CN209948744U - 一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，属于电力继保自动化技术领域。该包括电压检测器和均压电阻；电压检测器的VCC引脚分别连接电阻R6的一端、电容C2的一端；电容C2的一端还与均压电阻的一端相连；均压电阻的一端还与电源相连；电容C2的另一端与电压检测器的GND引脚、电阻R7的一端相连；电阻R6的另一端与电压检测器的SEL引脚相连；电阻R7的另一端分别与电压检测器的IOUT引脚、场效应管Q1的栅极相连；场效应管Q1的漏极与均压电阻的一端相连；场效应管Q1的源极与电阻R7的一端相连；电压检测器的LED引脚连接过压报警器。本实用新型装置在满足磷酸铁锂电池安全、可靠充放电的前提下，自动均衡7节电池的电压，保证了备用直流蓄电池组的正常工作以完成现场的设备替换任务，实现电网安全运行。

Description

一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置

技术领域

本实用新型属于电力继保自动化技术领域，基于磷酸铁锂电池的备用直流***的研究应用，具体涉及一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置。

背景技术

在直流***改造过程中，需要拆除旧的直流***充电屏、馈线屏、蓄电池组等并安装新的替换设备，在拆除过程中，为保证直流***负荷的不间断供电，按照电网公司《关于印发变电站站用直流电源***运维管理业务指导书的通知》的要求，需要一组临时的直流蓄电池组搭接在馈线屏上来置换旧***，假如使用传统的铅酸蓄电池作为备用，因体积大重量重，放电倍率小，将至少需要18节，按每只蓄电池30kG计，每组蓄电池重达18×30kg，搬运工作将耗费较多人力、物力，而且每次进行试验时还要将备用蓄电池组串联起来，耗时长且存在极间短路失电的风险，此时变电站直流电源将不能满足***的运行，在***发生故障时将会造成保护拒动、危及电网的稳定运行。磷酸铁锂电池由于具有容量大、重量轻、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出稳定、能大电流充放电、电力现场使用安全、工作温度范围宽、对环境无污染等优势，从而能够很好的应用于备用直流蓄电池组，然而磷酸铁锂电池的充电特性和普通的阀控铅酸蓄电池有很大不同，不能整组串联充电而是推荐单节平衡充电，而且一旦单元过充过压将造成电池不可逆的功能损害，其充电电压精度要求0.5%以下，但是电力要求整组电压高（220VDC）必须70节串联，一般采用7节为一组22.4V进行串联充电（共10组）的方案，在充电过程中如何保证7节的单元电池电压均衡和准确就是亟待解决的首要问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，该装置在满足磷酸铁锂电池安全、可靠充放电的前提下，自动均衡7节单元电池电压，保证了备用直流蓄电池组的正常工作以完成现场的设备替换任务，实现电网安全运行。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，包括电压检测器和均压电阻；

电压检测器的VCC引脚分别连接电阻R6的一端、电容C2的一端；电容C2的一端还与均压电阻的一端相连；均压电阻的一端还与电源相连；

电容C2的另一端与电压检测器的GND引脚、电阻R7的一端相连；电阻R6的另一端与电压检测器的SEL引脚相连；

电阻R7的另一端分别与电压检测器的IOUT引脚、场效应管Q1的栅极相连；

场效应管Q1的漏极与均压电阻的另一端相连；

场效应管Q1的源极与电阻R7的一端相连；

电压检测器的LED引脚连接过压报警器。

进一步，优选的是，所述的均压电阻为多个电阻并联而成。

进一步，优选的是，所述的均压电阻采用电阻R1、电阻R3和电阻R3三个电阻并联而成。

进一步，优选的是，电阻R1、电阻R3和电阻R3均为9Ω/1W的电阻。

进一步，优选的是，所述的电压检测器的电路包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、电阻R4、电阻R8、电阻R9、第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3和缓冲器B1；

第一运算放大器U1的负输入脚分别与第二运算放大器U2的负输入脚、电阻R4的另一端、电阻R8的一端相连；电阻R8的另一端分别与电阻R9的一端、第三MOS管S3的漏极相连；

第一运算放大器U1的正输入脚连接1.2V基准电压；

第二运算放大器U2的正输入脚连接1.18V基准电压；

第一运算放大器U1的输出端连接第一MOS管S1的栅极；

第一MOS管S1的漏极连接LED引脚；

第一MOS管S1的源极、第一运算放大器U1的高电平端、电阻R4的一端、第二运算放大器U2的高电平端、缓冲器B1的V+端、第二MOS管S2的源极与VCC引脚相连；第一运算放大器U1的低电平端、电阻R9的另一端、第三MOS管S3的源极、第二运算放大器U2的低电平端、缓冲器B1的V-端均与GND引脚相连；

第三MOS管S3的栅极与SEL引脚相连；

第一运算放大器U1的输出端与缓冲器B1的输入端相连，缓冲器B1的输出端与第二MOS管S2的栅极相连；第二MOS管S2的漏极与IOUT引脚相连。

进一步，优选的是，第一运算放大器U1、第二运算放大器U2的型号均为JRC4558。

进一步，优选的是，场效应管Q1型号为IRLML2502TRPBF。

进一步，优选的是，均压电阻的材质为康铜丝。

原理说明：

磷酸铁锂电池，是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在综合性能上表现优异，特别在大放电率放电(5～10C放电)、放电电压平稳上、安全上(不燃烧、不***)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上，它是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池。LiFePO4电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6V、终止过放电压是2.0V，但是对充电终止电压有严格要求其精度在1%以下，过充将造成电池不可逆的功能损害。

磷酸铁锂电池需70节串联才能达到电力整组电压（220VDC）的要求，这样为满足磷酸铁锂充电要求和设备造价低、工作可靠、结构简单之间有一取舍，必然存在有多节电池串联充电，一般是采用7节为一组22.4V进行串联充电（共10组），而如果7节电压不能均衡势必有磷酸铁锂单元超过3.6V的极限充电电压，轻则容量下降重则报废，为防止这一危害，电压检测器首先对磷酸铁锂单元电池进行高精度的电压检测，当超过预设的3.6V极限充电电压时，控制驱动放大电路使均压电阻接入电池组的回路放电，因为负载增加单元电池电压也必然下降，从而起到均衡电压不超限的目的。采用电阻均衡限压是因为实践中发现磷酸铁锂单元电池不均衡总是从微小的电压差别开始的，一般为10-100mV，而均压电阻的放电电流为1.2A，电阻均压作用明显效果可靠，同时设备无论是充电还是放电均能起到作用，另外电阻负载放电限压对电池还有一定的活化效果，对于长期在浮充电的电池组工作状态特别有利。

本装置使用时，将电池组（7节为一组，一组电池组也称为一节单元）的两端分别连接在电容C2的两端即可，如图1所示。

电压检测器可增加分段电压设定，可以按照标称电压3.2V（检测）、终止充电电压3.6V（活化）、终止过放电压2.0V（评估）来均衡整组电池，实现磷酸铁锂电池的检测、活化、寿命评估等目的。

本实用新型采用康铜丝作为均压电阻，并且选取更小阻值，使其具备电流自恒定，更大功率，从而实现大电流活化放电的目的，同时提高均压效果，保证磷酸铁锂备用直流蓄电池组寿命。

本领域技术人员应该知晓，本装置也可通过单片机来实现采集控制和计算，实现设定、电流控制、电阻切换的智能化，除了起到电压均衡的主要作用，还可以计算出单元电池内阻值、放电倍率、均压失效报警、备用预计时间等，完善***的自动化功能。这些变化均在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型对于过压报警器的结构没有特殊限制，可采用普通的市售产品。

本实用新型解决了直流***改造过程的临时供电问题，若含有充电***和蓄电池***，将其搭接在直流***馈线屏上就可以解决临时供电的问题，可以大大提高工作效率，降低作业风险。同时，解决单套配置的直流***核对性放电中备用蓄电池的问题，采用的磷酸铁锂电池容量大，同等容量情况下重量轻，实现快速连接，维护简单，便于携带、存储，降低人员工作强度，外形美观轻便。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果为：

1.保证了磷酸铁锂备用直流蓄电池组不过度放电，对于蓄电池组性能较差的变电站保证直流负荷的正常供电，使预试定检工作能够顺利完成。

2.延长了大容量磷酸铁锂电池寿命，降低使用成本，提高工效，解决体积重量和容量之间的矛盾，满足站内负荷要求。

3.保证了磷酸铁锂备用直流蓄电池组的正常可靠长期工作，避免了直流***停运，影响站内二次***的供电问题。

4.增加本装置数量，可简单的扩展均衡电池单元（电池组）数量，以满足不同电压磷酸铁锂串联电池组的需求。

5.本装置可全部采用微型化贴装器件，体积小巧成本低廉，可和待测电池组一体，接线简单，安装容易，完全满足70节串联的现场要求。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型多节磷酸铁锂电池组充电均压装置的结构示意图；

图2为电压检测器的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限定本实用新型的范围。实施例中未注明具体技术、连接关系或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术、连接关系、条件或者按照产品说明书进行。所用材料、仪器或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例1

如图1~图2所示，一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，包括电压检测器和均压电阻；

电压检测器的VCC引脚分别连接电阻R6的一端、电容C2的一端；电容C2的一端还与均压电阻的一端相连；均压电阻的一端还与电源相连；

电容C2的另一端与电压检测器的GND引脚、电阻R7的一端相连；电阻R6的另一端与电压检测器的SEL引脚相连；

电阻R7的另一端分别与电压检测器的IOUT引脚、场效应管Q1的栅极相连；

场效应管Q1的漏极与均压电阻的另一端相连；

场效应管Q1的源极与电阻R7的一端相连；

电压检测器的LED引脚连接过压报警器。

实施例2

如图1~图2所示，一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，包括电压检测器和均压电阻；

电压检测器的VCC引脚分别连接电阻R6的一端、电容C2的一端；电容C2的一端还与均压电阻的一端相连；均压电阻的一端还与电源相连；

电容C2的另一端与电压检测器的GND引脚、电阻R7的一端相连；电阻R6的另一端与电压检测器的SEL引脚相连；

电阻R7的另一端分别与电压检测器的IOUT引脚、场效应管Q1的栅极相连；

场效应管Q1的漏极与均压电阻的另一端相连；

场效应管Q1的源极与电阻R7的一端相连；

电压检测器的LED引脚连接过压报警器。

所述的均压电阻采用电阻R1、电阻R3和电阻R3三个电阻并联而成。电阻R1、电阻R3和电阻R3均为9Ω/1W的电阻，材质均为康铜丝。

场效应管Q1型号为IRLML2502TRPBF。

所述的电压检测器的电路包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、电阻R4、电阻R8、电阻R9、第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3和缓冲器B1；

第一运算放大器U1的负输入脚分别与第二运算放大器U2的负输入脚、电阻R4的另一端、电阻R8的一端相连；电阻R8的另一端分别与电阻R9的一端、第三MOS管S3的漏极相连；

第一运算放大器U1的正输入脚连接1.2V基准电压；

第二运算放大器U2的正输入脚连接1.18V基准电压；

第一运算放大器U1的输出端连接第一MOS管S1的栅极；

第一MOS管S1的漏极连接LED引脚；

第一MOS管S1的源极、第一运算放大器U1的高电平端、电阻R4的一端、第二运算放大器U2的高电平端、缓冲器B1的V+端、第二MOS管S2的源极与VCC引脚相连；第一运算放大器U1的低电平端、电阻R9的另一端、第三MOS管S3的源极、第二运算放大器U2的低电平端、缓冲器B1的V-端均与GND引脚相连；

第三MOS管S3的栅极与SEL引脚相连；

第一运算放大器U1的输出端与缓冲器B1的输入端相连，缓冲器B1的输出端与第二MOS管S2的栅极相连；第二MOS管S2的漏极与IOUT引脚相连。

第一运算放大器U1、第二运算放大器U2的型号均为JRC4558。

该电路的核心器件是JRC4558双运算放大器芯片。JRC4558是一款低噪音双运放集成块，带内部补偿电路的单片集成电路。高共模输入电压范围和无闭锁功能使这款放大器成为电压输出跟随器应用理想的选择。该器件的短路保护功能和内部频率补偿使其无需外部原件便可确定其稳定性。它的特点：无需频率补偿，无闭锁大共模和差分，电压范围参数随温度，范围而变化，放大器之间的增益和相位匹配，内部频率补偿使用低噪音输入晶体管。

采用1.2V和1.18V高精度内部电压基准，确保保护电压精度在0.5%以内，

提供200mA电流均衡能力的MOS管阻抗低、驱动能力强，同时为方便现场使用具有过压报警输出功能，可以实现对2.0V-3.6V的电池工作电压全段进行保护。

以上电路均采用贴片式封装，装置体积小，集成度高，周边器件少，可以满足高密度安装要求，极大地降低应用成本，提高了电路可靠性。

本实用新型将电压检测器和均压电阻之间的电路称之为驱动放大电路，驱动放大电路中采用低导通内阻高速场效应管输出，以满足小型、高速、频繁通断的电路设计要求，具体型号为IRLML2502TRPBF，N沟道MOSFET管，VDSS=20V/ID=4.2A/RDS=0.045Ω，由于低导阻保证了均衡电阻的放电准确性和过充电压的精确。均压电阻采用3只9Ω/1W贴片封装的功率电阻并联应用，总功率可达3W，体积小便于安装、工作可靠。

电压检测器和电池组（7节，也成为电池单元）并联，信号输出到驱动放大电路，最后控制均压电阻是否接入电池组实现均衡电压的目的。

电压检测器是高精度电压检测电路，检测范围是2.0-3.6V覆盖磷酸铁锂电池整个工作范围，电压控制精度在0.5%。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，其特征在于，包括电压检测器和均压电阻；

电压检测器的VCC引脚分别连接电阻R6的一端、电容C2的一端；电容C2的一端还与均压电阻的一端相连；均压电阻的一端还与电源相连；

电容C2的另一端与电压检测器的GND引脚、电阻R7的一端相连；电阻R6的另一端与电压检测器的SEL引脚相连；

电阻R7的另一端分别与电压检测器的IOUT引脚、场效应管Q1的栅极相连；

场效应管Q1的漏极与均压电阻的另一端相连；

场效应管Q1的源极与电阻R7的一端相连；

电压检测器的LED引脚连接过压报警器。

2.根据权利要求1所述的多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，其特征在于，所述的均压电阻为多个电阻并联而成。

3.根据权利要求1所述的多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，其特征在于，所述的均压电阻采用电阻R1、电阻R3和电阻R3三个电阻并联而成。

4.根据权利要求3所述的多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，其特征在于，电阻R1、电阻R3和电阻R3均为9Ω/1W的电阻。

5.根据权利要求1所述的多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，其特征在于，所述的电压检测器的电路包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、电阻R4、电阻R8、电阻R9、第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3和缓冲器B1；

第一运算放大器U1的负输入脚分别与第二运算放大器U2的负输入脚、电阻R4的另一端、电阻R8的一端相连；电阻R8的另一端分别与电阻R9的一端、第三MOS管S3的漏极相连；

第一运算放大器U1的正输入脚连接1.2V基准电压；

第二运算放大器U2的正输入脚连接1.18V基准电压；

第一运算放大器U1的输出端连接第一MOS管S1的栅极；

第一MOS管S1的漏极连接LED引脚；

第一MOS管S1的源极、第一运算放大器U1的高电平端、电阻R4的一端、第二运算放大器U2的高电平端、缓冲器B1的V+端、第二MOS管S2的源极与VCC引脚相连；

第一运算放大器U1的低电平端、电阻R9的另一端、第三MOS管S3的源极、第二运算放大器U2的低电平端、缓冲器B1的V-端均与GND引脚相连；

第三MOS管S3的栅极与SEL引脚相连；

第一运算放大器U1的输出端与缓冲器B1的输入端相连，缓冲器B1的输出端与第二MOS管S2的栅极相连；第二MOS管S2的漏极与IOUT引脚相连。

6.根据权利要求5所述的多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，其特征在于，第一运算放大器U1、第二运算放大器U2的型号均为JRC4558。

7.根据权利要求1所述的多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，其特征在于，场效应管Q1型号为IRLML2502TRPBF。

8.根据权利要求1所述的多节磷酸铁锂电池组充电均压装置，其特征在于，均压电阻的材质为康铜丝。

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