CN113725977B

CN113725977B - 一种串联蓄电池组的充电和补充电电路

Info

Publication number: CN113725977B
Application number: CN202111038486.4A
Authority: CN
Inventors: 吴才荣
Original assignee: Individual
Current assignee: He Lifang; Li Kaihui; Wu Bing; Wu Cairong
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2041-09-06
Also published as: CN113725977A

Abstract

本发明涉及一种串联蓄电池组的充电和补充电电路，通过在串联的蓄电池中的每一个单节蓄电池上设置一个对应的平衡电路；在电池组整体充电结束前进入补充电阶段时，电压采样电路对单节蓄电池的电压进行采样，并与基准电压一同送入比较电路中进行比较，充电控制电路和泄放电路根据比较电路输出的比较结果控制充电或者泄放电，直至所有的电压采样电路的电压均达到电池充电终止电压（设定的基准电压）时，充电控制电路才停止充电动作，从而保证串联蓄电池组中所有的单节蓄电池都能够充分充满电，从而提升蓄电池的使用效率和使用寿命。

Description

一种串联蓄电池组的充电和补充电电路

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体是一种串联蓄电池组的充电和补充电电路。

背景技术

在电动车领域中，为了提高蓄电池的电压和电量，一般会将多节蓄电池进行串联和并联；现有的对串联蓄电池的常规充电技术中，充电回路断开后，由于串联的单体电池之间的电压不平衡，导致电池组中的部分单体电池长期处于欠充电状态；而现有的电池平衡技术，由于受现有充电技术电路结构局限，电池平衡技术（利用各种算法）设计的电路，电路复杂而效果有限。电池组很难达到应有的效能和应有的使用寿命。

串联锂电池组在应用中，由于单体电池之间存在性能差异，上述充电过程不仅会使得电池之间的电压不平衡，导致电池的电容量不平衡，导致电池组容量过早地下降，难以达到自然的使用寿命；同时现有的电池均衡技术控制过程复杂、成本高，同时平衡效果不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种串联蓄电池组的充电和补充电电路，能够解决背景技术中提出的技术问题。

本发明的一种串联蓄电池组的充电和补充电电路，包括充电控制电路、多路平衡电路和一路基准电压源，平衡电路包括电压采样电路、泄放电路和比较电路；

电压采样电路与串联电池组中的其中一个单节蓄电池连接并用于对单节蓄电池的电压进行采样；

泄放电路与单节蓄电池连接并用于对单节蓄电池进行泄放电控制，泄放电路工作在电池组的补充电期间；

电压采样电路输出的采样信号和基准电压源输出的基准信号分别输出至比较电路的输入端；

比较电路的输出端通过控制元件与泄放电路连接，比较电路的输出信号用于控制泄放电路的泄放电动作的启停，在电池组没有充电电流的期间内泄放电路导通；

所有平衡电路中的比较电路的输出端均与充电控制电路连接，充电控制电路根据所有平衡电路的比较器的输出结果控制充电，当所有平衡电路中的电池采样电压与基准电压一致时，充电控制电路的充电动作充电停止。

进一步地，所述电压采样电路包括按顺序并联设置的第一开关、第一电容、第二开关和第二电容，第一开关的两端分别与单节蓄电池的正负极连接，第二电容的一端接地，第二电容的另一端与所述比较电路的输入端连接，第一开关和第二开关是电子模拟开关。

进一步地，所述比较电路包括第一比较器和第二比较器，第一比较器和第二比较器各自的两个输入端分别与所述基准电压源和电压采样电路的输出端连接，第二比较器的输出端与所述泄放电路和充电控制电路连接，第一比较器的输出端与所述充电控制电路连接。

进一步地，所述充电控制电路包括第一或门、与门、第二或门和开关管，所有所述的第一比较器的输出端均连接至与门的输入端，所有所述的第二比较器的输出端均连接至第一或门的输入端，第一或门和与门的输出端连接至第二或门的输入端，第二或门的输出端与开关管的控制端连接，开关管串接在充电回路上。

进一步地，所述泄放电路包括泄放电阻和开关管，泄放电阻和开关管串联后与对应的单节蓄电池并联构成泄放回路，泄放回路中设有光耦合器，光耦合器的输出端与开关管的控制端连接，光耦合器的控制端与所述第二比较器的输出端连接。

进一步地，所述基准电压源包括多个电阻处于回路中，并通过多个电阻分压输出两路不同的参考电压值，所述与门的输出端连接单刀双掷电子模拟开关的控制端，与两个参考电压选择性导通。

本发明的有益效果是：本发明的一种串联蓄电池组的充电和补充电电路，通过在串联的蓄电池中的每一个单节蓄电池上设置一个对应的平衡电路；在电池组整体充电结束前进入补充电阶段时，电压采样电路对单节蓄电池的电压进行采样，并与基准电压一同送入比较电路中进行比较，充电控制电路和泄放电路根据比较电路输出的比较结果控制充电或者泄放电，直至所有的电压采样电路的电压均达到电池充电终止电压（设定的基准电压）时，充电控制电路才停止充电动作，从而保证串联蓄电池组中所有的单节蓄电池每次都能够充分充满电，从而提升蓄电池的使用效率和延长使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图：

图 1 为本发明的实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

实施例一

如图 1 所示：本实施例的一种串联蓄电池组的充电和补充电电路，包括充电控制电路、多路平衡电路和一路基准电压源；

（1）基准电压源，基准电压源用于提供基准电压信号，本实施例中，基准电压源的输出值可通过电阻R1、电阻R2和电阻R3进行调节，通过电阻R1、电阻R2和电阻R3的分压结构分别输出两路参考电压V1和V2，其中V1＞V2，V1为电池充电终止电压预设值；

（2）平衡电路：

每个单节蓄电池DC均与一路平衡电路对应，平衡电路的作用是平衡单节蓄电池DC的充电后的电压，具体结构包括电压采样电路、泄放电路和比较电路：

电压采样电路用于对单节蓄电池DC的电压进行采样，具体结构包括按顺序并联设置的第一开关K1、第一电容C1、第二开关K2和第二电容C2，第一开关K1的两端分别与单节蓄电池DC的正负极连接，第二电容C2的一端接地，第二电容C2的另一端与比较电路的输入端连接，采样的原理如下：

第一开关K1和第二开关K2受控制轮流处于闭合状态，第一开关K1闭合时，单节蓄电池DC对第一电容C1进行充电，使得第一电容C1与单节蓄电池DC的电压保持一致；然后第一开关K1断开，第二开关K2闭合，第一电容C1和第二电容C2进行充电，使得第二电容C2与单节蓄电池DC的电压保持一致；第二电容C2端部的电压即为单节蓄电池DC的电压值，从而完成采样，同时，如果第二电容C2的初始电压高于单节蓄电池DC，同样可以在第一开关K1和第二开关K2的轮流闭合状态下对单节蓄电池DC进行充电，使二者电压在开关闭合周期后保持一致；

泄放电路用于对单节蓄电池DC进行泄放电控制，具体包括泄放电阻R，泄放电阻R和开关管Q（MOS管）串联后与对应的单节蓄电池DC并联构成泄放回路，开关管Q的控制端可以控制开关管Q的通断，从而控制泄放回路的通断，通过开关管Q对单节蓄电池DC进行泄放动作进行控制；

比较电路包括第一比较器IC_1和第二比较器IC_2，第一比较器IC_1和第二比较器IC_2各自的两个输入端分别与基准电压源和电压采样电路的输出端连接，第二比较器IC_2的输出端与泄放电路和充电控制电路连接，第一比较器IC_1的输出端与充电控制电路连接，比较器IC_1、IC_2通过比较基准电压和采样电压输出高低电平；

具体地，在第一比较器IC_1和第二比较器IC_2中，当基准电压V1或者V2小于采样电压时输出低电平（逻辑0），基准电压V1或者V2大于采样电压时输出高电平（逻辑1）；

第二比较器IC_2的输出端通过光偶与泄放电路中控制泄放动作的开关管Q的控制端（栅极G）信号连接，也就是说，在充电过程中如果其中一单节蓄电池DC充电电压到达基准电压V1后，泄放电路根据比较器的结果使得泄放回路导通，消耗多余电能，直到该节DC（电池）的端电压下降到低于V1时，该比较器IC_2的输出又=0，电路再进入充电状态对电池组充电，如此反复地动作，电路进入补充电状态（平衡充电）。第一比较器IC_1的作用见下文。

（3）充电控制电路

充电控制电路包括第一或门U2、与门U1、第二或门U3和开关管，

所有的第一比较器IC_1的输出端均连接至与门U1的输入端，

所有的第二比较器IC_2的输出端均连接至第一或门U2的输入端，

第一或门U2和与门U1的输出端连接至第二或门U3的输入端，第二或门U3的输出端与MOS开关管的控制端连接，MOS开关管为PMOS管，低电平导通，MOS开关管串接在充电回路上。

与门的输出端还连接到KA的控制端。

具体的充电控制原理如下：

为了便于描述，在以下过程中省略掉第二电容C2的采样过程，直接将第二电容C2的端电压等效为对应单节蓄电池的电池电压；

电路处于未充电的情况下，电路中任何一路的第二电容C2的端电压低于参考电压V2，对应的第一比较器IC_1和第二比较器IC_2输出为0，导致与门U1、第一或门U2和第二或门U3输出均为0，作用于MOS开关管(PMOS)导通，并使单刀双掷开关KA接通V1，电路进入充电状态。

充电状态下任何一节蓄电池DC的端电压高于V1（已充满电）时，与之对应的第二电容C2的端电压同时高于参考电压V1，对应的第二比较器IC_2则输出=1，导致第一或门U2（N个输入的或门）输出跳变=1，第二或门U3输出=1，MOS开关管(PMOS)断开，电路暂时退出充电状态；与此同时相对应的开关管Q导通使对应的蓄电池DC对泄放电阻R放电，消耗多余电能，直到该节电池DC的端电压下降到低于V1时，该第二比较器IC_2的输出又为0，电路再进入充电状态对电池组充电，如此反复地动作，电路进入补充电状态，达到均衡充电的效果。

补充电过程中，开关管Q是在暂时退出充电状态条件下才导通的，且只有充满电的蓄电池DC相对应的开关管Q才会在这期间导通，这样电路就可以自动地从整组电池中的各个单节蓄电池DC中区分出已充满和欠充电的蓄电池DC，并进行是否限制电容量的动作，即：退出充电状态这期间，所有充足电的蓄电池DC对应的开关管Q导通消耗多余的电能（再次进入充电状态充电时就不会出现过充电的现象发生了），所有欠充电的蓄电池DC对应的开关管Q则是不导通等待再次进入充电状态充电。直到电池组中所有的蓄电池DC对应的Q都导通（全部的电池电压都达到充电终止设定值V1）时，所有的第二电容C2端电压（第一比较器IC_1同相输入端电压）≧V1，所有的第一比较器IC_1输出=1，导致与门U1（N个输入的与门）输出跳变=1，使KA接通V2，使比较器的反相输入端电压更低（此时所有第二电容C2端电压高于V2，所有的第一比较器IC_1输出=1并保持这种状）导致第二或门U3输出=1并保持这种状态，整个充电过程结束。

充电结束是由于U1输出跳变为1,第二或门U3的输出端=1；U1输出跳变为1,导致K1接通V2）拉低了第一比较器IC_1反相输入端电压的结果。

综上所述，第二比较器IC_2、第一或门U2、配合第二或门U3控制过充电，并控制对应的开关管Q和泄放电阻R将多余电能消耗掉；

比较器IC1、U1、配合U3、KA在整组蓄电池DC充足电后停止充电并保持状态，蓄电池DC欠电后KA动作重启充电功能。

第一开关K1、第一电容C1、第二开关K2和第二电容C2将高位能蓄电池DC转换到低位能便于检测比较。

第一开关K1、第二开关K2和单刀双掷开关KA是电子模拟开关。

综上所述，本发明的一种串联蓄电池组的充电和补充电电路，通过在串联的蓄电池中每一个单节蓄电池DC上设置一个对应的平衡电路；在电池组整体充电完毕进入补充电阶段时，电路就可以自动地从整组电池中的各个单体DC（电池）中区分出已充满和欠充电的DC（电池），进行是否泄放多余电量的动作从而保证串联蓄电池组中所有的单节蓄电池DC都能够充分充满电，从而提升蓄电池的使用效率和延长使用寿命。

电动车用锂电池的使用寿命应该是9年（3000次充放电以上），但实际使用寿命只有4-5年，主要是现有充电方法不能为锂电池组给予充分充满电，电池组部分单体电池长期欠充电直接相关。

目前锂电池产能已超过千亿元大关，按提高使用效率和延长蓄电池寿命的综合值20%计算，相当于现有的锂蓄电池产能增加了20%，具有很大的经济效益和社会效益；对于充电器，无需现有的层叠结构技术（每节电池需1个基准源）的控制方式，简化了电路结构而提高了终止充电的电压精度和一致性及可靠性，且降低产品成本，是现有存在的充电管理技术不可比拟的。

本发明还可以根除了现在普遍应用的转移能量均衡模式中若某只转移能量的MOS管损坏短路导致对应电池发生短路的安全隐患。

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，而不脱离本发明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

1.一种串联蓄电池组的充电和补充电电路，所述串联蓄电池组为电动车的电池组，其特征在于：包括充电控制电路、多路平衡电路和一路基准电压源，

串联蓄电池组的每一个单节蓄电池上设置一个对应的平衡电路，平衡电路包括电压采样电路、泄放电路和比较电路；平衡电路的作用是平衡串联蓄电池组中多个单节蓄电池充电后的电压；

泄放电路与单节蓄电池连接并用于对单节蓄电池进行泄放电控制，包括泄放电阻R、泄放电阻R和开关管Q串联后与对应的单节蓄电池并联构成泄放回路，泄放回路中设有光耦合器，光耦合器的输出端与开关管Q的控制端连接，开关管Q的控制端用于控制开关管Q的通断，从而控制泄放回路的通断，通过开关管Q对单节蓄电池进行泄放动作进行控制；

所有平衡电路中的比较电路的输出端均与充电控制电路连接，充电控制电路根据所有平衡电路的比较器的输出结果控制充电；

所述比较电路包括第一比较器和第二比较器，第一比较器和第二比较器各自的两个输入端分别与所述基准电压源和电压采样电路的输出端连接，第二比较器的输出端与所述泄放电路和充电控制电路连接，第一比较器的输出端与所述充电控制电路连接；比较电路中第二比较器的输出端与光耦合器的控制端连接；

所述充电控制电路包括第一或门、与门、第二或门和开关管，所有的第一比较器的输出端均连接至与门的输入端，所有的第二比较器的输出端均连接至第一或门的输入端，第一或门和与门的输出端连接至第二或门的输入端，第二或门的输出端与MOS开关管的控制端连接，MOS开关管串接在充电回路上；

在充电过程中，如果其中任何一个单节蓄电池充电电压到达基准电压后，MOS开关管断开，电路暂时退出充电状态，与此同时，相对应的开关管Q导通，使对应的单节蓄电池对泄放电阻R放电，消耗多余电能，直到该单节蓄电池的端电压下降到低于基准电压时，电路再进入充电状态对电池组充电，电路进入补充电期间；

在电池组整体充电结束前进入补充电期间时，电压采样电路对单节蓄电池的电压进行采样，并与基准电压一同送入比较电路中进行比较，充电控制电路和泄放电路根据比较电路输出的比较结果控制充电或者泄放电，直至所有的电压采样电路的电压均达到基准电压时，充电控制电路才停止充电动作；

所述基准电压源包括多个电阻处于回路中，并通过多个电阻分压输出两路不同的参考电压值，所述与门的输出端连接单刀双掷电子模拟开关的控制端，与两个参考电压选择性导通。

2.根据权利要求1所述的一种串联蓄电池组的充电和补充电电路，其特征在于：所述电压采样电路包括按顺序并联设置的第一开关、第一电容、第二开关和第二电容，第一开关的两端分别与单节蓄电池的正负极连接，第二电容的一端接地，第二电容的另一端与所述比较电路的输入端连接，第一开关和第二开关是电子模拟开关。