CN207098705U - 用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器 - Google Patents

Abstract

一种用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其输入端连接铅酸电池充电器的输出端，或连接太阳能电池板的输出端，其输出端连接磷酸铁锂电池组的正负极，该充电转换器可在恒流充电模式和涓流充电模式之间进行人工或自动转换，同时具有涓流充电状态指示功能。本实用新型方便新的磷酸铁锂电瓶用户利用现有铅酸电池充电器或其他公共充电设施，在各种应用环境下和铅酸电池充分兼容。

Description

用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器

技术领域

本实用新型涉及一种用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器。

背景技术

现在市场上传统的动力电池占主流的仍然是铅酸电池，例如电动自行车动车辆，电动叉车以及船舶用动力电池和汽车摩托车用启动电池市场。铅酸电池价格便宜，充放电管理简单且较耐滥用。但铅酸电池笨重，循环寿命差，还有环境污染隐患。相同容量的铁锂电池组体积是铅酸电池的2/3，重量是1/3，理论寿命长5倍以上，同时特别适合高倍率充放电。因此铁锂电池取代铅酸电池具有一定的优势。

磷酸铁锂电池具有平坦的中段电压，当电池接近满电时，电池电压快速上冲。当铁锂电池放电时，90％的储能在平台电压下释放，剩余10％的电能会随着电池放电电压的下降而逐步释放。当成组的每个电池容量比较接近时，无需为每个电池单体配备欠压检测和保护线路，而只需要检测电池模块的电压并相应设置欠压保护点就可。这样既降低了线路成本，又减少了失效几率，电池组的可装配性也得到提高。据测算当电池容量差小于5％，单个电池放电最终电压差会低于0.5V，当平均放电保护电压设置在2.5-3.0V间，整个电池组的循环寿命可以接近其中最差电池单体的循环寿命。

铅酸电池通常采用三段式充电器，顾名思义这种充电器的输出特性是由三段电流电压曲线或直线段组成，第一段为陡直或稍有坡度的恒流段，其电压起点一般设计为对应电池的放电保护电压以避免误用造成危险，终点为最高电压。这时充电电池电压逐渐升高直至恒流恒压的转折点。第二段为恒压段，在这个电压下，电流逐渐下降直到小于设置的转换値，之后转入第三阶段涓流维持阶段，电压陡降，充电电流变小，此时铅酸电池处于涓流均衡充电阶段。经过一段时间，电流不再变化充电结束。

自从工业革命以来，劳动生产率得到革命性提升，同时全球人口剧增，全球每年消耗大量的化石能源，现在已经超出了地球的承载能力范围，引发日渐严重全球变暖的趋势。努力开发利用各种可再生能源是现今社会的当务之急。利用太阳能电池板进行发电是多种可再生能源解决方案之一。

太阳能电池板的电气输出特性曲线受光照影响很大，其曲线接近一组疲软的矩形。描述曲线的三个关键参数是其短路电流，最大功率和开路电压。在特定的工作温度下，前两个参数和入射光强接近线性关系；而第三个参数开路电压相对光照变化较小，同时最大功率点的电压值基本恒定，这四个参数就是一般光伏电池板的最重要的标注参数。

以上太阳能光伏电池板这些特性很好地切合了铁锂电池组的充电要求，因为铁锂电池充电效率高，接受电流范围广，其充电电压平台波动小集中在3.4V附近。当铁锂电池组的平台电压值和太阳能板的输出电压适配时，将获得极高的系统转换效率，这种情况下需要考虑的是电池组的最高限压和电池组内部的均衡问题。

像其他锂离子电池一样，磷酸铁锂电池的通常采用的充电方式也是恒流恒压方式，相对于其他锂离子电池，铁锂电池具有较宽裕的充电电压上限范围，在恒流充电结束时其已经非常接近满电，这样可以有效降低充电时间。同时铁锂电池安全可以耐受较高的温度，同时可以接受较大的充电电流；功率型铁锂电池适合快速充电，电池可以在低至30分钟内完全充满。一般锂离子电池由于设定的充电电压上限和电池的可利用容量密切相关，而且过高的充电电压会对电池寿命有显著不利影响甚至产生安全隐患，因此对每个电池单体的充电电压的精确测定和控制对一般锂离子电池至关重要。而对铁锂电池来说，当充电上限电压在3.5V-4.0V间变动时，电池实际容量鲜有增加，而且其循环寿命不受大的影响。这些特点使得铁锂电池的充放电管理可以做的非常简单。

当电池组有多个电池模块组成，每个模块内电池串数n不大于5，在电池模块上设置大电流充电和放电限制电压分别为3.5V*n和2.75V*n时，电池模块可以得到良好的保护。由于均衡线路的存在，在设定的安全电流充电状态下，电池组内各电池电压会被钳制在安全限值以下。因此铁锂电池组内各模块电压检测完全可以取代原有电池单体端的检测，大大简化了线路节省了成本同时提高了线路的可靠性。

由于铅酸电池占据了绝大部分动力电池市场份额，通用的充电器设计成熟，生产量大，价格低廉。并且在电动车使用数量较大的城市街道，常常可以看到专用于铅酸动力电池使用的快充设施，方便缺电的车主快速补电。

而新入市场的磷酸铁锂电池的设计标准化不足，一般需要配置专用的充电器，这个充电器具有较精密电气输出特性，价格较高。同时由于铁锂电池的市场份额较低，市场上尚难找到快速充电的设施供应急使用。磷酸铁锂电池在充电过程中，为了均衡磷酸铁锂单体电池的充电过程，获得较大的均衡电流，缩短充电时间，延长电池的使用寿命，需要在磷酸铁锂电池组中设置较大功率的均衡电路。

通用的锂离子电池充电均衡线路主要分为两类，转能式和耗能式。这两种线路同时适用于磷酸铁锂电池和其他锂离子电池，只是参数设置不同。

前者通过一定的电路将满电电池的部分充电电流和能量均衡转移至相对欠电的电池上去。转能式充电均衡线路虽然节约了能源，降低了损耗，但线路更加复杂，使得线路成本较高且系统可靠性差，应用较少。

后一种线路其均衡电流在单体电池电压达到满电电压时，并联在电池两端的均衡线路由开关器件导通，通过并联的电阻或阻性负载将旁路电流以热能形式耗散掉，通常情况这个均衡电流会远小于正常充电电流，不足以使这个均衡中的电池的电压立刻保持稳定，特别是在磷酸铁锂电池组应用上。磷酸铁锂电池电压在达到设定满电电压后，空闲容量极少因此电压上冲非常迅速。

现有耗能式均衡线路都采用电阻或其他线性负载，因为其线性特点，在电池电压介于均衡启动和过压保护电压的范围内，均衡电流是接近恒定的。这个均衡启动电压一般设定为平均满电电压，即电池组的总充电电压除以电池单体总数，因此在电池组充电进入其恒压段后，电池在平均满电电压下需要较小的耗散功率和更大的均衡电流之间无法兼顾的原因。

现有耗能式均衡充电方案，对于磷酸铁锂电池组来说，实际均衡电流小，均衡作用时间短，过早的充电电源保护性关断导致缺乏长时间浮充稳定过程，无法补充那些极限欠电电池单体在其深度放电或长时间过量漏电或由较低的循环效率累积造成的额外电量损失，实际均衡效果并不理想。配置了此类充电均衡保护线路的磷酸铁锂电池组的容量衰减通常还是会比单体电池快的多。另外现有充电均衡方案中大量使用场效应半导体器件，在较恶劣的生产和使用环境中，其失效几率较高且无法一一甄别剔除，给电池的后续使用带来了很大的隐患。

对于磷酸铁锂电池来说，理论上还存在一种稳压管式连续均衡方案。理想的稳压二极管在铁锂电池平台电压下具有微小且一致的漏电流，而它在磷酸铁锂电池的4.0V充电上限电压处具有最大的通导电流。当这两个电流比值达到200时就具有实际使用价值。现有的硅基稳压二极管器件或阵列的电流比值远小于这个要求，同时单个器件的参数离散性太大，因而无法直接使用。

设法制作一个符合应用要求的复合稳压二极管电路，并联在每个磷酸铁锂单体电池两端，在磷酸铁锂电池整个使用过程中连续均衡，使各个电池的电压和荷电状态保持高度一致。每个复合稳压二极管包含两个串联的二极管，其中至少含有一个LED发光二极管并且在铁锂电池的平台电压处具有精密一致的导通电流。这样的电池设计，在最大均衡电流和总电压限制下，整个电池组可以获得涓流充电即安全充电的能力。

原则上，由于每种电池的电气特性不同，其能承受的最大电流和最高电压往往受到很大的限制，因此电池和充电器需要一一对应使用。

上述这种采用复合均衡电路的磷酸铁锂电池组具有较好的可靠性，但是在采用铅酸电池的三段式充电器或太阳能电池板进行充电时，必须满足一定的条件，即，所说的铅酸电池充电器或太阳能电池的最高输出电压必须大于铁锂电池组的一般满电电压及电池串数乘以平均满电电压3.6V，同时开路或浮充电压不小于电池串数乘以3.5V，即最低满电电压，已考虑到设计参数误差否则这个数值可进一步修正到3.45V为极低限值。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，保证磷酸铁锂电池组中各个单体电池在充电结束时处于完全均衡的满电状态，并获得较长的电池组使用寿命，同时方便新的磷酸铁锂电瓶用户利用现有铅酸电池充电设施，在各种应用环境下和铅酸电池充分兼容。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，所述的充电转换器的输入端连接铅酸电池充电器或太阳能电池板的输出端，其输出端连接磷酸铁锂电池组的正负极，该充电转换器可在恒流充电模式和涓流充电模式之间进行转换，并且具有涓流充电状态指示功能；

所述的充电转换器具体包含：

继电器RM，其具有输入脚、输出脚和触发脚，其输入脚2电性连接充电转换器的正极输入端V+，其第一输出脚4和第二输出脚5电性连接充电转换器的正极输出端U+，当输入脚2和第一输出脚4电性连接时，进入恒流充电模式，当输入脚2和第二输出脚5电性连接时，进入涓流充电模式；

第一限流电阻R6和第二限流电阻R6X，其串联在继电器RM的第二输出脚5上，用于限制调整安全充电电流；R6和R6X的总阻值由充电器开路电压Uoc、电池总串数N、电池满电电压3.6V时的稳压管工作电流Ib2决定：R6+R6X＝(Uoc-3.6*N)/Ib2；R6X>＝0；

R6*Ib2＝1～2V；

涓流充电指示电路，其并联在第一限流电路R6两端，用于指示涓流充电电流及电压的变化；分压检测回路，其并联在充电转换器的正极输入端V+和负极输入端V-之间，用于检测磷酸铁锂电池组的总电压值；

充电模式转换触发电路，其触发端电气连接分压检测回路，其输出端电气连接继电器RM的触发脚，用于根据分压检测回路检测到的电压值触发继电器转换充电模式。

所述的涓流充电指示电路包含：串联的发光二极管LED和发光二极管限流电阻R7，发光二极管LED用于指示涓流电流，发光二极管限流电阻R7用于保护发光二极管LED。

所述的分压检测回路包含：并联在充电转换器的正极输入端V+和负极输入端V-之间的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，以及并联在充电转换器的正极输入端V+和负极输入端V-之间的第一精密调整电阻R1X和第二精密调整电阻R2X，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间为节点a。

所述的充电模式转换触发电路包含：

三极管T，一般型号为TL431的精密电压基准源，其正极连接充电转换器的负极输入端V-，其负极连接继电器RM的触发脚，其参考端即触发极连接分压检测回路中的节点a。

所述的充电转换电路还包含：

滤波电容C1，其并联在正极输入端V+和负极输入端V-之间。

所述的充电转换电路还包含：

温敏电阻Rt，具有自恢复保险丝功能，其与第一限流电阻R6和第二限流电阻R6X串联，用于进行过电流保护，。

所述的充电转换电路还包含：

限流电阻R3，其串联在三极管T的集电极和继电器RM的触发脚之间，用于保护三极管T，同时满足RM 1-3脚动作线圈的电流满足其技术要求。

所述的充电转换电路还包含：

外触发端Ut及连接外触发端Ut的内部触发电路，当外触发端Ut连接到磷酸铁锂电池组内部线路时，内部触发电路用于处理外触发端Ut的输入电压，当电池组内任何单体电池处于满电状态时(3.5～4.0V)，或者电池模块电压值达到3.5V*n时，n为模块内电池串数介于2和5之间；及时触发三极管T，继而带动继电器RM切换充电模式。

所述的内部触发电路包含：

单向截止二极管D1，其正极端电性连接外触发端Ut，负极端电性连接三极管T的触发极；

分压回路，其包含电性连接在单向截止二极管D1的正极端和外触发端Ut之间的第四分压电阻R4，以及电性连接在外触发端Ut和负极输出端U-之间的第五分压电阻R5。本实用新型提供的一种磷酸铁锂电池用充电转换器，是专门为带复合稳压二极管作为其均衡线路使用的铁锂电池组而设计，同时适配市场通行的铅酸电池三段式充电器或相应设施，本充电转换器配合相应的铁锂电池组使用时兼有自动或手动涓流充电功能，同时具有充电均衡过程指示功能，保证磷酸铁锂电池组中各个单体电池在充电结束时处于完全均衡的满电状态，并获得较长的电池组使用寿命。同时本实用新型设计的充电转换器具有承受较大波动的电压输入，而且充电效率高，能够充分兼容太阳能电池板作为以上专门设计的铁锂电池组的电源输入。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器的电路图。

具体实施方式

以下根据图1具体说明本实用新型的较佳实施例。

本实用新型提供一种用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其输入端连接铅酸电池充电器的输出端，或连接太阳能电池板的输出端，其输出端连接磷酸铁锂电池组的正负极。

如图1所示，所述的充电转换器可在恒流充电模式(大电流充电模式)和涓流充电模式(安全充电模式)之间进行转换，该充电转换器具有正极输入端V+和负极输入端V-，以及正极输出端U+和负极输出端U-，正极输入端V+连接铅酸电池充电器或太阳能电池板的电压正极输出端，负极输入端V-连接铅酸电池充电器或太阳能电池板的电压负极输出端，正极输出端U+连接磷酸铁锂电池组的正极端，负极输出端U-连接磷酸铁锂电池组的负极端。

所述的充电转换器具体包含：继电器RM，其具有输入脚、输出脚和触发脚，其输入脚2连接正极输入端V+，其第一输出脚4和第二输出脚5连接正极输出端U+，当输入脚2和第一输出脚4连接时，进入恒流充电模式，当输入脚2和第二输出脚5连接时，进入涓流充电模式；

限流电阻R6，其串联在继电器RM的第二输出脚5上，用于限制调整安全充电电流；

涓流充电指示电路，其并联在限流电路R6两端，用于指示涓流充电电流及电压的变化；

分压检测回路，其并联在正极输入端V+和负极输入端V-之间，用于检测磷酸铁锂电池组的总电压值；

充电模式转换触发电路，其触发端电性连接分压检测回路，其输出端连接继电器RM的触发脚，用于根据分压检测回路检测到的电压值触发继电器转换充电模式。

在本发明的实施例中，触发电压设置U+/V+＝3.5V*N，其中，N是磷酸铁锂电池组的电池总串数；

所述的继电器RM采用松日SRD-24VDC-SL-C,T73五脚设计，其中1-3脚为动作线圈接头，当其通过动作线圈的电流小于特定值时继电器不动作，此时继电器输入2号脚和输出4号脚相连，而当通过1-3动作线圈的电流大于其动作阈值时，继电器2号脚和4号脚断开，转而和5号脚连通。

所述的限流电阻R6的阻值计算公式如下：

Ib2*R6＝1～2V；具体电压值由涓流充电指示电路中的发光二极管LED的类别决定；如果是红光LED，取1V，如果是蓝绿或白光LED取2V；

不同的指示LED有不同的点亮电压阈值，红光为1.7V，而蓝绿即白光为2.5V，在电池组完全充满时，对应的第一限流电阻R6电压降需设定在1V～2V之间，保证涓流充电指示LED在涓流充电时处于点亮状态，一旦满电时则处于熄灭状态。这时R6X的阻值也可以如此计算：

R6X＝(Uoc–3.6*N)/Ib2–R6,R6X>＝0；

其中，Uoc是前端充电器或电池的开路电压，N是磷酸铁锂电池组的电池总串数，Ib2是复合稳压二极管均衡线路在一般满电电压3.6V下的均衡电流。

由于稳压二极管电流电压的对数变化特性，电池满电电压少许变化会引起稳压二极管Ib2电流数值的急剧变化，因此输入电压波动将主要由R6+R6X承受从而对电池组的满电状态影响甚微。

由此可以看出简单调整R6+R6X的阻值，可以使同一个铁锂电池组适配于具有不同输出电压的充电器具，这样的充电转化器设计对电压波动具有较好的承受能力，太阳能电池板就具有这样的例子。

所述的涓流充电指示电路包含：串联的发光二极管LED和发光二极管限流电阻R7，发光二极管LED用于指示涓流电流，发光二极管限流电阻R7用于保护发光二极管LED。

所述的分压检测回路包含：并联在正极输入端V+和负极输入端V-之间的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，以及并联在正极输入端V+和负极输入端V-之间的第一精密调整电阻R1X和第二精密调整电阻R2X，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间为节点a。该分压检测回路中的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2具有限流作用，避免电压调整三极管T过流，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的阻值应该满足：

R2/(R1+R2)*(3.5V*N)＝2.5V；

其中，2.5V为三极管T的电压参考值；3.5V*N为电池组的最低满电电压；由导线压降等因素引起的差异可由R1X或R2X进行精密调整，R1X和R2X电阻阻值会比R1和R2高1个数量级。该分压检测回路简单可靠且稳定性高。

所述的充电模式转换触发电路包含：

三极管T，一般型号为TL431，是一个三端可调电压基准源，其正极连接负极输入端V-，其负极连接继电器RM的触发脚，其参考端即触发极连接分压检测回路中的节点a。

进一步地，本实用新型提供的充电转换电路还包含：

滤波电容C1，其并联在正极输入端V+和负极输入端V-之间；

温敏电阻Rt，其与限流电阻R6串联，用于进行过电流保护；

限流电阻R3，其串联在三极管T的负极和继电器RM的触发脚之间，用于保护三极管T。

更进一步地，本实用新型提供的充电转换电路还包含：外触发端Ut及内部触发电路，该内部触发电路用于处理外触发端Ut的输入电压以及时触发三极管T，继而触发继电器RM切换充电模式。当外触发端Ut悬空时这个线路不工作；而当外触发端Ut被连接到电池组内部或有的电池管理系统线路时，当电池内任何电池单体电压达到其充电满电电压时，或者电池模块电池电压达到3.5V*n时，n为模块内电池串数且不大于5；外触发端Ut电压上升，截止二极管D1导通，节点a电压抬升，以致触发三极管T和继电器动作线路被切换至安全充电模式。

所述的内部触发电路包含：

单向截止二极管D1，其正极端电性连接外触发端Ut，负极端电性连接三极管T的触发极；

分压回路，其包含电性连接在单向截止二极管D1的正极端和外触发端Ut之间的第四分压电阻R4，以及电性连接在外触发端Ut和负极输出端U-之间的第五分压电阻R5。

以连接铅酸电池充电器为例，说明本实用新型提供的充电转换器的工作原理如下：

根据充电转换器与铅酸电池充电器以及与磷酸铁锂电池组的连接顺序的不同，分为一般情形和特殊情形。一般情形是指，充电转换器的正极输出端U+和负极输出端U-先与待充电的磷酸铁锂电池组连接，然后充电转换器的正极输入端V+和负极输入端V-再连接铅酸电池充电器。特殊情形是指，充电转换器的正极输入端V+和负极输入端V-先与铅酸电池充电器连接，然后充电转换器的正极输出端U+和负极输出端U-再与待充电的磷酸铁锂电池组连接。

在一般情形下，正极输入端V+＝正极输出端U+＝磷酸铁锂电池组的总电压，分压检测回路检测磷酸铁锂电池组的总电压值，当总电压值低于设定的满电电压(3.5V*N串数)，则继电器RM处于未动作状态，即其第二输入脚2和第一输出脚4连通，而继电器RM的第一输出脚4与充电转换器的正极输出端U+连接，即与磷酸铁锂电池组的正极直连，此时铅酸电池充电器处于恒流工作状态，输出大电流，从正极输入端V+导入的大电流通过继电器RM直通磷酸铁锂电池组，这时磷酸铁锂电池组得到快速充电，总电压开始抬升。

当磷酸铁锂电池组的总电压达到其满电设定值(3.5V*N总串数)，分压检测回路中节点a处的电压超过三极管T的参考电压2.5V时，使其导通，形成三极管T负极-电阻R3-继电器第三输入脚3和继电器第一输入脚1的线圈回路，继电器RM的第二输入脚2和第二输出脚5导通，继电器RM的第二输出脚5通过限流电阻R6，R6X和温敏电阻Rt与正极输出端U+相连，限流电阻R6和R6X的作用就是限流，而温敏电阻Rt的作用就是过电流保护以免在误用(接入较低电压电池或电池组局部短路时)情况下不至于产生过流过热。当继电器RM的第二输入脚2和第二输出脚5导通时，铅酸电池充电器处于其恒压的末段即三段式充电器的末段，涓流充电阶段。发光二极管限流电阻R7和发光二极管LED用于指示电流，当磷酸铁锂电池组未完全充满时，正极输入端V+和正极输出端U+有较大的压差，LED指示灯亮，当准满电磷酸铁锂电池组在此涓流充电电流下，其总电压不断攀升最后达到完全稳定时，此时磷酸铁锂电池组内各电池单体的电压处于均衡一致的满电状态，所有输入的涓流电流被各个电池单体两端并联的复合稳压二极管回路旁路掉，正极输入端V+和正极输出端U+的压差小于LED点亮阈值，LED熄灭，充电完成。

而在特殊情形下，即正极输入端V+接通，铅酸电池充电器处于导通状态，正极输入端V+等于铅酸电池充电器的开路电压，正极输入端V+大于设定的最低满电电压阈值(3.5V*N)，继电器RM动作，使第二输入脚2和第二输出脚5连通，由于没有电流通过限流电阻R6和温敏电阻Rt，LED处于熄灭状态。当此时把磷酸铁锂电池组接入时，正极输入端V+保持不变，继电器第二输入脚2和第二输出脚5保持接通，涓流电流通过限流电阻R6和温敏电阻Rt流入磷酸铁锂电池组，LED点亮，磷酸铁锂电池组进入涓流充电模式，受到电池两端复合稳压二极管的保护，电池电压包钳制在其安全限值之下。这种情形适用于所连接的电池组长期储存，各电池的荷电状态严重不均的情况，用于在受保护状态下激活这个电池。

当外触发端Ut开路时，外触发电路不工作，当外触发端Ut大于一定的电压时，由第四分压电阻R4和第五分压电阻R5组成的分压回路中的第五分压电阻R5的电压与分压检测回路中的第二电阻R2的电压差大于单向截止二极管D1的导通电压时，外触发端Ut导入的电流触发三极管T，继而触发继电器RM使其第二输入脚2和第二输出脚5连通，整个充电转换器线路被切换进入涓流充电状态。这种带外触发Ut的功能回路可以应用于较复杂的电池组设计或者用于对电池组可靠性要求高的场景下。

实施例

取一组20只标称容量为10安时的方形铝壳磷酸铁锂电池，几何尺寸为18厚*65宽*150长，选择容量差小于5％，内阻及漏电特性接近的15个电池，这时各个电池单体处于完全放电状态，空载电压值在～3.0V左右。

选用一批国产高功率蓝光LED和一批1W稳压二极管，从其中挑选出正向压降为2.55伏左右15颗蓝光LED和15颗正向压降为0.75V的稳压二极管，同时测试1mA小电流下的正向压降，一一配对使其正向压降的和等于3.300V，偏差不大于5mV。同时监控这些器件的大电流正向压降，满足在4.0V时其最大导通电流差异小于20％，平均值为350mA。

由于LED的电气特性相对温度比较敏感，通常情况下列表中的电气参数是在冷态瞬时测得的，例如Ib最大均衡电流。然而例外的是Ib2满电均衡电流是在电池模块满电且达到热平衡条件下测试得到的。

设计一个5串复合二极管稳压线路专用的铝基板，将选择配对好的15颗蓝光LED和15颗稳压二极管逐一串联，组成3块5串的稳压均衡线路板。从每个线路板的单元线路两端引出导导线共计6根。每个单元线路需再次测试确认其1mA时正向压降和4.0V时的最大均衡电流，分别小于5毫伏和+/-20％的要求。

将这三块含有稳压均衡线路的铝基板上引出的6根线分别连接到此前点焊连接完成的5串16V10AH的磷酸铁锂电池组的6个电极上，之后将此充电均衡线路板机械固定在此磷酸铁锂电池组上，将此磷酸铁锂电池组合封装在一个被被事先移除横档的铅酸电池盒中。将磷酸铁锂电池组正负极引出并焊接到电池盒的正负端子上。将磷酸铁锂电池组合固定在电池盒中，并将电池盒上盖扣好，并作防水处理；同时内部多余空间需做必要填充以保证各电池模块满足的一定抗振要求。

将这三个5串磷酸铁锂电池模块并联，设定充电电流和电压限制为17.5V(3.5*n)和10A，直至总充电电流从10A逐步下降到1.05A(3*Ib),Ib为单个电池模块内置稳压二极管线路的最大均衡电流。这时电池组内各电池并非完全处于均衡状态。因此此时均衡线路板上的功率LED的明暗可能会呈现明显的不一致。

将这三个预充电后的n＝5串16V10AH电池模块串联形成N＝15串48V10AH电池组，各个电池模块虽然经过预充非常接近满电，但内部电池未经充分均衡，荷电状态尚存在较大差异，此时电池的平均电压在3.40V左右，电池总容量为10AH，此时单串容量差异小于5％。将三个电池模块安装到一个电动自行车用的电瓶塑料盒中，方便测试和实际使用。

从市场购买了一个48V20AH铅酸电池使用的三段式铅酸电池充电器，测试其开路电压为56V，充电电流为2.5A。

预先制作一个本发明设计的充电转换器，补偿充电器输出端到电池模块端线路压降后，实际输入电压触发值被设置为为53.5V。选着蓝光LED作为指示，这时R6阻值选择为15欧姆，R6X为零，Rt选择为60V/0.5A温敏PTC自恢复保险丝，阻值为0.3欧姆。经计算一般情况下的均衡电流约为0.3A。

在市电-铅酸电池充电器-铁锂充电转换器-铁锂电池电瓶连接中，这三项连接顺序的不同可以预设不同的充电状态；当前面两项先于第三项连接时，系统处于强制安全充电状态，即为前述的特殊情形；而当第三项连接先于第一或第二相连接时，系统处于前述的一般工作情形，即先大电流充电后自动转换到涓流均衡充电状态。

对于以上新制的15串48V10AH铁锂电池组，由于各电池单体初始荷电状态并不一致。在其充分均衡前，整个电池组无法使用一般充电方法。这时我们先使系统处于强制安全充电状态，再将充电转换器的输出端通过标准插头连接到上述的15串48V10AH磷酸铁锂电池组所在的电瓶上。这时铅酸电池充电器处于满电涓流充电状态显示绿灯，而本发明的48V铁锂充电转换器上的涓流充电LED亮起，系统进入涓流安全充电状态。由于组装前电池的状态不完全一致，容量差异小于5％即0.5AH，经过内部均衡线路的作用，电池组的各个落后电池经过约2个小时(＝0.5AH/0.3A)的涓流充电，其电压逐渐抬升直至全部达到满电状态，这时总的涓流充电电流逐渐下降，当R6上的电压低于2.5V，蓝色LED指示灯慢慢熄灭，均衡补电完成。

随后将此15串48V10AH铁锂电池电瓶是用在一辆48V350W电动车上进行骑行试验，大概30KM后电池耗尽，触发电动车欠压保护设置。停车后空载电瓶电压逐步上升至45V以上。

随后的充电方法就采用一般充电程序，即充电转换器和电瓶的连接先于和铅酸充电器以及市电的连接。

此时15串48V10AH试验铁锂电瓶电压低于48V，铅酸电池充电器输出的较大充电电流(～2,5A)经过充电转换器直接充入这个试验电瓶中；经过约3.5小时的充电，试验电瓶的总电压不断抬升，直到其达到52.5V时，继电器RM动作，限流电阻线路接入充电回路，此充电转换器输入端铅酸充电器输出电压跳变成56.0V，指示灯转绿，散热风扇停转。这时试验铁锂电瓶总电压快速降低至约51V，此时流过继电器和电瓶的电流约为0.3A，约等于电压差除以限流电阻阻值。经过不到2个小时的涓流充电，电瓶总电压逐渐抬升，R6压降降低直至蓝光LED熄灭，充电结束.拔出市电和电瓶插头，电池组内各个电池的浮电电压逐步泄放，不久就回到各电池平台电压附近，此时各个电池的电压和荷电状态高度一致趋近100％。

在同一辆装载有350W电机48V欧通电动自行车上作运行试验，此电动车原装有48V12AH铅酸电池，确认此欧通电动自行车车架装有48V欠压保护线路，欠压电压设置值为42V。

经过一天两次持续一个月电动自行车道路测试，总共约100次充放电试验，其中偶有完全放电到触发欠压保护。再次测试此电瓶中各个电池的电压情况，重点监测电瓶中个电池的最高充电电压和最低放电电压及放电重量时的电池荷电差异的变化。没有发现明显差异，这表明，新设计15串48V铁锂电池组完全适用于装有48V铅酸电池通用欠压保护线路的电动自行车，并且得到很好的使用寿命。本实用新型提供的一种磷酸铁锂电池用充电转换器，是专门为带复合稳压二极管作为其均衡线路使用的铁锂电池组而设计，同时适配市场通行的铅酸电池三段式充电器或相应设施，兼顾太阳能电池板作为其电压输入。本充电转换器配合相应的铁锂电池组使用时兼有自动或手动涓流充电功能，同时具有充电均衡过程指示功能，保证磷酸铁锂电池组中各个单体电池在充电结束时处于完全均衡的满电状态，并获得较长的电池组使用寿命。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其特征在于，所述的充电转换器的输入端连接铅酸电池充电器或太阳能电池板的输出端，其输出端连接磷酸铁锂电池组的正负极，该充电转换器可在恒流充电模式和涓流充电模式之间进行转换，并且具有涓流充电状态指示功能；

所述的充电转换器具体包含：

继电器RM，其具有输入脚、输出脚和触发脚，其输入脚2连接充电转换器的正极输入端V+，其第一输出脚4和第二输出脚5连接充电转换器的正极输出端U+，当输入脚2和第一输出脚4连接时，进入恒流充电模式，当输入脚2和第二输出脚5连接时，进入涓流充电模式；

第一限流电阻R6和第二限流电阻R6X，其串联在继电器RM的第二输出脚5上，用于调整安全充电电流；

涓流充电指示电路，其并联在第一限流电路R6两端，用于指示涓流充电电流及电压的变化；

分压检测回路，其并联在充电转换器的正极输入端V+和负极输入端V-之间，用于检测磷酸铁锂电池组的总电压值；

充电模式转换触发电路，其触发端连接分压检测回路，其输出端连接继电器RM的触发脚，根据分压检测回路检测到的电压值触发继电器转换充电模式。

2.如权利要求1所述的用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其特征在于，所述的第一限流电阻R6和第二限流电阻R6X的阻值计算公式如下：

R6*Ib2＝1～2V；

R6X＝(Uoc–3.6*N)/Ib2-R6,且R6X>＝0；

其中，Uoc是前端充电器或太阳能电池的开路电压，N是磷酸铁锂电池组的电池总串数，Ib2是并联在电池两端的复合稳压二极管均衡线路在平均满电电压3.6V下的均衡电流。

3.如权利要求2所述的用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其特征在于，所述的涓流充电指示电路包含：串联的发光二极管LED和发光二极管限流电阻R7，发光二极管LED用于指示涓流电流，发光二极管限流电阻R7用于保护发光二极管LED。

4.如权利要求3所述的用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其特征在于，所述的分压检测回路包含：并联在充电转换器的正极输入端V+和负极输入端V-之间的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，以及并联在充电转换器的正极输入端V+和负极输入端V-之间的第一精密调整电阻R1X和第二精密调整电阻R2X，节点为a。

5.如权利要求4所述的用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其特征在于，所述的充电模式转换触发电路包含：

三极管T，是一个三端电压基准源，其正极连接充电转换器的负极输入端V-，其负极连接继电器RM的触发脚，其参考端即触发极连接分压检测回路中的节点a。

6.如权利要求5所述的用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其特征在于，所述的充电转换电路还包含：

温敏电阻Rt，具有自恢复保险丝功能，其与第一限流电阻R6和第二限流电阻R6X串联，用于进行过电流保护。

7.如权利要求6所述的用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其特征在于，所述的充电转换电路还包含：

外触发端Ut及连接外触发端Ut的内部触发电路，当外触发端Ut连接到磷酸铁锂电池组内部线路时，内部触发电路用于处理外触发端Ut的输入电压以及时触发三极管T，继而触发继电器RM切换充电模式。

8.如权利要求7所述的用于带稳压管均衡线路的磷酸铁锂电池组的充电转换器，其特征在于，所述的内部触发电路包含：

单向截止二极管D1，其正极端电性连接外触发端Ut，负极端电性连接三极管T的触发极；

分压回路，其包含电性连接在单向截止二极管D1的正极端和外触发端Ut之间的第四分压电阻R4，以及电性连接在外触发端Ut和负极输出端U-之间的第五分压电阻R5。