CN1581632A - 二次电池充放电自动截止设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二次电池充放电自动截止设备，要解决的技术问题是在电池单元回路中提高二次电池放电自动截止装置的可靠性又降低成本，采用以下技术方案，一种二次电池充放电自动截止设备，由充电电源、第一切换触点开关、电池单元回路、第二切换触点开关和第六二极管顺序连接组成充电回路，由放电电源、第五二极管、第二切换触点开关、电池单元回路、第一切换触点开关和第七二极管顺序连接组成放电回路，所述电池单元回路中，沿电池放电方向正向串接有二极管，电池与正向串接二极管两端正向并联有放电分流二极管，与现有技术相比，利用二极管的正向截止特性，自动截止电池放电，具有高的可靠性，且不须人工检测，降低使用和维修成本。

Description

二次电池充放电自动截止设备
技术领域
本发明涉及一种二次电池充放电自动截止装置，特别是一种在二次电池生产过程的电池充放电化成工艺及电池使用维护的充放电处理过程中，为防止电池过放电而对电池放电电压进行自动截止的充放电设备。
背景技术
在可充电的二次电池生产过程中，电池在装配完成后，需对电池进行充放电活化。充电通常采用恒流定时的方式，而放电则要求电池电量完全放毕；在充电电池的出货或使用过程中，为了调整电池的初始荷电量或为了消除电池的记忆效应，也常常需要进行电池的完全放电。通常这些放电是采用外接电源强制放电到电池截止电压的方式进行。达到电池的截止电压后如不及时停止，电池继续放电就可能会过放电，电池电压变为零或负值，电池内部活性物质结构将受到破坏，严重时可能会出现电池的漏液与爆炸。
现有技术的二次电池充放电设备之一，由120V的直流恒流电源、50个电池单元回路、二极管D6构成充电电路；由60V直流恒流电源、二极管D1、50个电池单元回路、二极管D7构成放电电路。充放电电路的切换通过双联开关来进行。
电池单元回路中连接有一个二次电池，为了防止电池的过放电，每个电池单元回路中都需要串接一个带有放电电压截止功能的装置。
对于带有放电电压截止功能的装置，传统设计的第一种方法，由电池和手动切换触点开关构成。在放电过程中，用人工不断测量电池两端电压值，当达到或低于电池截止电压时，用人手将开关位置由1切换至2，停止单电池的放电过程。此方案在实施过程中存在受人为因素影响，如放电至规定电压时，未及时切换开关，电池仍继续放电，造成过放而出现废品。
传统设计的第二种方法，在上述装置的基础上使用电子计算机对电池电压放电过程中的电池两端电压不断扫描、采样，采样数据经模/数转换后送到CPU，与预设定的数据进行比较，如小于或等于电池截止电压时，CPU发出停止信号，经I/O通过计算机控制继电器切换开关位置由1至2，停止单电池的放电。此方案存在使用成本及维护成本高，继电器触点老化后造成工作不稳定等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种二次电池充放电自动截止设备，要解决的技术问题是在电池单元回路中提高二次电池放电自动截止装置的可靠性又降低成本。
本发明采用以下技术方案，一种二次电池充放电自动截止设备，由充电电源、第一切换触点开关、电池单元回路、第二切换触点开关和第六二极管顺序连接组成充电回路，由放电电源、第五二极管、第二切换触点开关、电池单元回路、第一切换触点开关和第七二极管顺序连接组成放电回路，所述电池单元回路中，沿电池放电方向正向串接有二极管，电池与正向串接二极管两端正向并联有放电分流二极管。
本发明沿电池放电方向正向串接的二极管两端反向并联有充电通道二极管。
本发明沿电池放电方向正向串接的二极管连接在电池的正极。
本发明沿电池放电方向正向串接的二极管是一至五支，充电通道二极管是一支，放电分流二极管是一支。
本发明电池单元回路中的电池是镍氢电池或镍镉电池，沿电池放电方向正向串接的二极管是二支。
本发明沿电池放电方向正向串接的二支二极管、充电通道二极管和放电分流二极管选用1N5404。
本发明电池单元回路中的电池是铅酸电池，沿电池放电方向正向串接的二极管是三支。
本发明沿电池放电方向正向串接的三支二极管、充电通道二极管和放电通道二极管选用1N5404。
本发明电池单元回路由五十个串联而成，充电电源是恒流源，充电电压为DC120V，放电电源是恒流源，放电电压为DC72V。
本发明与现有技术相比，在电池单元回路中，沿电池放电方向正向串接二极管，电池与正向串接二极管两端正向并联有放电分流二极管，利用二极管的正向截止特性，自动截止电池放电，具有高的可靠性，且不须人工检测，降低使用和维修成本。
附图说明
图1是二次电池充放电设备电路原理图。
图2是现有技术中采用手动控制放电截止的电池单元回路图。
图3是现有技术中使用计算机扫描控制放电截止的电池单元回路图。
图4是本发明的电池单元回路电路图。
图5是本发明实施例(一)的电路原理图。
图6是本发明实施例(一)的电池单元回路图。
图7是本发明实施例(二)的电路原理图。
图8是本发明实施例(二)的电池单元回路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
在说明前，先做如下定义：
沿电池放电方向正向串接的二极管D1、D2……Dn的单只正向导通压降用VD表示，n只串联的总压降Vn＝n×VD；
放电分流二极管D301正向导通压降用VD301表示；
充电通道二极管D201正向导通压降用VD201表示；
电池电压用VBAT表示。
如图1所示，由恒流源、第一切换触点开关的上触点A1和中间触点A2点闭合、串联的电池单元回路、第二切换触点开关的中间触点A4和下触点A5点闭合、第六二极管D6、保险管F1，回到恒流源顺序连接组成充电回路；由恒流源、第五二极管D5、第二切换触点开关的上触点A6和中间触点A4点闭合、串联的电池单元回路、第一切换触点开关的中间触点A2和下触点A3点闭合、第七二极管D7、保险管F1，回到恒流源顺序连接组成放电回路。
如图4所示，电池单元回路沿放电方向、电池的正极正向串接有第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五十一二极管D51，第一二极管D1的正极与第五十一二极管D51的负极两端反向并联有充电通道二极管D201，电池单元回路沿放电方向、电池的负极与第五十一二极管D51的负极两端正向并联有放电分流二极管D301。
第一至第五十一二极管、充电通道二极管D201和放电分流二极管D301选用1N5404，第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7选用6A07，恒流源的充电电压为DC120V，放电电压为DC72V。
充电时，第一切换触点开关的上触点A1和中间触点A2点闭合，第二切换触点开关的中间触点A4和下触点A5点闭合，电流经恒流源、第一切换触点开关、电池单元回路、第二切换触点开关、第六二极管D6、保险管F1回到恒流源。充电电流Ic由B到A流过每个电池单元回路，电池单元回路中第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五十一二极管D51反向截止，放电分流二极管D301也处于反向截止，电流通过充电通道二极管D201流过，给电池充电，每个电池充电电流均为Ic，电池单元回路端电压为VBAT+VD201。
放电时，第二切换触点开关的上触点A6和中间触点A4点闭合，第一切换触点开关的中间触点A2和下触点A3点闭合，电流经恒流源、第五二极管D5、第二切换触点开关、电池单元回路、第一切换触点开关、第七二极管D7、保险管F1回到恒流源。放电电流Id由A到B流过每个电池单元回路，充电通道二极管D201反向截止，电流只能从电池与第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五十一二极管D51构成的串联通路或放电分流二极管D301流过，当Vn-VBAT＜VD301时，放电分流二极管D301不能导通，电流将从电池中流过使电池放电，当Vn-VBAT＞VD301时，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五十一二极管D51不能导通，电流将从放电分流二极管D301流过使电池不再继续放电，因此只要放电时间足够，就可以将电池的闭路电压VBAT有效地钳制在Vn-VBAT附近。
因此，我们可以选择合适的二极管组合，使Vn-VBAT接近需要的放电终止电压，就可以达到电池放电自动截止的作用。
实施例一：镍氢、镍镉电池的自动截止充放电设备。
如图5所示，由120V的充电恒流电源、72V的放电恒流电源和50个电池单元回路及切换开关等构成。如图6所示，在每个电池单元回路中，与电池的正极连接有沿电池放电方向正向串联的第一二级管D1、第二二极管D2，电池、第一二级管D1和第二二极管D2串联电路两端正向并联有放电分流二极管D301及与第一二极管D1、第二二极管D2两端反向并联有充电通道二极管D201。第一二极管D1、第二二极管D2、放电分流二极管D301和充电通道二极管D201全部采用1N5404硅整流二极管，正向导通电压从手册中查得为0.7V，实测正向压降在1000mA时为0.72V。
充电时电流Ic从B流入，经充电通道二极管D201、电池后从A流出，第一二极管D1、第二二极管D2和放电分流二极管D301处于反向截止，所有电流用于电池充电。
放电时，电流Id由A流入，充电通道二极管D201处于反向截止。
开始放电时，
Vn＝VD1+VD2＝0.72V+0.72V＝1.44V
VAB＝Vn-VBAT＝1.44-VBAT
由于镍镉、镍氢电池的放电电压正常在1.0-1.4V之间，因此VAB正常为0.04-0.44之间，小于1N5404硅整流二极管正向导通电压，放电分流二极管D301处于截止状态，电池持续放电。
放电一段时间后，随着电池所储电能下降，VAB＝Vn-VBAT逐渐增大，当电池电压下降到放电截止电压范围如0.7V时，VEB＝Vn-VBAT＝1.44-0.70＝0.74V，大于放电分流二极管D301的正向导通电压，放电分流二极管D301导通。由于电池内阻加上第一二极管D1和第二二极管D2正向电阻比放电分流二极管D301正向电阻大，大部分电流从放电分流二极管D301分流，当电池电压比0.7V更低时，几乎所有电流都从放电分流二极管D301分流，相当于电池被断开，起到了自动停止放电的作用。实际测试，用1000mA的电流对1000mAh电池进行放电，如果用图2所示现有技术的手动单元回路，90min后不切换回路，电池两端电压就会达到-1.8V以上，并产生排气和漏液现象；而采用本发明的电池单元回路，即使24hr不切断电源，电池两端的电压也被稳定的钳制在0.5至0.6V左右，确保电池不出现反极放电。
实施例二：铅酸电池的自动截止充放电设备。
如图7所示，由120V的充电恒流电源、72V的放电恒流电源和30个电池单元回路及切换开关等构成。如图8所示，每个电池单元回路中，在电池正极沿放电方向正向串联有第一二级管D1、第二二极管D2和第三二极管D3，电池、第一二级管D1、第二二极管D2和第三二极管D3串联电路两端正向并联有放电分流二极管D301，与第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3两端反向并联有充电通道二极管D201。第一二级管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、充电通道二极管D201和放电分流二极管D301全部采用1N5404硅整流二极管，正向导通电压从手册中查得为0.7V，实测正向压降在1000mA时为0.72V。
充电时电流Ic从B流入，经充电通道二极管D201、电池后从A流出，第一二级管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和放电分流二极管D301处于反向截止，所有电流用于电池充电。
放电时，电流Id由A流入，充电通道二极管D201处于反向截止。
开始放电时，
Vn＝3×VD3＝3×0.72V＝2.16V
VAB＝Vn-VBAT＝2.16-VBAT
由于铅酸电池的放电电压正常在1.7-2.2V之间，因此VAB正常为-0.04-0.46之间，小于1N5404硅整流二极管正向导通电压，放电分流二极管D301处于截止状态，电池持续放电。
放电一段时间后，随着电池所储电能下降，VAB＝Vn-VBAT逐渐增大，当电池电压下降到放电截止电压范围如1.4V时，VAB＝Vn-VBAT＝2.16-1.40＝0.76V，大于放电分流二极管D301的正向导通电压，放电分流二极管D301导通。由于电池内阻加上第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3正向电阻比放电分流二极管D301正向电阻大，大部分电流从放电分流二极管D301分流，当电池电压比1.4V更低时，几乎所有电流都从放电分流二极管D301分流，相当于电池被断开，起到了自动停止放电的作用。实际测试，用1000mA的电流对1000mAh电池进行放电，如果用图2所示现有技术的手动单元回路，90min后不切换回路，电池两端电压就会达到-3.5V以上，并产生排气和漏液现象；而采用本发明电池单元回路，即使24hr不切断电源，电池两端的电压也被稳定的钳制在1.3至1.4V左右，确保电池不出现反极放电。
本发明的实施例为在镍镉、镍氢电池和铅酸电池的充放电设备的应用，但不仅限于此。如果选择合适的二极管组合，也可以在锂离子电池、锌镍电池、可充碱锰等其他二次电池的充放电设备上得到应用。
本发明与现有技术的人工切换相比，在成本增加很少的前提下具有更高的可靠性，节约了人工检测和切换所需的人力成本；与采用计算机扫描切换的现有技术相比稳定性得到提高且明显降低了使用及维护成本。

Claims (9)

1.一种二次电池充放电自动截止设备，由充电电源、第一切换触点开关、电池单元回路、第二切换触点开关和第六二极管顺序连接组成充电回路，由放电电源、第五二极管、第二切换触点开关、电池单元回路、第一切换触点开关和第七二极管顺序连接组成放电回路，其特征在于：所述电池单元回路中，沿电池放电方向正向串接有二极管，电池与正向串接二极管两端正向并联有放电分流二极管。
2.根据权利要求1所述的二次电池充放电自动截止设备，其特征在于：所述沿电池放电方向正向串接的二极管两端反向并联有充电通道二极管。
3.根据权利要求2所述的二次电池充放电自动截止设备，其特征在于：所述沿电池放电方向正向串接的二极管连接在电池的正极。
4.根据权利要求3所述的二次电池充放电自动截止设备，其特征在于：所述沿电池放电方向正向串接的二极管是一至五支，充电通道二极管是一支，放电分流二极管是一支。
5.根据权利要求4所述的二次电池充放电自动截止设备，其特征在于：所述电池单元回路中的电池是镍氢电池或镍镉电池，沿电池放电方向正向串接的二极管是二支。
6.根据权利要求5所述的二次电池充放电自动截止设备，其特征在于：所述沿电池放电方向正向串接的二支二极管、充电通道二极管和放电分流二极管选用1N5404。
7.根据权利要求4所述的二次电池充放电自动截止设备，其特征在于：所述电池单元回路中的电池是铅酸电池，沿电池放电方向正向串接的二极管是三支。
8.根据权利要求7所述的二次电池充放电自动截止设备，其特征在于：所述沿电池放电方向正向串接的三支二极管、充电通道二极管和放电通道二极管选用1N5404。
9.根据权利要求1至8中任一所述的二次电池充放电自动截止设备，其特征在于：所述电池单元回路由五十个串联而成，充电电源是恒流源，充电电压为DC120V，放电电源是恒流源，放电电压为DC72V。
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