專利名稱：：一種提高串聯電池組安全性和壽命的充放電管理裝置的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種串聯電池組充放電管理裝置，特別涉及采用單片機(singlechipmicrocomputer)控制的一種提高串聯電池組安全性和壽命的充放電管理裝置。
背景技術：
：串聯鋰充電電池組廣泛用于電動汽車、電動自行車、電動工具等。串聯的充電電池組，特別是大容量、大功率的串聯電池組，充電和放電過程的安全管理和控制極為重要，不僅關系到電池的有效使用壽命，更關系到電池供電設備的安全和使用者的人身安全。CN101039039A公布了一種電池組充電平衡管理系統，其工作方法是對連接好的串聯電池組充電的同時，檢測電池組中各個單體電池的端電壓，當某單體電池的端電壓較高時，通過與該單體電池并聯的均衡電路對該電池進行充電分流，減低該單體電池的充電速度和端電壓上升速度，使各單體電池端電壓趨于均衡一致，以此避免因串聯電池組中各單體電池的充放電特性的差異影響電池組的壽命。由于在充電分流時與單體電池并聯的均衡電路消耗部分充電電能，均衡電路發熱，均衡電路的均衡能力受到限制。對于大容量、大功率電池，大電流充電時，均衡電路均衡能力不能滿足實際需要。在充電電池的壽命后期，電池內部性能逐漸劣化，電池內阻升高，充電和放電過程中電池會嚴重發熱，甚至爆炸。眾知的串聯電池組充電和放電管理技術雖然可以在電池溫度異常升高時切斷外部充電或放電通路，但此時電池本身已經處于不安全狀態，切斷充電或放電通路不能阻止電池內部異常的電化學反應過程，電池繼續發熱甚至爆炸的危險依然存在。在電池溫度異常升高時，突然切斷放電通路，對于需要連續供電的設備，如電動汽車，可能造成設備運行的安全問題。研究表明，隨電池充電-放電循環次數的增加，電池容量下降，電池的內阻增加，電池內部性能劣化直至最終徹底失效的過程是一個逐漸累積的過程，在每次充電過程中通過測量電池的內阻及電壓、電流、容量等參數，并對各參數的變化量、變化速度進行對比分析，判斷電池內部性能劣化的程度，可以對電池壽命及可能出現的安全問題予以預警。
實用新型內容本實用新型提出了一種提高串聯電池組安全性和壽命的充放電管理裝置，本裝置以單片機為控制核心，檢測充電和放電過程的各種參數，包括串聯電池組中各單體電池的端電壓、溫度及電池組的電壓、電流和電量，對測得的參數進行分析，依據分析的結果對充電和放電過程實施控制，實現充電和放電終止電壓保護，溫度保護，過流保護。在充電過程中，通過對端電壓較低的單體電池進行補流的方法，使串聯電池組中各單體電池端電壓均衡一致，避免由于各單體電池特性差異對電池組的壽命影響。本裝置在每次充電過程前、充電過程中及充電結束后測量并記錄電池組中各單體電池的端電壓、端電壓上升速率、充電電流、充電量和電池內阻，并與之前充電時測量和記錄的參數進行對比，分析電池組的充電量及各單體電池的內阻、端電壓、端電壓上升速率的變化量，判斷電池內部性能逐漸劣化的過程和程度，對電池的失效及可能出現的安全問題予以預警。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是為減小單體電池的特性差異對電池組壽命的影響，對電池組可能出現的安全問題予以預警。在存儲器中預先存儲各單體電池在不同端電壓下的內阻初始值和誤差允許值、充電過程中各單體電池在不同端電壓區段的端電壓上升速率和誤差允許值、累計充電量預定值、充電電壓范圍、放電電壓范圍、充電截止電壓值、放電截止電壓值、電池溫度范圍、充電電流值和充電電流誤差允許值、放電電流保護值、均衡啟動電壓值、端電壓失衡值等參數。在充電過程中單片機對串聯電池組及串聯電池組中的各單體電池的電參數進行檢測，判定電池狀態，控制充電過程，對端電壓較低的單體電池實施補流均衡充電。放電過程中，檢測各單體電池的端電壓、溫度和電池組的放電電流，實施放電過流保護、放電溫度保護和放電低電壓保護。單片機與選擇開關、溫度傳感器、存儲器、A/D轉換電路、檢測選通電路、均衡選通電路、電流檢測和電量計量電路、光電隔離電路、指示電路、充電開關、放電開關相連接,A/D轉換電路與檢測選通電路相連接，電壓檢測電路的輸入端連接到被測量的單體電池的正、負電極。光電隔離電路與充電控制電路、均衡控制電路相連接。選擇開關使用雙聯3位波段開關，選擇充電或放電過程。充電時，參見圖l，選擇開關撥向"充電"，單片機上電工作，并通過與選擇開關的連線檢測到選擇開關處于"充電"位置，單片機執行充電控制程序，充電控制的方法是1)單片機清"均衡標志"為o，2)單片機通過檢測選通電路、A/D轉換電路和電壓檢測電路檢測各單體電池的端電壓，通過溫度傳感器檢測各單體電池的溫度，各單體電池的端電壓及溫度均在充電電壓范圍和電池溫度范圍內，單片機執行下一步,否則，單片機向指示電路發出信號,提示電壓或溫度異常。3)單片機檢測各單體電池的內阻，具體方法是單片機檢測各單體電池的端電壓Ull，U12…U1N并通過電流檢測和電量計量電路檢測當前電池組的電流I1，存儲在存儲器中。單片機依據各單體電池的端電壓之和，經光電隔離電路和充電控制電路設置充電電源的輸出電壓，并向充電開關發出"閉合"信號，再次檢測各單體電池的端電壓U21，U22…U2N和電池組的電流I2后，向充電開關發出"斷開"信號，關斷充電電流。按下面的公式計算各單體電池的內阻。Ri=(U2i—Uu)/(I2—I,)單片機將計算得到的各單體電池的內阻與存儲器中預先存儲的各單體電池的內阻初始值相比較，差值超過預定的誤差允許值，單片機向指示電路發出信號，提示內阻異常。否則，將本次測得的各單體電池的內阻值存儲在存儲器中，執行下一步。4)單片機向充電開關發出"閉合"信號，開啟充電，并啟動充電計時和充電量計量，執行下一步。5)單片機檢測并存儲各單體電池的端電壓，各單體電池的端電壓均未達到預置的充電截止電壓，執行第8)步。否則，單片機向充電開關發出"斷開"信號，停止充電。按照第3)步所說的方法測量每個單體電池的內阻，將結果存儲到存儲器中，與存儲器中預先存儲的各單體電池的內阻初始值相比較，差值超過規定值，執行第7)步，否則，執行下一步。6)將本次測得的各單體電池的內阻值存儲在存儲器中，單片機讀取電流檢測和電量計量電路中的本次充電量，計算累計充電量，存儲在存儲器中，累計充電量達到累計充電量預定值，則向指示電路發出"壽命警示"信號。7)單片機向指示電路發出信號,提示內阻異常。并向指示電路發出"充電完成"信號。8)單片機計算10分鐘內各單體電池的端電壓上升速率，讀取存儲器中預置的充電過程中各單體電池在不同端電壓區段的端電壓上升速率，并計算各單體電池實際端電壓上升速率與預置的端電壓上升速率的差值，各單體電池端電壓上升速率的差值均在預置的電池端電壓上升速率誤差范圍內，則執行下一步。否則，單片機向充電開關發出"斷開"信號，停止充電，并向指示電路發出"端電壓上升速率異常"信號。9)單片機對各單體電池的端電壓進行排序，計算最高的端電壓和最低的端電壓之差值，該差值大于預定的端電壓失衡值，則單片機向充電開關發出"斷開"信號，停止充電，并向指示電路發出"電壓失配"信號;否則，執行下一步。10)單片機檢測"均衡標志"，"均衡標志"=0，執行第11)步，否則，執行第12)步。11)單片機計算最高的端電壓和最低的端電壓之差值。該差值小于規定的均衡啟動電壓值，則執行第12)步。否則單片機經光電隔離電路向均衡控制電路發出信號，設置均衡電源的輸出電流，并將端電壓最低的單體電池的編號發送給均衡選通電路，均衡選通電路依據收到的單體電池的編號向與該編號單體電池相連的均衡開關發出"閉合"信號，均衡電源向該編號單體電池進行均衡補流充電。單片機設置"均衡標志"=1并保存均衡選通的單體電池的編號。執行第13)步。12)單片機計算均衡選通電路正在選通的單體電池的端電壓與各單體電池最高端電壓之差值。該差值為正，則單片機向均衡選通電路發送"斷開"信號，均衡選通電路控制所有的均衡開關斷開，停止均衡充電，并清"均衡標志"=0;否則，執行下一步。13)單片機讀取電流檢測和電量計量電路中的當前充電電流，并與預置的充電電流值相比較，差值大于規定的充電電流誤差允許值，則單片機經光電隔離電路和充電控制電路反向調整充電電源的輸出電壓。否則執行下一步。14)單片機通過溫度傳感器檢測各單體電池的溫度，各單體電池的溫度在預置的電池溫度范圍內，則單片機執行下一步，否則,單片機向充電開關發送"斷開"信號，并指示電路發出"溫度異常"信號，提示電池溫度異常。15)返回執行第4)步。放電時，參見圖1，選擇開關撥向"放電"，單片機上電工作，并通過與選擇開關的連線檢測到選擇開關處于"放電"位置，單片機執行放電控制程序，放電過程控制的方法是1)單片機通過檢測選通電路、A/D轉換電路和電壓檢測電路檢測各單體電池的端電壓，各單體電池的端電壓大于放電截止電壓，則執行下一步。否則，單片機向放電開關發送"斷開"信號，并指示電路發出"低電壓"信號,提示電壓過低。2)單片機通過溫度傳感器檢測各單體電池的溫度，各單體電池的溫度在預置的電池溫度范圍內，則單片機執行下一步,否則，單片機向放電開關發送"斷開"信號，并指示電路發出"溫度異常"信號,提示電池溫度異常。3)單片機讀取電流檢測和電量計量電路中的當前放電電流，并與預置的放電電流保護值相比較。當前放電電流大于放電電流保護值，則單片機向放電開關發送"斷開"信號，停止放電，并向指示電路發出"放電過流保護"信號，提示當前放電電流異常。否則，返回第l)步。本實用新型的有益效果是，在每次充電前、充電過程中和充電結束后檢測并記錄充電過程中電池充電量、端電壓、電流、內阻、電池溫度、充電時間等參數，計算各參數的變化量和變化速率，并與預置的初始參數進行比較，準確判斷電池充電性能的變化程度，對可能出現的電池安全問題進行預警，為充電電池的使用提供了高安全性保障。在充電過程對端電壓較低的單體電池進行補流均衡充電，在減小各單體電池的狀態差異，提高電池組使用壽命的同時，避免了眾知的充電分流均衡技術在充電均衡過程中均衡電路的發熱問題，從而大幅度提高了均衡能力，對大容量、大功率電池組的應用具有顯著效果。在充電過程中全面記錄每次充電過程中電池充電量、端電壓、電流、內阻、電池溫度、充電時間等參數，從而記錄了充電電池整個壽命周期各項電參數的變化過程，為進行電池組失效原因分析提供了數據基礎。以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖1是本充放電管理裝置電路連接框圖。圖2是本充放電管理裝置的單片機程序流程圖。具體實施方式本實施例中的串聯電池組是電動自行車用鋰充電電池組，由10個單體鋰離子充電電池組成.新的單體電池串聯裝配成電池組后，進行一次完整的放電-充電過程，充電電流5安培，并記錄充電過程中各單體電池的端電壓、內阻、充電時間，依據記錄的參數，設計該電池組的預置參數，并存儲在存儲器中，包括l)各單體電池在不同端電壓下的內阻初始值和誤差允許值，如表1:表l:各單體電池在不同端電壓下的內阻初始值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>內阻誤差允許值=15毫歐2)充電過程中各單體電池在不同端電壓區段的端電壓上升速率和誤差允許值，如表2:表2-<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>電壓上升速率允許誤差=200%3)累計充電量預定值10Ah4)充電電壓范圍2.5-4.3V5)放電電壓范圍2.7-4.356)充電截止電壓值:4.2V7)放電截止電壓值3.0V8)電池溫度范圍1(TC—55°C9)充電電流值:5A10)充電電流誤差允許值:0.5A11)放電電流保護值18A12)均衡電流值2A13)端電壓失衡值0.5V參照圖l制作電路，充電開關和放電開關采用irf5210P溝道場效應管，用2N5550三極管做場效應管的柵極驅動。聲光指示器采用7只發光二極管和一只5V蜂鳴器，分別指示充電過程中電池的不同狀態和安全預警信息。通訊接口采用MAX232串行通訊接口集成電路。單片機采用ATMEL公司生產的AT89S52微控制器。存儲器采用24C256串行存儲器芯片。光電隔離電路采用TLP521-2光電藕合器芯片。選擇開關使用雙聯3位波段開關。A/D轉換電路采用MAX1236集成電路芯片。均衡選通電路采用MC14067B16選1模擬開關。均衡開關采用雙轉換開關觸點電磁繼電器。充電控制電路和均衡控制電路選用MAX5160數字電位器做控制輸入，2N5551三極管做控制輸出。充電電源采用220V輸入/0-48V輸出電壓可調的AC/DC開關電源。補流電源采用220V輸入/5V2A恒流輸出AC/DC開關電源。溫度傳感器采用LM175數字溫度傳感器。檢測選通電路采用2片MC14067B16選1模擬開關，一片用于模擬輸入,連接各電壓檢測電路的模擬信號輸出，另一片連接各電壓檢測電路的選通輸入。電壓檢測電路，選用ONSEMI公司生產的MC34071比例放大器集成電路。電流檢測和計量電路采用DS2751庫侖計集成電路。電流傳感器采用75mV/20A的電阻分流器。參見圖2，編制單片機程序。參見圖1連接各部分電路,與串聯電池組連接后，接通外部AC220V電源，用選擇開關選擇充電或放電。權利要求1、一種提高串聯電池組安全性和壽命的充放電管理裝置，包括單片機、存儲器、A/D轉換電路、電壓檢測電路、電量計量和電流檢測電路、均衡選通電路、均衡開關和聲光指示器，其特征在于單片機與均衡選通電路相連接，均衡選通電路與均衡開關相連接，電壓檢測電路的輸入端連接到被測量的單體電池的正、負電極。2、根據權利要求1所述的一種提高串聯電池組安全性和壽命的充放電管理裝置，其特征在于-所說的存儲器可以是單片機外部的獨立的存儲器，也可以是單片機內部集成的存儲器，存儲器中存儲了電池組的預置參數，包括串聯電池組中各單體電池的內阻初始值、累計充電量預定值、充電截止電壓值和放電截止電壓值。3、根據權利要求1所述的一種提高串聯電池組安全性和壽命的充放電管理裝置，其特征在于:所說的均衡開關是雙轉換觸點的電磁繼電器。專利摘要一種提高串聯電池組安全性和壽命的充放電管理裝置，檢測并記錄充電過程中電池充電量、端電壓、內阻、充電時間等參數，計算各參數的變化量和變化速率，并與預置的初始參數進行比較，判斷電池充電性能的變化程度，對可能出現的電池安全問題進行預警，充電過程中對端電壓較低的單體電池進行補流均衡充電，減小各單體電池的狀態差異，提高電池組使用壽命，避免了分流均衡技術的“發熱”問題，適合大容量、大功率電池組的應用。文檔編號H01M10/44GK201360156SQ20082017788公開日2009年12月9日申請日期2008年11月25日優先權日2008年11月25日發明者趙建和申請人:趙建和