专利名称：电池对均衡充电电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电池对(注本实用新型所指的电池对是指两节相连接的一对可充电的单体电池，也就是其中一节可充电的单体电池的负极与另外一节可充电的单体电池的正极连接在一起，下文统一简称为电池对。)充电及充电控制电路，尤其是能在单回路单相交流电下利用单向可控硅的单向性和半波整流来提供两路不共地的能独立工作的充电及充电控制电路，并使用两个二极管作为电路隔离的电池对均衡充电电路。
背景技术：
目前，对单体电池充电及充电控制的电路和产品很多，也很完善，但由于单体电池的电压和电容量有限，在需要使用到高于单体电池电压和高于单体电池电容量的领域内使用的是电池对或电池组(注本说明书中所指的电池组是由两节以上的串连单体电池，以下统一简称为电池组)，这样便带来了对电池对或电池组进行充电及充电控制的需要。
现在单节电池以上的电池对或电池组都采用串连方式充电，也就是指同一共地的充电电流流经电池对或电池组中间的每一节。但是，对单体电池进行充电与对电池对或电池组进行充电有区别，区别就在于电池对或电池组中的单体电池间存在着性能差异，也就是指组成电池对或电池组的每一单体电池的电压、内阻、容量、自放电率的不一致，而且这些性能上的差异始终存在于单体电池的循环寿命之中。由于这些差异的存在，现有的串连充电方式就会造成充电的不均衡，这因为在串连充电的方式下只能以电池对、电池组的串连电压或者其中一只的温度变化信号来设定充电截止控制，这样一来，无论怎样取设定值都会对另外的电池造成过充或者欠充的问题。在电池对或电池组放电的时候，因为串连，相同的放电电流流过，电池对或电池组中欠充的电池又会最先放完。这样一来，电池对或电池组中的单体电池最细小的不一致将会被放大。由于过充和过放都会对可充电电池造成损伤，因而这种串连充电及控制的缺点是非常明显的，限制了电池对和电池组的广泛应用。不均衡的充电将会造成电池对或电池组的使用寿命低于电池对或电池组中的单体电池的应有循环寿命。
在国家863计划的重大专项----电动汽车专项课题的指南内容中的共性关键技术列有自动均衡充电技术的开发。
发明内容
为了解决目前电池组串连充电及充电控制所带来的问题，本发明以电池组中的单体电池为基本充电和充电控制对象，以电池对为单元，在单回路单相交流电下利用两个单向可控硅和两个半波整流来提供两路不共地的能独立工作的充电及充电控制电路，并使用两个二极管作为电路隔离来解决电池对的充电均衡，进而可在多回路下的多个电池对均衡充电电路来解决电池组串连充电和充电控制所带来的问题。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是(如图2所示)单相交流电端口的AC1端口与二级管D22的负极、二级管D11的正极和单向可控硅T1的输入端相连接，单向可控硅T1的输出端与可充电电池B1的正极相连接，B1的负极与电阻R18相连接，电阻R18的另一端与二极管D12的正极相连接，D11的负极与电容C11的正极、电阻R11、运算放大器或电压比较器IC11至IC14的正极、热敏电阻NTC12相连接，D12的正极与C11的负极、电阻R12、NTC11、IC11至IC14的负极、电阻R16、电容C12、二级管D16的负极、电阻R18相连接，R11与R12相连接，并与IC11的反相端、IC12的同相端、IC13的同相端相连接，NTC11与D13的负极、电阻R15、IC11的同相端相连接，IC11的输出端与二级管D13的正极、IC12的反相端相连接，IC12的输出端与二级管D14的正极相接接，D14的负极与IC13的反相端、电阻R13相连接，IC13的输出端与二级管D15的正极相连接，二级管D15的负极与电阻R14相连接，R13和R14相连接，并与电阻R16、IC14的同相端相连接，电阻R17与C12负极、二级管D16的正极、IC14的反相端相连接，R17与R18、B1的负极相连接，IC14的输出端与单向可控硅T1的控制极相连接，NTC12与B1紧密接触。
单相交流电端口的AC2端口与二级管D21的正极、二级管D12的负极和单向可控硅T2的输入端相连接，单向可控硅T2的输出端与可充电电池B2的正极相连接，B2的负极与电阻R28相连接，R28的另一端与二极管D22的正极相连接，二级管D21的负极与电容C21的正极、电容R21、运算放大器或电压比较器IC21至IC24的正极、热敏电阻NTC22相连接，二级管D22的正极与电容C21的负极、电阻R22、热敏电阻NTC21、IC21至IC24的负极、电阻R26、电容C22、二级管D26的负极、电阻R28相连接，R21与R22相连接，并与IC21的反相端、IC22的同相端、IC23的同相端相连接，NTC21与D23的负极、电阻R27、IC21的同相端相连接，IC21的输出端与二级管D23的正极、IC22的反相端相连接，IC22的输出端与二级管D24的正极相连接，D24的负极与IC23的反相端、电阻R23相连接，IC23的输出端与D25的正极相连接，二级管D25的负极与电阻R24相连接，R23和R24相连接，并与电阻R26、IC24的同相端相连接，R27与电容C22、二级管D26的正极、IC24的反相端相连接，R27与R28、B2的负极相连接，IC24的输出端与单向可控硅T2的控制极相连接，NTC22与B2紧密接触。
下面以单相交流电端口AC1、AC2的电流之不同流向来具体说明电池对均衡充电电路的工作原理。
当单相交流电端口AC1、AC2的电流由AC1流向AC2时，电流流向单向可控硅T1的输入端、D22的负极和D11的正极，由于二级管的单向导电性，电流不能从D22的负极流向正极，可以从D11的正极流向负极，电流从D11的负极流出后加载在C11的正极之上，也加载在了由R11至R17、IC11至IC14、D13至D16、NTC11、NTC12和C12所组成的第一充电控制电路上(以下简称第一充电控制电路)，并经由第一充电控制电路流向D12的正级，再经由D22的负级流向单相交流电端口AC2。D11为第一充电控制电路提供半波整流，C11为第一充电控制电路滤波，D22作为电路隔离，也就是可以阻隔电流经电池B2的负极流向B2的正极，还可以阻隔电池B2的正级和电池B2负极形成回路，R11和R12取相等阻值，为IC11的反相端、IC12的同相端和IC13的同相端提供此时第一充电控制电路工作电压的二分之一电压作为比较基准，NTC11和NTC12采用阻温特性相同的负温度系数之NTC，NTC11用来传感充电时的外界温度，NTC12用来传感B1的温度，R15为设定的温升值ΔT，NTC12的阻值随着B1的温度上升而下降，在当NTC12加R15的阻值大于NTC11的阻值，也就是B1的温升值小于ΔT时，IC11的反相端电压高于同相端电压，IC11的输出端输出低电平，IC11输出的低电平与D13的正极和IC12的反相端相连接，由于二级管的单向导电性，低电平不能通过D13，此时IC12的同相端电压大于反相端电压，IC12的输出端输出高电平，IC12的高电平经由D14的正极流向负极，与IC13的反相端和R13相连接，由于IC13的反相端电压高于同相端电压，所以输出端输出低电平，D14的负极高电平经由R13流向R16，不能流向IC13的输出端，R13与R16相连接处的电压即为IC14的同相端电压，在单向可控硅T1还未导通时，R17与R18接点处的电压为零，即IC14的反相端电压为零，IC14的输出端输出高电平，由于单向可控硅是电压控制件，单向可控硅T1的控制极与IC14的输出端相连接，单向可控硅T1导通，由单相交流电端口AC1的电流经单向可控硅T1的输入端流向输出端，再由B1的正极流向负极，经R18流向D12的正极，当电流流经R17与R18、B1的负极之接点处时，经由R17流向C12，C12充电，当IC14的反相端的电压高于同相端时，IC14的输出端反转，输出低电平，由于单向可控硅的单向性，电流不能由单向可控硅T2的输出端流向控制极和输入端，电流同样不能从B2流过，这是因为二极管D22的负极此时的电压高于正极，所以此时由单向可控硅T1流出的电流不会流过B2。
随着单相交流电端口AC1、AC2的电流大小的转变，当单向可控硅T1的输入端电压等于输出端时，流过B1的电流为零，当单向可控硅T1的输入端电压小于输出端时，单向可控硅T1关断。
当单相交流电端口AC1、AC2的电流由AC2流向AC1时，电流流向单向可控硅T2的输入端、D12的负极和D21的正极，由于二级管的单向导电性，电流不能从D12的负极流向正极，可以从D21的正极流向负极，电流从D21的负极流出后加载在C21的正极之上，也加载在了由R21至R27、IC21至IC24、D23至D26、NTC21、NTC22和C22所组成的第二充电控制电路上(以下统一简称第二充电控制电路)，并经由第二充电控制电路流向D22的正级，再经由D22的负级流向单相交流电端口AC1。D21为第二充电控制电路提供半波整流，C21为第二充电控制电路滤波，D22作为电路隔离，也就是可以隔离不受控的电流与电池B2的正级相连接，R21和R22取相等阻值，为IC21的反相端、IC22的同相端和IC23的同相端提供此时第二充电控制电路工作电压的二分之一电压作为比较基准，NTC21和NTC22采用阻温特性相同的负温度系数之NTC，NTC21用来传感充电时的外界温度，NTC22用来传感B2的温度，R25为设定的温升值ΔT，NTC22的阻值随着B2的温度上升而下降，在当NTC22加R25的阻值大于NTC21的阻值，也就是B2的温升值小于ΔT时，IC21的反相端电压高于同相端电压，IC21的输出端输出低电平，IC21输出的低电平与D23的正极和IC22的反相端相连接，由于二级管的单向导电性，低电平不能通过D23，此时IC22的同相端电压大于反相端电压，IC22的输出端输出高电平，IC22的高电平经由D24的正极流向负极，与IC23的反相端和R23相连接，由于IC23的反相端电压高于同相端电压，所以输出端输出低电平，D24的负极高电平经由R23流向R26，不能流向IC23的输出端，R23与R26相连接处的电压即为IC24的同相端电压，在单向可控硅T2未导通时，R27与R28接点处的电压为零，即IC24的反相端电压为零，IC24的输出端输出高电平，由于单向可控硅是电压控制件，单向可控硅T2的控制极与IC24的输出端相连接，单向可控硅T2导通，由单相交流电端口AC2的电流经单向可控硅T2的输入端流向输出端，再由B2的正极流向负极，经R28流向D22的正极，再经由D22的负极流向AC1，当电流流经R27与R28、B2的负极之接点处时，经由R27流向C22，C22充电，当IC24的反相端的电压高于同相端时，IC24的输出端反转，输出低电平，由于单向可控硅的单向性，电流不能由单向可控硅T1的输出端流向控制极和输入端，所以此时由单向可控硅T2流出的电流不会流过B1，由单向可控硅T2流出的电流不会流过R18，这是因为D12的负极电压此时高于正级，同样也不能流经第一控制电路，这是因为D11的单向性所致，故不会形成回路。
随着单相交流电端口AC1、AC2的电流大小的转变，当单向可控硅T2的输入端电压等于输出端时，流过B2的电流为零，当单向可控硅T2的输入端电压小于输出端时，单向可控硅T2关断。
在下一个由AC1流向AC2的半波来时C12通过二极管D16放电，放电至反相端电压低于同相端电压时，IC14输出端的电平反转，由低电平反转为高电平，由欧姆定律可知流过B1的电流为(IC14反向端的电压)/(R18的阻值)，而IC14反向端的电压可以通过设置R13与R16的比值来解决，也就是通过设置R13与R16就可以确定流过B1的电流大小。
同样，在下一个由AC2流向AC1的半波来时C22通过二极管D26放电，放电至反相端电压低于同相端电压时，IC24输出端的电平反转，由低电平反转为高电平，由欧姆定律可知流过B2的电流为(IC24反向端的电压)/(R28的阻值)，而IC24反向端的电压可以通过设置R23与R26的比值来解决，也就是通过设置R23与R26就可以确定流过B2的电流大小。
当第一充电控制电路的NTC12加R15的阻值小于NTC11的阻值时，IC11输出端的电平反转，由低电平变为高电平，并经由D13加载在IC11的同相端，形成自锁，也就是当B1冷却后，IC11的同相端不受影响，继续维持高电平的状态，由IC11输出端输出的高电平还加载在了IC12的反相端，由于IC12反相端的电压高于同相端的电压，IC12的输出端电平反转，由高电平变为低电平，由于IC12的低电平不能通过D14，IC13反相端的电压小于同相端，IC13的输出端电平反转，由低电平变为高电平，IC13输出的高电平经由D15加载在R14和R16上，为IC14的同相端提供另一比较电压。
当第二充电控制电路的NTC22加R25的阻值小于NTC21的阻值时，IC21输出端的电平反转，由低电平变为高电平，并经由D23加载在IC21的同相端，形成自锁，也就是当B2冷却后，IC21的同相端不受影响，继续维持高电平的状态，由IC21输出端输出的高电平还加载在了IC22的反相端，由于IC22反相端的电压高于同相端的电压，IC22的输出端电平反转，由高电平变为低电平，由于IC22的低电平不能通过D24，IC23反相端的电压小于同相端，IC23的输出端电平反转，由低电平变为高电平，IC23输出的高电平经由D25加载在R24和R26上，为IC24的同相端提供另一比较电压。
本发明的有益效果是充分的利用了交流电的两个半波来进行电池对充电及充电控制，并使用两个二极管作为电路隔离，可有效的解决目前电池对串联充电所带来不均衡充电的问题，进而可在多回路下的多个电池对均衡充电电路来解决电池组串连充电和充电控制所带来的问题；利用现有的国产化程度高的成熟器件，尤其是单向可控硅，可通过的电流大，这一点在对大安时(动力电池)的可充电电池进行快速充电时尤为重要；结构简单，便于集成为功率半导体器件。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的电路框图。
图2是本实用新型的电路图。
图3是本实用新型第一个实施例的电路图。
图4是本实用新型第二个实施例的框图。
图5是本实用新型第三个实施例的框图。
在图1中，AC1和AC2为单相交流电端口，D11、D12、D21和D22为二级管，C11和C21为电解电容，K1为第一充电控制电路，K2为第二充电控制电路，T1和T2为单向可控硅，B1和B2为可充电电池，R18和R28为限流电阻。
在图2中，AC1和AC2为单相交流电端口，D11至D16和D21至D26为二级管，IC11至IC14和IC21至IC24为运算放大器或电压比较器，C11、C12、C21和C22为电解电容，R11至R18和R21至R28为电阻，NTC11、NTC12、NTC21和NTC22为热敏电阻，T1和T2为单向可控硅，B1和B2为可充电电池。
在图4中，C为电池对均衡充电电路，B1至B10为可充电电池。
在图5中，C为电池对均衡充电电路，B1至B30为可充电电池。
具体实施方式
1在图3中，D11采用IN4001，D12采用IN5401，单向可控硅T1采用BT151，IC11至IC14采用Lm324(内含4个运算放大器)，D13至D16采用IN4148，NTC11和NTC12采用NTC202，C11采用10V470微法的电解电容，C12采用10v10微法的电解电容，R11和R12采用阻值51KΩ的电阻，R13采用阻值5.1KΩ的电阻，R14采用阻值100KΩ的电阻，R15采用阻值1KΩ的电阻，R16采用阻值为200Ω的电阻，R17采用阻值51KΩ的电阻，R18采用阻值0.1Ω的电阻，B1采用镍氢可充电电池，1.2V，1500mAH；D21采用IN4001，D22采用IN5401，单向可控硅T2采用BT151，IC21至IC24采用Lm324(内含4个运算放大器)，D23至D26采用IN4148，NTC21和NTC22采用NTC202，C21采用10V470微法的电解电容，C22采用10v10微法的电解电容，R21和R22采用阻值51KΩ的电阻，R23采用阻值5.1KΩ的电阻，R24采用阻值100KΩ的电阻，R25采用阻值1KΩ的电阻，R26采用阻值为200Ω的电阻，R27采用51KΩ的电阻，R28采用阻值0.1Ω的电阻，B2采用镍氢可充电电池，1.2V，1500mAH。
单回路单相交流电220v经变压器变压后输出4.2v单相交流电，在IC14的同相端设定电压为100mV，由欧姆定律可知，对B1的充电电流为1000mA，为B1进行大电流快速充电，温升值ΔT设定为10℃，也就是NTC202在温度上升10℃后，阻值下降1KΩ，在B1的温度达到设定值后，IC11输出反转，由低电平变高电平，IC12输出反转，由高电平变低电平，IC13输出反转，由低电平变高电平，IC13高电平经由IN4148后加载在R14和R16上，此时IC14同相端的电压为6mV，因而对B1的充电电流为60mA，为B1进行小电流补充充电；在IC24的同相端设定电压为100mV，由欧姆定律可知，对B2的电流为1000mA，为B2进行大电流快速充电，温升值ΔT设定为10℃，也就是NTC202在温度上升10℃后，阻值下降1KΩ，在B2的温度达到设定值后，IC21输出反转，由低电平变高电平，IC22输出反转，由高电平变低电平，IC23输出反转，由低电平变高电平，IC23高电平经由IN4148后加载在R24和R26上，此时IC24同相端的电压为6mV，因而对B2的充电电流为60mA，为B2进行小电流补充充电。
具体实施方式
2以目前使用最为普遍的12V电源为例，在图4中，B1至B10为可充电电池，电池组含5个电池对，采用5个电池对均衡充电电路，在变压器的次级有5个相同的绕组，每一电池对均衡充电电路使用一个次级绕组，并与电池组中的一个电池对相连接，电池对和电池对均衡充电电路与具体实施方式
1相同。电池组中的每一单体电池均为单独充电，互不影响，先达到温升值ΔT的电池先进入补充充电，直到所有的单体电池都达到温升值ΔT进入补充充电，这样就可以有效地解决多单体电池组成的电池组由于串连充电所带来的不均衡。
具体实施方式
3以目前电动自行车普遍使用的36V电源为例，在图5中，B1至B30为可充电电池，电池组包含15个电池对，采用15个电池对均衡充电电路，在变压器的次级有15个相同的绕组，每一电池对均衡充电电路使用一个次级绕组，并与电池组中的一个电池对相连接，电池对和电池对均衡充电电路与具体实施方式
1相同。电池组中的每一单体电池均为单独充电，互不影响，先达到温升值ΔT的电池先进入补充充电，直到所有的单体电池都达到温升值ΔT进入补充充电，这样就可以有效地解决多单体电池组成的电池组由于串连充电所带来的不均衡。
权利要求1.电池对均衡充电电路，它在单相交流电下利用两个单向可控硅和两个半波整流来提供两路不共地的能独立工作的充电及充电控制电路，并使用两个二极管作为电路隔离，其特征是单相交流电端口AC1与单向可控硅T1的输入端、整流二级管之D11的正极和作为电路隔离的二级管D22的负极连接，整流二级管D11的负极与电容C11的正极和第一充电控制电路(K1)的正极连接，可控硅T1的输出端与电池对中的电池B1的正极连接，可控硅T1的控制极与第一充电控制电路(K1)的输出端连接，电池B1的负极与电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与电容C11的负极、第一充电控制电路(K1)的负极、二级管D12的正极连接，单相交流电端口AC2与单向可控硅T2的输入端、整流二级管D21的正极和作为电路隔离的二级管D12的负极连接，整流二级管D21的负极与电容C21的正极和第二充电控制电路(K2)的正极连接，可控硅T2的输出端与电池对另一电池B2的正极连接，可控硅T2的控制极与第二充电控制电路(K2)的输出端连接，电池B2的负极与电阻R28的一端连接，电阻R28的另外一端与电容C21的负极、第二充电控制电路(K2)的负极和二级管D22的正极连接。
2.根据权利要求1所述的电池对均衡充电电路，其特征是二级管D11的负极与电容C11的正极、电阻R11的一端、运算放大器或电压比较器IC11至IC14的正极、热敏电阻NTC12的一端连接，二级管D12的正极与电容C11的负极、电阻R12的一端、热敏电阻NTC11的一端、运算放大器或电压比较器IC11至IC14的负极、电阻R16的一端、电容C12负极、二级管D16的负极、电阻R18的一端连接，电阻R11的另一端与电阻R12的另一端连接，并与运算放大器或电压比较器IC11的反相端、运算放大器或电压比较器IC12的同相端、运算放大器或电压比较器IC13的同相端连接，热敏电阻NTC11的另一端与二级管D13的负极、电阻R15的一端、运算放大器或电压比较器IC11的同相端连接，运算放大器或电压比较器IC11的输出端与二级管D13的正极、运算放大器或电压比较器IC12的反相端连接，运算放大器或电压比较器IC12的输出端与二级管D14的正极相接接，二级管D14的负极与运算放大器或电压比较器IC13的反相端、电阻R13的一端连接，运算放大器或电压比较器IC13的输出端与二级管D15的正极连接，二级管D15的负极与电阻R14的一端连接，电阻R13的另一端和电阻R14另一端连接，并与电阻R16的另一端、运算放大器或电压比较器IC14的同相端连接，电阻R17的一端与电容C12正极、二级管D16的正极、运算放大器或电压比较器IC14的反相端连接，电阻R17的另一端与电阻R18的另一端、电池B1的负极连接，运算放大器或电压比较器IC14的输出端与单向可控硅T1的控制极连接，热敏电阻NTC12的另一端与电阻R15的另一端连接，热敏电阻NTC12与电池B1紧密接触；二级管D21的负极与电容C21的正极、电阻R21的一端、运算放大器或电压比较器IC21至IC24的正极、热敏电阻NTC22的一端连接，二级管D22的正极与电容C21的负极、电阻R22的一端、热敏电阻NTC21的一端、运算放大器或电压比较器IC21至IC24的负极、电阻R26的一端、电容C22负极、二级管D26的负极、电阻R28的一端连接，电阻R21的另一端与电阻R22的另一端连接，并与运算放大器或电压比较器IC21的反相端、运算放大器或电压比较器IC22的同相端、运算放大器或电压比较器IC23的同相端连接，热敏电阻NTC21的另一端与二级管D23的负极、电阻R25的一端、运算放大器或电压比较器IC21的同相端连接，运算放大器或电压比较器IC21的输出端与二级管D23的正极、运算放大器或电压比较器IC22的反相端连接，运算放大器或电压比较器IC22的输出端与二级管D24的正极相接接，二级管D24的负极与运算放大器或电压比较器IC23的反相端、电阻R23的一端连接，运算放大器或电压比较器IC23的输出端与二级管D25的正极连接，二级管D25的负极与电阻R24的一端连接，电阻R23的另一端和电阻R24另一端连接，并与电阻R26的另一端、运算放大器或电压比较器IC24的同相端连接，电阻R27的一端与电容C22正极、二级管D26的正极、运算放大器或电压比较器IC24的反相端连接，电阻R27的另一端与电阻R28的另一端、电池B2的负极连接，运算放大器或电压比较器IC24的输出端与单向可控硅T2的控制极连接，热敏电阻NTC22的另一端与电阻R25的另一端连接，热敏电阻NTC22与电池B2紧密接触。
专利摘要电池对均衡充电电路，解决了目前电池对串联充电所带来的不均衡，它在单回路单相交流电下利用两个单向可控硅和两个半波整流来提供两路不共地的能独立工作的充电及充电控制电路，并使用两个二极管作为电路隔离，可进行大电流快速充电和快速充电后的补充充电，进而可在多回路下来解决电池组的均衡充电，主要使用在需要使用可充电电池对或电池组的领域。
文档编号H02J7/10GK2865110SQ20052014412
公开日2007年1月31日 申请日期2005年12月17日 优先权日2005年12月17日
发明者黎山 申请人:黎山