CN1747278A - 一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明采用在串联电池组内的各个电池之间设置转换开关的方法，在充电过程中，对电池组中的每个电池进行切换控制，解决了串联电池组中各个电池的初始状态的差异、充电/放电特性的差异对串联的电池组充电/放电效能的影响，使串联电池组中的各个电池的荷电能力得到充分发挥，提高了动力电池的使用效率，有效避免串联电池组中的每个电池过充、过放和过热的情况发生，延长电池的使用寿命。充电和放电过程中对电池组的电流实时监测，对外部短路、过流等意外情况实施硬件保护，避免电池的意外损坏。采用电功计量的方法，对串联电池组充电和放电过程中的电量进行计量，并实时显示电池组电量及充电/放电进程。

Description

一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路
所属技术领域
本发明涉及一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，特别涉及对动力电池的充电和放电进行控制，属于电器控制类。
背景技术
动力电池是电动工具、电动汽车、电动自行车、应急照明等用电负载的电源。动力电池是由多个单体电池串联而成的电池组，电压越高所需串联的单体电池数量越多。由于生产过程的控制精度原因，每个单体电池的各种电化学参数存在差异，各单体电池的容量、充放电特性、初始状态难以做到完全一致。将多个单体电池串联成电池组制成动力电池后，各个单体电池的特性和状态的差异就保留在电池组中。电池组在充电和放电过程中，电池组中各个单体电池所通过的电流相同，由于各个电池的特性和初始状态等差异的存在，各个电池的荷电能力不能得到充分发挥，从而降低了电池组或动力电池的充电和放电效能，更严重的情况是，当组成电池组的各个电池的初始状态和充电/放电特性差异较大时，会导致充电时部分电池“过充”，放电时部分电池“过放”。“过充”和“过放”都会造成电池不可逆转的损坏，损坏的电池在继续的充电和放电过程中会大量发热，严重影响动力电池的整体放电效率和总体使用寿命，还给充放电过程带来安全隐患。
专利ZL00137155.X公开了一种对串联电池组充电和放电进行控制电路方案，该方案将组成电池组的各个电池串联后，在充电和放电过程实时检测各电池的电压、温度和电池组的电流，采取降低充电功率或放电功率的办法对电池组中的各个电池进行保护，这种方法可以有效地避免电池“过充”、“过放”、“过热”，却不能补偿组成串联电池组的各个电池的初始状态的差异和充电/放电特性的差异，各个电池的荷电能力仍然不能得到充分发挥，还是降低了电池组或动力电池的充电和放电效能。
已知的另一种是采用均衡电路进行串联充电控制方案，即在串联后的电池组的每个电池两端并联一个钳位电路，当某个电池达到规定电压时，钳位电路工作，通过分流的方法使该电池的电压不再升高，从而达到保护电池的目的。钳位电路吸收了该电池正常充电时所谓富余的能量，这部分能量通过钳位电路的发热耗散掉，对于一节充电到4.2V的锂电池，当充电电流为5安培时，钳位电路发热的耗散功率可达21瓦。多个电池的钳位电路同时工作时，钳位电路的总发热功率成倍增加，对于大容量的动力电池，需要使用更大的充电电流，钳位电路发热的耗散功率将更高，大量发热造成控制设备庞大，充电过程的能源利用效率低，还影响设备安全。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，能使串联在电池组中的各个电池的荷电能力得到充分发挥，提高动力电池的使用效率，有效避免串联电池组中每个电池过充、过放和过热的情况发生，延长电池的使用寿命。充电和放电过程中对电池组的电流实时监测，对外部短路、过流等意外情况实施硬件保护，保证使用安全的同时避免电池的意外损坏。
发明解决其技术问题所采用的技术方案
参见图1，图2，图3，针对串联电池组中各个电池的初始状态的差异和充电/放电特性的差异，传统的充电方式对串联的电池组进行充电和放电控制，各个电池的荷电能力不能得到充分发挥，降低了电池组或动力电池的充电和放电效能的技术问题，本发明采用在串联的电池组中相邻的电池1之间设置转换开关2的技术方案，充电和放电过程均由微控制器10控制，充电过程采用由高到低的多级恒流充电。微控制器10向充电控制电路11发出充电电流级别控制编码，经控制译码电路22译码后，送到电流控制电路20，电流控制电路20将控制编码转换为电流控制信号，送到恒流控制电路18，恒流控制电路18调整充电回路的电流达到对应充电级别的规定电流值。在每级充电过程中，电压检测电路3实时检测串联电池组中的各个电池的端电压，A/D转换电路4将电压信号转换为数字信号送给微控制器10，当检测到某个电池的端电压达到该充电级别的规定电压时，微控制器10向电池切换控制电路12发出控制信号，电池切换控制电路12驱动对应的转换开关2，停止该电池充电，同时计算正在充电的电池的电压和，并以此为依据向充电控制电路11发送改变AC/DC转换器19输出电压的信号，经控制译码电路22和电压控制电路21对AC/DC转换器19的输出电压进行调整。
当串联的所有电池的端电压都达到规定电压时，微控制器10向充电控制器11发出下一充电级别的信号，经控制译码电路22译码后，送到电流控制电路20，恒流控制电路18将充电回路的电流调整到下一个充电级别所规定的电流，同时微控制器10向电池切换电路12送出控制信号，释放所有的转换开关，所有电池进入下一级别的充电状态。
当最后一个级别的充电完成后，电池组充电结束。
在充电或放电过程中，电流传感器14实时检测充电或放电电流，保护电路15将测得的电流与规定电流相比较，在发生过流或短路时，保护电路15向充/放电开关电路16发出控制信号，切断充电/放电回路，对电池予以保护。
在充电过程中，电量计量电路13将充电或放电电流对时间积分，得到安时数(AH)送给微控制器10。充电过程中微控制器10以固定的时间间隔读取安时数，计算增量并与当前正在充电的电池的端电压和相乘，得到电功增量(WH)，微控制器10将电功增量累计，得到当前电池组的电功量，送给液晶显示器6显示出来。
放电过程中，微控制器10以固定的时间间隔读取安时数，计算减量并与当前正在放电的电池的端电压和相乘，得到电功减量(WH)，微控制器10在电池组当前电功量数值的基础上减去电功减量并重新计算当前的电功量，送给液晶显示器6显示出来。
微控制器10将电池组的电功量信息保存到电量计量电路13的非易失存储器中，电池组的电功量信息不会因掉电而丢失。
温度传感器5贴附在各个电池上，直接测量各电池的温度，并将各电池的温度信号送微控制器10，当出现某个电池过热时，微控制器10向充/放电开关电路16发出控制信号，关断充/放电回路，实现对电池的过热保护，同时液晶显示器6显示过热保护信息。
DC/DC变换电路8从电池组获取电源，变换成低电压，为微控制器10及各功能电路供电。控制开关9控制DC/DC变换电路8的开闭。
充电时，将充电器连接器17(17a，17b，17c)和动力电池连接器7(7a，7b，7c)连接。
放电时，将放电负载连接器23(23a，23c)和动力电池连接器7(7a，7c)连接。
本发明的有益效果
本发明提供了一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，在充电过程中，对电池组中的每个电池进行切换控制，有效解决了串联电池组中各个电池的初始状态的差异、充电/放电特性的差异对串联的电池组充电/放电效能的影响，使串联电池组中的各个电池的荷电能力得到充分发挥，提高了动力电池的使用效率，有效避免串联电池组中的每个电池过充、过放和过热的情况发生，延长电池的使用寿命。充电和放电过程中对电池组的电流实时监测，对外部短路、过流等意外情况实施硬件保护，保证使用安全的同时避免电池的意外损坏。
附图说明
图1是多节电池串联的动力电池内部的功能电路连接图。
图2是充电器功能电路连接图。
图3是放电负载连接图。
图4是4节电池串联的动力电池内部的功能电路连接图。
图5是微控制器程序流程图
图中，1、电池，2、转换开关，3、电压检测电路，4、A/D转换电路，5、温度传感器，6、液晶显示电路，7、动力电池连接器，8、DC/DC变换电路，9、控制开关，10，微控制器，11、充电控制电路，12、电池切换控制电路，13、电量计量电路，14、电流传感器，15、保护电路，16、充放电开关电路，17、充电器连接器，18、恒流控制电路，19、AC/DC转换电路，20、电流控制电路，21、电压控制电路，22、控制译码电路，23、放电负载连接器，24、用电负载，25、串联电池组
具体实施方式
参见图3和图4，本实施例针对4节电池串联构成的动力电池的应用。
微控制器10采用AT89S52单片机，转换开关2采用JQX-15F电磁继电器，电压检测电路3采用MAX472高共模电压差分放大器，A/D转换电路4采用AD78888通道模数转换集成电路，电池1使用3.6V4AH锂电池4节，电池切换控制电路12采用74hc373集成电路，温度传感器5采用LM75数字温度传感器，液晶显示器6采用标准字符液晶模块，DC/DC变换器8采用MC33163升压降压集成电路，充电控制电路11采用74hc373集成电路，电量计量电路13采用具有电流时间积分和电流数字输出的DS2751AE集成电路，电流传感器14采用10毫欧的取样电阻，保护电路15采用LM358运算放大器，充/放电开关电路16采用MTB30P06场效应管，恒流控制电路18采用MTB30P06场效应管，电流控制电路20采用1欧，0.5欧，0.2欧，0.1欧的取样电阻，及2N8550构成4级电流，电压控制电路21采用1片74HC154集成电路，控制译码电路22采用2片74HC154，按图4连接。
按图5编制微控制器10程序。
将充电器连接器17(17a，17b，17c)与动力电池连接器7(7a，7b，7c)连接，将AD/DC转换器19与AC220V电源连接，开控制开关9，对电池组进行充电。
将充电器连接器17(17a，17c)与放电负载连接器23(23a，23c)连接，开控制开关9，对电池组进行放电。

Claims (6)

1、一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，包括电池1，转换开关2，微控制器10，充电控制电路11，电池切换控制电路12，电量计量电路13，恒流控制电路18，AC/DC电路19，电流控制电路20，电压控制电路21，控制译码电路22，串联电池组25，其特征在于：在串联的电池之间设置有转换开关。
2、如权利要求1所述的一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，其特征在于：所说的转换开关2是可以改变电流流通途径的电器元件，是普通继电器或可以执行开闭控制功能的集成电路。
3、如权利要求1、2所述的一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，其特征在于：所说的微控制器10在充电过程中实时检测各个电池的端电压，计算正在充电的电池的电压和，并以此为依据向充电控制电路11发送改变AC/DC转换器19输出电压的信号，经控制译码电路22和电压控制电路21对AC/DC转换器19的输出电压实时控制。
4、如权利要求1所述的一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，其特征在于：所说的电池计量电路13是可以对充电和放电电流进行时间积分的集成电路。
5、如权利要求1所述的一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，其特征在于：所说的电流控制电路20、电压控制电路21分别与充电控制电路11连接，电流控制电路20可以控制和调整恒流控制电路18的输出电流。
6、如权利要求1所述的一种对串联电池组充电和放电进行控制的电路，其特征在于：所说的电池组25由多个电池1和多个转换开关2串联而成。
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