CN109687544A - 多串组合可充电电池的能量均衡及充电保护电路 - Google Patents
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Abstract
一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路，属于串联电池组均衡充电领域。将稳压二极管负极连接到从电池组+端开始电池单元的正极，正极连接到相邻或间隔的另一电池单元的负极，多个稳压二极管构成网络同时电池组两端布置分流电路。利用稳压二极管当反向电压达到某一特定值时，将出现反向击穿现象的特性，在充电上限电压附近分流充电电流，从而达到各个单元电压基本一致的均衡状态，同时还可以达到防止电池过充的目的。本方案解决了直接在电池单元并联低反向击穿电压特征值稳压二极管带来的漏电流过大问题，和现有方案相比降低了成本、提高了可靠性。组合中串联单元数量越多，降低成本的效果越显著。
Description
技术领域
本发明涉及串联电池组均衡充电领域，尤其是多串组合可充电电池的能量均衡和充电保护电路。
背景技术
可充电电池被广泛应用于电子设备、动力、储能等领域的能源储存和供给。为了满足应用领域的要求，通常需要对电池进行串联组合以提高电池组的电压，达到与用电器匹配的目的。
由于各个电池单元的容量、自放电等特性存在差异，在使用过程中可能会出现串联的各个电池单元荷电态不均衡的情况，如果不加以控制，将导致电池组的性能受损甚至出现安全性问题。因此除去镍镉、镍氢等可以通过电池内部气体反应调节荷电态的电池品种外，通常电池组(特别是锂离子电池组)都需要一个能量均衡电路。
常规的能量均衡电路由模数转换元件构成的各电池单元电压测量电路、单片机构成的控制电路、耗能/能量转化元件及开关装置构成的执行电路三个部分组成，结构复杂、成本较高。
张禹在(《闽江学院报》2015年第5期P49)提出一种低成本串联锂离子电池组充电均衡电路，对提前完成充电的电池单元，用分流器来减少其通过的充电电流，使之保持恒压充电，从而最终达到各单元的能量均衡。所述分流器由稳压管和运算放大器、三极管、电阻等元件组成，和常规的能量均衡电路相比结构大为简化，成本也相应降低。
但是，所述分流器仍然需要由稳压管、运算放大器、三极管等多个元件构成，不仅体积较大，而且每个电池单元必须采用一个分流器，对于多只串联的电池组来说，其成本仍然不低。
申请人注意到：稳压二极管当反向电压达到某一特定值时，将出现反向击穿现象，此时电压基本保持稳定，不随通过的电流发生变化。利用此特性，可以简单地将其反向并联到可充电电池单元两端，在充电上限电压附近分流充电电流，从而达到各个单元电压基本一致的均衡状态，同时还可以达到防止电池过充的目的。
然而，现有各种可充电电池单元的充电上限电压多在4.3V以下，这种特性电压值对应的稳压二极管反向漏电流是较大的(如1W级别的1N4728A，3.3V稳压值，漏电流在反向电压3V时为数百微安～毫安级别)，如果直接应用电池单元并联稳压管的简单方式，则由此造成的自耗电可能导致电池能量的明显消耗并引起新的不均衡。
发明内容
发明目的：
解决稳压二极管在反向击穿电压特征值接近单体电池工作电压领域漏电流过大的问题，发挥其作为分流元件成本低廉、可靠性高的优势。
技术方案：
发明人注意到，当稳压管的反向击穿电压特征值提高到6伏特以上时，其漏电流参数会呈数量级地降低，此时由于漏电流引起的自耗电将可以忽略不计。而6伏特以上的电压值刚好接近常用电池充电上限电压的2-4倍，于是申请人提出以下方案
一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路，包括由n个电池单元串联构成的电池组以及包含多个稳压二极管构成的均衡和充电保护电路；
至少有m只稳压二极管按如下连接：
第1只稳压二极管负极连接到从电池组+端开始第k只电池单元的正极，正极连接到第(k+q)只电池单元的负极；
第2只稳压二极管负极连接到从电池组+端开始第k+1只电池单元的正极，正极连接到第(k+q+1)只电池单元的负极；
…
第m只稳压二极管负极连接到从电池组+端开始第(k+m-1)只电池单元的正极，正极连接到第k+q+m-1只电池单元的负极；
其中n为大于等于3的自然数，m为大于等于2且小于等于(n-1)的自然数，q为大于等于1且小于等于(n-m)的自然数，k为大于等于1且小于等于(n-q-1)的自然数。
所述稳压二极管按如下方式连接：
第1只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第1只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第2只电池单元的负极；
第2只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第2只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第3只电池单元的负极；
…
第(n-1)只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第(n-1)只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第n只电池单元的负极；其中n≥3。
在电池组+端开始第1只电池单元和第n只电池单元的正负极之间并联有分流电路。
所述稳压二极管按如下方式连接：
第1只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第1只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第3只电池单元的负极；
第2只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第2只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第4只电池单元的负极；
…
第(n-2)只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第(n-2)只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第n只电池单元的负极，其中n≥5。
在电池组+端开始第1只、第2只、第n-1只以及第n只电池单元的正负极之间并联有分流电路。
所述稳压二极管按如下方式连接：
第1只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第1只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第4只电池单元的负极；
第2只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第2只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第5只电池单元的负极；
…
第(n-3)只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第(n-3)只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第n只电池单元的负极；其中n≥7。
电池组+端开始第1、第2、第3只和第n-2、第n-1、第n只电池单元的正负极之间并联有分流电路。
通过本发明方案，稳压管一次跨接2个或以上电池单元，可以采用稳压值(反向击穿电压)2倍或更高于电池单元电压的稳压二极管，从而解决了低稳压特征值稳压二极管作为分流装置时反向漏电流过大的问题；交替连接构成网络结构，可以自动调节大部分关联电池单元接近均衡充电状态；优选地，对于电池组端点附近的1-3个电池单元可以附加(稳压二极管、运算放大器和三极管构成的)常规恒压分流电路使其亦达到设定的均衡充电状态。
实施效果：
通过稳压二极管跨接两个或以上电池单元，使得具有6V以上反向击穿电压的稳压二极管可以应用，解决了低反向击穿电压稳压二极管用作分流元件时漏电流过大的问题；多个稳压二极管交替连接构成网络每个单只电池都要并联的常规恒压分流电路，降低了成本、提高了可靠性。组合中串联单元数量越多，降低成本的效果越显著。
附图说明
图1是背景技术中由稳压管、运算放大器、功率三极管及电阻元件构成的恒压分流电路示意图。
图2是本发明技术中稳压管跨接2个电池单元的电路示意图。
图3是本发明稳压管跨接3个电池单元的电路示意图。
图4是本发明稳压管跨接4个电池单元的电路示意图。
其中：B1-B15-电池单元，D1-D13-稳压二极管，R-电阻器，A-分流电路
具体实施方式
实施例1
电路图见图2
【磷酸铁锂48V15串电池组系统】
将1.5Ah 3.2V的磷酸铁锂18650电池15只串联成标称电压48V的电池组，然后将14只稳压二极管(1N4737A，Vz典型值7.5V)按下列方式连接到电池组中：
第1只稳压二极管D1负极连接到电池组+端开始第1只电池单元B1的正极，正极连接到电池组+端开始第2只电池单元B2的负极；
第2只稳压二极管D2负极连接到电池组+端开始第2只电池单元B2的正极，正极连接到电池组+端开始第3只电池单元B3的负极；
…
第14只稳压二极管D14负极连接到电池组+端开始第14只电池单元B14的正极，正极连接到电池组+端开始第15只电池单元B15的负极。
最后，将2个图1所示的分流电路A(稳压值3.75V，最大电流值0.7A)，分别连接到第1个电池单元B1和第15个电池单元B15的两端。
至此，构成一个具有本发明充电自动能量均衡和充电保护功能的48V1.5Ah电池组。
对比例1
【磷酸铁锂48V15串电池组+单体并联稳压二极管】
将1.5Ah 3.2V的磷酸铁锂18650电池15只串联成标称电压48V的电池组，然后将15只稳压二极管(1N4730A，Vz典型值3.9V)分别反向并联在每个电池的两端，构成一个具有简单的充电能量均衡和充电保护功能的48V1.5Ah电池组。
对比例2
【磷酸铁锂48V15串电池组+15个传统分流器】
将1.5Ah 3.2V的磷酸铁锂18650电池15只串联成标称电压48V的电池组，然后将15个图1所示分流电路A(稳压值3.75V，最大电流值0.7A)，
分别连接到每个电池单元的两端，构成一个具有充电自动能量均衡和充电保护功能的48V1.5Ah电池组。
实施效果
【均衡效果】
1)模拟电池组边缘非端点电池出现能量不均衡后的充电均衡效果
将实施例1和对比例1、对比例2的电池组分别调整到约50％的SOC，然后在+端开始第2只电池的两端并联上7Ohm、10W的功率电阻放电1小时，模拟由于自放电偏差导致该电池能量偏低的情况；然后将电阻断开，搁置4小时后测试各单元OCV(Open circuit voltage，开路电压)如表1，可以看出第2电池单元电压明显偏低，出现能量不均衡。
表1
用0.5A，58V恒流恒压充电4小时后，停止充电，搁置4小时，测试OCV如表2，可以看到不论实施例1还是对比例1和2，电池组中各个电池单元的OCV都基本趋于一致，均达到良好的能量均衡效果。
表2
2)模拟电池组中部电池出现能量不均衡后的充电均衡效果
前述实施例1和对比例1、对比例2的电池组分别调整到约50％的SOC，然后在+端开始第8只电池的两端并联上7Ohm、10W的功率电阻放电1小时，模拟由于自放电偏差导致该电池能量偏低的情况；然后将电阻断开，搁置4小时后测试各单元OCV如表3，可以看出第8电池单元电压明显偏低，出现能量不均衡。
表3
用0.5A，58V恒流恒压充电4小时后，停止充电，搁置4小时，测试OCV如表4，可以看到不论实施例1还是对比例1、2，电池组中各个电池单元的OCV都基本趋于一致，达到良好的能量均衡效果。
表4
3)模拟电池组端点电池出现能量不均衡后的充电均衡效果
将前述实施例1和对比例1、对比例2的电池组分别调整到约50％的SOC(State ofCharge，荷电状态，也叫剩余电量)，然后在+端开始第1只电池的两端并联上7Ohm、10W的功率电阻放电1小时，模拟由于自放电偏差导致该电池能量偏低的情况；然后将电阻断开，搁置4小时后测试各单元OCV如表5，可以看出第1电池单元电压明显偏低，出现能量不均衡。
表5
用0.5A，58V恒流恒压充电4小时后，停止充电，搁置4小时，测试OCV如表6，可以看到不论实施例1还是对比例1和2，电池组中各个电池单元的OCV都基本趋于一致，达到良好的能量均衡效果。
表6
【自耗电对比】
把具有如表6所示OCV的实施例1和对比例1、2的电池组在室温环境下放置30天，然后测试OCV。结果如表7，可以看到实施例1和对比例2效果相当，电池组中各个单元的OCV与满电态室温放置30天单体磷酸铁锂电池的OCV(约为3.4V)相同，且保持均衡。
而采用稳压管与电池单元简单并联方式的对比例1，电池组各单元OCV变化较大，表明有较大的能量损耗；而且各单元OCV值明显地不一致，说明出现了能量不均衡状态。因为采用这种方式，稳压管的反向击穿电压必须与电池单元的最高充电电压(约3.7V-4.1V)相当，而这种参数的稳压管都难以避免地具有较大的漏电流，因此带来较大的能量损失；同时，由于漏电流并非均匀一致，又造成了新的能量不均衡。
表7
【结论】
采用稳压二极管与电池单元简单并联的对比例1虽然在充电能量均衡方面也有很好效果，但由于低电压稳压二极管较大的反向漏电流特性导致的自耗电使之难以实用；使用2个分流电路A和14个稳压二极管构成的本发明实施例1和采用15个分流电路A构成的对比例2具有相当的均衡功能和低自耗电特性，因为分流电路A需要更多的元件来构成，因此本发明可以降低成本和减少电池组体积尺寸。
实施例2
【磷酸铁锂48V15串电池组系统】
本实施例2与实施例1相比，采用较多的分流器。
将1.5Ah 3.2V的磷酸铁锂18650电池15只串联成标称电压48V的电池组，然后将12只稳压二极管(1N4737A，Vz典型值7.5V)按下列方式连接到电池组中：
第1只稳压二极管D1负极连接到电池组+端开始第2只电池单元B2的正极，正极连接到电池组+端开始第3只电池单元B3的负极；
第2只稳压二极管D2负极连接到电池组+端开始第3只电池单元B3的正极，正极连接到电池组+端开始第4只电池单元B4的负极；
…
第12只稳压二极管D12负极连接到电池组+端开始第13只电池单元B13的正极，正极连接到电池组+端开始第14只电池单元B14的负极。
最后，将4个图1所示的分流电路A(稳压值3.75V，最大电流值0.7A)，分别连接到第1、2个电池单元和第14、15个电池单元的两端。
至此，亦构成一个具有本发明充电自动能量均衡和充电保护功能的48V1.5Ah电池组。
实施例3
【锰酸锂11V 3串电池组系统】
将1.5Ah 3.7V的锰酸锂18650电池3只串联成标称电压11V的电池组，然后将2只稳压二极管(1N4738A，Vz典型值8.2V)按下列方式连接到电池组中：
第1只稳压二极管D1负极连接到电池组+端开始第1只电池单元B1的正极，正极连接到电池组+端开始第2只电池单元B2的负极；
第2只稳压二极管D2负极连接到电池组+端开始第2只电池单元B2的正极，正极连接到电池组+端开始第3只电池单元B3的负极；
将2个图1所示的分流电路A(稳压值4.1V，最大电流值0.7A)，分别连接到第1个电池单元B1和第3个电池单元B3的两端。构成一个具有本发明充电自动能量均衡和充电保护功能的11V 1.5Ah电池组。
实施例4
稳压管跨接3个电池单元，电路示意图参见图3
【钛酸锂12V 5串电池组系统】
将1.5Ah 2.4V的钛酸锂18650电池5只串联成标称电压12V的电池组，然后将3只稳压二极管(1N4738A，Vz典型值8.2V)按下列方式连接到电池组中：
第1只稳压二极管D1负极连接到电池组+端开始第1只电池单元B1的正极，正极连接到电池组+端开始第3只电池单元B3的负极；
第2只稳压二极管D2负极连接到电池组+端开始第2只电池单元B2的正极，正极连接到电池组+端开始第4只电池单元B4的负极；
第3只稳压二极管D3负极连接到电池组+端开始第3只电池单元B3的正极，正极连接到电池组+端开始第5只电池单元B5的负极。
最后，将4个图1所示的分流电路A(稳压值2.75V，最大电流值0.7A)，分别连接到第1、2个电池单元和第4、5个电池单元的两端。
至此，构成一个具有本发明充电自动能量均衡和充电保护功能的12V 1.5Ah电池组。
实施例5
稳压管跨接4个电池单元，电路图参见图4
【铅酸24V12串电池组系统】
将2Ah 2.0V的铅酸电池12只串联成标称电压24V的电池组，然后将9只稳压二极管(1N4739A，Vz典型值9.1V)按下列方式连接到电池组中：
第1只稳压二极管D1负极连接到电池组+端开始第1只电池单元B1的正极，正极连接到电池组+端开始第4只电池单元B4的负极；
第2只稳压二极管D2负极连接到电池组+端开始第2只电池单元B2的正极，正极连接到电池组+端开始第5只电池单元B5的负极；
…
第9只稳压二极管D9负极连接到电池组+端开始第9只电池单元B9的正极，正极连接到电池组+端开始第12只电池单元B12的负极。
最后，将6个图1所示的分流电路A(稳压值2.30V，最大电流值0.7A)，分别连接到第1、2、3个电池单元和第10、11、12个电池单元的两端。
至此，构成一个具有本发明充电自动能量均衡和充电保护功能的24V2Ah电池组。
以上所述实施例仅为本发明的一些优选的实施案例，并非用来限定本发明的实施范围，在不脱离本发明构思的前提下，可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路，包括由n个电池单元串联构成的电池组以及包含多个稳压二极管构成的均衡和充电保护电路；
其特征在于：至少有m只稳压二极管按如下连接：
第1只稳压二极管负极连接到从电池组+端开始第k只电池单元的正极，正极连接到第(k+q)只电池单元的负极；
第2只稳压二极管负极连接到从电池组+端开始第k+1只电池单元的正极，正极连接到第(k+q+1)只电池单元的负极；
…
第m只稳压二极管负极连接到从电池组+端开始第(k+m-1)只电池单元的正极，正极连接到第k+q+m-1只电池单元的负极；
其中n为大于等于3的自然数，m为大于等于2且小于等于(n-1)的自然数，q为大于等于1且小于等于(n-m)的自然数，k为大于等于1且小于等于(n-q-1)的自然数。
2.权利要求1所述的一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路；
其特征在于，所述稳压二极管按如下方式连接：
第1只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第1只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第2只电池单元的负极；
第2只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第2只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第3只电池单元的负极；
…
第(n-1)只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第(n-1)只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第n只电池单元的负极；其中n≥3。
3.根据权利要求2所述的一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路，其特征在于：在电池组+端开始第1只电池单元和第n只电池单元的正负极之间并联有分流电路。
4.权利要求1所述的一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路；
其特征在于，所述稳压二极管按如下方式连接：
第1只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第1只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第3只电池单元的负极；
第2只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第2只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第4只电池单元的负极；
…
第(n-2)只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第(n-2)只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第n只电池单元的负极，
其中n≥5。
5.根据权利要求4所述的一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路，其特征在于：在电池组+端开始第1只、第2只、第n-1只以及第n只电池单元的正负极之间并联有分流电路。
6.权利要求1所述的一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路；
其特征在于，所述稳压二极管按如下方式连接：
第1只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第1只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第4只电池单元的负极；
第2只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第2只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第5只电池单元的负极；
…
第(n-3)只稳压二极管负极连接到电池组+端开始第(n-3)只电池单元的正极，正极连接到电池组+端开始第n只电池单元的负极；
其中n≥7。
7.根据权利要求6所述的一种多串可充电电池的能量均衡和充电保护电路，其特征在于：在电池组+端开始第1、第2、第3只和第n-2、第n-1、第n只电池单元的正负极之间并联有分流电路。
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| CN111446746A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-07-24 | 袁定高 | 一种充电电池的过放保护和恢复电路 |
| CN111446746B (zh) * | 2020-03-06 | 2023-06-30 | 佛山市众盈电子有限公司 | 一种充电电池的过放保护和恢复电路 |
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