CN208094253U - 一种锂电池充放电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂电池技术领域，公开了一种锂电池充放电电路，包括：控制器、充电控制模块、充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块、锂电池组和电池均衡模块，其中，所述控制器分别与所述充电控制模块、充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块连接，所述锂电池组分别与所述充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块、电池均衡模块连接。本实用新型通过电池均衡模块及电压、电流、温度的监测模块，实现了串联电池组的无损均衡充放电管理，并实现了温度、电流、电压的监测，均衡效果较好，***结构简单，维护扩展方便，节约能源，均衡效率较高。

Description

一种锂电池充放电电路

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池充放电电路。

背景技术

当前锂电池组以其优越的性能得到了广泛应用。由于各单体电池之间存在一定差异，在充放电过程中这种差异会使个别电池因过充或过放而损坏，进而导致整个锂电池组的快速损坏，因此需要在充放电时对电池组中的单体电池进行能量均衡，从而延长电池组的使用寿命。

现有技术中，存在多种对串联电池组的充放电能量均衡的方法，但都存在各自的缺点，例如：

1、以电感作为储能元件实现无损均衡，其电感转移能量效率较低，达不到 50%；

2、电容切换法的无损均衡，缺少监控，且当电池数量较多、电容电压较高时会有***的危险；

3、采用集中变换器方式将多余的能量传送给总回路或传递给相邻的电池，此类方法虽然可以实现无损均衡，但是当电池的数量增加或减少时，都须重新对变压器进行设计，扩展变化较不便；而且变压器的较多使用极大地增加了***的重量。

实用新型内容

本实用新型提供一种锂电池充放电电路，解决现有技术中对充放电进行能量均衡，存在能量效率低、安全性低、扩展不便、需要较多变压器的技术问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种锂电池充放电电路，包括：控制器、充电控制模块、充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块、锂电池组和电池均衡模块，其中，所述控制器分别与所述充电控制模块、充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块连接，所述锂电池组分别与所述充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块、电池均衡模块连接。

本实用新型的技术效果为：

通过电池均衡模块及电压、电流、温度的监测模块，实现了串联电池组的无损均衡充放电管理，并实现了温度、电流、电压的监测，均衡效果较好，***结构简单，维护扩展方便，节约能源，均衡效率较高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的一种锂电池充放电电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的电池均衡模块的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的电池均衡子模块的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的充放电切换模块的结构示意图；

图5为本实用新型实施例的电池均衡子模块中开关管的驱动控制电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，为本实用新型实施例提供的一种锂电池充放电电路，包括：控制器、充电控制模块、充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块、锂电池组和电池均衡模块，其中，所述控制器分别与所述充电控制模块、充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块连接，所述锂电池组分别与所述充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块、电池均衡模块连接。

其中，如图2所示，电池均衡模块包括N-1个电池均衡子模块，所述电池均衡子模块的三个端子与相邻的两个串联的单节锂电池的三个连接头连接，N为锂电池组中锂电池的节数。

如图3所示，虚线框中为电池均衡子模块，所述电池均衡子模块包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感L1、电容C1，其中，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4从开关管Q1的漏极开始依次串联在一起，所述二极管D1反接于所述开关管Q1源极和漏极两端，所述二极管D2反接于所述开关管Q2源极和漏极两端，所述二极管D3反接于所述开关管Q3源极和漏极两端，所述二极管D4反接于所述开关管Q4源极和漏极两端，所述电容C1与电感L1串联的电路跨接于开关管Q2的漏极和开关管Q3的源极，所述开关管Q1的漏极与单节锂电池的正极连接，所述开关管Q4的源极与相邻的串联的单节锂电池的负极连接。

结合图3所示的结构，2节电池间的能量转移主要通过电容实现，电池组中电池压差和受控MOSFET决定了电池能量的转移方向。如果VB1>VB2，则：(1)将Q1导通，此时B1将能量通过Q1、L1和D3转移到B2中，电感L1可以防止Q1导通瞬间产生较大的电流，对电容C1起到保护的作用；(2)一段时间后VB1=VC1，关断Q1并导通Q2，此时C1将多余的能量通过Q2、D4和L1转移到B2中，电感L1又起到了保护电容C1的目的，一段时间后VB2=VC1，关断Q2。上述2步循环往复，直到VC1=VB1=(VB1+VB2)/2，这样就实现了从B1到B2的能量转移，即实现了均衡。能量均衡过程中开关Q1导通关断的时间是一个非常重要的参数，导通关断时间的长短直接关系到能量均衡的效率。通常，只要Q1导通时间足够长，即可让电容C1基本充满，所以，根据上述均衡原理和能量均衡过程中的动态方程，得到当VB1>VB2时Q1的一个开关周期为：

Ts≥10ReqC1

其中，Req为Q1导通时回路中的等效电阻(约20mΩ)，从而可以得到控制MOSFET开和关的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)频率为：

同理，当VB2>VB1时，先将Q4导通一段时间，再关断Q4，导通Q3，此时D1导通，循环往复直到VB1=VB2，即可实现能量从B2向B1的转移。在此均衡方式中，2节电池之间的能量转移主要通过能量转移电容而不是电感来实现，所以，电感值无须太大，从而降低功耗。电容储能的优点是充满电后几乎不再耗电，而且自身损耗较小，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。

为了实现对充放电状态的控制，所述充放电切换模块，通过由MOSFET组成的单刀双掷开关来实现。为避免干扰，将光耦与MCU相连以实现通断控制，如图4所示，所述充放电切换模块包括开关管Q5、开关管Q6、第一光耦和第二光耦，所述开关管Q5的漏极连接外部电源正极，栅极通过所述第一光耦连接控制器IO，源极连接锂电池组正极；所述开关管Q6的漏极连接锂电池组正极，栅极通过所述第二光耦连接控制器IO，源极连接负载正极。

温度监测模块监测实时温度可防止电池过热***，其中，采用DS18B20数字温度传感器，并以总线的方式与控制器相连。

要实现均衡，必须很好地控制MOSFET的通断，需设计专门的驱动电路，如图5所示，所述电池均衡子模块中的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4的栅极通过驱动控制电路进行控制，所述驱动控制电路包括依次串联的第三光耦和驱动器，所述第三光耦的输入端连接控制器的PWM输出口，所述驱动器的输出端连接开关管的栅极。其中，驱动器可以采用专用MOSFET驱动控制芯片IR2103。先由控制器产生PWM波，经过光耦隔离接到IR2103。

由上述介绍的均衡过程可知，需要实时监测每节电池端电压以决定电池组均衡策略。为了有效隔离各模拟输入通道，本实用新型实施例中可以采用多路选择开关，用译码器控制多路开关各个通道的循环导通。从而实现对单体电池电压的巡检。

电流监测模块可以采用的霍尔电流传感器LTS25-N检测电流，不仅可以实现对充放电电流的精确采样，而且有效隔离了充放电和电流检测回路，极大地减少了对充放电回路的干扰。

本实用新型的技术效果为：

通过电池均衡模块及电压、电流、温度的监测模块，实现了串联电池组的无损均衡充放电管理，并实现了温度、电流、电压的监测，均衡效果较好，***结构简单，维护扩展方便，节约能源，均衡效率较高。

可以理解的是，图中示出的***结构并不构成对***的限定，可以包括比图示更多或更少的设备，或者组合某些设备，或者不同的设备部署。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种锂电池充放电电路，其特征在于，包括：控制器、充电控制模块、充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块、锂电池组和电池均衡模块，其中，所述控制器分别与所述充电控制模块、充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块连接，所述锂电池组分别与所述充放电切换模块、电压监测模块、电流监测模块、温度监测模块、开关管控制模块、电池均衡模块连接。

2.根据权利要求1所述的锂电池充放电电路，其特征在于，电池均衡模块包括N-1个电池均衡子模块，所述电池均衡子模块的三个端子与相邻的两个串联的单节锂电池的三个连接头连接，N为锂电池组中锂电池的节数。

3.根据权利要求2所述的锂电池充放电电路，其特征在于，所述电池均衡子模块包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感L1、电容C1，其中，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4从开关管Q1的漏极开始依次串联在一起，所述二极管D1反接于所述开关管Q1源极和漏极两端，所述二极管D2反接于所述开关管Q2源极和漏极两端，所述二极管D3反接于所述开关管Q3源极和漏极两端，所述二极管D4反接于所述开关管Q4源极和漏极两端，所述电容C1与电感L1串联的电路跨接于开关管Q2的漏极和开关管Q3的源极，所述开关管Q1的漏极与单节锂电池的正极连接，所述开关管Q4的源极与相邻的串联的单节锂电池的负极连接。

4.根据权利要求1所述的锂电池充放电电路，其特征在于，所述充放电切换模块包括开关管Q5、开关管Q6、第一光耦和第二光耦，所述开关管Q5的漏极连接外部电源正极，栅极通过所述第一光耦连接控制器IO，源极连接锂电池组正极；所述开关管Q6的漏极连接锂电池组正极，栅极通过所述第二光耦连接控制器IO，源极连接负载正极。

5.根据权利要求1所述的锂电池充放电电路，其特征在于，所述电池均衡子模块中的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4的栅极通过驱动控制电路进行控制，所述驱动控制电路包括依次串联的第三光耦和驱动器，所述第三光耦的输入端连接控制器的PWM输出口，所述驱动器的输出端连接开关管的栅极。