恒压恒流充电模块，两种电路在细节上有差别，可以应用不同需求场合，整体功能一样，都是实现充电限流，放电不限制的功能。等压恒流模块需要外部稳压后对模块充电，而恒压恒流充电模块可以输入高于充电电压，然后经过模块的稳压功能后再恒流对电池充电。前者的优点是，参与平衡的电池组最终电压相等或者无限接近。后者在平衡电流为0的状态下，可能还会有1-2V的微弱压差，原因是降压原理输入与最高输出电压之间会有一点压差才能确保稳定输出。

此外，还可有其他变化，如图5所示，图5是实际应用的典型原理图，电池组采用输入输出分口的保护电路板，DC-UPS模块中的等压恒流模块在主体功能基础上集成了过充保护和低压告警功能。分口保护板与同口本质上是一样的，仅为了节省成本减少充电MOS管数目采用的方法，最接近实际应用。

如图6所示，图6是对图5进一步的详细电路图。图中采用的“48V锂电池保护板”为输入输出分口电路板，是市面成熟产品，非本发明内容，本文中不做详细介绍，O-为输出负极，C-为充电负极，正极O+为输入输出共用，与输入输出同口电路板功能完全一样，O-与C-可以看成是同一个接点即等同于同口保护板，分口保护板仅仅是为了节省成本减少充电MOS管数量，市面大量成熟应用为分口保护板。图6是单个UPS电池组模块的电路图，也是图5中并联的3个48V电池组模块其中一个内部电路图，其他模块也完全相同。实现的功能：几组同样电池组模块并联，当外部电池组电压比本模块电压高或者接入外部电源充电，恒流充电电路工作，充电红灯亮；直到平衡充电电流小于设定值，充电状态灯绿灯亮；当外部电源插入本模块P+、P-进行充电时候，如果外部电源电压高于55V充电电压，会产生充电保护，停止充电。当本模块电压高于外部设备或者电池组电压时候，充电电路停止工作，并通过输出二极管直接对外部供电。当电池组电量低电压时候产生红灯告警，提醒充电。

为了方便说明，将本图划分为A区、B区2个功能区，A区为稳压电路区，是辅助电路功能区，B区为等压恒流充电和保护功能模块的电路区，B区是本发明重点功能区。由于B功能区U2芯片工作电压低于30V，A区的作用是将电压转换为B区需要的工作电压。图6中，J1和J2分别表示外部充放电接口的正极和负极接线柱。B+为48V锂电池组的电池正极，B-为电池负极。

48V锂电池组充满电压为54V，低压放电到36V截止，以下为对图6的电路结构图的具体分析：

1、充电状态：

由于图6中比较器U2的芯片工作电压在30V以下，降压型稳压芯片U3采用XL7015降压模块将48V电池组电压稳压到12V供B区使用，调整R5可改变输出电压。(XL7015是上海芯龙半导体公司生产的标准的稳压芯片，具体可以查询XL7015规格书，不详细介绍)

由A区的降压型稳压芯片U3将48V电池组电压转换为12V电压对比较器U2供电，比较器U2是LM324四运放大器、比较器，可调型稳压芯片U1是TL431可控精密稳压源，R9是采样电阻，比较器U2从可调型稳压芯片U1提取参考电压，同时从采样电阻R9提取电压进行比较，比较后输出不同电压去控制MOS管电流实现恒流。D5、D6、D7、D8是大电流肖特基二极管，其中，二极管D5等同于图3至图5中A电池组电路的AD1，二极管D6、D7、D8等同于图3中A电池组电路的AD2、AD3、AD4。

B区的第A路比较器完成的是等压恒流充电功能的控制，首先，可调型稳压芯片U1先通过R2限流后稳压到2.5V，通过R3，R8分压后提供基准电压给比较器U2的3脚，R9对充电电流采样后接2脚，,比较器U2对2，3脚电压放大进行比较，将比较结果通过1脚输出去控制N-MOS管U4(NMOS管-STP75NF75)，然后经过二极管D5对电池组进行充电。当电流大于设定值，比较器U2输出低电平抑制N-MOS管U4电流，当电流低于设定值，比较器U2输出高电平加大N-MOS管U4输出电流，使之达到恒定电流工作状态。通过调整R8电阻值可以调整充电电流大小。

B区的第B路比较器完成的是充电状态显示的功能，R1，R7将稳压后的2.5V分压提供基准电压接比较器U2的6脚，将R9采样的充电电流信号输入比较器U2的5脚，比较器U2将5，6脚电压放大比较，将比较结果通过7脚输出高低电平。比如设定当充电电流大于200MA，5脚高于6脚电压，输出高电平，D4红灯亮，D3蓝灯熄灭，表示充电状态中。当低于200MA电流，5脚低于6脚电压，输出低电平，D4红灯熄灭，D3蓝灯亮。调整R7可以调整转灯电流。

B区的第C路比较器完成的是过充保护功能。48V锂电池组正常充电电压是54V，设定当P+/P-两端电压高于55V，8脚将输出低电平关闭N-MOS管U4停止充电。具体，R14、R15两个电阻对P+/P-两端电压分压后接9脚，可调型稳压芯片U1的稳压2.5V电压作为参考电压直接接10脚，比较器U2对9,10脚电压信号进行放大比较，调整R14到合适值，设定高于55V产生保护动作，也就是当检测到10脚电压高于9脚2.5V电压，8脚输出低电平，把1脚输出信号通过R10、R16分压拉低，关闭N-MOS管U4，停止充电；如果低于55V，8脚输出高电平，被二极管D2截止，对1脚输出信号不产生影响，N-MOS管U4处于A路比较器控制下的正常充电状态。

B区的第D路比较器实现的是低压告警提醒功能。48V锂电池组放电到低压截止电压是36V左右，设定当P+/P-两端电压低于43V，14脚将输出高电平亮红灯告警，提醒低电量需要充电。具体，R12、R13两个电阻对P+/P-两端电压分压后接13脚，可调型稳压芯片U1的稳压2.5V电压直接接12脚作为参考电压，比较器U2对12,13脚电压信号进行放大比较，也就是当检测到13脚电压低于12脚2.5V电压，14脚输出高电平产生红灯告警；如果高于43V，14脚输出低电平，D9告警灯熄灭状态。

2、放电状态：

48V电池组的电池负极B-通过D6、D7、D8等多个并联二极管直接输出到P-(公共地)，不做任何限制。处于放电状态下，二极管D5不导通，充电电路处于停止工作状态。(二极管D6、D7、D8根据实际需要放电的电流大小，可以并联任意多个大功率二极管)。

(特别说明，B区等压恒流充电电路，当两组电池组并联时候，高电压电池组对低电压电池组充电，两者的电压差会越来越小，并无限接近。虽然串联有D6二极管有0.3-0.9V压降，当两组电池组压差等于或者低于二极管分压时候，二极管表现出电阻特性，会以弱小的平衡电流缩小压差，最后两组电池组电压无限接近趋于相等)。

主电流方向分析：

如图7所示，当48V电池组模块处于被充电状态下的电流方向(外部电压P+/P-高于内部电池电压B+/B-),从正极到负极的电流方向依次排序：

P+，O+，B+，B-，C-，D5，U4，R9，P-；

电池组模块被充电状态下，U4工作，D5导通，(D6，D7，D8)三个二极管处于反向截止状态，不导通。

如图8所示，当48V锂电池组模块处于放电状态下电流方向(外部电压P+/P-低于内部电池电压B+/B-),从正极到负极的电流方向依次排序。

B+，O+，P+，负载，P-，(D6，D7，D8)，O-，B-；

电池组处于放电状态下，由于P-比O-的电势高，电流直接通过(D6，D7，D8)三个二极管流向O-，D5处于反向截止状态，D5、U4都不工作。

成本分析：本发明增加的成本计算，参看图9，表格有列有详细估算该电路模块增加的成本，电子元件加其他配件以及加工费一共73元，本发明增加的成本很低。相对于4度电的电池成本大约3000元占比极小。

关于电池模块的输出效率：由于电池模块输出串联了一组由多个并联的肖特基二极管组成，这几个并联二极管可以看成一个大功率的二极管，按照前面图例是采用的是肖特基MBR60200型号，单个可以最大60A输出，200V耐压，该二极管的压降特性是0.9V，那么整个电池模块的效率可以计算出：(48V-0.9V)/48V＝98.12％)，放电效率98％以上，并随着单个电池模块电压升高，效率也升高，98％以上这么高的效率完全可以满意。

本发明的一个重要特点是：利用模块化的UPS电池组模块，重新设计一个电池组合架构，由多个简单稳定的UPS电池组模块组合成一个特大容量电池组合，来代替原有的一体化的复杂特大电池组合，去繁就简，将困难化整为零，达到自由替换和扩容的目的。电路简洁本身也是一种安全可靠，由于标准化的电池模块本身已经带有保护电路，可以独立于整个电动车大电池组合，具有封闭的自身管理系统，甚至直接使用市面成熟的电动单车的保护电路，仅仅增加MOS管扩大功率即可。这个特点可以大大简化整车的BMS设计。

为说明本发明具有解决电池并联的技术难题以及实现自由替换和电池扩容的效果，以下为本发明的实验测试数据和分析：

如图实验一是测试2个UPS电池组一个充满54.1V,另外一个低电量40.9V并且空载情况下并联的试验数据，可以看出，并联初期，两个UPS电池组压差大，平衡电流达到最大设置电流2A，A电池组放电随着时间推移电量减少，电压降低。B电池组被充电随着时间推移电量增多，电压上升。当两组电池压差越来越小，平衡充电电流也越来越小，直到两组电池电压趋于相等。可以看出，平衡电流一直被限制在2A以内，达到安全并联目的。

实验二是测试2个UPS电池组一个充满54.01V，一个低电量41.1V，在带100瓦负载情况下并联的试验数据，采用负载仪恒流2A模拟真实负载测试。实验二表格可以看出，测试初期，两组电池压差大，平衡电流持续2A，A电池组除了给B电池组充电，还对100瓦负载放电，放电随着时间推移电量减少，电压降低，与表一比较，由于多带了负载，电量下降很快。B电池组被充电随着时间推移电量增多，电压上升，与表一比较，电压上升较慢。当两组电池压差越来越小，平衡充电电流也越来越小，直到两组电池压差趋于相等为0以后，两组电池开始同时对100瓦负载放电，电压同时下降。可以看出，平衡电流一直被限制在2A以内，达到安全并联目的。

通过实验数据，可得出本发明可解决电池组并联不安全的问题，并将平衡电流限制在2A以内，实现电池组的安全并联，进而得以实现电池组或电池的自由替换和电池扩容的效果。

也有认为可用几个标准化48V的电池组串联作为替换，但是，在限制体积后的标准电池模块不能扩容，不能满足市场化产品的多样化需求。若全部的汽车都只能行驶200公里，只靠增加单体电池容量密度，或者只增加电压的方法增加续航里程，那是非常局限的，如果因为直接并联危险就绕道通过串联扩容，电压越来越高，(BYD有一个车型电压接近600V行驶400多公里)，可想而知600V的电压存在的安全隐患是多大，如果再增加续航里程，是否继续提高电压？必然会进入死胡同而没有出路。

本发明为现有新能源汽车出现技术瓶颈后的一个全新解决思路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种可实现大容量电池组安全自由并联的电路，包括内部电池接口和外部充放电接口，其特征在于：还包括至少一个UPS电池组模块，每个UPS电池组模块包括电池组和DC-UPS模块，每个电池组的正极与所述外部充放电接口的正极连接，每个电池组的负极与DC-UPS模块的一端连接，所述DC-UPS模块的另一端与所述外部充放电接口的负极连接。

2.根据权利要求1所述的可实现大容量电池组安全自由并联的电路，其特征在于：所述电池组由多个串联的电池组成。

3.根据权利要求1或2所述的可实现大容量电池组安全自由并联的电路，其特征在于：所述DC-UPS模块包括二极管、等压恒流模块和二极管组，所述二极管和等压恒流模块串联，串联后的二极管和等压恒流模块与二极管组并联，所述二极管组由多个二极管同一方向并联组成，所述二极管组的负极与电池组的负极连接，所述二极管组的正极与外部充放电接口的负极连接，所述DC-UPS模块中串联电路部分的二极管的正极与电池组的负极连接，所述二极管的负极与等压恒流模块的一端连接，所述等压恒流模块的另一端与外部充放电接口的负极连接。

4.根据权利要求1或2所述的可实现大容量电池组安全自由并联的电路，其特征在于：所述DC-UPS模块包括二极管、恒压恒流模块和二极管组，所述二极管和恒压恒流模块串联，串联后的二极管和恒压恒流模块与二极管组并联，所述二极管组由多个二极管同一方向并联组成，所述二极管组的负极与电池组的负极连接，所述二极管组的正极与外部充放电接口的负极连接，所述DC-UPS模块中串联电路部分的二极管的正极与电池组的负极连接，所述二极管的负极与恒压恒流模块的一端连接，所述恒压恒流模块的另一端与外部充放电接口的负极连接。

5.根据权利要求3所述的可实现大容量电池组安全自由并联的电路，其特征在于：所述等压恒流模块包括可调型稳压芯片、比较器、采样电阻和MOS管，所述二极管与MOS管连接，所述比较器从可调型稳压芯片提取参考电压，同时从采样电阻提取电压进行比较，比较后输出不同电压去控制MOS管电流实现恒流。

6.根据权利要求5所述的可实现大容量电池组安全自由并联的电路，其特征在于：所述MOS管为N-MOS管。

7.根据权利要求6所述的可实现大容量电池组安全自由并联的电路，其特征在于：所述DC-UPS模块还包括过充保护、低压告警模块，所述过充保护模块是通过采样外部电压与可调型稳压芯片进行比较，电压过高将输出低电平关闭充电MOS管，所述低压告警模块是通过采样电池组电压与可调型稳压芯片进行比较，低于设定值将产生红灯告警。

8.根据权利要求7所述的可实现大容量电池组安全自由并联的电路，其特征在于：所述过充保护、低压告警模块集成于所述比较器中。