一種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，包括電池組電源模塊和與其通過(guò)DC電源線(xiàn)連接的充電電源模塊；電池組電源模塊包括串聯(lián)鋰電池組、電壓檢測(cè)控制電路和分?jǐn)啻忧袚Q電路，電壓檢測(cè)控制電路檢測(cè)到串聯(lián)鋰電池組放電時(shí)各單串電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，則控制分?jǐn)啻忧袚Q電路將電壓最低的單串電池分?jǐn)?，電壓檢測(cè)控制電路如果檢測(cè)到充電時(shí)某單串電池預(yù)先達(dá)到飽和，則控制分?jǐn)啻忧袚Q電路將預(yù)先達(dá)到飽和的單串電池分?jǐn)啵⒋訑?shù)目改變的信息傳送到充電電源模塊來(lái)調(diào)節(jié)其充電電壓。實(shí)施本發(fā)明的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，具有以下有益效果：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、避免電池組內(nèi)部充放電循環(huán)、能量損耗較小。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電源領(lǐng)域，特別涉及一種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰電池由于其能量密度高、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)及單節(jié)電池電壓高等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，作為移動(dòng)設(shè)備主流電池產(chǎn)品，逐漸往大功率、大電流高電壓供電設(shè)備方向發(fā)展。鋰電池的電壓無(wú)法滿(mǎn)足中大功率設(shè)備的需求，需串聯(lián)多節(jié)電池才能達(dá)到所供電設(shè)備或其電源適配電路要求的輸入電壓，或避免低壓大電流輸入以降低輸入線(xiàn)路和整流的損耗。鋰電池串聯(lián)使用時(shí)，由于電池制造過(guò)程中的初始性能(如自放電率、容量等)不一致以及使用過(guò)程中由于電池內(nèi)外環(huán)境(如溫度)的不均勻造成老化速度不同，使得電池的容量各不相同，且它們之間的差異也會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而變大，這將造成工作過(guò)程中各串電池充放電狀態(tài)不一致。為防止其中容量低的電池過(guò)充過(guò)放，一般鋰電池都加有保護(hù)電路，在電池電壓高于額定上限值或低于額定下限值的時(shí)候斷開(kāi)，整串鋰電池組則從中切斷而停止工作，其整體容量取決于容量最低的那一串電池。因此，為了避免鋰電池的不一致性所造成對(duì)整體性能的影響，需要對(duì)串聯(lián)鋰電池組的放電和充電進(jìn)行均衡管理。
[0003]目前，電池組的均衡方式主要有分流損耗均衡和電量轉(zhuǎn)移均衡。前者是在各單串電池并聯(lián)分流旁路對(duì)容量高的電池串放電損耗來(lái)進(jìn)行均衡。這種方式其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)于容量低的電池不能補(bǔ)充電量，存在功率損耗大和發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，均衡過(guò)程一般在充電過(guò)程中進(jìn)行。后者是對(duì)電壓較低的一串電池進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移，在放電過(guò)程中將其它電池的電量補(bǔ)充給它，充電過(guò)程中轉(zhuǎn)移給其它串電池，但是電路結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，需要隔離耦合?？梢苑譃槎鄬?duì)一和一對(duì)一轉(zhuǎn)移的方式。多對(duì)一是在整串電池組和電壓較低一串之間轉(zhuǎn)移，只需要輸出隔離，但均衡過(guò)程會(huì)影響到整串電池組，使所有電池都重復(fù)地作自我相互充放電，增加各串電池的無(wú)功負(fù)擔(dān)并消耗其循環(huán)壽命，一對(duì)一轉(zhuǎn)移則需要雙隔離，對(duì)應(yīng)每一串電池要有一個(gè)輸入和輸出隔離的DC/DC電路，在電壓最高和最低的兩串電池之間進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移，電路結(jié)構(gòu)比較繁復(fù)累贅。無(wú)論采用哪種方式，由于均衡輸出都是對(duì)單串電池充電，輸出電壓一般在4V以下，整流損耗很大，通常均衡DC/DC電路的輸出/輸入效率低于80%。其它的均衡方案中，比較典型的還有一種電量搬遷的方法，把超級(jí)容量電容或另外一個(gè)電池作為中間載體，反復(fù)與電量高、低的兩串電池之間進(jìn)行充放電切換實(shí)現(xiàn)均衡，但這種無(wú)源被動(dòng)式充放電需要電池與中間載體電壓差要在0.1V、也就是兩串電池之間電壓差在0.2V以上才能進(jìn)行有效的電量搬遷，在電池電壓3.7V左右，0.2V的電壓差相當(dāng)于容量40%左右的載荷差異，這種方式均衡偏差大速度慢，很難跟上充電放電速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增加電池組內(nèi)部充放電循環(huán)、能量損耗較大的缺陷，提供一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、避免電池組內(nèi)部充放電循環(huán)、能量損耗較小的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，包括電池組電源模塊和充電電源模塊，所述電池組電源模塊與所述充電電源模塊之間通過(guò)DC電源線(xiàn)連接；所述電池組電源模塊包括串聯(lián)鋰電池組、電壓檢測(cè)控制電路和分?jǐn)啻忧袚Q電路，所述電壓檢測(cè)控制電路檢測(cè)到所述串聯(lián)鋰電池組在放電時(shí)其各單串電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則控制所述分?jǐn)啻忧袚Q電路將電壓最低的單串電池從所述串聯(lián)鋰電池組中分?jǐn)?，所述電壓檢測(cè)控制電路如果檢測(cè)到充電時(shí)某單串電池預(yù)先達(dá)到飽和，則控制所述分?jǐn)啻忧袚Q電路將預(yù)先達(dá)到飽和的單串電池從所述串聯(lián)鋰電池組中分?jǐn)?，并將所述串?lián)鋰電池組串接數(shù)目改變的信息傳送到所述充電電源模塊，所述充電電源模塊依據(jù)所述串聯(lián)鋰電池組的串接數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)其充電電壓。
[0006]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述分?jǐn)啻忧袚Q電路包括其數(shù)目與所述串聯(lián)鋰電池組串接數(shù)目一致、分別與所述串聯(lián)鋰電池組中各單串電池連接的單刀雙擲繼電器。
[0007]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述串聯(lián)鋰電池組還包括其數(shù)目與所述串聯(lián)鋰電池組串接數(shù)目一致、分別與所述串聯(lián)鋰電池組中各單串電池并聯(lián)的肖
特基二極管。
[0008]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述電池組電源模塊還包括與所述電壓檢測(cè)控制電路連接、用于產(chǎn)生一定頻率脈沖電流信號(hào)的電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路，所述電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路將產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)通過(guò)所述DC電源線(xiàn)傳送到所述充電電源模塊。
[0009]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述電池組電源模塊還包括與所述串聯(lián)鋰電池組連接的DC/DC適配電路，所述DC/DC適配電路還與負(fù)載連接。
[0010]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述充電電源模塊包括電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路、輸出電壓控制電路和AC/DC開(kāi)關(guān)電源電路，所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路接收所述電流脈沖信號(hào)、并對(duì)所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)出頻率信息后發(fā)送到所述輸出電壓控制電路，所述輸出電壓控制電路依據(jù)所述頻率信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)、并控制所述AC/DC開(kāi)關(guān)電路完成對(duì)充電電壓和充電電流的調(diào)整。
[0011]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路包括第一電流采樣電阻、MOS管和用于起隔離作用的隔離二極管，所述隔離二極管的陽(yáng)極分別與所述充電電源模塊和第一電流采樣電阻的一端連接，陰極與所述串聯(lián)鋰電池組連接，所述第一電流采樣電阻的另一端與所述MOS管的漏極連接，所述MOS管的源極接地，柵極與所述電壓檢測(cè)控制電路的一個(gè)端口連接，所述電壓檢測(cè)控制電路通過(guò)控制所述MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)產(chǎn)生一定頻率的電流脈沖信號(hào)。
[0012]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路包括第一比較電路，所述第一比較電路包括第二電流采樣電阻和第一電壓比較器；所述第二電流采樣電阻的一端與所述電池組電源模塊連接、并用于將所述電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，所述第二電流采樣電阻的一端還通過(guò)第十二電阻與所述第一電壓比較器的正向輸入端連接、通過(guò)第十三電阻與所述第一電壓比較器的負(fù)向輸入端連接，所述第一電壓比較器的正向輸入端還通過(guò)并聯(lián)的第三電容和第十四電阻接地，所述第一電壓比較器的負(fù)向輸入端還通過(guò)第四電容接地。
[0013]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路還包括第二比較電路，所述第二比較電路包括第二電壓比較器，所述第一電壓比較器的輸出端與所述第二電壓比較器的正向輸入端連接，所述第二電壓比較器的負(fù)向輸入端通過(guò)第十六電阻接電源、通過(guò)第十七電阻接地，所述第二電壓比較器的輸出端與所述輸出電壓控制電路連接。
[0014]在本發(fā)明所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述AC/DC開(kāi)關(guān)電路包括反饋電壓電路和與所述反饋電壓電路連接的反饋調(diào)節(jié)電路；所述反饋電壓電路包括第九電阻和第十電阻，所述第十電阻的一端與所述第九電阻連接，所述第十電阻的另一端接地；所述反饋調(diào)節(jié)電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第一三極管、第二三極管、第三三極管和第四三極管，所述第一電阻的一端、第二電阻的一端、第三電阻的一端和第四電阻的一端與所述第十電阻的一端連接，所述第一電阻的另一端、第二電阻的另一端、第三電阻的另一端和第四電阻的另一端分別與所述第一三極管的集電極、第二三極管的集電極、第三三極管的集電極、第四三極管的集電極連接，所述第一三極管的發(fā)射極、第二三極管的發(fā)射極、第三三極管的發(fā)射極和第四三極管的發(fā)射極共地，所述第一三極管的基極、第二三極管的基極、第三三極管的基極和第四三極管的基極分別與所述第五電阻的一端、第六電阻的一端、第七電阻的一端和第八電阻的一端連接，所述第五電阻的另一端、第六電阻的另一端、第七電阻的另一端和第八電阻的另一端分別與所述輸出電壓控制電路的第一控制端、第二控制端、第三控制端和第四控制端連接。
[0015]實(shí)施本發(fā)明的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，具有以下有益效果:由于使用電池組電源模塊和充電電源模塊，電池組電源模塊包括串聯(lián)鋰電池組、電壓檢測(cè)控制電路和分?jǐn)啻忧袚Q電路，電壓檢測(cè)控制電路檢測(cè)到串聯(lián)鋰電池組在放電時(shí)其各單串電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則控制分?jǐn)啻忧袚Q電路將電壓最低的單串電池從串聯(lián)鋰電池組中分?jǐn)?，電壓檢測(cè)控制電路檢測(cè)到充電時(shí)某單串電池預(yù)先達(dá)到飽和時(shí)，則控制分?jǐn)啻忧袚Q電路將所述預(yù)先達(dá)到飽和的單串電池從所述串聯(lián)鋰電池組中分?jǐn)?，并將串?lián)鋰電池組串接數(shù)目改變的信息通過(guò)DC電源線(xiàn)傳送到充電電源模塊控制充電電壓以適應(yīng)電池組串?dāng)?shù)的改變，被切斷的電池串閑置一定時(shí)間再將它重新串接到電池組中，以此實(shí)現(xiàn)各串電池的均衡放電或充電；由于無(wú)需額外通道的電流脈沖調(diào)制方式將信號(hào)傳輸?shù)匠潆婋娫茨K，所以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)避免了 一般電量轉(zhuǎn)移均衡方式的電池組內(nèi)部充放電循環(huán)和能量損耗，使能量損耗較小，從而提高串聯(lián)鋰電池組的整體容量和使用壽命。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為本發(fā)明串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例中的電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為所述實(shí)施例中電池分?jǐn)噙B接切換示意圖； 圖3是所述實(shí)施例中電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路的電路原理圖；
圖4是所述實(shí)施例中電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路的電路原理圖；
圖5是所述實(shí)施例中AC/DC開(kāi)關(guān)電路的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0019]在本發(fā)明串聯(lián)里電池組電源均衡管理系統(tǒng)實(shí)施例中，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1中，該串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)包括電池組電源模塊I和充電電源模塊2，電池組電源模塊I與充電電源模塊2之間通過(guò)DC電源線(xiàn)連接；電池組電源模塊I包括串聯(lián)鋰電池組11、電壓檢測(cè)控制電路12和分?jǐn)啻忧袚Q電路13，電壓檢測(cè)控制電路12包括MCU (圖中未示出)，電壓檢測(cè)控制電路12檢測(cè)到串聯(lián)鋰電池組11在放電時(shí)其各單串電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則控制分?jǐn)啻忧袚Q電路13將串聯(lián)鋰電池組11中電壓最低的單串電池從串聯(lián)鋰電池組11中分?jǐn)啵妷簷z測(cè)控制電路12如果檢測(cè)到充電時(shí)某單串電池預(yù)先達(dá)到飽和，則控制分?jǐn)啻忧袚Q電路13將預(yù)先達(dá)到飽和的單串電池從串聯(lián)鋰電池組11中分?jǐn)?，并將串?lián)鋰電池組11串接數(shù)目改變的信息傳送到充電電源模塊2，充電電源模塊2依據(jù)串聯(lián)鋰電池組11的串接數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)其充電電壓。具體來(lái)講，工作過(guò)程中采用分?jǐn)嗑獾姆绞?，只將容量較低的一串電池串暫時(shí)閑置一定時(shí)間，同時(shí)維持其它串電池的工作，避免電量轉(zhuǎn)移均衡的損耗和電池組內(nèi)部的充放電循環(huán)，在充電過(guò)程中借助DC電源線(xiàn)與充電電源模塊2進(jìn)行通信，無(wú)需另外增加專(zhuān)用的物理信道，將電池串聯(lián)數(shù)目改變的信息傳輸?shù)匠潆婋娫矗怪{(diào)節(jié)輸出電壓以適應(yīng)不同串?dāng)?shù)鋰電池組的充電電壓范圍。
[0020]本實(shí)施例中，需要解決的問(wèn)題是，在充電過(guò)程中如何將串聯(lián)鋰電池組11串?dāng)?shù)減少或增加一串的信息傳送給充電電源模塊2 一端,使充電電源模塊2調(diào)整輸出電壓以適應(yīng)串聯(lián)鋰電池組11串?dāng)?shù)的變化。普通的方法是建立另外一條通信鏈路將這一信息發(fā)送到充電電源模塊2的一端。按照這種設(shè)計(jì)，如果采用無(wú)線(xiàn)傳輸勢(shì)必增加設(shè)計(jì)難度和產(chǎn)品成本。如果在電池組電源模塊I和充電電源模塊2之間增加一條有線(xiàn)鏈路，則會(huì)造成它們之間接口的麻煩。本實(shí)施例中，利用現(xiàn)有的DC充電電源線(xiàn)來(lái)兼?zhèn)湫盘?hào)傳輸線(xiàn)，不會(huì)引入多余的通訊線(xiàn)路，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和操作的簡(jiǎn)單化。
[0021]本實(shí)施例中，電池組電源模塊I還包括電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路16 ;電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路16與電壓檢測(cè)控制電路12連接、用于產(chǎn)生一定頻率脈沖電流信號(hào)，電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路16將產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)通過(guò)DC電源線(xiàn)傳送到充電電源模塊2。電池組電源模塊還包括DC/DC適配電路14，DC/DC適配電路14與串聯(lián)鋰電池組11連接，DC/DC適配電路14還與負(fù)載15連接。
[0022]本實(shí)施例中，充電電源模塊2包括電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路21、輸出電壓控制電路23和AC/DC開(kāi)關(guān)電源電路23，所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路接收所述電流脈沖信號(hào)、并對(duì)所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)出頻率信息后發(fā)送到所述輸出電壓控制電路，所述輸出電壓控制電路依據(jù)所述頻率信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)、并控制所述AC/DC開(kāi)關(guān)電源電路完成對(duì)充電電壓和充電電流的調(diào)整。
圖2為本實(shí)施例中電池分?jǐn)噙B接切換示意圖，圖2中，串聯(lián)鋰電池組11包括n串電池串，分別稱(chēng)之為第一串電池1、……、第n-1串電池Blri和第n串電池Bn，分?jǐn)啻忧袚Q電路13包括其數(shù)目與串聯(lián)鋰電池組11串接數(shù)目一致、分別與串聯(lián)鋰電池組11中各單串電池連接的單刀雙擲繼電器，分別將這些單刀雙擲繼電器依次稱(chēng)之為第一單刀雙擲繼電器S1,……、第n-1單刀雙擲繼電器Slri和第n單刀雙擲繼電器Sn，串聯(lián)鋰電池組11還包括其數(shù)目與串聯(lián)鋰電池組11串接數(shù)目一致、分別與串聯(lián)鋰電池組11中各單串電池并聯(lián)的肖特基二極管，也就是同時(shí)每串電池分別與一個(gè)肖特基二極管并聯(lián)，本實(shí)施例中，依次將這些肖特基二極管稱(chēng)之為第一肖特基二極管……、第n-1串電池Blri和第n串電池Bn。
[0023]電壓檢測(cè)控制電路12負(fù)責(zé)采集串聯(lián)鋰電池組11的電壓數(shù)據(jù)、控制單刀雙擲繼電器分?jǐn)嗑怆娐泛碗娏髅}沖信號(hào)調(diào)制電路16。工作時(shí)，電壓檢測(cè)控制電路12先根據(jù)電壓隨時(shí)間的變化，判斷串聯(lián)鋰電池組11是處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。若串聯(lián)鋰電池組11處于放電狀態(tài)，電壓檢測(cè)控制電路12定時(shí)采集串聯(lián)鋰電池組11電壓狀態(tài)和放電電流信息，并對(duì)所采集的各串電池的電壓進(jìn)行計(jì)算和比較。如果電池組各單串電池之間最高電壓和最低電壓的差值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，或者某串電池電壓低于正常工作范圍下限(本實(shí)施例中為3.3V)，電壓檢測(cè)控制電路12控制相應(yīng)的單刀雙擲繼電器(S1-Sn)切換，將該串電池從串聯(lián)鋰電池組11中分?jǐn)啵狗烹婋娏鲝膯蔚峨p擲繼電器(S1-Sn)另一觸點(diǎn)繞過(guò)該串電池，使它不參與串聯(lián)鋰電池組11放電，而其余電池串則繼續(xù)放電到，直到與該串電池得電壓相等時(shí)，再由電壓檢測(cè)控制電路12控制單刀雙擲繼電器(S「Sn)切換，將它重新加入到電池組中再次工作。這樣，通過(guò)反復(fù)的檢測(cè)-分?jǐn)?串接的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)鋰電池組11各串電池之間的放電均衡。
[0024]值得一提的是，單刀雙擲繼電器的觸點(diǎn)切換通常需要大約幾毫秒到10毫秒的時(shí)間，在其觸點(diǎn)調(diào)轉(zhuǎn)的時(shí)間里，整串串聯(lián)鋰電池組11的連接在此處是斷開(kāi)的，對(duì)于很多情況下負(fù)載要求持續(xù)大電流供電，為了避免觸點(diǎn)切換中出現(xiàn)供電電流中斷的情況，在各串電池間并聯(lián)一個(gè)二極管，通常采用正向壓降較低的肖特基二極管。正常工作時(shí)肖特基二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，單刀雙擲繼電器的觸點(diǎn)切換期間，肖特基二極管連接在單刀雙擲繼電器觸點(diǎn)之間保持正向?qū)ǎ闺娏髟诖?lián)鋰電池組11持續(xù)通過(guò)，這樣保證觸點(diǎn)跳轉(zhuǎn)期間電流的連續(xù)性。如果在單刀雙擲繼電器觸點(diǎn)切換期間對(duì)負(fù)載依靠輸出電路的電容維持供電，該電容需要很大的容量，對(duì)于電池組電源模塊I的小體積設(shè)計(jì)和持續(xù)供電可靠性保證是不利的。
[0025]若串聯(lián)鋰電池組11處于充電狀態(tài)，電壓檢測(cè)控制電路12定時(shí)采集各串電池電壓和充電電流，并根據(jù)鋰電池在不同電壓范圍所適應(yīng)的充電電流大小，向充電電源模塊2發(fā)送電流調(diào)節(jié)的控制信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到串聯(lián)鋰電池組11中某串電池已經(jīng)飽和，而其它串電池尚未充滿(mǎn)時(shí)，為了避免飽和的一串電池由于IC保護(hù)電路防止過(guò)充而關(guān)斷充電回路，電壓檢測(cè)控制電路12控制單刀雙擲繼電器(S1-Sn)進(jìn)行切換將該串電池分?jǐn)?，充電電流繞經(jīng)相應(yīng)的單刀雙擲繼電器，繼續(xù)給串聯(lián)鋰電池組11中其它電池串充電。 [0026]圖3是本實(shí)施例中電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路的電路原理圖，圖3中，電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路16包括第一電流采樣電阻Rd、M0S管Qtl和用于起隔離作用的隔離二極管Dtl,隔離二極管Dtl的陽(yáng)極分別與充電電源模塊2和第一電流采樣電阻Rd的一端連接，陰極與串聯(lián)鋰電池組11連接，第一電流采樣電阻Rd的另一端與MOS管Qtl的漏極連接，MOS管Qtl的源極接地，柵極與電壓檢測(cè)控制電路12的一個(gè)端口連接。由電壓檢測(cè)控制電路12的一個(gè)端口控制MOS管Qtl的導(dǎo)通和截止，在DC電源線(xiàn)上產(chǎn)生系列電流脈沖疊加到充電直流電流上，在串聯(lián)鋰電池組11前端加一個(gè)隔離二極管Dtl是為了避免電流脈沖經(jīng)過(guò)電池組回路而降低充電線(xiàn)路上的電流脈沖幅度。調(diào)制方案則可以采用常用的脈沖頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制或脈沖位置調(diào)制等，這里采用脈沖頻率調(diào)制比較便于電壓檢測(cè)控制電路12檢測(cè)接收，即用不同電流脈沖頻率來(lái)表示不同的信息，也就是電壓檢測(cè)控制電路12通過(guò)控制MOS管Qtl的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)產(chǎn)生一定頻率的電流脈沖信號(hào)。在充電狀態(tài)時(shí)，單刀雙擲繼電器切換前，電壓檢測(cè)控制電路12控制MOS管QO導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生一定頻率(如lk、2k等)的脈沖電流，這些電流脈沖疊加在直流充電電流上，不同的頻率代表不同的控制信息。由于信號(hào)發(fā)送占充電時(shí)間的比例很小，這種電流脈沖調(diào)制造成的功率損耗也很小，主要增加的功率損耗發(fā)生在隔離二極管Dtl和電流取樣電阻Rd上，不過(guò)對(duì)于市電供電的充電過(guò)程還是可以接受的。在充電電源模塊2經(jīng)過(guò)解調(diào)電路檢測(cè)、整形后，由電壓檢測(cè)控制電路12識(shí)別不同脈沖頻率所表示的信息，也就是解調(diào)后控制充電輸出對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整。這種通訊方式避免了額外的通訊線(xiàn)路，實(shí)現(xiàn)了充電電源模塊2和電池組電源模塊I兩個(gè)電源模塊之間的通信。為了防止串聯(lián)鋰電池組
11、第一電流采樣電阻Rd和MOS管Qtl形成放電回路，在串聯(lián)鋰電池組11前端加入隔離二極管Dtl作為隔離，這種處理既可以使通訊時(shí)不對(duì)串聯(lián)鋰電池組11形成放電，又不影響串聯(lián)鋰電池組11的正常充電。
[0027]充電電源模塊2可以根據(jù)串聯(lián)鋰電池組11的連接狀態(tài)和電壓高低調(diào)整充電電壓和電流的大小。電池組電源模塊I根據(jù)采集的各串電池的電壓和充電電流情況，當(dāng)充電電流過(guò)大或過(guò)小時(shí)，則通過(guò)本實(shí)施例中上述通訊方式將相應(yīng)的頻率信息發(fā)送至充電電源模塊2的一端，電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路21再解調(diào)出相應(yīng)的頻率信息，由輸出電壓控制電路22輸出控制信號(hào)控制AC/DC開(kāi)關(guān)電路23完成對(duì)充電電壓和電流的調(diào)整。本實(shí)施例中，輸出電壓控制電路22包括MCU (圖中未示出)。
[0028]圖4是本實(shí)施例中電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路的電路原理圖，圖4中其實(shí)就是積分比較器，可實(shí)現(xiàn)電流脈沖信號(hào)的檢測(cè)接收。圖4中，電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路21包括第一比較電路，第一比較電路包括第二電流采樣電阻Rs和第一電壓比較器U4a ;第二電流采樣電阻Rs的一端與電池組電源模塊I連接、并用于將電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，第二電流采樣電阻Rs的一端還通過(guò)第十二電阻R12與第一電壓比較器U4a的正向輸入端連接、通過(guò)第十三電阻R13與第一電壓比較器U4a的負(fù)向輸入端連接,第一電壓比較器U4a的正向輸入端還通過(guò)并聯(lián)的第三電容C3和第十四電阻R14接地，第一電壓比較器U4a的負(fù)向輸入端還通過(guò)第四電容C4接地。
[0029]本實(shí)施例中，電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路21還包括第二比較電路，第二比較電路包括第二電壓比較器U4b,第一電壓比較器U4a的輸出端與第二電壓比較器U4b的正向輸入端連接，第二電壓比較器U4b的負(fù)向輸入端通過(guò)第十六電阻R16接電源、通過(guò)第十七電阻R17接地，第二電壓比較器U4b的輸出端與輸出電壓控制電路22連接。圖4中，通過(guò)與積分電流比較將瞬間脈沖電流信號(hào)提取出來(lái)。通常情況下，由于第十二電阻R12和第十四電阻R14的分壓和第四電容C4的作用，第一電壓比較器U4a的反相輸入端電壓略高于同相輸入端，輸出端輸出低電平。為了防止回路中干擾信號(hào)引起的電流抖動(dòng)，再加入一級(jí)第二電壓比較器U4B。第二電壓比較器U4b以第十六電阻R16和第十七電阻R17對(duì)電源電壓Vdc的分壓作為第二電壓比較器U4b的參考電壓，第一電壓比較器U4a的輸出作為同相輸入電壓。當(dāng)充電回路存在脈沖電流的瞬間時(shí)，第一電壓比較器U4a的同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓，即瞬間脈沖電流大于積分電流，輸出為高電平。同理，第二電壓比較器U4b輸出也為高電平，這樣就將電流脈沖信號(hào)還原成了原始頻率的控制信號(hào)。檢測(cè)出的脈沖信號(hào)將輸入到輸出電壓控制電路22進(jìn)行頻率識(shí)別，再由輸出電壓控制電路22控制AC/DC開(kāi)關(guān)電路23，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電壓、電流調(diào)節(jié)。典型的開(kāi)關(guān)電源芯片內(nèi)部都提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓，也就是本實(shí)施例中AC/DC開(kāi)關(guān)電路23通過(guò)輸出端的分壓反饋與該參考電壓比較來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的PWM控制。
[0030]圖5是實(shí)施例中AC/DC開(kāi)關(guān)電路的電路原理圖，第九電阻R9和第十電阻Rl0構(gòu)成了 AC/DC開(kāi)關(guān)電路23的反饋電壓電路，R1-R8和Q1-Q4則組成了反饋調(diào)節(jié)電路。Controll-control4為MCU輸出電壓控制電路22的控制端口。AC/DC開(kāi)關(guān)電路23包括反饋電壓電路和反饋調(diào)節(jié)電路，反饋調(diào)節(jié)電路與反饋電壓電路連接。具體地，反饋電壓電路包括第九電阻R9和第十電阻R10，第十電阻RlO的一端與第九電阻R9連接，第十電阻RlO的另一端接地；反饋調(diào)節(jié)電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電R8、第一三極管Q1、第二三極管Q2、第三三極管Q3和第四三極管Q4，第一電阻Rl的一端、第二電阻R2的一端、第三電阻R3的一端和第四電阻R4的一端與第十電阻RlO的一端連接，第一電阻Rl的另一端、第二電阻R2的另一端、第三電阻R3的另一端和第四電阻R4的另一端分別與第一三極管Ql的集電極、第二三極管Q2的集電極、第三三極管Q3的集電極、第四三極管Q4的集電極連接，第一三極管Ql的發(fā)射極、第二三極管Q2的發(fā)射極、第三三極管Q3的發(fā)射極和第四三極管Q4的發(fā)射極共地，第一三極管Ql的基極、第二三極管Q2的基極、第三三極管Q3的基極和第四三極管Q4的基極分別與第五電阻R5的一端、第六電阻R6的一端、第七電阻R7的一端和第八電阻R8的一端連接，第五電阻R5的另一端、第六電阻R6的另一端、第七電阻R7的另一端和第八電阻R8的另一端分別與輸出電壓控制電路22的第一控制端Control 1、第二控制端Control2、第三控制端Control3和第四控制端Control4連接。三極管Q1-Q4起到開(kāi)關(guān)作用，高電平導(dǎo)通，反之則截至。導(dǎo)通時(shí)R1-R4與Rltl并聯(lián)，電阻阻值改變，即改變了 AC/DC開(kāi)關(guān)電路23的反饋電壓，進(jìn)而輸出的充電電壓、電流也隨之改變。四個(gè)調(diào)節(jié)電阻R1-R4相互組合可形成16(24)種阻值，即輸出電壓控制電路22可控制AC/DC開(kāi)關(guān)電路22輸出16個(gè)充電電平，實(shí)現(xiàn)充電電源模塊2根據(jù)串聯(lián)鋰電池組11電壓狀態(tài)改變充電電壓電流的目的。
[0031]總之，在本實(shí)施例中，放電時(shí)，若某串電池與串聯(lián)鋰電池組11中其它串電池電壓差值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，則將該串電池通過(guò)繼電器切斷使之懸空而暫停工作，其它電池維持與負(fù)載5連通持續(xù)工作，待其它電池的電壓與其相近或相等時(shí)，單刀雙擲繼電器切換回來(lái)再將它重新連接串入到串聯(lián)鋰電池組11中繼續(xù)工作；充電時(shí)，若某串電池電壓上升過(guò)快，電壓檢測(cè)控制電路12通過(guò)單刀雙擲繼電器同樣將它從串聯(lián)鋰電池組11中分?jǐn)?，暫停?duì)它充電，同時(shí)將串聯(lián)鋰電池組11串接數(shù)目改變的信息傳送到充電電源模塊2，使之調(diào)節(jié)到合適的充電電壓，對(duì)其它電池繼續(xù)充電，再等這些電池電壓升至閑置電池分?jǐn)嗲暗碾妷簳r(shí)，單刀雙擲繼電器復(fù)位再將它串接到電池組中，這一信息發(fā)送到充電電源模塊2由其中的電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路21接收并通過(guò)輸出電壓控制電路22處理，調(diào)整充電電源模塊2的輸出電壓使之與串聯(lián)鋰電池組11的串?dāng)?shù)相適應(yīng)，如此直至充電完成。這樣采用將容量較低一串電池分?jǐn)嗟姆椒▉?lái)達(dá)到均衡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制。
[0032]通過(guò)DC電源線(xiàn)而無(wú)需額外通道的電流脈沖調(diào)制方式，將信號(hào)傳輸?shù)匠潆婋娫茨K控制充電電壓以適應(yīng)電池組串?dāng)?shù)的改變。該分?jǐn)嗑饧夹g(shù)避免了一般電量轉(zhuǎn)移均衡方式的電池組內(nèi)部充放電循環(huán)和能量損耗，從而提高鋰電池組的整體容量和使用壽命。
[0033]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，包括電池組電源模塊和充電電源模塊，所述電池組電源模塊與所述充電電源模塊之間通過(guò)DC電源線(xiàn)連接；所述電池組電源模塊包括串聯(lián)鋰電池組、電壓檢測(cè)控制電路和分?jǐn)啻忧袚Q電路，所述電壓檢測(cè)控制電路檢測(cè)到所述串聯(lián)鋰電池組在放電時(shí)其各單串電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則控制所述分?jǐn)啻忧袚Q電路將電壓最低的單串電池從所述串聯(lián)鋰電池組中分?jǐn)啵鲭妷簷z測(cè)控制電路如果檢測(cè)到充電時(shí)某單串電池預(yù)先達(dá)到飽和，則控制所述分?jǐn)啻忧袚Q電路將預(yù)先達(dá)到飽和的單串電池從所述串聯(lián)鋰電池組中分?jǐn)?，并將所述串?lián)鋰電池組串接數(shù)目改變的信息傳送到所述充電電源模塊，所述充電電源模塊依據(jù)所述串聯(lián)鋰電池組的串接數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)其充電電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述分?jǐn)啻忧袚Q電路包括其數(shù)目與所述串聯(lián)鋰電池組串接數(shù)目一致、分別與所述串聯(lián)鋰電池組中各單串電池連接的單刀雙擲繼電器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述串聯(lián)鋰電池組還包括其數(shù)目與所述串聯(lián)鋰電池組串接數(shù)目一致、分別與所述串聯(lián)鋰電池組中各單串電池并聯(lián)的肖特基二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電池組電源模塊還包括與所述電壓檢測(cè)控制電路連接、用于產(chǎn)生一定頻率脈沖電流信號(hào)的電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路，所述電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路將產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)通過(guò)所述DC電源線(xiàn)傳送到所述充電電源模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電池組電源模塊還包括與所述串聯(lián)鋰電池組連接的DC/DC適配電路，所述DC/DC適配電路還與負(fù)載連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述充電電源模塊包括電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路、輸出電壓控制電路和AC/DC開(kāi)關(guān)電路，所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路接收所述電流脈沖信號(hào)、并對(duì)所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)出頻率信息后發(fā)送到所述輸出電壓控制電路，所`述輸出電壓控制電路依據(jù)所述頻率信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)、并控制所述AC/DC開(kāi)關(guān)電源電路完成對(duì)充電電壓和充電電流的調(diào)整。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電流脈沖信號(hào)調(diào)制電路包括第一電流采樣電阻、MOS管和用于起隔離作用的隔離二極管，所述隔離二極管的陽(yáng)極分別與所述充電電源模塊和第一電流采樣電阻的一端連接，陰極與所述串聯(lián)鋰電池組連接，所述第一電流采樣電阻的另一端與所述MOS管的漏極連接，所述MOS管的源極接地，柵極與所述電壓檢測(cè)控制電路的一個(gè)端口連接，所述電壓檢測(cè)控制電路通過(guò)控制所述MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)產(chǎn)生一定頻率的電流脈沖信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路包括第一比較電路，所述第一比較電路包括第二電流采樣電阻和第一電壓比較器；所述第二電流采樣電阻的一端與所述電池組電源模塊連接、并用于將所述電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，所述第二電流采樣電阻的一端還通過(guò)第十二電阻與所述第一電壓比較器的正向輸入端連接、通過(guò)第十三電阻與所述第一電壓比較器的負(fù)向輸入端連接，所述第一電壓比較器的正向輸入端還通過(guò)并聯(lián)的第三電容和第十四電阻接地，所述第一電壓比較器的負(fù)向輸入端還通過(guò)第四電容接地。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電流脈沖信號(hào)解調(diào)電路還包括第二比較電路，所述第二比較電路包括第二電壓比較器，所述第一電壓比較器的輸出端與所述第二電壓比較器的正向輸入端連接，所述第二電壓比較器的負(fù)向輸入端通過(guò)第十六電阻接電源、通過(guò)第十七電阻接地，所述第二電壓比較器的輸出端與所述輸出電壓控制電路連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)，其特征在于，所述AC/DC開(kāi)關(guān)電路包括反饋電壓電路和與所述反饋電壓電路連接的反饋調(diào)節(jié)電路；所述反饋電壓電路包括第九電阻和第十電阻，所述第十電阻的一端與所述第九電阻連接，所述第十電阻的另一端接地；所述反饋調(diào)節(jié)電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第一三極管、第二三極管、第三三極管和第四三極管，所述第一電阻的一端、第二電阻的一端、第三電阻的一端和第四電阻的一端與所述第十電阻的一端連接，所述第一電阻的另一端、第二電阻的另一端、第三電阻的另一端和第四電阻的另一端分別與所述第一三極管的集電極、第二三極管的集電極、第三三極管的集電極、第四三極管的集電極連接，所述第一三極管的發(fā)射極、第二三極管的發(fā)射極、第三三極管的發(fā)射極和第四三極管的發(fā)射極共地，所述第一三極管的基極、第二三極管的基極、第三三極管的基極和第四三極管的基極分別與所述第五電阻的一端、第六電阻的一端、第七電阻的一端和第八電阻的一端連接，所述第五電阻的另一端、第六電阻的另一端、第七電阻的另一端和第八電阻的另一端分別與所述輸出電壓控制電路的第一控制端、第二控制端、第三控制端和第四控 制端連接。
【文檔編號(hào)】H02J7/10GK103647316SQ201310643234
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】何志毅, 黃朝軍, 趙中華, 陳桂蘭 申請(qǐng)人:深圳市雅格朗電子有限公司