专利名称：：一种提高串联电池组安全性和寿命的充放电管理装置的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及一种串联电池组充放电管理装置，特别涉及采用单片机(singlechipmicrocomputer)控制的一种提高串联电池组安全性和寿命的充放电管理装置。
背景技术：
：串联锂充电电池组广泛用于电动汽车、电动自行车、电动工具等。串联的充电电池组，特别是大容量、大功率的串联电池组，充电和放电过程的安全管理和控制极为重要，不仅关系到电池的有效使用寿命，更关系到电池供电设备的安全和使用者的人身安全。CN101039039A公布了一种电池组充电平衡管理系统，其工作方法是对连接好的串联电池组充电的同时，检测电池组中各个单体电池的端电压，当某单体电池的端电压较高时，通过与该单体电池并联的均衡电路对该电池进行充电分流，减低该单体电池的充电速度和端电压上升速度，使各单体电池端电压趋于均衡一致，以此避免因串联电池组中各单体电池的充放电特性的差异影响电池组的寿命。由于在充电分流时与单体电池并联的均衡电路消耗部分充电电能，均衡电路发热，均衡电路的均衡能力受到限制。对于大容量、大功率电池，大电流充电时，均衡电路均衡能力不能满足实际需要。在充电电池的寿命后期，电池内部性能逐渐劣化，电池内阻升高，充电和放电过程中电池会严重发热，甚至爆炸。众知的串联电池组充电和放电管理技术虽然可以在电池温度异常升高时切断外部充电或放电通路，但此时电池本身已经处于不安全状态，切断充电或放电通路不能阻止电池内部异常的电化学反应过程，电池继续发热甚至爆炸的危险依然存在。在电池温度异常升高时，突然切断放电通路，对于需要连续供电的设备，如电动汽车，可能造成设备运行的安全问题。研究表明，随电池充电-放电循环次数的增加，电池容量下降，电池的内阻增加，电池内部性能劣化直至最终彻底失效的过程是一个逐渐累积的过程，在每次充电过程中通过测量电池的内阻及电压、电流、容量等参数，并对各参数的变化量、变化速度进行对比分析，判断电池内部性能劣化的程度，可以对电池寿命及可能出现的安全问题予以预警。
实用新型内容本实用新型提出了一种提高串联电池组安全性和寿命的充放电管理装置，本装置以单片机为控制核心，检测充电和放电过程的各种参数，包括串联电池组中各单体电池的端电压、温度及电池组的电压、电流和电量，对测得的参数进行分析，依据分析的结果对充电和放电过程实施控制，实现充电和放电终止电压保护，温度保护，过流保护。在充电过程中，通过对端电压较低的单体电池进行补流的方法，使串联电池组中各单体电池端电压均衡一致，避免由于各单体电池特性差异对电池组的寿命影响。本装置在每次充电过程前、充电过程中及充电结束后测量并记录电池组中各单体电池的端电压、端电压上升速率、充电电流、充电量和电池内阻，并与之前充电时测量和记录的参数进行对比，分析电池组的充电量及各单体电池的内阻、端电压、端电压上升速率的变化量，判断电池内部性能逐渐劣化的过程和程度，对电池的失效及可能出现的安全问题予以预警。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是为减小单体电池的特性差异对电池组寿命的影响，对电池组可能出现的安全问题予以预警。在存储器中预先存储各单体电池在不同端电压下的内阻初始值和误差允许值、充电过程中各单体电池在不同端电压区段的端电压上升速率和误差允许值、累计充电量预定值、充电电压范围、放电电压范围、充电截止电压值、放电截止电压值、电池温度范围、充电电流值和充电电流误差允许值、放电电流保护值、均衡启动电压值、端电压失衡值等参数。在充电过程中单片机对串联电池组及串联电池组中的各单体电池的电参数进行检测，判定电池状态，控制充电过程，对端电压较低的单体电池实施补流均衡充电。放电过程中，检测各单体电池的端电压、温度和电池组的放电电流，实施放电过流保护、放电温度保护和放电低电压保护。单片机与选择开关、温度传感器、存储器、A/D转换电路、检测选通电路、均衡选通电路、电流检测和电量计量电路、光电隔离电路、指示电路、充电开关、放电开关相连接,A/D转换电路与检测选通电路相连接，电压检测电路的输入端连接到被测量的单体电池的正、负电极。光电隔离电路与充电控制电路、均衡控制电路相连接。选择开关使用双联3位波段开关，选择充电或放电过程。充电时，参见图l，选择开关拨向"充电"，单片机上电工作，并通过与选择开关的连线检测到选择开关处于"充电"位置，单片机执行充电控制程序，充电控制的方法是1)单片机清"均衡标志"为o，2)单片机通过检测选通电路、A/D转换电路和电压检测电路检测各单体电池的端电压，通过温度传感器检测各单体电池的温度，各单体电池的端电压及温度均在充电电压范围和电池温度范围内，单片机执行下一步,否则，单片机向指示电路发出信号,提示电压或温度异常。3)单片机检测各单体电池的内阻，具体方法是单片机检测各单体电池的端电压Ull，U12…U1N并通过电流检测和电量计量电路检测当前电池组的电流I1，存储在存储器中。单片机依据各单体电池的端电压之和，经光电隔离电路和充电控制电路设置充电电源的输出电压，并向充电开关发出"闭合"信号，再次检测各单体电池的端电压U21，U22…U2N和电池组的电流I2后，向充电开关发出"断开"信号，关断充电电流。按下面的公式计算各单体电池的内阻。Ri=(U2i—Uu)/(I2—I,)单片机将计算得到的各单体电池的内阻与存储器中预先存储的各单体电池的内阻初始值相比较，差值超过预定的误差允许值，单片机向指示电路发出信号，提示内阻异常。否则，将本次测得的各单体电池的内阻值存储在存储器中，执行下一步。4)单片机向充电开关发出"闭合"信号，开启充电，并启动充电计时和充电量计量，执行下一步。5)单片机检测并存储各单体电池的端电压，各单体电池的端电压均未达到预置的充电截止电压，执行第8)步。否则，单片机向充电开关发出"断开"信号，停止充电。按照第3)步所说的方法测量每个单体电池的内阻，将结果存储到存储器中，与存储器中预先存储的各单体电池的内阻初始值相比较，差值超过规定值，执行第7)步，否则，执行下一步。6)将本次测得的各单体电池的内阻值存储在存储器中，单片机读取电流检测和电量计量电路中的本次充电量，计算累计充电量，存储在存储器中，累计充电量达到累计充电量预定值，则向指示电路发出"寿命警示"信号。7)单片机向指示电路发出信号,提示内阻异常。并向指示电路发出"充电完成"信号。8)单片机计算10分钟内各单体电池的端电压上升速率，读取存储器中预置的充电过程中各单体电池在不同端电压区段的端电压上升速率，并计算各单体电池实际端电压上升速率与预置的端电压上升速率的差值，各单体电池端电压上升速率的差值均在预置的电池端电压上升速率误差范围内，则执行下一步。否则，单片机向充电开关发出"断开"信号，停止充电，并向指示电路发出"端电压上升速率异常"信号。9)单片机对各单体电池的端电压进行排序，计算最高的端电压和最低的端电压之差值，该差值大于预定的端电压失衡值，则单片机向充电开关发出"断开"信号，停止充电，并向指示电路发出"电压失配"信号;否则，执行下一步。10)单片机检测"均衡标志"，"均衡标志"=0，执行第11)步，否则，执行第12)步。11)单片机计算最高的端电压和最低的端电压之差值。该差值小于规定的均衡启动电压值，则执行第12)步。否则单片机经光电隔离电路向均衡控制电路发出信号，设置均衡电源的输出电流，并将端电压最低的单体电池的编号发送给均衡选通电路，均衡选通电路依据收到的单体电池的编号向与该编号单体电池相连的均衡开关发出"闭合"信号，均衡电源向该编号单体电池进行均衡补流充电。单片机设置"均衡标志"=1并保存均衡选通的单体电池的编号。执行第13)步。12)单片机计算均衡选通电路正在选通的单体电池的端电压与各单体电池最高端电压之差值。该差值为正，则单片机向均衡选通电路发送"断开"信号，均衡选通电路控制所有的均衡开关断开，停止均衡充电，并清"均衡标志"=0;否则，执行下一步。13)单片机读取电流检测和电量计量电路中的当前充电电流，并与预置的充电电流值相比较，差值大于规定的充电电流误差允许值，则单片机经光电隔离电路和充电控制电路反向调整充电电源的输出电压。否则执行下一步。14)单片机通过温度传感器检测各单体电池的温度，各单体电池的温度在预置的电池温度范围内，则单片机执行下一步，否则,单片机向充电开关发送"断开"信号，并指示电路发出"温度异常"信号，提示电池温度异常。15)返回执行第4)步。放电时，参见图1，选择开关拨向"放电"，单片机上电工作，并通过与选择开关的连线检测到选择开关处于"放电"位置，单片机执行放电控制程序，放电过程控制的方法是1)单片机通过检测选通电路、A/D转换电路和电压检测电路检测各单体电池的端电压，各单体电池的端电压大于放电截止电压，则执行下一步。否则，单片机向放电开关发送"断开"信号，并指示电路发出"低电压"信号,提示电压过低。2)单片机通过温度传感器检测各单体电池的温度，各单体电池的温度在预置的电池温度范围内，则单片机执行下一步,否则，单片机向放电开关发送"断开"信号，并指示电路发出"温度异常"信号,提示电池温度异常。3)单片机读取电流检测和电量计量电路中的当前放电电流，并与预置的放电电流保护值相比较。当前放电电流大于放电电流保护值，则单片机向放电开关发送"断开"信号，停止放电，并向指示电路发出"放电过流保护"信号，提示当前放电电流异常。否则，返回第l)步。本实用新型的有益效果是，在每次充电前、充电过程中和充电结束后检测并记录充电过程中电池充电量、端电压、电流、内阻、电池温度、充电时间等参数，计算各参数的变化量和变化速率，并与预置的初始参数进行比较，准确判断电池充电性能的变化程度，对可能出现的电池安全问题进行预警，为充电电池的使用提供了高安全性保障。在充电过程对端电压较低的单体电池进行补流均衡充电，在减小各单体电池的状态差异，提高电池组使用寿命的同时，避免了众知的充电分流均衡技术在充电均衡过程中均衡电路的发热问题，从而大幅度提高了均衡能力，对大容量、大功率电池组的应用具有显著效果。在充电过程中全面记录每次充电过程中电池充电量、端电压、电流、内阻、电池温度、充电时间等参数，从而记录了充电电池整个寿命周期各项电参数的变化过程，为进行电池组失效原因分析提供了数据基础。以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1是本充放电管理装置电路连接框图。图2是本充放电管理装置的单片机程序流程图。具体实施方式本实施例中的串联电池组是电动自行车用锂充电电池组，由10个单体锂离子充电电池组成.新的单体电池串联装配成电池组后，进行一次完整的放电-充电过程，充电电流5安培，并记录充电过程中各单体电池的端电压、内阻、充电时间，依据记录的参数，设计该电池组的预置参数，并存储在存储器中，包括l)各单体电池在不同端电压下的内阻初始值和误差允许值，如表1:表l:各单体电池在不同端电压下的内阻初始值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>内阻误差允许值=15毫欧2)充电过程中各单体电池在不同端电压区段的端电压上升速率和误差允许值，如表2:表2-<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>电压上升速率允许误差=200%3)累计充电量预定值10Ah4)充电电压范围2.5-4.3V5)放电电压范围2.7-4.356)充电截止电压值:4.2V7)放电截止电压值3.0V8)电池温度范围1(TC—55°C9)充电电流值:5A10)充电电流误差允许值:0.5A11)放电电流保护值18A12)均衡电流值2A13)端电压失衡值0.5V参照图l制作电路，充电开关和放电开关采用irf5210P沟道场效应管，用2N5550三极管做场效应管的栅极驱动。声光指示器采用7只发光二极管和一只5V蜂鸣器，分别指示充电过程中电池的不同状态和安全预警信息。通讯接口采用MAX232串行通讯接口集成电路。单片机采用ATMEL公司生产的AT89S52微控制器。存储器采用24C256串行存储器芯片。光电隔离电路采用TLP521-2光电藕合器芯片。选择开关使用双联3位波段开关。A/D转换电路采用MAX1236集成电路芯片。均衡选通电路采用MC14067B16选1模拟开关。均衡开关采用双转换开关触点电磁继电器。充电控制电路和均衡控制电路选用MAX5160数字电位器做控制输入，2N5551三极管做控制输出。充电电源采用220V输入/0-48V输出电压可调的AC/DC开关电源。补流电源采用220V输入/5V2A恒流输出AC/DC开关电源。温度传感器采用LM175数字温度传感器。检测选通电路采用2片MC14067B16选1模拟开关，一片用于模拟输入,连接各电压检测电路的模拟信号输出，另一片连接各电压检测电路的选通输入。电压检测电路，选用ONSEMI公司生产的MC34071比例放大器集成电路。电流检测和计量电路采用DS2751库仑计集成电路。电流传感器采用75mV/20A的电阻分流器。参见图2，编制单片机程序。参见图1连接各部分电路,与串联电池组连接后，接通外部AC220V电源，用选择开关选择充电或放电。权利要求1、一种提高串联电池组安全性和寿命的充放电管理装置，包括单片机、存储器、A/D转换电路、电压检测电路、电量计量和电流检测电路、均衡选通电路、均衡开关和声光指示器，其特征在于单片机与均衡选通电路相连接，均衡选通电路与均衡开关相连接，电压检测电路的输入端连接到被测量的单体电池的正、负电极。2、根据权利要求1所述的一种提高串联电池组安全性和寿命的充放电管理装置，其特征在于-所说的存储器可以是单片机外部的独立的存储器，也可以是单片机内部集成的存储器，存储器中存储了电池组的预置参数，包括串联电池组中各单体电池的内阻初始值、累计充电量预定值、充电截止电压值和放电截止电压值。3、根据权利要求1所述的一种提高串联电池组安全性和寿命的充放电管理装置，其特征在于:所说的均衡开关是双转换触点的电磁继电器。专利摘要一种提高串联电池组安全性和寿命的充放电管理装置，检测并记录充电过程中电池充电量、端电压、内阻、充电时间等参数，计算各参数的变化量和变化速率，并与预置的初始参数进行比较，判断电池充电性能的变化程度，对可能出现的电池安全问题进行预警，充电过程中对端电压较低的单体电池进行补流均衡充电，减小各单体电池的状态差异，提高电池组使用寿命，避免了分流均衡技术的“发热”问题，适合大容量、大功率电池组的应用。文档编号H01M10/44GK201360156SQ20082017788公开日2009年12月9日申请日期2008年11月25日优先权日2008年11月25日发明者赵建和申请人:赵建和