充电器同步式串联充电均衡系统及动力电池的制作方法

1.本实用新型涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种充电器同步式串联充电均衡系统及动力电池。


背景技术：

2.锂离子电池由于其特殊的理化特性和电气指标，在实际应用中经常需要根据电压、容量、外形尺寸等指标进行定制化设计，即单体电芯通过串联的方式组成大型的电池组，以提高电压和容量。同时还需要配套相应电气的电池管理系统(bms)以满足特定实际需求。
3.在对电池组中的串联电芯或对电池组进行充放电时，由于无法保证串联电芯或电池组的各项电气及理化指标完全一致，因此，在充放电过程中会出现某一串联电芯或电池组先于其它串联电芯或电池组达到充放截至条件的情况。如果在充电时发生这一情况则意味着整个动力电池中的其它串联电芯或电池组没有完全充满，如果此时停止充电，则会造成整个动力电池容量不足的情况。
4.因此，亟需提供一种充电均衡系统，以解决上述现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种均衡效果好的充电器同步式串联充电均衡系统。
6.本实用新型的另一目的在于提供一种均衡效果好的动力电池。
7.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种充电器同步式串联充电均衡系统，包括主充电回路、均衡充电回路、充电控制电路、均衡电路以及充电器检测电路。其中，所述主充电回路用于对电池组进行串联充电。所述均衡充电回路与所述主充电回路并联，包括限流电阻。所述均衡电路用于控制若干电池组之间和/或每一电池组中的若干电芯之间的均衡。所述充电器检测电路用于检测充电器是否接入所述主充电回路。所述充电控制电路接所述均衡电路、充电器检测电路、主充电回路及均衡充电回路，用于导通所述主充电回路给电池组充电；或者，于所述充电器检测电路检测到充电器接入且所述均衡电路已启动均衡时，断开所述主充电回路并导通所述均衡充电回路给电池组充电。
8.具体地，所述充电器检测电路检测到充电器接入而所述均衡电路未启动均衡时，所述充电控制电路导通所述主充电回路给电池组充电。
9.在一实施例中，所述充电器检测电路包括第一电阻、光电耦合器及第一开关电路，所述第一电阻的一端接电池组，另一端接所述光电耦合器的发射端，所述光电耦合器的接收端接所述第一开关电路，所述第一开关电路接至所述充电控制电路，于充电器接入所述主充电回路时，所述第一电阻输出电流使所述光电耦合器的接收端导通，而使所述第一开关电路导通以传输接入信号至所述充电控制电路，所述充电控制电路基于所述接入信号导通所述主充电回路。
10.在一实施例中，所述限流电阻为正温度系数热敏电阻。
11.进一步地，所述均衡充电回路包括串联连接的至少两所述限流电阻以及与所述限流电阻串联的开关器件，所述充电控制电路控制所述开关器件的通断以导通所述均衡充电回路或断开所述均衡充电回路。
12.在一实施例中，所述均衡电路包括模组级均衡电路和电芯级均衡电路，所述电芯级均衡电路用于对应的电池组中的多个电芯之间的均衡，所述模组级均衡电路用于多个电池组之间的均衡。
13.具体地，所述均衡电路包括均衡控制单元，所述电芯级均衡电路包括与对应的电池组中的多个电芯一一对应的第一放电电阻和第一开关，且相互对应的电芯、第一放电电阻和第一开关串接成回路，所述均衡控制单元控制各个回路中的所述第一开关的通断。
14.具体地，所述模组级均衡电路包括与电池组对应的第二放电电阻和第二开关，且相互对应的电池组、第二放电电阻和第二开关串接成回路，所述均衡控制单元控制各个回路中的所述第二开关的通断。
15.在一实施例中，所述充电控制电路包括联动控制电路和第二开关电路，所述联动控制电路的输入端接所述均衡电路，输出端接所述第二开关电路，所述第二开关电路接所述均衡充电回路，所述第二开关电路基于所述联动控制电路输出的控制信号导通或断开。
16.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种动力电池，包括若干串联的电池组和如上所述的充电器同步式串联充电均衡系统。
17.与现有技术相比，本实用新型通过均衡电路的设置降低了对电池组、电芯间一致性的要求，提高的单电池组的适应范围，即电芯配组率和使用率，进一步降低了电池组的成本。通过充电器检测电路检测充电器的接入，并设置充电控制电路、均衡充电回路，并使充电控制电路接充电器检测电路、均衡电路、主充电回路及均衡充电回路，正常情况下，通过主充电回路给电池组正常充电，而当充电器检测电路检测到充电器接入且所述均衡电路已启动均衡时，充电控制电路断开主充电回路，并导通均衡充电回路给电池组充电，以此降低充电电流，增强均衡电路的均衡效果。且，本实用新型在无需复杂辅助电路、通讯链路的情况下实现了电池组的串联充电与均衡，整个均衡系统结构简单。
附图说明
18.图1为本实用新型一实施例充电器同步式串联充电均衡系统的组成框图。
19.图2为本实用新型一实施例充电器检测电路的原理图
20.图3本实用新型一实施例电芯级、模组级两级均衡机制的工作原理图。
21.图4为本实用新型一实施例第二开关电路的示意图。
22.图5为本实用新型一实施例均衡充电回路的示意图。
23.图6为本实用新型一实施例电芯级、模组级两级均衡机制的工作流程图。
具体实施方式
24.为了详细说明本实用新型的技术内容、构造特征，以下结合实施方式并配合附图作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是本实用新型的全部实施例，应理解，本实用新型不受这里描述的示例实施例的限制。基于描述的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本
实用新型的保护范围之内。
25.请参阅图1至图5，本实用新型的动力电池包括多个串联的电池组b、充电器同步式串联充电均衡系统1，每一电池组b包括多个串联的电芯b1-b4(如图3所示)，充电器同步式串联充电均衡系统1包括主充电回路11、均衡充电回路12、充电控制电路13、均衡电路14以及充电器检测电路15(如图1所示)。
26.其中，主充电回路11连接在由多个电池组b串联组成的电池包pack的正负极两端(如图2所示)，用于在正常情况下对电池包pack中的各电池组b进行串联充电。主充电回路11上串联有开关器件k(如图2所示)，开关器件k用于控制主充电回路11的通断。当充电器2接入主充电回路11且开关器件k导通(接通)时，主充电回路11导通，充电器2即可通过主充电回路11给电池组充电；当开关器件k断开时，主充电回路11断开。
27.均衡充电回路12为均衡状态下充电器2给电池组充电的一回路，均衡充电回路12与主充电回路11并联(如图3所示)，其包括限流电阻，通过限流电阻降低充电电流。
28.均衡电路14用于控制若干电池组之间和/或每一电池组中的若干电芯之间的均衡，以使各个电池组/电池组中的每一电芯的能量均衡以及保护电池组/电芯(如图3所示)。
29.充电器检测电路15用于检测充电器2是否接入主充电回路11(如图2所示)。
30.充电控制电路13接均衡电路14、充电器检测电路15、主充电回路11及均衡充电回路12，用于在正常情况导通主充电回路11给电池组充电；或者，于充电器检测电路15检测到充电器2接入且均衡电路14已启动均衡时，断开主充电回路11并导通均衡充电回路12给电池组充电(如图1、图3所示)。
31.其中，所述“正常情况”为均衡电路14没有启动均衡时的状态，所述“均衡状态”为均衡电路14已启动均衡时的状态。在充电器检测电路15检测到充电器2接入而均衡电路14未启动均衡时，通过主充电回路11给电池组充电，以实现快速充电；而在充电器检测电路15检测到充电器2接入且均衡电路14已启动均衡时，通过均衡充电回路12给电池组充电，以保护电芯。
32.以下，以具体实施例为例结合附图对各个电路模块进行详细说明。
33.请先参阅图2，图2所示实施例中，充电器检测电路15包括第一电阻r1、光电耦合器o1及第一开关电路，第一开关电路包括光电耦合器o2、光电耦合器o3、二极管d1、可控硅t1、场效应管q2、三极管q3、与门u1、稳压二极管z1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6。第一电阻r1的一端接电池组，另一端接光电耦合器o1的发射端o1a，光电耦合器o1的接收端o1b接可控硅t1的控制极，可控硅t1的阳极接光电耦合器o2的发射端o2a，光电耦合器o3的接收端o3b串联光电耦合器o2的发射端o2a，光电耦合器o2的接收端o2b接场效应管q2的栅极，场效应管q2的源极接与门u1的第一输入端，与门u1的第二输入端、三极管q3的基极接信号oc，三极管q3的发射极接光电耦合器o3的发射端o3a，光电耦合器o3的发射端o3a串联电阻r2、稳压二极管z1，与门u1的输出端接充电控制电路13。
34.在空载状态下(没有接入负载3)，开关器件k断开，正常情况下，信号oc为高电平，三极管q3、发射端o3a导通。充电器2接入后，因为开关器件k断开，充电电流流经发射端o1a，触发接收端o1b，触发可控硅t1，触发发射端o2a、接收端o3b，触发接收端o2b、场效应管q2，此时，门u1的第一输入端为高电平；同时，由于信号oc为高电平，与门u1输出高电平至充电控制电路13，而使充电控制电路13产生一个导通控制信号使开关器件k导通，从而使充电器
2通过主充电回路11给电池组充电。开关器件k导通后会将发射端o1a短路，由于接收端o3b处于导通状态，因此可控硅t1保持导通，所以开关器件k保持导通。
35.当电池组充满电或均衡电路14启动均衡后，信号oc为低电平，与门u1输出低电平至充电控制电路13，而使充电控制电路13产生一个断开控制信号使开关器件k断开，且三极管q3、光电耦合器o3、光电耦合器o2、可控硅t1、场效应管q2均被关断。当电池组电压下降至电压阈值后且均衡电路14未启动均衡，信号oc恢复为高电平，开关器件k恢复导通，恢复到通过主充电回路11给电池组充电。
36.图2所示实施例中，充电器检测电路15在无需改动现有充电器，无需复杂辅助电路、专用通讯接口和通讯协议的情况下实现自动充电器识别，通用性强，可实现与现有铅酸系统的无缝替换。同时，由于开关器件k导通后会将发射端o1a短路，降低功耗；且，该充电器检测电路15简单可靠，能够兼容同口、分口。
37.当然，充电器检测电路15不限于采用上述电路连接关系以及元器件，例如，在一些实施例中，采用三极管替换场效应管q2；再例如，采用恒流源电路替换第一电阻r1等。
38.接下来请参阅图3，图3所示实施例中，均衡电路14包括模组级均衡电路141和电芯级均衡电路142，电芯级均衡电路142用于对应的电池组中的多个电芯之间的均衡，在电池组中各电芯达到电芯均衡阈值时，启动电芯级均衡。模组级均衡电路141用于多个电池组之间的均衡，在电池组的总电压达到模组均衡阈值时，启动模组级均衡。其中，电芯均衡阈值、模组均衡阈值均为可根据具体情况进行灵活设定的。
39.具体的，均衡电路14还包括均衡控制单元143，电芯级均衡电路142包括与对应的电池组b中的多个电芯b1-b4一一对应的第一放电电阻r7和第一开关k7，且相互对应的电芯、第一放电电阻r7和第一开关k7串接成回路。模组级均衡电路14包括与电池组b对应的第二放电电阻r8和第二开关k8，且相互对应的电池组b、第二放电电阻r8和第二开关k8串接成回路。均衡控制单元143接第一开关k7、第二开关k8。
40.需要启动电芯级均衡时，均衡控制单元143控制与对应的电芯连接的第一开关k7导通，通过与该电芯连接的第一放电电阻r7放电；电芯已均衡时，控制该电芯对应的第一开关k7断开，此时，电芯级均衡关闭。需要启动模组级均衡时，均衡控制单元143控制与对应的电池组连接的第二开关k8导通，通过与该电池组连接的第二放电电阻r8放电；电池组已均衡时，控制该电池组对应的第二开关k8断开，此时，模组级均衡关闭。当电芯级均衡、模组级均衡均关闭时，充电控制电路13断开均衡充电回路12，并控制开关器件k导通切换至正常充放电模式，通过主充电回路11给电池组充电。具体工作流程可参阅图6所示。
41.借由电芯级、模组级两级均衡机制，在单一串联模组在某一程度内过充后，不会断开整个充电回路，使得其它电池组可以继续充电；在电池组中的单一串联电芯在某一程度内过充后，也不会断开整个充电回路，使得该电池组中的其它电芯及其它电池组可以继续充电，最大限度地保证了电池的功能性。
42.请继续参阅图3和图4，图3和图4所示实施例中，充电控制电路13包括联动控制电路131和第二开关电路132，联动控制电路131的输入端接均衡控制单元143，输出端接第二开关电路132，第二开关电路132接均衡充电回路12，联动控制电路131基于均衡控制单元143输出的信号使第二开关电路132导通或断开，以导通均衡充电回路12进行均衡充电，或断开均衡充电回路12，切换至主充电回路11进行正常充电。
43.如图3所示，联动控制电路131包括或门u2和光电耦合器o4，或门u2的输入端接均衡控制单元143，光电耦合器o4的发射端接或门u2的输出端，第二开关电路132接光电耦合器o4的接收端。当均衡控制单元143输出控制信号启动电芯级均衡和/或模组级均衡时，或门u2输出高电平，光电耦合器o4导通，触发第二开关电路132导通，而导通均衡充电回路12进行均衡充电。反之，当均衡控制单元143关闭电芯级均衡和模组级均衡时，光电耦合器o4、第二开关电路132不导通，均衡充电回路12断开。
44.如图4所示，第二开关电路132包括场效应管q4、q5、q6、q7、q8，光电耦合器o4导通时，触发q4、q5、q6、q7、q8导通，而使整个第二开关电路132导通，bc为高电平，通过均衡充电回路12给电池组充电。反之，当光电耦合器o4不导通时，第二开关电路132不导通；此时，充电控制电路13可导通开关器件k切换至正常充放电模式，通过主充电回路11给电池组充电。
45.接下来请参阅图5，图5所示实施例中，限流电阻为正温度系数热敏电阻。借此设计，使得均衡充电回路12具有自动恒流、自动过流保护和自动恢复功能。当然，在其它实施例中，也可以采用普通电阻作为限流电阻。具体的，均衡充电回路12包括串联连接的两个限流电阻ptc1、ptc2以及场效应管q9，bc为高电平时，场效应管q9导通，均衡充电回路12导通，通过均衡充电回路12给电池组充电。当然，具体实施中均衡充电回路12不限于是采用两个限流电阻，也可取消场效应管q9。
46.综上，本实用新型通过均衡电路14的设置降低了对电池组、电芯间一致性的要求，提高的单电池组的适应范围，即电芯配组率和使用率，进一步降低了电池组的成本。通过充电器检测电路15检测充电器2的接入，并设置充电控制电路13、均衡充电回路12，并使充电控制电路13接充电器检测电路15、均衡电路14、主充电回路11及均衡充电回路12，在充电器检测电路15检测充电器2接入后，正常情况下，通过主充电回路11给电池组正常充电，而当充电器检测电路15检测到充电器2接入且均衡电路14已启动均衡时，充电控制电路13断开主充电回路11，并导通均衡充电回路12给电池组充电，以此降低充电电流，增强通过第一放电电阻r7和/或第二放电电阻r8放电的效果，进而增强均衡效果。且，本实用新型在无需复杂辅助电路、通讯链路的情况下实现了电池组的串联充电与均衡，整个均衡系统1结构简单。
47.以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于本实用新型所涵盖的范围。