CN201805257U - 一种串联锂电池组充电均衡装置 - Google Patents
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Abstract
一种串联锂电池组充电均衡装置,包括大电流主充电机、主充电开关、控制器、均衡选通电路、端电压检测电路、若干转换开关组、DC-DC转换器、正极放电开关、负极放电开关、系统电源;一个转换开关组对应一个单体电池,所述控制器通过均衡选通电路分别与每个转换开关组连接;转换开关组包括正极CMOS开关电路、负极CMOS开关电路,DC-DC转换器正极通过正极CMOS开关电路与每个单体电池的正极连接;DC-DC转换器负极通过负极CMOS开关电路与每个单体电池的负极连接。利用CMOS开关电路代替传统的继电器来控制对单体电池的充电,CMOS开关电路具有功耗低、成本低、使用寿命长等优点,可有效降低生产成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及电池充电管理系统,尤其是串联锂电池组充电均衡装置。
背景技术
单体电池的电压和容量无法满足实际需求,电动车上往往将数节电池串联使用,电动汽车中锂电池的数量可达数百节。单体锂电池的循环寿命一般能达到几千次,但是由于锂电池间的不一致性,串联电池组很难达到这个水平,电池串联使用时,充电效率、放电能力等也会受到影响。目前的电池制造技术,尤其是锂电池制造技术很难做到一致性好,因此串联电池组非常有必要做均衡处理,以提高电池组性能,延长电池组使用寿命。
耗能式均衡方案是采用电阻并联分流均衡,通过电阻分流来消耗过多能量。在充电时,通过单体电池的电压检测,当某节单体电池达到电压上限时,导通与其并联的电阻均衡装置的开关,使该节电池和电阻形成一个放电通路,将多余的能量在电阻上转化成热能,来防止该节电池过充,未充满的电池仍可继续充电。该方法会带来能量损耗,发热大,对于大容量的电池组,或者电池之间相差较大的电池组中不适合,效率较低,同时不适合快速充电系统。
非耗能式均衡中利用电容、电感作为中间储能元件,将各单体电池上的电量进行转移,该方案实际应用中电能转移效率不高,不适合串联节数较多的电池组中。此外,电容、电感为非线性器件,储能过程中电流与电压不成比例,尤其是电容将对选通开关的寿命有较大影响。这种方案还存在抗干扰能力了低、控制难、成本高等缺点。
中国专利200820133032.9公开了一种串联电池组均衡管理系统,双端继电器常开触点分别接在单体电源两端,常闭端与相邻继电器常闭端相连,控制端与选通电路连接。这种方法的缺点是,当继电器老化出现触点粘结情况时,选通另一组继电器时出现单体电池短路的严重后果。
中国专利02127989.6公开了一种对蓄电池进行分只充电均衡的方案,通过继电器的切换分别对没有充满的电池进行充电,直至每节电池充满为止。这种方法有以下一些缺点,第一是充电效率低;第二是成本高,尤其是大电流充电时,大电流的继电器较贵,且系统的寿命较低;第三是安全性较低,在这么多的继电器中假如有两个继电器发生故障(比如触电粘结),这样就把串联的电池又并联在一起使电池发生短路、着火、爆炸等事故,存在较大的安全隐患。
中国专利2006101571109.1公开了一种动力电池组电压均衡管理装置,系统中通过充电选通模块和放电选通模块对电压最高和电压最低的电池经行分别选通,中间通过隔离DC-DC模块连接,充放电时把电压高的电池的能量搬移到电压较低的电池中,最终实现充放电时所有电池电压一致。该方案中电路系统要同时控制充电选通和放电选通模块,这样控制较为复杂,成本较高。系统中任意一个选通开关出现问题都会对电池带来短路的危险,安全性较低,也没有解决采用继电器作为选通开关带来的安全隐患,这将大大降低均衡系统的稳定性和可靠性。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种串联锂电池组充电均衡装置,利用CMOS开关电路代替传统的继电器来控制对单体电池的充电,CMOS开关电路具有功耗低、成本低、使用寿命长等优点,可有效降低生产成本。
为解决上述技术问题,本实用新型的技术方案是:一种串联锂电池组充电均衡装置,包括由若干电池串联组成的电池组、大电流主充电机、主充电开关、控制器、均衡选通电路、端电压检测电路、若干转换开关组、DC-DC转换器、正极放电开关、负极放电开关、系统电源;一个转换开关组对应一个单体电池,所述控制器通过均衡选通电路分别与每个转换开关组连接;所述转换开关组包括正极CMOS开关电路、负极CMOS开关电路,所述DC-DC转换器正极通过正极CMOS开关电路与每个单体电池的正极连接; DC-DC转换器负极通过负极CMOS开关电路与每个单体电池的负极连接。控制器通过端电压检测电路检测各单体电池端电压,控制器通过检测到的端电压,利用均衡算法得到选通结果,控制均衡选通电路驱动由CMOS开关管组成的开关选通阵列,打开相应的CMOS开关电路;控制器开启均DC-DC转换器,对被选通的单体电池进行均衡充电;均衡充电一段固定时间后,延迟一小段时间t1,待电池电压稳定后,控制器重新检测各单体电池端电压,重复上述过程,控制CMOS开关电路,进行均衡充电,直到所有电池的端电压均达到一致为止。
作为改进,所述大电流主充电机通过所述主充电开关与所述DC-DC转换器正、负极连接,所述控制器通过端所述电压检测电路与电池组中的每个单体电池的正、负极连接,所述电池组正极与正极放电开关连接,电池组负极与负极放电开关连接,所述控制器与主充电开关连接,所述系统电源与控制器、电池组连接。
作为改进,所述正极CMOS开关电路包括三极管Q5、N沟道结型场效应管Q1、NMOS管Q2,所述三极管Q5集电极通过电阻R1、R2分别与NMOS管Q2栅极和N沟道结型场效应管Q1源极连接,所述三极管Q5集电极通过电阻R1与N沟道结型场效应管栅极连接,所述DC-DC转换器正极分别与NMOS管Q2和N沟道结型场效应管Q1的漏极连接,所述均衡选通电路与三极管Q5基极连接,所述NMOS管源极与其对应的单体电池的正极连接。
作为改进,设有肖特二极管D3,所述N沟道结型场效应管Q1的栅极和源极与肖特二极管D3的阳极连接,N沟道结型场效应管Q1的漏极与肖特二极管D3的阴极连接。
作为改进,所述负极CMOS开关电路包括三极管Q6、N沟道结型场效应管Q3、NMOS管Q4,所述三极管Q6集电极通过电阻R3、R4分别与NMOS管Q4栅极和N沟道结型场效应管Q3源极连接,所述三极管Q6集电极通过电阻R3与N沟道结型场效应管Q3栅极连接,所述DC-DC转换器负极与NMOS管Q4的源极连接,所述均衡选通电路与三极管D3基极连接,所述NMOS管Q4和N沟道结型场效应管Q3漏极与其对应的单体电池的负极连接。
作为改进,设有肖特二极管D4,所述N沟道结型场效应管Q3的栅极和源极与肖特二极管D4的阳极连接,N沟道结型场效应管Q3的漏极与肖特二极管D4的阴极连接。
作为改进,述DC-DC转换器为衡流隔离型均衡DC-DC;所述均衡选通电路为均衡继电器选通电路;所述系统电源为12V蓄电池电源。
本实用新型与现有技术相比所带来的有益效果是:
一、 作为选通的开关,CMOS开关电路以MOSFET和肖特基二极管为核心,其使用寿命远远长于继电器的寿命,且体积比一般的继电器要小,成本也较低;
二、 CMOS开关电路中增加了抗干扰电路,稳定性高,且抗震性能远高于继电器,非常适合在车载系统中使用,不存在触点粘合现象,安全性远高于继电器;
三、 CMOS开关电路驱动电流小、体积小,每组开关的驱动功率小于0.1W,比普通继电器的驱动功率要小得多。
附图说明
图1为本实用新型电路结构示意图。
图2为正极CMOS开关电路。
图3为负极CMOS开关电路。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示,一种串联锂电池组充电均衡装置,包括由12个200AH的锂电池1串联组成的电池组、大电流主充电机11、主充电开关5、控制器6、均衡继电器选通电路3、端电压检测电路4、12个转换开关组2、衡流隔离型均衡DC-DC转换器7、正极放电开关9、负极放电开关10、12V蓄电池电源8。外部220V交流电通过大电流主充电机11、主充电开关5与衡流隔离型均衡DC-DC转换器7的正、负极连接。每一个转换开关组2对应一个锂电池1,所述转换开关组2包括正极CMOS开关电路21、负极CMOS开关电路22,所述衡流隔离型均衡DC-DC转换器7输出端正极通过正极CMOS开关电路21与每个锂电池1的正极连接;输出端负极通过负极CMOS开关电路22与每个锂电池1的负极连接。所述控制器6通过端电压检测电路4与电池组中的每个锂电池1的正、负极连接,用于检测每个锂电池1的端电压;所述电池组正极与正极放电开关9连接,电池组负极与负极放电开关10连接,通过放电开关向外输电;所述12V蓄电池电源8为控制器6提供稳定直流电源,并且可以接收来自电池组的充电。
如图2所示,所述正极CMOS开关电路21包括三极管Q5、N沟道结型场效应管Q1、NMOS管Q2,所述三极管Q5集电极通过电阻R1、R2分别与NMOS管Q2栅极和N沟道结型场效应管Q1源极连接,所述三极管Q5集电极通过电阻R1与N沟道结型场效应管栅极连接,所述DC-DC转换器正极分别与NMOS管Q2和N沟道结型场效应管Q1的漏极连接,所述均衡选通电路与三极管Q5基极连接,所述NMOS管源极与其对应的单体电池的正极连接,所述N沟道结型场效应管Q1的栅极和源极与肖特二极管D3的阳极连接,N沟道结型场效应管Q1的漏极与肖特二极管D3的阴极连接。
如图3所示,所述负极CMOS开关电路22包括三极管Q6、N沟道结型场效应管Q3、NMOS管Q4,所述三极管Q6集电极通过电阻R3、R4分别与NMOS管Q4栅极和N沟道结型场效应管Q3源极连接,所述三极管Q6集电极通过电阻R3与N沟道结型场效应管Q3栅极连接,所述DC-DC转换器负极与NMOS管Q4的源极连接,所述均衡选通电路与三极管D3基极连接,所述NMOS管Q4和N沟道结型场效应管Q3漏极与其对应的单体电池的负极连接,所述N沟道结型场效应管Q3的栅极和源极与肖特二极管D4的阳极连接,N沟道结型场效应管Q3的漏极与肖特二极管D4的阴极连接。
CMOS开关电路21、22采用TTL电平控制,高电平开启,低电平关断,开启时等效内阻低,控制器6选通的开关处于导通状态,可以单向导电;截止时等效内阻高,没有选通的开关处于高阻状态。均衡充电过程中只有一组CMOS开关电路21、22开启,其他的CMOS开关电路21、22处于截止状态。
衡流隔离型均衡DC-DC转换器7需要将串联电池组电压转换为略高于单体电池的端电压的恒流型电源,以保证在整个充电过程中,对需要均衡的单体电池进行高效均衡充电。
如图2、3所示,当端电压检测电路4检测到某单体锂电池1 cellx电压为最低的电压时,控制器6通过均衡继电器选通电路3将该锂电池1选通信号CHRx置高;当CHRx为高电平时,以该锂电池1正极CMOS开关电路21为例,三极管Q5导通,A点电压被拉低,通过电阻R1、R2分压,B点电势比A点电势高,N沟道结型场效应管Q1进入放大区,使得C点电势高于B点电势,NMOS管Q2导通,恒流隔离型均衡DC-DC转换器正极与锂电池1正极相连;同理,相应的负极CMOS开关电路22也导通,使恒流隔离型均衡DC-DC转换器能够对该单体锂电池1进行充电。
如图2、3所示,经过若干充电时间t1,及一段时间延迟t2后,控制器6再次检测各单体锂电池1端电压,若单体锂电池1已达到要求电压,则控制器6通过均衡继电器选通电路3对该锂电池1选通CHRx输出低电平;若CHRx为低电平,以该锂电池1正极CMOS开关电路21为例,三极管Q5截止,A点电流可忽略,N沟道结型场效应管Q1未夹断,导致B,C两点等电势,NMOS管Q2截止,恒流隔离均衡DC-DC转换器与该锂电池1正极断开;同理,相应负极CMOS开关电路22也断开,恒流隔离均衡DC-DC转换器不对单体锂电池1充电。
由于通过NMOS管的电流为0,充满电的单体锂电池1不会在开关电路中有能量损耗,因此,该方法为一种非能耗式串联电池均衡系统。
Claims (9)
1.一种串联锂电池组充电均衡装置,包括由若干单体电池串联组成的电池组、大电流主充电机、主充电开关、控制器、均衡选通电路、端电压检测电路、若干转换开关组、DC-DC转换器、正极放电开关、负极放电开关、系统电源;一个转换开关组对应一个单体电池,所述控制器通过均衡选通电路分别与每个转换开关组连接;其特征在于:所述转换开关组包括正极CMOS开关电路、负极CMOS开关电路,所述DC-DC转换器正极通过正极CMOS开关电路与每个单体电池的正极连接; DC-DC转换器负极通过负极CMOS开关电路与每个单体电池的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组充电均衡装置,其特征在于:所述大电流主充电机通过所述主充电开关与所述DC-DC转换器正、负极连接,所述控制器通过端所述电压检测电路与电池组中的每个单体电池的正、负极连接,所述电池组正极与正极放电开关连接,电池组负极与负极放电开关连接,所述控制器与主充电开关连接,所述系统电源与控制器、电池组连接。
3.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组充电均衡装置,其特征在于:所述正极CMOS开关电路包括三极管Q5、N沟道结型场效应管Q1、NMOS管Q2,所述三极管Q5集电极通过电阻R1、R2分别与NMOS管Q2栅极和N沟道结型场效应管Q1源极连接,所述三极管Q5集电极通过电阻R1与N沟道结型场效应管栅极连接,所述DC-DC转换器正极分别与NMOS管Q2和N沟道结型场效应管Q1的漏极连接,所述均衡选通电路与三极管Q5基极连接,所述NMOS管源极与其对应的单体电池的正极连接。
4.根据权利要求3所述的一种串联锂电池组充电均衡装置,其特征在于:设有肖特二极管D3,所述N沟道结型场效应管Q1的栅极和源极与肖特二极管D3的阳极连接,N沟道结型场效应管Q1的漏极与肖特二极管D3的阴极连接。
5.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组充电均衡装置,其特征在于:所述负极CMOS开关电路包括三极管Q6、N沟道结型场效应管Q3、NMOS管Q4,所述三极管Q6集电极通过电阻R3、R4分别与NMOS管Q4栅极和N沟道结型场效应管Q3源极连接,所述三极管Q6集电极通过电阻R3与N沟道结型场效应管Q3栅极连接,所述DC-DC转换器负极与NMOS管Q4的源极连接,所述均衡选通电路与三极管D3基极连接,所述NMOS管Q4和N沟道结型场效应管Q3漏极与其对应的单体电池的负极连接。
6.根据权利要求5所述的一种串联锂电池组充电均衡装置,其特征在于:设有肖特二极管D4,所述N沟道结型场效应管Q3的栅极和源极与肖特二极管D4的阳极连接,N沟道结型场效应管Q3的漏极与肖特二极管D4的阴极连接。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种串联锂电池组充电均衡装置,其特征在于:所述DC-DC转换器为衡流隔离型均衡DC-DC。
8.根据权利要求1至6任意一项所述的一种串联锂电池组充电均衡装置,其特征在于:所述均衡选通电路为均衡继电器选通电路。
9.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组充电均衡装置,其特征在于:所述系统电源为12V蓄电池电源。
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