CN103390917A - 内置充电管理式电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置充电管理式电池组，具体涉及充电器、电池管理***和蓄电池组。其主要由外壳、充电模块、管理模块和电池组组成，充电模块、管理模块和电池组都置于外壳内。其特征在于所述内置充电管理式电池组是经过专门的设计，在电子器件、电路（控制电路、稳压电路和检测电路）和电磁兼容性、热管理上实现了模块集成和功能优化，使其具备体积小、重量轻、无电磁干扰、电性能稳定、安全等优势，从而将充电和管理功能集成并内置到电池壳内部，可以更加方便快捷地给电池充电，而不用随身携带充电器，而且充电能耗低、效率高、安全可靠。

Description

内置充电管理式电池组

技术领域

本发明涉及一种内置充电管理式电池组，属于新能源应用领域。 

背景技术

目前，电动车，尤其是电动自行车、电动摩托车因其具有使用方便、省力、快速和环保等优点，已得到广泛使用。用户除了关心电动车的使用寿命之外，还对如何充电、充电是否方便的问题犯愁。传统的电动车充电器都是独立于电池而设计的，每次电动车需要充电的时候都必须连接好独立的充电器或充电桩才可以充电，这样比较麻烦。另外，传统充电器采用磁铁芯式的电磁变压器，具有体积大、磁场干扰、发热、效率低、控制精度差等缺点。为了克服这些缺点，本发明设计了一种功能更强、能耗低、体积小的集成一体化充电电池管理模式，即把充电器的充电功能集成到电池组上，并进行了电路优化。 

本发明创新性地将充电模块用陶瓷变压器替代了传统的电磁变压器，并经过专门设计，在器件选择、电路设计（控制电路、稳压电路和检测电路）、热管理上实现了模块集成和功能优化，使其电性能稳定、体积小、安全性能高、能耗低、效率高、无电磁干扰、发热量小、便于内置，可以方便快捷地给电池充电，而不用随身携带充电器，非常适用于电动自行车、电动汽车、笔记本电脑等数码产品等，并且设计美观、维护方便，符合大众的要求。 

发明内容

本发明涉及一种内置充电管理式电池组，具体涉及充电器、电池管理***和蓄电池组。其主要由外壳1、充电模块2、管理模块3和电池组4组成，充电模块2、管理模块3和电池组4都置于外壳1内。其特征在于所述内置充电管理式电池组是经过专门的设计，在器件选择、电路设计（控制电路、稳压电路和检测电路）上实现了模块集成和功能优化，使其具备体积小，重量轻、无电磁干扰等优势，从而将充电和管理功能集成并内置到电池壳内部，可以方便快捷地给电池充电，而且充电能耗低、效率高、安全可靠。 

传统充电器采用磁铁芯式变压器（其原理是通过电磁感应原理变换初级线圈的交流电 压，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压）等器件通过变换电路将220V等电压变成合适的电压给电池充电。其有三种充电模式：1、线性充电；2、PWM充电；3、脉冲充电。其优缺点如下：线性充电采用线性调整管进行充电电路与电压的调节，调整管上功耗很大，需要采取有效措施来解决散热问题；PWM充电通过改变开关管的导通与关断占空比来实现恒流与恒压，开关管工作在开关状态，损耗小，但是电路较复杂；脉冲充电兼有两者的优点，但是由于充电器本身不调节电流，所以需要一个限流型的电源适配器其配合使用。 

所述充电模块2改进了以上所有的缺点，它采用压电陶瓷变压器取代传统的磁铁芯式变压器，采用S1701电压检测稳压器代替了传统的检测电路和稳压二极管等元器件，并进行了电路优化。与传统充电器比较，所述充电模块2功耗小、效率高、安全可靠等优点外，更具有以下两个特征：1、体积小、重量轻，所以它非常易于内置到电池外壳1内部；2、电路简单、无电磁干扰，所以它可以直接和管理模块3及其他电路连接，而不用考虑电磁兼容性。 

所述压电陶瓷变压器是一种压电换能器，它利用压电陶瓷的机电能量转换机理先将输入的电能转换为机械能，再将机械能转换为电能，即：电能→机械能→电能，以Rosen型升压变压器为例在输入端施加一定频率的电压，由逆压电效应在变压器内部首先将电能转换为机械能——纵驻波传播，然后变压器输出端再将机械能转换为电能，体积小、效率高且无电磁干扰。 

所述外壳1的材质可以是铝合金、普通金属，也可以是塑料的。 

所述充电模块2主要由整流电路、滤波电路、降压电路、稳压电路、检测电路和控制电路组成。220V交流电经过整流电路进行整流，形成直流脉动；再经过滤波电路进行滤波，形成稳定的300V左右的直流电；再经过降压电路把300V电压降低到电池充电电压；最后经过稳压电路输出所需的稳定的电池充电电压。在这个过程中检测电路一直检测稳压电路的输出电压和电池组的电压，并反馈给控制电路，从而调节整流电路和降压电路的输入和输出，使最后输出的电池充电电压稳定且精度高。 

所述整流电路是由四个整流二极管构成一个全桥整流电路D1。 

所述滤波电路为阻容滤波电路，由低压滤波电容C11和电阻R5并联而成。 

所述降压电路主要元器件为压电式陶瓷降压变压器T1。其特征在于压电陶瓷降压变压器T1尺寸极小、节约空间，并大幅提高稳压性能、热管理以及电磁抗干扰性能，其原理是是将电能转化为机械能，再转为电能来实现降压，其工艺是用陶瓷压电材料烧结、高压极化等制成。电路分为驱动和发电部分，驱动部分接输入端Vi，发电部分接输出端Vo。 

所述压电陶瓷变压器T1可以是Rosen模式变压器，径向振动模式变压器，厚度振动模式变压器和弯曲振动模式变压器。 

所述稳压电路和检测电路主要应用精工电子的S-1701A5043芯片，比传统稳压和检测电路的精度要高几十倍甚至百倍。其特征在于该芯片是采用CMOS技术，集成高精度延迟电路内置型电压检测电路和低压差、高精度输出电压的正电压稳压器，并带复位功能。 

所述控制电路主要包括一个场效应晶体管（IGBT）驱动电路和一个脉宽调制（PWM）电路，主要工作原理为：脉宽调制集成芯片UC3842的6脚连接电阻R24来驱动场效应管Q1，5脚接地、7脚接R5，为UC3842提供电源，4脚外接振荡电容C1，3脚接电阻R23限制最大电流，1脚外接电阻R20和电容C5并联，是误差放大器的输出端，2脚与通过电阻R20和电容C5成为1脚反馈电压的输入端。 

所述管理模块3主要包括防电池过充、过放、过流、短路、反接、监控电池等功能，其与充电模块2和电池组连接，完成电池组的充放电管理。 

所述电池防过充、过放、过流、短路、反接等保护功能是指在电池充放电的过程中，通过MOS管，保险，继电器，防反二极管等电子元件构成的保护电路对电池进行保护。 

所述电池组4可以是由单体的锂离子电池、镍隔电池、镍氢电池、超级电容等组成，也可以是多节电池组成。所述电池组4与充电模块2、管理模块3、外接负载连接，220V交流电在管理模块3的监控下经过充电模块2对电池组4进行充电；并在管理模块3的监控下给外接负载供电。 

附图说明

图1：内置充电管理式电池组功能模块图，其中1为外壳；2为充电模块；3为管理模块；4为电池组。 

图2是该内置充电管理式电池组的充电模块2的电路原理图。 

具体实施方式

实例1 

该实例中内置充电管理式电池组为48V12Ah锂离子电池组，主要由铝合金外壳1、充电模块2、管理模块3和48V12Ah电池组4组成，其中充电模块2、管理模块3和电池组4都置于外壳1内。该内置充电管理式电池组的外壳1是由铝材料加工而成的。 

图2所示是该内置充电管理式电池组的充电模块2的电路原理图，是以脉宽调制集成芯片UC3842驱动场效应管，通过压电陶瓷变压器T1形成一个单开关电源，再配合S-1701A5043电压检测稳压器和运放LM358来实现三阶段充电方式。其中UC3842是一种型性能优良的电流控制型脉宽调制芯片，单端输出能直接驱动双极型的功率管或场效应管，集成了振荡器、具有高温补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电流、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路，其5脚为电源负极，7脚为电源正极，6脚为脉冲输出直接驱动场效应管Q1，3脚为最大电流限制，调整R25的阻值可以调整充电器的最大电流。2脚为电压反馈，可以调节充电器的输出电压。4脚外接振荡电阻R1和振荡电容C1。T1为降压型压电陶瓷变压器，设计电路使其工作过程为：首先将高压脉冲降压为低压脉冲，通过隔离高压（以防触电），为UC3842提供工作电源。S-1701芯片具有高精度的稳压输出和检测比较的功能，在其1管脚正常输入5.8V时，其输出管脚5输出5V电压，为LM358供电。LM358为运算放大器，1脚为电源地，8脚为电源正。D4为高频整流管，C10为低压滤波电容，U3(TL431)为精密基准电压源，配合U2(光耦合器4N35)起到自动调节充电器电压的作用。调整w2(微调电阻)可以细调充电电压，D10是电源指示灯，D6为充电指示灯，R27是电流取样电阻（20欧姆，40w），改变W1的阻值可以调整充电浮充的拐点电流（200－300mA）。 

其充电工作过程为：220V交流电经T0双向滤波抑制干扰，D1整流为脉动直流，再经C11滤波形成稳定的300V左右的直流电。通电开始时，C11上的300V左右直流电压一路经压电陶瓷变压器T1加载到Q1。第一路经R5，C8，C3，达到UC3842的第7脚，强迫UC3842启动，使6脚输出方波脉冲，Q1工作，电流经R25到地，同时压电陶瓷变 压器T1发电部分产生电压Vo1，经D3，R12给UC3842提供可靠电源。压电陶瓷变压器T1发电部分产生电压Vo2经D4，C10整流滤波得到稳定的电压，此电压一路经D7（D7起到防止电池的电流倒灌给充电器的作用）给电池充电。正常充电时，S-1701A5043的3脚采集电压大于4.3V，此时输出为高电平，迫使Q2开通，电源指示灯D6（红灯）工作。同时高电平输送给LM358的2脚，1脚输出低电压，迫使Q3关断，电源指示灯D10(绿灯)熄灭，充电进入恒流充电阶段；电压进入稳定阶段时，充电进入恒压充电阶段，电流逐渐减小。当充电电流减小到设定值时，R27上端的电压下降；当S-1701A5043的3脚采集电压低于4.3V时，4脚输出低电平，Q2关断，充电指示灯D6熄灭。同时LM358的1脚输出高电压，此电压一路使Q3导通，电源指示灯D10点亮，另一路经D8，W1到达反馈电路，使电压降低，充电器进入涓流充电阶段，1－2小时后充电结束。 

所述内置充电管理式电池组的管理模块3为一集成的PCB保护板，其功能为防止电池过充、过放、过流、短路、反接等，还具有温度保护和监控电池SOC的功能。该内置充电管理式电池组整体示意图及各模块之间的连接如图1所示。 

该实例所述的锂离子48V12Ah内置充电管理式电池组，内置充电模块2、管理模块3、电池组4后，并没有增大外壳1的体积，并且重量也比原来轻。经过测量得出，所述充电模块2比原来的传统充电器体积小2/3，重量轻1/2，所述管理模块3的总体积也缩小了1/3，所以保持原来的外壳体积即可；所述充电模块2的重量比原来轻了约2/3，所以整体上比原来电池和传统充电器的总重量轻。在功能上与传统电池组和充电器比较，所述的锂离子48V12Ah内置充电管理式电池组充电更方便快捷、功耗更小、效率更高、更安全可靠，可以推广用于电动自行车、电动摩托车等。 

以上介绍的内置式充电管理电池组为48V12Ah锂离子电池组，该优化同样适用于其他电池组，如12V、24V、36V、72V等锂离子或其他材料的电池组，只需替换合适的压电陶瓷变压器即可实现，无需改变整体电路，方便快捷，适用范围广。 

Claims (10)

1.一种内置充电管理式电池组，其特征在于包括外壳、充电模块、管理模块和电池组，充电模块、管理模块和电池组都置于外壳内，其充电模块包括整流电路、滤波电路、降压电路、稳压电路、检测电路和控制电路；所述降压电路为压电式陶瓷降压变压器。

2.根据权利要求1所述的内置充电管理式电池组，其特征在于所述外壳的材质塑料或金属材料。

3.根据权利要求1所述的内置充电管理式电池组，其特征在于：所述的整流电路是一个全桥整流电路，由四个整流二极管构成。

4.根据权利要求1所述的内置充电管理式电池组，其特征在于：所述的滤波电路为阻容滤波电路，由低压滤波电容和电阻构成。

5.根据权利要求1所述的内置充电管理式电池组，其特征在于：所述的压电陶瓷变压器是Rosen模式变压器，径向振动模式变压器，厚度振动模式变压器或弯曲振动模式变压器。

6.根据权利要求1所述的内置充电管理式电池组，其特征在于：所述的压电陶瓷变压器输入电压范围为3V—300V。

7.根据权利要求1所述的内置充电管理式电池组，其特征在于：稳压电路和检测电路应用S-1701系列芯片。

8.根据权利要求1和3所述的控制电路包括一个场效应晶体管IGBT驱动电路和一个脉宽调制PWM电路。

9.根据权利要求1所述的内置充电管理式电池组，其特征在于：管理模块包括MOS管，保险，继电器和防反二极管。

10.根据权利要求1所述的内置充电管理式电池组，其特征在于电池组包括单体的锂离子电池、镍隔电池、镍氢电池或超级电容，或者是多节电池。

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