CN108282005A - 一种均衡充电的锂电池组合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均衡充电的锂电池组合装置及方法，包括二节以上的锂电池单体串联组合而成的锂电池组合，设有主充电路和辅充电路，锂电池组合充电时，先由主充电路对锂电池组合进行充电，当锂电池组合中任意一节电池单体达到设定的截止电压时，关断主充电路，开启辅充电路，对锂电池组合的每一节电池单体同时进行均衡充电，使每一节电池单体达到设定的同一截止电流，保证充电结束时每一节电池单体的电压相同，实现整个锂电池组合电池单体的电压均衡。本发明的锂电池组合装置简单，可靠性高，完全能够保证锂电池组合的均衡充电。

Description

一种均衡充电的锂电池组合装置及方法

技术领域

本发明涉及一种均衡充电的锂电池组合装置及方法。

背景技术

锂离子电池是目前能够大规模生产和应用的能量密度最高、综合性能最好的蓄电池，但是单体锂电池的电压较低，不到4伏，在电动工具、电动汽车等需要较大功率的应用场合，需要通过串联组合起来，形成较高的电压。锂电池组合在充放电过程中各锂电池单体的电压会出现差异，这种电压不一致如果得不到控制会造成电池的过充过放，影响锂离子电池的安全性、可靠性和循环寿命。

公开号为CN201610287876.8专利公开了一种串联锂电池均衡充电方法，其包括与锂电池组相连接的恒流泄流模块和恒流恒压充电模块以及三组控制驱动电路、两组泄流控制驱动电路以及三组RC并联电路，控制逻辑复杂，构成电路复杂，电流和电压应力大，能耗高，影响了锂电池组均衡充电的安全性和可靠性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷与不足，本发明旨在提供一种均衡充电的锂电池组合装置及方法，其控制逻辑简单、结构简单、操作便捷，并能保证锂电池组合的电池单体的电压均衡。

本发明的第一方面涉及一种均衡充电的锂电池组合装置，其包括由二节以上单体锂电池串联而成锂电池组合，锂电池组合与MCU控制模块的信号检测端相连接，MCU控制模块的电源是由外部电源通过降压芯片提供。锂电池组合充电时，主充电路连接整个锂电池组合的正负极两端；锂电池组任意一节单体电池达到设定电压，MCU控制模块关断主充电路并启动辅充电路中控制开关，锂电池组接入辅充电路，辅充电路的电源同样由外部电源供电，辅充充电电源通过变压器输出多路电流，经专用单节充电芯片给锂电池组合各节单体电池充电，锂电池组合电池单体的辅充电路相互隔离，可同时独立对各锂电池单体进行均衡充电；各锂电池单体与电压检测电路相连接，锂电池组合单体电池电压由各电压检测电路测定，当所述单体锂电池达到设定的充电截止电流时，关断该单体锂电池的辅充电路，当所有锂电池单体辅充结束时，每一节锂电池单体的电压相同，实现整个锂电池组的电压均衡。

按照本发明的均衡充电的锂电池组合装置的结构简单，均衡充电时间短、效率高，装置的安全可靠性强。

在上述方案中优选的是，所述主充电路与所述辅充电路分别由两个独立的外部电源供电，由所述MCU控制模块控制主充电路和辅充电路开关的切换。锂电池组充电时，主充电路连接整个锂电池组合的正负极两端，锂电池组合任意一节单体电池达到设定电压，MCU控制模块关断主充电路并启动辅充电路中控制开关，锂电池组合接入辅充电路，辅充电路的电源由另一个外部电源供电，辅充充电电源通过变压器输出多路电流，通过专用单节充电芯片给锂电池组合各节单体电池充电，锂电池组电池单体的辅充电路相互隔离，可同时独立对各锂电池单体进行均衡充电；各锂电池单体与电压检测电路相连接，锂电池组单体电池电压由各电压检测电路测定，当所述单体锂电池达到设定的充电截止电流时，关断该单体锂电池的辅充电路，当所有锂电池单体辅充结束时，每一节锂电池单体的电压相同，实现整个锂电池组的电压均衡。

上述的优选方案是主充电路和辅充电路可以作为两个独立的充电电路工作，减小了电流和电压之间的应力，减少损耗，提高了均衡充电的效率。

在上述任一方案中优选的是，所述辅充电路由多个独立的变压器输出多路电流，变压器次级线圈分别通过专用单节充电芯片连接每节锂电池单体的正负极两端，各锂电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各节电池单体进行均衡充电。锂电池组充电时，主充电路连接整个锂电池组的正负极两端；锂电池组合任意一节单体电池达到设定电压，MCU控制模块关断主充电路并启动辅充电路中控制开关，锂电池组合接入辅充电路，辅充电路的电源由外部电源供电，辅充充电电源通过多个独立变压器输出多路电流，通过单节充电芯片给锂电池组合各节单体电池充电，锂电池组合电池单体的辅充电路相互隔离，可同时独立对各锂电池单体进行均衡充电；各锂电池单体与电压检测电路相连接，锂电池组合单体电池电压由各电压检测电路测定，当所述单体锂电池达到设定的充电截止电流时，关断该单体锂电池的辅充电路，当所有锂电池单体辅充结束时，每一节锂电池单体的电压相同，实现整个锂电池组的电压均衡。

上述的优选方案是所述辅充电路通过多个独立的变压器输出多路电流，减少变压器次级线圈相互间的电磁作用，减少损耗，提高了均衡充电的效率。

在上述任一方案中优选的是，由所述MCU控制模块控制充电电路对锂电池组进行均衡充电，所述主充电路和辅充电路由同一个外部电源供电，辅充电路通过多线圈变压器输出多路电流，多线圈变压器由铁芯和至少两组线圈构成，单体电池电压由各电压检测电路测定，当锂电池组合任一节单体电池端电压达到电压设定值时,即所述变压器次级线圈输出端与专用单节充电芯片相连接输出多路电流，所述专用单节充电芯片分别连接每节锂电池单体的正负极两端，各锂电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各节电池单体进行均衡充电， 所述锂电池组合的各单体电池与电压检测电路相连接，当所述单体锂电池达到设定的充电截止电流时，关断该单体锂电池的辅充电流路，当所有锂电池单体辅充结束时，每一节锂电池单体的电压相同，实现整个锂电池组的电压均衡。

上述优选方案采用所述主充电路和所述辅充电路由同一个外部电源供电，所述辅充电路采用多线圈变压器输出多路电流，降低锂电池组均衡充电装置的成本，提高均衡充电装置的稳定性，适用性，实用性。

本发明的另一方面涉及一种锂电池组均衡充电的方法，其包括以下七个步骤：

步骤1、锂电池组合未接入时，MCU控制模块向控制驱动电路发出信号，主充电路的控制开关进入待机状态，MCU电源由充电电源经过降压芯片提供；

步骤2、锂电池组合接入时，MCU控制模块判断电池已接入，驱动主充电路的控制开关正常工作，主充电路对锂电池组合充电，主充电路的电流是由充电电源决定的；

步骤3、锂电池组合接入后，主充电路对锂电池组合进行充电，采用的是限压恒流的方式；MCU控制模块在判断电池接入后通过PWM脉冲宽度调制信号的调节，控制充电电流，对锂电池组合进行预充控制，此时电池单体的电压会逐渐升高，MCU控制模块对电压检测单元的电压值进行检测，当检测电压小于一定电压值时，MCU控制模块控制主充电路，使充电进入均衡快充状态，其间锂电池单体电压不断上升；

步骤4、MCU控制模块检测到锂电池组任意一节电池达到设定的电压时，关断主充电路的控制开关，并由MCU控制模块打开辅充电路控制开关，进行辅充电路的充电，辅充电流由专用单节充电芯片决定；

步骤5、锂电池组合接入辅充电路时，辅充电源的充电电源由外部电源提供，通过变压器的次级线圈输出多路电流，专用单节充电芯片锂电池组合的电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各节电池单体进行均衡充电。辅充电路采用恒压限流的充电方式充电，其间充电电流不断减小。锂电池组各电池单体由专用单节充电芯片给各电池单体充电，电池检测电压由各锂电池单体的电压检测电路保护芯片决定；

步骤6、锂电池组电池单体达到设定的充电截止电流时，由MCU控制驱动模块关断辅充电路开关;

步骤7、锂电池组均衡充电完成。

在上述任一方案中优选的是，由所述MCU控制模块控制充电电路对锂电池组合进行均衡充电，主充电路和辅充电路由同一个外部电源供电，主充电路对整个锂电池组合进行充电，所述主充电路采用限压恒流方式，当所述锂电池组任一节锂电池单体达到设定的截止电压时，关断所述主充电路，开启辅充电路，辅充电路通过多线圈变压器次级线圈输出多路电流，经专用单节充电芯片提供给各锂电池组的电池单体，各节锂电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各锂电池单体进行均衡充电。所述辅充电路采用恒压限流方式，当所述单体锂电池达到设定的充电截止电流时，关断该单体锂电池的辅充电流，当所有锂电池单体辅充结束时，每一节锂电池单体的电压相同，实现整个锂电池组的电压均衡。由于锂电池组均衡充电的方法均可以通过开关的控制来实现，按照本发明的锂电池组充电均衡充电可以很好地适用于需要较大功率的应用场合。

按照本发明的锂电池组合的充电方法，操作便捷，该锂电池组合装置简单，优选完全能够保证实现锂电池组的均衡充电，安全性、可靠性提高，成本低廉，大大提高均衡充电的效率和稳定性，适用性强，实用性好。

附图说明

图1为按照本发明的锂电池组合一优选实施例的装置示意图。

具体实施方式

此处所描述的具体实施用于解释本发明，但并不用于限定本发明。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例 1

如图1所示，一种锂电池组合装置由6节锂电池B1-6单体串联组合而成，主充电路和辅充电路共用同一个外部电源，由MCU控制模块控制开关进行切换。主充电路连接整个锂电池组的正负极两端，对锂电池组进行串联充电；辅充电路通过多圈变压器T1输出6路电流I1-6，形成6个相互隔离的辅充电路分别连接6节单节电池正负极的两端，可以同时对各电池单体进行独立充电。

所述锂电池组合B1-6均衡充电方法包括如下步骤：

步骤1、锂电池组合B1-6未接入时，MCU控制模块向控制电路发出低电平信号，主充电路的控制开关K1进入待机状态，MCU电源由充电电源经过降压芯片提供；

步骤2、锂电池组合B1-6接入时，MCU控制模块判断电池已接入，启动主充电路的控制开关K1正常工作，主充电路对锂电池组B1-6充电，主充电路的电流I（主充）是由充电电源决定的

步骤3、锂电池组合B1-6接入后，主充电路对锂电池组合B1-6进行充电，采用的是限压恒流的方式；MCU控制模块在判断电池接入后通过PWM信号的调节，控制充电电流，对锂电池组进行预充控制，此时电池单体的电压会逐渐升高，MCU控制模块对电压检测单元的电压值进行检测，当检测电压小于一定电压时，MCU控制模块驱动主充电路使充电进入均衡快充状态，其间锂电池单体电压不断上升；

步骤4、MCU控制模块检测到锂电池组合B1-6任意一节电池达到设定的电压时，关断主充电路控制开关K1，并由MCU控制模块驱动辅充电路控制开关K2，进行辅充电路的充电，辅充电流I（辅充）由单节充电芯片决定；

步骤5、锂电池组合接入辅充电路时，辅充电源的充电电源由外部电源提供，通过多圈变压器输出6路电流，锂电池组合电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各节电池单体进行均衡充电。辅充电路采用恒压限流的充电方式充电，其间充电电流不断减小。锂电池组合各电池单体由专用单节充电芯片给各电池单体充电，电池检测电压由各锂电池单体电压检测电路保护芯片决定；

步骤6、锂电池组B1-6电池单体达到设定的充电截止电流时，由MCU控制模块关断开关K2;

步骤7、锂电池组合B1-6均衡充电完成。

实施例 2

如图1所示，一种锂电池组合装置由6节锂电池B1-6单体串联组合而成，主充电路和辅充电路采用两个独立的外部电源，由MCU控制模块控制开关进行切换。主充电路连接整个锂电池组的正负极两端，对锂电池组进行串联充电；辅充电路通过多圈变压器T1输出6路电流I1-6，形成6个相互隔离的辅充电路分别连接6节单节电池正负极的两端，可以同时对各电池单体进行独立充电。

所述锂电池组合B1-6均衡充电方法包括如下步骤：

步骤1、锂电池组合B1-6未接入时，MCU控制模块向控制驱动电路发出低电平信号，主充电路的控制开关K1进入待机状态，MCU电源由充电电源经过降压芯片提供；

步骤2、锂电池组合B1-6接入时，MCU控制模块判断电池已接入，驱动主充电路的控制开关K1正常工作，主充电路对锂电池组B1-6充电，主充电路的电流I（主充）是由充电电源决定的

步骤3、锂电池组合B1-6接入后，主充电路对锂电池组合B1-6进行充电，采用的是限压恒流的方式；MCU控制模块在判断电池接入后通过PWM信号的调节，控制充电电流，对锂电池组进行预充控制，此时电池单体的电压会逐渐升高，MCU控制驱动模块对电压检测单元的电压值进行检测，当检测电压小于一定电压时，MCU控制模块控制主充电路使充电进入均衡快充状态，其间锂电池单体电压不断上升；

步骤4、MCU控制驱动模块检测到锂电池组合B1-6任意一节电池达到设定的电压时，关断主充电路控制开关K1，并由MCU控制模块打开辅充电路控制开关K2，进行辅充电路的充电，辅充电流I（辅充）由单节充电芯片决定；

步骤5、锂电池组合接入辅充电路时，辅充电源的充电电源由外部电源提供，通过变压器输出多路电流，锂电池组合电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各节电池单体进行均衡充电。辅充电路采用恒压限流的充电方式充电，其间充电电流不断减小。锂电池组合各电池单体由专用单节充电芯片给各电池单体充电，电池检测电压由各锂电池单体电压检测电路保护芯片决定；

步骤6、锂电池组合B1-6电池单体达到设定的充电截止电流时，由MCU控制模块关断开关K2;

步骤7、锂电池组合B1-6均衡充电完成。

实施例 3

如图1所示，一种锂电池组合装置由6节锂电池B1-6单体串联组合而成，主充电路和辅充电路共用同一个外部电源和充电器，由MCU控制模块控制开关进行切换。主充电路连接整个锂电池组的正负极两端，对锂电池组进行串联充电；辅充电路通过6个独立变压器T1-6输出6路电流I1-6，形成6个相互隔离的辅充电路分别连接6节单节电池正负极的两端，可以同时对各电池单体进行独立充电。

所述锂电池组合B1-6均衡充电方法包括如下步骤：

步骤1、锂电池组合B1-6未接入时，MCU控制驱动模块向控制驱动电路发出低电平信号，主充电路的控制开关K1进入待机状态，MCU电源由充电电源经过降压芯片提供；

步骤2、锂电池组合B1-6接入时，MCU控制模块判断电池已接入，驱动主充电路的控制开关K1正常工作，主充电路对锂电池组B1-6充电，主充电路的电流I（主充）是由充电电源决定的

步骤3、锂电池组合B1-6接入后，主充电路对锂电池组B1-6进行充电，采用的是限压恒流的方式；MCU控制模块在判断电池接入后通过PWM信号的调节，控制充电电流，对锂电池组进行预充控制，此时电池单体的电压会逐渐升高，MCU控制驱动模块对电压检测单元的电压值进行检测，当检测电压小于一定电压值时，MCU控制模块控制主充电路使充电进入均衡快充状态，其间锂电池单体电压不断上升；

步骤4、MCU控制模块检测到锂电池组合B1-6任意一节电池达到设定的电压时，关断主充电路控制开关K1，并由MCU控制模块打开辅充电路控制开关K2，进行辅充电路的充电，辅充电流I（辅充）由单节充电芯片决定；

步骤5、锂电池组合接入辅充电路时，辅充电源的充电电源由外部电源提供，通过6个独立的变压器输出6路电流，锂电池组电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各节电池单体进行均衡充电。辅充电路采用恒压限流的充电方式充电，其间充电电流不断减小。锂电池组各电池单体由专用单节充电芯片给各电池单体充电，电池检测电压由各锂电池单体电压检测电路保护芯片决定；

步骤6、锂电池组合B1-6电池单体达到设定的充电截止电流时，由MCU控制模块关断开关K2;

步骤7、锂电池组合B1-6均衡充电完成。

实施例 4

如图1所示，一种锂电池组合装置由6节锂电池B1-6单体串联组合而成，主充电路和辅充电路采用两个独立的外部电源，由MCU控制模块控制开关进行切换。主充电路连接整个锂电池组的正负极两端，对锂电池组进行串联充电；辅充电路通过6个独立变压器T1-6输出6路电流I1-6，形成6个相互隔离的辅充电路分别连接6节锂电池正负极的两端，可以同时对锂电池各电池单体进行独立充电。

所述锂电池组合B1-6均衡充电方法包括如下步骤：

步骤1、锂电池组合B1-6未接入时，MCU控制驱动模块向控制驱动电路发出低电平信号，主充电路的控制开关K1进入待机状态，MCU电源由充电电源经过降压芯片提供；

步骤2、锂电池组合B1-6接入时，MCU控制模块判断电池已接入，驱动主充电路的控制开关K1正常工作，主充电路对锂电池组B1-6充电，主充电路的电流I（主充）是由充电电源决定的

步骤3、锂电池组合B1-6接入后，主充电路对锂电池组B1-6进行充电，采用的是限压恒流的方式；MCU控制驱动模块在判断电池接入后通过PWM信号的调节，控制充电电流，对锂电池组进行预充控制，此时电池单体的电压会逐渐升高，MCU控制驱动模块对电压检测单元的电压值进行检测，当检测电压小于一定电压时，MCU控制驱动模块控制主充电路使充电进入均衡快充状态，其间锂电池单体电压不断上升；

步骤4、MCU控制驱动模块检测到锂电池组合B1-6任意一节电池达到设定的电压时，关断主充电路控制开关K1，并由MCU控制模块打开辅充电路控制开关K2，进行辅充电路的充电，辅充电流I（辅充）由单节充电芯片决定；

步骤5、锂电池组合接入辅充电路时，辅充电源的充电电源由外部电源提供，通过6个独立的变压器输出6路电流，锂电池组电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各节电池单体进行均衡充电。辅充电路采用恒压限流的充电方式充电，其间充电电流不断减小。锂电池组各电池单体由专用单节充电芯片给各电池单体充电，电池检测电压由各锂电池单体电压检测电路保护芯片决定；

步骤6、锂电池组合B1-6电池单体达到设定的充电截止电流时，由MCU控制驱动模块关断开关K2;

步骤7、锂电池组合B1-6均衡充电完成。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。例如将本发明的装置和方法用于超级电容器或铅酸电池。

阅读了本说明后，本领域技术人员不难看出，本发明由现有技术的结合构成，这些构成本发明的各部分的现有技术有些在此给予了详细描述，有些则出于说明书简明考虑并未事无巨细地赘述，但本领域技术人员阅读了说明书后便知所云。而且本领域技术人员也不难看出，为构成本发明而对这些现有技术的结合是饱含大量创造性劳动，是发明人多年理论分析和大量实验的结晶。本领域技术人员同样可以从说明书中看出，这里所披露的每个技术方案以及各个特征的任意组合都属于本发明的一部分。

Claims (10)

1.一种均衡充电的锂电池组合装置，其包括由二节以上单体锂电池串联而成锂电池组，其特征在于：包括主充电路和辅充电路，所述主充电路连接整个锂电池组合的正负极两端，对锂电池组合进行串联充电，所述辅充电路设有多线圈变压器，其次级线圈相互隔离，所述多线圈变压器次级线圈分别连接每节锂电池单体的正负极两端，同时对各锂电池单体进行独立充电；所述主充电路和所述辅充电路由MCU控制模块控制，所述锂电池组连接于所述MCU控制模块的信号检测端，所述多线圈变压器次级线圈连接于专用单节充电芯片，所述专用单节充电芯片连接于串联的锂电池组各单体电池正负极两端，所述MCU控制单元的检测电压输入端连接电压检测电路的检测电压输出端。

2.根据权利要求1所述的均衡充电的锂电池组合装置，其特征在于：所述主充电路和辅充电路由同一个外部电源或分别由两个独立的外部电源供电。

3.根据权利要求1所述的均衡充电的锂电池组合装置，其特征在于：所述主充电路连接整个锂电池组合的正负极两端，对锂电池组合串联充电。

4.根据权利要求1和2所述的均衡充电的锂电池组合装置，其特征在于：所述辅充电路通过多圈变压器或多个独立变压器输出多路电流，各节锂电池单体的充电电路相互隔离，可同时独立对各节锂电池单体进行均衡充电。

5.根据权利要求1所述的均衡充电的锂电池组合装置，其特征在于：所述主充电路和辅充电路的供电电源通过开关切换。

6.一种锂电池组合均衡充电的方法 ，借助于该方法，由MCU控制模块对所述主充电路和辅充电路进行开关切换充电，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、锂电池组未接入充电电路，所述MCU控制驱动模块的电源由充电电源经过降压芯片提供， 同时向充电电路发出信号；

步骤2、锂电池组合接入充电电路，所述MCU控制模块判断电池已接入充电电路，驱动主充电路的控制开关正常工作，主充电路对锂电池组合充电，主充电路的电流是由充电电源决定的；

步骤3、锂电池组合接入主充电路，主充电路对锂电池组合进行充电，采用的是限压恒流的方式；MCU控制模块在判断锂电池组合接入后通过PWM脉冲宽度调制信号的调节，控制充电电流，对锂电池组合进行预充控制，此时电池单体的电压会逐渐升高，MCU控制驱动模块对电压检测单元的电压值进行检测，当检测电压小于一定电压时，MCU控制模块控制主充电路使充电进入均衡快充状态；

步骤4、MCU控制模块检测到锂电池组合任意一节电池达到设定电压时，关断主充电路开关，并由MCU打开辅充电路开关，进行辅充电路的充电，辅充电流由专用单节充电芯片决定；

步骤5、锂电池组合接入辅充电路，辅充采用恒压限流方式，电池由专用单节充电芯片给各电池单体充电，电池检测电压由各锂电池单体的电压检测电路保护芯片决定；

步骤6、锂电池组合的电池单体达到设定的充电截止电流，由MCU关断辅充电路开关;

步骤7、锂电池组合均衡充电完成。

7.根据权利要求6所述的锂电池组合均衡充电的方法，其特征在于：所述锂电池组合充电时，先由所述主充电路对整个锂电池组合进行充电，所述主充电路采用限压恒流方式，当所述锂电池组任意一节锂电池单体达到设定的截止电压时，关断所述主充电路，开启所述辅充电路，对锂电池组电池单体进行均衡充电。

8.根据权利要求6所述的锂电池组均衡充电的方法，其特征在于：所述辅充电路采用恒压限流方式，当所述单体锂电池达到设定的充电截止电流时，关断该单体锂电池的辅充电流，当所有锂电池单体辅充结束时，所述锂电池组电池单体的电压都相同，实现了整个锂电池组的电压均衡。

9.根据权利要求6所述的锂电池组均衡充电的方法，其特征在于：所述主充电流由充电电源决定，所述辅充电流由所述单节充电芯片决定。

10.根据权利要求6所述的锂电池组均衡充电的方法，其特征在于：所述辅充电路电池检测电压由保护芯片决定，充电终止电压由单节充电芯片决定。