專利名稱：電池組二次平衡充電裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電能存儲(chǔ)系統(tǒng)及其充電方法，尤其涉及一種電池組二次平衡充電裝置及方法。
背景技術(shù)：
電池組充電分非平衡充電和平衡充電，所謂非平衡充電方法是指充電裝置及方法在充電過程中，充電電流都施加給整個(gè)電池組，在充電過程當(dāng)中，充電裝置通過監(jiān)測(cè)整個(gè)電池組的電壓、溫度信號(hào)或者監(jiān)測(cè)電池組中每個(gè)電池單元的電壓、溫度信號(hào)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)的信號(hào)判斷電池的充電狀況，如果其中的電壓、溫度信號(hào)達(dá)到設(shè)定值，充電停止。對(duì)于采用非平衡充電方法的充電裝置，由于充電電流只是施加給整個(gè)電池組，不能施加到電池組中的單個(gè)電池單元，因此不能根據(jù)電池組中所有單個(gè)電池單元的狀況對(duì)每個(gè)電池單元進(jìn)行充電。這樣充電的結(jié)果是電池組中每個(gè)電池單元在單位時(shí)間里所接受的電流是相同的，即電流與充電時(shí)間的乘積安培時(shí)(AH)相等。然后，由于在制造每個(gè)電池單元時(shí)的材料、工藝及設(shè)備的狀況等非絕對(duì)一致性，從而導(dǎo)致每個(gè)電池單元的性能差異和容量(AH)的差異，也就是說每個(gè)電池單元的實(shí)際容量(AH)與其標(biāo)稱容量是不相等的，或多或少存在差異，因此，非平衡充電方法不能使電池組的每個(gè)電池單元真正都達(dá)到100％的容量，這樣有些電池單元出現(xiàn)過充，而一些電池單元會(huì)出現(xiàn)欠充。如此情形在每個(gè)充電循環(huán)中都會(huì)發(fā)生，并且會(huì)隨著充電循環(huán)次數(shù)的增加而使得這種容量不匹配的情況加劇，最終影響到電池的使用壽命。
平衡充電就是均衡電池特性的充電，是指在電池的使用過程中，考慮到因?yàn)殡姵氐膫€(gè)體差異、溫度差異等原因造成電池端電壓不平衡，為了避免這種不平衡趨勢(shì)的惡化，需要對(duì)每個(gè)電池單元的電壓、溫度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)的信號(hào)判斷電池的充電狀況，根據(jù)狀況對(duì)每個(gè)電池單元進(jìn)行充電，使電池組的每個(gè)電池單元真正都達(dá)到100％的容量。
已有的平衡充電方法需要用復(fù)雜的電路監(jiān)控每個(gè)電池單元的電壓并都需要通過放電的方式來達(dá)到各電池單元的電壓平衡。這種充電方法和裝置中，存在的不足之一是其電池組中的每個(gè)電池單元之間并不是真正的直接連接，而是在每個(gè)電池單元的正負(fù)極之間加入了一個(gè)切換開關(guān)，開關(guān)會(huì)形成一個(gè)電阻，降低了大電流工作時(shí)的效率，從而限制了電池組在需要大電流動(dòng)力電池方面的應(yīng)用，或者只是提供監(jiān)測(cè)每個(gè)電池單元電壓的方法而未有提供“在充電過程中真正實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池單元電壓的平衡并達(dá)到100％的充滿電的要求”的方法。不足之二是對(duì)于由超過五個(gè)電池單元組成的電池組，其平衡充電裝置將會(huì)變得很復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)。不足之三是由于在電池組中加入電壓監(jiān)測(cè)及平衡控制電路，從而使得電池組在靜置狀態(tài)下的漏電流加大，當(dāng)漏電流超過200uA時(shí)，就會(huì)影響電池組的使用性能，尤其是在電動(dòng)工具方面。而現(xiàn)有的技術(shù)并沒有提供一個(gè)可行的減少漏電流方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用、電池單元能夠直接連接的電池組二次平衡充電裝置及方法，實(shí)現(xiàn)在每次充電時(shí)都能充電到每個(gè)電池單元的實(shí)際容量，既不過充電，也不欠充電。
本發(fā)明的次一目的是提供一種減少靜置狀態(tài)時(shí)的漏電流平衡充電裝置。
本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案予以解決一種電池組二次平衡充電裝置，包括兩兩相連的充電控制模塊、充電電源和電池充電電路，其特征是相鄰電池之間的接點(diǎn)以及第一個(gè)電池的負(fù)極通過正向二極管和控制開關(guān)接地，相鄰電池之間的接點(diǎn)以及最后一個(gè)電池的正極通過反向二極管和控制開關(guān)接充電電源正端。
該裝置還包括如下優(yōu)選特征相鄰電池之間的接點(diǎn)上有電壓采樣點(diǎn)，且至少部分相鄰電池之間通過采樣電阻和與采樣電阻串聯(lián)的控制開關(guān)接地，所述采樣點(diǎn)在所述采樣電阻端上。
所述的充電控制模塊的(Vn)管腳連接池充電電路的電壓采樣點(diǎn)(Vn)，控制開關(guān)管腳分別控制電池充電電路的控制開關(guān)的開合；電源輸入管腳(Vcc)連接恒流恒壓電源的(Vcc)電源輸出管腳；電壓控制管腳(V)連接恒流恒壓電源的電壓控制管腳(V)；電流控制管腳(I1、I2)連接恒流恒壓電源的電流控制管腳(I1、I2)；充電控制管腳(C)連接恒流恒壓電源的充電控制管腳(C)。
一種電池組二次平衡充電方法，其特征是包括如下步驟1)檢測(cè)電池組所有電池單元的電壓；
2)判斷電池組中電池單元的電壓是否低于設(shè)定的低壓限值；3)當(dāng)任一電池單元的電壓低于設(shè)定的低壓限值時(shí)，充電控制模塊向充電電源發(fā)出控制信號(hào)，控制恒流恒壓電源的輸出電流保持在設(shè)定的小電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓設(shè)定在電池組的最高電壓，對(duì)電池組進(jìn)行預(yù)充電；當(dāng)任一電池單元的電壓都高于設(shè)定的低壓限值時(shí)，進(jìn)行步驟4)；4)當(dāng)電池組的所有電池單元的電壓都高于設(shè)定的低壓限值時(shí)，充電控制模塊向充電電源發(fā)出控制信號(hào)，控制充電電源的輸出電流保持在設(shè)定的正常電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓設(shè)定在電池組的最高電壓；同時(shí)單片微處理器向電池充電電路發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)電池組進(jìn)行快速充電；5)當(dāng)電池組的任一電池單元的電壓達(dá)到設(shè)定的滿充電壓限值時(shí)，單片微處理器向充電電源發(fā)出控制信號(hào)，從而控制充電電源的輸出電流保持在設(shè)定的補(bǔ)充電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓下降到單個(gè)電池單元的最高電壓值，對(duì)每個(gè)電池單元進(jìn)行補(bǔ)充充電。
所述方法還包括如下優(yōu)選特征所述補(bǔ)充充電包括如下步驟5-1)控制開關(guān)的開合，使僅組成第一個(gè)電池的充電回路，對(duì)第一個(gè)電池單元進(jìn)行補(bǔ)充充電；5-2)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電池單元的電壓達(dá)到設(shè)定的滿充電壓限值時(shí)，則斷開其充電回路，重新形成僅對(duì)第二個(gè)電池進(jìn)行充電的充電回路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)第二個(gè)電池單元的補(bǔ)充充電；5-3)如此循環(huán)直至電池組所有的電池單元全部充電到設(shè)定的滿充電壓值。
本發(fā)明的有益效果是由于電池單元是直接串聯(lián)，避免了接入開關(guān)所引起的開關(guān)電阻，使電池組在大電流應(yīng)用的情況下，效率更高，減少了開關(guān)電阻的損耗，提高了大電流工作時(shí)的工作效率。本發(fā)明的電路簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于例如4-10個(gè)電池單元串聯(lián)的電池組，實(shí)用性強(qiáng)。
本發(fā)明通過在電壓采樣支路上設(shè)置斷開開關(guān)和設(shè)定單片微處理器的I/O端口都處于高阻狀態(tài)，減少了漏電流，提高了電池組的性能。


圖1是本發(fā)明電池組二次平衡充電裝置及方法示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例具體電路原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體的實(shí)施方式并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
如圖1所示，本例中電池組二次平衡充電裝置及方法包括充電控制模塊1、充電電源3和電池充電電路5，充電控制模塊1與充電電源3電連接，充電電源3與電池充電電路5電連接，電池充電電路5包括采樣電路和控制開關(guān)，充電控制模塊1連接至電池充電電路中的采樣電路和控制開關(guān)，電池組常置于電池充電電路中。
本發(fā)明的平衡充電裝置及方法可以物理上分成兩個(gè)部分，這兩部分可以通過接口的插撥實(shí)現(xiàn)結(jié)合或分離。
其中，充電控制模塊1和電池充電電路5就構(gòu)成本發(fā)明的第一部分電路——平衡充電的控制電路。該電路包括對(duì)整個(gè)電池組充電和對(duì)每個(gè)電池單元單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)充充電的開關(guān)切換電路、每個(gè)電池單元的電壓取樣和防止電壓取樣回路漏電的開關(guān)電路、對(duì)每個(gè)電池單元的電壓信號(hào)及溫度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理的單片微處理器MCU三部分組成。
充電電源3是本發(fā)明的第二部分電路，它主要是一個(gè)具有恒壓恒流功能的電源供應(yīng)器，該電源供應(yīng)器向上述的第一部分電路“平衡充電控制電路”提供一個(gè)受控的恒流恒壓源和第一部分電路本身工作所需的電源，該恒流恒壓源連接到圖2的VCC。第一部分電路的單片微處理器MCU通過輸出接口對(duì)第二部分電路“電源供應(yīng)器”輸出的電壓電流進(jìn)行編程控制。
如圖2所示，電池組由兩個(gè)以上電池BAT1、BAT2、......BATn串聯(lián)，其中n為大于2的自然數(shù)(常用的電池組有4-10個(gè)電池單元)。相鄰兩個(gè)電池BATn、BATn-1之間的接點(diǎn)通過一個(gè)正向二極管Dn*2和與其串聯(lián)的開關(guān)SWn*2接地，并且通過一個(gè)反向二極管Dn*2-3和與其串聯(lián)的開關(guān)SWn*2-3接充電電壓V+(所謂“反向二極管Dn*2-1”是指從該接點(diǎn)到充電電壓方向看去而言，如果從充電電壓向該接點(diǎn)看去，則是正向二極管)；相鄰電池BATn、BATn-1之間的接點(diǎn)還通過采樣電阻R(n-2)*2+1和R(n-2)*2+2和與其串聯(lián)的開關(guān)SW0接地，在兩個(gè)采樣電阻R(n-2)*2+1和R(n-2)*2+2之間中間接點(diǎn)處連接電壓采樣點(diǎn)Vn，但在前兩個(gè)電池BAT1、BAT2之間可以只有采樣點(diǎn)V1沒有采樣電阻。第一個(gè)電池的負(fù)極通過反向二極管D2和開關(guān)SW2按地，最后一個(gè)電池的正極通過反向二極管Dn*2-1和開關(guān)SWn*2-1接充電電壓。
電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R1與R2組成電壓取樣回路，得到電壓V2。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R3與R4組成電壓取樣回路，得到電壓V3。以此類推，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)Rn*2-3(n≥2)與Rn*2-2(n≥2)組成電壓取樣回路，得到電壓Vn。開關(guān)SW0防止電池組在靜置時(shí)電池單元經(jīng)由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)而漏電。SW1與SW2導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開，組成第一個(gè)電池單元的充電開關(guān)回路；SW3與SW4導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開，組成第二個(gè)電池單元的充電開關(guān)回路；SW5與SW6導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開，組成第三個(gè)電池單元的充電開關(guān)回路；依此類推，SWn*2與SWn*2-1導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開，組成第n個(gè)電池單元的充電開關(guān)回路。并且原則上任意一個(gè)奇數(shù)開關(guān)與小于它的任意一個(gè)偶數(shù)開關(guān)導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開，都可以組成充電開關(guān)回路。如SWn*2-1與SW2導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開，組成整個(gè)電池組的充電開關(guān)回路。在各開關(guān)回路中分別串聯(lián)隔離二極管防止電池的反向漏電。各開關(guān)回路分別通過連接線連接到各電池單元之間相連的接點(diǎn)。
充電控制模塊1與電池充電電路5的電連接是通過充電控制模塊的Vn管腳連接電池充電電路的電壓采樣點(diǎn)Vn，充電控制模塊的管腳SWn*2和SWn*2-1分別控制電池充電電路開關(guān)SWn*2和SWn*2-1的閉合；充電控制模塊的管腳Vcc連接恒流恒壓電源的Vcc管腳；充電控制模塊的管腳V連接恒流恒壓電源的管腳V；充電控制模塊的管腳I1連接恒流恒壓電源的管腳I1；充電控制模塊的管腳I2連接恒流恒壓電源的管腳I2；充電控制模塊的管腳C連接恒流恒壓電源的管腳C。恒流恒壓電源與電池充電電路的電連接是通過恒流恒壓電源的管腳V+連接電池充電電路的V+管腳，管腳GND接地。
其工作原理如下一、電池組的靜置狀態(tài)電池組處于靜置狀態(tài)時(shí)，因第一部分電路與第二部分電路是分離的，第二部分電路不能提供給第一部分電路的工作電源，因此整個(gè)第一部分電路不工作，單片微處理器的I/O端口都處于高阻狀態(tài)，所有的開關(guān)SW0、SW1、SW3---SWn*2處于斷開狀態(tài)，從而切斷了所有的漏電回路，使漏電流減到最小。
二、電池組的預(yù)充電狀態(tài)第一部分電路與第二部分電路接通，第二部分電路向第一部分電路供電，單片微處理器上電復(fù)位，使SW0閉合，斷開開關(guān)SW1、SW2、SW3---SWn*2。各電池單元的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)取得的電池電壓信號(hào)送到單片微處理器MCU的模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)的I/O端口V1---Vn，單片微處理器MCU對(duì)各電池單元的電壓信號(hào)進(jìn)行處理。注意各個(gè)電池的采樣是分時(shí)順序進(jìn)行的，以避免多個(gè)SW0導(dǎo)通形成復(fù)雜多端網(wǎng)絡(luò)影響采樣結(jié)果。電阻用來降壓，以符合單片微處理器MCU的對(duì)電壓最高值的要求。通過Vn與Vn-1的值計(jì)算出BATn的電壓。當(dāng)任一電池單元的電壓低于設(shè)定的低壓限值時(shí)，單片微處理器向充電電源發(fā)出控制信號(hào)即充電控制信號(hào)C、充電電壓控制信號(hào)V、充電電流控制信號(hào)I1/I2。從而控制“電源供應(yīng)器”的輸出電流保持在設(shè)定的小電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓設(shè)定在電池組的最高電壓。同時(shí)單片微處理器向電池充電電路的開關(guān)發(fā)出控制信號(hào)，使SW0、SW2、SWn*2-1閉合，其余開關(guān)斷開，則恒定的小電流經(jīng)由Dn*2-1、SWn*2-1、電池組、D2、SW2組成的回路對(duì)電池組充電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的預(yù)充電。
三、電池組的快速充電狀態(tài)當(dāng)電池組的所有電池單元的電壓都高于設(shè)定的低壓限值時(shí)(鎳氫電池是0.8V；鋰離子電池是2.5V)，單片微處理器向充電電源3發(fā)出控制信號(hào)即充電控制信號(hào)C、充電電壓控制信號(hào)V、充電電流控制信號(hào)I1/I2。從而控制充電電源的輸出電流保持在設(shè)定的正常電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓設(shè)定在電池組的最高電壓；同時(shí)單片微處理器向電池充電電路發(fā)出控制信號(hào)，使SW0、SW2、SWn*2-1導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開，則恒定的大電流經(jīng)由Dn*2-1、SWn*2-1、電池組、D2、SW2組成的回路對(duì)電池組充電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的快速充電。
四、電池組的補(bǔ)充充電狀態(tài)當(dāng)電池組的任一電池單元的電壓達(dá)到設(shè)定的滿充電壓限值時(shí)，單片微處理器向充電電源3發(fā)出控制信號(hào)即充電控制信號(hào)C、充電電壓控制信號(hào)V、充電電流控制信號(hào)I1/I2。從而控制充電電源的輸出電流保持在設(shè)定的補(bǔ)充電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓下降到單個(gè)電池單元的最高電壓值。同時(shí)單片微處理器向電池充電電路的開關(guān)發(fā)出控制信號(hào)，首先使SW0、SW1、SW2閉合，其余開關(guān)斷開，則恒定的補(bǔ)充電流經(jīng)由D1、SW1、BAT1、D2、SW2組成的回路對(duì)電池單元BAT1充電。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)BAT1單元的補(bǔ)充充電。當(dāng)BAT1單元的電壓達(dá)到設(shè)定的滿充電壓限值時(shí)，則斷開SW1和SW2，同時(shí)閉合SW3和SW4，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)BAT2單元的補(bǔ)充充電。當(dāng)BAT2單元的電壓達(dá)到設(shè)定的滿充電壓限值時(shí)，則斷開SW3和SW4，同時(shí)閉合SW5和SW6，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)BAT3單元的補(bǔ)充充電。如此循環(huán)，直至電池組所有的電池單元全部充電到設(shè)定的滿充電壓值。最終實(shí)現(xiàn)平衡充電的目的。
權(quán)利要求
1.一種電池組二次平衡充電裝置，包括兩兩相連的充電控制模塊、充電電源和電池充電電路，其特征是相鄰電池之間的接點(diǎn)以及第一個(gè)電池的負(fù)極通過正向二極管和控制開關(guān)接地，相鄰電池之間的接點(diǎn)以及最后一個(gè)電池的正極通過反向二極管和控制開關(guān)接充電電源正端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種電池組二次平衡充電裝置，其特征是相鄰電池之間的接點(diǎn)上有電壓采樣點(diǎn)，且至少部分相鄰電池之間通過采樣電阻和與采樣電阻串聯(lián)的控制開關(guān)接地，所述采樣點(diǎn)在所述采樣電阻端上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種電池組二次平衡充電裝置，其特征是所述的充電控制模塊的(Vn)管腳連接電池充電電路的電壓采樣點(diǎn)(Vn)，控制開關(guān)管腳分別控制電池充電電路的控制開關(guān)的開合；電源輸入管腳(Vcc)連接恒流恒壓電源的(Vcc)電源輸出管腳；電壓控制管腳(V)連接恒流恒壓電源的電壓控制管腳(V)；電流控制管腳(I1、I2)連接恒流恒壓電源的電流控制管腳(I1、I2)；充電控制管腳(C)連接恒流恒壓電源的充電控制管腳(C)。
4.一種電池組二次平衡充電方法，其特征是包括如下步驟1)檢測(cè)電池組所有電池單元的電壓；2)判斷電池組中電池單元的電壓是否低于設(shè)定的低壓限值；3)當(dāng)任一電池單元的電壓低于設(shè)定的低壓限值時(shí)，充電控制模塊向充電電源發(fā)出控制信號(hào)，控制恒流恒壓電源的輸出電流保持在設(shè)定的小電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓設(shè)定在電池組的最高電壓，對(duì)電池組進(jìn)行預(yù)充電；當(dāng)任一電池單元的電壓都高于設(shè)定的低壓限值時(shí)，進(jìn)行步驟4)；4)當(dāng)電池組的所有電池單元的電壓都高于設(shè)定的低壓限值時(shí)，充電控制模塊向充電電源發(fā)出控制信號(hào)，控制充電電源的輸出電流保持在設(shè)定的正常電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓設(shè)定在電池組的最高電壓；同時(shí)單片微處理器向電池充電電路發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)電池組進(jìn)行快速充電；5)當(dāng)電池組的任一電池單元的電壓達(dá)到設(shè)定的滿充電壓限值時(shí)，單片微處理器向充電電源發(fā)出控制信號(hào)，從而控制充電電源的輸出電流保持在設(shè)定的補(bǔ)充電流值的恒流狀態(tài)，輸出電壓下降到單個(gè)電池單元的最高電壓值，對(duì)每個(gè)電池單元進(jìn)行補(bǔ)充充電。
5.如權(quán)利要求4所述的一種電池組二次平衡充電方法，其特征是所述補(bǔ)充充電包括如下步驟5-1)控制開關(guān)的開合，使僅組成第一個(gè)電池的充電回路，對(duì)第一個(gè)電池單元進(jìn)行補(bǔ)充充電；5-2)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電池單元的電壓達(dá)到設(shè)定的滿充電壓限值時(shí)，則斷開其充電回路，重新形成僅對(duì)第二個(gè)電池進(jìn)行充電的充電回路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)第二個(gè)電池單元的補(bǔ)充充電；5-3)如此循環(huán)直至電池組所有的電池單元全部充電到設(shè)定的滿充電壓值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電池組二次平衡充電裝置及其充電方法。所述裝置包括兩兩相連的充電控制模塊、充電電源和電池充電電路，其特征是相鄰電池之間的接點(diǎn)以及第一個(gè)電池的負(fù)極通過正向二極管和控制開關(guān)接地，相鄰電池之間的接點(diǎn)以及最后一個(gè)電池的正極通過反向二極管和控制開關(guān)接充電電壓。由于電池單元是直接串聯(lián)，避免了接入開關(guān)所引起的開關(guān)電阻，使電池組在大電流應(yīng)用的情況下，效率更高，減少了開關(guān)電阻的損耗，提高了大電流工作時(shí)的工作效率。本發(fā)明的電路簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于例如4－10個(gè)電池單元串聯(lián)的電池組，實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)H01M10/44GK1889324SQ200610061688
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者周明亮 申請(qǐng)人:周明亮