CN201993449U - 具有互为充放电功能的锂电池检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有互为充放电功能的锂电池检测装置，其特征是：主要有机壳、置于机壳表面的待测电池及储能电池的夹具、由继电器、充放电切换电路、升降压电路及单片机控制电路构成的互为充放电控制电路，所述单片机控制电路与升降压电路及继电器驱动电路连接。有益效果：由于互为充放电的锂电池组检测装置的实现，不但能较好地解决电池或电池组充放电检测中的节能减排问题，大量地节省用电成本，还可提高检测生产率；由于能源的充分利用，减少了热量的排放，还将大大地改善对设备运行、电池质量的保证以及人员操作环境等方面的影响。

Description

具有互为充放电功能的锂电池检测装置

技术领域

本实用新型属于锂电池检测装置，尤其涉及一种具有互为充放电功能的锂电池检测装置。

背景技术

充电电池又称为二次电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。充电电池的充放电循环可达数千次，故其相对干电池而言更经济实用。对于二次电池，使用寿命是衡量电池性能好坏的一个重要参数。二次电池经过一次充电和放电，称为一个周期。在一定的充放电制度下，电池容量达到某一规定值之前电池能经受的充放电次数称为二次电池的使用周期。锂离子电池具有优良的贮存性能和长的循环寿命。二次电池在生产过程中需要对电池的基本性能：电池的分路电压、电池的内阻、电池的工作电压、充电电压及电流、容量等数十个参数进行检测。充电电压是指二次电池在充电时，外电源加在电池两端的电压。充电的基本方法是先恒电流充电后恒电压充电，其恒流特点是在充电过程中充电电流恒定不变。随着充电的进行，活性物质被恢复，电极反应面积不断缩小，电极的极化逐渐增高。目前，电池生产普遍采用直流电源或充电器充电，电阻式放电的测试或检测方法。检测装置的结构包括充电机、放电电路、信号采集的控制机构以及转换电路构成。通过对电池充放电信号的周期采集，检测电池的各项性能。该种方法是一种需将电能变为热量而白白放掉的检测方式。随着电池产业的扩展，此能源的浪费越来越凸显出来。目前有的设备采用了将电量回馈到电网的方法。但是必需变为纯净的交流电才可使用，并且用户所回馈的电量又不容易得到认可，种种问题使得采用此方法的设备不能被普遍应用。电池行业亟待开发一种既节约了能源又提高了检测效率的锂电池检测装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种简单实用的具有互为充放电功能的锂电池检测装置，在检测过程中，它可以将检测电池放电时放出的电量，同时给另一组储能电池进行充电，互为充放电的过程，既节约了能源又提高了检测效率。也可以同时对两组电池进行检测，也可以将存储起来的电量用于下次电池的充电检测。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种具有互为充放电功能的锂电池检测装置，其特征是：主要有机壳、置于机壳表面的待测电池及储能电池的夹具、由充放电切换电路、升降压电路及单片机控制电路构成的互为充放电控制电路，所述充放电切换电路由充放电切换继电器J-1、J-2、J-3、J-4及开机继电器K1构成，所述检测电池的夹具正极端与开机继电器连接，开机继电器通过继电器J-1常闭点与升降压电路输入端连接，所述继电器J-2常闭点与检测电池夹具负极端相连接共同构成检测电池的连接回路，所述升降压电路输出端通过继电器J-4常闭点与储能电池的夹具正极端连接，升降压电路输出端通过继电器J-3常闭点与储能电池的夹具负极端连接共同构成储能电池的连接回路，所述单片机控制电路与升降压电路及继电器驱动电路连接。

所述升降压电路由绝缘栅双极型晶体管、肖特基二极管、电感、电容构成的BUCK-BOOST升降压电路，所述电感、电容与肖特基二极管呈∏式连接，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与肖特基二极管连接，发射极又与继电器K2连接，继电器K2常开点连接补放电电阻，常闭点连接电感，电感的另一端与继电器(K3)连接、其同时又经输入回路的电流传感器Iin及继电器(J-2)常闭点与检测电池负极端夹具连接，绝缘栅双极型晶体管的集电极通过继电器(J-1)常闭点、继电器(K1)与检测电池的夹具正极端连接；所述继电器(K3)常开点连接有补充电充电器，补充电充电器与与检测电池负极端夹具连接，所述缘栅双极型晶体管的门极与PWM控制电路连接，所述电感经输出回路的电流传感器Io、继电器(J-4)常闭点及继电器(J-3)常闭点分别与储能电池的夹具正极端及负极端夹具连接。

所述缘栅双极型晶体管门极连接的PWM控制电路由锯齿波发生器、脉冲发生器、驱动电路、加法器、放大器、调零及满量程调节电路构成，所述锯齿波发生器、脉冲发生器和驱动电路依次连接，所述脉冲发生器与放大器和加法器依次连接，所述加法器分别与调零及满量程调节电路连接。

有益效果：由于互为充放电的锂电池组检测装置的实现，不但能较好地解决电池或电池组充放电检测中的节能减排问题，大量地节省用电成本，还可提高检测生产率；由于能源的充分利用，减少了热量的排放，还将大大地改善对设备运行、电池质量的保证以及人员操作环境等方面的影响。

附图说明

图1是本实用新型的锂电池充放电检测电路原理图；

图2是图1中单片机控制电路原理图；

图3是PWM控制原理框图

图4是PWM电路原理图；

图5是本实用新型的外形结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1-图5所示，一种具有互为充放电功能的锂电池检测装置，主要有机壳1、置于机壳表面的待测电池及储能电池的夹具1、由继电器、充放电切换电路、升降压电路、补充/补放电电路及单片机控制电路构成的互为充放电控制电路，所述充放电切换电路由充放电切换继电器J-1、J-2、J-3、J-4及开机继电器K1构成、J-1、J-2、J-3、J-4的常闭点为检测电池的放电状态、而常开点为检测电池的充电状态，所述检测电池的夹具正极端与开机继电器K1连接，开机继电器K1通过继电器J-1常闭点与升降压电路输入端连接，所述继电器J-2常闭点与检测电池夹具负极端相连接构成输入回路，所述升降压电路输出端通过继电器J-4常闭点与储能电池的夹具正极端连接，升降压电路输出端通过继电器J-3常闭点与储能电池的夹具负极端连接构成输出回路，所述单片机控制电路与升降压电路的PWM控制电路及继电器驱动电路JK连接。所述升降压电路由绝缘栅双极型晶体管IGBT、肖特基二极管、电感、电容构成的BUCK-BOOST升降压电路，所述电感、电容与肖特基二极管呈∏式连接，所述IGBT的集电极C与继电器J-1连接、所述IGBT的发射极E与肖特基二极管连接，并且与继电器K2连接，其常闭点B连接电感，电感的另一端与继电器K3连接、电感的此端同时又经输入回路的电流传感器Iin及继电器J-2常闭点与检测电池负极端夹具连接，构成升降压电路的输入回路；所述电感所储电量经电流传感器Io、继电器J-4常闭点及继电器J-3常闭点分别与储能电池的夹具正极端及负极端夹具连接构成升降压电路的输出回路。所述补充和补放电路主要由继电器K2常开点K和放电电阻构成补放电路，由继电器K3常开点K和充电器构成补充电路。所述IGBT的门极G连接PWM控制电路。所述继电器(K3)常开点连接有补充电充电器，补充电充电器与与检测电池负极端夹具连接，

由J-1/J-2/J-3/J-4继电器及K1开机继电器组成的充/放电切换电路、IGBT/肖特基二极管(D)/电感(L)/电容(C)组成的BUCK-BOOST升降压电路、K2继电器/放电电阻(R)/K3继电器/充电器组成的补充/补放电路及单片机控制电路。检测电池BT1的夹具正B1+端连接的K1开机继电器，通过J-1充放电切换继电器的常闭点连接到BUCK-BOOST电路IGBT的集电极C；它的发射极E接二极管，并且接补放切换继电器的K2，其开路点K连接补放电电阻，闭路点B连接电感L；它们的回路是经Iin电流传感器及J-2充放电切换继电器的常闭点与检测电池负端夹具B1-相连接；即构成输入回路。电感L的另一路，经Io电流传感器连接到J-4充放电切换继电器的常闭点、B2+电池夹具及BT2储能电池的B2-端、切换继电器的J-3的常闭点、再连接到电容C2、二极管D即构成了输出回路。图中K3是补充电的充电器给电池BT1补充电的切换电路继电器；单片机控制电路中的JK是对各继电器切换的驱动控制电路、VB1是BT1检测电池的总采样电压，VB2是BT2储能电池的总采样电压，VX1是BT1检测电池各分路单体采样电压的连接电路，VX2是BT2储能电池各分路单体采样电压的连接电路，Iin是BUCK-BOOST电路输入回路电流传感器，Io是输出回路电流传感器；而脉冲宽度调制PWM控制电路、则通过单片机实现了对IGBT的控制，从而实现了对BUCK-BOOST电路输入/输出两端检测电池BT1和储能电池BT2充/放电时的恒流/恒压控制。绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT驱动功率小而饱和压降低。所述缘栅双极型晶体管门极连接的PWM控制电路由锯齿波发生器、脉冲发生器、驱动电路、加法器、放大器、调零及满量程调节电路构成，所述锯齿波发生器是用LM358运算放大器正输入端连接参考电压、正端与输出端还连接一个正反馈电阻、负输入端与输出端通过串接的电阻正向连接一个二极管、负端又上接一个电阻下接一个电容，由此构成的电路、在放大器的输出端可产生连续的锯齿波，所述脉冲发生器是用运算放大器的正输入端连接控制电压、负输入端连接锯齿波输出信号，由此根据控制电压的大小、在输出端就产生了不同脉宽的脉冲，所述驱动电路是通过光电隔离器、三极管及保护电阻构成常规的IGBT驱动电路，所述加法器是用运算放大器组成、两个加法信号是在负输入端连接调零电位器信号端与满量程调节电位器信号端、运算后输出为两信号相加的负电压值，所述放大器是用运算放大器正端通过电阻接地、负端对输出端接一反馈电阻、又接一输入电阻并连接到加法器的输出端、构成反向放大器、用以变成真实的控制电压后、连接到脉冲发生器的正输入端，由此构成实用的PWM控制电路。

工作原理：

一、检测电池的放电回路：首先接好BT1检测电池组和BT2储能电池组，接通开机继电器K1及充放电切换继电器J-I/J-2/J-3/J-4的常闭点B时，为BT1检测电池的放电状态，而K2的常闭点B接通L电感，即是BUCK-BOOST电路的升降压工作状态。此时经PWM的控制可使放电电流控制在所要求的恒流状态；其工作原理是：当PWM的脉冲信号使IGBT开通时，电流从上至下流经电感，通过Iin传感器形成回路，此时电感上端为正，下端为负；当PWM使IGBT关断时，电感将变换极性为上负下正并放出电能；这些电能通过C2滤波后，再经过J-4向储能电池BT2充电，并通过J-3及二极管D形成电感的放电回路，同时也形成了储能电池的充电回路；这就实现了将检测电池BT1的电能转移到储能电池的储能目的。当检测电池BT1没放完电而储能电池BT2已经充满的情况下，可将K2切换到常开点K，接通放电电阻R，此时BT1放电能量经电阻变为热能使其补放电来完成放电过程。单片机通过对Iin的采样及PWM的控制、形成对放电恒流/恒压的闭环控制。

二、检测电池的充电回路：当充放电切换继电器J-1/J-2/J-3/J-4同时切换到常开点K、变为检测电池BT1的充电状态，这时储能电池BT2的B2+通过J-1接通到IGBT输入端，而BUCK-BOOST输入回路的负极通过J-4与B2-相连接，即形成了储能电池的放电回路；这时BUCK-BOOST电路的输出回路正极、通过J-2连接到检测电池BT1的正端夹具B1+，而负端B1-经过J-3接到了二极管D，形成了对检测电池BT1的充电回路；这样储能电池放电回路存储到电感L中的电能量，形成了对检测电池BT1的充电过程；但当BT1没充完电而BT2已达到放电下限的情况下，单片机控制K3切换到常开点K，接通补充电的充电器，此时BT1继续充电，进而用补充电路来完成对BT1的充电过程。

其中BUCK-BOOST升降压电路的工作原理是Uo＝K/(1-K)Ui；关键是调整好占空比K值的大小就可控制输出/输入的比值，因脉冲宽度调制电路PWM是占空比调整的有效方法，即通过对IGBT进行有效地PWM控制就可实现。

所述各继电器动作是在单片机通过继电器驱动电路JK控制下完成的。充放电恒流的控制主要是单片机通过Iin电流采样信号构成的负反馈PWM闭环的恒流控制环节实现的，恒压控制是单片机通过VB1总电压信号构成的负反馈充电PWM闭环的恒压控制环节实现的。其中VX1/VX2/VB2/Io信号是对两个电池运行状态的安全监控，以防超出限定值造成电池的损坏。

三、实验过程：自2006年我们开始设计了一些简单的测试仪器；如：简易瓷管电阻式放电机、充电器检测仪、均衡式保护管理板；

(1)开始确定的主电路是降压电路，首先为满足工作电压电流的要求，选择合格的大功率开关管；经过几十次的实验、筛选，确定了用“40N60”型号的IGBT。但当第二次购进几百片后，接连烧坏了共二百多个IGBT；当发现第一批没问题既两批型号一样但质量不同时，才另选定厂家和型号既48N60。

(2)为了适应动态控制电路的要求，必须对斩波后的电池端进行整形处理，并且又要适用于检测不同电压电流的电池组既适应大范围负载的需要，所以电路中的大电感、大电容的确定也历经反反复复，前后有几十次的实验才得到较理想的波形。

(3)PWM驱动控制电路的确定，完全是在实验中不断完善的。开始我们选用现有的PWM芯片，实验后均没有合适的；所以我们改用自搭的电路，解决了零点控制、满量程控制、接地干扰、波形调整、频率整定、PID控制的反馈精度等若干问题；为此电路的调整与实验及元器件的选用都经过了无数次的反复，光改做PCB就达十几版。

(4)充放电既组态的切换电路也是在几十次的调试中不断发现问题并改进完善的，最后确定了大功率继电器加消弧电路的方案。

(5)待主电路成功后，为实验节能检测电路，包括IGBT、电容甚至实验用电源等都有不同程度的损坏，陆续经过了半年多的时间，直至找到适用此电路的器件才逐步实验成功。

(6)最后根据设计与实验结果，此节能检测电路是由充放电切换电路、升降压主电路、补充/放电路及单片机控制电路四个基本部分组成。

四、实验举例

(1)注意事项

●主电路的开关管可用MOSFET、IGBT，但均不可用带寄生反向二极管的；

●主电路的二极管最好采用肖特基二极管；

●PWM驱动电路开始实验也可用现有的芯片，但驱动电路电压不可小于12V

(2)试验目的：对两个同样的电池组、通过此升降压电路的控制，定性的实现有充放电的电流随着控制的大小而变化。

(3)试验步骤

●外围切换电路用图中常闭点接通的位置来连接主电路，但电池先不接入；

●查验单片机控制及PWM驱动电路波形是否完好，并至少可达到10-90％的占空比调节范围；

●PWM调至1HZ，用万用表电阻通断档测IGBT管C、E两端、正表笔接C端、负表笔接E端，观察是否通断正常；

●频率调至20KHZ左右，PWM调到最小；

●接入检测电池，调节PWM，使主电路输出电压随着调节而上升下降；注意输入与输出的电压方向相反；

●接入储能电池，随着PWM的调节，当输出电压超过储能电池电压后，输入电流而跟着变化；到此为至主电路试验正常。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的结构作任何形式上的限制。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种具有互为充放电功能的锂电池检测装置，其特征是：主要有机壳、置于机壳表面的待测电池及储能电池的夹具、由继电器、充放电切换电路、升降压电路及单片机控制电路构成的互为充放电控制电路，所述充放电切换电路由充放电切换继电器J-1、J-2、J-3、J-4及开机继电器K1构成，所述检测电池的夹具正极端与开机继电器连接，开机继电器通过继电器J-1常闭点与升降压电路输入端连接，所述继电器J-2常闭点与检测电池夹具负极端相连接共同构成检测电池的连接回路，所述升降压电路输出端通过继电器J-4常闭点与储能电池的夹具正极端连接，升降压电路输出端通过继电器J-3常闭点与储能电池的夹具负极端连接共同构成储能电池的连接回路，所述单片机控制电路与升降压电路及继电器驱动电路连接。

2.根据权利要求1所述的具有互为充放电功能的锂电池检测装置，其特征是：所述升降压电路由绝缘栅双极型晶体管、肖特基二极管、电感、电容构成的BUCK-BOOST升降压电路，所述电感、电容与肖特基二极管呈∏式连接，所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与肖特基二极管连接，发射极又与继电器K2连接，继电器K2常开点连接补放电电阻，常闭点连接电感，电感的另一端与继电器K3连接、其同时又经输入回路的电流传感器Iin及继电器J-2常闭点与检测电池负极端夹具连接，绝缘栅双极型晶体管的集电极通过继电器J-1常闭点、继电器K1与检测电池的夹具正极端连接；所述继电器K3常开点连接有补充电充电器，补充电充电器与与检测电池负极端夹具连接，所述缘栅双极型晶体管的门极与PWM控制电路连接，所述电感经输出回路的电流传感器Io、继电器J-4常闭点及继电器J-3常闭点分别与储能电池的夹具正极端及负极端夹具连接。

3.根据权利要求1或2所述的具有互为充放电功能的锂电池检测装置，其特征是：所述缘栅双极型晶体管门极连接的PWM控制电路由锯齿波发生器、脉冲发生器、驱动电路、加法器、放大器、调零及满量程调节 电路构成，所述锯齿波发生器、脉冲发生器和驱动电路依次连接，所述脉冲发生器与放大器和加法器依次连接，所述加法器分别与调零及满量程调节电路连接。 

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