用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊的製作方法

2023-11-03 23:42:42

專利名稱：用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電壓轉換模塊，具體是一種用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊。
背景技術：
環境問題的日益突出，使得人們對環保要求越來越高。鋰電池作為一種新型高效環保的清潔能源，正在被越來越廣泛地使用，並將逐步取代高汙染低能效的鉛酸電池。除了在新產品直接使用鋰電池，在原來使用鉛酸電池的產品中用鋰電池替代鉛酸電池也是拓展鋰電池應用與市場的一個重要方面。如何在原來使用鉛酸電池的系統中應用鋰電池產品成為加快鋰電池應用的一個重要課題，本實用新型就是關於如何在原來使用鉛酸電池的輕型四輪電動車系統中，用鋰電池替代鉛酸電池。在本項目研究的輕型四輪電動車系統中，鋰電池系統與鉛酸電池系統工作電壓相近，因此大部分鉛酸電池系統的電氣設備都可以直接使用在鋰電池系統中，只有電池電量顯示設備是例外。在輕型四輪電動車系統中，電池的充放電電量是通過電池的電壓來表徵，由於鋰電池與鉛酸電池的充放電曲線存在較大差異，導致兩種電池的電壓與電量對應關係存在相當大的差異，使得鉛酸電池的電量顯示設備無法正確顯示鋰電池的電量。在輕型四輪電動車系統中，電池的電量顯示設備與系統的電壓、電流、車速、行駛裡程等信息顯示設備整合在同一錶盤中，更換電池的電量顯示設備需要同時更換掉安裝了幾乎全部信息顯示設備的儀錶盤，不僅工作繁瑣而且成本昂貴。因此，如何使得鉛酸電池電量顯示設備也可以正確顯示離子電池的電量，成為拓展鋰電池在輕型四輪電動車系統中應用的關鍵技術。
發明內容本實用新型目的是提供一種簡單實用的電壓轉換模塊，在鉛酸電池輕型電動車的電量顯示設備中加裝這種電壓轉換模塊以後，該顯示設備就可以正確顯示出鋰電池的電量。按照本實用新型提供的技術方案，所述的用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊包括:電壓採集電路、控制器、電壓反饋電路、穩壓電路、電源電路、脈衝寬度調製調壓電路，鋰電池模組連接到電壓採集電路和穩壓電路，所述穩壓電路的輸出端分別連接電源電路和脈衝寬度調製調壓電路，所述電壓採集電路的輸出端和電源電路的輸出端連接到控制器，控制器的輸出端連接脈衝寬度調製調壓電路的控制信號輸入端，脈衝寬度調製調壓電路的輸出端連接到電動車儀錶盤上的電量顯示錶，脈衝寬度調製調壓電路的輸出端還通過電壓反饋電路連接所述控制器的輸入端。作為優選，所述用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊，還包括溫度測量電路，溫度測量電路的輸出端連接所述控制器的輸入端。所述控制器包括單片機以及開關管驅動電路，單片機的輸出端連接所述開關管驅動電路，開關管驅動電路的輸出端連接到脈衝寬度調製調壓電路中的開關管。[0008]所述控制器還連接有通訊接口，以連接鋰電池模組的電源管理系統讀取鋰電池模組的工作電流。本實用新型的優點是:使用這種電壓轉換模塊以後，就可以將鋰電池直接應用在鉛酸電池輕型電動車上，不需要更換其它主要電氣設備。

圖1:72V鋰電池模組與鉛酸電池模組的放電電壓與電量關係曲線。圖2:本實用新型的電壓轉換模塊的電路結構示意圖。圖3:72V鋰電池模組在不同溫度下的放電電壓與電量關係曲線。
具體實施方式
圖1為72V鋰電池模組與鉛酸電池模組的放電電壓與電量之間關係曲線。鉛酸電池的電量顯示設備就是利用電池電壓與電量之間的一一對應關係，通過電池的電壓來表徵電池的電量。但由於鉛酸電池與鋰電池的電壓與電量對應關係曲線之間存在明顯差異，鉛酸電池電量顯示設備無法正確顯示鋰電池的電量。本實用新型提供的電壓轉換模塊，是將圖1中鋰電池電壓信號V1送入鉛酸電池電量顯示設備之前先通過電壓轉換模塊進行電壓調整，將電壓轉換為圖1中的電壓V2後再送入鉛酸電池電量 顯示設備。如圖1所示，鋰電池在電壓V1時與鉛酸電池在電壓％具有相同的電量，鉛酸電池電量顯示設備在輸入電壓為V2時顯示的電量即為鋰電池在電壓V1時的電量。設定電池模組的電量Q與電壓V之間的關係用以下函數表示:鉛酸電池模組:Q=f\(V) (I)鋰電池模組:Q=f2(V)(2)一臺使用鉛酸電池的輕型電動車系統的電量顯示設備就是通過測量鉛酸電池的電壓V2，然後通過關係式(V2)來給出鉛酸電池的電量％。如果這臺輕型電動車的鉛酸電池模組被鋰電池模組替代，我們希望電壓為V1的鋰電池模組的電量Q1能夠通過關係式f2 (V1)被電動車的電量顯示系統顯示出來。鉛酸電池模組的電量顯示系統，是根據電壓V與電量Q之間的Q=f\ (V)關係設計製造的，為了使得該電量顯示系統顯示出電量Q1，就必須輸入電壓V2至電量顯示系統，其中V^fr1 (Q1) (3)f^1為函數的反函數，V=^f1 (V)。也就是說，我們只要在鋰電池模組的電壓V2輸入到電量顯示系統之前，先將其電壓由原來的V2轉換為V1，則鉛酸電池模組的電量顯示系統也可以正確地顯示出鋰電池模組在電壓V2下的電量％。由公式(2)可以得到:Q^f2 (V2) ⑷將式(4)代人式(3)中可以得到:V1==G1 (f2 (V2)) (5)式(5)表示，只要在輕型電動車的電池模組與電量顯示設備之間增加一個電壓轉換系統，將鋰電池模組的電壓V2通過式(5)轉換為電壓V1以後再輸入到電量顯示系統，該顯示系統顯示出的電量即為鋰電池模組的電量Q1。[0026]本實用新型提供的電壓轉換模塊的功能，就是將鋰電池模組的電壓V2，通過式(5)轉換為電壓V1以後再輸入到電量顯示系統，以正確顯示鋰電池模組的電量，達到使用原有鉛酸電池電量顯示設備來顯示鋰電池模組電量的目的。下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖2所示，鋰電池模組I連接到電壓轉換模塊2，電壓轉換模塊2的輸出連接到電動車儀錶盤10上的電量顯示錶11。本實用新型所述的用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊2包括:電壓採集電路3、控制器4、電壓反饋電路6、穩壓電路7、電源電路8、PWM(脈衝寬度調製)調壓電路9。其中，鋰電池模組I連接到電壓採集電路3和穩壓電路7，所述穩壓電路7的輸出端分別連接電源電路8和PWM調壓電路9，所述電壓採集電路3的輸出端和電源電路8的輸出端連接到控制器4，控制器4的輸出端連接PWM調壓電路9的控制信號輸入端，PWM調壓電路9的輸出端連接到電動車儀錶盤上的電量顯示錶11，PWM調壓電路9的輸出端還通過電壓反饋電路6連接所述控制器4的輸入端。鋰電池模組I的電壓信號送至電壓轉換模塊2後分為兩路，一路進入電壓採集電路3，此電路負責測量當前狀態下鋰電池模組I的電壓以取得鋰電池電壓值V1 ;另一路進入穩壓電路7，進行穩壓處理，將輸入的鋰電池電壓V1轉變為恆定電壓值Vc。將鋰電池電壓轉換為恆定電壓Vc的目的是簡化後續電壓轉換程序設計，提高電壓轉換準確性，因為鋰電池模組I不是一個穩定電壓源，其電壓會隨著電量狀態改變而變化，所以穩壓是電壓轉換模塊中十分重要的步驟。穩壓後的直流電一路送至電源電路8，另一路進入PWM (脈衝寬度調製)調壓電路9。電源電路8將穩壓後的電源調節成電壓轉換模塊2所需的工作電源，為整個電壓轉換模塊2提供合適的工作電源。PWM調壓電路9則對輸入的穩壓直流電進行調壓，PWM調壓電路的調壓原理是根據佔空比的調節來實現對電壓的升壓或降壓調整(參見:李定宣，開關穩定電源設計與應用，中國電力出版社.2006)，PWM調壓電路9會根據控制器4提供的控制信號，對PWM調壓電路9中的開關管進行相應的控制，已達到對電壓調整的目的。具體的控制信號則由控制器4進行控制，控制器4由單片機系統與相應的開關管驅動電路組成。單片機的輸出端連接所述開關管驅動電路，開關管驅動電路的輸出端連接到PWM調壓電路9中的開關管。單片機會利用電壓採集電路3測量到的鋰電池模組電壓V1根據公式(5)計算出電壓調整目標值V2,並與恆定電壓Vc進行比較，得到電壓調整比例R=V2/Vc0控制器將根據電壓調整比例R的大小為PWM調壓電路提供控制信號，通過開關管驅動電路調整開關管開關時間比例，將恆定電壓Vc調整為所需的電壓V2。在電壓信號V2輸出至電動車儀錶盤10上的電量顯不表11之前，電壓轉換模塊2中的電壓反饋電路6會對V2電壓進行檢測，以保證調整後電壓V2的準確性。如果PWM調壓電路輸出的電壓V2與控制器4的目標值不一致，控制器4會根據兩者之間差異大小，修正輸出至PWM調壓電路的控制信號，將PWM調壓電路輸出電壓V2調整到與控制器4目標電壓值一致。經過電壓反饋電路6檢測合格的電壓信號V2將會被輸出至電動車儀錶盤10上的電量顯示錶11，並以適當的方式將鋰電池模組I的電量顯示出來。這樣便可以在不改變電量顯示錶11設計的情況下，達到利用原有鉛酸電量顯示錶11來顯示鋰電池模組I電量的目的。在實際的應用中，如果知道車輛行駛裡程與電壓之間的關係，只要對控制器4程序進行相應的設定，就可以利用此電量表來表示車輛行駛的剩餘裡程數。上述設計並不僅僅適用於相同電壓區間的鋰電池與鉛酸電池的替換中，甚至在鋰電池模組與原來電量顯示設備的工作電壓不相同的情況下，使用本實用新型提供的電壓調節模塊2後，同樣可以使用該電量顯示系統來顯示鋰電池模組I電量。圖3為鋰電池模組I在不同溫度下的放電曲線。顯然，在不同溫度下，鋰電池模組I的放電電量Q與電壓V的關係存在明顯差異。也就是說，鋰電池模組I的電量Q除了是電壓的函數，同時也是鋰電池模組I溫度的函數，公式(2)可以進一步表示為:Q=f2 (V, T) (6)其中T為鋰電池模組的溫度。如果在電壓轉換模塊2中增加一個溫度測量電路5 (見圖2)，並將測量到的溫度值輸入到控制器4中，則控制器4可以根據公式(6)對鋰電池模組的溫度參數進行校準，電壓轉換模塊2將根據以下公式對鋰電池模組的電壓進行轉換:V2==^1 (f2 (V1, T)) (5)這樣，本實用新型所提供的電壓轉換模塊2不僅可以根據電壓與電量的關係正確顯示鋰電池模組I的電量，同時可以就溫度對鋰電池模組I電量的影響進行校準，進一步提高電量顯示系統的準確性。如果在本實用新型提供的電壓轉換模塊2中增加一個與控制器4相連的通訊接口，使得電壓轉換模塊2中的 控制器4可以從鋰電池模組I的電源管理系統(BMS)中讀取鋰電池模組I的工作電流，那麼本模塊還可以用同樣的方法對鋰電池模組I的電流進行校準。
權利要求1.用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊，其特徵是:包括電壓採集電路(3)、控制器(4)、電壓反饋電路(6)、穩壓電路(7)、電源電路(8)、脈衝寬度調製調壓電路(9)，鋰電池模組(I)連接到電壓採集電路(3)和穩壓電路(7)，所述穩壓電路(7)的輸出端分別連接電源電路(8)和脈衝寬度調製調壓電路(9)，所述電壓採集電路(3)的輸出端和電源電路(8)的輸出端連接到控制器(4)，控制器(4)的輸出端連接脈衝寬度調製調壓電路(9)的控制信號輸入端，脈衝寬度調製調壓電路(9)的輸出端連接到電動車儀錶盤上的電量顯示錶(11)，脈衝寬度調製調壓電路(9)的輸出端還通過電壓反饋電路(6)連接所述控制器(4)的輸入端。
2.如權利要求1所述用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊，其特徵是，還包括溫度測量電路(5)，溫度測量電路(5)的輸出端連接所述控制器(4)的輸入端。
3.如權利要求1所述用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊，其特徵是，所述控制器(4)包括單片機以及開關管驅動電路，單片機的輸出端連接所述開關管驅動電路，開關管驅動電路的輸出端連接到脈衝寬度調製調壓電路(9)中的開關管。
4.如權利要求1所述用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊，其特徵是，所述控制器(4)還連接有通訊接口，以連接鋰電池模組(I)的電源管理系統讀取鋰電池模組(I)的工作電流。
專利摘要本實用新型提供了一種用於鋰電池模組電量顯示的電壓轉換模塊，其包括電壓採集電路、控制器、電壓反饋電路、穩壓電路、電源電路、PWM調壓電路，鋰電池模組連接到電壓採集電路和穩壓電路，穩壓電路的輸出端分別連接電源電路和PWM調壓電路，電壓採集電路的輸出端和電源電路的輸出端連接到控制器，控制器的輸出端連接PWM調壓電路的控制信號輸入端，PWM調壓電路的輸出端連接到電動車儀錶盤上的電量顯示錶，PWM調壓電路的輸出端還通過電壓反饋電路連接所述控制器的輸入端。控制器還連接有溫度測量電路。其優點是使用這種電壓轉換模塊以後，就可以將鋰電池直接應用在鉛酸電池輕型電動車上，不需要更換其它主要電氣設備。
文檔編號H02M3/00GK203056963SQ201320020369
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者郭寶誠, 梁虎, 金鷹 申請人:無錫新緯電池有限公司