專利名稱：具有均衡充電和保護功能的電動助力車鋰電池組的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鋰電池組，特別是涉及一種具有均衡充電和保護功能的電動助力車鋰電池組。
背景技術：
近年來，世界各國都非常重視環境保護，為了減少機動車造成的環境污染，許多城市都限制了摩托車的行駛范圍，因此，各國都在大力發展電動車輛，以取代摩托車的部分功能。目前，我國的電動助力車年產量已達400萬輛，電動助力車的數量已達數千萬輛。但是實踐證明，采用鉛酸蓄電池的電動助力車存在許多嚴重的缺點，主要是電池組不僅體積大，而且特別重，輕型助力車的電池組重量約為13公斤，電動摩托車用電池組的重量可達20公斤以上，由于每天必須把電池組提回家中充電，使用非常不方便。此外，鉛酸蓄電池的壽命很短，往往用不到一年就需要更換新的電池組。
多年來，許多專家都希望能夠將鋰離子電池應用于電動助力車，但是原有的鋰離子電池直接應用在電動助力車上，有可能出現燃燒或爆炸等嚴重的安全問題，使得上述愿望一直未能實現。同時，原有的鋰離子電池都是采用鈷酸鋰作為正極材料，電池的價格非常昂貴，一般用戶難以接受。
發明內容
本實用新型的目的是解決上述問題，提供一種性能安全的具有均衡充電和保護功能的電動助力車鋰電池組。
本實用新型的電動助力車鋰電池組是由三組鋰電池串聯組成的，每組鋰電池又由三只單體鋰電池串聯構成，在每組鋰電池上均連接有一個由充放電控制開關管和保護電路組成的均衡充放電控制電路。
其中的保護電路包括有集成芯片IC1(S-8233A)和控制開關管MOSFET1、MOSFET2、MOSFET3，MOSFET1串聯電阻R8、MOSFET2串聯電阻R9、MOSFET3串聯電阻R1O，分別并聯在單體鋰電池E1、E2、E3上，組成E1、E2、E3的容量均衡電路；MOSFET1、MOSFET2、MOSFET3分別與集成芯片IC1的CD1、CD2、CD3腳連接。同時，IC1的VCC腳連接單體鋰電池E1的正極、VC1腳串聯電阻R1后，連接單體鋰電池E2的正極、VC2腳串聯電阻R2后，連接單體鋰電池E3的正極、VSS腳串聯電阻R3后，與單體鋰電池E3的負極連接；在IC1的VCC腳與VC1腳之間還并聯有電容C1、VC1腳與VC2腳之間還并聯有電容C2、VC2腳與VSS腳之間還并聯有電容C3；IC1的VSS腳接地。集成芯片IC1的CCT腳、CDT腳和COVT腳分別串聯電容C4、C5、C6后接地，CDT腳還串聯控制開關管MOSFET-C后接地，其余CTL腳串聯電阻R7，VMP腳串聯電阻R5后連接EB+。
所述的充放電控制開關管包括放電控制開關管MOSFET-A和充電控制開關管MOSFET-B，MOSFET-A和MOSFET-B一起串聯在單體鋰電池E1的正極與EB+之間，MOSFET-A連接集成芯片IC1的DOP腳，MOSFET-B與IC1的COP腳連接，在IC1的COP腳與EB+之間還連接有電阻R6。
在電動助力車的運行過程中，需要及時了解電池組的現有電量，以便于決定是否需要充電，因此，本實用新型在鋰電池組上還連接有容量顯示電路。所述的容量顯示電路包括運算放大器IC2、IC3、IC4、IC5和發光管VD1、VD2、VD3、VD4，電阻R21與R22、R23、R24、R25串聯，電阻R26與R27、R28、R29、R30串聯，并同時并聯在電池組E的兩端。分別從電阻R21、R22之間抽頭接入運算放大器IC2的反相輸入端，從電阻R22、R23之間抽頭接入IC3的反相輸入端，從電阻R23、R24之間抽頭接入IC4的反相輸入端，從電阻R24、R25之間抽頭接入IC5的反相輸入端，從電阻R26、R27之間抽頭連接電阻R15后接入IC2的同相輸入端，從電阻R27、R28之間抽頭接入IC3的同相輸入端，從電阻R28、R29之間抽頭接入IC4的同相輸入端，從電阻R29、R30之間抽頭接入IC5的同相輸入端；運算放大器IC2的輸出端與發光管VD4和電阻R11串聯、IC3的輸出端與發光管VD3和電阻R12串聯、IC4的輸出端與發光管VD2和電阻R13串聯、IC5的輸出端與發光管VD1和電阻R14串聯后，一起接入電池組E的正極。運算放大器IC4的反相輸入端腳8連接電池組E的正極，同相輸入端腳1與電池組E的負極連接，并接地；穩壓二極管VD5與VD6串聯后并聯在電阻R27、R28、R29、R30串聯電路的兩端。
本實用新型的鋰電池組采用錳酸鋰作為正極材料。通常人們一直認為錳酸鋰電池的循環壽命較低，但是采用本實用新型的均衡充放電控制電路后，改善了鋰電池組的充放電控制技術，使得鋰電池組的循環壽命大大延長，經國家權威機構檢測，目前循環壽命已達到600次以上，可以滿足電動助力車運行兩年的需求，壽命比原來的鉛酸蓄電池延長了一倍以上。
同時，經國家權威機構檢測，本實用新型的鋰電池組安全性能顯著提高，消除了燃燒或爆炸的隱患，在電動助力車上經過一年多的實際運行，取得了滿意的效果。
本實用新型的鋰電池組與原來的鈷酸鋰電池相比，在安全性能大大提高的基礎上，成本也大幅度的降低。雖然本實用新型鋰電池組的體積比鈷酸鋰電池稍大，但是與原來的鉛酸蓄電池相比，鋰電池組的體積還是大大減小了，同時，電池組的重量也由13kg減小到了2kg。
為了便于用戶選用新型的鋰電池組，本實用新型將滿足鋰電池要求的均衡充放電控制電路裝入了電池組中，這樣即可采用原有的鉛酸蓄電池充電器對本實用新型的鋰電池組充電，減少了更換新型鋰電池組的費用。
圖1是本實用新型鋰電池組的原理框圖；圖2是本實用新型鋰電池組的均衡充放電控制電路示意圖；圖3是鋰電池組現有容量顯示電路示意圖。
具體實施方式
電動助力車鋰電池組的工作電壓為36V，錳酸鋰電池的過充電保護電壓設置為4.35V，因此，9只串聯鋰電池的過充電保護電壓可達4.35×9＝39.15V，可以滿足36V電動機的要求。為了實現單體鋰電池的過充放電保護，本實用新型的鋰電池組內裝有三組串聯的鋰電池，每組鋰電池又由三只單體鋰電池E1、E2、E3串聯構成，在每組鋰電池上均連接有一個由充放電控制開關管2和保護電路1組成的均衡充放電控制電路；同時，還在鋰電池組上串聯有一個容量顯示電路3。電動助力車鋰電池組的均衡充放電和保護原理如圖1所示。
其中的保護電路包括有一個型號為S-8233A的集成芯片IC1和控制開關管MOSFET1、MOSFET2、MOSFET3，MOSFET1串聯電阻R8、MOSFET2串聯電阻R9、MOSFET3串聯電阻R10，分別并聯在單體鋰電池E1、E2、E3上，組成E1、E2、E3的容量均衡電路；MOSFET1、MOSFET2、MOSFET3分別與集成芯片IC1的CD1、CD2、CD3腳連接。同時，IC1的VCC腳連接單體鋰電池E1的正極、VC1腳串聯電阻R1后，連接單體鋰電池E2的正極、VC2腳串聯電阻R2后，連接單體鋰電池E3的正極、VSS腳串聯電阻R3后，與單體鋰電池E3的負極連接；在IC1的VCC腳與VC1腳之間還并聯有電容C1、VC1腳與VC2腳之間還并聯有電容C2、VC2腳與VSS腳之間還并聯有電容C3；IC1的VSS腳接地。
MOSFET-A為放電控制開關管，MOSFET-B為充電控制開關管，MOSFET-A和MOSFET-B一起串聯在單體鋰電池E1的正極與EB+之間，MOSFET-A連接集成芯片IC1的DOP腳，MOSFET-B與IC1的COP腳連接，在IC1的COP腳與EB+之間還連接有電阻R6。
集成芯片IC1的VMP腳串聯電阻R5后，與EB+連接；CTL腳上串聯電阻R7，R7的另一端接地時，鋰電池組正常工作，懸空時則封鎖鋰電池組的充放電；CCT腳串聯電容C4后接地，用于設定鋰電池組的過充電延時時間；CDT腳串聯電容C5后接地，用于設定鋰電池組的過放電延時時間；COVT腳串聯電容C6后接地，用于設定鋰電池組的過流延時時間；CDT腳還串聯控制開關管MOSFET-C后接地，當MOSFET-C輸出為高電平時，封鎖系統的過放電檢測。
鋰電池組的均衡充放電和保護原理是，在充放電過程中，保護電路中集成芯片IC1的VCC、VC1、VC2腳分別連續檢測三只單體鋰電池E1、E2、E3的電壓和充放電電流，并將檢測值送入保護電路，由保護電路控制充放電控制開關管控制鋰電池組的充放電。鋰電池組充電時，當某一只單體鋰電池的電壓首先達到4.30V時，與該單體鋰電池相連的MOSFET導通，該單體鋰電池的部分充電電流被旁路，電壓上升緩慢；而其他單體鋰電池的充電電流保持不變，電壓上升相對較快，從而可實現三只單體鋰電池的均衡充電；當任意一只單體鋰電池的電壓超過4.35V時，充電控制開關管MOSFET-B關斷充電電路，防止電池因過充電而損壞。鋰電池組放電時，當任意一只單體鋰電池的電壓低于3.0V時，放電控制開關管MOSFET-A關斷放電電路，防止電池因過放電而影響壽命。當鋰電池組的充放電電流過大時，充放電控制開關管關斷充放電電路，防止因充放電電流過大而損壞電池或負載。鋰電池組的均衡充放電控制電路圖如圖2所示。
在電動助力車的運行過程中，需要及時了解鋰電池組的現有電量，以便于決定是否需要充電，鋰電池組上的現有容量顯示電路如圖3所示，包括運算放大器IC2、IC3、IC4、IC5和發光管VD1、VD2、VD3、VD4，電阻R21與R22、R23、R24、R25串聯，電阻R26與R27、R28、R29、R30串聯，并同時并聯在電池組E的兩端。分別從電阻R21、R22之間抽頭接入運算放大器IC2的反相輸入端，從電阻R22、R23之間抽頭接入IC3的反相輸入端，從電阻R23、R24之間抽頭接入IC4的反相輸入端，從電阻R24、R25之間抽頭接入IC5的反相輸入端，從電阻R26、R27之間抽頭連接電阻R15后接入IC2的同相輸入端，從電阻R27、R28之間抽頭接入IC3的同相輸入端，從電阻R28、R29之間抽頭接入IC4的同相輸入端，從電阻R29、R30之間抽頭接入IC5的同相輸入端；運算放大器IC2的輸出端與發光管VD4和電阻R11串聯、IC3的輸出端與發光管VD3和電阻R12串聯、IC4的輸出端與發光管VD2和電阻R13串聯、IC5的輸出端與發光管VD1和電阻R14串聯后，一起接入電池組E的正極。運算放大器IC4的反相輸入端腳8連接電池組E的正極，同相輸入端腳1與電池組E的負極連接，并接地；穩壓二極管VD5與VD6串聯后并聯在電阻R27、R28、R29、R30串聯電路的兩端。
現有容量顯示電路的工作原理為，四只發光管VD1、VD2、VD3和VD4分別指示電池現有容量為額定容量的25％、50％、75％和100％，這四只發光管分別由型號為LM324的四只運算放大器控制，在每只運算放大器的同相輸入端加入不同的基準電壓Vref1、Vref2、Vref3和Vref4，電池組的采樣電壓加到運算放大器的反相輸入端。當電池組充足電時，電池采樣電壓最高，四只運算放大器都輸出高電平，四只發光管發光，顯示電池的現有容量為額定容量的100％，放電過程中，電池組的電壓逐漸降低，當下降到設定數值后，表示100％容量的發光管VD4熄滅，其他三只發光管發光，電池現有容量只有額定容量的75％；再繼續放電，表示75％容量的發光管VD3熄滅，其他兩只發光管發光，電池現有容量只有額定容量的50％，以此類推，當只有一只發光管發光時，電池現有容量只有額定容量的25％，通常此時，應對電池組進行充電。
權利要求1.一種具有均衡充電和保護功能的電動助力車鋰電池組，其特征是鋰電池組由三組鋰電池串聯組成，每組鋰電池又由三只單體鋰電池串聯構成，在每組鋰電池上均連接有一個由充放電控制開關管和保護電路組成的均衡充放電控制電路。
2.根據權利要求1所述的具有均衡充電和保護功能的電動助力車鋰電池組，其特征是在鋰電池組上還連接有容量顯示電路。
3.根據權利要求1所述的具有均衡充電和保護功能的電動助力車鋰電池組，其特征是所述的保護電路包括有集成芯片IC1和控制開關管MOSFET1、MOSFET2、MOSFET3，MOSFET1串聯電阻R11、MOSFET2串聯電阻R12、MOSFET3串聯電阻R13，分別并聯在單體鋰電池E1、E2、E3上；MOSFET1、MOSFET2、MOSFET3分別連接在集成芯片IC1的CD1、CD2、CD3腳上；IC1的VCC腳與單體鋰電池E1的正極連接、VC1腳串聯電阻R1后，與E2的正極連接、VC2腳串聯電阻R2后，與E3的正極連接、VSS腳串聯電阻R3后，與E3的負極連接；在IC1的VCC腳與VC1腳之間并聯電容C1、VC1腳與VC2腳之間并聯電容C2、VC2腳與VSS腳之間并聯電容C3；IC1的VSS腳接地；所述的充放電控制開關管電路包括放電控制開關管MOSFET-A和充電控制開關管MOSFET-B，MOSFET-A和MOSFET-B一起串聯在E1的正極與EB+之間，MOSFET-A連接IC1的DOP腳，MOSFET-B與IC1的COP腳連接，在IC1的COP腳與EB+之間還連接有電阻R6。
4.根據權利要求2所述的具有均衡充電和保護功能的電動助力車鋰電池組，其特征是所述的容量顯示電路包括運算放大器IC2、IC3、IC4、IC5和發光管VD1、VD2、VD3、VD4，電阻R21與R22、R23、R24、R25串聯，電阻R26與R27、R28、R29、R30串聯，并同時并聯在電池組E的兩端；分別從電阻R21、R22之間抽頭接入運算放大器IC2的反相輸入端，從電阻R22、R23之間抽頭接入IC3的反相輸入端，從電阻R23、R24之間抽頭接入IC4的反相輸入端，從電阻R24、R25之間抽頭接入IC5的反相輸入端，從電阻R26、R27之間抽頭連接電阻R15后接入IC2的同相輸入端，從電阻R27、R28之間抽頭接入IC3的同相輸入端，從電阻R28、R29之間抽頭接入IC4的同相輸入端，從電阻R29、R30之間抽頭接入IC5的同相輸入端；運算放大器IC2的輸出端與發光管VD4和電阻R11串聯、IC3的輸出端與發光管VD3和電阻R12串聯、IC4的輸出端與發光管VD2和電阻R13串聯、IC5的輸出端與發光管VD1和電阻R14串聯后，一起接入電池組E的正極；運算放大器IC4的反相輸入端腳8連接電池組E的正極，同相輸入端腳1與電池組E的負極連接，并接地；穩壓二極管VD5與VD6串聯后并聯在電阻R27、R28、R29、R30串聯電路的兩端。
專利摘要本實用新型涉及一種具有均衡充電和保護功能的電動助力車鋰電池組，是由三組鋰電池串聯組成，每組鋰電池又由三只單體鋰電池串聯構成，每組鋰電池均連接一個由充放電控制開關管和保護電路組成的均衡充放電控制電路。充放電過程中，集成芯片IC1連續檢測三只單體鋰電池的電壓和充放電電流，并送入保護電路，通過充放電控制開關管控制鋰電池組的充放電，實現單體鋰電池的均衡充電和防止因過充電而損壞、因過放電而影響壽命。本實用新型中的鋰電池采用錳酸鋰作為正極材料，安全性能顯著提高，成本大幅度降低。采用均衡充放電控制電路，使電池組循環壽命大大延長。
文檔編號H02J7/00GK2796215SQ20052002375
公開日2006年7月12日 申請日期2005年3月30日 優先權日2005年3月30日
發明者許福貴, 王鴻麟, 賈留寶, 范龍來 申請人:山西光宇電源有限公司