仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块制造技术

本发明专利技术公开了一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块，由检测保护单元、充电单元、控制单元、平衡单元组成；由检测保护单元、平衡单元来反馈接入单体电池的数量及参数，控制单元结合充电电流检测反馈信号大小来选择充电单元的充电方式并在充电和放电中保证每个单体电池的电压处于平衡状态，设有外接电压输入和电池接入防反接保护、充电过流保护。本发明专利技术采用控制单元检测并智能决策控制充电过程和对充、放电过程中各单体电池电压进行平衡管理，运用电解电容作为平衡能量转移载体、译码器控制选通需平衡的单体电池，在实现了安全、高效平衡充、放电的基础上还可为仪器提供内置串联电池组的相关参数；适用于2‑8S仪器内部供电串联电池组的平衡管理。

The balance management module of the battery in the instrument and the power supply in series

Balance management module of the invention discloses an internal power supply instrument series battery, composed of detection and protection unit, charging unit, control unit, balancing unit; the number and parameters of the detection and protection unit, balance unit feedback access single battery, the control unit combined charging current detection feedback signal to select charging mode the charging unit and the charging and discharging voltage to ensure each single battery is in balance, with the external input voltage and battery charging access connection reverse protection, overcurrent protection. The invention adopts the control unit to detect and control the charging process and intelligent decision balance management on the charge and discharge process of the single battery voltage, using electrolytic capacitor as energy transfer vector, the decoder control choose single battery through balance, in the realization of a safe and efficient balance related parameters based on charge and discharge provide built-in battery for instrument; applicable balance management in 2 8S instrument internal power series battery.

【技术实现步骤摘要】
仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块
本专利技术涉及电池组能量平衡管理，尤其是一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块。
技术介绍
便携仪器通常都采样内置串联电池组来提供能源，电池的作用不言而喻，而针对一台优秀的便携仪器，较长的待机和工作时间无疑是一项重要评判指标。常用的锂电池组由多个电池芯或单体电池串联组成，一般用S代表电池组的芯数或单体电池个数，锂电池每芯3.7伏；假如是5S的锂电池组，就是由5个单体锂电池串联而成的总电压为5x3.7=18.5伏的电池组。但由于串联单体电池的不一致性严重影响了仪器内部供电串联电池组的有效容量、循环寿命、安全性和经济性，使仪器内部供电串联电池组难以达到这样的要求。单体电池的一致性决定了串联电池组的性能、寿命和安全性，即只要有一个单体电池的性能变差，整个串联电池组的性能都将变差。常见情况有：（1）其中有一个单体电池的容量偏低，结果是充电时这个单体电池首先达到充电上限截止电压，而放电时首先达到放电下限截止电压，那么这个单体电池的容量决定整个串联电池组的容量；（2）如果初始状态有一个单体电池的电压偏低，充电时这个单体电池达不到截止电压而不能充满，放电时这个单体电池首先到达放电截止，该单体电池没充满电又提前把电放完，串联电池组实际可用的电量由这个单体电池的容量决定；（3）如果一个单体电池的极化阻抗和内阻偏高，充电时电压上升快、放电时电压下降也快，就某一次测试的表现来看就是这个单体电池的容量不足，负载能力下降，充放电时的温度偏高。电池制造过程中提高单体电池的一致性还有相当大的难度且需要较大投入并将大幅度提高电池的制造费用导致电池价格高而不利于相关产业的快速发展。目前电池制造商或电池组合工厂采用严格的筛选方法进行电池匹配来提高电池的一致性。但即使是严格匹配后的电池，在循环的初期或多次循环之后，就会表现出可见的差别，故采用电池匹配的有效性不尽人意；电池的工作条件和环境也会对一致性产生影响，随着电池循环次数的增加其一致性改变程度具有不可检测性。因此，单体电池的一致性又是相对的，过分强调制造过程中的一致性或使用过程中环境的一致性，只能以提高动力系统成本为代价。如何保证仪器内置电池安全、高效成组的使用成为当前亟待解决的问题。除了在电池本身的一致性方面下功夫外，电池平衡技术作为仪器内部供电串联电池组应用的关键技术之一，能够有效缓解制造过程和使用过程中产生的不一致性，提高电池组的整体性能。原则上平衡技术不仅能解决电池一致性的问题，而且能够使仪器内部供电串联电池组中性能最差的那个单体电池的寿命得到延长，同时电池性能的改进也将使得电池安全性得到改善，因为电池性能变差后，安全性也随之降低。用于仪器内部供电串联电池组的平衡电路主要有两类：一是能量消耗型，指利用并联电阻等方式将电池组中电量较多的电池的能量进行耗散，直到其荷电状态到达平均值的平衡电路；二是非能量消耗型，即利用电容、电感等储能元件在单体电池或电池组之间进行能量转移，使电池组电压保持一致的平衡电路。但是这些平衡技术大多应用在电池组的充电方面，在电池组放电过程中的应用目前未见报道。因此，开发一种适用于仪器内部供电串联电池组平衡充电与放电的高效、安全、智能的平衡管理模块是十分必要的。
技术实现思路
为了克服目前仪器内部供电串联电池组在充电与放电过程中存在的不足，本专利技术公布了一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块。本专利技术采用的技术方案是：一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块，包括检测保护单元、充电单元、控制单元、平衡单元；检测保护单元与外接电源和内置串联电池组、充电单元、控制单元和平衡单元均有电连接，用于判断接入充电电源和内置串联电池组的极性并仅在极性接入正确时使充电回路导通，检测外接电源电压ADI0、内置串联电池组电压ADI1、充电电流ADI2送控制单元并在充电电流超限时输出信号ERR_I到充电单元使充电回路断开，本专利模块的工作电源VDD在有外接电源时自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时自动切换到内置串联电池组B+端，由VDD经降压稳压后提供本专利模块的逻辑部分工作电源VCC；充电单元在控制单元输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0的控制下为内置串联电池组提供充电电流，平衡单元检测内置串联电池组的各个单体电池的端电压并在控制单元输出控制信号KZQ2、KZQ3的控制下分时传送到控制单元的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6，控制单元根据各单体电池端电压进行平衡决策后输出控制信号KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡单元以实现内置串联电池组在充电或放电过程中的平衡管理；本专利模块适用于内置串联电池组由2~8个单体电池组成的仪器。在本专利技术中，检测保护单元包括由电容C1~C4、电阻R1~R2和MOS管VT1组成的外接电源接入保护电路，用于防止电源极性接反并对电源进行旁路滤波和解耦滤波；由电阻R15~R19、电容C14和运放IC2A组成的外接电源电压检测电路，用于实时检测外接电源电压并输出ADI0到控制单元；由电阻R26~R36、电容C5~C9、三极管VT7、MOS管VT2和运放IC2C、IC2D组成的内置串联电池组连接保护与电压检测电路，用于内置串联电池组极性接反防止、电池端滤波、电池组电压检测并输出ADI1到控制单元，同时可在控制单元输出控制信号KZQ1的控制下使内置串联电池组断开；由电阻R20~R25、电容C15~C16和运放IC2B组成的充放电电流检测电路，用于反映充放电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADI2到控制单元；由电阻R3~R8、三极管VT5~VT6和MOS管VT3~VT4组成的模块工作电源选择电路，当有外接电源时模块工作电源VDD自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时模块工作电源VDD自动切换到内置串联电池组B+，此外VDD无电模块不工作；由电阻R9~R14、电容C10~C13、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成的降压型稳压电路，用以经VDD降压稳压后提供逻辑控制部分的VCC电压。在本专利技术中，充电单元由电阻R37~R53、电容C17~C18、二极管D2~D3、电感L2、三极管VT10~VT16、MOS管VT8~VT9和比较器IC3A、IC3B组成；能在控制单元输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0的控制下为内置串联电池组提供充电电流，当电池电压低于外接充电电压时采用降压方式充电，当电池电压高于外接充电电压时采用升压方式充电；具有上电保护、过电流断开和由控制单元启停的功能。在本专利技术中，控制单元控制电路由电阻R113~R116、电容C28~C30、双色发光二极管LED、编程接口JK01、仪器通信接口JK02、I2C隔离芯片IC13和具有PWM、ADC的微控制芯片IC12组成；微控制芯片根据外接电源电压ADI0、内置串联电池组电压ADI1、充电电流ADI2的检测结果变化输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0、KZQ1来选择充电方式和控制充电过程；在充放电过程中微控制芯片根据内置串联电池组各单体电池端实时电压ADI3、ADI4、ADI5、ADI6进行平衡决策后输出控制信号KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡单元以实现电池组各单体电池的充放电平衡管理；双色发光二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块，其特征是：包括检测保护单元、充电单元、控制单元、平衡单元；检测保护单元与外接电源和内置串联电池组、充电单元、控制单元和平衡单元均有电连接，用于判断接入充电电源和内置串联电池组的极性并仅在极性接入正确时使充电回路导通，检测外接电源电压ADI0、内置串联电池组电压ADI1、充电电流ADI2送控制单元并在充电电流超限时输出信号ERR_I到充电单元使充电回路断开，本专利模块的工作电源VDD在有外接电源时自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时自动切换到内置串联电池组B+端，由VDD经降压稳压后提供本专利模块的逻辑部分工作电源VCC；充电单元在控制单元输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0的控制下为内置串联电池组提供充电电流，平衡单元检测内置串联电池组的各个单体电池的端电压并在控制单元输出控制信号KZQ2、KZQ3的控制下分时传送到控制单元的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6，控制单元根据各单体电池端电压进行平衡决策后输出控制信号KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡单元以实现内置串联电池组在充电或放电过程中的平衡管理；本专利模块适用于内置串联电池组由2~8个单体电池组成的仪器。...

【技术特征摘要】
1.一种仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块，其特征是：包括检测保护单元、充电单元、控制单元、平衡单元；检测保护单元与外接电源和内置串联电池组、充电单元、控制单元和平衡单元均有电连接，用于判断接入充电电源和内置串联电池组的极性并仅在极性接入正确时使充电回路导通，检测外接电源电压ADI0、内置串联电池组电压ADI1、充电电流ADI2送控制单元并在充电电流超限时输出信号ERR_I到充电单元使充电回路断开，本专利模块的工作电源VDD在有外接电源时自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时自动切换到内置串联电池组B+端，由VDD经降压稳压后提供本专利模块的逻辑部分工作电源VCC；充电单元在控制单元输出控制信号PWM1、PWM2、KZQ0的控制下为内置串联电池组提供充电电流，平衡单元检测内置串联电池组的各个单体电池的端电压并在控制单元输出控制信号KZQ2、KZQ3的控制下分时传送到控制单元的ADI3、ADI4、ADI5、ADI6，控制单元根据各单体电池端电压进行平衡决策后输出控制信号KZQ4、KZQ5、KZQ6、KZQ7到平衡单元以实现内置串联电池组在充电或放电过程中的平衡管理；本专利模块适用于内置串联电池组由2~8个单体电池组成的仪器。2.根据权利要求1所述的仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块，其特征是：所述的检测保护单元包括由电容C1~C4、电阻R1~R2和MOS管VT1组成的外接电源接入保护电路，用于防止电源极性接反并对电源进行旁路滤波和解耦滤波；由电阻R15~R19、电容C14和运放IC2A组成的外接电源电压检测电路，用于实时检测外接电源电压并输出ADI0到控制单元；由电阻R26~R36、电容C5~C9、三极管VT7、MOS管VT2和运放IC2C、IC2D组成的内置串联电池组连接保护与电压检测电路，用于内置串联电池组极性接反防止、电池端滤波、电池组电压检测并输出ADI1到控制单元，同时可在控制单元输出控制信号KZQ1的控制下使内置串联电池组断开；由电阻R20~R25、电容C15~C16和运放IC2B组成的充放电电流检测电路，用于反映充放电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADI2到控制单元；由电阻R3~R8、三极管VT5~VT6和MOS管VT3~VT4组成的模块工作电源选择电路，当有外接电源时模块工作电源VDD自动切换到DC_IN+、无外接电源且仪器电源开关闭合时模块工作电源VDD自动切换到内置串联电池组B+，此外VDD无电模块不工作；由电阻R9~R14、电容C10~C13、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成的降压型稳压电路，用以经VDD降压稳压后提供逻辑控制部分的VCC电压。3.根据权利要求1所述的仪器内部供电串联电池组的平衡管理模块，其特征是：所述的充电单元由电阻R37~R53、电容C17~C18、二极管D2~D3、电感L2、三极管VT10~VT16、M...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄采伦，南茂元，王靖，陈超洋，周博文，王安琪，田勇军，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43