CN201199637Y - 电池组管理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电池组管理电路，包括变压器和开关电源专用芯片，变压器具有与复数个相串联的单体电池分别相对应的、依次相串联的复数组初级线圈，且每组初级线圈匝数相同，各个单体电池与各组初级线圈之间分别通过电子开关相并联，且其中一个电子开关受控于开关电源专用芯片的输出，其余电子开关受控于变压器的同步线圈。工作时，只要电池组中有一只单体电池的电压高于平均电压，就对相对应的初级线圈放电，相反得到充电。在电路工作过程中，不管电池组的电压是被充电上升还是对外放电下降，每个单体电池都持续保持平均电压，电池组得到了均衡。与现有技术相比，本实用新型的电池组管理电路可使电池组降低能耗且均衡效果好。

Description

电池组管理电路

技术领域

本实用新型涉及一种串联电池组的管理电路，特别涉及电池组的均衡管理。

技术背景

串联电池组因为出现某单体落后或损坏导致整个电池组无法正常使用，新旧电池不能串联使用造成很大的浪费。

为了达到电池组的均衡，现有的技术上一般采用以下方法：

1、旁路放电法。在充电过程中，单只电池达到限制电压后，开启旁路放电，达到电池电压不再上升的目的。这个方法电路简单，但不能平衡电池组的放电过程；

2、电压比较法：使用单片机或比较器对电池组当中的单只电池的电压进行相互比较，对电压高的进行单独放电或对电压低的单只电池进行单独充电。这个方法实现起来比较复杂，放电浪费电池组能量，对电压低的电池单独充电的方法在电池组放电过程难以实现；

3、专利申请号200710025623.4公开的电池组的均衡方法和电路，它将整个电池组的能量经过逆变后，给电压低于平均电压的电池充电，在电池组实际使用过程中，这个方法和电路还存在3个不足：a、不断消耗整组电池的容量给落后的电池充电，当其中一只电池容量较大或电压较高时，这个电路将不停地工作，达到电压平衡的过程浪费大量的电池容量。b、这个电路采用整流二极管整流，当回路电流较大时，将消耗较大的功率并发热，因此这是一个损耗电池电量很大的电路。c、这个方法和电路没有反馈机制，当其中一只电池容量比较小时，在整个电池组的放电过程中与其相连的线圈负荷加大，电压下降，无法达到理想的均衡目的。

串联电池组在实际使用中还存在热失控的问题。当电池使用一段时间后，由于活性物质的变化，电池内阻增加，并且是不均匀的，在充电或放电过程中导致电池温度上升，电解质加速挥发，电化学腐蚀加剧，最后导致电池组的失控，甚至造成火灾或爆炸。在解决电池组热失控的方法中，大部分都使用定值的温度开关，当电池组温度超过设定的温度时，实施回路控制。这个方法不能随环境的温度变化而改变，比如在寒冷的天气环境下，电池内部已经发热到失控状态，但由于环境温度低，电池组散热快，无法达到温度开关动作的温度，但电池组依然因为过度充电而损坏。在高温环境中，电池组稍有正常温升可能导致温度开关的误动作。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可使电池组能耗较低、均衡效果好的电池组管理电路。

本实用新型的另一目的是提供一种能有效、准确地防止电池热失控的电池组管理电路。

本实用新型的技术方案是这样的：电池组管理电路，包括变压器和开关电源专用芯片，上述变压器具有与复数个相串联的单体电池分别相对应的、依次相串联的复数组初级线圈，且每组初级线圈匝数相同，各个单体电池与上述各组初级线圈之间分别通过电子开关相并联，且其中一个电子开关受控于上述开关电源专用芯片的输出，其余电子开关受控于上述变压器的同步线圈。

上述电子开关为场效应管。

上述变压器为平面变压器。

还包括采样反馈电路，上述采样反馈电路包括运算放大器、上述变压器的次级线圈、与上述各个单体电池分别相对应的复数个相串联的阻值相同的采样电阻，上述次级线圈的匝数与上述初级线圈的匝数相同，上述采样电阻中的一个的电压采样输出端和上述次级线圈的电压输出端分别连接至上述运算放大器的输入端，上述运算放大器输出端连接至上述开关电源专用芯片的反馈输入端。

还包括控制电池组充放电回路通断的温控电路，上述温控电路包括由感测环境温度的第一温敏元件、感测电池组内部温度的第二温敏元件和两个阻抗元件构成的平衡桥，此平衡桥的两个节点电压输出端分别连接一电压比较器的输入端，此电压比较器的输出端连接一控制电池组充放电回路通断的开关部件用以控制此开关部件的通断。

采用上述方案后，本实用新型的电池组管理电路，当受控于开关电源专用芯片的输出的电子开关导通时，电池组对串联的各个初级线圈充电，根据自耦变压器的原理，各个初级线圈上的感应电压均为电池组总电压除于单体电池个数的平均值，与此同时，受控于变压器的同步线圈的其余电子开关同步接通，各个初级线圈与各个单体电池分别一一对应并联。当某一初级线圈的电压大于与其并联的单体电池的电压时，此初级线圈对此单体电池充电；反之，当某一单体电池的电压大于与其并联的初级线圈的电压时，此单体电池对此初级线圈放电。其他单体电池的回路也一样。这是一个动态平衡过程，只要电池组中有一只单体电池的电压高于平均电压，就对相对应的初级线圈放电，相反得到充电。在电路工作过程中，不管电池组的电压是被充电上升还是对外放电下降，每个单体电池都持续保持平均电压，电池组得到了均衡。且本实用新型中，通过采样反馈电路将采样电阻上的分压与变压器次级线圈的电压之间的误差放大后反馈给开关电源专用芯片进行输出波形的占空比调节，提高初级线圈的电流负载能力，保持各个单体电池电压的平稳和平衡。当各个单体电池已经平衡或接近平衡时，为了降低待机功耗，开关电源专用芯片自动转化为PFM控制模式，进入微功耗状态。与现有技术相比，本实用新型的电池组管理电路可使电池组降低能耗且均衡效果好。

且本实用新型中，通过温控元件分别感测电池组内的温度与环境温度，通过两者的温差，判定电池温升，控制充放电回路或提示预警，能有效、准确地防止电池热失控。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的电池组管理电路，两只或两只以上的单体电池串联，都可以使用本实用新型的电路进行管理。为了方便说明，本实施例以3只12V12Ah的单体电池相串联的36V12Ah的电动自行车电池组为例进行说明。

如图1所示，本实用新型的电池组管理电路，包括一个变压器，变压器设有初级线圈N1、N2、N3和次级线圈N4、N5，初级线圈N1、N2、N3与次级线圈N4的匝数均为6T，初级线圈N1、N2、N3依次相串联，其中初级线圈N1通过开关管Q2与单体电池B1并联；初级线圈N2通过开关管Q3与单体电池B2并联；初级线圈N3通过开关管Q1与单体电池B3并联。开关管Q1由开关电源专用芯片IC1(PWM或PFM)的输出控制通断，开关电源专用芯片IC1输出为占空比可调的方波，震荡频率100KHz，由次级线圈N5为开关电源专用芯片IC1提供电源。开关管Q2、Q3通过变压器的同步线圈N6、N7触发，同步线圈N6、N7的匝数均为2T。当开关管Q1导通的时候，开关管Q2、Q3同步导通，关断也一样。开关管Q1、Q2、Q3均使用导通时压降极低的MOSFET开关管，当导通时，电流可以双向流动。

电路接通后，开关电源专用芯片IC1输出稳定的100KHz方波，推动开关管Q1导通，假设电池组电压为36V，根据自耦变压器的原理，初级线圈N1、N2、N3上的感应电压各为电池组总电压的1/3，即，初级线圈N1、N2、N3上各感生12V电压，经开关管Q2、Q3同步整流后，MOSFET开关管压降为0.01-0.03V忽略不计，单体电池B1、B2、B3上各得到12V的充电电压。假如此时单体电池B1的电压高于初级线圈N1电压，单体电池B1就对初级线圈N1充电，单体电池B1电压下降；假如单体电池B2电压低于12V，初级线圈N2对单体电池B2进行充电，单体电池B2电压上升。这是一个动态平衡过程，只要电池组中有一只单体电池的电压高于平均电压，就对相应的初级线圈放电，相反得到充电。在电路工作过程中，不管电池组的电压是被充电上升还是对外放电下降，各个单体电池都持续保持平均电压，电池组得到了均衡。当开关管Q1关闭时，以上工作状态停止，开关管Q1不断反复开和关的动作，电荷从高电压的电池持续流入低电压的电池达到平衡。

本实用新型的电路中各开关管导通压降很小，属于微功耗设计。变压器采用最新平面变压器，体积小，机械效率可达到95％以上。

为了提高变压器线圈的电流负载能力，保持各个电池单体电压的平稳和平衡，本实用新型还设有采样反馈电路。采样反馈电路包括运算放大器IC2、变压器的次级线圈N4和阻值相同且相串联的采样电阻R10、R11、R12，采样电阻R12的电压采样输出端和次级线圈N4的电压输出端分别连接至运算放大器IC2的输入端，运算放大器IC2输出端通过光耦LE连接至开关电源专用芯片IC1的反馈输入端。本实用新型用等阻值的电阻R10、R11、R12串联对整个电池组采样，当电池组总电压为36V时，采样电阻R12上的采样电压为12V，与次级线圈N4产生的电压进行比较，次级电压N4的电压与初级电压N1、N2、N3相同，当变压器线圈负载较大时，电阻R12上的分压小于次级线圈N4的电压，运算放大器IC2将此电压差放大后反馈给开关电源专用芯片IC1进行输出波形的占空比调节，提高线圈的电流负载能力，保持单只电池电压的平稳和平衡。当各个单体电池已经平衡或接近平衡时，为了降低待机功耗，开关电源专用芯片IC1自动转化为PFM控制模式，进入微功耗状态。

本实用新型中，为了使新旧电池可以串联使用，达到更大的平衡电流，还可将次级线圈N4的匝数调整为比初级线圈N1多1T，次级电压N4的电压经过二极管Vd4整流后再经过电容C3和电阻R9的阻容吸收，除去杂波后调整达到与电阻R12在空载时电压相同。假如电池组中单体电池B3严重落后，这时次级线圈N4对单体电池B3对初级线圈N3的充电电流加大，端电压下降，次级线圈N4电压跟着下降，运算放大器IC2把电压误差放大后，经过光耦LE反馈给开关电源专用芯片IC1，开关电源专用芯片IC1调整占空比，提高变压器输出电流，稳定初级线圈N3的端电压。设计合适的变压器，初级单个线圈可以提供高大于10A的平衡电流，假设其中一只单体电池容量为其他单体电池容量的20％，电池组依然能正常充电和放电，电池的总容量为3个电池单独容量的总和。达到新旧电池可以串联使用的目的。

为了能有效、准确地防止电池热失控，本实用新型还设计了控制电池组充放电回路通断的温控电路，温控电路包括由感测环境温度的温敏电阻Rt1、感测电池组内部温度的温敏电阻Rt2和电阻R1、R2构成的平衡桥，此平衡桥的两个节点电压输出端分别连接电压比较器IC3的输入端，电压比较器IC3的输出端连接开关三极管Vt1的基极，开关三极管Vt1的发射极与电源正极之间连接有继电器J的线圈，继电器J的常闭辅助触点连接于电池组充放电回路上用于控制电池组充放电回路的通断。由温敏电阻Rt1、温敏电阻Rt2和电阻R1、R2构成的平衡桥的节点电压经过电压比较器IC3进行比较，通过温敏电阻Rt1、Rt2的阻值设定，可以设置当环境温度与电池组温度差异为n的时候，电压比较器IC3输出翻转推动开关三极管Vt1实现电池充放电回路的控制。

本实施例中，温敏电阻Rt1的阻值为600K，温度每升高1℃，阻值增加5K，温敏电阻Rt2的阻值为500K，温度每升高1℃，阻值增加5K，电阻R1、R2的阻值各500K，电桥处于不平衡状态，电压比较器IC3的第6脚输出低电平，开关三极管Vt1处于截止状态。当电池组温度比环境温度高出20℃时，温敏电阻Rt2的阻值比温敏电阻Rt1增加100K以上，电压比较器IC3的6脚输出高电平，开关三极管Vt1导通，继电器J吸合，电池充放电回路断开，电路切断后导致电池温度升高的条件消失，电池组温度下降，继电器J重新闭合。在实际使用中，电动车电池一般在充电过程温度上升较大，当达到上述条件时，电池充放电回路被切断再接通，充电器即由恒流或恒压充电状态转为浮充状态，充电电压下降，电池组得到保护。在放电过程中，如果长时间放电电流过大也可能导致电池组温度上升，达到上述条件时，电路切断再接通，控制器进入低电压保护，不能再继续放电，电池组得到保护。

Claims (5)

1.电池组管理电路，其特征在于:包括变压器和开关电源专用芯片，上述变压器具有与复数个相串联的单体电池分别相对应的、依次相串联的复数组初级线圈，且每组初级线圈匝数相同，各个单体电池与上述各组初级线圈之间分别通过电子开关相并联，且其中一个电子开关受控于上述开关电源专用芯片的输出，其余电子开关受控于上述变压器的同步线圈。

2.根据权利要求1所述的一种电池组管理电路，其特征在于：上述电子开关为场效应管。

3.根据权利要求1所述的电池组管理电路，其特征在于：上述变压器为平面变压器。

4.根据权利要求1所述的电池组管理电路，其特征在于：还包括采样反馈电路，上述采样反馈电路包括运算放大器、上述变压器的次级线圈、与上述各个单体电池分别相对应的复数个相串联的阻值相同的采样电阻，上述次级线圈的匝数与上述初级线圈的匝数相同，上述采样电阻中的一个的电压采样输出端和上述次级线圈的电压输出端分别连接至上述运算放大器的输入端，上述运算放大器输出端连接至上述开关电源专用芯片的反馈输入端。

5.根据权利要求1所述的电池组管理电路，其特征在于：还包括控制电池组充放电回路通断的温控电路，上述温控电路包括由感测环境温度的第一温敏元件、感测电池组内部温度的第二温敏元件和两个阻抗元件构成的平衡桥，此平衡桥的两个节点电压输出端分别连接一电压比较器的输入端，此电压比较器的输出端连接一控制电池组充放电回路通断的开关部件用以控制此开关部件的通断。

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