專利名稱：一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電池充電管理系統(tǒng)，尤其是串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置。
背景技術(shù)：
單體電池的電壓和容量無法滿足實際需求，電動車上往往將數(shù)節(jié)電池串聯(lián)使 用，電動汽車中鋰電池的數(shù)量可達數(shù)百節(jié)。單體鋰電池的循環(huán)壽命一般能達到幾千次， 但是由于鋰電池間的不一致性，串聯(lián)電池組很難達到這個水平，電池串聯(lián)使用時，充電 效率、放電能力等也會受到影響。目前的電池制造技術(shù)，尤其是鋰電池制造技術(shù)很難做 到一致性好，因此串聯(lián)電池組非常有必要做均衡處理，以提高電池組性能，延長電池組 使用壽命。耗能式均衡方案是采用電阻并聯(lián)分流均衡，通過電阻分流來消耗過多能量。在 充電時，通過單體電池的電壓檢測，當某節(jié)單體電池達到電壓上限時，導(dǎo)通與其并聯(lián)的 電阻均衡裝置的開關(guān)，使該節(jié)電池和電阻形成一個放電通路，將多余的能量在電阻上轉(zhuǎn) 化成熱能，來防止該節(jié)電池過充，未充滿的電池仍可繼續(xù)充電。該方法會帶來能量損 耗，發(fā)熱大，對于大容量的電池組，或者電池之間相差較大的電池組中不適合，效率較 低，同時不適合快速充電系統(tǒng)。非耗能式均衡中利用電容、電感作為中間儲能元件，將各單體電池上的電量進 行轉(zhuǎn)移，該方案實際應(yīng)用中電能轉(zhuǎn)移效率不高，不適合串聯(lián)節(jié)數(shù)較多的電池組中。此 夕卜，電容、電感為非線性器件，儲能過程中電流與電壓不成比例，尤其是電容將對選通 開關(guān)的壽命有較大影響。這種方案還存在抗干擾能力了低、控制難、成本高等缺點。中國專利200820133032.9公開了一種串聯(lián)電池組均衡管理系統(tǒng)，雙端繼電器常 開觸點分別接在單體電源兩端，常閉端與相鄰繼電器常閉端相連，控制端與選通電路連 接。這種方法的缺點是，當繼電器老化出現(xiàn)觸點粘結(jié)情況時，選通另一組繼電器時出現(xiàn) 單體電池短路的嚴重后果。中國專利02127989.6公開了一種對蓄電池進行分只充電均衡的方案，通過繼 電器的切換分別對沒有充滿的電池進行充電，直至每節(jié)電池充滿為止。這種方法有以 下一些缺點，第一是充電效率低；第二是成本高，尤其是大電流充電時，大電流的繼電 器較貴，且系統(tǒng)的壽命較低；第三是安全性較低，在這么多的繼電器中假如有兩個繼電 器發(fā)生故障(比如觸電粘結(jié))，這樣就把串聯(lián)的電池又并聯(lián)在一起使電池發(fā)生短路、著 火、爆炸等事故，存在較大的安全隱患。中國專利2006101571109.1公開了一種動力電池組電壓均衡管理裝置，系統(tǒng)中 通過充電選通模塊和放電選通模塊對電壓最高和電壓最低的電池經(jīng)行分別選通，中間通 過隔離DC-DC模塊連接，充放電時把電壓高的電池的能量搬移到電壓較低的電池中，最 終實現(xiàn)充放電時所有電池電壓一致。該方案中電路系統(tǒng)要同時控制充電選通和放電選通 模塊，這樣控制較為復(fù)雜，成本較高。系統(tǒng)中任意一個選通開關(guān)出現(xiàn)問題都會對電池帶 來短路的危險，安全性較低，也沒有解決采用繼電器作為選通開關(guān)帶來的安全隱患，這將大大降低均衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，利用 CMOS開關(guān)電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器來控制對單體電池的充電，CMOS開關(guān)電路具有功耗 低、成本低、使用壽命長等優(yōu)點，可有效降低生產(chǎn)成本。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡 裝置，包括由若干電池串聯(lián)組成的電池組、大電流主充電機、主充電開關(guān)、控制器、均 衡選通電路、端電壓檢測電路、若干轉(zhuǎn)換開關(guān)組、DC-DC轉(zhuǎn)換器、正極放電開關(guān)、負極 放電開關(guān)、系統(tǒng)電源；一個轉(zhuǎn)換開關(guān)組對應(yīng)一個單體電池，所述控制器通過均衡選通電 路分別與每個轉(zhuǎn)換開關(guān)組連接；所述轉(zhuǎn)換開關(guān)組包括正極CMOS開關(guān)電路、負極CMOS 開關(guān)電路，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器正極通過正極CMOS開關(guān)電路與每個單體電池的正極連 接；DC-DC轉(zhuǎn)換器負極通過負極CMO S開關(guān)電路與每個單體電池的負極連接?？刂破?通過端電壓檢測電路檢測各單體電池端電壓，控制器通過檢測到的端電壓，利用均衡算 法得到選通結(jié)果，控制均衡選通電路驅(qū)動由CMOS開關(guān)管組成的開關(guān)選通陣列，打開相 應(yīng)的CMOS開關(guān)電路；控制器開啟均DC-DC轉(zhuǎn)換器，對被選通的單體電池進行均衡充 電；均衡充電一段固定時間后，延遲一小段時間tl，待電池電壓穩(wěn)定后，控制器重新檢 測各單體電池端電壓，重復(fù)上述過程，控制CMOS開關(guān)電路，進行均衡充電，直到所有 電池的端電壓均達到一致為止。作為改進，所述大電流主充電機通過所述主充電開關(guān)與所述DC-DC轉(zhuǎn)換器正、 負極連接，所述控制器通過端所述電壓檢測電路與電池組中的每個單體電池的正、負極 連接，所述電池組正極與正極放電開關(guān)連接，電池組負極與負極放電開關(guān)連接，所述控 制器與主充電開關(guān)連接，所述系統(tǒng)電源與控制器、電池組連接。作為改進，所述正極CMOS開關(guān)電路包括三極管Q5、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql、 NMOS管Q2，所述三極管Q5集電極通過電阻Rl、R2分別與NMOS管Q2柵極和N溝 道結(jié)型場效應(yīng)管Ql源極連接，所述三極管Q5集電極通過電阻Rl與N溝道結(jié)型場效應(yīng) 管柵極連接，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器正極分別與NMOS管Q2和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql的 漏極連接，所述均衡選通電路與三極管Q5基極連接，所述NMOS管源極與其對應(yīng)的單體 電池的正極連接。作為改進，設(shè)有肖特二極管D3，所述N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql的柵極和源極與 肖特二極管D3的陽極連接，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql的漏極與肖特二極管D3的陰極連接。作為改進，所述負極CMOS開關(guān)電路包括三極管Q6、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3、 NMOS管Q4，所述三極管Q6集電極通過電阻R3、R4分別與NMOS管Q4柵極和N溝 道結(jié)型場效應(yīng)管Q3源極連接，所述三極管Q6集電極通過電阻R3與N溝道結(jié)型場效應(yīng) 管Q3柵極連接，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器負極與NMOS管Q4的源極連接，所述均衡選通電 路與三極管D3基極連接，所述NMOS管Q4和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3漏極與其對應(yīng)的 單體電池的負極連接。作為改進，設(shè)有肖特二極管D4，所述N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3的柵極和源極與肖特二極管D4的陽極連接，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3的漏極與肖特二極管D4的陰極連接。作為改進，述DC-DC轉(zhuǎn)換器為衡流隔離型均衡DC-DC ；所述均衡選通電路為 均衡繼電器選通電路；所述系統(tǒng)電源為12V蓄電池電源。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比所帶來的有益效果是一、作為選通的開關(guān)，CMOS開關(guān)電路以MOSFET和肖特基二極管為核心，其 使用壽命遠遠長于繼電器的壽命，且體積比一般的繼電器要小，成本也較低； 二、CMOS開關(guān)電路中增加了抗干擾電路，穩(wěn)定性高，且抗震性能遠高于繼電 器，非常適合在車載系統(tǒng)中使用，不存在觸點粘合現(xiàn)象，安全性遠高于繼電器；三、CMOS開關(guān)電路驅(qū)動電流小、體積小，每組開關(guān)的驅(qū)動功率小于0.1W，比 普通繼電器的驅(qū)動功率要小得多。

圖1為本實用新型電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為正極CMOS開關(guān)電路。圖3為負極CMOS開關(guān)電路。
具體實施方式
下面結(jié)合說明書附圖對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，包括由12個200AH的鋰電池1 串聯(lián)組成的電池組、大電流主充電機11、主充電開關(guān)5、控制器6、均衡繼電器選通電路 3、端電壓檢測電路4、12個轉(zhuǎn)換開關(guān)組2、衡流隔離型均衡DC-DC轉(zhuǎn)換器7、正極放電 開關(guān)9、負極放電開關(guān)10、12V蓄電池電源8。外部220V交流電通過大電流主充電機 11、主充電開關(guān)5與衡流隔離型均衡DC-DC轉(zhuǎn)換器7的正、負極連接。每一個轉(zhuǎn)換開關(guān) 組2對應(yīng)一個鋰電池1，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)組2包括正極CMOS開關(guān)電路21、負極CMOS開 關(guān)電路22，所述衡流隔離型均衡DC-DC轉(zhuǎn)換器7輸出端正極通過正極CMOS開關(guān)電路 21與每個鋰電池1的正極連接；輸出端負極通過負極CMOS開關(guān)電路22與每個鋰電池1 的負極連接。所述控制器6通過端電壓檢測電路4與電池組中的每個鋰電池1的正、負 極連接，用于檢測每個鋰電池1的端電壓；所述電池組正極與正極放電開關(guān)9連接，電池 組負極與負極放電開關(guān)10連接，通過放電開關(guān)向外輸電；所述12V蓄電池電源8為控制 器6提供穩(wěn)定直流電源，并且可以接收來自電池組的充電。如圖2所示，所述正極CMOS開關(guān)電路21包括三極管Q5、N溝道結(jié)型場效應(yīng) 管Ql、NMOS管Q2，所述三極管Q5集電極通過電阻Rl、R2分別與NMOS管Q2柵極 和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql源極連接，所述三極管Q5集電極通過電阻Rl與N溝道結(jié)型 場效應(yīng)管柵極連接，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器正極分別與NMOS管Q2和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管 Ql的漏極連接，所述均衡選通電路與三極管Q5基極連接，所述NMOS管源極與其對應(yīng) 的單體電池的正極連接，所述N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql的柵極和源極與肖特二極管D3的 陽極連接，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql的漏極與肖特二極管D3的陰極連接。如圖3所示，所述負極CMOS開關(guān)電路22包括三極管Q6、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3、NMOS管Q4，所述三極管Q6集電極通過電阻R3、R4分別與NMOS管Q4柵極和 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3源極連接，所述三極管Q6集電極通過電阻R3與N溝道結(jié)型場效 應(yīng)管Q3柵極連接，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器負極與NMOS管Q4的源極連接，所述均衡選通 電路與三極管D3基極連接，所述NMOS管Q4和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3漏極與其對應(yīng) 的單體電池的負極連接，所述N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3的柵極和源極與肖特二極管D4的 陽極連接，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3的漏極與肖特二極管D4的陰極連接。CMOS開 關(guān)電路21、22采用TTL電平控制，高電平開啟，低電平關(guān)斷，開啟時 等效內(nèi)阻低，控制器6選通的開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，可以單向?qū)щ姡唤刂箷r等效內(nèi)阻高， 沒有選通的開關(guān)處于高阻狀態(tài)。均衡充電過程中只有一組CMOS開關(guān)電路21、22開啟， 其他的CMOS開關(guān)電路21、22處于截止狀態(tài)。衡流隔離型均衡DC-DC轉(zhuǎn)換器7需要將串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)換為略高于單體電池 的端電壓的恒流型電源，以保證在整個充電過程中，對需要均衡的單體電池進行高效均 衡充電。如圖2、3所示，當端電壓檢測電路4檢測到某單體鋰電池1 cellx電壓為最低 的電壓時，控制器6通過均衡繼電器選通電路3將該鋰電池1選通信號CHRx置高；當 CHRx為高電平時，以該鋰電池1正極CMOS開關(guān)電路21為例，三極管Q5導(dǎo)通，A點 電壓被拉低，通過電阻Rl、R2分壓，B點電勢比A點電勢高，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql 進入放大區(qū)，使得C點電勢高于B點電勢，NMOS管Q2導(dǎo)通，恒流隔離型均衡DC-DC 轉(zhuǎn)換器正極與鋰電池1正極相連；同理，相應(yīng)的負極CMOS開關(guān)電路22也導(dǎo)通，使恒流 隔離型均衡DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠?qū)υ搯误w鋰電池1進行充電。如圖2、3所示，經(jīng)過若干充電時間tl，及一段時間延遲t2后，控制器6再次檢 測各單體鋰電池1端電壓，若單體鋰電池1已達到要求電壓，則控制器6通過均衡繼電器 選通電路3對該鋰電池1選通CHRx輸出低電平；若CHRx為低電平，以該鋰電池1正極 CMOS開關(guān)電路21為例，三極管Q5截止，A點電流可忽略，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql未 夾斷，導(dǎo)致B，C兩點等電勢，NMOS管Q2截止，恒流隔離均衡DC-DC轉(zhuǎn)換器與該鋰 電池1正極斷開；同理，相應(yīng)負極CMOS開關(guān)電路22也斷開，恒流隔離均衡DC-DC轉(zhuǎn) 換器不對單體鋰電池1充電。由于通過NMOS管的電流為O，充滿電的單體鋰電池1不會在開關(guān)電路中有能量 損耗，因此，該方法為一種非能耗式串聯(lián)電池均衡系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，包括由若干單體電池串聯(lián)組成的電池組、大 電流主充電機、主充電開關(guān)、控制器、均衡選通電路、端電壓檢測電路、若干轉(zhuǎn)換開關(guān) 組、DC-DC轉(zhuǎn)換器、正極放電開關(guān)、負極放電開關(guān)、系統(tǒng)電源；一個轉(zhuǎn)換開關(guān)組對應(yīng)一 個單體電池，所述控制器通過均衡選通電路分別與每個轉(zhuǎn)換開關(guān)組連接；其特征在于 所述轉(zhuǎn)換開關(guān)組包括正極CMOS開關(guān)電路、負極CMOS開關(guān)電路，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器 正極通過正極CMOS開關(guān)電路與每個單體電池的正極連接；DC-DC轉(zhuǎn)換器負極通過負 極CMOS開關(guān)電路與每個單體電池的負極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，其特征在于所述大電 流主充電機通過所述主充電開關(guān)與所述DC-DC轉(zhuǎn)換器正、負極連接，所述控制器通過端 所述電壓檢測電路與電池組中的每個單體電池的正、負極連接，所述電池組正極與正極 放電開關(guān)連接，電池組負極與負極放電開關(guān)連接，所述控制器與主充電開關(guān)連接，所述 系統(tǒng)電源與控制器、電池組連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，其特征在于所述正極 CMOS開關(guān)電路包括三極管Q5、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Ql、NMOS管Q2，所述三極管Q5 集電極通過電阻Rl、R2分別與NMOS管Q2柵極和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q1源極連接， 所述三極管Q5集電極通過電阻R1與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管柵極連接，所述DC-DC轉(zhuǎn)換 器正極分別與NMOS管Q2和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q1的漏極連接，所述均衡選通電路與 三極管Q5基極連接，所述NMOS管源極與其對應(yīng)的單體電池的正極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，其特征在于設(shè)有肖特 二極管D3，所述N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q1的柵極和源極與肖特二極管D3的陽極連接，N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q1的漏極與肖特二極管D3的陰極連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，其特征在于所述負極 CMOS開關(guān)電路包括三極管Q6、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3、NMOS管Q4，所述三極管Q6 集電極通過電阻R3、R4分別與NMOS管Q4柵極和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3源極連接， 所述三極管Q6集電極通過電阻R3與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3柵極連接，所述DC-DC 轉(zhuǎn)換器負極與NMOS管Q4的源極連接，所述均衡選通電路與三極管D3基極連接，所述 NMOS管Q4和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3漏極與其對應(yīng)的單體電池的負極連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，其特征在于設(shè)有肖特 二極管D4，所述N溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3的柵極和源極與肖特二極管D4的陽極連接，N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管Q3的漏極與肖特二極管D4的陰極連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項所述的一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，其特征在 于所述DC-DC轉(zhuǎn)換器為衡流隔離型均衡DC-DC。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項所述的一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，其特征在 于所述均衡選通電路為均衡繼電器選通電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，其特征在于所述系統(tǒng) 電源為12V蓄電池電源。
專利摘要一種串聯(lián)鋰電池組充電均衡裝置，包括大電流主充電機、主充電開關(guān)、控制器、均衡選通電路、端電壓檢測電路、若干轉(zhuǎn)換開關(guān)組、DC-DC轉(zhuǎn)換器、正極放電開關(guān)、負極放電開關(guān)、系統(tǒng)電源；一個轉(zhuǎn)換開關(guān)組對應(yīng)一個單體電池，所述控制器通過均衡選通電路分別與每個轉(zhuǎn)換開關(guān)組連接；轉(zhuǎn)換開關(guān)組包括正極CMOS開關(guān)電路、負極CMOS開關(guān)電路，DC-DC轉(zhuǎn)換器正極通過正極CMOS開關(guān)電路與每個單體電池的正極連接；DC-DC轉(zhuǎn)換器負極通過負極CMOS開關(guān)電路與每個單體電池的負極連接。利用CMOS開關(guān)電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器來控制對單體電池的充電，CMOS開關(guān)電路具有功耗低、成本低、使用壽命長等優(yōu)點，可有效降低生產(chǎn)成本。
文檔編號H02J7/00GK201805257SQ20102055058
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者李佳明, 王自鑫, 袁昌杰, 陳瑞祥 申請人:中山大學(xué), 國光電器股份有限公司, 廣東國光電子有限公司