CN110391682A - 一种电池充放电电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电池充放电电路，尤其是一种可电压转换和主动式电压平衡的电池充放电电路，由可充放电池组、辅助电池、直流稳压转换电路、操作显示系统、主控线路板、电池组监视系统、逻辑控制系统、隔离型可调电源系统、第一、第二充放电平衡控制系统及双向电压控制模块系统所组成，并由集成电路制成电池组充放电装置。一般的电动车电池是由多块分体电池串联而成，该装置通过主控线路板与电池组中的单体电池相连，在计算机或微控制器内的软件控制下，通过人机界面实现对单体电池的质量检测和充放电，达到主动式电池平衡充放电和对两种以上电压同时充放电的目的，从而降低电动车充电设备的成本和电池组的维修成本。

Description

一种电池充放电电路
技术领域
本发明涉及一种电池充放电电路，尤其是一种可电压转换和主动式电压平衡的电池充放电电路。
背景技术
在现实生活中，可充放电电池的用途越来越广泛，其中一些可充放电电池是由多个低电压单体电池串联而成，并构成可充放电电池组，例如由一百个4.2伏锂电池可构成一个420V的电池组，用于大功率电动车，一般的电动车根据功率大小和执行标准不同，可以从12V到600V，但基本均由单体电池组合而成，根据单体电池材料的种类不同，可以从1.2V-4.2V，为避免因个别单体电池的电压状态过高或过低而影响到整个电池组的充放电过程，需要在对电池组的充放电电路中提供一种单体电池主动式充放电平衡系统。
另外，有时需要一块电池提供两种电压，例如使用在电动车上的电池，在提供高压电源的同时，还需要经过电压转换提供一组低压电源，对两种电压均使用相似的充放电电路设计。在实际应用中，经常需要使用两种电压，而在现有技术中还没有一种电路和算法能同时对两种电压同时进行充放电。因此，需要设计一种集成的直流-直流转换器及有源电池均衡电路，以在不影响其原先效果的前提下，极大地降低电池充放电装置的成本。
发明内容
本发明的目的是：提供一种整合电路系统，在计算器的控制下，可以对不同总电压值和多个分电压值的电池组同时进行直流转换稳压以及主动式电池平衡充放电，以便节省空间、降低成本和操作方便。
本发明的技术方案是：一种电池充放电电路，包括可充放电池组1，还包括辅助电池2、直流稳压转换电路3、操作显示系统4和主控线路板5。可充放电池组1由多块单体可充放电池串联而成，并经直流稳压转换电路3与辅助电池2相连。主控线路板5由双向电压控制模块系统Q、第一充放电平衡控制系统IC1、第二充放电平衡控制系统IC2、电池组监视系统IC15、逻辑控制系统IC17和隔离型可调电源系统IC16所构成，双向电压控制模块系统Q与可充放电池组1相连，多个双向电压控制模块系统Q分别与第一充放电平衡控制系统IC1和第二充放电平衡控制系统IC2相接，逻辑控制系统IC17的输入端与第一充放电平衡控制系统IC1、第二充放电平衡控制系统IC2及电池组监视系统IC15相接，逻辑控制系统IC17的输出端与隔离型可调电源系统IC16的输入端相连接。直流稳压转换电路3由多块主控线路板5所组成，每块主控线路板5的一端与辅助电池2相并联，另一端与操作显示系统4相连接。
可选的，第一充放电平衡控制系统IC1和第二充放电平衡控制系统IC2中每个芯片的控制线分别与可充放电池组1中的多块单体电池相连接；其中，单体电池优选为6块。
可选的，所述的双向电压控制模块系统Q由晶体管Q11、晶体管Q12、晶体管Q29、变压器L6、变压器L8、光电耦合器IC7所构成，晶体管Q11与晶体管Q12之间分别经变压器L6和变压器L8相连，光电耦合器IC7经晶体管Q29与晶体管Q11的控制极相连接。
本发明的优点是：
1、降低电动车的充电设施成本：利用集成电路就可以实现直流电压稳压转换及主动式电池平衡充放电，可以代替其它复杂而笨重的充电设备，从而降低成本，而电动车的使用量随着环保的要求，其社会需求量越来越大。
2、降低维修成本：由集成电路配装而成的充电设备配合便携式计算机或微控制器可以实时检视每个电池的状态，使更换个别质量变差的单体电池更方便。以辅助电池作为充放电的存取站，可以直接更换辅助用电，减少更换整套系统成本。
附图说明
图1为本发明中可充放电池组向辅助电池放电的结构示意图。
图2为本发明中辅助电池向可充放电池组充电的结构示意图。
图3为本发明中可充电池组与辅助电池之间互相充放电的结构示意图。
图4为本发明中操作显示系统结构示意图。
图5为本发明中主控元器件电路原理方块图。
图6为本发明中HABB_ISO Board板连接图。
图7为本发明中电池组监视系统电路原理图。
图8为本发明中隔离型可调电源系统电路原理图。
图9为本发明中第一、第二充放电平衡控制系统电路原理图。
图10为本发明中双向电压控制模块系统电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种电池充放电电路，包括可充放电池组1，辅助电池2、直流稳压转换电路3、操作显示系统4、主控线路板5、双向电压控制模块系统Q、第一充放电平衡控制系统IC1、第二充放电平衡控制系统IC2、电池组监视系统IC15、逻辑控制系统IC17和隔离型可调电源系统IC16，将这些系统制成集成电路线路板，对电池进行充电时将其接入计算器系统，通过设定指令的操作，即可完成对电池的充放电。可充放电池组1由多块单体的可充放电池串联而成，例如串联120块3.3V的单体可充放电电池，即可构成396V的可充放电池组，将可充放电池组中每块单体电池连接到电路系统，并分别安装在主控线路板5内。因为可充放电电池组内有很多可充放电电池，每一个可充放电电池的电压都不一样，需要进行平衡。平衡方法可以是主动或被动，本方案是采用主动式平衡充放电方式对电池组内的电池进行充放电。
如图5所示，辅助电池2一般采用一块容量比较大的可充放电电池，例如一块12V或24V铅酸蓄电池或者锂电池。辅助电池经直流稳压转换电路3与可充放电池组1相连。在主控线路板5内，电池组监视系统IC15、第一充放电平衡控制系统IC1和第二充放电平衡控制系统IC2与逻辑控制系统IC17的输入端相连，逻辑控制系统IC17的输出端与隔离型可调电源系统IC16相连接。多路双向电压控制模块系统Q与两路第一充放电平衡控制系统IC1和第二充放电平衡控制系统IC2相连接。
如图6所示，主控线路板5由1至10000块HABB_ISO Board板所构成，原则上HABB_ISO Board板的数量为无限大，每块主控线路板5的一端与12对单体电池相连，并经过12个双向电压控制模块系统Q与第一充放电平衡控制系统IC1和第二充放电平衡控制系统IC2相接。在本实施例中选用10块主控线路板5，每块主控线路板5安装12块单体电池，辅助电池2为12V。
如图7、图8所示，电池组监视系统IC15以集成电路LTC6803为主体，该芯片的名称为电池组监视器，其管脚C1-C12分别与单体电池相连，A0-A3接口作SPI通讯地址，用于监视每块被充放电的单体电池。其SCK1、SD1、CSS1管脚接入逻辑控制系统IC17的输入端，IC17芯片为74LVC3G07，为逻辑控制器件，具有缓冲、驱动和收发功能，其输出端连接隔离型可调电源系统IC16,该系统以LTM2883为主要芯片，其功能是隔离型可调直流电源。
如图9所示，隔离型可调电源系统IC16的输出端经逻辑控制系统IC17连接到第一充放电平衡控制系统IC1和第二充放电平衡控制系统IC2，该系统由两个芯片所构成，型号为LTC3300,名称为电池单元平衡器，每个芯片的控制线分别与可充放电池组1中的多块单体电池相连接，单体电池优选为6块，所以需用两块芯片作可充放电池组与辅助电池之间充放电的控制，每块能单体控制6块可充放电池组中相连的单体电池。
如图10所示，双向电压控制模块系统Q包括晶体管Q11和晶体管Q12，型号为SIS862DN；晶体管Q29，型号为2N7002；变压器L6，型号为750312504；变压器L8；光电耦合器IC7，型号为TLP2362。晶体管Q11与晶体管Q12之间分别经变压器L6和变压器L8相连，光电耦合器IC7经晶体管Q29与晶体管Q11的控制极相连接，该双向电压控制模块系统Q连接到第一充放电平衡控制系统IC1和第二充放电平衡控制系统IC2。该双向变压模块用于电池组的充放电控制，由GnP,InP,GnS,InS控制线组控制，其中：
P (Primary): 控制线主控由可充放电池组放电至辅助电池；
S (Secondary):控制线主控由辅助电池充放电至可充放电池组；
G (Gate Drive):为控制线，以不同PWM duty cycle (脉冲宽度) 控制晶体管开关以控制充放电电流量；
I (Current Sense):为检测充放电电流；
n (1-12):12组单体的变压模块编号。
其中，左右两组控制完全隔离可充放电电池组及辅助电池以达到可充放电电池组内的每节电池均能单体并跟据需要运作于不同的模式（充电或放电或闲置）。
如图4所示，电池组监视系统IC15接入以计算机或微控制器为主体的操作显示系统4，通过键盘操作，输入指令，在软件程序的控制下可以显示每个单体电池的自动平衡充放电状态，可以设定手动控制或自动控制电池组内每个单体电池的充放电，而集成电路系统可自动控制那个单体电池需要充/放电。整套集成电路系统通过SPI串行外设接口由计算机或微控制器控制，经隔离型可调电源LTM2883芯片作隔离，监控第一、第二充放电平衡控制系统LTC3300芯片及电池组监视系统LTC6803芯片，在程序运行过程中，由CSBI控制线选择要监控那一块芯片。该系统的软件包括采用显示界面监视电池的状态及控制所需要的参数，例如个别电池电压比平均电压某容错率。
该电路设计可以用一个选定的可充放电池作为辅助电池，例如12V或24V大容量电池，该辅助电池相当于充放电的存储站，相比制作多块具有不同电压值并且可以充放电的电池作为辅助电池更能块约成本。
由于该电路设计上采用了主动式电池平衡充放电技术，可以知道每个电池的电压，并分配较高电压的电池充电至较低电压的电池，达到整个电池组的平均电压与每个单体电池的电压是相同的。
该技术方案的特点是：
1）个别单体电池电压高于平均电压某容错率，可以自动进行放电。
2）个别单体电池电压低于平均电压某容错率，可以自动进行充电。
3）可以对限定数量的单体电池同时进行充放电，防止出现太大电流。
4）集成电路由电流驱动，可以实现由任何一种电压转换成另外一种电压，例如：360V 转换至12V或400V 转换至24V。
5）两个电压可同时使用。
一块可选择电压值并且可以充放电的电池作为辅助电池，相比制作多块具有不同电压值并且可以充放电的电池作为辅助电池更能块约成本。
实验结果证明：
1）从396V平衡充放电后的电池组取电，相对直接从396V电池组取电的效能没有下降。
2）从直流电压转换稳压后的12V辅助电池取电，相对直接从12V辅助电池取电的效能没有下降。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种电池充放电电路，包括可充放电池组（1），其特征在于：还包括辅助电池（2）、直流稳压转换电路（3）、操作显示系统（4）和主控线路板（5）；所述的可充放电池组（1）由多块单体可充放电池串联而成，并经直流稳压转换电路（3）与辅助电池（2）相连；所述的主控线路板（5）由双向电压控制模块系统（Q）、第一充放电平衡控制系统（IC1）、第二充放电平衡控制系统（IC2）、电池组监视系统（IC15）、逻辑控制系统（IC17）和隔离型可调电源系统（IC16）所构成，双向电压控制模块系统（Q）与可充放电池组（1）相连，多个双向电压控制模块系统（Q）分别与第一充放电平衡控制系统（IC1）和第二充放电平衡控制系统（IC2）相接，逻辑控制系统（IC17）的输入端与第一充放电平衡控制系统（IC1）、第二充放电平衡控制系统（IC2）及电池组监视系统（IC15）相接，逻辑控制系统（IC17）的输出端与隔离型可调电源系统（IC16）的输入端相连接；所述的直流稳压转换电路（3）由多块主控线路板（5）所组成，每块主控线路板（5）的一端与辅助电池（2）相并联，另一端与操作显示系统（4）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电池充放电电路，其特征在于：所述充放电平衡控制系统（IC1）、第二充放电平衡控制系统（IC2）中每个芯片的控制线分别与可充放电池组（1）中的多块单体电池相连接。
3.根据权利要求1所述的一种电池充放电电路，其特征在于：所述的双向电压控制模块系统（Q）由晶体管（Q11）、晶体管（Q12）、晶体管（Q29）、变压器（L6）、变压器（L8）、光电耦合器（IC7）所构成，晶体管（Q11）与晶体管（Q12）之间分别经变压器（L6）和变压器（L8）相连，光电耦合器（IC7）经晶体管（Q29）与晶体管（Q11）的控制极相连接。
4.如权利要求2所述的一种电池充放电电路，其特征在于：所述单体电池为6块。
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