專利名稱：電池組自動充電及維護均衡診斷裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于動力電池能源領域，特別涉及一種電池組自動充電及維護均衡診 斷裝置。
背景技術：
在目前的市場上，對于多個電池組成的鋰離子電池組(或者鎳氫電池、鎳鉻電池、 鉛酸電池等也同樣)，在電動汽車上使用時，使用壽命遠低于單個電池的壽命，這是由于鋰 離子電池各單體在性能指標上不可能完全一致，再加上使用過程中，各單體間的容量、自放 電等的差異，使各個電池處在不均衡的狀態(tài)中，充放電過程也不均衡，而不斷重復的充放電 過程更加劇了不均衡現(xiàn)象，充電少的電池壽命縮短，引起所在電池組壽命縮短，從而使整個 電池系統(tǒng)壽命縮短。因此，過去人們試圖應用旁路電阻或采用電容放電方法，解決電池差異 的問題，每組電池就需要一套裝置，這種裝置體積大并笨重，沒有智能診斷功能，對于電動 車電池沒有實際應用的價值，造成現(xiàn)在電動車電池使用中，并沒有可用的產(chǎn)品。所以迫切需 要一種新的電池組的均衡維護充電和診斷裝置，以實現(xiàn)電池組的維護均衡充電，延長電池 使用的壽命，從而降低電動車電池組使用的成本。
實用新型內容為高提大功率電池組的使用壽命和性能，本實用新型提供一種自動充電及維護均 衡診斷裝置。本實用新型自動充電及維護均衡診斷裝置，包括充電機、智能充電維護邏輯控制 單元、維護操作執(zhí)行單元、放電維護負載、維護充電機和顯示設定單元；充電機連接電池組， 智能充電維護邏輯控制單元分別連接充電機、電池組、維護操作執(zhí)行單元、放電維護負載、 維護充電機和設定顯示單元，維護操作執(zhí)行單元還連接放電維護負載、維護充電機和電池 組，放電維護負載和維護充電機互相連接。所述智能充電維護邏輯控制單元包括數(shù)字信號處理器，光電耦合器、通道選擇器 和若干個光電繼電器，光電繼電器分別連接電池組中的各個電池，其輸出并聯(lián)后連接到光 電耦合器，光電耦合器連接到DSP的A/D轉換輸入端，通道選擇器的輸入連接到DSP的片選 信號段，輸出分別連接到各個光電繼電器的片選端，用于檢測每個電池兩端的電壓，并根據(jù) 該電壓控制所述開關組的通斷以導通或斷開放電回路或充電回路；還用于檢測每個電池的 放電電流，并根據(jù)每個電池的放電電流和相應電壓實時計算出該電池的內阻。所述維護操作執(zhí)行單元為連接每個電池兩極的三個電子開關組成的開關矩陣電 路，其開關矩陣的公共端連接到放電維護負載和維護充電機，電池組中的每個電池能夠分 別連接放電維護負載和維護充電機。所述電子開關為場效應開關管。所述維護充電機維護負載內部具有高效直流/直流(DC/DC)電壓轉換電路。 所述維護充電機和充電機設有外部電源接口。所述顯示設定單元包括液晶顯示器和若干個按鍵。所述電池組和充電機、維護操作執(zhí)行單元、智能充電維護邏輯控制單元之間采用插接頭方式連接。本實用新型自動充電及維護均衡診斷裝置，能自動根據(jù)電池組中各個電池容量的 高低，自動完成電池組的維護均衡過程；放電維護負載采用DC/DC直流電能轉換給維護充 電機供電，能量效率可以達到90 %，能量不足時可以由外部電源供電再對電池低容量電池 充電；另外通過切換放電維護負載用來給各單體電池放電，減小了體積；通過測得放電電 流，得到每只電池的直流內阻，得到各個電池的性能，便于對電池組中電池進行等級分類診 斷，并對需要更換電池進行具體提示；電池組采用插接結構，可以更換多個電池組共用；本 實用新型能有效地提高電池組10% -15%有效容量，延長電池組的使用壽命。
圖1電池組自動均衡裝備結構圖圖2電池組放電和充電切換開關電路示意圖圖3智能充電維護邏輯控制單元單只電池電壓采集線路圖圖4智能充電維護邏輯控制單元檢測部分線路圖圖5智能充電維護邏輯控制框圖具體實施方式
下面結合實施例，對本實用新型自動充電及維護均衡診斷裝置做進一步地闡述。本實施例的自動充電及維護均衡診斷裝置，包括智能充電維護邏輯控制單元1、充 電機2、電池組3、維護操作執(zhí)行單元4、放電維護負載5、維護充電機6和設定顯示單元7。 充電機2連接電池組3，智能充電維護邏輯控制單元1分別連接充電機2、電池組3、維護操 作執(zhí)行單元4、放電維護負載5、維護充電機6和設定顯示單元7，維護操作執(zhí)行單元4還連 接放電維護負載5、維護充電機6和電池組3，放電維護負載5和維護充電機6互相連接。智能充電維護邏輯控制單元采用數(shù)字信號處理器DSP作為控制芯片，DSP采用TI 公司產(chǎn)品型號為TMS320F2812，該芯片為32位定點處理芯片，運算速度快，可以實現(xiàn)較復 雜的算法，存儲空間Flash有U8K，有多種通訊模式可以進行選擇，便于進行功能的擴展。 讀取電壓，電流，溫度的信息，存到EEPROM中，這樣，進行數(shù)據(jù)的顯示和分析。將讀取的信息 在液晶屏上顯示，通過按鍵可以翻看電池的各種參數(shù)，并具有報誓功能。顯示設定單元7包括液晶屏的顯示部分，可以選擇圖形點陣式液晶顯示器，可以 顯示漢字和任意圖形，選用GTGM0U8液晶顯示模塊，點陣的大小為M0xl28，帶背光功能。 內置1片T6963C液晶顯示控制器和5片KS0086驅動器。該液晶顯示模塊具有如下特點 1.具有8位并行總線接口 ；2.可以顯示數(shù)字、字母、漢字和圖形等；3.具有1 種5x8點陣 的ASCI字符字模庫CGROM ；4.具有641Λ的顯示存儲器(可被劃分為文本顯示區(qū)、圖形顯示 區(qū)、文本屬性區(qū)和自定義字符庫區(qū))，并允許MCU隨時防問；5.可用圖形方式、文本方式以及 圖形和文本合成方式顯示。顯示設定單元7還包括按鍵，使用三個向上翻，向下翻，返回鍵。因為液晶屏和按鍵部是慢速設備，所以與DSP通信時應加緩沖電路，按鍵采用中 斷的方式，即只有在接受到來自鍵盤的中斷信號后才讀取鍵盤的信號。所述智能充電維護邏輯控制單元除包括連接的數(shù)字信號處理器DSP外，還有光電 耦合器、通道選擇器和光電繼電器(見圖4)。光電耦合器選用美國CLEAR公司產(chǎn)品L0C110， 光電繼電器選用臺灣安良公司產(chǎn)品AQW214，每只電池輸出電壓輸入端連接光電繼電器輸入端6腳、8腳，其輸出口 5腳、7腳分別逢接線性光電耦合器的2腳、1腳，3腳接地，4腳連接數(shù) 字信號處理器的模數(shù)轉換器A/D輸入端(見圖3、圖4)，線性光電繼電器器所有的1腳、3腳 聯(lián)接+5V電源，2腳、4腳并聯(lián)輸出端依次連接內部有2-14路的通道選擇器的驅動端(CS1、 CS2、CSI0)，通道選擇器選用內部有2-14路數(shù)據(jù)通道的摩托羅拉公司產(chǎn)品⑶4067，通道選 擇器與數(shù)字信號處理器DSP的片選信號RIB5與通道選擇器15腳連接，DSP的RD0-RD3通 道分別與通道選擇器10-13腳連接，可根據(jù)數(shù)字信號處理器DSP控制其選擇端導通或關斷 不同的光電繼電器，將電池電壓值經(jīng)進光電藕合器傳給數(shù)信號處理器DSP的A/D輸入端進 行數(shù)據(jù)處理，因為電池電壓是逐個按順序地取，同時通過光電藕合器進行隔離。解決了不同 電池負極與數(shù)字信號處理器不同接地點接入從而造成測得電池電壓值是浮動變化的問題， 同時解決了可直接讀取每一個電池電壓的問題，減少了測量誤差。所述電池組由n(n ^ 200)個電池組成，所述維護操作執(zhí)行單元由3Xn個場效 應開關管組成(見圖2)，每個電池的兩端連接三個場效應開關管，依次為kl kn，kll kin, k21 k2n，由于場效應開關管，具有較低的導通內阻，高輸入內阻的導通特性，能量消 耗低，友熱少，有非常高的開關壽命，代替普通繼電器提高了元件的壽命和可靠性二十倍 以上，上述技術方案中，所述維護操作執(zhí)行單元中各開關的導通與關斷通過由數(shù)字信號處 理器DSP組成的控制電路給出相應的信號進行控制，當需要給某只電池進行放電維護時， 由智能充電維護邏輯控制單元發(fā)出高電平信號控制維護操作執(zhí)行單元導通相應場效應開 關管，接到放電維護負載。當電池Bl需要放電要導通下列場效應開關管Kl和Kll ；當電池B2需要放電要導通下列場效應開關管K2、K21和kl2 ；當電池B3需要放電要導通下列場效應開關管K3、K21、k22和K13 ；當電池^1-I需要放電要導通下列場效應開關管kn_l、K21、k22、K23和kln_l ；當電池Bln需要放電要導通下列場效應開關管kn、K2n-l、k23、K22、k21和kin ；當電池Bl需要充電要導通下列場效應開關管1(1、1(21、1^22、1^23、1^211-1和1^11 ；當電池B2需要充電要導通下列場效應開關管K2、K22、k23、k2n_l和kl2 ；當電池B3需要充電要導通下列場效應開關管K3、K23、k2n_l和K13 ；當電池&1-I需要充電要導通下列場效應開關管kn-1、Kln-I和k2n_l ；當電池需要充電要導通下列場效應開關管kn和Kln ；當智能充電維護邏輯控制單元判斷出需要充電電池編號大于需要放電電池編 號時，放電負載將把電能提供給維護充電機給電池補充電。 每次充電機2對鉀離子電池組充電時，充電機2先恒流充電再恒壓充電，智能充電 維護邏輯控制單元通過信號線采集電池組內每個單體電池電壓，將測量電壓最高值作為充 電機恒流轉恒壓充電的依據(jù)，當個別電池先到電池充電電壓上限時，調節(jié)主充電機逐漸降 低充電電流，使得電池組每個電池充飽電，克服常規(guī)充電機以電池組整體電壓值為設定恒 流轉恒壓的方法不足，避免了電池組過充電或欠充電問題。 另外當主充電機電流小到設定電流的1/10時，智能充電維護邏輯控制單元控制 關斷主充電機，經(jīng)過一段延時，并檢測電池組各個電池電壓值、內阻值，與數(shù)據(jù)庫經(jīng)驗值進 行比較、判斷，當需要對電池單體維護時，智能充電維護邏輯控制單元與控制維護操作執(zhí)行 單元連接，控制維護操作執(zhí)行單元與放電維護負載連接，智能充電維護邏輯控制單元與維護充電機連接，維護操作執(zhí)行單元與維護充電機連接，并與電池組連接形成維護充電或放 電回路，對電池組中個別電池進行充電或放電維護。維護負載內部具有高效直流/直流(DC/DC)電壓轉換電路，該電路將電池放電能 量轉換為5V直流電并提供給維護充電機供應電源(見圖2)。當DC/DC電壓轉換電路提供 的能量不足時，維護充電機可轉由外部電源同時補充供電。本實施例中，DC/DC轉換電路輸 入電壓的范圍為3. OV 4. 3V，采用UCW808開關控制器pwm控制方式對輸出進行調節(jié)； 采取電流模式的控制方式，具有內部斜坡補償電路；開關頻率設計為500KHZ，選用小的表 面陶瓷電容、平面變壓器，可節(jié)省板面積采用前沿消隱電路(LEB)，無須外加低通濾波網(wǎng) 絡對檢測的電流進行處理；具有內部軟啟動功能，防止啟動瞬間的浪涌電流。本實用新型采用DC/DC轉換電路作為放電負載，相比現(xiàn)有技術中采用電阻或電容 電路作為放電負載的方法，本實用新型能夠有效地進行提升電壓控制，且減小了體積。最后，通過上述對個別電池充電和放電操作，分別測出電池的電壓和相應的放電 電流，智能充電維護邏輯控制單元計算出電池內阻，不斷刷新數(shù)據(jù)，并與數(shù)據(jù)庫值比較，內 阻值大者排在表的后面，當內阻值大到某一規(guī)定值時，智能充電維護邏輯控制單元將這一 信息送到設定顯示單元顯示“電池XX存在問題，提示更換”。本實用新型在與電池組中各電池連接采用插接件(見圖幻，該插接件使得本實用 新型可以靈活的插拔，當電池組需要維護時插入本裝置進行維護，不用時則取下本裝置，因 此本實用新型能夠不占電動車的空間，靈活方便操作，對多個電池組進行均衡，當電池組使 用一段時間后，可以隨機得對電池組的電壓進行充電維護均衡，延長電池組的使用壽命。
權利要求1.一種自動充電及維護均衡診斷裝置，其特征在于所述自動充電及維護均衡診斷裝 置包括充電機、智能充電維護邏輯控制單元、維護操作執(zhí)行單元、放電維護負載、維護充電 機和顯示設定單元；充電機連接電池組，智能充電維護邏輯控制單元分別連接充電機、電池 組、維護操作執(zhí)行單元、放電維護負載、維護充電機和設定顯示單元，維護操作執(zhí)行單元還 連接放電維護負載、維護充電機和電池組，放電維護負載和維護充電機互相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的自動充電及維護均衡診斷裝置，其特征在于所述智能充電 維護邏輯控制單元包括數(shù)字信號處理器，光電耦合器、通道選擇器和若干個光電繼電器，光 電繼電器分別連接電池組中的各個電池，其輸出并聯(lián)后連接到光電耦合器，光電耦合器連 接到DSP的A/D轉換輸入端，通道選擇器的輸入連接到DSP的片選信號段，輸出分別連接到 各個光電繼電器的片選端。
3.根據(jù)權利要求2所述的自動充電及維護均衡診斷裝置，其特征在于所述維護操作 執(zhí)行單元為連接每個電池兩極的三個電子開關組成的開關矩陣電路，其開關矩陣的公共端 連接到放電維護負載和維護充電機，電池組中的每個電池能夠分別連接放電維護負載和維 護充電機。
4.根據(jù)權利要求3所述的自動充電及維護均衡診斷裝置，其特征在于所述電子開關 為場效應開關管。
5.根據(jù)權利要求4所述的自動充電及維護均衡診斷裝置，其特征在于所述維護充電 機維護負載內部具有高效直流/直流(DC/DC)電壓轉換電路。
6.根據(jù)權利要求5所述的自動充電及維護均衡診斷裝置，其特征在于所述顯示設定 單元包括液晶顯示器和若干按鍵。
7.根據(jù)權利要求6所述的自動充電及維護均衡診斷裝置，其特征在于所述維護充電 機和充電機設有外部電源接口。
8.根據(jù)權利要求7所述的自動充電及維護均衡診斷裝置，其特征在于所述電池組和 充電機、維護操作執(zhí)行單元、智能充電維護邏輯控制單元之間采用插接頭方式連接。
專利摘要自動充電及維護均衡診斷裝置，其中連接電池組有充電機，智能充電維護邏輯控制單元分別連接充電機、電池組、維護操作執(zhí)行單元、放電維護負載、維護充電機和設定顯示單元，維護操作執(zhí)行單元還連接放電維護負載、維護充電機和電池組，放電維護負載和維護充電機互相連接。本裝置能根據(jù)電池組中各電池容量高低，完成電池組的維護均衡過程；放電維護負載采用DC/DC轉換給維護充電機供電，能量效率可以達到90％；能有效地提高電池組10％-15％有效容量，延長電池組的使用壽命；通過切換方式，減小了體積；通過檢測放電電流，計算電池內阻，對電池進行等級分類診斷，并提示需要更換的電池；電池組采用插接方式，方便多個電池組共用。
文檔編號H01M10/44GK201859926SQ201020270600
公開日2011年6月8日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權日2010年7月22日
發(fā)明者劉正耀, 周亮, 毛永志, 王雅和, 蔡春華 申請人:中信國安盟固利動力科技有限公司