CN201122645Y

CN201122645Y - 具有动态均衡充电保护功能的电池包

Info

Publication number: CN201122645Y
Application number: CNU2007201220413U
Authority: CN
Inventors: 冯兆瑞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2017-08-03

Abstract

本实用新型涉及具有动态均衡充电保护功能的电池包，包括：N只可充电二次电池组成的电池组和动态均衡充电保护电路，其采用相邻两两电压相比较，仅在充电时进行动态均衡，电池组中间电池设有两个分流电路。本实用新型的电池包具有较高稳定性和可靠性。本实用新型既适用于小容量蓄电池，又适用于大容量蓄电池；既适合较少电池，也适合较多电池组成的电池组，而且充电均衡效果较好；整个电压比较分流电路简单实用，成本低廉，全部可以采用贴片元器件，体积可以很小，重量较轻，同蓄电池组共同组成电池包，又可以减少电路引线数量，使用方便可靠，具有较大普遍实用价值。

Description

具有动态均衡充电保护功能的电池包

技术领域

本实用新型涉及电池包，更具体地说，涉及一种具有动态均衡充电保护功能的电池包。

背景技术

随着技术的发展，二次可充电电池的使用量不断增加，电池技术本身的发展也促进了其应用范围的不断扩大。特别是近几年来，电动运输工具、电动车、电动工具、移动电子设备、电动玩具等，都已经有了较大的发展，急需解决电池组有效使用寿命问题。

大多数情况下，由于用电设备的不同，所需要的电压、电流也不相同，通常是由两只或者两只以上单体电池串联组成电池组，以满足设备正常使用电压的要求。

作为串联电池组中的每只单体电池之间，不论在串联组装配组时，各种对应参数选择多么良好和一致，由于在充放电使用过程中各种参数总会逐渐产生差别，而且随着充放电使用时间的增加，差别会越来越大，造成各个电池间的参数不匹配。

电池组中各单体电池间的容量、电压不匹配，包括荷电状态的失配和容量/能量的失配等，不论哪一种失配和差异，整个电池组的容量，只能达到组成电池组中最差的一只电池的容量。通常情况下对电池组的充电，又是由一个充电设备对电池组进行整体串联充电的，一般情况下，由于单体电池间的差异，在串联充电中无法得到均衡调整。随着继续循环使用次数和时间的延长，各单体电池间的差异会越来越大，最终会因为一只或几只个别电池的容量降低或失效，而影响到整个电池组的使用寿命，这种现象是普遍存在的。

为了解决上述问题，有效地延长电池组的使用寿命，人们考虑到利用充电过程中的分流方法解决充电均衡保护问题。但是在通常情况下，分流均衡保护大多数采用定态分流方式，也就是在充电中，对充电先期达到某一固定电压的电池开始进行分流，以减少该电池充电电流，达到充电均衡的目的。这样实际上是在电池充电末期才开始分流均衡，需要设定准确一致的比较基准电压，电路比较复杂，需要分流电流较大，产生较大热量，均衡效果也不够理想。特别是在电池电压较高、电池容量较大、电池组串联单体电池数量较多的情况下，需要较多接线，也难于解决电子器件工作耐受电压、分流效果和电路发热问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种较为完整的具有动态均衡充电保护功能的电池包。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有动态均衡充电保护功能的电池包，包括：可充电二次电池组成的电池组和动态均衡充电保护电路两个部分，共同组成一个电池包。所述动态均衡充电保护电路包括：电压比较分流电路和充电电子开关控制器，电压比较分流电路包括：电压基准取样电路、电压比较器电路、反相器电路、分流电路、比较器/反相器电源电子开关。所述电压基准取样电路由两只等值电阻串联，并联于两只相邻电池上，取其中点为两只电池电压平均值作为基准取样电压；所述电压比较器电路并联于两只相邻电池上，对相邻两只电池中点电压与该两只电池平均值电压进行比较，其输出驱动所述一个分流电路和反相器电路；所述反相器电路输出驱动所述另外分流电路；所述分流电路包括功率开关晶体管和分流负载，并联于单体电池上，在整个电池包充电过程中，由电压比较器电路控制，对两只相邻电池电压较高的进行分流，达到相邻两只电池充电电压趋于一致，以实现电池包均衡充电保护的目的；所述比较器/反相器电源电子开关，仅在充电过程中，由充电电子开关控制器控制，接通比较器及反相器供电电源使其工作。

在由N只单体二次电池串联组成的电池包中，各电池自正极到负极，每两只相邻电池自上而下作为一组，即第1只和第2只、第2只和第3只、......、第N-1只和第N只，共构成N-1个电压比较分流电路，每个电压比较分流电路中，取样电路和比较器电路对两只电池的中点电压与两只电池的平均值(由两只等值电阻串联分压取样得到)进行比较，通过电压比较器或者通过反相器后，驱动各自分流电路，对电压高的电池进行分流，这样在整个充电过程中，电压偏高的电池由于分流的结果，其电压上升速度较慢，就向相邻电池电压低的靠拢，相邻电池电压逐渐趋于一致。而整个电池组的N-1个电压比较分流电路是相互联系的，所以电池组各个电池电压，在充电过程中逐步接近一致，从而达到均衡充电的目的。

在本实用新型所述具有动态均衡充电保护功能的电池包中，又采用每电压比较器电路和反相器电路各自驱动分流电路(除了最高和最低端电池外，电池组中间每只电池具有两个分流电路)，所以不会相互影响分流效果，而且分流速度较快、效果较好，这是本实用新型的一个特点。

在本实用新型中，所述每个电压比较分流电路的电压比较器和反相器电路，工作电源电压取自该组两只相邻电池串联充电电压之和，而且仅仅在充电时，才通过电子开关将其工作电源接通，这样，既可以减少电池组静置存放时和放电工作时的电路自耗电，这对于小容量电池组是十分必要的；又可以在电池组电压较高、串联电池较多时，能够使用普通耐压比较器集成电路或者普通运算放大器集成电路，避免使用高耐压器件，例如对于单体标称12V密封铅酸蓄电池组成的电池组，是十分必要的。

在本实用新型中，所述电压比较分流电路的电压取样电路，由两只等值电阻相串联，由中点取其相邻两只电池串联电压之和的平均值，在充电过程中，这个电压是动态变化上升的，所以这里采用的是动态充电均衡方式；又由于整个充电过程中随时进行比较分流均衡，故而所需均衡分流可以较小，电路发热较少，加之均衡电路仅仅在充电时才供电工作，具有较高稳定性和可靠性。

实施本实用新型的具有动态均衡充电保护功能的电池包，具有以下有益效果：既适用于小容量蓄电池组，又适用于大容量蓄电池组，既适合较少电池，也适合较多单体电池组成的电池组，而且充电均衡效果较好，整个电压比较分流电路简单实用，全部可以采用贴片元器件，体积可以很小，重量较轻，同蓄电池组共同组成电池包，又可以减少蓄电池组的对外引线数量，使用方便可靠，具有较大普遍实用价值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型具有动态均衡充电保护功能的电池包逻辑框图；

图2是本实用新型具有动态均衡充电保护功能的电池包的第一实施例的电路原理图；

图3是本实用新型具有动态均衡充电保护功能的电池包的第二实施例的电路原理图；

图4是本实用新型具有动态均衡充电保护功能的电池包的第三实施例的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型具有动态均衡充电保护功能的电池包中，包括：供基本使用功能的N只二次电池BT1、BT2、......、BTN依次由正极到负极相串联构成的电池组，以及电压比较分流电路和充电电子开关控制器6，电池组中，由每两只相邻电池组成一个比较小组，即BT1和BT2、BT2和BT3、......、BT(N-1)和BTN，共构造成N-1小组，每比较小组相邻两只电池并联设置电压比较分流电路，N≥2。

电压比较分流电路包括：电压基准取样电路、电压比较器电路1、反相器电路2、分流电路3、分流电路4、比较器/反相器电源电子开关5；电压比较分流电路仅在电池包充电时，由充电电子开关控制器6控制接通其电源，使其工作。

电压基准取样电路是利用两两电阻值相等的等值电阻R1＝R2、R3＝R4、......、R(2N-3)＝R2(N-1)，共2(N-1)只电阻，对所述N-1小组电池中每小组两只相邻电池电压之和取其平均值，作为所述电压比较器电路1的负输入端的基准电压；而两只相邻电池连接中点，接连所述电压比较器1正输入端；所述电压比较器1输出端，连接所述分流电路4和所述反相器2输入端，所述反相器2输出端连接所述分流电路3；所述分流电路4并联于所述两只相邻电池低端电池上，所述分流电路3并联于高端电池上，由所述电压比较器电路1控制其分流。

所述分流电路3和所述分流电路4的电路结构完全相同，每个分流电路包括功率开关电子器件和分流负载，所述功率开关电子器件是开关晶体管、MOS场效应管或者其他开关器件，所述分流负载是电阻器或者电子负载。

所述电压比较器电路1，是电压比较器集成电路或者运算放大器集成电路；所述反相器电路2，是晶体管反相器或者集成电路反相器。所述每个电压比较分流电路中的电压比较器电路1和反相器电路2的正极供电电源，共同由所述比较器/反相器电源电子开关5接通供电工作，并且仅在所述电池包充电过程中，由所述充电电子开关控制器6控制接通。

所述比较器/反相器电源电子开关5，由开关晶体管电路组成，所述充电电子开关控制器6是一组分压电阻或者其他开关控制电路，仅在充电电源接入后，用于分别打开所述比较器/反相器电源电子开关5，并通过隔离二极管D1、D2使得充电与放电相互隔离。

在图1中，由N只单体二次电池串联组成的电池包中，电池自高端正极到低端负极，除了最高端一只电池BT1和最低端一只电池BTN外，其余中间的每只电池上均并联有两个分流电路，即所述分流电路3和所述分流电路4，这是本实用新型的一个特点。

在图1中，C/D+是所述电池包充电和放电正极共用连接点，DIS-是电池包在使用时的负极连接点，CH-是电池包充电时与充电设备负极连接点。

如图2所示是本实用新型的一个最简单实施例，即由2只电池串联组成的电池包的电原理图，图中BT1，BT2为本实用新型所述单体电池，U1为电压比较器，U2为反相器，Q1、Q2为分流电路开关晶体管，R21、R22为分流电阻，R1、R2为取两个电池中值电压的等值电阻，D1、D2为充电时隔离二极管，CH+为充电设备正极输入端，DIS+为电池包正极输出端，CH/DIS-为充电和放电负极共用端。由于R1、R2阻值相等，其中间连接点电压等于两只电池的平均值，电压比较器U1正输入端接到两只电池中点电压，与负输入端两只电池平均值比较。在充电过程中，如果电池BT2电压比BT1高，那么比较器U1的正输入端电压就大于负输入端的两电池平均电压，U1输出为正电源电压，通过D4和R13、R14分压保护，驱动Q2导通，R22对BT2进行分流，以减小BT2充电电压上升速度；此时反相器U2输出为电源负电压，Q1截止，R21不能对BT1分流；这样在充电中，电池BT2电压上升速度就比BT1慢，从而接近BT1电压；反之，如果电池BT1电压高于BT2电压，由于比较器输出为其电源负电压，Q2截止，而反相器U2输出为正，通过D3和R11、R12分压保护，使Q1导通，R21对电池BT1分流，使其充电电压上升速度减慢，逐步接近较低的电池BT2电压，因此两只电池中充电电压，动态地逐步接近一致，从而达到充电均衡的效果。这里比较器U1和反相器U2的电源电压，取决于充电设备电源在CH+端的接入；由于D1，D2的接入，在非充电状态时，电压比较器U1和反相器U2无法供电工作，所以分流电路也截止不工作，不能进行均衡分流作用，其功耗很小，不会影响电池的耗电，仅仅是充电时才进行动态均衡，这时由充电设备供电工作。

如图3所示，是本实用新型第二个实施例，具有3只单体电池串联组成的电池包电原理图，图中与图2相似元器件作用同上面所述，另外Q11、Q12是仅仅在充电时才启动的电子开关，也即在充电设备接入时，由于R31、R32、R33和R34有充电电流流过，使Q11，Q12饱和导通，分别为比较器电路和反相器电路提供工作电源；U1、U2用于均衡电池BT1、BT2之间电压，Q1、Q3为其分流控制晶体管；U3、U4用于均衡电池BT2、BT3之间电压，Q2、Q4为其分流控制晶体管。CH/DIS+为充电和放电共用正极端，DIS-为电池包放电负端，CH-为充电负端，D1、D11、D12充电放电隔离二极管。

如图4是本实用新型第三个实施例，具有4只单体电池串连组成的电池包的电原理图，电路工作与图3工作原理基本相同，这里不再赘述。

如上所述，对于有N只单体电池组成的电池包，本实用新型所述具有动态均衡充电保护功能的电池包，采取相邻两两电池组成一小组进行充电比较均衡，共有N-1个电压比较分流电路，每个电压比较分流电路由一个电压比较器、一个反相器和两个分流电路组成，每个比较分流电路的电压比较器和反相器电源供电，联接到该组相邻两只电池两端，并且通过晶体管电子开关在充电时接通，非充电时断开。

综上所述，本实用新型所述具有动态均衡充电保护功能的电池包，其主要部分是一组串联的电池组，为了减少充电放电过程中，所组成各个单体电池之间的差别，延长电池组使用寿命，采用所述动态均衡充电保护电路，组合成一个电池包整体，不仅起到延长使用寿命的目的，还给使用和充电带来很多方便。

采用本实用新型所述动态均衡充电方法，可以在整个充电过程中，随时调整电池之间微小的差别，所需均衡电流较小，发热较少，电路可靠性较高；电池组除了最高端和最低端单体电池外，中间每只电池由于两边都有电池相连接，所以中间每一只电池上并联两个分流电路，也能够加快均衡速度；同时电压比较分流电路的电压比较器和反相器工作电源，取自其比较两只电池电压之和，并且由充电时的电子开关电路控制接通，既可以使比较器和反相器采用普通耐压的集成电路，又可以减少电池的静态耗电，更加利于电池组的长期使用；而在动态均衡充电保护基础上，能够减少电池间的差别，有效地延长了电池的使用寿命，则可以将均衡充电保护电路和蓄电池组合为一体，组合成电池包，为使用带来更多方便，这就带来更好的实用意义，也会带来较好的社会经济效益。

本实用新型所述电池包，适用于由各种可充电二次电池组成循环使用的电池组，例如各种电动运输工具、电动车、电动工具、移动电子设备、电动玩具等方面；同时也适用于各种浮充备用工作状态的电池组，例如工矿企业、交通、电力、银行等备用直流电源***。

Claims

1. 一种具有动态均衡充电保护功能的电池包，包括：N只二次可充电电池BT1、BT2、......、BTN串联组成的电池组，其特征在于，还包括动态均衡充电保护电路，所述动态均衡充电保护电路包括：N-1个动态电压比较电路、2(N-1)个分流电路和均衡控制开关电路，每一个所述动态电压比较电路并联连接于所述电池组由高端到低端两两相邻的两只所述二次可充电电池之间，在充电过程中，对相邻两电池电压随时进行比较，并对充电电压较高一只电池进行分流调节；其中N≥2。

2. 根据权利要求1所述的具有动态均衡充电保护功能的电池包，其特征在于，每一个所述动态电压比较电路包括：电压基准取样电路，电压比较器电路(1)和反相器电路(2)；每一个所述分流电路包括：第一分流电路(3)和第二分流电路(4)，且分别与所述两只相邻电池的高、低端的所述二次可充电电池相并联；所述均衡控制开关电路包括：比较器/反相器电源电子开关(5)和充电电子开关控制器(6)；每一个所述电压基准取样电路是串联连接的两只等值电阻，且并联于所述相邻的两只二次可充电电池两端，其中点对两只电池电压之和取动态平均值。

3. 根据权利要求2所述的具有动态均衡充电保护功能的电池包，其特征在于，所述电压比较器电路(1)并联于所述相邻的两只二次可充电电池上，对所述相邻的两只二次可充电电池中点电压和电压平均值进行比较，所述电压比较器电路(1)的输出驱动所述第二分流电路(4)和反相器电路(2)，所述反相器电路(2)的输出驱动所述第一分流电路(3)。

4. 根据权利要求3所述的具有动态均衡充电保护功能的电池包，其特征在于，所述比较器/反相器电源电子开关(5)和所述充电电子开关控制器(6)均由晶体管开关电路组成，仅在充电过程中，由充电设备接入后接通工作，并控制接通所述电压比较器电路(1)和反相器电路(2)的正极电源，使其工作，即每一个所述电压比较器电路(1)和反相器(2)的供电电源，取自该动态电压比较电路对应的所述相邻的两只二次可充电电池的充电电压之和。

5. 根据权利要求4所述的具有动态均衡充电保护功能的电池包，其特征在于，所述电压比较器电路(1)和反相器电路(2)是电压比较器集成电路或者运算放大器集成电路。

6. 根据权利要求4所述的具有动态均衡充电保护功能的电池包，其特征在于，所述第一分流电路(3)和第二分流电路(4)均由功率开关电子器件和分流负载所构成，所述的功率开关电子器件是开关晶体管或MOS场效应管，所述分流负载是电阻器或者电子负载。