專利名稱：串聯電池組充電平衡系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及串聯電池組充電技術，尤其涉及串聯電池組充電平衡系統，適用 于純電動汽車、混合動力電動汽車、燃料電池電動汽車、電動船舶、后備式通信電源、NB電池 和電動工具等所使用的多電池串聯的電池組。
背景技術：
對于包含有多節電池串聯的電池組，由于單體電池老化程度以及受溫度影響不 同，每節單體電池的狀態就不一致；隨著充放電次數的增加，電池間的電壓差會逐漸增加， 形成電池間的不平衡，從而造成電池組壽命縮短。當電池組用較大電流進行一段時間的放 電，如果電池之間的不平衡達到一定程度，容量最小的單體電池上產生的極化反應會對該 電池組造成永久性的損壞，因此單體電池之間平衡是否對于電池組的使用壽命及效果起著 至關重要的作用。目前市場上對于串聯電池組的充電平衡管理，普遍采用以下方式1.采用末端平衡管理方式當電池組中任意一節單體電池電壓達到電芯要求的恒壓充電電壓Uch時，對達到 Uch的電池兩端并入小電流放電支路，當電池組中任意一節單體電池電壓達到電芯要求的 過充保護電壓Uov時，需立即切斷充電回路，防止電池由于過充而引起安全問題。由于電池 間的不平衡，電池整組電壓未達到相應的充電電壓，這造成充電電流遠大于并入的放電支 路電流，在大電流的作用下，電池從Uov到電芯要求的過充保護電壓Uov的時間t很短(見 圖1)，這表明了電池所能平衡的容量很少，在實際應用中這很難解決電池之間的容量差異 問題。2.采用中期平衡管理方式這種管理方式是在單體電池達到某一值W^al⑴bal為平衡啟動點⑴bal《Uch)就 開始進行小電流放電，延長了電池平衡時間，但電池的充電曲線是不一致的。圖2所示為電 池組里A、B電池的充電曲線，正常充電情況下，電池A的電壓比電池B的電壓先到達W^al 點，因此系統將對A電池進行小電流放電，而從充電曲線可以看出，本來A電池的充電時間 就要比B電池的充電時間長(t2 > tl)，但由于A電池先進行小電流放電，減少了實際流入 A電池的電流，延長了 A電池充滿所需要的充電時間，最終造成A、B電池容量差異比平衡前 A、B電池的容量差異還要大。通過這種方案，不但沒有拉近電池之間的電壓差，反而加劇了 電池之間的電壓差，從而造成容量上的進一步差異。
實用新型內容本實用新型的目的在于，提供一種串聯電池組充電平衡系統，以在串聯電池組的 充電過程中解決電池組中的單體電池之間的容量差異問題。本實用新型提供的串聯電池組充電平衡系統包括串聯電池組和充電電源，串聯電 池組包括多個串聯的電池，該系統還包括電池電壓監測模塊，其包括與電池數量相等的電池電壓監測子模塊，每個電池電壓檢測子模塊單獨與一個電池連接，用于監測與其連接的 電池的電壓；能量溢出模塊，其包括數量與電池數量相等的能量溢出子模塊，每個能量溢出 子模塊單獨與一個電池連接，能量溢出子模塊包括串聯連接的電子開關一(SW)和分流負 載；充電能量限入控制模塊，其與串聯電池組的一端和充電電源接連，用于對充電回路的電 流進行控制；主控模塊，其分別與電池電壓監測模塊、能量溢出模塊和充電能量限入控制模 塊電連接，根據電池電壓監測子模塊檢測到的電壓情況來控制能量溢出子模塊和充電能量 限入控制模塊。相對現有的技術，本實用新型具有如下技術效果1.可平衡度大，可以實現最惡劣平衡狀態下的電池組平衡(即電池組中至少有一 節充滿電池和一節放空電池)；2.由于平衡啟動后，回路對電池組進行小電流充電，保證了所有的單體電池完全 充滿，提高了電池利用效率；3.通過對充電電流的控制和對達到預定的充電電壓的單體電池充電電流進行旁 路分流來實現電池間的平衡，極大地方便了電路的實現，提高了系統的穩定性，降低了電路 成本；4.由于采用末端平衡控制，避免了充電曲線不一致狀態下造成的影響，有利于電 池分容配阻，使電池組的生產成本大幅度下降。
圖1為現有的末端平衡管理方式的充電曲線圖；圖2為現有的中期平衡管理方式的充電曲線圖；圖3為本實用新型實施例一的方框電路圖；圖4為本實用新型實施例二的方框電路以下結合附圖對本實用新型作詳細描述。
具體實施方式
實施例一參見圖3，串聯電池組包括四個串聯連接的電池，電池優選采用鋰電池，每個電池 充電后的電壓為4. 2V(伏)，因此電池組提供了 16. 8V的總電壓。當然，本實施例中所采用 的4個鋰電池不應該被視為是限制性，本實用新型可以使用任何數量、類型或容量的電池。 本領域技術人員認識到，每個電池實際上可以是并聯連接并在相同電壓下工作的若干個物 理的電池，以提高串聯連接的多個電池的整體容量。串聯電池組可向電氣裝置——例如(但 不限于)電動工具或NB電池——提供電源。電池電壓監測模塊包括多個電池電壓監測子模塊，電池電壓監測子模塊的數量不 少于串聯電池組中的電池數量，每個電池電壓檢測子模塊通過電纜單獨與一個電池連接， 電池電壓檢測子模塊與單體電池建立起一對一的連接關系，時時在線監測與其連接的單個 電池的電壓情況。每個電池電壓監測子模塊可以是由比較器、基準電壓以及相關邏輯電路 組成的電池電壓監測電路。當然，電池電壓監測子模塊還可以是任何電壓相符的電壓監測 類電子芯片，也可以是使用純微處理器、微控制器、計算機、專用集成電路(ASIC)或本領域技術人員所知的其他類似的裝置與A/D構成的電壓監測電路。能量溢出模塊包括多個能量溢出子模塊，能量溢出子模塊的數量等于串聯電池組 中的電池數量，每個能量溢出子模塊單獨與一個電池連接，能量溢出子模塊與單體電池建 立起一對一的連接關系，每個能量溢出子模塊包括串聯連接的電子開關一 SW和分流負載。 當能量溢出子模塊有效時，電子開關一 SW閉合，分流負載進行分流；相反，當能量溢出子模 塊禁止時，電子開關一 SW斷開，分流負載終止分流。當某一單體電池達到電芯要求的恒壓 充電電壓時，相應的電池能量溢出子模塊中的電子開關一 SW就閉合，通過分流負載對電池 兩端進行分流，實現多余電能溢出；一旦該單體電池電壓低于電池自身要求的恒壓充電電 壓時，相應的能量溢出子模塊中的電子開關一 SW就斷開，中止電池能量溢出。電子開關一 SW的實現不限于由不同類型的晶體管、不同類型的場效應晶體管、繼電器或其他合適的開 關器件來實施，也包括會對分流負載進行通斷的邏輯意義上的開關信號。分流負載的實現 不限于耗電的電阻、電子模擬電阻，也包括會對整個電池饋電的DC/DC裝置。此外，此處電 子開關一 SW(和其他開關)的操作在本申請中可以被稱為“斷開”、“閉合”、“通”、“斷”等， 正如用于機械式開關的習慣那樣。然而，這樣做是為了方便表述，而不應將電子開關一 SW 理解為物理開關。充電能量限入控制模塊與串聯電池組的正極端和充電電源連接，用于實現整個充 電回路的電流控制，從而達到充電能量限制進入的目的。本實用新型提供了兩種實施方式， 但不限于此。在本實施例中，充電能量限入控制模塊包括電子開關二 KCH、電子開關三KOC 和限流電路，限流電路先與電子開關三KOC串聯連接，之后再與電子開關二 KCH并聯連接。 當電子開關二 KCH有效時，開關兩端電路將被連通，即電池充電電源(或適配器)與電池組 直接連通。相反，當電子開關二KCH被禁止時，開關兩端電路將被斷開。優選地，利用晶體管 實現電子開關二KCH，從而可以實現由電子開關二KCH執行的電切換而無需可移動部件(即 “固態”實現)。更優選地，電子開關二 KCH被實現為金屬氧化物硅場效應晶體管(MOSFET)。 使用MOSFET而不是機械式或繼電器式開關，大大降低了系統的實施成本。然而，電子開關 二 KCH也可以采用不同類型的晶體管、不同類型的場效應晶體管、繼電器、或其他合適的開 關器件來實施。電子開關三KOC的實現與電子開關二 KCH相同。限流電路不限于電阻、電 子模擬電阻，也包括帶限流功能的低壓差電源電路。優先地，限流電路為低壓差恒流源。在 本實施例中，系統通過斷開電子開關二 KCH和閉合電子開關三KOC以及啟動限流電路來實 現對充電能量管控。主控模塊分別與電池電壓監測模塊、能量溢出模塊和充電能量限入控制模塊電連 接，主控模塊可以是微處理器、微控制器、計算機、專用集成電路(ASIC)或本領域技術人員 所知的其他類似的裝置，也可以是邏輯電路。主控模塊用于對系統中各個部件的操作進行 控制，其從電池電壓監測子模塊得到各個單體電池的電壓信息，對這些信息進行處理，并對 能量溢出模塊和充電能量限入控制模塊進行控制。實施例二本實施例的大部分結構與實施例一相同，其區別僅在于充電能量限入控制模塊， 參見圖4，在該實施例中，充電能量限入控制模塊為電子開關二(KCH)，當正常充電時，主控 模塊將電子開關二(KCH)閉合，而在限流充電時，主控模塊通過對電子開關二(KCH)的通斷 時間控制來實現對單位時間內充電回路提供的電荷數進行管控。
權利要求1.串聯電池組充電平衡系統，包括串聯電池組和充電電源，串聯電池組包括多個串聯 的電池，其特征在于，所述系統還包括電池電壓監測模塊，其包括與電池數量相等的電池電壓監測子模塊，每個電池電壓檢 測子模塊單獨與一個電池連接，用于監測與其連接的電池的電壓；能量溢出模塊，其包括數量與電池數量相等的能量溢出子模塊，每個能量溢出子模塊 單獨與一個電池連接，能量溢出子模塊包括串聯連接的電子開關一(SW)和分流負載；充電能量限入控制模塊，其與串聯電池組的一端和充電電源接連，用于對充電回路的 電流進行控制；主控模塊，其分別與電池電壓監測模塊、能量溢出模塊和充電能量限入控制模塊電連 接，根據電池電壓監測子模塊檢測到的電壓情況來控制能量溢出子模塊和充電能量限入控 制模塊。
2.根據權利要求1所述的串聯電池組充電平衡系統，其特征在于，所述充電能量限入 控制模塊包括電子開關二(KCH)、電子開關三(KOC)和限流電路，限流電路先與電子開關三 串聯連接之后再與電子開關二并聯連接。
3.根據權利要求2所述的串聯電池組充電平衡系統，其特征在于，所述電子開關一 (SW)、電子開關二(KCH)和電子開關三(KOC)為晶體管或繼電器。
4.根據權利要求3所述的串聯電池組充電平衡系統，其特征在于，所述電子開關二 (KCH)為金屬氧化物硅場效應晶體管。
5.根據權利要求3所述的串聯電池組充電平衡系統，其特征在于，所述電池電壓監測 子模塊為由比較器、基準電壓以及邏輯電路組成的電池電壓監測電路。
6.根據權利要求3所述的串聯電池組充電平衡系統，其特征在于，所述限流電路為電 阻、電子模擬電阻或包括帶限流功能的低壓差電源電路。
7.根據權利要求1所述的串聯電池組充電平衡系統，其特征在于，所述充電能量限入 控制模塊為電子開關二(KCH)。
專利摘要本實用新型涉及串聯電池組充電平衡系統，該系統包括串聯電池組、充電電源、電池電壓監測模塊、能量溢出模塊、充電能量限入控制模塊和主控模塊，當電池電壓監測模塊檢測到某個電池的電壓達到平衡啟動電壓時，能量溢出模塊對該電池進行分流，使該電池保持平衡啟動電壓，同時充電能量限入控制模塊對充電電流進行控制，對未達到平衡啟動電壓的單體電池進行繼續充電，直到電池組中的所有電池充滿。本實用新型具有可平衡度大、電池利用效率高、電路成本低和電池組壽命長等優點。
文檔編號H02J7/00GK201893589SQ20102067139
公開日2011年7月6日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者童文賢 申請人:寧波飛馳達電子科技發展有限公司