CN116545058A - 电池串联充电保护装置及充电设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供电池串联充电保护装置及充电设备，属于电源技术领域。所述装置包括多个相互串联的电池模组，电池模组包括：充电开关模块、电池充电模块、分流限压模块，充电开关模块连接电池模组的正极，充电开关模块用于获取外部输入的充电开关信号；电池充电模块用于对充电电压进行稳压滤波以对目标电池充电，充电开关模块还用于根据充电开关信号控制电池充电模块与电池模组的正极之间电性接通或断开；分流限压模块包括开关单元和储能单元，开关单元用于获取外部输入的限压保护信号，并根据限压保护信号切换开关状态以控制储能单元充放电，其中，限压保护信号为PWM信号。

Description

电池串联充电保护装置及充电设备

技术领域

本申请涉及电源技术领域，尤其涉及一种电池串联充电保护装置及充电设备。

背景技术

相关技术中，锂离子电池组通常采用电池串联的方式充电，但不同电池的性能存在差异，在充电过程中会存在某一电池还处于恒流充电状态(充电电压逐渐增大)，而另一电池恒流充电过程完成需进入恒压充电过程(充电电压不变，充电电流逐渐减小)的情况，为保证安全性，通常在此时统一对所有电池进行恒压充电，但这种方式使得对电池组的充电时间较长，电池充电效率低下。

发明内容

本申请实施例的主要目的在于提出一种电池串联充电保护装置及充电设备，通过PWM信号控制单个电池模组的充电旁路的储能单元循环充放电，实现对单个电池模组的充电电压进行实时调整，从而在保证电池安全性的情况下提高各级电池模组的充电效率，减少充电时间。

为实现上述目的，本申请实施例的第一方面提出了电池串联充电保护装置，所述电池串联充电保护装置包括多个相互串联的电池模组，所述电池模组包括：

充电开关模块，所述充电开关模块连接所述电池模组的正极，所述充电开关模块用于获取外部输入的充电开关信号；

电池充电模块，所述电池充电模块与所述充电开关模块串联，所述电池充电模块用于对充电电压进行稳压滤波以对目标电池充电，所述充电开关模块还用于根据所述充电开关信号控制所述电池充电模块与所述电池模组的正极之间电性接通或断开；

分流限压模块，所述分流限压模块与所述充电开关模块、所述电池充电模块并联，所述分流限压模块包括开关单元和储能单元，所述开关单元和所述储能单元串联，所述开关单元用于获取外部输入的限压保护信号，并根据所述限压保护信号切换开关状态以控制所述储能单元充放电，其中，所述限压保护信号包括PWM信号。

在一些实施例中，所述分流限压模块还包括放电单元，所述开关单元的一端连接所述电池模组的正极，所述开关单元的另一端连接所述储能单元的一端，所述储能单元的另一端连接所述电池模组的负极，所述放电单元的一端连接所述开关单元与所述储能单元的公共端，所述放电单元的另一端接地，所述放电单元用于获取放电控制信号，并根据所述放电控制信号使所述储能单元接地放电。

在一些实施例中，所述充电开关模块包括第一场效应管和第二场效应管，所述第一场效应管的源极连接所述电池模组的正极，所述第一场效应管的漏极连接所述第二场效应管的漏极，所述第二场效应管的源极连接所述电池充电模块，所述第一场效应管的栅极连接所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的栅极和所述第二场效应管的栅极用于接收所述充电开关信号。

在一些实施例中，所述电池充电模块包括稳压电感、滤波电容、目标电池和限流电阻，所述稳压电感的一端连接所述充电开关模块，所述稳压电感的另一端连接所述目标电池的正极，所述目标电池的负极连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端连接所述电池模组的负极，所述滤波电容的一端连接所述稳压电感与所述充电开关模块的连接端，所述滤波电容的另一端连接所述电池模组的负极。

在一些实施例中，所述开关单元包括第三场效应管，所述储能单元包括限压电感，所述第三场效应管的漏极连接所述电池模组的正极，所述第三场效应管的栅极用于接收所述限压保护信号，所述第三场效应管的源极连接所述限压电感的一端，所述限压电感的另一端连接所述电池模组的负极。

在一些实施例中，所述电池充电模块还包括第四场效应管，所述第四场效应管的漏极连接所述目标电池的负极，所述第四场效应管的源极连接所述电池模组的负极，所述第四场效应管的栅极用于接收外部输入的反接保护信号。

在一些实施例中，所述放电单元包括放电开关管，所述放电开关管的漏极连接所述第三场效应管的源极，所述放电开关管的源极接地，所述放电开关管的栅极用于接收所述放电控制信号。

在一些实施例中，所述储能单元的一端连接所述电池模组的正极，所述储能单元的另一端连接所述开关单元的一端，所述开关单元的另一端连接所述电池模组的负极。

在一些实施例中，所述储能单元包括限压电感和稳压二极管，所述开关单元包括分流三极管，所述限压电感的一端连接所述电池模组的正极，所述限压电感的另一端连接所述分流三极管的集电极，所述稳压二极管的负极连接所述电池模组的正极，所述稳压二极管的正极连接所述分流三极管的集电极，所述分流三极管的发射极连接所述电池模组的负极，所述分流三极管的基极用于接收所述限压保护信号。

为实现上述目的，本申请的第二方面提出了充电设备，包括：

第一方面实施例所述的电池串联充电保护装置；

监测装置，所述监测装置连接所述电池串联充电保护装置，所述监测装置用于获取目标电池的充电状态；

主控装置，所述主控装置连接所述电池串联充电保护装置和所述监测装置，所述主控装置用于根据目标电池的充电状态向所述电池串联充电保护装置发送充电开关信号或限压保护信号。

一种电池串联充电保护装置及充电设备，通过PWM信号控制单个电池模组的充电旁路的储能单元循环充放电，实现对单个电池模组的充电电压进行实时调整，从而在保证电池安全性的情况下提高各级电池模组的充电效率，减少充电时间。

附图说明

图1是本申请实施例提供的电池串联充电保护装置的模块图；

图2是本申请分流限压模块一种实施例的示意图；

图3是本申请实施例提供的电池串联充电保护装置的电路图；

图4是本申请另一实施例提供的电池串联充电保护装置的电路图；

图5是本申请另一实施例提供的电池串联充电保护装置的电路图；

图6是本申请另一实施例提供的电池串联充电保护装置的电路图；

图7是本申请另一实施例提供的电池串联充电保护装置的电路图；

图8是本申请电池模组一种实施例的电路图；

图9是本申请电池模组另一种实施例的电路图；

图10是本申请电池模组另一种实施例的电路图；

图11是本申请充电设备一种实施例的装置示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

本申请实施例的电池串联充电保护装置可应用于对大功率锂电池(如电动汽车电池等)充电。相关技术中，锂离子电池组通常采用电池串联的方式充电，但不同电池的性能存在差异，在充电过程中会存在某一电池还处于恒流充电状态(充电电压逐渐增大)，而另一电池恒流充电过程完成需进入恒压充电过程(充电电压不变，充电电流逐渐减小)的情况，为保证安全性，通常在此时统一对所有电池进行恒压充电，但这种方式使得对电池组的充电时间较长，电池充电效率低下。

基于此，本申请提出一种电池串联充电保护装置及充电设备，旨在提高充电效率。

请参阅图1和图2，本申请实施例的电池串联充电保护装置包括多个相互串联的电池模组，电池模组包括：

充电开关模块，充电开关模块连接电池模组的正极，充电开关模块用于获取外部输入的充电开关信号；

电池充电模块，电池充电模块与充电开关模块串联，电池充电模块用于对充电电压进行稳压滤波以对目标电池充电，充电开关模块还用于根据充电开关信号控制电池充电模块与电池模组的正极之间电性接通或断开；

分流限压模块，分流限压模块与充电开关模块、电池充电模块并联，分流限压模块包括开关单元和储能单元，开关单元和储能单元串联，开关单元用于获取外部输入的限压保护信号，并根据限压保护信号切换开关状态以控制储能单元充放电，其中，限压保护信号包括PWM信号。

本申请的实施例中，充电开关信号和限压保护信号由外部的主控装置产生。第1级电池模组的正极连接外部直流电源的充电输出端，最后一级电池模组的负极接地；处于中间级的电池模组的正极连接上一级电池模组的负极、负极连接下一级电池模组的正极。当开关单元导通时，充电电压给储能单元充电；当开关单元关断时，储能单元自发放电，因此通过控制开关单元不断地导通和关断使得直流充电电压在储能单元处转换为交流电压。而调整限压保护信号的占空比即可调整开关单元导通和关断的时间，进而调节该交流电压的有效电压值，从而实现对施加在电池充电模块的电压进行限压。

通过PWM信号控制单个电池模组的充电旁路的储能单元循环充放电，实现对单个电池模组的充电电压进行实时调整，使得各级电池模组充电电压均满足最佳要求，从而在保证电池安全性的情况下提高各级电池模组的充电效率，减少充电时间。在另一些实施例中，限压保护信号可以为其他类型的周期信号，具体的信号类型可根据开关单元采用的开关器件类型选择。

在一些实施例中，请参阅图2，分流限压模块还包括放电单元，开关单元的一端连接电池模组的正极，开关单元的另一端连接储能单元的一端，储能单元的另一端连接电池模组的负极，放电单元的一端连接开关单元与储能单元的公共端，放电单元的另一端接地，放电单元用于获取放电控制信号，并根据放电控制信号使储能单元接地放电。当开关单元导通时，放电单元关断；当开关单元关断时，放电单元导通，从而为储能单元构建接地回路，使得储能单元的放电速率显著提高，拓宽通过储能单元转换得到的交流电压的电压可调范围。

在一些实施例中，请参阅图3，充电开关模块包括第一场效应管Q1和第二场效应管Q2，第一场效应管Q1的源极连接电池模组的正极，第一场效应管Q1的漏极连接第二场效应管Q2的漏极，第二场效应管Q2的源极连接电池充电模块，第一场效应管Q1的栅极连接第二场效应管Q2的栅极，第一场效应管Q1的栅极和第二场效应管Q2的栅极用于接收充电开关信号。如图3所示，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均为N型场效应管，当充电开关信号为高电平时，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2导通，开始给电池充电。第一场效应管Q1和第二场效应管Q2反向串联，从而防止电压倒灌，保护电池。

需要说明的是，在无特别说明的情况下，本申请实施例中所使用的元件标号或网络名加后缀“_X”即对应附图中第X级电池模组中的对应元器件的标号或网络名。在各级电池模组中，网络“VCC”表示该电池模组的正极(当前电池模组的充电电压端)，网络“GND”表示该电池模组的负极。示例，请参照图3，Q1_1为第一场效应管Q1在第1级电池模组中的元件标号，Q1_N为第一场效应管Q1在第N级电池模组中的元件标号，VCC_1表示第1级电池模组的正极(连接外部直流电源的充电输出端)，GND_1表示第1级电池模组的负极(连接下一级电池模组的正极)，GND_N+1表示第N+1级(最后一级)电池模组的负极(实际接地端)。

在一些实施例中，请参阅图3，电池充电模块包括稳压电感L1、滤波电容C1、目标电池BAT和限流电阻RS，稳压电感L1的一端连接充电开关模块，稳压电感L1的另一端连接目标电池BAT的正极，目标电池BAT的负极连接限流电阻RS的一端，限流电阻RS的另一端连接电池模组的负极，滤波电容C1的一端连接稳压电感L1与充电开关模块的连接端，滤波电容C1的另一端连接电池模组的负极。滤波电容C1和稳压电感L1用于对充电电压进行稳压滤波，便于给目标电池BAT充电。限流电阻RS用于限制充电电流的大小。此外，限流电阻RS也可用于(通过外部监测装置)采集充电电流，若充电电流过大则由外部主控装置输出信号控制充电开关模块关断，停止充电从而保护电池。

在一些实施例中，请参阅图3，开关单元包括第三场效应管Q3，储能单元包括限压电感L2，第三场效应管Q3的漏极连接电池模组的正极，第三场效应管Q3的栅极用于接收限压保护信号，第三场效应管Q3的源极连接限压电感L2的一端，限压电感L2的另一端连接电池模组的负极。在限压保护信号控制下，第三场效应管Q3的源极和漏极之间在导通和关断之间不断进行状态切换，使得限压电感L2循环充放电，从而对充电电压进行限压。

示意性实施例，请参阅图4，第三场效应管Q3和限压电感L2也可互换位置，且对限压电感L2并联一个稳压二极管D1以对限压电感L2稳压。需要说明的是，此时不能通过将限压电感L2接地加速其放电速率，适用于对于限压电压调节需求不高的场景中。

在一些实施例中，请参阅图5，电池充电模块还包括第四场效应管Q4，第四场效应管Q4的漏极连接目标电池的负极，第四场效应管Q4的源极连接电池模组的负极，第四场效应管Q4的栅极用于接收外部输入的反接保护信号。反接保护信号由外部的主控装置产生，外部的主控装置可通过充电电流等参数判断电池是否反接，从而发送反接保护信号。第四场效应管Q4接收到反接保护信号后工作于截止状态，其源极和漏极之间电性关断。

在一些实施例中，请参阅图2和图6，放电单元包括放电开关管QF，放电开关管QF的漏极连接第三场效应管的源极，放电开关管QF的源极接地，放电开关管QF的栅极用于接收放电控制信号。本申请实施例中，放电控制信号也是由外部的主控装置产生的。放电控制信号控制放电开关管QF在限压电感放电时导通，从而为限压电感构建接地回路，加快限压电感放电。

可以理解的是，本申请实施例中的场效应管也可替换为三极管、继电器、电控开关等其他开关型器件。

示意性实施例，请参阅图7，使用电控开关实现场效应管的开关功能。在单个电池模组中，第一电控开关SW1替换第一场效应管Q1和第二场效应管Q2，第二电控开关替换SW2替换第三场效应管Q3，第三电控开关SW3替换放电开关管QF。

在一些实施例中，储能单元的一端连接电池模组的正极，储能单元的另一端连接开关单元的一端，开关单元的另一端连接电池模组的负极。在限压电压调节需求不高，无需加快储能单元放电的场景中，可以调换储能单元和开关单元的位置。

在一些实施例中，以第1级电池模组为例，请参阅图8，储能单元包括限压电感L2和稳压二极管D1，开关单元包括分流三极管Q5，限压电感L2的一端连接电池模组的正极，限压电感L2的另一端连接分流三极管Q5的集电极，稳压二极管D1的负极连接电池模组的正极，稳压二极管D1的正极连接分流三极管Q5的集电极，分流三极管Q5的发射极连接电池模组的负极，分流三极管Q5的基极用于接收限压保护信号。如图所示，充电开关模块和电池充电模块中的场效应管也可用三极管实现相应的功能。可以理解的是，其它级的电池模组电路结构与第1级相同，在此不再赘述。一个实施例，请参阅图9，通过继电器替换场效应管实现相应的开关功能。示意性实施例，请参阅图10，还可以通过可控硅器件替换场效应管实现相应的开关功能。

为实现上述目的，请参阅图11，本申请还提出了一种充电设备，包括：

上述任一实施例的电池串联充电保护装置；

监测装置，监测装置连接电池串联充电保护装置，监测装置用于获取目标电池的充电状态；

主控装置，主控装置连接电池串联充电保护装置和监测装置，主控装置用于根据目标电池的充电状态向电池串联充电保护装置发送充电开关信号或限压保护信号。检测装置设有检测电压电流等电性参数的部件，主控装置设有主控芯片。检测装置还用于检测电池模组内的电池是否反接，主控装置还用于在电池反接时向电池串联充电保护装置发送反接保护信号。

本申请实施例描述的实施例是为了更加清楚地说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着技术的演变和新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种电池串联充电保护装置，其特征在于，所述电池串联充电保护装置包括多个相互串联的电池模组，所述电池模组包括：

充电开关模块，所述充电开关模块连接所述电池模组的正极，所述充电开关模块用于获取外部输入的充电开关信号；

电池充电模块，所述电池充电模块与所述充电开关模块串联，所述电池充电模块用于对充电电压进行稳压滤波以对目标电池充电，所述充电开关模块还用于根据所述充电开关信号控制所述电池充电模块与所述电池模组的正极之间电性接通或断开；

分流限压模块，所述分流限压模块与所述充电开关模块、所述电池充电模块并联，所述分流限压模块包括开关单元和储能单元，所述开关单元和所述储能单元串联，所述开关单元用于获取外部输入的限压保护信号，并根据所述限压保护信号切换开关状态以控制所述储能单元充放电，其中，所述限压保护信号包括PWM信号。

2.根据权利要求1所述的电池串联充电保护装置，其特征在于，所述分流限压模块还包括放电单元，所述开关单元的一端连接所述电池模组的正极，所述开关单元的另一端连接所述储能单元的一端，所述储能单元的另一端连接所述电池模组的负极，所述放电单元的一端连接所述开关单元与所述储能单元的公共端，所述放电单元的另一端接地，所述放电单元用于获取放电控制信号，并根据所述放电控制信号使所述储能单元接地放电。

3.根据权利要求1所述的电池串联充电保护装置，其特征在于，所述充电开关模块包括第一场效应管和第二场效应管，所述第一场效应管的源极连接所述电池模组的正极，所述第一场效应管的漏极连接所述第二场效应管的漏极，所述第二场效应管的源极连接所述电池充电模块，所述第一场效应管的栅极连接所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的栅极和所述第二场效应管的栅极用于接收所述充电开关信号。

4.根据权利要求1所述的电池串联充电保护装置，其特征在于，所述电池充电模块包括稳压电感、滤波电容、目标电池和限流电阻，所述稳压电感的一端连接所述充电开关模块，所述稳压电感的另一端连接所述目标电池的正极，所述目标电池的负极连接所述限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端连接所述电池模组的负极，所述滤波电容的一端连接所述稳压电感与所述充电开关模块的连接端，所述滤波电容的另一端连接所述电池模组的负极。

5.根据权利要求2所述电池串联充电保护装置，其特征在于，所述开关单元包括第三场效应管，所述储能单元包括限压电感，所述第三场效应管的漏极连接所述电池模组的正极，所述第三场效应管的栅极用于接收所述限压保护信号，所述第三场效应管的源极连接所述限压电感的一端，所述限压电感的另一端连接所述电池模组的负极。

6.根据权利要求4所述的电池串联充电保护装置，其特征在于，所述电池充电模块还包括第四场效应管，所述第四场效应管的漏极连接所述目标电池的负极，所述第四场效应管的源极连接所述电池模组的负极，所述第四场效应管的栅极用于接收外部输入的反接保护信号。

7.根据权利要求5所述的电池串联充电保护装置，其特征在于，所述放电单元包括放电开关管，所述放电开关管的漏极连接所述第三场效应管的源极，所述放电开关管的源极接地，所述放电开关管的栅极用于接收所述放电控制信号。

8.根据权利要求1所述的电池串联充电保护装置，其特征在于，所述储能单元的一端连接所述电池模组的正极，所述储能单元的另一端连接所述开关单元的一端，所述开关单元的另一端连接所述电池模组的负极。

9.根据权利要求8所述的电池串联充电保护装置，其特征在于，所述储能单元包括限压电感和稳压二极管，所述开关单元包括分流三极管，所述限压电感的一端连接所述电池模组的正极，所述限压电感的另一端连接所述分流三极管的集电极，所述稳压二极管的负极连接所述电池模组的正极，所述稳压二极管的正极连接所述分流三极管的集电极，所述分流三极管的发射极连接所述电池模组的负极，所述分流三极管的基极用于接收所述限压保护信号。

10.一种充电设备，其特征在于，包括：

权利要求1至9任一项所述的电池串联充电保护装置；

监测装置，所述监测装置连接所述电池串联充电保护装置，所述监测装置用于获取目标电池的充电状态；

主控装置，所述主控装置连接所述电池串联充电保护装置和所述监测装置，所述主控装置用于根据目标电池的充电状态向所述电池串联充电保护装置发送充电开关信号或限压保护信号。