CN1367565A - 一种串联电池组自动均衡充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种串联电池组自动均衡充电装置,它在由待充电的串联电池组(1)、电池电压信号实时采集与隔离电路(2)、主控制电路板(3)、逆变式充电电源(4)、电池电压巡检与显示电路(6)、温度传感器(7)、隔离驱动电路(8)和由功率开关(11)及由它构成的旁路分流网络(12)的现有均衡充电技术中,用MOS管与功率电阻串联构成的放电网络代替现有技术中的功率开关和由它构成的旁路分流网络,来实现对串联电池组的充电速度快、安全可靠、达到串联电池组的自动均衡。

Description

一种串联电池组自动均衡充电装置
(一)技术领域
本发明涉及在如电动汽车等各个领域的串联电池组的自动均衡充电装置。
(二)背景技术
蓄电池广泛应用于各个领域，特别是近年来在电动汽车中，动力电池如锂离子电池，镍氢电池等被视为关键部件之一。对以串联工作方式的这些电池组进行充电时，如何保证充电过程中电池组的快速高效的自动均衡充电，是保证锂离子电池、镍氢电池安全和可靠性以及充分发挥其效能的一项关键技术。
在已知的一种串联电池组充电装置，是充电电源的直流或脉动输出对串联电池组进行充电，输出电压和电流可调，该装置不能检测和控制单体电池的端电压，从而电池组的均衡性差，影响电池的使用寿命和效能。
在已知的另外一种串联电池组均衡充电装置，是对每个单体电池采用独立的充电系统，或采用一个充电电源带有多组直流输出，每组直流输出分别对一个单体电池进行充电。该方法简单可靠，但当电池组中单体电池数量较多时，则该方法实现起来太复杂，体积较大。
在已知的另外一种串联电池组均衡充电装置，是采用一套充电电源对串联电池组同时充电，并对每只单体电池的状态进行实时监控。当任一只单体电池达到预设的充电状态后即停止充电。停止充电方式主要有两种方式：一种方式是把达到预设充电状态的电池进行隔断，可采用接触器或功率电子开关，但该方式将在串联电池组中接入多个接触器触点或电子开关，势必影响串联电池组的工作可靠性，接入功率电子开关还将消耗大量电力，显著降低电池组的工作效率，并大大增加串联电池组的体积。第二种方式是对达到预设充电状态的单体电池的充电电流进行旁路分流，避免过充。这种方式则需要对旁路电流进行较为精确的控制，且牺牲一定的充电效率。
本发明的目的是提供一种与现有技术相比充电速度快、安全可靠，达到串联电池组自动均衡充电装置。
(三)发明内容
本发明是一种新型的串联电池组自动均衡充电装置。按照本发明，去掉了现有技术中的功率开关和由它组成的旁路分流网络，取而代之的是放电网络。以下结合附图对本发明作详细说明。
图1是现有技术中带有功率开关和由它组成的旁路分流网络的串联电池组均衡充电电路框图；
图2是本发明串联电池组自动均衡充电装置框图。
在表示现有技术串联电池组自动均衡充电装置电路框图的图1中，串联电池组1由仅有一组正负直流输出端的逆变式充电电源4充电，在充电时，串联电池组的各个单体电池的电流电压信号反馈到电池电压信号实时采集与隔离电路2，又经电池电压信号实时采集与隔离电路2将信号输入到主控制电路板3，与此同时，通过温度传感器7将充电电池的温度信号也输入到主控制电路板，主控制电路板3控制电池电压巡检与显示电路6显示各单体电池的电压，其控制信号又输入到充电电源4和隔离驱动电路8，由隔离驱动电路8将信号输入给串联电池组并联的功率开关11和由它构成的旁路分流网络12，从而控制充电电源的输出电流和输出电压，并控制对达到预设充电状态的单体电池的充电电流进行旁路分流，避免过充。
本发明串联电池组自动均衡充电装置，由一套待充电的串联电池组1，电池电压信号实时采集与隔离电路2，主控制电路板3，一个逆变式充电电源4，放电网络5，电池电压巡检与显示电路6，温度传感器7，隔离驱动电路8组成。
待充电的串联电池组可以是锂离子充电电池，也可以是镍氢电池等。每个单体电池的容量可以是几百毫安时或几百安时，电池组中单体数量不限。
电池电压信号实时采集与隔离电路2通过导线采集每一个单体电池的端电压，经放大处理，光电隔离后送至主控制电路板3。
主控制电路板3由微处理器和逻辑控制电路构成，接收电池电压信号实时采集与隔离电路2传来的每一个单体电池的端电压信号，以及温度传感器7传来的电池组的温度信号，控制充电电源的输出电流和输出电压，并控制放电网络对端电压值较高的电池单体进行适量放电，同时控制电池电压巡检与显示电路6显示各个单体电池的端电压。
充电电源是一种逆变式充电电源，主功率器件采用了IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块，主电路由IGBT逆变电路组成，通过对输出电流、电压反馈，可实现对充电电源的输出外特性控制，从而实现对充电电流和充电电压的控制。充电电源的输出电流、电压视电池组的状态决定。
并联的放电网络5回路由MOS管9和串联的功率电阻10组成，由主控制电路板3隔离驱动开关MOS管控制放电回路放电。放电电流的大小由功率电组10的大小决定。电池电压巡检与显示电路6，通过巡检电路检测各个单体电池电压，数码管或液晶显示器显示。
串联电池组可以是锂离子充电电池，也可以是镍氢电池等。就某一种电池组而言，最大充电电流IM是指电池组可以承受的最大电流，在此电流下电池组温升不会过高，性能不被破坏；最高端电压VM是指单体电池可以充到的最高电压。
本方案的具体充电程序如下所述：
先由主控板控制充电电源输出以最大充电电流IM对整个串联电池组进行充电，充电过程中对每一节电池的端电压进行监测，当检测到端电压最高的某一支单体电池的端电压接近最高端电压VM时，对端电压值较高的单体电池由主控板对其进行微量放电，对端电压较低的电池继续充电，这时可以适当减小充电电流。保证串联电池组中的电池端电压同步上升，最终同时充电到最高端电压VM，从而实现电池组均衡充电。
本发明充电过程中，电池组的各个单体电池电压同步上升，实现了电池组的均衡化，同时充电过程始终保持较高的充电电流充电效率高。充电过程实现了智能化和自动化。
充电过程设定的最终充电电压就是电池的最高端电压VM，当检测到电池电压高于最高端电压VM时，就对其进行放电，所以不会产生过充，确保了充电过程的安全。
充电过程中，电池放电通过MOS开关管与功率电阻串联的方式进行。
在充电过程中，为保证电池组的安全，必须对电池组的温度进行监控。在每一个电池组合中设置了一个温度传感器，对每一个电池组合均进行温度检测。温度传感信号输入主控板，充电过程中对电池的温度进行实时检测，当任何一个电池组合温度超过额定充电温度时，暂停充电(关闭充电电源输出)。
该发明的特点：(1)对串联的电池组进行充电时，仅有一组正负直流输出端的逆变式充电电源直接对串联电池组进行充电，与同类充电器采用多组直流输出的方法相比，本发明体积小，重量轻，充电效率高。(2)充电过程中采用放电网络对于端电压较高的单体电池进行适量放电，使电池组中的各个单体电池的电压同步升高，同时充足，达到串联电池组的自动均衡。(3)充电过程设定的最终充电电压就是电池的最高端电压VM，当检测到电池电压高于最高端电压VM时，就对其进行放电，所以不会产生过充，确保了充电过程的安全。(4)充电过程中，对端电压较高的单体电池放电的同时充电过程继续进行，充电速度快，效率较高。
(四)具体实施方式
下面结合实际例子对本发明实施做进一步说明。
待充电的锂离子动力电池串联电池组1共有84支单体电池组成，每支单体容量为55Ah(安·时)，最大充电电流IM，电池的最高端电压VM为4.15V。电池组每个单体两端通过导线连接至电池电压信号实时采集与隔离放大电路2和放电网络5，隔离放大电路2将电压信号经光电隔离后送至主控制板3。充电电源4是逆变式充电电源，最大输出功率为3.5Kw，输出电流为0～10A。充电电源4的正输出端接电池组的正输入端，其负输出端接电池组的负输入端。放电网络5是由84支MOS管9和84支功率电阻10构成，分别并联在电池单体的两端。
充电过程为：待充电池组的单体电压一般为3～4V，此时充电电流较大，可以为10A，由充电电源4提供恒定的直流输出。充电过程中由主控板对每一节电池的电压进行监测，并通过电池电压显示电路6显示出来，当检测到端电压最高的某一支单体电池的端电压接近最高端电压4.15V时，对端电压较高的单体电池由主控板3通过隔离驱动电路8驱动放电网络5对其进行微量放电，同时对于端电压较低的电池继续充电，这时可以适当减小充电电流。保证串联电池组中的电池端电压同步上升，最终同时充电到最高端电压VM，从而实现电池组均衡充电。通过放电网络进行定量的微量放电时，放电电流由放电网络的功率电阻决定，放电时间由主控板上的时间继电器控制。
充电过程设定的最终充电电压就是电池的最高端电压4.15V，当检测到电池电压高于最高端电压4.15V时，就对其进行放电，所以不会产生过充，确保了充电过程的安全。
在充电过程中，为保证电池组的安全，在每一个电池组合中设置了一个温度传感电路7。温度传感信号输入主控制电路板3，充电过程中对电池的温度进行实时检测，当任何一个电池组合温度超过额定充电温度时，关闭充电电源暂停充电。
采用隔离放大器2对每一只电池电压进行检测，输入到主控板3，由主控板驱动电池电压巡检与显示电路6进行显示，便于观察。
最终充电结果为：
每个单体电池的端电压4.15V±0.02V。
充电过程稳定可靠，无温升过高现象。
本发明采用仅有一组正负直流输出端的逆变式充电电源直接对串联电池组进行充电，与同类充电器采用多组直流输出的方法相比，本发明体积小，重量轻。充电过程中采用放电网络对端电压较高的单体电池进行适量放电，使电池组中的各个单体电池的电压同步升高，同时充足，达到串联电池组的自动均衡，安全可靠，提高了电池组的是使用效率和寿命。充电过程可以使用较高的充电电流，充电效率高。因此，本发明具有良好的应用价值。

Claims (2)

1.一种串联电池组自动均衡充电装置，它包括待充电的串联电池组、电池电压信号实时采集与隔离电路、主控制电路板、逆变式充电电源、电池电压巡检与显示电路、温度传感器、隔离驱动电路；串联的电池组由仅有一组正负直流输出端的逆变式充电电源充电，充电时串联电池组的单体电池的电流电压反馈到电池电压信号实时采集与隔离电路，经它将信号输入到主控制电路板，与此同时充电电池的温度通过温度传感器将信号输入主控制电路板，主控制电路板把信号即输入给电池电压巡检与显示电路，又输给充电电源和隔离驱动电路，其特征在于：在隔离驱动电路的输出端联接一个与串联电池组相并联的放电网络。
2.根据权利要求1所述的一种串联电池组自动均衡充电装置，其特征在于：所述的放电网络是由MOS管和功率电阻所构成。
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