换电柜及其锂电池充放电控制电路、锂电池充放电系统的制作方法

本发明属于电池技术领域，尤其涉及换电柜及其锂电池充放电控制电路、锂电池充放电系统。

背景技术：

随着社会的进步，共享电动车越来越普及，因而供共享电动车使用的锂电池的充电柜也投放到各个地区，方便用户及时更换共享电动车的锂电池。锂电池在进行多次充放电后，其电池容量会产生衰减，因此有必要定期测试锂电池的电池容量。目前，传统的充电柜只有充电功能，没有放电功能，无法测试锂电池的电池容量。因此，要测试锂电池的电池容量时，传统的方法是将锂电池从充电柜的投放点回收至生产厂家或测试点后，再进行测试。然而，该种方法耗时长、成本高，且影响用户正常使用。

因此，传统的电池容量测试的技术方案中存在着将充电柜内的锂电池回收至生产厂家或测试点后进行测试，导致耗时长、成本高以及影响用户正常使用的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了换电柜及其锂电池充放电控制电路、锂电池充放电系统，旨在解决传统的电池容量测试的技术方案中存在着将充电柜内的锂电池回收至生产厂家或测试点后进行测试，导致耗时长、成本高以及影响用户正常使用的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种用于换电柜的锂电池充放电控制电路，包括：

用于与所述锂电池连接，并对所述锂电池进行充电的充电模块；

用于与所述锂电池连接，并对所述锂电池以预设电流值进行恒流放电的放电模块；

与所述锂电池、所述充电模块及所述放电模块连接，用于使所述锂电池与所述充电模块建立连接或者使所述锂电池与所述放电模块建立连接的开关模块；以及

与所述开关模块连接，用于通过所述开关模块以控制充电模块先工作，当所述锂电池充满电时则切换至所述放电模块工作，并计算所述放电模块的放电时间，以获取所述锂电池的电池容量的控制模块。

本发明实施例的第二方面提供了一种换电柜，包括上述的锂电池充放电控制电路，还包括：

与所述控制模块连接，用于对所述锂电池充放电控制电路进行散热的风扇。

本发明实施例的第三方面提供了一种锂电池充放电系统，包括上述的换电柜，还包括：

与所述控制模块进行无线通信，用于接收所述控制模块获取的所述电池容量后，生成电池容量曲线，以对所述锂电池的质量进行分析的后台服务器。

上述的换电柜及其锂电池充放电控制电路、锂电池充放电系统，通过充电模块和放电模块对锂电池进行充放电，并由控制模块计算放电时间和电池容量，使换电柜具备测试电池容量的功能，解决了传统的换电柜存在由于要将充电柜内的锂电池回收至生产厂家或测试点后进行测试而导致的耗时长、成本高以及影响用户正常使用的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，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为本发明实施例的第一方面提供的一种用于换电柜的锂电池充放电控制电路的模块结构示意图；

图2为图1所示的用于换电柜的锂电池充放电控制电路中放电模块的单元结构示意图；

图3为图2所示的放电模块的单元连接关系图；

图4为图1所示的用于换电柜的锂电池充放电控制电路中开关模块的电路示例图；

图5为本发明实施例的第二方面提供的一种换电柜的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，为本发明实施例的第一方面提供的一种用于换电柜的锂电池充放电控制电路01的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种用于换电柜的锂电池充放电控制电路01，包括充电模块10、放电模块20、开关模块30以及控制模块40。

其中，充电模块10与锂电池50连接，对锂电池50进行充电。具体地，用户将需要充电的锂电池50放入换电柜中，通过充电模块10对锂电池50进行充电，同时用户可从换电柜中取出已经充满电的锂电池50，进行使用，方便快捷。

放电模块20与锂电池50连接，对锂电池50以预设电流值进行恒流放电。传统的换电柜只具备对放入的锂电池50进行充电的功能，不具备对锂电池50进行放电的功能。

开关模块30与锂电池50、充电模块10以及放电模块20连接，用于使锂电池50与充电模块10建立连接，或者使锂电池50与放电模块20建立连接。

具体地，当开关模块30控制锂电池50与充电模块10建立连接时，锂电池50开始充电；当开关模块30控制力电池与放电模块20建立连接时，锂电池50开始放电。

控制模块40与开关模块30连接，用于通过开关模块30以控制充电模块10先工作，当锂电池50充满电时，则切换至放电模块20工作，并计算放电模块20的放电时间，以获取锂电池50的电池容量。

具体地，在第一预设时间段内，控制模块40输出第一控制信号给开关模块30，开关模块30相应控制锂电池50与充电模块10建立连接，对锂电池50进行充电，以供用户需要时取出充满电的锂电池50使用；在第二预设时间段内，控制模块40先输出第一控制信号给开关模块30，使开关模块30相应控制锂电池50与充电模块10建立连接，当锂电池50充满电后，控制模块40输出第二控制信号给开关模块30，使开关模块30相应控制锂电池50与放电模块20建立连接，锂电池50开始恒流放电。

可选的，上述的第一预设时间段指每天的上午六点至下午十点(包括上午六点和下午十点)，第二预设时间段指每天的下午十点至第二天的上午六点(不包括下午十点和上午六点)。由于每天的下午十点至第二天的上午六点是用户使用换电柜频率较低的时间段，因此设定该时间段为第二预设时间段，不影响用户使用。在实际应用中，第一预设时间段和第二预设时间段可根据实际需要进行调整。

在第二预设时间段内，分别由充电模块10和放电模块20对锂电池50进行多次充电和恒流放电，并由控制模块40记录每次恒流放电的时长，求平均值后将该平均值与恒流放电的电流相乘，得到锂电池50的电池容量，具体公式为：

c＝t*i

其中，c为电池容量，t为多次恒流放电时长的平均值，i为恒流放电的电流值。

上述的用于换电柜的锂电池充放电控制电路01，通过充电模块10和放电模块20对锂电池50进行充放电，并由控制模块40计算放电时间和电池容量，使换电柜具备测试电池容量的功能，解决了传统的换电柜存在由于要将充电柜内的锂电池50回收至生产厂家或测试点后进行测试而导致的耗时长、成本高以及影响用户正常使用的问题。

请参阅图2，图1所示的用于换电柜的锂电池充放电控制电路01中放电模块20的单元结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

放电模块20包括第一拉载单元201、第二拉载单元202、第一采样单元203、第二采样单元204以及运算放大单元205。

其中，第一拉载单元201和第二拉载单元202用于对锂电池50的电池容量进行耗散。当开关模块30控制锂电池50与放电模块20建立连接时，锂电池50开始恒流放电，具体是通过第一拉载单元201和第二拉载单元202对锂电池50的电池容量进行耗散，直至锂电池50没有电。

第二采样单元204与第二拉载单元202以及运算放大单元205连接，用于对流经第二拉载单元202的耗散电流进行采样并反馈给运算放大单元205。

运算放大单元205与第二拉载单元202、第二采样单元204以及控制模块40连接，用于输出驱动电压，以驱动第二拉载单元202工作。

第一采样单元203与第一拉载单元201、第二拉载单元202以及控制模块40连接，用于对流经第二拉载单元202的耗散电流进行采样并将采样信号输出给控制模块40，使控制模块40输出控制信号以调节运算放大单元205的驱动电压。

由于本发明应用公式c＝t*i来计算锂电池50的电池容量，因此使锂电池50保持恒流放电是关键。为确保锂电池50进行恒流放电，因此本发明的放电模块20采用两次调整过程，分别为粗调过程和细调过程。下面对粗调过程和细调过程进行分析：

第二采样单元204对第二拉载单元202的耗散电流进行采样，反馈给运算放大单元205，及时调整输出给第二拉载单元202的驱动电压，使其以恒定速度对锂电池50的电池容量进行耗散，这是粗调过程。

第一采样单元203同样取得202的耗散电流(更精准的耗散电流)，反馈给控制模块40，控制模块40调整输出给运算放大器205的控制信号，从而使得运算放大单元205及时调整输出给第二拉载单元202的驱动电压，使第二拉载单元202以恒定速度对锂电池50的电池容量进行耗散，这是细调过程。

例如，实际应用时，需要锂电池50以恒定为2.4a的电流进行放电，即第二拉载单元202的耗散电流应恒定为2.4a，通过第二采样单元204实时采样耗散电流后输出给运算放大单元205，由运算放大单元205及时调整输出给第二拉载单元202的驱动电压，从而使得耗散电流保持在2.4a左右。

第一采样单元203同样采样第二拉载单元202的耗散电流，相比第二采样单元204，第一采样单元203的采样精度更高，可辨认出微小的电流差异。例如，同一时刻，第二采样单元204采样的耗散电流为2.41a，第一采样单元203采样的耗散电流则为2.411a。因此第一采样单元203更加精确。由于第二拉载单元202工作一段时间后会发热，存在温漂，从而影响耗散电流的恒定性。由于温漂使耗散电流偏离预设电流值(例如为2.4a)的范围较小(例如偏离了0.01a)，第二采样单元204无法辨别出该偏离值，因此需要增设第一采样单元203，以使放电模块20精确地以预设电流值进行放电，从而确保计算出的锂电池50的电池容量的正确性。

请参阅图3，为图2所示的放电模块20的单元连接关系图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，第一拉载单元201采用依次串联的第一水泥电阻、第二水泥电阻和第三水泥电阻实现。

其中，第一水泥电阻的第一端连接开关模块30，第三水泥电阻的第二端连接第一采样单元203。

在一可选实施例中，第二拉载单元202采用多个漏极相连的功率nmos管实现。功率nmos管的漏极连接第一采样单元203；功率nmos管的源极连接第二采样单元204；功率nmos管的栅极连接运算放大单元205。

可选的，第二拉载单元202采用8个功率nmos管实现，分别为第一功率nmos管、第二功率nmos管、第三功率nmos管、第四功率nmos管、第五功率nmos管、第六功率nmos管、第七功率nmos管以及第八功率nmos管。第二拉载单元202以大小为预设电流值的耗散电流对锂电池的电池容量进行耗散。

在一可选实施例中，第二采样单元204采用多个采样电阻实现，多个上述的采样电阻分别与多个上述的功率nmos管的源极一一对应连接。

可选的，第二采样单元204采用8个采样电阻实现，分别为第一采样电阻、第二采样电阻、第三采样电阻、第四采样电阻、第五采样电阻、第六采样电阻、第七采样电阻以及第八采样电阻。其中，第一采样电阻与第一功率nmos管的源极连接，第二采样电阻与第二功率nmos管的源极连接，第三采样电阻与第三功率nmos管的源极连接，第四采样电阻与第四功率nmos管的源极连接，第五采样电阻与第五功率nmos管的源极连接，第六采样电阻与第六功率nmos管的源极连接，第七采样电阻与第七功率nmos管的源极连接，第八采样电阻与第八功率nmos管的源极连接。

第一拉载单元201和第二拉载单元202的耗散电流相同，例如耗散电流为2.4a，则第二拉载单元202的多个功率nmos管各自平均以大小为(2.4a/功率nmos管的数量)的小耗散电流进行耗散。例如功率nmos管的数量为8，则每个功率nmos管以(2.4a/8＝0.3a)的小耗散电流进行耗散。因此，多个功率nmos管的总耗散电流即为第二拉载单元的耗散电流，也即为第一拉载单元201的耗散电流。

可选的，第二采样单元的每个采样电阻的阻值为0.22ω。

运算放大器的正相输入端连接控制模块40；运算放大器的反相输入端以及输出端连接第二拉载单元202。

在一可选实施例中，运算放大单元205采用多个运算放大器实现。具体地，

多个运算放大器分别于多个上述的功率nmos管一一对应连接。可选的，运算放大单元205采用8个运算放大器实现，分别为第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第六运算放大器、第七运算放大器以及第八运算放大器。第一运算放大器连接第一功率nmos管以及第一采样电阻，第二运算放大器连接第二功率nmos管以及第二采样电阻，第三运算放大器连接第三功率nmos管以及第三采样电阻，第四运算放大器连接第四功率nmos管以及第四采样电阻，第五运算放大器连接第五功率nmos管以及第五采样电阻，第六运算放大器连接第六功率nmos管以及第六采样电阻，第七运算放大器连接第七功率nmos管以及第七采样电阻，第八运算放大器连接第八功率nmos管以及第八采样电阻。

为确保计算出的锂电池50的电池容量的正确性，本发明的技术方案中包括粗调过程和细调过程。

下面对粗调过程进行阐述：

控制模块40输出控制信号给运算放大单元205中的各个运算放大器。第二拉载单元202中的各个功率nmos管的小耗散电流被第二采样单元204中的各个采样电阻采样后反馈给各自对应的运算放大器，通过运算放大器的调节，使得流经每个功率nmos管的小耗散电流恒定，则多个功率nmos管的总耗散电流即恒定在预设电流值附近。

下面对细调过程进行阐述：

由于粗调过程的精确度较低，因此第二拉载单元202中各个功率nmos管实际的小耗散电流仍然与设定值存在细微偏差，这个偏差由第一采样单元203采出，反馈给控制模块40，控制模块40微调控制信号205中的每一个运算放大器，从而使得最终多个功率nmos管的总耗散电流恒定在预设电流值处。

在一可选实施例中，第一采样单元203包括取样电阻和高边电流检测器。

取样电阻与第一拉载单元201及第二拉载单元202连接，用于采样耗散电流并输出。高边电流检测器与取样电阻以及控制模块40连接，用于输出采样信号给控制模块40。

上述的放电模块20，通过第二采样单元204和第一采样单元203对第二拉载单元202的耗散电流进行采样，并相应调整运算放大单元205输出的驱动电压，以使耗散电流保持为预设电流值，从而确保计算出的锂电池50的电池容量的正确性。

请参阅图4，为图1所示的用于换电柜的锂电池充放电控制电路01中开关模块30的电路示例图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，开关模块30包括：继电器k1、第一电阻f1、第二电阻r0805、第三电阻r15、第四电阻r63、第五电阻r75、第六电阻r89、第一电容c27、第二电容c58、第一二极管d2、第二二极管led2、第三二极管d1、第一nmos管q4以及连接器j1。

继电器k1的第一常闭触点连接充电模块10；继电器k1的第一常开触点连接第一电阻f1的第一端，第一电阻f1的第二端连接放电模块20；继电器k1的第一固定触点连接锂电池50；继电器k1的第二常闭触点、第二常开触点以及第二固定触点空接。

连接器j1连接控制模块40，连接器j1的第一接口连接第一二极管d2的阳极，第一二极管d2的阴极、第二电阻r0805的第一端、第三电阻r15的第一端、第四电阻r63的第一端以及第一电容c27的第一端共接在继电器k1的信号输入接口。

具体地，连接器j1连接控制模块40，用作电源输入接口，第一nmos管q4用于接收控制模块40输出的调控信号。

连接器j1的第二接口、第二电阻r0805的第二端以及第一电容c27的第二端接地；第三电阻r15的第二端连接第二二极管led2的阳极，第二二极管led2的阴极接地；第四电阻r63的第二端连接第三二极管d1的阴极，第三二极管d1的阳极与第五电阻r75的第一端连接继电器k1的信号输出端。

第五电阻r75的第二端连接第一nmos管q4的漏极，第二电容c58的第一端与第六电阻r89的第一端连接第一nmos管q4的栅极，第二电容c58的第二端、第六电阻r89的第二端以及第一nmos管q4的源极接地。

请参阅图5，为本发明实施例的第二方面提供的一种换电柜的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种换电柜，包括上述的锂电池充放电控制电路01，还包括风扇60。具体地，风扇60与控制模块40连接，用于对锂电池充放电控制电路01进行散热。

本实施例提供的换电柜内置恒流充电装置(充电模块)和恒流放电装置(放电模块)，因而可以精确地对锂电池做充电放电循环测试，并最终得到精确的电池容量值。由于本发明在硬件上保证了精准的恒流放电，所以软件上不需要使用复杂的容量算法(比如积分算法)来计算锂电池的电池容量，而只需要做简单的乘法运算(c＝t*i)即可，因此避免了使用复杂的容量算法而导致的计算误差。

本发明实施例的第三方面提供了一种充放电系统，包括上述的换电柜，还包括后台服务器。后台服务器与控制模块40进行无线通信，用于接收控制模块40获取的电池容量后，生成电池容量曲线，以对锂电池50的质量进行分析。

上述的充放电系统，通过后台服务器生成电池容量曲线，以供锂电池50生产厂家进行数据统计和分析，及时改善锂电池50的配方和工艺，无需将锂电池50从换电柜投放点运输至生产厂家或其他测试点进行测试，方便快捷，且不影响用户使用换电柜内的锂电池50。

综上所述，上述的换电柜及其锂电池充放电控制电路、锂电池充放电系统，通过充电模块和放电模块对锂电池进行充放电，并由控制模块计算锂电池由满电状态到空载状态过程的放电时间和电池容量，使换电柜具备测试电池容量的功能，解决了传统的换电柜存在由于要将充电柜内的锂电池回收至生产厂家或测试点后进行测试而导致的耗时长、成本高以及影响用户正常使用的问题。

在本文对各种电路、装置和系统描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。