CN208461514U - 一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路,均衡电路包括连接线缆、过渡端子盒以及均衡模块;均衡模块由多块均衡包组合而成,均衡包中含有继电器组、DC/DC变换器电路、均衡包MCU以及辅电池;均衡包MCU控制继电器组以及DC/DC变换器电路,以辅电池对电池组中相关电池单体的回路进行充放电以达到均衡目的。本实用新型能量转换损失小,并可实现蓄电池组的在线大电流均衡,保证了蓄电池组的安全稳定运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及蓄电池组充放电管理技术领域,特别是涉及一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路。
背景技术
可充电池在现代社会生活中发挥出重要的作用。大容量可充电池,特别是以锂元素为主要材料的锂系可充电池,作为新型可充电池技术的代表,除了在各种应用场景中不断扩张,围绕其使用安全性、可靠性、容量利用率等方面,也引发了各类型的技术攻关和创新。
在新能源汽车及大型储能系统的应用中,需要将多达几千上万只的单个小型锂电池进行串并联使用;在工业直流屏、UPS中同样需要将数量众多的可充电池级联为电压等级较高的电池组。电池在制造过程中,不可避免的出现一致性偏差。容量、内阻、老化率等各参数的不一致性,将使电池组在充放电使用过程中,发生各串联单体电池电压出现较大偏差的现象,而由于可充电池对过电压和欠电压的敏感性,必须经常对电池组中各电池单体进行电压的均衡处理。
目前常见的均衡处理方案,基本都是以电池组中各电池单体一性致良好为前提的,并且大多数均衡方法效率低,能量损耗大,且以离线均衡为主。假若电池组中某电池单体性能特别优于或劣于其它电池单体,现有均衡方案大多无法满足实际需要,其将造成充电容量不达上限,放电容量不达下限的恶劣局面。
其次,现有均衡方案都以平衡电压为主,未考虑到电池组中各电池单体容量、内阻的不一致性。当电池组在放电过程中因某电池单体的容量偏小、内阻偏大导致电压达下限值时,现有均衡方案没有一种及时有效的能量补充手段,其结果,体现在新能源汽车应用中,将发生汽车在半路熄火的恶性事件,引发一定的安全事故和次生灾害。
由此,有必要提供一种新的均衡方案及电路以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是:为了克服现有技术中的不足,本实用新型提供一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路,通过继电器组,以平衡电池组中各电池单体电压为目的,实时吸收或释放电池组中相关电池单体回路中的电能,以使充电时储存更多的电能,放电时释放出更多的电能,达到电池利用率最大化,并保持电池组中所有电池单体不过充、不过放。
具体地,在现有电池技术基础上,通过一定的技术改造或扩展,使其达到本实用新型所述的结果。现有电池技术,基本包括两大部分,分别是电池组及电池管理系统BMS。通常,电池组由一定数量的电池包串联而成,每个电池包中电池单体串联级数一般为6至12之间,实施本实用新型方案时,以每个电池包为基本,引出一根连接线缆,经过一个过渡端子盒,到达一个均衡包。均衡包中,包含有均衡包MCU,其与电池管理系统BMS进行通信,以作出均衡策略。
本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是:一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路,包括电池管理系统BMS、电池组、连接线缆、过渡端子盒和均衡模块,所述电池管理系统BMS与电池组之间通过电池组通信口连接,以实现二者之间的通信。
所述电池组包括多个串联的电池包,所述均衡模块包括多个均衡包,所述均衡包的数量与电池包的数量相同,且所述电池包通过连接线缆和过渡端子盒与均衡包一一对应连接;即一个电池包对应一个均衡包。
所述的均衡包中包含有继电器组、辅电池、隔离式可控升压变换器DC/DC1、隔离式可控升压变换器DC/DC2、隔离式升压变换器DC/DC3、隔离式可控降压变换器DC/DC4、泄流继电器JR、功率电阻R以及均衡包MCU,变换器都为隔离型变换器,相互之间不共地,避免部分电池短路,所述继电器组包括多个继电器,所述继电器的数量与每个电池包中电池单体的数量相同且一一对应连接,继电器组中继电器为M个,分别用J1、J2……JM表示。
每个所述电池包由多个电池单体串联而成,电池包中串联的电池单体串数为M,分别用B1、B2……BM表示。连接线缆的芯数为M+1,连接线缆一端各芯线连接电池包中各电池单体的正负极,另一端到达均衡包时,电池包的正负极连接至隔离式可控降压变换器DC/DC4的入口端,隔离式可控降压变换器DC/DC4出口端连接辅电池,隔离式可控降压变换器DC/DC4使能时,辅电池将被充电。
具体地,电池包中每个电池单体对应均衡包中的一只双触点继电器,通过连接线缆,各电池单体的正端与继电器正触点出口端连接,负端与继电器负触点出口端连接。
具体地,继电器组中各继电器的正触点入口端全部短接,负触点入口端全部短接,构成继电器总线,且正触点入口端形成继电器总线的正极端,负触点入口端形成继电器总线的负极端。
具体地,继电器总线连接至双触点式的泄流继电器JR的触点入口,泄流继电器JR的触点出口连接一只功率电阻R。
具体地,继电器总线连接至隔离式可控升压变换器DC/DC1的出口端,隔离式可控升压变换器DC/DC1的入口端连接辅电池,隔离式可控升压变换器DC/DC1使能时,将使辅电池的电能经过升压限流的方式供给至继电器总线;
具体地,继电器总线连接至隔离式可控升压变换器DC/DC2的入口端,隔离式可控升压变换器DC/DC2的出口端连接辅电池,隔离式可控升压变换器DC/DC2使能时,将使继电器总线上可能存在的电能经过升压限流的方式供给至辅电池进行储存;
具体地,辅电池连接至隔离式升压变换器DC/DC3的入口端,隔离式升压变换器DC/DC3的出口端连接均衡包MCU电源端,作为均衡包系统的工作电源,主要供给对象如均衡包MCU等;所述均衡包MCU与电池管理系统BMS用通信线进行连接。
所述电池包的正极连接隔离式可控降压变换器DC/DC4的入口端正极,电池包的负极连接隔离式可控降压变换器DC/DC4的入口端负极,所述隔离式可控降压变换器DC/DC4的出口端正负极分别与辅电池正负极连接。
具体地,辅电池连接至一个电池端口,辅电池正负极分别与电池端口两只接线端子连接,所有均衡包中辅电池通过导线经由各均衡包的电池端口进行并联连接;
具体地,均衡包中还含有电压检测元件、电流检测元件和温度检测元件等功能元器件,所述均衡包MCU通过功能元器件采集辅电池电压、电流以及均衡包内环境温度等数据,并通过与电池管理系统BMS的通信,采集电池组中电池单体的电压参数和电池组工作状态;
具体地,均衡包MCU通过功能元器件采集到的数据,经由内部逻辑运算,对相关模块及元件进行使能控制,使能对象包括隔离式可控升压变换器DC/DC1、隔离式可控升压变换器DC/DC2、隔离式可控降压变换器DC/DC4、继电器组各继电器线圈以及JR继电器线圈;隔离式可控升压变换器DC/DC1用于放电时均衡,隔离式可控升压变换器DC/DC2用于充电时均衡,JR用于充电后期均衡,隔离式可控降压变换器DC/DC4用于充电时电池包的电压差异均衡,均衡包MCU通过使能方式和隔离手段来控制隔离式可控升压变换器DC/DC1、隔离式可控升压变换器DC/DC2、隔离式可控降压变换器DC/DC4、继电器组中各继电器以及泄流继电器JR是否处于工作状态。通过隔离手段使电路的前级与后级的电流是互相隔离的,两级线圈之间没有共地,防止短路,提高可靠性,均衡包MCU控制相关功能模块一般是采用光耦进行隔离。
具体地,所述继电器既可以是带有机械触点的线圈继电器,也可以是由电子开关组成的固态继电器或相同原理的其它结构继电器;
具体地,设电池组中电池包的数量为N,则对应的均衡包数量同样为N,所有均衡包中辅电池通过电池端口进行并联,并视实际需求额外并联一组容量可选的扩容电池。
具体地,任一时刻只允许闭合单个均衡包中继电器组的其一继电器,当有两只继电器同时吸合时,将造成电池组中部分电池短路事故。
具体地,本实用新型所述的均衡电路其基本工作原理为:
当充电时,各均衡包MCU通过采集到的数据,以决定各均衡包中隔离式可控降压变换器DC/DC4的使能与否,来消除各电池包的电压差异;以决定隔离式可控升压变换器DC/DC2的使能,或泄流继电器JR的使能,加上继电器组中继电器的使能与否,来消除单个电池包中电池单体的电压差异;
当放电时,各均衡包MCU通过采集到的数据,以决定隔离式可控升压变换器DC/DC1的使能,加上继电器组中继电器的使能与否,来对电池组中相关电压偏低的电池单体进行实时补充工作电流,达到延长其工作时间的目的;
电池组不处于充、放电状态时,均衡系统不工作。
本实用新型的有益效果是:
(1)防止了电池组中电池单体的过充过放。当以电池组总电压作为充放电管理的标准参数,当充电时,即使电池组总电压未上升到充电标准电压时,由于各电池单体电压的不一致性,可能已有部分电池单体的电压已达到或超过其电池单体电压上限,从而造成电池单体过充现象;当放电时,即使电池组总电压未下降到放电标准电压时,可能已有部分电池单体电压已达到或低于其电池单体电压下限,从而造成电池单体过放现象。采用本实用新型技术方案,可在充放电的同时,实时在线进行均衡,有效避免了电池组的电池单体过充过放。
(2)提高了电池组容量利用率。本实用新型技术实时均衡电流大,能量转移速率高,在电池组充放电时能够让电池组中各电池单体电压基本同步达到其电压上、下限,理论上电池组容量利用率达100%,如果加上辅电池的容量(可扩容),电池组利用系数可以超过1.0,均衡系统起到了增容效果。
(3)减小了能量转换损失。本实用新型技术为充放电时在线均衡,采用的是分流和汇流方法。充电时均衡模块吸收电池组中相关电池单体中的充电电流,放电时均衡模块供给的电流直接供至负载。充放电时均衡模块中辅电池与电池组中电池单体基本没有直接的能量转换,从而减小了能量转换中产生的损失。
(4)延长了主电池组使用寿命。均衡模块中辅电池与主电池组中相关电池单体的并联汇流分流工作方式,可以使主电池组中相关电池单体在充放电过程中不会发生过载运行,热失控小,从而保证了主电池组的运行稳定性和延长了相关电池单体的使用寿命。
(5)降低了电池组组合难度。多串多并的电池组在电池单体组合配对时,正常情况下,需要进行必要的测容测阻过程,麻烦费时。应用本专利技术后,由于均衡模块可以作为电池组中任意一个电池单体的加数或减数,从而无需对电池组中电池单体进行精细化的组合选配,降低了电池组的生产时间及难度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是电池组与均衡模块连接的基本构成。
图2是单个电池包与单个均衡包的基本电路结构图。
图3是单个均衡包中均衡包MCU的基本输入输出结构图。
图4是整个均衡模块中辅电池及扩容电池并联连接示意图。
图中:1.电池组,2.均衡模块,21.电池包,22.均衡包,23.辅电池,31.使能开关组。
具体实施方式
现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图,仅以示意方式说明本实用新型的基本结构,因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
如图1所示,本实用新型的一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路,包括电池组1、连接线缆、过渡端子盒、均衡模块2和电池管理系统BMS。其中,电池组1因为串联的级数较多,可以人为地等分为N个电池包,分别用电池包1、电池包2……电池包N表示。具体地,以每个电池包为单元,引出一根连接线缆,如连接线缆1、连接线缆2……以至连接线缆N。每根连接线缆连接至一个对应均衡包,如均衡包1、均衡包2……以至均衡包N。为维护方便,连接线缆进入均衡包前经过一个过渡端子盒。具体地,所述的全部均衡包组合成均衡模块2。具体地,电池管理系统BMS与电池组1的电池组通信口连接,与各均衡包的均衡包MCU直接通信。
如图2所示,通过一个具体的电池包21和均衡包22的电路简图,以阐述均衡电路的基本工作原理。图中,假设电池包21中串联的电池单体串数为M,则电池包21由电池单体B1、B2……以至BM串联而成。从全部电池单体的正负极引线至均衡包22中,按图可知,如电池串联级数为M,则连接线的根数为M+1。其中,电池单体B1的正端和电池单体BM的负端通过连接线进入均衡包22中的隔离式可控降压变换器DC/DC4入口端,隔离式可控降压变换器DC/DC4使能时,辅电池23将被充电。
具体地,电池包21中电池单体B1、B2……以至BM与均衡包22中继电器J1、J2……以至JM一一对应,每电池正端与继电器触点出口正端连接,电池负端与继电器触点出口负端连接。所述继电器J1、J2……以至JM组成继电器组,继电器组中所述继电器的触点入口正端全部短接,负端同样短接,其构成继电器总线。
具体地,继电器总线通过泄流继电器JR触点连接一只功率电阻R,构成泄流回路。
具体地,继电器总线通过隔离式可控升压变换器DC/DC1连接辅电池23,隔离式可控升压变换器DC/DC1使能时,辅电池23将向继电器总线供电;
具体地,继电器总线通过隔离式可控升压变换器DC/DC2连接辅电池23,隔离式可控升压变换器DC/DC2使能时,继电器总线上可能存在的电能将使辅电池23被充电;
具体地,辅电池23由多只同样性能的电池单体并联而成,其容量大小视电池组1的容量和工况而定。辅电池23除了与隔离式可控升压变换器DC/DC1、隔离式可控升压变换器DC/DC2、隔离式可控降压变换器DC/DC4连接外,还连接至隔离式升压变换器DC/DC3,隔离式升压变换器DC/DC3用以供应均衡包22内全部用电单元,具体如均衡包MCU等。
具体地,辅电池23正负两极还连接两只对外的接线端子,构成电池端口。
具体地,均衡包22中均衡包MCU与电池组1的电池管理系统BMS由通信线连接,以采集所需的相关数据。
图3中,每个均衡包MCU连接的基本输入信号有:电压检测、电流检测、温度检测。其中,电压检测既可以是简单的只检测辅电池23的电压,也可以通过电池包21来的线缆上检测电池包21中电池单体的电压。当包含有电池包21中电池单体的电压检测时,理论上均衡包22可以脱离开与电池组BMS的通信,进行自主均衡策略。其中,电流检测主要是检测均衡时的电流大小,防止过电流造成对继电器等元件器的损伤。其中,温度检测指测量均衡包22内平均温度,温度过高时将停止均衡或减小均衡频次。
图3中,每均衡包22中均衡包MCU连接的基本输出通过各使能开关来控制各元器件,具体包括:隔离式可控升压变换器DC/DC1,隔离式可控升压变换器DC/DC2,隔离式可控降压变换器DC/DC4,J1、J2……以至JM各继电器线圈以及泄流继电器JR线圈。各使能开关组合成使能开关组31。
图4中,简单示意了均衡模块2中各均衡包22内辅电池23的并联连接方式。具体地,均衡包1、均衡包2以至均衡包N中辅电池23通过电池端口的接线端子,并联连接,如此得以更加保证均衡时能量的供给,防止了某均衡包22对应电池包21需要更多均衡电能时单独均衡包中辅电池23能量不足的问题。更加地,如果电池组1在运行一定的时间后需要更加频繁地进行均衡时,通过并联一组扩容电池来予以额外的能量补充。
本实用新型所述的一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路的控制方法,其具体实施方法之一为:
1、在单一均衡包22中,还包括充电均衡和放电均衡,均衡包22在充放电时任一时刻最多只允许闭合继电器组中某一只继电器,并使能隔离式可控升压变换器DC/DC1或隔离式可控升压变换器DC/DC2或泄流继电器JR,以对该继电器对应的电池单体回路中电流进行汇流或分流;
均衡包22充电均衡的控制方法涉及的控制对象包括继电器组、隔离式可控升压变换器DC/DC2、泄流继电器JR,控制逻辑如下:
(1)当电池组1充电时,均衡包MCU内设一个周期120秒,脉宽30秒的脉冲,脉宽期间为均衡使能期,周期的其它期间为等待期;等待期间,均衡包MCU采集其对应电池包21中全部电池单体的电压值,选取电压最高的电池单体,作出标记,当脉宽来临时,如辅电池23电压未达上限,均衡包22内温度未达报警限,则使能该电池单体对应的继电器组继电器,并使能变换器DC/DC2,电压最高的电池单体两端充电电流将分流一部分进入辅电池23,脉宽结束,全部使能中止,均衡包MCU再次采集对应电池包21中全部电池单体的电压值,作出下一个充电均衡策略;
(2)当电池组1充电时,充电均衡的循环执行过程中,若辅电池23电压已达上限,均衡包22内温度未达报警限,则均衡策略中使能对象由隔离式可控升压变换器DC/DC2更改为泄流继电器JR;
(3)当电池组1充电时,充电均衡的循环执行过程中,若均衡包22内温度达到报警限,则中止一次充电均衡策略,在下一个循环中重新检测;
均衡包22放电均衡的控制方法涉及的控制对象包括继电器组、隔离式可控升压变换器DC/DC1,控制逻辑如下:
(1)当电池组1放电时,若辅电池23电压值高于工作量程的40%,均衡包MCU内设一个周期60秒,脉宽30秒的脉冲,脉宽期间为均衡使能期,周期的其它期间为等待期;等待期间,均衡包MCU采集其对应电池包21中全部电池单体的电压值,选取电压最低的电池单体,作出标记,当脉宽来临时,如均衡包22内温度未达报警限,则使能该电池单体对应的继电器组继电器,并使能隔离式可控升压变换器DC/DC1,电压最低的电池单体两端放电电流将由辅电池汇流入一部分,脉宽结束,全部使能中止,均衡包MCU再次采集对应电池包21中全部电池单体的电压值,作出下一个放电均衡策略;
(2)当电池组1放电时,放电均衡的循环执行过程中,若辅电池23电压已低于工作量程的40%,且均衡包MCU采集其对应电池包21中全部电池单体的电压值未低于其工作量程的10%,则中止一次放电均衡策略,在下一个循环中重新检测;
(3)当电池组1放电时,放电均衡的循环执行过程中,若辅电池23电压已低于工作量程的40%,且均衡包MCU采集其对应电池包21中全部电池单体的电压值有低于其工作量程的10%的,则选取电压最低的电池单体,作出标记,当脉宽来临时,执行一次放电均衡策略,直至下一个循环;
(4)当电池组1放电时,放电均衡的循环执行过程中,若均衡包22内温度达到报警限,则中止一次放电均衡策略,在下一个循环中重新检测;
(5)当电池组1放电时,若辅电池23电压低于其工作量程的10%,终止放电均衡;
2、在均衡模块2中,包括对各电池包21的充电均衡控制方法,均衡模块2在电池组1充电时各均衡包MCU通过采集比较电池组1中各电池包21的电压值,来控制各均衡包22中隔离式可控降压变换器DC/DC4的使能状态,控制逻辑如下:
当电池组1充电时,均衡模块2各均衡包MCU内设一个周期120秒,脉宽60秒的脉冲,脉宽期间为均衡控制期,周期的其它期间为等待期,等待期间,各均衡包MCU与电池管理系统BMS通信采集到电池组1中各电池包21电压值,各均衡包MCU比较本均衡包22对应电池包21电压与其它电池包21电压的高低,
(1)若辅电池23电压低于其工作量程的60%,则本均衡包22内隔离式可控降压变换器DC/DC4正常为使能位,辅电池23将被充电,若周期的等待期中本均衡包22对应电池包21电压被检测为最低,则脉宽期间中止本均衡包22内隔离式可控降压变换器DC/DC4的使能,脉宽结束时恢复使能,进入下一个循环;
(2)若辅电池23电压高于其工作量程的60%,则本均衡包22内隔离式可控降压变换器DC/DC4正常为停止使能,若周期的等待期中本均衡包22对应电池包21电压被检测为最高,则脉宽期间使能本均衡包22内隔离式可控降压变换器DC/DC4,辅电池23将被充电,脉宽结束时恢复停止使能,进入下一个循环;
(3)若辅电池23电压高于其工作量程的90%,或者均衡包22内温度检测为异常,则随时中止本均衡包22内隔离式可控降压变换器DC/DC4的使能,以至进入下一个循环;若检测到电池组1不在充电状态,随时中止隔离式可控降压变换器DC/DC4的使能,中止脉冲输出。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内,进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (1)
1.一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路,其特征在于:包括电池管理系统BMS、电池组、连接线缆、过渡端子盒和均衡模块,所述电池管理系统BMS与电池组之间通过电池组通信口连接;
所述电池组包括多个串联的电池包,所述均衡模块包括多个均衡包,所述均衡包的数量与电池包的数量相同,且所述电池包通过连接线缆和过渡端子盒与均衡包一一对应连接;
每个所述电池包由多个电池单体串联而成,所述均衡包包括继电器组、辅电池、隔离式可控升压变换器DC/DC1、隔离式可控升压变换器DC/DC2、隔离式升压变换器DC/DC3、隔离式可控降压变换器DC/DC4、泄流继电器JR、功率电阻R以及均衡包MCU,所述继电器组包括多个继电器,所述继电器的数量与每个电池包中电池单体的数量相同且一一对应连接,每个电池单体的正负极分别与一个继电器正负触点出口端连接,所有继电器正触点入口端全部短接构成继电器总线的正极端,且负触点入口端全部短接构成继电器总线的负极端;
所述继电器总线分别连接隔离式可控升压变换器DC/DC1出口端、隔离式可控升压变换器DC/DC2入口端以及泄流继电器JR触点入口端;所述泄流继电器JR触点出口端连接功率电阻R;所述隔离式可控升压变换器DC/DC1的入口端与辅电池正负极连接;所述隔离式可控升压变换器DC/DC2的出口端与辅电池正负极连接;
所述辅电池连接隔离式升压变换器DC/DC3的入口端,隔离式升压变换器DC/DC3的出口端连接均衡包MCU电源端,所述均衡包MCU与电池管理系统BMS用通信线进行连接;
所述电池包的正极连接隔离式可控降压变换器DC/DC4的入口端正极,电池包的负极连接隔离式可控降压变换器DC/DC4的入口端负极,所述隔离式可控降压变换器DC/DC4的出口端正负极分别与辅电池正负极连接;
所述辅电池正负极连接电池端口,所述电池端口与其它均衡包的电池端口通过导线进行并联连接,再并联一组扩容电池;
所述均衡包MCU用于通过功能元器件采集辅电池电压、充放电电流以及均衡包内环境温度,并通过通信线与电池管理系统BMS通信,采集电池组中电池单体的电压参数和电池组工作状态;
所述均衡包MCU还用于通过采集的数据进行逻辑运算,得出处理结果,来控制隔离式可控升压变换器DC/DC1、隔离式可控升压变换器DC/DC2、隔离式可控降压变换器DC/DC4、继电器组中各继电器以及泄流继电器JR是否处于工作状态。
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Cited By (1)
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CN108667107A (zh) * | 2018-07-17 | 2018-10-16 | 中天钢铁集团有限公司 | 一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路及控制方法 |
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2018
- 2018-07-17 CN CN201821133100.1U patent/CN208461514U/zh active Active
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CN108667107A (zh) * | 2018-07-17 | 2018-10-16 | 中天钢铁集团有限公司 | 一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路及控制方法 |
CN108667107B (zh) * | 2018-07-17 | 2024-05-28 | 中天钢铁集团有限公司 | 一种包含辅电池的蓄电池组均衡电路及控制方法 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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GR01 | Patent grant | ||
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