CN208862075U - 一种智能电池组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种智能电池组，该智能电池组由电池组外壳和电芯构成，与现有技术中用铜排或导线连接电芯的方式不同，实用新型采用电子开关进行电芯之间的连接，并由控制电路控制电子开关的转换，使同一电池组可以在控制电路的控制下，达到不同的串并联方式，可以在充电时将所有电芯并联到电源的正负极上，在放电时恢复电池组正常工作状态的串并联形式，而且同一电池组可以组成不同的额定输出电压和容量的电池组。必要时还可短路或断路已经失效的电芯，保证电池组安全正常工作。

Description

一种智能电池组

技术领域

本实用新型专利涉及一种智能电池组，特别是一种锂离子智能电池组。

背景技术

目前移动电子设备一般采用电池作为电源，由于单个电池的功率较小，其输出电压和容量很难满足负载要求，所以通常采用将若干个单体电池(以下简称电芯)用铜排或导线串并联，装入电池组外壳，组成电池组给电子设备供电。小容量的电池组一般单个电芯的容量足够，仅仅是电压不够，那么只需将若干个电芯串联，组成一个串联电池组件，使之串联后的电压达到负载要求即可。若电池组要求的容量较高，那么还需要将若干个串联后的串联电池组件并联，使并联后的容量满足负载要求，当然高容量电池组内部连接也可以先并联再串联，其电压和容量满足负载要求即可，不一定先串联再并联，只要并联满足容量要求，串联满足电压要求，具体的连接方式可以自由选择。由于电池组是由多块电池串并联组成，所以当电池组充放电时，由于组成电池组的电芯充放电曲线有差异，在充电时，难免有个别电芯有过充或欠充现象。有过充或欠充现象的电芯，尤其是过充，其寿命大大低于正常充电时的电芯寿命，在放电时，也难免有个别电芯有过放现象，其寿命大大低于正常放电时的电芯寿命，这种过充和过放，使电池组提前报废，以致整个电池组的寿命达不到预计的寿命。

为了避免该缺陷，目前电池制造行业对电池组的充电采取了各种不同均衡充电的措施，尽可能的使个别电芯避免过充或欠充。最简单的方法是电池配对，对同一电池组的电芯进行挑选，使之充放电曲线尽可能一致，但此方法一方面成本高，另一方面，毕竟是尽可能一致，其中还是有差异的，长期工作后，还是会有个别电芯提前失效。例如笔记本电脑的6芯电池组，为了保证充放电曲线尽可能一致，可能要在近百块电芯中才能挑选出一组6个电芯，其测试和挑选的费用要大大超出电芯本身的费用，所以笔记本电脑的6芯电池组的售价，是6个单个电池总价的几倍到几十倍，一组电芯充放电曲线误差越小，其电池组寿命越长，当然测试和挑选的成本越高，以几何曲线增长。误差小于1％电芯与误差小于2％电芯相比，其测试和挑选的费用远不止一倍。即使这样，假如单个电芯的充放电寿命是500个循环，电池组的寿命可能只有200～300个循环，所以由寿命最少3年的电芯组成的电池组，寿命可能只有一年左右。而且我们拆开并检测笔记本电脑的电池组，发现并不是所有的电芯失效，一般只是一块电芯失效，从而导致整个笔记本电脑的电池组的失效。

图1和图2是常规电池组的两种连接方式，图1是4个电芯串联为一组，然后再并联，图2是电芯两两并联后再串联。假设每个电芯的额定输出电压为4V，容量为10AH(为了便于说明和计算电池组的容量，以下所有附图中电芯均假设额定输出电压为4V，容量为10AH)。两种连接方式都是额定输出电压16V,容量为20AH。图1中任意一个电芯断路，如A1断路，A组将没有输出，电池组的输出电压16V不变,容量变成为10AH，若图1中任意一个电芯短路，如A1短路(忽略因为短路造成电芯爆炸起火的因素)，A组电压为12V,而B组电压为16V,于是B组将向A组充电，直至两组电芯电压一致，假设是14V，这时A组电芯将出现过充。图2中任意一个电芯断路，如A1断路，A1和B1电压还是4V，但容量成为10AH而不是20AH，电池组的输出电压16V不变。若图2中任意一个电芯短路，如电芯A1短路(忽略因为短路造成电芯爆炸起火的因素)，电芯A1和B1都将短路，电池组成为12V,容量为20AH。所以在常规电池组的两种连接方式中，一个电芯断路，只不过是容量减少，电池组还可以在工作时间减少的情况下工作。但一个电芯短路，不要说短路容易造成电芯爆炸起火，而且图1中A组电芯短路将出现过充，图2中电池组短路，电芯A1和B1都将短路，基本上整个电池组失效。所以任意一个电芯断路，有并联电芯的常规电池组还勉强可以使用(串联电芯的常规电池组将断路，没有输出)，任意一个电芯短路，电池组基本失效，而且电芯短路还容易引起电芯爆炸起火。但由于常规的电池组是用铜排连接，外壳密封，一旦出现短路，即使电芯不爆炸起火，电池组也基本报废。若两个以上电芯短路，电池组绝对报废。

现有技术中，除了铅酸电池，由于维护的需要，连接电芯的铜排或导线裸露在外部。镍铬电池、镍氢电池和锂电池均将电芯和连接电芯的铜排或导线密封在电池组外壳中，即电池组一旦完成封装，其连接方式就固定了,无法根据充放电的不同要求变更其连接方式。

实用新型内容

本实用新型目的是为解决现有技术中存在的问题而提出一种智能电池组，实用新型用电子开关取代现有技术中用铜排或导线连接电芯的方式，在正常使用时，电池组与常规铜排或导线连接的输出状态一样。充电时，由控制电路使电子开关自动转换连接方式，将所有电芯并联到电源的正负极上。使电池组充电时能对每一块电芯单独充电，防止由于单个电芯的过充或欠充，使得整个电池组提前失效，放电时电子开关自动转换连接方式，使电池组变回电池组原有的连接电芯的方式，达到设计的容量及输出电压。

本实用新型提出一种智能电池组，该智能电池组包括电池组外壳和电芯，电芯由电子开关连接。与现有技术中用铜排或导线连接电芯的方式不同，实用新型采用电子开关替代原有的铜排或导线进行电芯之间的连接，这样，电池组在放电状态，即正常工作时，与常规的电池组工作方式完全一样。实用新型还设置了控制电路，电子开关由控制电路控制。由控制电路控制电子开关的转换，使同一电池组可以在控制电路的控制下，达到不同的连接方式，可以在充电时将所有电芯并联到电源的正负极上，在放电时恢复电池组正常工作状态原有的电连接形式。而且由于控制电路可以控制电子开关的连接方式，所以同一电池组还可以组成不同的额定输出电压和容量的电池组。必要时还可短路或断路已经失效的电芯，保证电池组安全正常工作。

电子开关可选自大功率三极管、场效应管、可控硅、继电器或接触器等器件中的至少一种，电子开关优选采用可以调整电流的器件，如大功率三极管、场效应管等，以便根据电芯充放电要求，调整充放电电流，达到最佳充放电效果。电子开关可以设置在控制电路的电路板上，通过导线分别将电路板上的控制接点接在每个电芯的正负极上。也可以在电芯上至少串联或并联一个电子开关，组成模块式的电芯组件，电芯组件还可以包括温度传感器、电流传感器或电压传感器中的至少一种，便于控制电路根据电芯的应用情况对充放电电流进行控制。

控制电路可采用可编程控制器、单片机等单元电路，根据负载和电池组，灵活对电子开关进行控制。控制电路可包含或替代电池组的保护电路。若电子开关采用可以调整电流的器件，并且电芯组件包括温度传感器、电流传感器或电压传感器等传感器，那么控制电路完全可以取代电池组的保护电路，对电池组进行充放电电流限流及过压、欠压、短路、过载和过热等保护措施。若仅仅对电子开关进行转换控制，也可以与原来的保护电路合为一体，组成电子开关控制和电池组保护的一体化电路。

在电池组放电时，即正常工作状态，电子开关代替常规电池组连接电芯的铜排或导线，可以按照电池设计的额定输出电压和容量输出电能。当然也可以在设计时，确定几个不同的额定输出电压和容量，以便根据负载的要求选择。当电子开关采用可以调整电流的器件，并且电芯组件包括温度传感器、电流传感器或电压传感器等传感器，电池组放电时，控制电路可根据电芯性能对电池组的放电电流进行限流及控制，达到最佳的放电效果，当其中任何一个电芯到达最低放电电压时，控制电路关断整个电池组的输出，避免了个别电芯的过放，保护电池组不会损坏。该智能电池组还可根据传感器的参数智能判断失效电芯，短路或断路已经失效的电芯，保证电池组安全正常工作。

在电池组充电时，控制电路通过电子开关将电池组所有电芯与充电电源并联，将所有电芯的正极连接在电源正极，所有电芯负极连接在电源负极，电源分别给各个电芯直接充电，若有个别电芯先充满电荷，电子开关将关断该路电流，直至所有电芯充满电荷，控制电路才关断所有电芯的充电电流，使充电结束。这样就保证电池组完全充满时，避免出现个别电芯出现过充或欠充，大大延长了电池组的寿命。当电子开关采用可以调整电流的器件，并且电芯组件包括温度传感器、电流传感器或电压传感器等传感器，电池组充电时，控制电路可根据电芯充电要求，对充电电流进行限流及控制，达到最佳的充电效果。由于充电模式是循环使用电池组的重要功能，所以可以在实用新型的控制电路中设计一键充电的功能，一旦启用该功能，说明已经进入充电模式，实用新型将自动将电池组所有电芯与电源并联，并自动断开电池组的输出。当然也可以在控制电路中设置自动检测充放电状态的电路，比如检测到充电口的电压高于电池组最高电压，即可认为此时电池组处于充电状态，控制电路自动将电池组所有电芯并联，将所有电芯的正极连接在电源正极，所有电芯负极连接在电源负极。所以本实用新型的充电模式相当于电源分别给各个电芯直接充电，所以电池组的寿命与电芯寿命几乎是同样长。

本实用新型的优点在于：

1、由于使用电子开关，可以在充放电时采用不同的连接方式，充电时将所有电芯并联，避免个别电芯过充或欠充,放电时恢复电池组原有的电芯连接模式，达到电池组的设计指标，甚至可以变换原有的电芯连接模式，组成新的电池组输出特性。2、采用调整充电电流的电子开关，调整充电电流，达到最佳充电效果。3、自动控制的控制电路，根据传感器的参数及负载情况，灵活对电子开关进行控制，以达到最佳的充放电状况，并对电池组进行保护。4、可以将失效的电芯短路或开路，避免个别电芯故障影响整个电池组的使用及安全。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了常规电池组8个电芯4串2并示意图；

附图2示出了常规电池组8个电芯2并4串示意图；

附图3示出了根据本实用新型实施方式中电芯组件包含一个双极开关的充电状态示意图；

附图4示出了根据本实用新型实施方式中电芯组件包含一个双极开关的放电状态示意图；

附图5示出了根据本实用新型实施方式中电芯组件包含两个串联开关的使用不同充电口的充电状态示意图；

附图6示出了根据本实用新型实施方式中电芯组件包含两个串联开关的4串2并使用不同充电口的放电状态示意图。

附图7示出了根据本实用新型实施方式中电芯组件包含两个串联开关的2串4并放电状态示意图。

附图8示出了根据本实用新型实施方式中电芯组件包含1个三态电子开关和1个串联开关的充电状态示意图。

附图9示出了根据本实用新型实施方式中电芯组件包含1个三态电子开关和1个串联开关的放电状态示意图。

附图10示出了根据本实用新型实施方式中电芯A1和A4失效时，通过重新进行串并联，使电池组输出电压降额使用的示意图。

附图11示出了根据本实用新型实施方式中电芯A1和A4失效时，通过重新进行串并联，使电池组容量降额使用的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。例如附图中采用了6个或8个电芯组件组成一个电池组，实际上根据负载要求，可以采取任意个电芯组件组成电池组，也可以不采用电芯组件，直接将电子开关安装在电路板上。附图中的电芯连接方式，为了表示清楚，限定了具体的串联、并联方式及假定的电芯额定输出电压和容量，为了实现实用新型的功能，也可以采用其他的连接方式实现，电芯额定输出电压和容量可根据需求配置。电子开关也不限于附图中所涉及的种类。附图中为了表述方便，在同一附图中，采用了相同的电芯组件，根据需要可以采用两个以上不同构造的电芯组件，甚至可以不采用电芯组件，直接用电芯与不同的电子开关连接。

根据本实用新型的其中一实施方式，本实用新型提出一种智能电池组，该智能电池组包括电池组外壳和电芯，所述的电芯由电子开关连接。并且作为进一步的改进，电子开关由控制电路控制。常规电池组的电芯之间由铜排或导线连接，一旦电池组组装完毕，将电池组外壳封闭后，电池组的连接方式就固定了，很难轻易变动。本实用新型采用电子开关连接电芯，并用电子电路控制，使得电池组在充电时，由电源分别对每一个电芯单独充电，某个电芯充满时，自动断电，直至所有电芯充满电荷，不会产生个别电芯过充或欠充。电池组放电时，控制电路自动控制，电子开关恢复电池组原有电芯连接方式，使电池组满足负载的要求。必要时可以变换电池组的连接方式，这样同一个电池组可以根据电子电路的控制，使输出状态呈现不同的电压和容量，即使个别电芯失效，也可短路该电芯，不影响整个电池组工作。

根据本实用新型的其中一改进的实施方式，本实用新型的电子开关，可采用大功率三极管、场效应管、可控硅、继电器、接触器等元器件，电子开关优选采用可以调整电流的器件，如大功率三极管、场效应管等，以便根据电芯充电要求，调整充电电流，达到最佳充电效果。

根据本实用新型的其中一改进的实施方式，本实用新型的控制电路，可采用可编程控制器、单片机等单元电路，根据负载和电池组，灵活对电子开关进行控制。

根据本实用新型的其中一改进的实施方式，本实用新型的电芯组件还包括温度传感器、电流传感器或电压传感器中的一种，可以将有关参数提供给自动控制的控制电路，最佳地控制充电或放电电流，并在出现故障时对电芯或电池组进行保护，限制充放电电流和对电池组进行短路、过载和过热等保护。控制电路不单纯是电芯连接的控制器，也是电池组的保护板。

参照图3和图4，图3和图4是本实用新型的其中一实施例的智能电池组示意图。图3和图4中，电芯组件由电芯和与电芯连接的双极电子开关组成，虚线框内是电芯组件，该电芯组件有4个输入输出接口，分别是Vcc、GND、+、-，其中Vcc、GND接充电电源的正负极，+、-，是电芯的正负极。(以下附图电芯组件的线框表示方法及4个输入输出接口定义均与图3和图4相同)。

图3是实用新型采用双极电子开关时的充电状态，这时双极电子开关接通1脚，使充电电源与每个电芯均并联，直接给各个电芯直接充电，当然这时若是作为输出状态也可以，电池组形成4V,容量为60AH的输出。

图4是实用新型采用双极电子开关时的放电状态，这时双极电子开关接通2脚，使得电芯A1～A6串联，使得电池组形成24V,容量为10AH的输出。

参照图5中附图A和附图B、图6中附图A和附图B、图7，其均是本实用新型的其中一实施例的智能电池组示意图。附图5-7中的电芯组件由电芯和与电芯的正负极分别串联的2个电子开关组成。

图5中图A和图B是根据本实用新型实施方式中电芯组件包含两个串联开关的充电状态示意图，其中K1连接到Vcc，K2连接到GND，使8个电芯均并联，电池组这时形成了额定电压4V，容量80AH的电池组，作为充电状态，可以分别对每个电芯单独充电，避免个别电芯过充或欠充。区别是图5A充电口和放电口是同一个，而图5B充电口和放电口分别设置，充电口是Vcc和GND，放电口是+、-。

图6A和图6B中K1连接到+，K2连接到-，使8个电芯中形成两个电池组件(电芯A1～A4所在的电芯组件形成一电池组件，电芯B1～B4所在的电芯组件形成另一电池组件)，两个电池组件并联，电池组这时形成了额定电压16V，容量20AH的电池组。区别是图6A充电口和放电口是同一个，而图6B充电口和放电口分别设置，充电口是Vcc和GND，放电口是+、-。

图7中电子开关连接方式与图5、图6不同，使8个电芯组件形成4个由2个电芯组件串联的电池组件(电芯A1和A2，电芯A3和A4，电芯B1和B2，电芯B3和B4所在的电芯组件分别形成一电池组件)，这4个电池组件并联，电池组这时形成了额定电压8V，容量40AH的电池组。图7中充电口和放电口是同一个，也可分别设置。

参照图8、图9、图10和图11，图8、图9、图10和图11是本实用新型的其中一实施例的智能电池组示意图。4个附图的电芯组件均包含1个三态电子开关和1个串联开关，其中三态电子开关的1脚和3脚，分别由高电平和低电平驱动连接，三态电子开关的2脚是高阻输出，相当于断路。图8、图9、图10和图11中充电口和放电口是同一个，也可分别设置。

图8是包含1个三态电子开关和1个串联开关的充电状态示意图，三态电子开关K1连接到Vcc，电子开关K2连接到GND，使8个电芯均并联。

图9示出了根据本实用新型实施方式中电芯组件包含1个三态电子开关和1个串联开关的放电状态示意图。三态电子开关K1连接到2脚，电子开关K2连接到-脚，使8个电芯中形成两个电池组件(电芯A1～A4所在的电芯组件形成一电池组件，电芯B1～B4所在的电芯组件形成另一电池组件)，两个电池组件并联，电池组这时形成了额定电压16V，容量20AH的电池组。

现有技术中，若一个电芯失效，基本上电池组报废，2个以上电芯失效，是绝对报废。附图10和图11，是根据负载需要，对电池组进行降额，使用不同连接方式，使电池组能继续工作。

图10示出了根据本实用新型实施方式中电芯A1和A4失效时，通过重新进行串并联，使电池组输出电压降额使用的示意图。在负载对电压不敏感，而对电流要求高时，按照图10电子开关的连接方式，使A2、A3和B4串联，形成一个额定电压12V，容量10AH的电池组件，B1、B2、B3串联，也形成一个额定电压12V，容量10AH的电池组件，并联后成为额定电压12V，容量20AH的电池组，其额定电压为完好电池组的75％，容量不变，即输出电流不变。

图11示出了根据本实用新型实施方式中电芯A1和A4失效时，通过重新进行串并联，使电池组容量降额使用的示意图。在负载对电压要求高，而对电流要求不敏感时，按照图11电子开关的连接方式，使其中一电池组件(电芯A1～A4所在的电芯组件形成的电池组件)完全断开，只用另一电池组件(电芯B1～B4所在的电芯组件形成的电池组件)，成为额定电压16V，容量10AH的电池组，这时电池组容量为完好电池组的50％，容量不变。当负载允许时，甚至可以再将A2、A3串入电池组，成为额定电压20到24V，容量10AH的电池组。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种智能电池组，该智能电池组包括电池组外壳和电芯，其特征在于：所述的电芯由电子开关连接。

2.根据权利要求1所述的智能电池组，其特征在于：所述电子开关由控制电路控制。

3.根据权利要求1所述的智能电池组，其特征在于：所述的电芯至少串联或并联一个电子开关，组成电芯组件。

4.根据权利要求2所述的智能电池组，其特征在于：所述的电芯至少串联或并联一个电子开关，组成电芯组件。

5.根据权利要求1所述的智能电池组，其特征在于：所述电子开关选自大功率三极管、场效应管、可控硅、继电器或接触器中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的智能电池组，其特征在于：所述电子开关选自大功率三极管、场效应管、可控硅、继电器或接触器中的至少一种。

7.根据权利要求3或4所述的智能电池组，其特征在于：所述电子开关选自大功率三极管、场效应管、可控硅、继电器或接触器中的至少一种。

8.根据权利要求2所述的智能电池组，其特征在于：所述控制电路包括可编程控制器或单片机。

9.根据权利要求4所述的智能电池组，其特征在于：所述控制电路包括可编程控制器或单片机。

10.根据权利要求6所述的智能电池组，其特征在于：所述控制电路包括可编程控制器或单片机。

11.根据权利要求3或4所述的智能电池组，其特征在于：所述电芯组件还包括温度传感器、电流传感器或电压传感器中的至少一种。