CN2598788Y - 用于驱动电动车的锂二次电池组的充放电管理装置 - Google Patents

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CN2598788Y CNU022495924U CN02249592U CN2598788Y CN 2598788 Y CN2598788 Y CN 2598788Y CN U022495924 U CNU022495924 U CN U022495924U CN 02249592 U CN02249592 U CN 02249592U CN 2598788 Y CN2598788 Y CN 2598788Y
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杨海珊
严岳清
王传福
祖波
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Abstract

本实用新型涉及用于驱动电动车的锂二次电池组的充放电管理装置，它由电源模块，串放、并充转换控制模块，一次保护电路模块，采样电路及二次保护电路模块，单片机控制系统模块，液晶显示模块和锂二次电池组成；具有保证电池充满电，充电速度快，使用方便，安全可靠，不过充，且能防止电池发热等特点。

Description

用于驱动电动车的锂二次电池组的充放电管理装置
技术领域
本实用新型涉及电动车的动力电池控制装置，尤其是用于驱动电动车的锂二次电池组的充放电管理装置。
背景技术
目前电动车所使用的动力电池常见的是铅酸蓄电池，其缺点是寿命较短、重量及体积比能量低、体积较大、对环境有污染。虽然有一部分升级被镍镉电池或镍氢电池所替代，但仍存在上述方面的问题；随着锂二次电池在通讯领域使用的成功，业界已开始研究在电动交通工具上使用锂二次电池作为驱动电源。一般来说，供电动自行车使用的二次电池以串联为24V或36V二种规格使用，相应的锂二次电池为7节和10节，而目前已知的锂二次电池组合使用是采用电池串联充电、放电。虽然串联充电方式较容易实现，但是锂二次电池采用串联充电方式存在以下几个问题：1、安全问题：锂二次电池安全电压为4.5V以下，采用串联充电，如保护电路失效，锂二次电池电压极易超过安全电压而产生爆炸；2、充不满电：锂二次电池如采用串联充电，当其中一节电池电压超过上限保护电压时，其控制电路将切断充电电路，从而影响其他电池充满电。
发明内容
本实用新型针对要解决上述问题而提供一种用于驱动电动车的锂二次电池组的充放电管理装置，其特点为采用并联方式充电且使用安全。
它由电源模块，串放、并充转换控制模块，一次保护电路模块，采样电路及二次保护电路模块，单片机控制系统模块，液晶显示模块和锂电池组成。
电源模块共有三组电源：一为程控开关电源，提供充电电压；二为5V直流电源，提供给单片机及其控制电路；三为15V的直流电源，供串放、并充转换控制使用。
串放、并充转换控制模块是由MOS管及外围元件组成一开关电路，从而方便的控制电池为串联状态或并联状态。
一次保护电路模块是使用专用的锂电池保护IC，保护电池过充电、过放电。
采样电路及二次保护电路模块的采样电路为采用MOS管元件和光隔元件，解决不共地的问题，使单片机能检测到每个电池的电压和充电电源电压；二次保护电路是重复保护电池的过充电、过放电，通过单片机和采样电路检测电池的状态，当电池放到下限电压时，将切断放电回路，防止电池过放；充电时，单片机和采样电路检测充电电源，如异常则关断充电电源。
单片机控制系统模块通过控制程控充电电源、控制电池的串联和并联、检测到每个电池的电压值和充电电源电压并做相应的处理，同时与液晶显示模块串行通信，显示电池的容量和指示出那节电池需要更换。
附图说明：
图1为本实用新型的整体方框图；
图2为本实用新型的电源模块电原理图；
图3为本实用新型的串放、并充转换控制模块电原理图；
图4为本实用新型的一次保护电路模块电原理图；
图5为本实用新型的采样电路及二次保护电路模块电原理图。
具体实施方式：
电动自行车电池有24V和36V二种规格，相应的锂二次电池为7节和10节，由于电池节数较多，附图所示以四个电池为例说明其工作原理，结合附图对本实用新型作进一步详细描述如下：
它由电源部分，串放、并充转换控制，一次保护电路，采样电路及二次保护电路，单片机控制系统，液晶显示、锂电池七部分组成(见图1)。
电源部分(见图2)：有三个电源(VCC1、VCC2、VCC3)，其中VCC1为单独地，VCC2和VCC3共地。市电通过一种简单充电回路给系统电池充电，系统电池通过DC/DC转换1电路得到VCC1(5V)的直流电源；VCC1电源提供给单片机及其控制电路，使用系统电池就是为了在任何时候有电源供单片机及其控制电路工作，而不是仅仅在给电动电池充电时提供电源给单片机及其控制电路。同样的，通过DC/DC转换2电路得到VCC2(15V)的直流电源。VCC3(4.1V，50A)是一程控开关电源，提供给电动电池并联时的充电电源，如图2中所示，U0为单片机46R23，通过单片机控制U6模拟开关4067，选通相应的档位，如U0置ABCD为1111，则U6的X15脚输出为高电平，这时U4的光隔导通，从而A-5从低电平变为高电平，相应的程控充电电源输出为3.5V，同样通过控制U6的X11~X14将得到4.1V、4.0V、3.9V、3.7V；采用程控充电电源给并联电池充电是非常有利的，当放完电的电池需充电时，由于各电池电压不等，且电池电压较低，这时如把所有的电池并联后直接加上4.1V，电池电压最低的那一节将得到很大的冲击电流，从而损坏电池，为此通过程控充电电源，逐步提高充电电源，最后恒压在4.1V；实现理想的并联恒压充电。
串放、并充的转换控制(见图3)：实现串联放电与并联充电之间的切换是采用场效应管，采用场效应管方式使锂二次电池串联与并联之间的转换很可靠，由于场效应管为电压控制器件，功耗非常的低，几乎不损耗电池的能量，是非常理想的一个开关。当单片机U0检测到其PC1脚有高电平时(如图2中的U7，当有市电时，test为高电平)，就知有充电电源接入，这时U0给其PB7脚置高电平，让U14光隔不工作，这时中间一排MOS管(Q9、Q10、Q11)的GS端没工作电源，即MOS开关断开串联回路；然后U0给其PC0脚置低电平，让U13光隔工作，这时上下两排MOS管的GS端有工作电源，上排MOS管(Q1、Q2、Q3、Q4)把电池正端接至充电电源(+)端，下排MOS管(Q5、Q6、Q7、Q8)把电池负端接至充电电源的(-)端，实现并联充电，这时单片机控制程控充电电源，让其每隔一段后，提高一档充电电源，直到恒压在4.1V，当定时充满电后，单片机检测到其PC1脚为低电平时，就知使用者把市电关了，这时单片机通过给其PCO脚置高电平，关断上下两排MOS管，切断充电回路，然后再给其PB7脚置低电平，接通中间一排MOS管，让电池串联起来，实现串联放电。
另外电池组总存在即不充电又不使用的时候，也就是搁置，搁置久的电池有容量不等的现象，这时只要人为把图3中的S1开关合上，单片机检测到其PA4为高电平，即使没有充电电源，单片机也会断开串联回路，接通并联回路，让电池组之间相互补尝，如要使用电动车，一定要把S1断开，否则使用不了，因为单片机会把放电回路锁死。图3中，D1、D2、D3、D4的作用是防止电池在串联时接通上排MOS管，超成电池短路；因为高端电池(如B1)会通过上排MOS管的电阻(如R1)到达低端电池(如B4)的控制MOS管的GS端(如Q4)，使低端电池的控制MOS管导通，从而造成低端电池之间相互联接、短路。
图3中，每个电池都有一个一次保护电路，如图中的一次保护电路1，充电时，当检测到B1电池的电压超过所设计的电压值时，其会输出一个信号给光隔U9，让其工作，把Q5的GS端电压拉低，从而使Q5关断充电回路，实现过充保护。同样，一次保护电路1具有过放保护功能，当检测到电池电压过低时，将送出一个信号控制control端，使Q12关断，从而关断整个放电回路；
一次保护电路(见图4)：上段末已描述过一次保护电路的基本工作原理，图4为其详细原理图，所有的一次保护电路原理都是一样的，现拿一次保护电路1来说明其工作原理；U1为S8261，是锂电池专用保护IC，在充电过程中，当U1检测到B1电池的电压过高，其C0脚输出由高电平变为低电平，这时三极管Q5导通，使光隔U9导通(图3中的光隔U9与图4中的光隔U9在一个锂电池包中为同一个元器件)，从而使图3中的Q5关断B1电池的充电回路，实现过充保护；放电过程中，当U1检测到B1电池的电压过低时，其DO脚输出由高电平变为低电平，这时三极管Q1截止，从而使光隔U21不导通，由图4中，可以看到，U21、U22、U23、U24光隔开关为串联关系，只要有一个光隔不工作，这时BAT+的电压就不能传输到DCH-CONTROL端，从而使图3中的Q12截止(Q12是串联在放电回路中的，起到一个总开关的作用)，关断放电回路；
采样电路及二次保护电路(见图5)：单片机通过给ABCD送不同的二进制码，选通不同的模拟开关的档位，如置ABCD为0000，则选中模拟开关中的X0档，这时X0脚由低电平变为高电平，使三极管Q1和光隔U31都导通，则Q1把B1电池的负极拉到单片机控制系统的地，U31光隔把B1电池的正极拉到单片机的A/D采样接口，单片机运行采样程序就把B1电池的电压采到并处理；同样，可以采到B2、B3、B4电池的电压并处理；通过单片机对电池电压与容量关系的处理，通过与液晶显示模块的通信，把电池容量给显示出来。所谓的二次保护，就是当单片机检测到电池电压低于下限保护，这时不管一次保护电路起不起作用，单片机控制光隔U15，使其不工作，切断总开关Q12的GS端的工作电源，让Q12关断放电回路。在这要说明的是图4的DCH-CONTROL端与图5的DCH-CONTROL为同一网络点，也就是一次保护电路的下限保护所控制的所有光隔以及图5单片机要控制的光隔U15是串联起来控制放电回路的总开关，只要任何一个一次保护电路检测到电池下限电压到或单片机检测到电池异常都可以切断放电回路。

Claims (5)

1.用于驱动电动车的锂二次电池组的充放电管理装置，其由电源模块，一次保护电路模块，采样电路及二次保护电路模块及锂二次电池组构成，其特征在于：该充放电管理装置还包括串放、并充转换控制模块，单片机控制系统模块和液晶显示模块，其中，锂二次电池组的每个电池连接有电源模块，一次保护电路模块，采样电路及二次保护电路模块，单片机控制系统模块通过控制电源模块分别给每个电池提供适合的充电电压；单片机控制系统模块信号连接并控制一次保护电路模块，采样电路及二次保护电路模块的工作；串放、并充转换控制模块是连接在各电池间由MOS管组成开关电路，单片机控制系统模块信号连接该模块。
2.如权利要求1所述的锂二次电池组的充放电管理装置，其特征在于：电源模块共有三组电源：一为提供充电电压的程控开关电源，二为供单片机及其控制电路使用的5V直流电源，三为供串放、并充转换控制使用的15V直流电源。
3.如权利要求1所述的锂二次电池组的充放电管理装置，其特征在于：串放、并充转换控制模块分为串联放电转换控制电路和并联充电转换控制电路，串联放电的转换控制电路由一组锂二次电池和一组MOS管相间串联组成，并联充电的转换控制电路在各电池的正、负极分别连接一MOS管，各正极连接的MOS管并联后连接到程控开关电源的一端，各电池负极连接的MOS管并联后连接到程控开关电源的另一端。
4.如权利要求1所述的锂二次电池组的充放电管理装置，其特征在于：一次保护电路模块由专用的锂二次电池保护集成块S8261、MOS管及光隔组成。
5.如权利要求1所述的锂二次电池组的充放电管理装置，其特征在于：采样电路及二次保护电路模块包括多组连接在各电池正负极间的MOS管和光隔元件，上述各组MOS管和光隔元件分别和单片机控制模块的模拟开关连接。
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Assignee: Shenzhen BYD Lithium Battery Co., Ltd.

Assignor: Biyadi Co., Ltd.

Contract fulfillment period: 2008.4.25 to 2012.11.19

Contract record no.: 2008440000071

Denomination of utility model: Lithium secondary battery charge-discharge management device for driving electric vehicle

Granted publication date: 20040114

License type: Exclusive license

Record date: 20080513

LIC Patent licence contract for exploitation submitted for record

Free format text: EXCLUSIVE LICENCE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2008.4.25 TO 2012.11.19

Name of requester: SHENZHEN BYD LITHIUM BATTERY CO., LTD.

Effective date: 20080513

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Granted publication date: 20040114