用于锂电池的充电器的制作方法

本实用新型涉及一种用于锂电池的充电器，具体说来，涉及一种用于锂电池组及其阵列的充电器。

背景技术：

以锂电池为代表的蓄电池在各个领域得到广泛使用，尤其近年来在新能源汽车行业中作为关键功能部件得到广泛应用。对以串联形式工作的电池组进行充电时，如何能够保证在充放电过程中电池组中各节单体电池快速有效地达到均衡，是确保锂电池安全性和可靠性的一项关键性技术。如申请号为201110070929.8、发明名称为“一种动力型锂离子电池均衡充放电方法”的中国专利申请中，就公开了如图1所示的蓄电池组，该蓄电池组包括由多节电池串联构成的电池模组4，以及连接到其的电池模组检测控制系统，该检测控制系统包括检测模块3、控制模块1和均衡电源模块2，所述控制模块1通过检测模块3中的电压检测回路检测电池模组4中各节单体电池的电压信号来判断所述各节单体电池的充放电状态，当检测到某节电池的状态异常时，所述控制模块1同时控制均衡电源模块和检测模块的均衡充、放电回路实现充放电过程的均衡控制。该控制模块1能够提供是否有任何一节电池发生过充或过放状态的过充信号和过放信号，但仅仅用于蓄电池组内的均衡，并没有提到用于控制连接到蓄电池组的充电器的操作。

图2示出了一种常见的用于锂电池组的充电器，包括：连接在交流输入与直流输出之间的整流滤波模块、输入保护模块、直流变换模块、平滑滤波模块和输出保护模块；过温保护模块、反馈采样模块、过压过流短路保护模块；以及互相耦联的谐振电压型双环控制回路和微处理器，其中，所述谐振电压型双环控制回路还耦联到所述直流变换模块、所述过温保护模块和所述反馈采样模块，所述微处理器还耦联到所述过温保护模块和所述过压过流短路保护模块，以对所述充电器的电路提供过温、过压、过流和短路保护。这种现有充电器仅仅对其自身的直流输出以及其所连接的蓄电池组或蓄电池组阵列整体提供过压过流短路等保护，并不对其所连接的蓄电池组或蓄电池组阵列中任何单体电池的异常状况发生响应。

上述的蓄电池组和充电器都已无法满足当前出现的各种新的要求。例如，有时当任何一节单体电池发生过充状态时，光依靠蓄电池组内的检测控制系统无法实现及时的充放电过程的均衡控制，还需要充电器即时暂停充电；当蓄电池组中电池的电压偏差过于严重时，很可能是电池损坏了，光依靠蓄电池组内的检测控制系统无法修复，需要提醒用户停止使用电池并进行维修，以免酿成事故；进行充电的蓄电池组的阵列中，要求每个蓄电池组都是完全一致的，以确保充放电的均衡性，现有的充电器无法检测蓄电池组的一致性；军用车辆中，为了确保蓄电池组的安全使用，只有被授权的充电器才能够对蓄电池组进行充电，没有被授权的充电器则会被蓄电池组拒绝接入，而现今并没有对充电器提供授权和鉴权的功能；只有最高充电电压(也就是恒压充电电压)与蓄电池组的阵列的总额定电压匹配的充电器才能对其进行充电，此外，即便都具有相同的总额定电压，不同的蓄电池组阵列也可能具有不同的容量，需要充电器相应输出不同的电流。

技术实现要素：

因此，需要一种新型的用于锂电池的充电器，其能够针对所连接的蓄电池组阵列中任何一节单体电池的异常状态即时反应，调整操作，便利电池恢复正常状态和/或提醒电池损坏；其具有针对各个蓄电池组的检测控制系统，能够与蓄电池组阵列就各个单体电池的状态、型号以及蓄电池组阵列的总额定电压和总额定电流进行通信，从而确保阵列中蓄电池组的一致性及正确数量，确保充电器有权对蓄电池组的阵列充电且与之匹配，根据其容量不同能输出适应的电流。此外，还需要一种能够与该充电器配合使用的新型的蓄电池组。

根据本实用新型的第一方案，提供了一种用于锂电池的充电器，包括：连接在交流输入与直流输出之间的整流滤波模块、输入保护模块、直流变换模块、平滑滤波模块和输出保护模块；过温保护模块、反馈采样模块、过压过流短路保护模块；以及互相耦联的谐振电压型双环控制回路和处理单元，其中，所述谐振电压型双环控制回路耦联到所述直流变换模块、所述过温保护模块和所述反馈采样模块，所述处理单元耦联到所述过温保护模块和所述过压过流短路保护模块，以对所述充电器的电路提供过温、过压、过流和短路保护，所述充电器的直流输出连接到所述锂电池的对应正负极，所述锂电池包括蓄电池组的阵列，

其特征在于，

所述处理单元经由包括过充信号数据线、过放信号数据线和启动信号数据线中的至少一个的数据通信线连接到各个蓄电池组的过充信号端子、过放信号端子和启动信号端子中的相应通信端子，以接收来自各个蓄电池组的过充信号、过放信号和启动信号中的相应信号，在所述充电器与蓄电池组的阵列之间的充电连接电路上设有开关，所述处理单元包括开关驱动模块用于输出基于所述过充信号、过放信号和启动信号中的相应信号的驱动信号给所述开关，当驱动信号均为闭合开关的驱动信号时，所述开关是闭合的。

优选地，所述处理单元经由所有三条通信数据线发送连接发起信号到蓄电池组的阵列中的各个蓄电池组的通信端子，在没有从各个蓄电池组接收到相应的连接响应信号的情况下，则输出关断的第一驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括过充信号数据线时，一旦在充电过程中接收到过充信号，则所述处理单元输出暂时关断开关的第二驱动信号，在一段时间内不再接收到过充信号后，则所述处理单元输出恢复闭合开关的第二驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括过充信号数据线或过放信号数据线时，一旦在所述蓄电池组的实际电压低于或高于电池损坏阈值电压的情况下所述处理单元分别接收到过充信号或过放信号，则所述处理单元输出保持关断开关的第三驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括启动信号数据线时，所述启动信号包括所述蓄电池组的型号，所述处理单元将接收到的各个蓄电池组的启动信号中的型号进行比较，型号一致时，输出闭合开关的第四驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括启动信号数据线时，所述启动信号包含所述蓄电池组的工作参数，所述处理单元将所述蓄电池组的阵列的工作参数与所述充电器的工作参数进行比较，只有两者匹配时，才输出闭合开关的第五驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括启动信号数据线时，所述启动信号包括各个蓄电池组的启动口令，只有所述启动口令与所述充电器的处理单元中存储的预设口令一致时，所述处理单元才输出闭合开关的第六驱动信号。

优选地，所述开关驱动模块包括启动判定单元，其包括输入分别为所述预设口令和所述启动口令的比较器，当输入不同时，所述处理单元输出关断开关的第六驱动信号。

优选地，所述开关驱动模块包括不均衡判定单元，包括当正输入端的电压大于负输入端的电压时输出关断的驱动信号的比较器，当接收到过充信号时，正输入端为相应的电池损坏阈值电压而负输入端为所述蓄电池组的阵列的电压，而当接收到过放信号时，正输入端为所述蓄电池组的阵列的电压而负输入端为相应的电池损坏阈值电压。

优选地，当接收到过充信号时，在所述蓄电池组的阵列的电压小于或等于相应的电池损坏阈值电压的情况下，各个电池单体的充电电压偏差为至少20％；和/或

当接收到过放信号时，在所述蓄电池组的阵列的电压大于或等于相应的电池损坏阈值电压的情况下，各个电池单体的电压偏差为至少20％。

附图说明

图1示出了现有技术公开的对各个单体电池的状态进行检测并均衡充放电的蓄电池组；

图2示出了现有技术的用于锂电池的充电器，该锂电池包括蓄电池组的阵列；

图3示出了根据本实用新型第一实施例的蓄电池组；以及

图4示出了根据本实用新型第二实施例的用于对图3所示的蓄电池组的阵列进行充电的充电器，其中，充电器的通信数据线分别连接到各个蓄电池组的通信端子。

具体实施方式

图3示出了根据本实用新型第一实施例的蓄电池组5，该蓄电池组5包括由多节电池串并联构成的电池模组4(也称为电芯4)，作为示例，所述电池模组4通过将4节单体电池串联成串联体并将3个串联体并联而形成，也可以采用m×n的电池模组4，m表示串联的单体电池的数量，n表示并联支路的数量，m和n分别为任何自然数。该蓄电池组5包括连接到所述电池模组4的检测控制系统，作为示例，该检测控制系统包括检测模块3、控制模块1和均衡电源模块2，所述控制模块1通过检测模块3中的电压检测回路检测电池模组4中各节单体电池的电压信号来判断所述各节单体电池的充放电状态，当检测到某节电池的状态异常时，所述控制模块1同时控制均衡电源模块2和检测模块3的均衡充、放电回路实现充放电过程的均衡控制。除此以外，所述控制模块1具有通信端子，包括过充信号端子、过放信号端子和启动信号端子中的至少一个，分别提供指示任何单体电池发生过充的过充信号、指示任何单体电池发生过放的过放信号、以及包含启动信息的启动信号。所述启动信息可以包括各个蓄电池组5的型号和序列号，注意，每个蓄电池组5都具有独特的序列号，当存在由多个蓄电池组构成的蓄电池组阵列时，通过读取启动信息中的不同序列号的数量，就可以判断蓄电池组5的阵列中蓄电池组的实际数量。优选地，所述启动信息还可以包括启动口令，只有所述启动口令与所连接的充电器的微处理器中的预设口令匹配时，蓄电池组5才允许充电器对其进行充电，例如，可以在蓄电池组5中设置能够对充电线路进行关断/闭合的启动开关，只有启动口令与预设口令匹配时，所述启动开关才闭合，从而充电器能够经由充电线路对蓄电池组5进行充电。

优选地，所述过充信号端子、过放信号端子和启动信号端子可以分别耦联到航空插座的三个插孔，通过将航空插头的三个引脚分别插入到该航空插座的三个插孔，就能够读取过充信号、过放信号和启动信号。

图4示出了根据本实用新型第二实施例的用于对图3所示的蓄电池组5的阵列进行充电的充电器，其中，充电器的微处理器连接到通信数据线，所述通信数据线可以包括过充信号数据线、过放信号数据线和启动信号数据线中的至少一个，分别连接到各个蓄电池组5的相应通信端子。该三条通信数据线也可以耦联到上述航空插头，只要将充电器的航空插头插入到蓄电池组5的航空插座内，就可以分别读取过充信号、过放信号和启动信号。作为示例，所述阵列是2×2的蓄电池组5的阵列，其中，将两个蓄电池组5串联得到串联体，并将2个串联体并联得到所述阵列。根据需要也可以串并联更多的蓄电池组5。蓄电池组5可以具有不同的工作参数，作为示例，将其额定电压设置为12V(即每个单体电池3V)，额定电流设为6A(即每个单体电池2A)。与单个蓄电池组5匹配的充电器具有14.5+/-0.1V的最高充电电压，60A的最大充电电流以及6A的充电截止电流。对蓄电池组5的充电过程如下，首先以最大充电电流60A对蓄电池组5进行恒流充电，使其电压逐渐上升到充电截止电压，该充电截止电压通常为额定电压的大约115％-135％，优选地，大约120％，以额定电压12V为例，充电截止电压为14.4V，随后转成恒压充电，电流逐渐下降至6A(充电截止电流)，充电结束。

如果充电器的最高充电电压为29+/-0.1V，最大充电电流为60A，且充电截止电流为12A，其可以对单个额定电压为24V且额定电流为12A的蓄电池组5充电，也可以对2个串联的额定电压为12V且额定电流为12A的蓄电池组5充电，也可以对2串2并的4个额定电压为12V且额定电流为6A的蓄电池组5进行充电，其直流输出的正负极分别连接到蓄电池组5或其阵列的正负极，区别仅在于充电器的通信数据线的连接方式，具体说来，充电器的通信数据线连接到第一个蓄电池组的通信端子，即过充信号端子、过放信号端子和启动信号端子，如果该第一个蓄电池组还串联着另一蓄电池组，则充电器的通信数据线还分出线连接到该另一蓄电池组的通信端子，如果该第一蓄电池组还并联着再一蓄电池组，则充电器的通信数据线继续分出线连接到再一蓄电池组的通信端子。只要充电器的最高充电电压与蓄电池组的阵列的总额定电压匹配，则只要其最大充电电流大于蓄电池组的阵列的总额定电流，就可以用于对其充电，但是相同总额定电压的蓄电池组的阵列因为容量不同而额定电流不同，需要充电器判断其是否与所述蓄电池组的阵列的工作参数匹配，如果匹配，则输出适合于该蓄电池组的阵列的充电电流。

所述微处理器可以经由三条通信数据线经由各个蓄电池组5的通信端子，发送连接发起信号到蓄电池组5的阵列中的各个蓄电池组5，如果从各个蓄电池组5接受到相应的连接响应信号，则证明所述微处理器的三条通信数据线已经正确连接到各个蓄电池组5的通信端子，如果没有正确连接到，充电器就不会开始充电。如此，确保，一旦充电器开始了对蓄电池组5的阵列的充电，整个充电过程不仅能够利用蓄电池组55中的检测控制系统对各个单体电池进行均衡充放电，还处于所述充电器的微处理器的控制下。所述微处理器还连接着显示装置，用于显示充电器和蓄电池组5的各种状态，例如此时可以显示，“充电器的通信数据线正确连接到各个蓄电池组5的通信端子”，或者“充电器的通信数据线没有连接到各个蓄电池组5的通信端子”，也可辅助以亮灯提示，这里的亮灯方式可以区别于后续针对不同状态的亮灯方式，例如，黄色故障指示灯常亮。

优选地，所述微处理器可以连接有输入装置，诸如键盘、按钮等，便于用户手动输入指令和信息，例如，用户可以输入意图充电的蓄电池组5的阵列为M×N，M为串联数量，N为并联数量。

所述微处理器可以经由启动信号线从各个蓄电池组5的启动信号端子接收启动信号，以判断是否启动充电。例如，启动信号可以传输各个蓄电池组5的型号，所述微处理器通过将接收到的各个蓄电池组5的型号进行比较，判定所连接的蓄电池组5是否一致，结果为一致，则可以启动充电，否则不予启动充电，在显示器上显示，“连接的蓄电池组5型号不一致”，附加地，也可辅助以亮灯提示，这里的亮灯方式可以区别于后续针对不同状态的亮灯提示，例如，黄色故障指示灯闪烁。优选地，微处理器中存储有充电器的工作参数和各个型号的蓄电池组的工作参数，在确认各个蓄电池组的型号一致后，根据型号查找得到该蓄电池组的额定电压U和额定电流I，当充电器的最高充电电压在U×M的115％-135％(阈值倍率)以上且最大充电电流在I×N的10倍(阈值倍率)以上时，判定充电器匹配于该蓄电池组的M×N阵列且适于对其进行充电，否则，不予启动充电，且在显示器上显示，“充电器与蓄电池组的阵列不匹配”，也可辅助以亮灯提示，例如，黄色故障指示灯以不同于蓄电池组5其他异常状况下的闪烁频率进行闪烁。

注意，这里的阈值倍率115％-135％和10倍仅仅是例示，可以根据具体情况选择不同的电压电流的阈值倍率来进行充电器与蓄电池组的阵列是否匹配的判定。优选地，在确认匹配之后，微处理器可以根据充电器的最大充电电流和蓄电池组的额定电流，使得充电器输出合适的电流，例如，I×N的11倍，该充电倍率11倍仅仅是例示，可以根据具体情况选择不同的充电倍率来输出合适的电流。

优选地，所述启动信号可以传输各个蓄电池组5的序列号，所述微处理器通过将接收到的各个蓄电池组5的不同序列号进行计数，从而确定蓄电池组5的总数，当所述总数与用户输入的阵列规格M×N所得的总数相同时，判定阵列规格的用户输入正确，可以启动充电，否则不予启动充电，且在显示器上显示，“蓄电池组5的阵列规格输入有误”，也可辅助以亮灯提示，例如，黄色故障指示灯以不同于蓄电池组5不一致状况下的闪烁频率进行闪烁。

优选地，所述启动信号可以传输各个蓄电池组5的启动口令，只有所述启动口令与充电器的微处理器中存储的预设口令一致时，所述充电器才对相应的蓄电池组5启动充电。各个蓄电池组5也可以经由启动信号端子请求来自充电器的微处理器的预设口令，只有所述预设口令与其控制模块1中存储的启动口令一致时，才允许充电器对自己进行充电，否则不予接受充电，且在显示器上显示，“口令错误，无权充电”，也可辅助以亮灯提示，例如，黄色故障指示灯以不同于以上启动异常状况下的闪烁频率进行闪烁。

在充电器对蓄电池组的阵列的充电过程中，如果微处理器接收到来自任何蓄电池组的过充信号，则暂停充电，等在一段时期内不再接收到过充信号后才恢复充电，直至达到充电截止电流为止。该段时期可以根据需求预先设定。充电完成时，在显示器上显示“充电完成”，也可辅助以绿灯常亮提示。

注意，以上关于单体电池是否有过充或者过放的信号实际上反映出一个蓄电池组中各个单体电池的充电电压的不均衡性，例如，设定各个单体电池的充电电压超出过充阈值时，发出过充信号；而当各个单体电池的电压低于过放阈值时，发出过放信号。以将4个额定电压为3V的单体串联而成的蓄电池组为例，当每个蓄电池组的总充电电压低于13.2V时，发出过充信号时，至少一个单体电池的充电电压为至少大约3.88V(作为过充阈值的示例)；则其他各个单体电池的充电电压平均为3.1V，其中总有至少一个单体电池的充电电压与3.88V偏差达到接近20％或更大。偏差如此大的情况通常在单体电池被损坏时会发生，而蓄电池组内的检测控制系统也无法修复这种不均衡了。此时，充电器终止充电，在显示器上显示“单体电池损坏”，也可以辅助以红灯闪烁并伴有蜂鸣。以上的电池损坏阈值电压13.2V和发出过充信号仅仅是示例，在发出过放信号时，只要蓄电池组的充电电压至少是一定电池损坏阈值电压时，鉴于至少一个单体电池的电压低于过放阈值，则其他各个单体电池中至少一个的充电电压与其的偏差达到接近20％或更大，同上，偏差如此大的情况在单体电池被损坏时会发生。此时，充电器终止充电，在显示器上显示“单体电池损坏”，也可以辅助以红灯闪烁并伴有蜂鸣。实际情况下根据蓄电池组的额定电压可以设置不同的电池损坏阈值电压，只要在该阈值电压处，发出过充或过放信号时，各个单体电池的充电电压偏差达到接近20％。

以上以微处理器为例进行说明，其中的运算可以通过对微处理器进行编程来实现，信号的输入和输出可以利用微处理器的输入和输出端口来实现。

但需要知道的是，可以采用除了微处理器以外的处理单元来执行相应的运算、比较和信号输出，所述处理单元例如还可以实现为模拟电子电路、数字电子电路，或者在诸如DSP或芯片上系统中实现。下面给出基于各路充电器与蓄电池组的阵列之间通信的信号对充电器的以上充电过程进行控制的实体的例示实现方式。

在所述充电器与蓄电池组的阵列之间的充电连接电路上设有开关，所述处理单元包括开关驱动模块用于输出基于所述过充信号、过放信号和启动信号中的相应信号的驱动信号给所述开关，当驱动信号均为闭合开关的驱动信号时，所述开关是闭合的。

优选地，所述处理单元经由所有三条通信数据线发送连接发起信号到蓄电池组的阵列中的各个蓄电池组的通信端子，在没有从各个蓄电池组接收到相应的连接响应信号的情况下，则输出关断的第一驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括过充信号数据线时，一旦在充电过程中接收到过充信号，则所述处理单元输出暂时关断开关的第二驱动信号，在一段时间内不再接收到过充信号后，则所述处理单元输出恢复闭合开关的第二驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括过充信号数据线或过放信号数据线时，一旦在所述蓄电池组的实际电压低于或高于电池损坏阈值电压的情况下所述处理单元分别接收到过充信号或过放信号，则所述处理单元输出保持关断开关的第三驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括启动信号数据线时，所述启动信号包括所述蓄电池组的型号，所述处理单元将接收到的各个蓄电池组的启动信号中的型号进行比较，型号一致时，输出闭合开关的第四驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括启动信号数据线时，所述启动信号包含所述蓄电池组的工作参数，所述处理单元将所述蓄电池组的阵列的工作参数与所述充电器的工作参数进行比较，只有两者匹配时，才输出闭合开关的第五驱动信号。

优选地，在所述通信数据线包括启动信号数据线时，所述启动信号包括各个蓄电池组的启动口令，只有所述启动口令与所述充电器的处理单元中存储的预设口令一致时，所述处理单元才输出闭合开关的第六驱动信号。

优选地，所述开关驱动模块包括启动判定单元，其包括输入分别为所述预设口令和所述启动口令的比较器，当输入不同时，所述处理单元输出关断开关的第六驱动信号。

类似于启动判定单元中包括的比较器，第三、第四和第五驱动信号所基于的参数的比较可以通过将参数转换为电压或电流，然后经由合适的比较器来执行。

优选地，所述开关驱动模块包括不均衡判定单元，包括当正输入端的电压大于负输入端的电压时输出关断的驱动信号的比较器，当接收到过充信号时，正输入端为相应的电池损坏阈值电压而负输入端为所述蓄电池组的阵列的电压，而当接收到过放信号时，正输入端为所述蓄电池组的阵列的电压而负输入端为相应的电池损坏阈值电压。

优选地，当接收到过充信号时，在所述蓄电池组的阵列的电压小于或等于相应的电池损坏阈值电压的情况下，各个电池单体的充电电压偏差为至少20％；和/或

当接收到过放信号时，在所述蓄电池组的阵列的电压大于或等于相应的电池损坏阈值电压的情况下，各个电池单体的电压偏差为至少20％。

本领域的技术人员将了解，在不背离本实用新型的保护范围和精神的前提下，可对优选实施例进行各种修改和变形。因此，应理解的是，除这里具体描述的内容以外，可在所附权利要求的保护范围内实践本实用新型。