CN103715728B - 一种用于串联电池组的均衡电路及装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于串联电池组的均衡电路及装置，其特征在于还包括：由两个用电动机带动的动触片在与每一节电池节点电连接的且相互之间绝缘的金属片上移动或转动构成的电动转换开关、电机控制电路、升压电路构成；一个电动转换开关的动触片电连接到电压升压电路的输入端，另一个电动转换开关的动触片电连接到电压升压电路的输出端，转换开关上的两动触片可以移动或转动，选择地与串联电池组的任一节电池的两端电连接；电动转换开关上的两动触片上都电连接有电压比较电路，同时设有计数器，电压比较电路的输出与计数器的输出通过门电路最后控制电动转换开关上的电动机的转动与停止。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于串联电池组的均衡电路及装置，能够防止串联电池组中的电池芯片过充电或过放电，防止电池芯片或负载短路，尤其是让电池组芯片之间相互进行均衡的电路及装置，并且防止串联电池组电压过大，对人体产生不安全因素。
背景技术
大电池组逐渐使用，尤其随着石油短缺，太阳能电池及电动汽车的出现，需要大容量的电池组，但由于电池单片电压只有2.0-3.7V，必须串联使用，才能达到负载电压。同时，有的电池如锂电池不能过充电或过放电，否则，就会损坏电池芯片，并且，串联使用过程中各电池芯片的容量必须保持一至，保证电池组的芯片在充电或放电时，其电压基本一样，才能正常进行充放电。但是，电池组中的电池芯片在生产过程或使用过程中由于各种因素都会让各个芯片的容量不一样，必须进行均衡，才能让电池组的寿命达到单个芯片的寿命。以往的方法都是用MOS管及电阻放电进行均衡，由于电阻发热，其放电流不能太大，均衡效果有限，用线圈能量转换方式，电路复杂，均衡效果也不是很理想，让电池组的的充放电次数都只能在200-600次之间，跟单个锂电池芯片的充放电次数2000次相比，相差得太远了，让锂电池组的性价比还不及铅酸电池，锂电池组的使用大受影响。如果串联电池过多，电压过大，在某种时候，如电动汽车发生碰撞，或进水都会对人体产生不安全因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于串联电池组的均衡电路及装置，能够防止串联电池组中的电池芯片过充电或过放电，防止电池芯片或负载短路，尤其是让电池组芯片之间相互进行均衡的电路及装置，并且防止串联电池组电压过大，对人体产生不安全因素。
本发明一种用于串联电池组的均衡电路及装置，其特征在于还包括：由两个用电动机带动的动触片在与每一节电池节点电连接的且相互之间绝缘的金属片上移动或转动构成的电动转换开关、电机控制电路、升压电路构成；
一个电动转换开关的动触片电连接到电压升压电路的输入端，另一个电动转换开关的动触片电连接到电压升压电路的输出端，转换开关上的两动触片可以移动或转动，选择地与串联电池组的任一节电池的两端电连接；
电动转换开关上的两动触片上都电连接有电压比较电路，电压比较电路有多个输出，同时设有计数器，电压比较电路的输出与计数器的输出通过门电路最后控制电动转换开关上的电动机的转动与停止；
电动机通过齿轮变速后带动两动触片在圆盘上转动，圆盘的边缘上设有若干相互之间绝缘的金属片，金属片依次与串联电池组中的每一节电池连接点电连接，两动触片依次与金属片及圆盘中间的两金属圈电连接，两金属圈与升压电路的输入或输出端电连接；
电动机可以带动两动触片来回作往复直线运动，与串联电池的每一节电池的连接点电连接的金属片相互之间绝缘地排成一排，分别选择与两动触片电连接，两动触片再与电压升压电路的输出或输入端电连接；
多个不同数值的稳压二极管或电阻与一电阻串联后电连接在电动转换开关的两动触片上，稳压二极管或电阻与一电阻串联的每一接点再与一非门电路输入端连接，非门电路输出端与计数电路输出端通过或非门电路或者是与非门电路的输出端控制电动机回路接通或断开，构成电机控制电路；
四对常开常闭触头的继电器，其四个动触头分别与两个电容的两极电连接，接电容正极的一组常开常闭触头与两个转换开关上的接电池正极的动触片电连接，接电容负极的一组常开常闭触头与两个转换开关上的接电池负极的动触片电连接，另外两组常开常闭触头的常开或者是常闭触头之间电连接，接电容正极的触头中的一个触头与负责输入电流的转换开关接正极的动触片电连接，接电容负极的触头中的一个触头与负责输入电流的转换开关接负极的动触片电连接；
继电器通过由门电路及电容、电阻、三极管构成的低频振荡电路进行闭合与断开；
可以设单节电池充电电路，单节电池充电电路输出端电连接在电动转换开关的两动触片上；
由20节以上的电池串联组成的大电池组，可以平分成若干个串联小组，每一个串联小组可以都设两个电动转换开关及一个升压电路，电池串联小组之间通过一个同轴组合开关可以转换成串联或并联连接。
上述结构组成的一种用于串联电池组的均衡电路及装置，由两个用电动机带动的动触片在与电池节点电连接的相互之间绝缘的金属片上移动构成的电动转换开关、电机控制电路、升压电路构成，一个电动转换开关的动触片电连接到电压升压电路的输入端，另一个电动转换开关的动触片电连接到电压升压电路的输出端，每个转换开关的动触片上电连接有电压比较电路，多个不同数值的稳压二极管或电阻与一电阻串联后电连接在转换开关的两动触片上，稳压二极管或电阻与一电阻串联的每一接点再与一非门电路输入端连接，非门电路的输出端再与计数电路输出端通过或非门电路或者是与非门电路逻辑输出，控制电动机回路接通或断开，就控制电动机转动或停止。当电机停止或转动时，其两动触片都与电池节点电连接的相互之间绝缘的两金属片电连接，电池组中的每一节电池都可以与升压电路的输入端电连接，每一节电池的电压也进行比较，当某一节电池电压高于某一数值时，电机停止转动，两动触片就停在这一节电池的两金属片上，这一节电池就被选中放电；另一个电动转换开关的电机停止或转动，其两动触片也都与电池节点电连接的相互之间绝缘的另两金属片电连接，那么与两动触片电连接的电池就与电压升压电路的输出端电连接，其电压也进行比较，当某一节电池的电压低于某一数值时，电机停止转动，两动触片就停在这一节电池的两金属片上，这个电池就被充电，就实现了在串联电池组中，由一节电池向另一节电池充电，实现了电池的电量转移，也就实现了均衡。电动机转动，带动两动触片移动，选择两动触片停在不同的两金属片上，就可以选择不同的电池放电或充电，并且，每一节电池都可以是放电，也可以是充电，就完成了整个电池组中的均衡。每一个电动转换开关的两动触片要停在哪一节电池的金属片上，就通过电压比较电路来控制电机停止或转动实现。当电机转动过程中，带动转换开关的动触片转动或直线移动，动触片与电池节点电连接的相互之间绝缘的两金属片相接触，每一节电池的电压通过动触片与电压比较电路进行比较，也就是多个不同数值的稳压二极管或电阻与一电阻串联后都通过动触片与每一节的电池电连接，不同数值的稳压二极管为2.7V、3.0V、3.3V、3.6V，3.9V，当某一节电池的电压低于3.9V时，但高于3.6V时，那么与2.7V、3.0V、3.3V、3.6V连接的非门电路的输入端都是高电平，其输出端就都是低电平，而与3.9V稳压二极管连接的非门电路，其输入端为低电平，其输出端就是高电平，非门电路输出端再通过或非门电路与计数器输出端作比较。当非门电路输出端是1，或者计数器的输出也是1，或非门输出就是0，通过三极管或继电器就不能断开电机的回路，电机就继续转动，那么作为输入电流的转换开关的动触片就不作停留。只有用于电压比较的非门电路输出是低电平，计数器的输出端也为0，或非门输出才是1，再通过三极管或继电器就断开电机的回路，电机不能转动，作为输入电流的转换开关的动触片就停留在那一节电压在选定电压以上的电池的金属片上，就开始放电，直到电压低于选定电压值，非门电路输出改为1，或非门输出为0，电机又开始转动，带动动触片转动或移动，再与下一节电池的电压相比较。第一圈电压值设为3.9V，计数器1路的输出为0，其它路输出为1，当有电池的电压高于3.9V时，其非门电路输出为0，计数器1路的输出为0，或非门电路输出为1，电机停止转动，动触片就停在高于3.9V的那一节电池的金属片上，让高于3.9V的那一节电池一直放电，直到电压低于3.9V，非门电路输出变为1，或非门输出为0，电机又开始转动，又与下一节电池的电压相比较，如果再有电池电压高于3.9V的，就停在高于3.9V的那一节电池的金属片上，让电压高于3.9V的这一节电池放电，直到电压低于3.9V，电机又开始转动，又与下一节电池电压比较，直到把所有的电池都比较完成，没有电压高于3.9V的，就开始第二圈比较，计数器开始计数，计数器2路的输出为0，其它路输出为1，每二圈电压值设为3.6V，那么高于3.6V的电池开始放电，低于3.6V的电池就不放电，直到第二圈比较完成，开始第三圈比较，第三圈开始，计数器又开始计数，计数器3路输出为0，其它路输出为1，电压值设为3.3V，高于3.3V的电池都被放电。第四圈设为3.0V，计数器的第4路输出为0，其它路输出为1，电池就这样一节节由高到低进行放电。作为输入电流的转换开关，第一圈电压值设为2.7V，第二圈电压值设为3.0V，第三圈电压值设为3.3V，第四圈电压值设为3.6V，当有一节电池电压有低于2.7V但又没到达截止电压2.5V时，第二个转换开关上的动触片开始转动或移动，逐一与每一节电池电连接，并进行电压比较，当动触片转到电压都高于2.7V以上的电池时，其与2.7V稳压二极管连接的非门电路其输入端为高，输出端为0，计数器1路输出为1，其它路输出为0，与非门电路输出为1，不能断开电机回路，电机转动，高于2.7V的电池不充电，只有当动触片转到电压低于2.7V以下的电池时，其与2.7V稳压二极管连接的非门电路其输入端为低，输出端为1，计数器1路输出为1，与非门电路输出就为0，就断开电机回路，电机停止转动，动触片就停在电压都低于2.7V以下的电池的金属片上，进行充电，直到电池被充电到电压高于2.7V后，与2.7V稳压二极管连接的非门电路输入端为高，输出端为0，计数器1路输出为1，与非门电路输出为1，电机回路闭合，电机又开始转动，开始下一节电池电压比较，直到转一圈后电压没有低于2.7V的，计数器计数，并开始第二圈转动，第二圈电压值为3.0V，计数器2路输出为1，其它路为0，当电压低于3.0V的电池都被选中而进行充电，第三圈为3.3V，计数器3路输出为1，其它路为0，低于3.3V的电池都被充电，第四圈又从2.7V开始，计数器也从头开始计数，就不停地进行循环，一直充电。就这样，电压高的电池从高开始，进行放电，又从电压最低的电池开始，进行充电，电量不断地从高电池到低电池进行转移，就完成了均衡。也就是说，第一圈高于3.9V的电池都被放电，低于2.7V的电池都被选中进行充电，第二圈，高于3.6V的电池都被选中进行放电，低于3.0V的电池都被选中进行充电，第三圈，高于3.3V的电池都被选中进行放电，低于3.3V的电池都被选中进行充电，直到有电池放电到有电压低于2.5V，而整个电池组终止放电。这里的电压值都是随意设定的，不同的电池，或者同样的电池，都可以另设定电压值。
除了使用与串联电池电压相配的充电器进行充电外，还可以另外设单节电池充电电路，单节电池充电电路的输出端电连接在转换开关的两动触片上。充电时，当某一节电池电压达到截止电压后，整个串联充电全部停止，但电动转换开关的电机开始转动，转换开关的动触片与各节电池的金属片逐一电连接，当一节电池电压低于截止电压时，电机停止转动，就由单节电池充电器向没有达到截止电压的电池继续充电，直到其电压达到截止电压，电机再转动，再与下一节电池电压相比较，没有充满电的电池就一节节补充满电，直到全部充满电为止，这样，就保证了每一节电池都能够全部充满电。
一节电池向另一节电池充电，必须采用升压电路，让电池电压升压后才能充入另一节电池。直流升压电路有很多种，这里采用的电容升压方式，四对常开常闭触头的继电器，其中四个动触头分别与两个电容的两极电连接，接电容正极的一组常开常闭触头与两个转换开关上的接电池正极的动触片电连接，接电容负极的一组常开常闭触头与两个转换开关上的接电池负极的动触片电连接，另外两组常开常闭触头的常开或是常闭触头电连接，接电容正极的触头中的一个触头与输入电流的转换开关的正极动触片电连接，接电容负极的触头中的一个触头与输入电流的转换开关的负极动触片电连接。继电器通过由门电路及电容、电阻、三极管构成的低频振荡电路进行闭合与断开，让与之触头相连接的电容进行串联、并联转换，当电容并联时进行充电，电容转成串联后，电压就上升，电容的电量就充到另一节的电池里，就能把一节电池的电量转到另一节电池里。
本发明，也可以采用其它直流升压电路，只要电动转换开关的动触片与一节电池接通，通过升压电路，升压电路的输出端通过电动转换开关与另一节电池连接，就能向另一节电池充电了。
每一节电池还并联有保护芯片，保护芯片上设有过放过充电压，防止电池芯片过充电或过放电，防止电池芯片或负载短路，在主回路上还设有两个MOS管，这两个MOS管负责主电路的通断，当有过充或过放或短路时，MOS管就关断，从而切断电路，让电路停止工作，从而保护了电池，这是已公开的技术，就不一一论述，在电路图中也没标出。
由20节以上的电池串联组成的大电池组，可以平分成若干个串联小组，每一个串联小组可以都设两个电动转换开关及一个升压电路，电池串联小组之间通过一个同轴组合开关转换成串联或并联连接，串联供电，并联充电，或者并联供电，串联充电，这样，就可以用多组电动转换开关同时进行电量转移，以快速进行均衡，若干个串联小组，可以通过同轴组合开关转换成并联后相互间进行均衡。也可以在危急关头，把串联通过同轴组合开关转换成并联，降低了电池的串联的总电压，降低了电池电压对人体发生触电的可能，也可以降低充电器的充电电压。人工转动同轴组合开关就能让串联或并联相互转换。或者设为手动或脚动为串联连接，负责大电压向负载供电，松开手或脚就自动转为并联连接，只要手或脚松开，大串联电池组就自动转为小串联电池组之间的并联连接，降低电池组的总电压，防止触电，也可用较低电压的充电器充电。一个同轴组合开关，用于电动汽车上，就相当于汽车的离合器，脚踏上，电池组就转为串联连接，脚离开，电池组就自动转为并联连接，以降低电压，防止触电。也可以把大串联电池组分为几组，并联使用，串联充电，以便能直接采用220V以上电压充电或更高电压供电。
附图说明
图1是本发明的电路图。
图2是带电机、齿轮箱的转换开关的结构示意图。
图3是金属片排成圆盘状的俯视图。
图4是20节以上电池与同轴组合开关连接的示意图。
具体实施方式
从图1中可知，本发明一种用于串联电池组的均衡电路及装置，由两个用电动机13带动的动触片7在与每一节电池节点电连接的且相互之间绝缘的金属片6上移动构成的电动转换开关3、电机控制电路2、升压电路1构成。串联电池组中的每一节电池4的正负端都通过导电线5与金属片6电连接，金属片6相互之间绝缘并排成一直线，转换开关的动触片7可以在金属片6上由电机13带动而滑动并电接触，两个动触片7接有多个不同数值的稳压二极管8或是电阻，二极管8或是电阻再与一电阻9串联，并联接一个非门电路10的输入端，非门电路10的输出端与计数器11的输出端再直接连接到一个或非门16的输入端，或非门16的输出端通过二极管连接一个三极管的基极，就控制了电机13的回路的闭合或断开。电容器14的两极与带四对常开常闭触头的继电器15的四个动触头分别电连接，接电容正极的一组常开常闭触头与两个转换开关上的接电池正极的动触片7电连接，接电容负极的一组常开常闭触头与两个转换开关上的接电池负极的动触片7电连接，另两组常开常闭触头的常开或常闭触头之间电连接，接电容正极的触头与负责输入电流的转换开关接正极的动触片电连接，接电容负极的触头与负责输入电流的转换开关接负极的动触片电连接。
继电器15通过门电路及电容、电阻、三极管构成的低频振荡电路进行闭合与断开，两电容14并联充电，再串联供电，就把与负责输入电流的转换开关动触片7电连接的电池的电压升高了，再通过负责输出电流的转换开关的动触片7，向与其电连接的电池4放电，一节电池的电就向另一节电池转移了，就进行了均衡。负责输出电流的转换开关的两个动触片7也接有多个不同数值的稳压二极管8或是电阻，二极管8或是电阻再与一电阻9串联，并联接一个非门电路10的输入端，非门电路10的输出端与计数器11的输出端再直接连接到一个与非门12的输入端，与非门12的输出端通过二极管连接一个三极管的基极，控制了电机13的回路的闭合或断开。
电容、继电器、低频振荡电路构成的升压电路1也可以用其它的直流升压电路代替，只要把负责输入电流的电池的电压升高，就能向其它任一节需要充电的电池放电了，就能进行均衡了。
图2图3所示，电机13通过齿轮17变速，带动横杆19转动，横杆19下装有动触片7，金属片6固定在圆盘18上，金属片6之间绝缘，并通过电线5与每一节电池4的连结点依次电连接，两动触片7再与圆盘中间的两金属圈20电连接，两金属圈20与升压电路1的输入或输出端电连接，圆盘18上还装有一开关21，动触片7每转动一周后开关21闭合一次，计数器11便计数一次，计数器的各路输出变换一次。
如图4所示，4为电池，5为导电线或导电体，22为同轴组合开关。20节以上电池串联后，可以把大串联电池平分成若干个串联小组，每一个串联小组都可以设两个转换开关及一个升压电路，电池串联小组之间通过一个同轴组合开关22手动或自动地转换成串联或并联连接。一个同轴组合开关22，用于电动汽车上，就相当于汽车的离合器。脚踏上，就转为串联连接，脚离开就自动转为并联连接，降低电压，防止车祸或被水泡后发生触电。也可以把大串联电池组分为几组，并联使用，串联充电，以便能直接采用220V以上电压充电或更高电压供电。
Claims (1)
1.一种用于串联电池组的均衡装置，由两个用电机(13)带动的动触片(7)在与每一节电池节点电连接且相互之间绝缘的金属片(6)上移动或转动构成的电动转换开关(3)、电机控制电路(2)、升压电路(1)构成，电动转换开关(3)的一个动触片(7)电连接到升压电路(1)的输入端，电动转换开关(3)的另一个动触片(7)电连接到升压电路(1)的输出端，电动转换开关(3)上的两动触片(7)与串联电池组的任一节电池(4)的两端电连接；
其特征在于：电动转换开关(3)上的两动触片(7)上都电连接有电压比较电路，电压比较电路有多个输出，同时设有计数器(11)，电压比较电路的输出与计数器(11)的输出通过门电路最后控制电动转换开关(3)上的电机(13)的转动与停止；
电机(13)带动动触片(7)移动或转动具体为：电机(13)通过齿轮(17)变速后带动两动触片(7)在圆盘(18)上转动，圆盘(18)的边缘上设有若干相互之间绝缘的金属片(6)，金属片(6)依次与串联电池组中的每一节电池的连接点电连接，两动触片(7)依次与金属片(6)及圆盘中间的两金属圈(20)电连接，两金属圈(20)与升压电路(1)的输入或输出端电连接；或电机(13)带动两动触片(7)来回作往复直线运动，与串联电池组的每一节电池的连接点电连接的金属片(6)相互之间绝缘地排成一排，分别选择与两动触片(7)电连接，两动触片(7)再与升压电路(1)的输出或输入端电连接；
多个不同数值的稳压二极管(8)或电阻与一电阻(9)串联后电连接在电动转换开关(3)的两动触片(7)上，稳压二极管(8)或电阻与一电阻(9)串联的每一接点再与一非门电路(10)输入端连接，非门电路(10)输出端与计数器(11)输出端通过或非门电路(16)或者是与非门电路(12)的输出端控制电机(13)回路的接通或断开，构成电机控制电路(2)；
四对常开常闭触头的继电器(15)，其四个动触头分别与两个电容(14)的两极电连接，接电容(14)正极的一组常开常闭触头与两个电动转换开关(3)上的接电池正极的动触片(7)电连接，接电容(14)负极的一组常开常闭触头与两个电动转换开关(3)上的接电池负极的动触片(7)电连接，另外两组常开常闭触头的常开或者是常闭触头之间电连接，接电容(14)正极的触头中的一个触头与负责输入电流的电动转换开关(3)接正极的动触片电连接，接电容(14)负极的触头中一个触头与负责输入电流的电动转换开关(3)接负极的动触片电连接；
继电器(15)通过由门电路及电容、电阻、三极管构成的低频振荡电路进行闭合与断开；
设单节电池充电电路，单节电池充电电路的输出端电连接在电动转换开关(3)的两动触片(7)上；
由20节以上的电池串联组成的大电池组，平分成若干个串联小组，每一个串联小组都设两个电动转换开关(3)及一个升压电路(1)，电池串联小组之间通过一个同轴组合开关(22)转换成串联或并联连接。
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