CN2722489Y

CN2722489Y - 串联电池组自动均衡充电系统

Info

Publication number: CN2722489Y
Application number: CN 200420052145
Authority: CN
Inventors: 薛泰安; 吴惠康; 宋延明; 熊俊威; 王希龙
Original assignee: Qingdao Aucma New Energy Technology Co Ltd; Qingdao Household Electric Appliances Institute
Current assignee: Qingdao AUCMA New Energy Technology Co., Ltd.; Qingdao Aokema Co Ltd
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2014-07-07

Abstract

本实用新型公开一种串联电池组自动均衡充电系统，主要解决该类现有技术存在的诸如均衡性不高、影响电池组使用性能或制作成本高、结构复杂等问题，其包括设置恒流恒压充电电源的充电主回路、待充电串联电池组、各单体电池的电压信号实时采集电路、各单体电池分别配置的自放电回路，待充电串联电池组串联接入充电主回路，上述系统还设置信号隔离控制驱动电路和充电电流调节电路。用来实现对串联电池组在充电过程中的自动均衡，具有充电速度快、安全可靠等特点。

Description

串联电池组自动均衡充电系统

技术领域

本实用新型涉及一种串联电池组充电装置或系统。

背景技术

由于蓄电池在使用过程中一般都采用多只串联方式，各单体电池在制作过程中因工艺、环境、设备等因素，在内阻、容量、平台、寿命等方面各单体之间存在或大或小的差异。串联或者并联起来使用的电池组，由于这种单体之间的差异性，在充电过程中，电池组中有的单体充得快，而有的单体充得慢，充得快的个别单体电池很快就能达到保护电压，而充得慢的单体电池还没有充饱，如果充电持续的话，充得快的个别单体将可能超过保护电压，存在着发生爆炸等安全隐患，如果充电到此结束的话，由于受到各单体之间上述差异性的影响，电池组整体充进容量很难达到设计要求。目前普遍使用的动力电池主要有锂离子电池、镍氢电池等种类，对以串联工作方式的这些电池组进行充电，如何保证充电过程中电池组各单体的快速高效均衡充电，是一项亟待解决的技术难题。目前串联动力电池充电方式有如下几种：一是优先控制方式，就是监控串联充电电池组中每一只单体电池，其中有一只电池电压达到充电电压保护值，整体电路停止充电，即充电结束，这种方式不可能将电池组中所有单体均充饱，在使用过程中严重影响了电池组的容量发挥和使用寿命；二是并联充电方式，就是每只单体电池都有一个独立的充电回路和放电回路，实行充电过程或放电过程的单独控制，这种方式基本上可以将电池组中的各单体充饱，但是充电装置体积较大，成本高，连线繁琐，不适用于装备造价较低的小型设备；三是半调节均衡充电方式，就是对串联电池组进行充电，然后分别检测电池组中单体电池的电压变化，当其中有一只电池电压达到控制电压，整体电路停止充电，通过旁路对该只电池进行缓慢放电，等到电压降到指定值，停止放电，然后整体再恢复充电，这种方式充电均衡调节时间较长，性能不稳定，而且发热问题很难解决；四是自动均衡调节充电方式，就是在上一种半均衡调节技术基础上，采用单片机，通过输入相应的操作指令进行控制调整，可缩短充电时间，但是这种充电系统装置制作成本高，连接线繁琐，也不适合用在结构简单，成本低廉的设备上。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种充电速度较快，能实现串联电池组各组成单体电池自动均衡充电的系统。

其技术解决方案是：

本实用新型串联电池组自动均衡充电系统，其包括设置恒流恒压充电电源的充电主回路、待充电串联电池组、各单体电池的电压信号实时采集电路、各单体电池分别配置的自放电回路，待充电串联电池组串联接入充电主回路，该系统还设置信号隔离控制驱动电路和充电电流调节电路。

上述充电电流调节电路设置在充电主回路的充电电源与待充电串联电池组之间的主线路段上，该充电电流调节电路包括串入主线路段的主限流电阻51及与该主限流电阻联接的限流支路，上述限流支路上有MOS管54和电阻53。

上述充电电流调节电路设置一个串入充电主路的充电电源与待充电串联电池组之间主线路段上的MOS管52。

上述电压信号实时采集电路可配置一个检测比较集成电路块或一个由多个检测比较集成电路块依次排列形成的集成电路块组，检测比较集成电路块的每一对相邻VC脚，通过检测线路分别连接待充电串联电池组中对应单体电池的正负极，相邻一对VC脚之间串入电容，其中位于最首端的VC脚连接待充电串联电池组中第一块单体电池的正极，位于最末端的VC脚连接待充电串联电池组中最后一块单体电池的负极，其他部位的VC脚同时连接在相邻一对单体电池中的前单体电池负极和后单体电池正极；检测比较集成电路块的各CD脚通过线路分别连接各单体电池配置的自放电回路的MOS管32。

上述信号隔离控制驱动电路可配置光电耦合管41，光电耦合管41的接收端通过线路连接集成电路块的COP脚，光电耦合管41的输出端通过导线接通上述充电电流调节电路中限流支路上的MOS管54。

上述串联电池组自动均衡充电系统还可包括上述待充电池组与负载构成的工作主回路，工作主回路中设置MOS管7，上述某一集成电路块的DOP脚通过导线接通MOS管7。

上述工作主回路可设置接通上述集成电路块的VMP脚的回路过流检测线路。

上述隔离控制驱动电路还可包括光电耦合管42，光电耦合管42对应集成电路块组中的除第一位次检测比较集成电路块外的其他检测比较集成电路块，该对应集成电路块的DOP脚连接光电耦合管42的接收端，光电耦合管42的输出端通过线路连接位于前一位次检测比较集成电路块的CTL脚。

本实用新型具有如下特点：1、与现有技术中采用单片机的自动均衡调节充电方式相比，本实用新型连线方便、成本低廉；2、与现有技术中的半调节均衡充电方式相比，在个别单体电池放电自调节过程中，其他电池仍旧进行充电，提高了充电效率。

附图说明

图1为本实用新型一种实施方式的电原理框图。

图2为上述实施方式的具体电原理图。

下面结合附图对本实用新型进行说明：

具体实施方式

结合图1、图2，本实用新型串联电池组自动均衡充电系统主要有设置恒流恒压充电电源6的充电主回路、待充电串联电池组1、各单体电池的电压信号实时采集电路2、各单体电池分别配置的自放电回路3、信号隔离控制驱动电路4和充电电流调节电路5。

上述待充电串联电池组1可以是锂离子动力电池组，也可以是镍氢电池组等，其串入充电主回路中，每个单体电池的容量可以是几百毫安时或几十、几百个Ah，电池组中单体串联数量不限。本方式以十只单体电池的串联电池组为例进行说明。

上述各单体电池的电压信号实时采集电路2，可根据电池组单体电池的数量和现有技术中集成电路块等实际情况，配置一个检测比较集成电路块或一个由多个检测比较集成电路块依次排列形成的集成电路块组，本方式选用由四个检测比较集成电路块依次排列形成的集成电路块组，该组中的每个检测比较集成电路块的每一对相邻VC脚和相邻两个检测比较集成电路块之间相邻的VC脚通过检测线路分别连接待充电串联电池组中对应单体电池的正负极，其中位于最首端的VC脚即集成电路块21的VCC脚连接待充电串联电池组中第一块单体电池的正极，最末端的VC脚即集成电路块24的VSS脚连接待充电串联电池组中最后一块单体电池的负极，其他部位的VC脚如集成电路块21的VC1、VC2、VC3脚，集成电路块22的VCC、VC1、VC2、VC3脚，集成电路块23的VCC、VC1、VC2、VC3脚等同时连接在相邻一对单体电池中的前单体电池负极和后单体电池正极，相邻一对VC脚之间串入电容，检测比较集成电路块的各CD脚如集成电路块21、22、23的CD1、CD2、CD3脚及集成电路块24的VDD脚通过线路分别连接各单体电池配置的自放电回路的MOS管32。充电过程中，当串联电池组中某一单体电池电压达到了保护电压，通过检测线路反馈到对应的集成电路块，该部分就会产生两种信号，一种信号通过该集成块上的或CD1脚或CD2脚或CD3脚或VDD脚发出控制信号至该单体电池自放电回路的MOS管，接通自放电回路，该单体电池通过其自放电回路进行适量放电，同时另一部分控制信号通过其上的COP脚发出，通过信号隔离控制驱动电路4的光电耦合管41发送到充电电流调节电路5中限流支路上的MOS管54，断开限流支路，实现限流充电；待到调整中的该单体电池电压降到设定值，该部分就会重新发送两部分控制信号，一种信号通过该集成块上的或CD1脚或CD2脚或CD3脚或VDD脚发出控制信号至该单体电池自放电回路的MOS管，断开自放电回路，该单体电池停止放电，同时另一部分控制信号通过COP脚发出，通过信号隔离控制驱动电路4的光电耦合管41发送到充电电流调节电路5中限流支路上的MOS管54，接通限流支路，进行正常充电；以上工作过程反复调整进行，可实现均衡快速充电。

上述各单体电池分别配置的自放电回路3，就是通过MOS管32和大功率电阻31和对应的每只单体电池组成一个独立的自放电回路。在充电过程中当某只单体电池电压达到控制电压，该回路中的MOS管32就会收到从电压信号实时采集电路2发来的相应信号，通过MOS管接通自放电回路，由大功率电阻31耗能放电；当该单体电池电压降到设定值时，MOS管32又会收到电压信号实时采集电路2发来的控制信号，通过MOS管切断自放电回路，停止放电。

上述信号隔离控制驱动电路4，其可配置光电耦合管41，光电耦合管41的接收端通过线路连接集成电路块的COP脚，光电耦合管41的输出端通过导线接通上述充电电流调节电路中限流支路上的MOS管54。充电过程中，当某只单体电池电压上升达到保护电压时，电压信号实时采集电路2就会发出一个控制信号，这个信号通过该部分光电耦合管41进行隔离传送，发送到充电电流调节电路5限流支路上的MOS管54，断开限流支路，实现限流充电；当该单体电池电压降到设定值时，电压信号实时采集电路2就会重新发出一个控制信号，这个信号也是通过该部分光电耦合管41进行隔离传送，通过信号隔离控制驱动电路4的光电耦合管41发送到充电电流调节电路5限流支路上的MOS管54，接通限流支路，进行正常充电。另外，该信号隔离控制驱动电路4还可包括光电耦合管42，光电耦合管42对应集成电路块组中的除第一位次检测比较集成电路块外的其他检测比较集成电路块，如集成电路块22、23、24，集成电路块22、23、24的DOP脚分别连接对应的光电耦合管42接收端，光电耦合管42的输出端通过线路连接位于前一位次的检测比较集成电路块的CTL脚，如对应集成电路块23的光电耦合管42连接集成电路块22的CTL脚，集成电路块21的DOP脚通过线路接通下述工作主回路的MOS管7。

上述充电电流调节电路5设置在充电主回路的充电电源与待充电串联电池组之间的主线路段上，该充电电流调节电路5包括串入主线路段的主限流电阻51及与该主限流电阻联接的限流支路，上述限流支路上有MOS管54和串入的电阻53；上述充电电流调节电路5还设置一个串入充电主路的充电电源与待充电串联电池组之间主线路段上的MOS管52，通过调节它的开通状态，来实现通过它的充电电流的大小。

上述充电主回路配置的具有恒流恒压功能充电电源6，可采用一种通过PWM调节，实现恒流恒压调节的电源系统。充电电源6的充电电压、电流值可根据所配电池组的实际要求进行设定。

上述串联电池组自动均衡充电系统还可包括串联电池组与负载构成的工作主回路(或称放电主回路)，工作主回路中可设置MOS管7，上述集成电路块21的DOP脚通过导线接通MOS管7；上述工作主回路可设置接通上述集成电路块21、22、23等的VMP脚的回路过流检测线路。在负载工作过程(即放电主回路放电过程)中，通过相应集成电路块的VCC、VC1、VC2、VC3脚检测每只单体电池的电压变化和通过VMP脚检测工作主回路电流的变化；当电池组中的某只单体电池电压达到下限保护工作电压时，该部分或通过集成电路块21的DOP脚发出一个控制信号，传送至工作主回路的MOS管7，断开工作回路；或通过其他相应集成电路块的DOP脚发出一个控制信号，并通过对应光电耦合管42依次发送至前序集成电路块，最后通过集成电路块21的DOP脚发出一个控制信号，传送至工作主回路的MOS管7，断开工作回路，等待恢复；待该单体电池保护电压回升到恢复电压，才能重新接通；当负载工作放电过程中，出现短路、过流现象，由回路过流检测线路及VMP反馈，该部分也会通过DOP脚发出一个信号切断放电主回路MOS管7，直到短路、过流现象解除，MOS管7才可开通。

下面结合一个实例对上述实施方式工作过程作进一步说明：

以在电动自行车上使用的16Ah十个单体串联锂离子动力电池组为例，每只单体电池的容量为16Ah，最高充电电压为4.2V，最低放电电压为2.75V，最大放电电流为16A，将每只单体电池通过连线与电压信号实时采集电路2和各自对应的放电回路3相连接，然后接通充电电源或接通负载，形成本实用新型自动均衡充电系统。

充电过程为：电池组刚开始充电时，因为各单体电池的电压都比较低，电源充电方式为恒流充电，此时充电恒流值为3A，当某只单体电池电压充到4.2V时，电压信号实时采集电路2通过VCC、VC1、VC2或VC3脚等检测到该信息，经过处理，同时发出两个信号，一个信号通过CD1、CD2或CD3脚等直接传到该单体电池的自放电电路3，控制MOS管32开通自放电回路，另一个信号通过COP脚传送到光电耦合管41，通过该电路4的隔离驱动，将信号发送到充电电流调节电路5，控制限流支路MOS管54，开通限流支路，调节MOS管52开通状态，实现限流充电，在电流下降到1.5A状态下继续充电；同样，当4.2V电池的电压下降到4.1V时，电压信号实施采集电路2就会检测到该信息，经过处理，同时发出两个信号，一个信号直接传到该单体电池的自放电电路3，控制该部分的MOS管32断开自放电回路，停止放电，另一个信号传送到隔离控制驱动电路4，通过该电路的隔离驱动，将信号发送到充电电流调节电路5，控制限流支路MOS管54，接通MOS管52实现正常充电，即电流又回到3A状态下的充电。如此反复调节，最后就可将10电池电压都充到4.2V左右。

工作主回路的放电过程为：当电池组中某只单体电池电压降到2.75V时，电压信号信号实时采集电路2就会通过VCC、VC1、VC2、VC3脚检测到该信息，经过处理，通过DOP脚发出控制信号，信号传到工作主回路的MOS管7控制端，断开主回路，等待恢复；当该电池电压恢复到恢复电压3.0V以上时，电压信号实时采集电路2就会通过相应VCC、VC1、VC2、VC3脚检测到该信息，经过处理，通过DOP脚发出控制信号，信号传到工作主回路的MOS管7控制端，闭合工作主回路，继续放电，直到放电保护为止。另外，当放电电流超过16A或短路时，电压信号实时采集电路2就会通过相应的VMP脚检测到该信息，经过处理，发出控制信号，信号直接传到主回路MOS管7的控制端，断开放电回路，等待恢复，直到问题解除为止。

最后充放电结果为：

充电电池组中每个单体电池端电压：4.2V±0.03V。

放电电池组中没有一个电池电压低于：2.75±0.03V。

Claims

1、一种串联电池组自动均衡充电系统，其包括设置恒流恒压充电电源的充电主回路、待充电串联电池组、各单体电池的电压信号实时采集电路、各单体电池分别配置的自放电回路，待充电串联电池组串联接入充电主回路，其特征在于：所述系统还设置信号隔离控制驱动电路和充电电流调节电路。

2、根据权利要求1所述的串联电池组自动均衡充电系统，其特征在于：所述充电电流调节电路设置在充电主回路的充电电源与待充电串联电池组之间的主线路段上，该充电电流调节电路包括串入主线路段的主限流电阻(51)及与该主限流电阻联接的限流支路，所述限流支路上有MOS管(54)和串入电阻(53)。

3、根据权利要求2所述的串联电池组自动均衡充电系统，其特征在于：所述充电电流调节电路设置一个串入充电主路的充电电源与待充电串联电池组之间主线路段上的MOS管(52)。

4、根据权利要求1所述的串联电池组自动均衡充电系统，其特征在于：所述电压信号实时采集电路可配置一个检测比较集成电路块或一个由多个检测比较集成电路块依次排列形成的集成电路块组，检测比较集成电路块的每一对相邻VC脚通过检测线路分别连接待充电串联电池组中对应单体电池的正负极，相邻一对VC脚之间串入电容，其中位于最首端的VC脚连接待充电串联电池组中第一块单体电池的正极，位于最末端的VC脚连接待充电串联电池组中最后一块单体电池的负极，其他部位的VC脚同时连接在相邻一对单体电池中的前单体电池负极和后单体电池正极；检测比较集成电路块的各CD脚通过线路分别连接各单体电池配置的自放电回路的MOS管(32)。

5、根据权利要求2或3所述的串联电池组自动均衡充电系统，其特征在于：所述电压信号实时采集电路可配置一个检测比较集成电路块或一个由多个检测比较集成电路块依次排列形成的集成电路块组，检测比较集成电路块的每一对相邻VC脚通过检测线路分别连接待充电串联电池组中对应单体电池的正负极，相邻一对VC脚之间串入电容，其中位于最首端的VC脚连接待充电串联电池组中第一块单体电池的正极，位于最末端的VC脚连接待充电串联电池组中最后一块单体电池的负极，其他部位的VC脚同时连接在相邻一对单体电池中的前单体电池负极和后单体电池正极；检测比较集成电路块的各CD脚通过线路分别连接各单体电池配置的自放电回路的MOS管(32)。

6、根据权利要求5所述的串联电池组自动均衡充电系统，其特征在于：所述信号隔离控制驱动电路配置光电耦合管(41)，光电耦合管(41)的接收端通过线路连接集成电路块的COP脚，光电耦合管(41)的输出端通过导线接通上述充电电流调节电路中限流支路上的MOS管(54)。

7、根据权利要求5所述的串联电池组自动均衡充电系统，其特征在于：所述串联电池组自动均衡充电系统还包括上述待充电池组与负载构成的工作主回路，工作主回路中设置MOS管(7)，上述某一集成电路块的DOP脚通过导线接通MOS管(7)。

8、根据权利要求7所述的串联电池组自动均衡充电系统，其特征在于：所述工作主回路设置接通上述集成电路块的VMP脚的回路过流检测线路。

9、根据权利要求8所述的串联电池组自动均衡充电系统，其特征在于：所述隔离控制驱动电路还可包括光电耦合管(42)，光电耦合管(42)对应集成电路块组中的除第一位次检测比较集成电路块外的其他检测比较集成电路块，该对应集成电路块的DOP脚连接光电耦合管(42)的接收端，光电耦合管(42)的输出端通过线路连接位于前一位次检测比较集成电路块的CTL脚。