一種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)的制作方法

一種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種串聯(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DC電源線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、電壓檢測控制電路和分?jǐn)啻忧袚Q電路，電壓檢測控制電路檢測到串聯(lián)鋰電池組放電時各單串電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超過設(shè)定的閾值，則控制分?jǐn)啻忧袚Q電路將電壓最低的單串電池分?jǐn)?，電壓檢測控制電路如果檢測到充電時某單串電池預(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)目改變信息傳送到充電電源模塊來調(diào)節(jié)充電電壓。實施本實用新型的串聯(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)簡單、避免電池組內(nèi)部充放電循環(huán)、能量損耗較小。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及電源領(lǐng)域，特別涉及一種串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)。 -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、無記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保、使用壽命長及單節(jié) 電池電壓高等諸多優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用，作為移動設(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。鋰電池的電壓無法滿足中大功率設(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 低輸入線路和整流的損耗。鋰電池串聯(lián)使用時，由于電池制造過程中的初始性能（如自放 電率、容量等）不一致以及使用過程中由于電池內(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隨著使用時間的增加而變大，這 將造成工作過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充過放，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候斷開，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整體性能的影響，需要對串聯(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)分流旁路對容量高的電池串放電損耗來進(jìn)行均衡。這種方式其電路結(jié)構(gòu)簡單，但 對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)重的問題，均衡過程一般在充 電過程中進(jìn)行。后者是對電壓較低的一串電池進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移，在放電過程中將其它電池的 電量補(bǔ)充給它，充電過程中轉(zhuǎn)移給其它串電池，但是電路結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，需要隔離耦 合?？梢苑譃槎鄬σ缓鸵粚σ晦D(zhuǎn)移的方式。多對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，但均衡過程會影響到整串電池組，使所有電池都重復(fù)地作自我相互充 放電，增加各串電池的無功負(fù)擔(dān)并消耗其循環(huán)壽命，一對一轉(zhuǎn)移則需要雙隔離，對應(yīng)每一 串電池要有一個輸入和輸出隔離的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。無論采用哪種方式，由于均衡輸出都是對單串電池充電， 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，把超級容量電容或另外一個電 池作為中間載體，反復(fù)與電量高、低的兩串電池之間進(jìn)行充放電切換實現(xiàn)均衡，但這種無源 被動式充放電需要電池與中間載體電壓差要在〇. IV、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。 實用新型內(nèi)容
[0004] 本實用新型要解決的技術(shù)問題在于，針對現(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] 本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(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DC電源線連接；所述電池組電源模塊包括串聯(lián)鋰電池組、電壓檢測控制電路 和分?jǐn)啻忧袚Q電路，所述電壓檢測控制電路檢測到所述串聯(lián)鋰電池組在放電時其各單串 電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，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測控制電路如果檢測 到充電時某單串電池預(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)目來調(diào)節(jié)其充電電壓。
[0006] 在本實用新型所述的串聯(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] 在本實用新型所述的串聯(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-極管。
[0008] 在本實用新型所述的串聯(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控制電路連接、用于產(chǎn)生一定頻率脈沖電流信號的電流脈沖信號調(diào)制 電路，所述電流脈沖信號調(diào)制電路將產(chǎn)生的脈沖電流信號通過所述DC電源線傳送到所述 充電電源模塊。
[0009] 在本實用新型所述的串聯(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] 在本實用新型所述的串聯(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 電流脈沖信號解調(diào)電路、輸出電壓控制電路和AC/DC開關(guān)電路，所述電流脈沖信號解調(diào)電 路接收所述電流脈沖信號、并對所述電流脈沖信號解調(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、并控制所述AC/ DC開關(guān)電路完成對充電電壓和充電電流的調(diào)整。
[0011] 在本實用新型所述的串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)中，所述電流脈沖信號調(diào)制 電路包括第一電流采樣電阻、M0S管和用于起隔離作用的隔離二極管，所述隔離二極管的陽 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M0S管的漏極連接，所述M0S管的源極接地，柵 極與所述電壓檢測控制電路的一個端口連接，所述電壓檢測控制電路通過控制所述M0S管 的導(dǎo)通和關(guān)斷來產(chǎn)生一定頻率的電流脈沖信號。
[0012] 在本實用新型所述的串聯(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轉(zhuǎn)換 成電壓信號，所述第二電流采樣電阻的一端還通過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)向輸入端還通過第四電容接地。
[0013] 在本實用新型所述的串聯(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 過第十六電阻接電源、通過第十七電阻接地，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] 在本實用新型所述的串聯(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] 實施本實用新型的串聯(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、電壓檢測控制電 路和分?jǐn)啻忧袚Q電路，電壓檢測控制電路檢測到串聯(lián)鋰電池組在放電時其各單串電池之 間的最高電壓和最低電壓的差值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，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)?，電壓檢測控制電路檢測到充電時某單串電池預(yù)先 達(dá)到飽和時，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DC電源線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間再將它重新串接到 電池組中，以此實現(xiàn)各串電池的均衡放電或充電；由于無需額外通道的電流脈沖調(diào)制方式 將信號傳輸?shù)匠潆婋娫茨K，所以其電路結(jié)構(gòu)簡單，同時避免了一般電量轉(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。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前 提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1為本實用新型串聯(lián)鋰電池組電源均衡管理系統(tǒng)一個實施例中的電路結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0018] 圖2為所述實施例中電池分?jǐn)噙B接切換示意圖；
[0019] 圖3是所述實施例中電流脈沖信號調(diào)制電路的電路原理圖；
[0020] 圖4是所述實施例中電流脈沖信號調(diào)制電路的電路原理圖；
[0021] 圖5是所述實施例中AC/DC開關(guān)電路的電路原理圖。

【具體實施方式】
[0022] 下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的 實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下 所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
[0023] 在本實用新型串聯(lián)里電池組電源均衡管理系統(tǒng)實施例中，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1和充電電源 模塊2,電池組電源模塊1與充電電源模塊2之間通過DC電源線連接；電池組電源模塊1 包括串聯(lián)鋰電池組11、電壓檢測控制電路12和分?jǐn)啻忧袚Q電路13,電壓檢測控制電路12 包括MCU(圖中未示出），電壓檢測控制電路12檢測到串聯(lián)鋰電池組11在放電時其各單串 電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，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)?，電壓檢測控制電 路12如果檢測到充電時某單串電池預(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)目來調(diào)節(jié)其充電電 壓。具體來講，工作過程中采用分?jǐn)嗑獾姆绞?，只將容量較低的一串電池串暫時閑置一定 時間，同時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)， 在充電過程中借助DC電源線與充電電源模塊2進(jìn)行通信，無需另外增加專用的物理信道， 將電池串聯(lián)數(shù)目改變的信息傳輸?shù)匠潆婋娫?，使之調(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。
[0024] 本實施例中，需要解決的問題是，在充電過程中如何將串聯(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 -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，如果采用無線傳輸勢必增加設(shè)計難度和產(chǎn)品成本。如 果在電池組電源模塊1和充電電源模塊2之間增加一條有線鏈路，則會造成它們之間接口 的麻煩。本實施例中，利用現(xiàn)有的DC充電電源線來兼?zhèn)湫盘杺鬏斁€，不會引入多余的通訊 線路，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和操作的簡單化。
[0025] 本實施例中，電池組電源模塊1還包括電流脈沖信號調(diào)制電路16 ;電流脈沖信號 調(diào)制電路16與電壓檢測控制電路12連接、用于產(chǎn)生一定頻率脈沖電流信號，電流脈沖信號 調(diào)制電路16將產(chǎn)生的脈沖電流信號通過DC電源線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。
[0026] 本實施例中，充電電源模塊2包括電流脈沖信號解調(diào)電路21、輸出電壓控制電路 23和AC/DC開關(guān)電路23,所述電流脈沖信號解調(diào)電路接收所述電流脈沖信號、并對所述電 流脈沖信號解調(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、并控制所述AC/DC開關(guān)電路完成對充電電壓和充電電 流的調(diào)整。
[0027] 圖2為本實施例中電池分?jǐn)噙B接切換示意圖，圖2中，串聯(lián)鋰電池組11包括η串 電池串，分別稱之為第一串電池&、......、第n-1串電池Bn_i和第η串電池Bn，分?jǐn)啻忧?換電路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之為第一單刀雙擲繼電器 Sp……、第n-1單刀雙擲繼電器Sn_i和第η單刀雙擲繼電器S n，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，也就是同時每串電池分別與一個肖特基二極管并聯(lián)，本實施例中，依次將這些肖 特基二極管稱之為第一肖特基二極管氏、……、第n-1串電池B n_i和第η串電池Bn。
[0028] 電壓檢測控制電路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}沖信號調(diào)制電路16。工作時，電壓檢測控制電路12先根據(jù)電壓 隨時間的變化，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)，電壓檢測控制電路12定時采集串聯(lián)鋰電池組11電壓狀態(tài)和放電電流信息， 并對所采集的各串電池的電壓進(jìn)行計算和比較。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（本實施例 中為3. 3V)，電壓檢測控制電路12控制相應(yīng)的單刀雙擲繼電器（Si_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（S rSn)另一觸點繞過該串電池，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，再由電壓檢測控制電路12控制單刀雙擲繼電器（S rSn)切換，將它重新加入到電池組中 再次工作。這樣，通過反復(fù)的檢測-分?jǐn)?串接的過程，實現(xiàn)串聯(lián)鋰電池組11各串電池之 間的放電均衡。
[0029] 值得一提的是，單刀雙擲繼電器的觸點切換通常需要大約幾毫秒到10毫秒的時 間，在其觸點調(diào)轉(zhuǎn)的時間里，整串串聯(lián)鋰電池組11的連接在此處是斷開的，對于很多情況 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切換期間，肖特基二極管連接在單刀雙擲繼電器 觸點之間保持正向?qū)?，使電流在串?lián)鋰電池組11持續(xù)通過，這樣保證觸點跳轉(zhuǎn)期間電流 的連續(xù)性。如果在單刀雙擲繼電器觸點切換期間對負(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，對于電池組電源模塊1的小體積設(shè)計和持續(xù)供電可靠性保證是不利 的。
[0030] 若串聯(lián)鋰電池組11處于充電狀態(tài)，電壓檢測控制電路12定時采集各串電池電壓 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。當(dāng)檢測到串聯(lián)鋰電池組11中某串電池已經(jīng)飽和，而其它串電池尚 未充滿時，為了避免飽和的一串電池由于1C保護(hù)電路防止過充而關(guān)斷充電回路，電壓檢測 控制電路12控制單刀雙擲繼電器（SfS n)進(jìn)行切換將該串電池分?jǐn)啵潆婋娏骼@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。
[0031] 圖3是本實施例中電流脈沖信號調(diào)制電路的電路原理圖，圖3中，電流脈沖信號調(diào) 制電路16包括第一電流采樣電阻R d、M0S管％和用于起隔離作用的隔離二極管％，隔離二 極管％的陽極分別與充電電源模塊2和第一電流采樣電阻R d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M0S管％的漏極連接，M0S管％的源極接 地，柵極與電壓檢測控制電路12的一個端口連接。由電壓檢測控制電路12的一個端口控 制M0S管％的導(dǎo)通和截止，在DC電源線上產(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前端加一個隔離二極管％是為了避免電流脈沖經(jīng)過電池組回路而降低充電 線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控制電路12檢測接收，即用不同電 流脈沖頻率來表示不同的信息，也就是電壓檢測控制電路12通過控制M0S管％的導(dǎo)通和 關(guān)斷來產(chǎn)生一定頻率的電流脈沖信號。在充電狀態(tài)時，單刀雙擲繼電器切換前，電壓檢測控 制電路12控制M0S管Q0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。由于信號發(fā)送占充電時間 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％和電流取樣電阻R d上，不過對于市電供電的充電過程還是可以接受的。在充電電 源模塊2經(jīng)過解調(diào)電路檢測、整形后，由電壓檢測控制電路12識別不同脈沖頻率所表示的 信息，也就是解調(diào)后控制充電輸出對電壓進(jìn)行調(diào)整。這種通訊方式避免了額外的通訊線路， 實現(xiàn)了充電電源模塊2和電池組電源模塊1兩個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R d和M0S管％形成放電回路，在串聯(lián)鋰電池組11前端加入隔 離二極管％作為隔離，這種處理既可以使通訊時不對串聯(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。
[0032] 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1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 流過大或過小時，則通過本實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 出控制信號控制AC/DC開關(guān)電路23完成對充電電壓和電流的調(diào)整。本實施例中，輸出電壓 控制電路22包括MCU (圖中未示出）。
[0033] 圖4是本實施例中電流脈沖信號調(diào)制電路的電路原理圖，圖4中其實就是積分比 較器，可實現(xiàn)電流脈沖信號的檢測接收。圖4中，電流脈沖信號解調(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R s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1連接、并用于將電流脈沖信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，第二電流采樣 電阻Rs的一端還通過第十二電阻R12與第一電壓比較器U 4A的正向輸入端連接、通過第十三 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U 4A的正向輸入端還通 過并聯(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)向輸入端還通過第 四電容C4接地。
[0034] 本實施例中，電流脈沖信號解調(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u 4B，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U 4B的負(fù)向輸入端通過第十六電阻R16接電源、通過第十七電阻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，通過與積分電流比 較將瞬間脈沖電流信號提取出來。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引起的電流抖動，再加入一級第二電壓比較器U 4B。 第二電壓比較器U4B以第十六電阻R16和第十七電阻R 17對電源電壓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U 4A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，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U 4B輸出也為高電平，這樣就將 電流脈沖信號還原成了原始頻率的控制信號。檢測出的脈沖信號將輸入到輸出電壓控制電 路22進(jìn)行頻率識別，再由輸出電壓控制電路22控制AC/DC開關(guān)電路23,實現(xiàn)相應(yīng)的電壓、 電流調(diào)節(jié)。典型的開關(guān)電源芯片內(nèi)部都提供一個標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓，也就是本實施例中AC/DC 開關(guān)電路23通過輸出端的分壓反饋與該參考電壓比較來實現(xiàn)輸出電壓的PWM控制。
[0035] 圖5是實施例中AC/DC開關(guān)電路的電路原理圖，第九電阻R9和第十電阻R10 構(gòu)成了 AC/DC開關(guān)電路23的反饋電壓電路，札-1?8和〇1-〇4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R10的一端與第九電阻R9連接，第十電阻R10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R1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R10的一端連接，第一電阻R1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Q1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Q1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Q1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Controll、第二控制端Control2、第三 控制端Control3和第四控制端Control4連接。三極管QfQ 4起到開關(guān)作用，高電平導(dǎo)通， 反之則截至。導(dǎo)通時Ri_R4與R1(l并聯(lián)，電阻阻值改變，即改變了 AC/DC開關(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。四個調(diào)節(jié)電阻1^-1?4相互組合可形成16(2 4) 種阻值，即輸出電壓控制電路22可控制AC/DC開關(guān)電路22輸出16個充電電平，實現(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。
[0036] 總之，在本實施例中，放電時，若某串電池與串聯(lián)鋰電池組11中其它串電池電壓 差值超過預(yù)先設(shè)定的閾值，則將該串電池通過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，單刀雙擲繼電器切換 回來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，若某串電池電壓上升過 快，電壓檢測控制電路12通過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?它充電，同時將串聯(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， 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 流脈沖信號解調(diào)電路21接收并通過輸出電壓控制電路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▉磉_(dá)到均衡，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。
[0037] 通過DC電源線而無需額外通道的電流脈沖調(diào)制方式，將信號傳輸?shù)匠潆婋娫茨?塊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。
[0038] 以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型 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DC電源線連接；所述電池組電 源模塊包括串聯(lián)鋰電池組、電壓檢測控制電路和分?jǐn)啻忧袚Q電路，所述電壓檢測控制電 路檢測到所述串聯(lián)鋰電池組在放電時其各單串電池之間的最高電壓和最低電壓的差值超 過預(yù)先設(shè)定的閾值時，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)?，所述電壓檢測控制電路如果檢測到充電時某單串電池預(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?述串聯(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?接切換電路包括其數(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控制電路連接、用于產(chǎn)生一定頻率脈沖電流信號的電流脈 沖信號調(diào)制電路，所述電流脈沖信號調(diào)制電路將產(chǎn)生的脈沖電流信號通過所述DC電源線 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4任意一項所述的串聯(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解調(diào)電路、輸出電壓控制電路和AC/DC開關(guān)電路，所述 電流脈沖信號解調(diào)電路接收所述電流脈沖信號、并對所述電流脈沖信號解調(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、并控制所述AC/DC開關(guān)電路完成對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控制電路的一個端口連接，所述電壓檢測控制電路通過控制 所述MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷來產(chǎn)生一定頻率的電流脈沖信號。
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 沖信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，所述第二電流采樣電阻的一端還通過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) 向輸入端通過第十六電阻接電源、通過第十七電阻接地，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】H02J7/00GK203839984SQ201320789211
【公開日】2014年9月17日 申請日期: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 申請人:深圳市雅格朗電子有限公司