专利名称：多节串联锂离子电池组均衡激活充电电路及电池包的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多节串联锂离子电池组充电电路，具体涉及一种多节串联锂离子电池组均衡激活充电电路及电池包。
背景技术：
近些年来，电动自行车和电动汽车的应用越来越广泛，为它们提供能源的是由多节串联的诸如钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂、钛酸锂等锂离子电池组成的电池组。同时，多种储能电池的应用也越来越广泛。这就产生了为这些多节串联锂离子电池组充电的问题。目前，大多数锂离子电池组都采用串联充电电路。如图1所示，由一个电源模块01为由m节串联的电池组成的电池组充电，形成一个充电回路。其主要问题是当多次充放电后，单节电池之间出现电压不平衡，也就是电压不相等的现象。用户使用一段时间后， 觉得电池组容量减少许多。分析原因是在充电过程中，当电池组中的保护电路02测得其中一节电池的电压达到上限保护值时就切断充电电路，这样就使得大多数电池的电量没有充足；而在放电过程中，当保护电路测得其中一节电池的电压低于下限保护值时便切断电池组电压输出，此时大多数电池的电量还没有放完。这样的情况反复多次后，电池组的使用容量逐渐减少，严重时甚至只能达到额定容量的一半。为解决串联充电中存在的问题，许多电池组采用了并联充电电路。如图2所示，对 m节电池串联的电池组充电，为每节电池并联一个电流源模块01，并且每节电池各用两根导线与电流源模块连接，各形成一个充电回路，共形成m个充电回路。其主要问题有以下几点1)电源模块使用太多造成成本高；2)导线多，线路复杂使得可靠性下降；幻充电电缆压降影响测压精度，4)各电源模块之间的一致性差，使得各节电池充电不均衡。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种多节串联锂离子电池组均衡激活充电电路。本发明提供的充电电路为由m节锂离子电池串联组成的电池组进行充电，m彡2， 各单节电池充满电时达到最高电压Vh。充电电路包括工频变压器，用以将市电转换成与所充电的电池相应的m个次级绕组的输出电压；m个整流桥，用以将交流电进行全波整流形成正弦波直流电；m个测压控制电路，用以检测每节电池的电压并关断充电电路；m+1根导线，用以连接测压控制电路与电池以形成充电回路。在每一组充电电路中，工频变压器的次级绕组的输出电压传送至整流桥的输入端，整流桥的输出端分别连接至测压控制电路的初级的正极和负极，测压控制电路的次级的正极和负极分别连接至电池的正极和负极。相邻的两个测压控制电路的正极和负极相连，共用一条导线连接至相对应的两个电池的正极和负极的连接处，即相邻的两个充电电路共用一条导线。进一步，充电电路还包括由串联的发光二极管LED和稳压二极管ZD组成的指示电路，用以表示相应的电池已经停止充电。本发明的另一个目的是提供一种电池包。
本发明提供的电池包的外壳材料是绝缘材料或绝缘材料加金属材料，在外壳内部封装有由m节串联的锂离子电池组成的电池组以及上述的充电电路。本发明的电池包在为电池充电的同时维护和保养了电池，并且由于减少了电池与充电电路的外接电缆和插头，在降低了成本的同时还提高了可靠性。本发明充电电路的优越性1、采用普通工频变压器和整流桥，成本低可靠性强；2、串充为主，并充为辅，确保每节电池充电量相等3、采用精确“测压控制电路”确保电池不过充；4、单节电池容量有差异的电池组，经一次充电后，便可保证每节电池的电压相等；5、由于采用正弦波直流电充电，对电池有激活作用；6、对已“放死”的单体电池，不用打开电池包处理，在“测压控制电路”的控制下， 可以进行包内“激活”充电。“激活”后的电池可以继续使用；7、每组充电电路都有LED指示灯，根据指示灯先后亮的时间，可判断电池好坏状态；8、相邻的两个充电电路共用一条导线，导线数量减少，可靠性提高。因此，利用“均衡激活充电电路”对多节串联的锂离子电池组进行充电，实现了对各节电池的均衡充电，同时维护和保养了电池组，不但可保证电池组的使用容量不变，而且可以延长电池组的使用寿命，对已“放死”的电池组，经“激活”充电后，大部分电池组可继续使用。由于电路简单可靠，成本很低，维修方便，因此容易产业化生产。
图1是现有技术的串联充电电路的示意图；图2是现有技术的并联充电电路的示意图；图3是根据本发明实施方式的充电电路的示意图；图4是本发明的充电电路的一组充电电路的示意图。
具体实施例方式本发明介绍一种新型充电电路，其核心技术是“串充自动转并充控制电路”。众所周知，在串联充电电路中，充入每节电池的电量相等，而在并联充电电路中容易实现控制每节电池的电压相等，如果能设计这样一种电路，在充电过程中，百分之九十的时间是串联充电，百分之十的时间是并联充电，这样就可以实现每节电池充入的电量相等并且电压也相等的目的。本发明为由m节诸如钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂、钛酸锂等锂离子电池串联组成的电池组进行充电，2，各单节电池充满电时达到最高电压Vh。如图3 所示，充电电路包括工频变压器101，用以将市电转换成与所充电的电池相应的m个次级绕组的输出电压；m个整流桥102，用以将交流电进行全波整流形成正弦波直流电；m个测压控制电路103，用以检测每节电池的电压并关断充电电路；m+1根导线，用以连接测压控制电路103与电池以形成充电回路。在每一组充电电路中，工频变压器101的次级绕组的输出电压传送至整流桥102的输入端，整流桥102的输出端分别连接至测压控制电路103 的初级的正极和负极，测压控制电路103的次级的正极和负极分别连接至电池的正极和负极。相邻的两个测压控制电路103的正极和负极相连，共用一条导线连接至相对应的两个电池的正极和负极的连接处，即相邻的两个充电电路共用一条导线。全波整流形成的直流电压的峰值电压Vp略高于最高电压Vh。采用工频变压器而不是电流源模块，可以降低成本。经整流桥102输出正弦波直流电，采用正弦波直流电来进行充电有两个好处一是电路简单可靠，二是脉动充电电流对电池有激活作用。测压控制电路103包括电桥电路、运算放大器OpAmp和MOS晶体管，如图4所示， 用以检测电池的电压，并关断充电电路。电桥电路的输入端作为测压控制电路的次级的正极和负极分别连接至电池的正极和负极，电桥电路的输出端连接至运算放大器，运算放大器的输出电压传送至MOS晶体管的栅极，MOS晶体管作为控制开关串联在测压控制电路中接至整流桥的输出端。当电池的电压达到最高电压Vh时，电桥电路检测到这个电压，并传送至运算放大器，运算放大器的输出电压变为高电平，MOS晶体管关断，充电电路断开，相应的电池停止充电。进一步，在整流桥102的输出端之间并联一个指示电路，用以表示相应的电池已经停止充电。如图4所示，指示电路包括串联的发光二极管LED和稳压二极管ZD。当所对应的电池的电压达到最高电压Vh时，MOS晶体管关断，工频变压器的空载的次级绕组的电压升高，整流后的直流电压升高，稳压二极管ZD被击穿，LED发光，表示电池达到最高电压并停止充电。进一步，在整流桥102的输出端之间并联一个电容器C，如图4所示，用以保证测压控制电路不再二次启动。将上述充电电路与由m节串联的锂离子电池组成的电池组一起封装在一个外壳内，构成了本发明的电池包，其中2。外壳的材料是绝缘材料或绝缘材料加金属材料，电池为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂、钛酸锂等锂离子电池中的一种下面用12节电池串联的电池组为例，具体说明充电过程。每节电池的最高电压为 3. 60V。接通市电交流电220V后，工频变压器的12个次级绕组的输出电压经12个整流桥整流后的直流电压的峰值电压为4V，分别加到12个测压控制电路，如果每节电池的电压都低于3. 60V, 12个测压控制电路全部接通，将12路整流后的电压串联起来，总电压约60V左右，通过1号导线和13号导线向电池组串联充电，此时只有1个串联充电的回路。当电池组中某节电池达到3. 60V时，对应的测压控制电路测得此电压并关断对应的充电电路。例如5号电池首先达到3. 60V，对应的5号测压控制电路关断第5组充电电路，5号电池停止充电，而其他电池继续充电。与开始不同的是，此时有两个串联充电回路，一路是由1号导线和5号导线组成的充电回路，另一路是由6号导线与13号导线组成的充电回路。继续充电，当9号电池电压达到3. 60V时，对应的9号测压控制电路关断第9组整流输出电路，9号电池停止充电。此时已形成3个充电回路，1号导线和5号导线形成1个回路，6号导线和 9号导线形成1个回路，10号导线和13号导线形成1个回路，继续充电，以此类推，直到所有电池都充到3. 60V为止。整个充电过程中，大部分时间是串联充电，这就保证了对每节电池的充电的电量相等。在结束充电过程中，由测压控制电路控制单节电池的停充，由于在串联充电过程中2至12号导线没有电流，测压控制电路测得的电压就是电池电压，没有线路压降的影响，这样就保证了 2至11号电池停充电压的精度。1号电池和12号电池由于1号导线和13号导线有线路压降的影响，充电的时间要长一些，但最后停充时的电压与其他电池相等。 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1.一种充电电路，用来为由m节钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂、钛酸锂等锂离子电池串联组成的电池组进行充电，其特征在于，所述充电电路包括工频变压器， 用以将市电转换成与所充电的电池相应的m个次级绕组的输出电压；m个整流桥，用以将交流电进行全波整流形成正弦波直流电；m个测压控制电路，用以检测每节电池的电压并关断充电电路；m+1根导线，用以连接测压控制电路与电池以形成充电回路；在每一组充电电路中，工频变压器的输出电压传送至整流桥的输入端，整流桥的输出端分别连接至测压控制电路的初级的正极和负极，测压控制电路的次级的正极和负极分别连接至电池的正极和负极，相邻的两个测压控制电路的正极和负极相连，共用一条导线连接至相对应的两个电池的正极和负极的连接处，其中m彡2。
2.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于，全波整流形成的直流电压的峰值电压 Vp略高于电池的最高电压Vh。
3.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述测压控制电路包括电桥电路、运算放大器和MOS晶体管，所述电桥电路的输入端作为所述测压控制电路的次级的正极和负极分别连接至电池的正极和负极，所述电桥电路的输出端连接至所述运算放大器，所述运算放大器的输出电压传送至所述MOS晶体管的栅极，所述MOS晶体管作为控制开关串联在所述测压控制电路中接至整流桥的输出端。
4.如权利要求3所述的充电电路，其特征在于，当电池的电压达到最高电压Vh时，所述电桥电路检测到这个电压，并传送至所述运算放大器，所述运算放大器的输出电压变为高电平，此时MOS晶体管关断，充电电路断开，相应的电池停止充电。
5.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于，进一步包括指示电路，所述指示电路并联在所述整流桥的输出端，所述指示电路包括串联的发光二极管LED和稳压二极管ZD。
6.如权利要求5所述的充电电路，其特征在于，当所对应的电池的电压达到最高电压 Vh时，所述MOS晶体管关断，所述工频变压器的空载的次级绕组的电压升高，整流后的直流电压升高，所述稳压二极管ZD被击穿，所述LED发光，表示电池达到最高电压Vh并停止充 H1^ ο
7.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于，进一步包括电容器，所述电容器并联在整流桥的输出端，用以保证所述测压控制电路不再二次启动。
8.一种电池包，其主体包括一个外壳，其特征在于，在所述外壳的内部封装有由m节锂离子电池组成的电池组以及如权利1至7之一所述的充电电路，其中m彡2。
9.如权利要求8所述的电池包，其特征在于，所述电池为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂、钛酸锂等锂离子电池中的一种。
10.如权利要求8所述的电池包，其特征在于，所述外壳的材料是绝缘材料或绝缘材料加金属材料。
全文摘要
本发明公开了一种多节串联锂离子电池组均衡激活充电电路及电池包。该充电电路为由m节锂离子电池串联组成的电池组进行充电，包括工频变压器，用以将市电转换成与所充电的电池相应的m个次级绕组的输出电压；m个整流桥，用以将交流电进行全波整流形成正弦波直流电；m个测压控制电路，用以检测每节电池的电压并关断充电电路；m+1根导线，用以连接测压控制电路与电池以形成充电回路。本发明实现了对各节电池的均衡充电，同时维护和保养了电池组，不但可保证电池组的使用容量不变，而且可以延长电池组的使用寿命，对已“放死”的电池组，经“激活”充电后，大部分电池组可继续使用；而且电路简单可靠，成本低，维修方便，容易产业化生产。
文档编号H02J7/02GK102185365SQ201110140019
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者宋锴, 汪宏志, 王玉鑫 申请人:北京欧满德科技发展有限公司