CN1889324B - 电池组二次平衡充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电池组二次平衡充电装置及其充电方法。所述装置包括两两相连的充电控制模块、充电电源和电池充电电路，电池充电电路包括与电池组中的n个电池一一对应的n个电池单元，每个电池单元包括连接于充电电源与电池正极之间的第一开关支路和连接于电池负极与地之间的第二开关支路；第一、第二开关支路包括串联连接的二极管和控制开关；当每个电池单元中第一、第二开关支路的控制开关闭合时，所述支路中的二极管正向导通，形成对该电池单元中的电池的充电回路；由于电池是直接串联，避免了接入开关所引起的开关电阻，使电池组在大电流应用时，效率更高，减少了开关电阻的损耗，提高了大电流工作时的工作效率。本发明的电路简单，实用性强。

Description

电池组二次平衡充电装置及方法

技术领域

本发明涉及电能存储系统及其充电方法，尤其涉及一种电池组二次平衡充电装置及方法。

背景技术

电池组充电分非平衡充电和平衡充电，所谓非平衡充电方法：是指充电装置及方法在充电过程中，充电电流都施加给整个电池组，在充电过程当中，充电装置通过监测整个电池组的电压、温度信号或者监测电池组中每个电池单元的电压、温度信号，并依据监测的信号判断电池的充电状况，如果其中的电压、温度信号达到设定值，充电停止。对于采用非平衡充电方法的充电装置，由于充电电流只是施加给整个电池组，不能施加到电池组中的单个电池单元，因此不能根据电池组中所有单个电池单元的状况对每个电池单元进行充电。这样充电的结果是：电池组中每个电池单元在单位时间里所接受的电流是相同的，即电流与充电时间的乘积安培时(AH)相等。然后，由于在制造每个电池单元时的材料、工艺及设备的状况等非绝对一致性，从而导致每个电池单元的性能差异和容量(AH)的差异，也就是说每个电池单元的实际容量(AH)与其标称容量是不相等的，或多或少存在差异，因此，非平衡充电方法不能使电池组的每个电池单元真正都达到100％的容量，这样有些电池单元出现过充，而一些电池单元会出现欠充。如此情形在每个充电循环中都会发生，并且会随着充电循环次数的增加而使得这种容量不匹配的情况加剧，最终影响到电池的使用寿命。

平衡充电就是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，考虑到因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要对每个电池单元的电压、温度信号进行监测，并依据监测的信号判断电池的充电状况，根据状况对每个电池单元进行充电，使电池组的每个电池单元真正都达到100％的容量。

已有的平衡充电方法需要用复杂的电路监控每个电池单元的电压并都需要通过放电的方式来达到各电池单元的电压平衡。这种充电方法和装置中，存在的不足之一是：其电池组中的每个电池单元之间并不是真正的直接连接，而是在每个电池单元的正负极之间加入了一个切换开关，开关会形成一个电阻，降低了大电流工作时的效率，从而限制了电池组在需要大电流动力电池方面的应用，或者只是提供监测每个电池单元电压的方法而未有提供“在充电过程中真正实现每个电池单元电压的平衡并达到100％的充满电的要求”的方法。不足之二是：对于由超过五个电池单元组成的电池组，其平衡充电装置将会变得很复杂，实用性不强。不足之三是：由于在电池组中加入电压监测及平衡控制电路，从而使得电池组在静置状态下的漏电流加大，当漏电流超过200uA时，就会影响电池组的使用性能，尤其是在电动工具方面。而现有的技术并没有提供一个可行的减少漏电流方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种简单实用、电池单元能够直接连接的电池组二次平衡充电装置及方法，实现在每次充电时都能充电到每个电池单元的实际容量，既不过充电，也不欠充电。

本发明的次一目的是提供一种减少静置状态时的漏电流平衡充电装置。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决：

一种电池组二次平衡充电装置，应用在由n个依次串联连接的电池组成的电池组，所述电池组包括位于电池组负极端的第一个电池和位于另一端的第n个电池，n≥2；该电池组二次平衡充电装置包括两两相连的充电控制模块、充电电源和电池充电电路，其特征是：所述充电控制模块采用单片微处理器，所述电池充电电路包括与电池组中的n个电池一一对应的n个电池电路单元，每个电池电路单元包括连接于所述充电电源与电池正极之间的第一开关支路和连接于电池负极与地之间的第二开关支路；所述电池充电电路还包括电压采样支路，所述电压采样支路分别连接于第二个电池至第n个电池的正极和地之间、并包括依次串联连接的第一分压电阻、第二分压电阻和控制开关；所述第一开关支路和第二开关支路均分别包括串联连接的二极管和控制开关；当每个电池电路单元中的第一开关支路和第二开关支路中的控制开关闭合时，所述支路中的二极管正向导通，形成与该电池电路单元对应的电池的充电回路；所述电池充电电路还包括直接测量第一个电池的正极电压的电压采样点和间接测量第二个电池至第n个电池的正极电压的电压采样点，所述间接测量第二个电池至第n个电池的正极电压的电压采样点分别连接所述第一分压电阻与第二分压电阻的接点；每个电池电路单元的所述第一和第二开关支路中的控制开关的控制端和n个所述电压采样点分别与所述微处理器相连。。

该装置还包括如下优选特征：

所述充电电源为恒流恒压源；所述的微处理器的电压采样管脚一一对应连接电池充电电路的电压采样点，控制开关管脚分别控制电池充电电路的控制开关的开合；电源输入管脚连接恒流恒压电源的电源输出管脚；电压控制管脚连接恒流恒压电源的电压控制管脚；电流控制管脚连接恒流恒压电源的电流控制管脚；充电控制管脚连接恒流恒压电源的充电控制管脚

本发明还包括一种电池组二次平衡充电方法，包括如下步骤：

第1步：检测电池组所有电池的电压；

第2步：判断电池组中是否存在电压低于设定的低压限值的电池；

第3步：当任一电池的电压低于设定的低压限值时，充电控制模块向充电电源发出控制信号，控制充电电源的输出电流保持在设定的小电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压，对电池组进行预充电；当任一电池的电压都高于设定的低压限值时，进行第4步；

第4步：当电池组的所有电池的电压都高于设定的低压限值时，充电控制模块向充电电源发出控制信号，控制充电电源的输出电流保持在设定的正常电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压；同时充电控制模块向电池充电电路发出控制信号，对电池组进行快速充电；

第5步：当电池组的任一电池的电压达到设定的满充电压限值时，单片微处理器向充电电源发出控制信号，从而控制充电电源的输出电流保持在设定的补充电流值的恒流状态，输出电压下降到单个电池的最高电压值，对每个电池进行补充充电；

其特征是：所述补充充电包括如下步骤：

第5.1步：控制开关的开合，使仅组成第一个电池的充电回路，对第一个电池进行补充充电；

第5.2步：当第一个电池的电压达到设定的满充电压限值时，则断开其充电回路，重新形成仅对第二个电池进行充电的充电回路，从而实现对第二个电池的补充充电；

第5.3步：如此循环直至电池组所有的电池全部充电到设定的满充电压限值。

本发明的有益效果是：由于电池单元是直接串联，避免了接入开关所引起的开关电阻，使电池组在大电流应用的情况下，效率更高，减少了开关电阻的损耗，提高了大电流工作时的工作效率。本发明的电路简单，可应用于例如4-10个电池单元串联的电池组，实用性强。

本发明通过在电压采样支路上设置断开开关和设定单片微处理器的工/O端口都处于高阻状态，减少了漏电流，提高了电池组的性能。

附图说明

图1是本发明电池组二次平衡充电装置及方法示意图。

图2是本发明实施例具体电路原理示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本例中电池组二次平衡充电装置及方法包括充电控制模块1、充电电源3和电池充电电路5，充电控制模块1与充电电源3电连接，充电电源3与电池充电电路5电连接，电池充电电路5包括采样电路和控制开关，充电控制模块1连接至电池充电电路中的采样电路和控制开关，电池组常置于电池充电电路中。

本发明的平衡充电装置及方法可以物理上分成两个部分，这两部分可以通过接口的插拨实现结合或分离。

其中，充电控制模块1和电池充电电路5就构成本发明的第一部分电路——平衡充电的控制电路。该电路包括对整个电池组充电和对每个电池单元单独进行补充充电的开关切换电路、每个电池单元的电压取样和防止电压取样回路漏电的开关电路、对每个电池单元的电压信号及温度信号进行监测处理的单片微处理器MCU三部分组成。

充电电源3是本发明的第二部分电路，它主要是一个具有恒压恒流功能的电源供应器，该电源供应器向上述的第一部分电路“平衡充电控制电路”提供一个受控的恒流恒压源和第一部分电路本身工作所需的电源，该恒流恒压源连接到图2的VCC。第一部分电路的单片微处理器MCU通过输出接口对第二部分电路“电源供应器”输出的电压电流进行编程控制。

如图2所示，电池组由两个以上电池BAT₁、BAT₂、......BAT_n串联，其中n为大于2的自然数(常用的电池组有4-10个电池单元)。相邻两个电池BAT_n、BAT_n-1之间的接点通过一个正向二极管D_n*2和与其串联的开关SW_n*2接地，并且通过一个反向二极管D_n*2-3和与其串联的开关SW_n*2-3接充电电压V₊(所谓“反向二极管D_n*2-1”是指从该接点到充电电压方向看去而言，如果从充电电压向该接点看去，则是正向二极管)；相邻电池BAT_n、BAT_n-1之间的接点还通过采样电阻R_(n-2)*2+1和R_(n-2)*2+2和与其串联的开关SW₀接地，在两个采样电阻R_(n-2)*2+1和R_(n-2)*2+2之间中间接点处连接电压采样点V_n，但在前两个电池BAT₁、BAT₂之间可以只有采样点V₁没有采样电阻。第一个电池的负极通过反向二极管D2和开关SW2按地，最后一个电池的正极通过反向二极管D_n*2-1和开关SW_n*2-1接充电电压。

电阻分压网络R1与R2组成电压取样回路，得到电压V2。电阻分压网络R3与R4组成电压取样回路，得到电压V3。以此类推，电阻分压网络Rn*2-3(n≥2)与Rn*2-2(n≥2)组成电压取样回路，得到电压Vn。开关SW0防止电池组在静置时电池单元经由电阻分压网络而漏电。SW1与SW2导通，其余开关断开，组成第一个电池单元的充电开关回路；SW3与SW4导通，其余开关断开，组成第二个电池单元的充电开关回路；SW5与SW6导通，其余开关断开，组成第三个电池单元的充电开关回路；依此类推，SWn*2与SWn*2-1导通，其余开关断开，组成第n个电池单元的充电开关回路。并且原则上任意一个奇数开关与小于它的任意一个偶数开关导通，其余开关断开，都可以组成充电开关回路。如SWn*2-1与SW2导通，其余开关断开，组成整个电池组的充电开关回路。在各开关回路中分别串联隔离二极管防止电池的反向漏电。各开关回路分别通过连接线连接到各电池单元之间相连的接点。

充电控制模块1与电池充电电路5的电连接是通过充电控制模块的Vn管脚连接电池充电电路的电压采样点Vn，充电控制模块的管脚SW_n*2和SW_n*2-1分别控制电池充电电路开关SW_n*2和SW_n*2-1的闭合；充电控制模块的管脚V_cc连接恒流恒压电源的V_cc管脚；充电控制模块的管脚V连接恒流恒压电源的管脚V；充电控制模块的管脚I₁连接恒流恒压电源的管脚I₁；充电控制模块的管脚I₂连接恒流恒压电源的管脚I₂；充电控制模块的管脚C连接恒流恒压电源的管脚C。恒流恒压电源与电池充电电路的电连接是通过恒流恒压电源的管脚V₊连接电池充电电路的V₊管脚，管脚GND接地。

其工作原理如下：

一、电池组的静置状态：电池组处于静置状态时，因第一部分电路与第二部分电路是分离的，第二部分电路不能提供给第一部分电路的工作电源，因此整个第一部分电路不工作，单片微处理器的I/O端口都处于高阻状态，所有的开关SW0、SW1、SW3---SWn*2处于断开状态，从而切断了所有的漏电回路，使漏电流减到最小。

二、电池组的预充电状态：第一部分电路与第二部分电路接通，第二部分电路向第一部分电路供电，单片微处理器上电复位，使SW₀闭合，断开开关SW₁、SW₂、SW₃---SW_n*2。各电池单元的电阻分压网络取得的电池电压信号送到单片微处理器MCU的模数转换(A/D)的I/O端口V₁---V_n，单片微处理器MCU对各电池单元的电压信号进行处理。注意：各个电池的采样是分时顺序进行的，以避免多个SW₀导通形成复杂多端网络影响采样结果。电阻用来降压，以符合单片微处理器MCU的对电压最高值的要求。通过V_n与V_n-1的值计算出BAT_n的电压。当任一电池单元的电压低于设定的低压限值时，单片微处理器向充电电源发出控制信号：即充电控制信号C、充电电压控制信号V、充电电流控制信号I₁/I₂。从而控制“电源供应器”的输出电流保持在设定的小电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压。同时单片微处理器向电池充电电路的开关发出控制信号，使SW₀、SW₂、SW_n*2-1闭合，其余开关断开，则恒定的小电流经由D_n*2-1、SW_n*2-1、电池组、D₂、SW₂组成的回路对电池组充电，从而实现对电池组的预充电。

三、电池组的快速充电状态：当电池组的所有电池单元的电压都高于设定的低压限值时(镍氢电池是0.8V；锂离子电池是2.5V)，单片微处理器向充电电源3发出控制信号：即充电控制信号C、充电电压控制信号V、充电电流控制信号I₁/I₂。从而控制充电电源的输出电流保持在设定的正常电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压；同时单片微处理器向电池充电电路发出控制信号，使SW₀、SW₂、SW_n*2-1导通，其余开关断开，则恒定的大电流经由D_n*2-1、SW_n*2-1、电池组、D₂、SW₂组成的回路对电池组充电，从而实现对电池组的快速充电。

四、电池组的补充充电状态：当电池组的任一电池单元的电压达到设定的满充电压限值时，单片微处理器向充电电源3发出控制信号：即充电控制信号C、充电电压控制信号V、充电电流控制信号I₁/I₂。从而控制充电电源的输出电流保持在设定的补充电流值的恒流状态，输出电压下降到单个电池单元的最高电压值。同时单片微处理器向电池充电电路的开关发出控制信号，首先使SW₀、SW₁、SW₂闭合，其余开关断开，则恒定的补充电流经由D₁、SW₁、BAT₁、D₂、SW₂组成的回路对电池单元BAT₁充电。从而实现对BAT₁单元的补充充电。当BAT₁单元的电压达到设定的满充电压限值时，则断开SW₁和SW₂，同时闭合SW₃和SW₄，从而实现对BAT₂单元的补充充电。当BAT₂单元的电压达到设定的满充电压限值时，则断开SW₃和SW₄，同时闭合SW₅和SW₆，从而实现对BAT₃单元的补充充电。如此循环，直至电池组所有的电池单元全部充电到设定的满充电压值。最终实现平衡充电的目的。

Claims (3)

1.一种电池组二次平衡充电装置，应用在由n个依次串联连接的电池组成的电池组，所述电池组包括位于电池组负极端的第一个电池(BAT1)和位于另一端的第n个电池(BATn)，n≥2；该电池组二次平衡充电装置包括两两相连的充电控制模块、充电电源和电池充电电路，其特征是：所述充电控制模块采用单片微处理器，所述电池充电电路包括与电池组中的n个电池一一对应的n个电池电路单元，每个电池电路单元包括连接于所述充电电源与电池正极之间的第一开关支路和连接于电池负极与地之间的第二开关支路；所述电池充电电路还包括电压采样支路，所述电压采样支路分别连接于第二个电池(BAT2)至第n个电池(BATn)的正极和地之间、并包括依次串联连接的第一分压电阻、第二分压电阻和控制开关；所述第一开关支路和第二开关支路均分别包括串联连接的二极管和控制开关；当每个电池电路单元中的第一开关支路和第二开关支路中的控制开关闭合时，所述支路中的二极管正向导通，形成与该电池电路单元对应的电池的充电回路；所述电池充电电路还包括直接测量第一个电池(BAT1)的正极电压的电压采样点(V1)和间接测量第二个电池(BAT2)至第n个电池(BATn)的正极电压的电压采样点(V2、...、Vn)，所述间接测量第二个电池(BAT2)至第n个电池(BATn)的正极电压的电压采样点(V2、...、Vn)分别连接所述第一分压电阻与第二分压电阻的接点；每个电池电路单元的所述第一和第二开关支路中的控制开关的控制端和n个所述电压采样点(V1、V2、...、Vn)分别与所述微处理器相连。

2.如权利要求1所述的一种电池组二次平衡充电装置，其特征是：所述充电电源为恒流恒压源；所述的微处理器的电压采样管脚一一对应连接电池充电电路的电压采样点(V1、V2、...、V_n)，控制开关管脚分别控制电池充电电路的控制开关的开合；电源输入管脚连接恒流恒压电源的电源输出管脚(V_cc)；电压控制管脚(V)连接恒流恒压电源的电压控制管脚(V)；电流控制管脚连接恒流恒压电源的电流控制管脚(I₁、I₂)；充电控制管脚连接恒流恒压电源的充电控制管脚(C)。

3.一种应用权利要求1-2中任一项所述的电池组二次平衡充电装置的电池组二次平衡充电方法，包括如下步骤：

第1步：检测电池组所有电池的电压；

第2步：判断电池组中是否存在电压低于设定的低压限值的电池；

第3步：当任一电池的电压低于设定的低压限值时，充电控制模块向充电电源发出控制信号，控制充电电源的输出电流保持在设定的小电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压，对电池组进行预充电；当任一电池的电压都高于设定的低压限值时，进行第4步；

第4步：当电池组的所有电池的电压都高于设定的低压限值时，充电控制模块向充电电源发出控制信号，控制充电电源的输出电流保持在设定的正常电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压；同时充电控制模块向电池充电电路发出控制信号，对电池组进行快速充电；

第5步：当电池组的任一电池的电压达到设定的满充电压限值时，单片微处理器向充电电源发出控制信号，从而控制充电电源的输出电流保持在设定的补充电流值的恒流状态，输出电压下降到单个电池的最高电压值，对每个电池进行补充充电；

其特征是：所述补充充电包括如下步骤：

第5.1步：控制开关的开合，使仅组成第一个电池的充电回路，对第一个电池进行补充充电；

第5.2步：当第一个电池的电压达到设定的满充电压限值时，则断开其充电回路，重新形成仅对第二个电池进行充电的充电回路，从而实现对第二个电池的补充充电；

第5.3步：如此循环直至电池组所有的电池全部充电到设定的满充电压限值。

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