专利名称：电池组二次平衡充电装置及方法
技术领域：
本发明涉及电能存储系统及其充电方法，尤其涉及一种电池组二次平衡充电装置及方法。
背景技术：
电池组充电分非平衡充电和平衡充电，所谓非平衡充电方法是指充电装置及方法在充电过程中，充电电流都施加给整个电池组，在充电过程当中，充电装置通过监测整个电池组的电压、温度信号或者监测电池组中每个电池单元的电压、温度信号，并依据监测的信号判断电池的充电状况，如果其中的电压、温度信号达到设定值，充电停止。对于采用非平衡充电方法的充电装置，由于充电电流只是施加给整个电池组，不能施加到电池组中的单个电池单元，因此不能根据电池组中所有单个电池单元的状况对每个电池单元进行充电。这样充电的结果是电池组中每个电池单元在单位时间里所接受的电流是相同的，即电流与充电时间的乘积安培时(AH)相等。然后，由于在制造每个电池单元时的材料、工艺及设备的状况等非绝对一致性，从而导致每个电池单元的性能差异和容量(AH)的差异，也就是说每个电池单元的实际容量(AH)与其标称容量是不相等的，或多或少存在差异，因此，非平衡充电方法不能使电池组的每个电池单元真正都达到100％的容量，这样有些电池单元出现过充，而一些电池单元会出现欠充。如此情形在每个充电循环中都会发生，并且会随着充电循环次数的增加而使得这种容量不匹配的情况加剧，最终影响到电池的使用寿命。
平衡充电就是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，考虑到因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要对每个电池单元的电压、温度信号进行监测，并依据监测的信号判断电池的充电状况，根据状况对每个电池单元进行充电，使电池组的每个电池单元真正都达到100％的容量。
已有的平衡充电方法需要用复杂的电路监控每个电池单元的电压并都需要通过放电的方式来达到各电池单元的电压平衡。这种充电方法和装置中，存在的不足之一是其电池组中的每个电池单元之间并不是真正的直接连接，而是在每个电池单元的正负极之间加入了一个切换开关，开关会形成一个电阻，降低了大电流工作时的效率，从而限制了电池组在需要大电流动力电池方面的应用，或者只是提供监测每个电池单元电压的方法而未有提供“在充电过程中真正实现每个电池单元电压的平衡并达到100％的充满电的要求”的方法。不足之二是对于由超过五个电池单元组成的电池组，其平衡充电装置将会变得很复杂，实用性不强。不足之三是由于在电池组中加入电压监测及平衡控制电路，从而使得电池组在静置状态下的漏电流加大，当漏电流超过200uA时，就会影响电池组的使用性能，尤其是在电动工具方面。而现有的技术并没有提供一个可行的减少漏电流方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种简单实用、电池单元能够直接连接的电池组二次平衡充电装置及方法，实现在每次充电时都能充电到每个电池单元的实际容量，既不过充电，也不欠充电。
本发明的次一目的是提供一种减少静置状态时的漏电流平衡充电装置。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决一种电池组二次平衡充电装置，包括两两相连的充电控制模块、充电电源和电池充电电路，其特征是相邻电池之间的接点以及第一个电池的负极通过正向二极管和控制开关接地，相邻电池之间的接点以及最后一个电池的正极通过反向二极管和控制开关接充电电源正端。
该装置还包括如下优选特征相邻电池之间的接点上有电压采样点，且至少部分相邻电池之间通过采样电阻和与采样电阻串联的控制开关接地，所述采样点在所述采样电阻端上。
所述的充电控制模块的(Vn)管脚连接池充电电路的电压采样点(Vn)，控制开关管脚分别控制电池充电电路的控制开关的开合；电源输入管脚(Vcc)连接恒流恒压电源的(Vcc)电源输出管脚；电压控制管脚(V)连接恒流恒压电源的电压控制管脚(V)；电流控制管脚(I1、I2)连接恒流恒压电源的电流控制管脚(I1、I2)；充电控制管脚(C)连接恒流恒压电源的充电控制管脚(C)。
一种电池组二次平衡充电方法，其特征是包括如下步骤1)检测电池组所有电池单元的电压；
2)判断电池组中电池单元的电压是否低于设定的低压限值；3)当任一电池单元的电压低于设定的低压限值时，充电控制模块向充电电源发出控制信号，控制恒流恒压电源的输出电流保持在设定的小电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压，对电池组进行预充电；当任一电池单元的电压都高于设定的低压限值时，进行步骤4)；4)当电池组的所有电池单元的电压都高于设定的低压限值时，充电控制模块向充电电源发出控制信号，控制充电电源的输出电流保持在设定的正常电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压；同时单片微处理器向电池充电电路发出控制信号，对电池组进行快速充电；5)当电池组的任一电池单元的电压达到设定的满充电压限值时，单片微处理器向充电电源发出控制信号，从而控制充电电源的输出电流保持在设定的补充电流值的恒流状态，输出电压下降到单个电池单元的最高电压值，对每个电池单元进行补充充电。
所述方法还包括如下优选特征所述补充充电包括如下步骤5-1)控制开关的开合，使仅组成第一个电池的充电回路，对第一个电池单元进行补充充电；5-2)当第一个电池单元的电压达到设定的满充电压限值时，则断开其充电回路，重新形成仅对第二个电池进行充电的充电回路，从而实现对第二个电池单元的补充充电；5-3)如此循环直至电池组所有的电池单元全部充电到设定的满充电压值。
本发明的有益效果是由于电池单元是直接串联，避免了接入开关所引起的开关电阻，使电池组在大电流应用的情况下，效率更高，减少了开关电阻的损耗，提高了大电流工作时的工作效率。本发明的电路简单，可应用于例如4-10个电池单元串联的电池组，实用性强。
本发明通过在电压采样支路上设置断开开关和设定单片微处理器的I/O端口都处于高阻状态，减少了漏电流，提高了电池组的性能。
图1是本发明电池组二次平衡充电装置及方法示意图。
图2是本发明实施例具体电路原理示意图。
具体实施例方式
下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，本例中电池组二次平衡充电装置及方法包括充电控制模块1、充电电源3和电池充电电路5，充电控制模块1与充电电源3电连接，充电电源3与电池充电电路5电连接，电池充电电路5包括采样电路和控制开关，充电控制模块1连接至电池充电电路中的采样电路和控制开关，电池组常置于电池充电电路中。
本发明的平衡充电装置及方法可以物理上分成两个部分，这两部分可以通过接口的插拨实现结合或分离。
其中，充电控制模块1和电池充电电路5就构成本发明的第一部分电路——平衡充电的控制电路。该电路包括对整个电池组充电和对每个电池单元单独进行补充充电的开关切换电路、每个电池单元的电压取样和防止电压取样回路漏电的开关电路、对每个电池单元的电压信号及温度信号进行监测处理的单片微处理器MCU三部分组成。
充电电源3是本发明的第二部分电路，它主要是一个具有恒压恒流功能的电源供应器，该电源供应器向上述的第一部分电路“平衡充电控制电路”提供一个受控的恒流恒压源和第一部分电路本身工作所需的电源，该恒流恒压源连接到图2的VCC。第一部分电路的单片微处理器MCU通过输出接口对第二部分电路“电源供应器”输出的电压电流进行编程控制。
如图2所示，电池组由两个以上电池BAT1、BAT2、......BATn串联，其中n为大于2的自然数(常用的电池组有4-10个电池单元)。相邻两个电池BATn、BATn-1之间的接点通过一个正向二极管Dn*2和与其串联的开关SWn*2接地，并且通过一个反向二极管Dn*2-3和与其串联的开关SWn*2-3接充电电压V+(所谓“反向二极管Dn*2-1”是指从该接点到充电电压方向看去而言，如果从充电电压向该接点看去，则是正向二极管)；相邻电池BATn、BATn-1之间的接点还通过采样电阻R(n-2)*2+1和R(n-2)*2+2和与其串联的开关SW0接地，在两个采样电阻R(n-2)*2+1和R(n-2)*2+2之间中间接点处连接电压采样点Vn，但在前两个电池BAT1、BAT2之间可以只有采样点V1没有采样电阻。第一个电池的负极通过反向二极管D2和开关SW2按地，最后一个电池的正极通过反向二极管Dn*2-1和开关SWn*2-1接充电电压。
电阻分压网络R1与R2组成电压取样回路，得到电压V2。电阻分压网络R3与R4组成电压取样回路，得到电压V3。以此类推，电阻分压网络Rn*2-3(n≥2)与Rn*2-2(n≥2)组成电压取样回路，得到电压Vn。开关SW0防止电池组在静置时电池单元经由电阻分压网络而漏电。SW1与SW2导通，其余开关断开，组成第一个电池单元的充电开关回路；SW3与SW4导通，其余开关断开，组成第二个电池单元的充电开关回路；SW5与SW6导通，其余开关断开，组成第三个电池单元的充电开关回路；依此类推，SWn*2与SWn*2-1导通，其余开关断开，组成第n个电池单元的充电开关回路。并且原则上任意一个奇数开关与小于它的任意一个偶数开关导通，其余开关断开，都可以组成充电开关回路。如SWn*2-1与SW2导通，其余开关断开，组成整个电池组的充电开关回路。在各开关回路中分别串联隔离二极管防止电池的反向漏电。各开关回路分别通过连接线连接到各电池单元之间相连的接点。
充电控制模块1与电池充电电路5的电连接是通过充电控制模块的Vn管脚连接电池充电电路的电压采样点Vn，充电控制模块的管脚SWn*2和SWn*2-1分别控制电池充电电路开关SWn*2和SWn*2-1的闭合；充电控制模块的管脚Vcc连接恒流恒压电源的Vcc管脚；充电控制模块的管脚V连接恒流恒压电源的管脚V；充电控制模块的管脚I1连接恒流恒压电源的管脚I1；充电控制模块的管脚I2连接恒流恒压电源的管脚I2；充电控制模块的管脚C连接恒流恒压电源的管脚C。恒流恒压电源与电池充电电路的电连接是通过恒流恒压电源的管脚V+连接电池充电电路的V+管脚，管脚GND接地。
其工作原理如下一、电池组的静置状态电池组处于静置状态时，因第一部分电路与第二部分电路是分离的，第二部分电路不能提供给第一部分电路的工作电源，因此整个第一部分电路不工作，单片微处理器的I/O端口都处于高阻状态，所有的开关SW0、SW1、SW3---SWn*2处于断开状态，从而切断了所有的漏电回路，使漏电流减到最小。
二、电池组的预充电状态第一部分电路与第二部分电路接通，第二部分电路向第一部分电路供电，单片微处理器上电复位，使SW0闭合，断开开关SW1、SW2、SW3---SWn*2。各电池单元的电阻分压网络取得的电池电压信号送到单片微处理器MCU的模数转换(A/D)的I/O端口V1---Vn，单片微处理器MCU对各电池单元的电压信号进行处理。注意各个电池的采样是分时顺序进行的，以避免多个SW0导通形成复杂多端网络影响采样结果。电阻用来降压，以符合单片微处理器MCU的对电压最高值的要求。通过Vn与Vn-1的值计算出BATn的电压。当任一电池单元的电压低于设定的低压限值时，单片微处理器向充电电源发出控制信号即充电控制信号C、充电电压控制信号V、充电电流控制信号I1/I2。从而控制“电源供应器”的输出电流保持在设定的小电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压。同时单片微处理器向电池充电电路的开关发出控制信号，使SW0、SW2、SWn*2-1闭合，其余开关断开，则恒定的小电流经由Dn*2-1、SWn*2-1、电池组、D2、SW2组成的回路对电池组充电，从而实现对电池组的预充电。
三、电池组的快速充电状态当电池组的所有电池单元的电压都高于设定的低压限值时(镍氢电池是0.8V；锂离子电池是2.5V)，单片微处理器向充电电源3发出控制信号即充电控制信号C、充电电压控制信号V、充电电流控制信号I1/I2。从而控制充电电源的输出电流保持在设定的正常电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压；同时单片微处理器向电池充电电路发出控制信号，使SW0、SW2、SWn*2-1导通，其余开关断开，则恒定的大电流经由Dn*2-1、SWn*2-1、电池组、D2、SW2组成的回路对电池组充电，从而实现对电池组的快速充电。
四、电池组的补充充电状态当电池组的任一电池单元的电压达到设定的满充电压限值时，单片微处理器向充电电源3发出控制信号即充电控制信号C、充电电压控制信号V、充电电流控制信号I1/I2。从而控制充电电源的输出电流保持在设定的补充电流值的恒流状态，输出电压下降到单个电池单元的最高电压值。同时单片微处理器向电池充电电路的开关发出控制信号，首先使SW0、SW1、SW2闭合，其余开关断开，则恒定的补充电流经由D1、SW1、BAT1、D2、SW2组成的回路对电池单元BAT1充电。从而实现对BAT1单元的补充充电。当BAT1单元的电压达到设定的满充电压限值时，则断开SW1和SW2，同时闭合SW3和SW4，从而实现对BAT2单元的补充充电。当BAT2单元的电压达到设定的满充电压限值时，则断开SW3和SW4，同时闭合SW5和SW6，从而实现对BAT3单元的补充充电。如此循环，直至电池组所有的电池单元全部充电到设定的满充电压值。最终实现平衡充电的目的。
权利要求
1.一种电池组二次平衡充电装置，包括两两相连的充电控制模块、充电电源和电池充电电路，其特征是相邻电池之间的接点以及第一个电池的负极通过正向二极管和控制开关接地，相邻电池之间的接点以及最后一个电池的正极通过反向二极管和控制开关接充电电源正端。
2.如权利要求1所述的一种电池组二次平衡充电装置，其特征是相邻电池之间的接点上有电压采样点，且至少部分相邻电池之间通过采样电阻和与采样电阻串联的控制开关接地，所述采样点在所述采样电阻端上。
3.如权利要求1或2所述的一种电池组二次平衡充电装置，其特征是所述的充电控制模块的(Vn)管脚连接电池充电电路的电压采样点(Vn)，控制开关管脚分别控制电池充电电路的控制开关的开合；电源输入管脚(Vcc)连接恒流恒压电源的(Vcc)电源输出管脚；电压控制管脚(V)连接恒流恒压电源的电压控制管脚(V)；电流控制管脚(I1、I2)连接恒流恒压电源的电流控制管脚(I1、I2)；充电控制管脚(C)连接恒流恒压电源的充电控制管脚(C)。
4.一种电池组二次平衡充电方法，其特征是包括如下步骤1)检测电池组所有电池单元的电压；2)判断电池组中电池单元的电压是否低于设定的低压限值；3)当任一电池单元的电压低于设定的低压限值时，充电控制模块向充电电源发出控制信号，控制恒流恒压电源的输出电流保持在设定的小电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压，对电池组进行预充电；当任一电池单元的电压都高于设定的低压限值时，进行步骤4)；4)当电池组的所有电池单元的电压都高于设定的低压限值时，充电控制模块向充电电源发出控制信号，控制充电电源的输出电流保持在设定的正常电流值的恒流状态，输出电压设定在电池组的最高电压；同时单片微处理器向电池充电电路发出控制信号，对电池组进行快速充电；5)当电池组的任一电池单元的电压达到设定的满充电压限值时，单片微处理器向充电电源发出控制信号，从而控制充电电源的输出电流保持在设定的补充电流值的恒流状态，输出电压下降到单个电池单元的最高电压值，对每个电池单元进行补充充电。
5.如权利要求4所述的一种电池组二次平衡充电方法，其特征是所述补充充电包括如下步骤5-1)控制开关的开合，使仅组成第一个电池的充电回路，对第一个电池单元进行补充充电；5-2)当第一个电池单元的电压达到设定的满充电压限值时，则断开其充电回路，重新形成仅对第二个电池进行充电的充电回路，从而实现对第二个电池单元的补充充电；5-3)如此循环直至电池组所有的电池单元全部充电到设定的满充电压值。
全文摘要
本发明公开一种电池组二次平衡充电装置及其充电方法。所述装置包括两两相连的充电控制模块、充电电源和电池充电电路，其特征是相邻电池之间的接点以及第一个电池的负极通过正向二极管和控制开关接地，相邻电池之间的接点以及最后一个电池的正极通过反向二极管和控制开关接充电电压。由于电池单元是直接串联，避免了接入开关所引起的开关电阻，使电池组在大电流应用的情况下，效率更高，减少了开关电阻的损耗，提高了大电流工作时的工作效率。本发明的电路简单，可应用于例如4－10个电池单元串联的电池组，实用性强。
文档编号H01M10/44GK1889324SQ200610061688
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月13日 优先权日2006年7月13日
发明者周明亮 申请人:周明亮