具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置的製作方法

2023-12-01 09:34:46 2

專利名稱：具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於鋰電池檢測裝置，尤其涉及一種具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置。
背景技術：
充電電池又稱為二次電池，是指在電池放電後可通過充電的方式使活性物質激活而繼續使用的電池。充電電池的充放電循環可達數千次，故其相對乾電池而言更經濟實用。 對於二次電池，使用壽命是衡量電池性能好壞的一個重要參數。二次電池經過一次充電和放電，稱為一個周期。在一定的充放電制度下，電池容量達到某一規定值之前電池能經受的充放電次數稱為二次電池的使用周期。鋰離子電池具有優良的貯存性能和長的循環壽命。 二次電池在生產過程中需要對電池的基本性能電池的分路電壓、電池的內阻、電池的工作電壓、充電電壓及電流、容量等數十個參數進行檢測。充電電壓是指二次電池在充電時，外電源加在電池兩端的電壓。充電的基本方法是先恆電流充電後恆電壓充電，其恆流特點是在充電過程中充電電流恆定不變。隨著充電的進行，活性物質被恢復，電極反應面積不斷縮小，電極的極化逐漸增高。目前，電池生產普遍採用直流電源或充電器充電，電阻式放電的測試或檢測方法。檢測裝置的結構包括充電機、放電電路、信號採集的控制機構以及轉換電路構成。通過對電池充放電信號的周期採集，檢測電池的各項性能。該種方法是一種需將電能變為熱量而白白放掉的檢測方式。隨著電池產業的擴展，此能源的浪費越來越凸顯出來。目前有的設備採用了將電量回饋到電網的方法。但是必需變為純淨的交流電才可使用， 並且用戶所回饋的電量又不容易得到認可，種種問題使得採用此方法的設備不能被普遍應用。電池行業亟待開發一種既節約了能源又提高了檢測效率的鋰電池檢測裝置。

實用新型內容本實用新型的目的在於克服上述技術的不足，而提供一種簡單實用的具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置，在檢測過程中，它可以將檢測電池放電時放出的電量，同時給另一組儲能電池進行充電，互為充放電的過程，既節約了能源又提高了檢測效率。也可以同時對兩組電池進行檢測，也可以將存儲起來的電量用於下次電池的充電檢測。本實用新型為實現上述目的，採用以下技術方案一種具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置，其特徵是主要有機殼、置於機殼表面的待測電池及儲能電池的夾具、由充放電切換電路、升降壓電路及單片機控制電路構成的互為充放電控制電路，所述充放電切換電路由充放電切換繼電器J-l、J-2、J_3、J-4及開機繼電器Kl構成，所述檢測電池的夾具正極端與開機繼電器連接，開機繼電器通過繼電器J-I常閉點與升降壓電路輸入端連接， 所述繼電器J-2常閉點與檢測電池夾具負極端相連接共同構成檢測電池的連接迴路，所述升降壓電路輸出端通過繼電器J-4常閉點與儲能電池的夾具正極端連接，升降壓電路輸出端通過繼電器J-3常閉點與儲能電池的夾具負極端連接共同構成儲能電池的連接迴路，所述單片機控制電路與升降壓電路及繼電器驅動電路連接。[0005]所述升降壓電路由絕緣柵雙極型電晶體、肖特基二極體、電感、電容構成的 BUCK-BOOST升降壓電路，所述電感、電容與肖特基二極體呈Π式連接，所述絕緣柵雙極型電晶體的發射極與肖特基二極體連接，發射極又與繼電器Κ2連接，繼電器Κ2常開點連接補放電電阻，常閉點連接電感，電感的另一端與繼電器(Κ3)連接、其同時又經輸入迴路的電流傳感器Iin及繼電器(J-幻常閉點與檢測電池負極端夾具連接，絕緣柵雙極型電晶體的集電極通過繼電器(J-I)常閉點、繼電器(Kl)與檢測電池的夾具正極端連接；所述繼電器 (Κ3)常開點連接有補充電充電器，補充電充電器與與檢測電池負極端夾具連接，所述緣柵雙極型電晶體的門極與PWM控制電路連接，所述電感經輸出迴路的電流傳感器Ιο、繼電器 (J-4)常閉點及繼電器(J-3)常閉點分別與儲能電池的夾具正極端及負極端夾具連接。所述緣柵雙極型電晶體門極連接的PWM控制電路由鋸齒波發生器、脈衝發生器、 驅動電路、加法器、放大器、調零及滿量程調節電路構成，所述鋸齒波發生器、脈衝發生器和驅動電路依次連接，所述脈衝發生器與放大器和加法器依次連接，所述加法器分別與調零及滿量程調節電路連接。有益效果由於互為充放電的鋰電池組檢測裝置的實現，不但能較好地解決電池或電池組充放電檢測中的節能減排問題，大量地節省用電成本，還可提高檢測生產率；由於能源的充分利用，減少了熱量的排放，還將大大地改善對設備運行、電池質量的保證以及人員操作環境等方面的影響。

圖1是本實用新型的鋰電池充放電檢測電路原理圖；圖2是圖1中單片機控制電路原理圖；圖3是PWM控制原理框圖圖4是PWM電路原理圖；圖5是本實用新型的外形結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及較佳實施例詳細說明本實用新型的具體實施方式
。如圖1-圖5所示，一種具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置，主要有機殼1、置於機殼表面的待測電池及儲能電池的夾具1、由繼電器、充放電切換電路、升降壓電路、補充/補放電電路及單片機控制電路構成的互為充放電控制電路，所述充放電切換電路由充放電切換繼電器J-l、J-2、 J-3、J-4及開機繼電器Kl構成、J-U J-2、J-3、J-4的常閉點為檢測電池的放電狀態、而常開點為檢測電池的充電狀態，所述檢測電池的夾具正極端與開機繼電器Kl連接，開機繼電器Kl通過繼電器J-I常閉點與升降壓電路輸入端連接，所述繼電器J-2常閉點與檢測電池夾具負極端相連接構成輸入迴路，所述升降壓電路輸出端通過繼電器J-4常閉點與儲能電池的夾具正極端連接，升降壓電路輸出端通過繼電器J-3常閉點與儲能電池的夾具負極端連接構成輸出迴路，所述單片機控制電路與升降壓電路的PWM控制電路及繼電器驅動電路 JK連接。所述升降壓電路由絕緣柵雙極型電晶體IGBT、肖特基二極體、電感、電容構成的 BUCK-BOOST升降壓電路，所述電感、電容與肖特基二極體呈Π式連接，所述IGBT的集電極C 與繼電器J-I連接、所述IGBT的發射極E與肖特基二極體連接，並且與繼電器Κ2連接，其常閉點B連接電感，電感的另一端與繼電器K3連接、電感的此端同時又經輸入迴路的電流傳感器Iin及繼電器J-2常閉點與檢測電池負極端夾具連接，構成升降壓電路的輸入迴路; 所述電感所儲電量經電流傳感器Ιο、繼電器J-4常閉點及繼電器J-3常閉點分別與儲能電池的夾具正極端及負極端夾具連接構成升降壓電路的輸出迴路。所述補充和補放電路主要由繼電器K2常開點K和放電電阻構成補放電路，由繼電器K3常開點K和充電器構成補充電路。所述IGBT的門極G連接PWM控制電路。所述繼電器(K3)常開點連接有補充電充電器，補充電充電器與與檢測電池負極端夾具連接，由J-1/J-2/J-3/J-4繼電器及Kl開機繼電器組成的充/放電切換電路、IGBT/肖特基二極體(D)/電感(L)/電容(C)組成的BUCK-BOOST升降壓電路、K2繼電器/放電電阻 (R)/K3繼電器/充電器組成的補充/補放電路及單片機控制電路。檢測電池BTl的夾具正 Bl+端連接的Kl開機繼電器，通過J-I充放電切換繼電器的常閉點連接到BUCK-BOOST電路IGBT的集電極C ；它的發射極E接二極體，並且接補放切換繼電器的K2，其開路點K連接補放電電阻，閉路點B連接電感L ；它們的迴路是經Iin電流傳感器及J-2充放電切換繼電器的常閉點與檢測電池負端夾具Bl-相連接；即構成輸入迴路。電感L的另一路，經Io電流傳感器連接到J-4充放電切換繼電器的常閉點、B2+電池夾具及BT2儲能電池的B2-端、 切換繼電器的J-3的常閉點、再連接到電容C2、二極體D即構成了輸出迴路。圖中K3是補充電的充電器給電池BTl補充電的切換電路繼電器；單片機控制電路中的JK是對各繼電器切換的驅動控制電路、VBl是BTl檢測電池的總採樣電壓，VB2是BT2儲能電池的總採樣電壓，VXl是BTl檢測電池各分路單體採樣電壓的連接電路，VX2是BT2儲能電池各分路單體採樣電壓的連接電路，Iin是BUCK-BOOST電路輸入迴路電流傳感器，Io是輸出迴路電流傳感器；而脈衝寬度調製PWM控制電路、則通過單片機實現了對IGBT的控制，從而實現了對 BUCK-BOOST電路輸入/輸出兩端檢測電池BTl和儲能電池BT2充/放電時的恆流/恆壓控制。絕緣柵雙極型電晶體IGBTansulated Gate Bipolar Transistor)是由BJT (雙極型三極體)和MOS (絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有 MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。IGBT驅動功率小而飽和壓降低。 所述緣柵雙極型電晶體門極連接的PWM控制電路由鋸齒波發生器、脈衝發生器、驅動電路、 加法器、放大器、調零及滿量程調節電路構成，所述鋸齒波發生器是用LM358運算放大器正輸入端連接參考電壓、正端與輸出端還連接一個正反饋電阻、負輸入端與輸出端通過串接的電阻正向連接一個二極體、負端又上接一個電阻下接一個電容，由此構成的電路、在放大器的輸出端可產生連續的鋸齒波，所述脈衝發生器是用運算放大器的正輸入端連接控制電壓、負輸入端連接鋸齒波輸出信號，由此根據控制電壓的大小、在輸出端就產生了不同脈寬的脈衝，所述驅動電路是通過光電隔離器、三極體及保護電阻構成常規的IGBT驅動電路， 所述加法器是用運算放大器組成、兩個加法信號是在負輸入端連接調零電位器信號端與滿量程調節電位器信號端、運算後輸出為兩信號相加的負電壓值，所述放大器是用運算放大器正端通過電阻接地、負端對輸出端接一反饋電阻、又接一輸入電阻並連接到加法器的輸出端、構成反向放大器、用以變成真實的控制電壓後、連接到脈衝發生器的正輸入端，由此構成實用的PWM控制電路。工作原理一、檢測電池的放電迴路首先接好BTl檢測電池組和BT2儲能電池組，接通開機繼電器Kl及充放電切換繼電器J-I/J-2/J-3/J-4的常閉點B時，為BTl檢測電池的放電狀態，而K2的常閉點B接通L電感，即是BUCK-BOOST電路的升降壓工作狀態。此時經PWM的控制可使放電電流控制在所要求的恆流狀態；其工作原理是當PWM的脈衝信號使IGBT開通時，電流從上至下流經電感，通過Iin傳感器形成迴路，此時電感上端為正，下端為負；當 PWM使IGBT關斷時，電感將變換極性為上負下正並放出電能；這些電能通過C2濾波後，再經過J-4向儲能電池BT2充電，並通過J-3及二極體D形成電感的放電迴路，同時也形成了儲能電池的充電迴路；這就實現了將檢測電池BTl的電能轉移到儲能電池的儲能目的。當檢測電池BTl沒放完電而儲能電池BT2已經充滿的情況下，可將K2切換到常開點K，接通放電電阻R，此時BTl放電能量經電阻變為熱能使其補放電來完成放電過程。單片機通過對 Iin的採樣及PWM的控制、形成對放電恆流/恆壓的閉環控制。二、檢測電池的充電迴路當充放電切換繼電器J-1/J-2/J-3/J-4同時切換到常開點K、變為檢測電池BTl的充電狀態，這時儲能電池BT2的B2+通過J-I接通到IGBT輸入端，而BUCK-BOOST輸入迴路的負極通過J-4與B2-相連接，即形成了儲能電池的放電迴路；這時BUCK-BOOST電路的輸出迴路正極、通過J-2連接到檢測電池BTl的正端夾具B1+， 而負端Bl-經過J-3接到了二極體D，形成了對檢測電池BTl的充電迴路；這樣儲能電池放電迴路存儲到電感L中的電能量，形成了對檢測電池BTl的充電過程；但當BTl沒充完電而 BT2已達到放電下限的情況下，單片機控制K3切換到常開點K，接通補充電的充電器，此時 BTl繼續充電，進而用補充電路來完成對BTl的充電過程。其中BUCK-BOOST升降壓電路的工作原理是Uo = K/(I-K)Ui ；關鍵是調整好佔空比K值的大小就可控制輸出/輸入的比值，因脈衝寬度調製電路PWM是佔空比調整的有效方法，即通過對IGBT進行有效地PWM控制就可實現。所述各繼電器動作是在單片機通過繼電器驅動電路JK控制下完成的。充放電恆流的控制主要是單片機通過Iin電流採樣信號構成的負反饋PWM閉環的恆流控制環節實現的，恆壓控制是單片機通過VBl總電壓信號構成的負反饋充電PWM閉環的恆壓控制環節實現的。其中VX1/VX2/VB2/IO信號是對兩個電池運行狀態的安全監控，以防超出限定值造成電池的損壞。三、實驗過程自2006年我們開始設計了一些簡單的測試儀器；如簡易瓷管電阻式放電機、充電器檢測儀、均衡式保護管理板；(1)開始確定的主電路是降壓電路，首先為滿足工作電壓電流的要求，選擇合格的大功率開關管；經過幾十次的實驗、篩選，確定了用「40N60」型號的IGBT。但當第二次購進幾百片後，接連燒壞了共二百多個IGBT ；當發現第一批沒問題既兩批型號一樣但質量不同時，才另選定廠家和型號既48N60。(2)為了適應動態控制電路的要求，必須對斬波後的電池端進行整形處理，並且又要適用於檢測不同電壓電流的電池組既適應大範圍負載的需要，所以電路中的大電感、大電容的確定也歷經反反覆覆，前後有幾十次的實驗才得到較理想的波形。(3)PWM驅動控制電路的確定，完全是在實驗中不斷完善的。開始我們選用現有的 PWM晶片，實驗後均沒有合適的；所以我們改用自搭的電路，解決了零點控制、滿量程控制、 接地幹擾、波形調整、頻率整定、PID控制的反饋精度等若干問題；為此電路的調整與實驗及元器件的選用都經過了無數次的反覆，光改做PCB就達十幾版。[0024](4)充放電既組態的切換電路也是在幾十次的調試中不斷發現問題並改進完善的，最後確定了大功率繼電器加消弧電路的方案。(5)待主電路成功後，為實驗節能檢測電路，包括IGBT、電容甚至實驗用電源等都有不同程度的損壞，陸續經過了半年多的時間，直至找到適用此電路的器件才逐步實驗成功。(6)最後根據設計與實驗結果，此節能檢測電路是由充放電切換電路、升降壓主電路、補充/放電路及單片機控制電路四個基本部分組成。四、實驗舉例(1)注意事項 主電路的開關管可用MOSFET、IGBT，但均不可用帶寄生反向二極體的； 主電路的二極體最好採用肖特基二極體；· PWM驅動電路開始實驗也可用現有的晶片，但驅動電路電壓不可小於12V(2)試驗目的對兩個同樣的電池組、通過此升降壓電路的控制，定性的實現有充放電的電流隨著控制的大小而變化。(3)試驗步驟 外圍切換電路用圖中常閉點接通的位置來連接主電路，但電池先不接入； 查驗單片機控制及PWM驅動電路波形是否完好，並至少可達到10-90%的佔空比調節範圍；^PWM調至1HZ，用萬用表電阻通斷檔測IGBT管C、E兩端、正表筆接C端、負表筆接E端，觀察是否通斷正常； 頻率調至20KHZ左右，P麗調到最小； 接入檢測電池，調節PWM，使主電路輸出電壓隨著調節而上升下降；注意輸入與輸出的電壓方向相反； 接入儲能電池，隨著PWM的調節，當輸出電壓超過儲能電池電壓後，輸入電流而跟著變化；到此為至主電路試驗正常。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型的結構作任何形式上的限制。凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本實用新型的技術方案的範圍內。
權利要求1.一種具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置，其特徵是主要有機殼、置於機殼表面的待測電池及儲能電池的夾具、由繼電器、充放電切換電路、升降壓電路及單片機控制電路構成的互為充放電控制電路，所述充放電切換電路由充放電切換繼電器J-l、J-2、J-3、 J-4及開機繼電器Kl構成，所述檢測電池的夾具正極端與開機繼電器連接，開機繼電器通過繼電器J-I常閉點與升降壓電路輸入端連接，所述繼電器J-2常閉點與檢測電池夾具負極端相連接共同構成檢測電池的連接迴路，所述升降壓電路輸出端通過繼電器J-4常閉點與儲能電池的夾具正極端連接，升降壓電路輸出端通過繼電器J-3常閉點與儲能電池的夾具負極端連接共同構成儲能電池的連接迴路，所述單片機控制電路與升降壓電路及繼電器驅動電路連接。
2.根據權利要求1所述的具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置，其特徵是所述升降壓電路由絕緣柵雙極型電晶體、肖特基二極體、電感、電容構成的BUCK-BOOST升降壓電路，所述電感、電容與肖特基二極體呈Π式連接，所述絕緣柵雙極型電晶體的發射極與肖特基二極體連接，發射極又與繼電器Κ2連接，繼電器Κ2常開點連接補放電電阻，常閉點連接電感，電感的另一端與繼電器Κ3連接、其同時又經輸入迴路的電流傳感器Iin及繼電器J-2 常閉點與檢測電池負極端夾具連接，絕緣柵雙極型電晶體的集電極通過繼電器J-I常閉點、繼電器Kl與檢測電池的夾具正極端連接；所述繼電器Κ3常開點連接有補充電充電器， 補充電充電器與與檢測電池負極端夾具連接，所述緣柵雙極型電晶體的門極與PWM控制電路連接，所述電感經輸出迴路的電流傳感器Ιο、繼電器J-4常閉點及繼電器J-3常閉點分別與儲能電池的夾具正極端及負極端夾具連接。
3.根據權利要求1或2所述的具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置，其特徵是所述緣柵雙極型電晶體門極連接的PWM控制電路由鋸齒波發生器、脈衝發生器、驅動電路、加法器、放大器、調零及滿量程調節電路構成，所述鋸齒波發生器、脈衝發生器和驅動電路依次連接，所述脈衝發生器與放大器和加法器依次連接，所述加法器分別與調零及滿量程調節電路連接。
專利摘要本實用新型涉及一種具有互為充放電功能的鋰電池檢測裝置，其特徵是主要有機殼、置於機殼表面的待測電池及儲能電池的夾具、由繼電器、充放電切換電路、升降壓電路及單片機控制電路構成的互為充放電控制電路，所述單片機控制電路與升降壓電路及繼電器驅動電路連接。有益效果由於互為充放電的鋰電池組檢測裝置的實現，不但能較好地解決電池或電池組充放電檢測中的節能減排問題，大量地節省用電成本，還可提高檢測生產率；由於能源的充分利用，減少了熱量的排放，還將大大地改善對設備運行、電池質量的保證以及人員操作環境等方面的影響。
文檔編號G01R31/36GK201993449SQ20112003200
公開日2011年9月28日 申請日期2011年1月30日 優先權日2011年1月30日
發明者劉連仲 申請人:劉連仲