一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路的制作方法

1.本实用新型涉及蓄电池组均衡技术领域，具体是一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路。


背景技术：

2.《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024年)》明确指出“储能产业和储能技术作为新能源发展的核心支撑”；蓄电池是重要的储能元件，近年来蓄电池储能技术飞速发展并逐步成熟，在其发展过程中，单体电池技术的进步并不代表成组应用的蓄电池组整体寿命的提高，通过串、并联后的蓄电池组性能并非单体电池的线性叠加。
3.在单体电池生产过程当中，由于制造水平和工艺等问题，会使得各个单体电池的一致性存在一定的差别，导致由这些单体电池构成的蓄电池组容量的损失，长期的过充、过放造成了蓄电池组寿命下降等问题。
4.针对以上蓄电池需要均衡的问题，提出一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路，实现均衡功能，提高蓄电池的寿命。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路，使用隧道磁阻传感器对蓄电池的电流进行检测，利用模拟开关的切换实现均衡功能，提高了蓄电池组的寿命。
6.为实现上述目的，本实用新型采取如下技术方案：
7.一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路包括：壳体、由单体电池串联而成的蓄电池组、位于每个单体电池干路上的均衡控制开关、与各个单体电池并联的均衡电阻、位于每条支路的检测控制开关、检测电阻、检测控制开关、位于每条支路的隧道磁阻传感器和控制器。
8.所述的蓄电池组由单体电池串联而成，后一个单体电池的正极与前一个单体电池的负极连接，最终只剩下第一个单体电池的正极和最后一个单体电池的负极，整个蓄电池组通过壳体包覆，蓄电池组的一侧与壳体的内壁接触、壳体另一侧的内壁安装有控制器；所述的单体电池、均衡控制开关、均衡电阻、与单体电池并联的检测电阻、与检测电阻串联的检测控制开关构成均衡电路，位于每条支路的隧道磁阻传感器对导线中通过的电流进行检测，并通过控制器得到被测支路上单体电池的电压值，检测值与单体电池的容量进行对比，实现均衡功能。
9.均衡控制开关位于各单体电池的干路通过控制器的控制来实现两条支路的切换，其中一条支路为均衡电阻，另一条支路为单体电池；在每条支路上的检测电阻串联检测控制开关，与每块单体电池并联；在每条支路上有用于检测的隧道磁阻传感器，隧道磁阻传感器安装在隧道磁阻固定底座上，隧道磁阻固定底座与单体电池的壳体通过焊接固定。
10.隧道磁阻传感器的gnd、vcc引脚通过引线与单体电池的负极、正极连接，v 、v
‑
引
脚通过引线连接到调理电路的输入。
11.安装在壳体内的控制器包括传感器的调理电路部分、控制开关通断的执行部分以及控制蓄电池组充/放电部分。
12.调理电路由差分放大电路模块、比较电路模块顺序组成。
13.执行部分由均衡控制模块、均衡执行模块相连。
14.调理电路与均衡控制模块相连，均衡控制模块与均衡执行模块相连。
15.一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路的工作原理是：在蓄电池组充电过程中，充电电流通过导线，使得导线周围产生磁场，用于检测支路上电流变化的隧道磁阻传感器对导线周围产生的磁场进行检测(隧道磁阻传感器利用磁场变化引起磁电阻变化，隧道磁阻阻值变化形成的电阻信号转换成电压输出信号，电压输出信号经过调理电路得到被测电流信号)，通过控制器得到电压值，并通过控制器对均衡控制开关进行选通操作，实现均衡功能。
16.假设组成蓄电池组的单体电池(1
#
、2
#
、3
#
……
n
#
)的充电终止电压均为u0，但是由于目前电池制造水平和工艺，各个单体电池会存在细微的差别，导致在充电过程中各个单体电池的实际电压(1
#
、2
#
、3
#
……
n
#
单体电池的实际电压分别为u1、u2、u3……
u
n
)并不一定完全相等，即u1≠u2≠u3……
≠u
n
，当某节单体电池的实际电压u
x
＝u0，其余单体电池的实际电压均小于u0，此时均衡电路开始工作；开始充电时，控制器控制均衡控制开关接通单体电池所在支路给单体电池进行充电，同时每分钟对每个单体电池所在的支路的检测控制开关进行闭合一次操作，每次闭合时间不超过2秒，在闭合时间内隧道磁阻传感器对支路上的电流进行检测，控制器对电流值进行还原得到单体电池的电压u
11
、u
22
、u
33
，
……
，u
nn
；并对比u1与u
11
、u2与u
22
、u3与u
33
，
……
，u
n
与u
nn
的值，当u
11
＜u1且u
22
＝u2，u
33
＝u3，
……
，u
nn
＝u
n
(即2
#
、3
#
……
n
#
单体电池均充满，只有1
#
单体电池未充满)，均衡电路开始工作，控制器控制2
#
、3
#
……
n
#
单体电池的均衡控制开关接通均衡电阻所在支路，进行充电均衡，充电电流不经过2
#
、3
#
……
n
#
单体电池，来使得单体电池电压不高于充电终止电压u0；当u
11
＝u1且u
22
＜u2，u
33
＜u3，
……
，u
nn
＜u
n
(即只有1
#
单体电池充满，其余电池未满)，均衡电路开始工作，控制器控制1
#
单体电池的均衡控制开关接通均衡电阻所在支路，进行充电均衡，充电电流不经过1
#
单体电池，使得1
#
单体电池电压不高于充电终止电压u0。
17.当u
11
＜u1、u
22
＜u2且u
33
＝u3、u
44
＝u4，
……
，u
nn
＝u
n
(即3
#
、4
#
……
n
#
单体电池电均充满，只有1
#
、2
#
单体电池未充满)均衡电路开始工作，控制器控制3
#
、4
#
……
n
#
单体电池的均衡控制开关接通均衡电阻所在支路，进行充电均衡；当u
11
＝u1、u
22
＝u2且u
33
＜u3、u
44
＜u4，
……
，u
nn
＜u
n
(即只有1
#
、2
#
单体电池充满，其余电池未充满)，均衡电路开始工作，控制器控制1
#
、2
#
单体电池的均衡控制开关接通均衡电阻所在支路，进行充电均衡。
18.所述一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路的工作原理以上述两种情况进行描述，其余的更多单体电池充满/未充满的情况与上述情况原理一致，不再赘述；
19.所述隧道磁阻传感器对支路上的电流进行检测，控制器对电流值进行还原得到单体电池的电压u
11
、u
22
、u
33
……
u
nn
与组成蓄电池组的单体电池(1
#
、2
#
、3
#
……
n
#
)的实际电压为u1、u2、u3……
u
n
，在理想情况下存在u
11
＝u1、u
22
＝u2、
……
、u
nn
＝u
n
的情况，但在实际情况下，由于隧道磁阻传感器的安装、调理电路的漂移等原因造成的u
11
与u1并不完全相等的情
况，如u
11
±
δu＝u1，δu通过控制器置零，达到在有测量误差情况下的u
11
＝u1；其余的u
22
、u
33
……
u
nn
与上述解释一致，不再赘述。
20.所述隧道磁阻传感器每分钟进行一次检测，单次检测时间不超过2秒钟，在对电流进行检测时，检测控制开关进行闭合操作，检测完毕后开启开关，检测时间短不会对充电造成影响(或者影响可忽略)。
21.所述隧道磁阻传感器与导线位置保持不变，并保证导线通电后隧道磁阻的感磁面可以最大程度的接收通电导线产生的磁场的变化。
22.所述隧道磁阻传感器内部由四个非屏蔽高灵敏度隧道磁阻元件构成惠斯通全桥结构，可以感应穿过传感器感磁面的磁场，当外加磁场沿隧道磁阻传感器的感磁面方向变化时，惠斯通全桥提供差分电压输出，输出信号经过调理电路、控制器得到传感器测得的电压信号。
23.与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
24.(1)利用隧道磁阻传感器对直流电流可测的特性进行电流的检测，进而实现单体电池电压监测。隧道磁阻能将非常弱小的磁场变化引起非常显著的电阻变化，其变化幅值比通常高十几倍，具有体积小、灵敏度高、线性度宽、响应频率高、相位精度及重复精度好、抗噪声能力强、工作温度范围广、可靠性高、成本低等优点；
25.(2)通过可控的模拟开关对均衡电路进行控制，在单体电池电压值达到充电终止电压值时通过均衡控制开关接通均衡电阻所在支路，从而实现均衡功能，并减少了能量的耗散。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路；
28.图2为1
#
单体电池的均衡电路；
29.图3为n节单体电池组成的蓄电池组三维示意图；
30.图4为n节单体电池组成的蓄电池组剖面图。
[0031]1‑
壳体、2
‑1#
单体电池、3
‑2#
单体电池、4
‑3#
单体电池、5
‑4#
单体电池、6
‑
隧道磁阻传感器、7
‑
隧道磁阻固定底座、8
‑
导线、9
‑
控制器、10
‑
第一检测电阻r
11
，11
‑
第一均衡电阻r1、12
‑
第一检测控制开关s
11
、13
‑
第一均衡控制开关s1、14
‑
第二检测电阻r
22
、15
‑
第二均衡电阻r2、16
‑
第二检测控制开关s
22
、17
‑
第二均衡控制开关s2、18
‑
第三检测电阻r
33
、19
‑
第三均衡电阻r3、20
‑
第三检测控制开关s
33
、21
‑
第三均衡控制开关s3、22
‑
第四检测电阻r
44
、23
‑
第四均衡电阻r4、24
‑
第四检测控制开关s
44
、25
‑
第四均衡控制开关s4。
具体实施方式
[0032]
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
[0033]
如图1至图4所示，一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路，其中蓄电池组由1
#
单体电池2、2
#
单体电池3、3
#
单体电池4、4
#
单体电池5通过导线8串联组成，整个蓄电池组通过壳体1包覆，1
#
单体电池2、2
#
单体电池3、3
#
单体电池4、4
#
单体电池5的一侧与壳体1的内壁接触，壳体1另一侧的内壁安装有控制器9。
[0034]
以1
#
单体电池2来说明均衡电路，其余单体电池的均衡电路的原理相同；均衡电路由1
#
单体电池2、第一均衡控制开关s113、第一均衡电阻r111、导线8、第一检测控制开关s
11
12、第一检测电阻r
11
10组成，1
#
单体电池2与第一检测电阻r
11
10并联与第一检测控制开关s
11
12串联，第一均衡控制开关s113位于干路通过控制器9控制来实现两条支路的切换，其中一条支路为第一均衡电阻r111，另一条支路为1
#
单体电池2。
[0035]
隧道磁阻传感器6安装在隧道磁阻固定底座7上，隧道磁阻固定底座7焊接在1
#
单体电池2的壳体上，通过固定隧道磁阻传感器6的位置来保证蓄电池组充电时通过导线8的电流产生的磁场可以最大程度的经过隧道磁阻传感器6的感磁面。
[0036]
在没有均衡电路时，单体电池在充电时，2
#
单体电池3的端电压首先被充电至设置保护电压值，触发单体电池保护电路的保护机制，停止单体电池的充电，这样直接导致1
#
单体电池2、3
#
单体电池4、4
#
单体电池5无法充满，使得整个蓄电池组的满充电量受限于2
#
单体3电池，导致蓄电池组不能充满电，为了给蓄电池组充满电，必须在充电时采用均衡电路。
[0037]
在单体电池充电过程中，每节单体电池都设置有均衡电路，在充电时通过均衡电路来控制每节单体电池的电压，使每一单体电池保持在相同状态，保证蓄电池组的性能和寿命。
[0038]
假设单体电池的满电量为4.2v，当单体电池没有达到4.2v时，均衡电路不工作，每节单体电池继续充电，充电电流继续从单体电池上通过。
[0039]
当2
#
单体电池3端电压达到4.2v时，均衡电路开始工作，控制器9控制2
#
单体电池3的第二均衡控制开关s217接通第二均衡电阻r215所在支路，充电电流不经过2
#
单体电池3直接通过所并联的第二均衡电阻r215到下一节单体电池，通过此种方法进行均衡，这样1
#
单体电池2、3
#
单体电池4、4
#
单体电池5的充电时间也相应的延长，进而提升整个蓄电池组的电量，更好的提升了蓄电池组的性能。
[0040]
所述蓄电池组充电电流由固定在隧道磁阻固定底座7上的隧道磁阻传感器6进行检测，当蓄电池组开始工作时，控制器9控制第一均衡控制开关s113、第二均衡控制开关s217
……
第n均衡控制开关s
n
接通各个单体电池，来给由单体电池组成的蓄电池组进行充电，同时控制器9控制各个单体电池所在支路的第一检测控制开关s
11
12、第二检测控制开关s
22
16
……
第n检测控制开关s
nn
进行闭合操作，假设一分钟进行一次闭合操作，每次闭合2秒，在开关闭合期间，隧道磁阻传感器6对通过导线8的电流进行检测，并通过控制器9对所测的电流进行计算，计算成实际的电压值u
测
，计算的电压值u
测
通过在控制器9中与各个单体电池的满电状态u
满
进行比较，当u
测
＜u
满
开启由于检测需要而闭合的第一检测控制开关s
11
12、第二检测控制开关s
22
16
……
第n检测控制开关s
nn
，继续给单体电池充电；当u
测
≥u
满
控制器9控制第一均衡控制开关s113、第二均衡控制开关s217
……
第n均衡控制开关s
n
接通第一均衡电阻r111、第二均衡电阻r215
……
第n均衡电阻r
n
所在支路，进行均衡，此时充电电流不经过单体电池。
[0041]
以由四个单体电池构成的蓄电池组为例说明均衡的原理：1
#
单体电池2、2
#
单体电
池3、3
#
单体电池4、4
#
单体电池5的实际电压分别为u1、u2、u3、u4，位于每个单体电池支路的隧道磁阻传感器6对充电时通过的电流进行每分钟一次的检测(即控制器9控制第一检测控制开关s
11
12、第二检测控制开关s
22
16、第三检测控制开关s
33
20、第四检测控制开关s
44
24每分钟进行一次闭合操作)，并通过控制器9对所测的电流进行计算，计算成实际的电压值u
11
、u
22
、u
33
、u
44
，计算的电压值通过控制器9与单体电池的实际电压u1、u2、u3、u4进行对比；当u
11
＜u1且u
22
＝u2、u
33
＝u3、u
44
＝u4(即只有1
#
单体电池2未充满，其余单体电池均充满)，控制器9对2
#
单体电池3、3
#
单体电池4、4
#
单体电池5的第一均衡控制开关s113、第二均衡控制开关s217、第三均衡控制开关s321、第四均衡控制开关s425进行控制，使第二均衡控制开关s217、第三均衡控制开关s321、第四均衡控制开关s425接通第二均衡电阻r215、第三均衡电阻r319、第四均衡电阻r423所在支路，充电电流不经过2
#
单体电池3、3
#
单体电池4、4
#
单体电池5，实现均衡功能。
[0042]
当u
11
＝u1、u
22
＝u2、u
33
＝u3且u
44
<u4(即只有4
#
单体电池5未充满，其余单体电池均充满)，控制器9对1
#
单体电池2、2
#
单体电池3、3
#
单体电池4的第一均衡控制开关s113、第二均衡控制开关s217、第三均衡控制开关s321进行控制使其接通第一均衡电阻r111、第二均衡电阻r215、第三均衡电阻r319所在支路，实现均衡功能，充电电流仅通过4
#
单体电池，实现均衡功能。
[0043]
所述第一均衡控制开关s113、第二均衡控制开关s217
……
第n均衡控制开关s
n
在单体电池低电压状态下，控制器9控制其选通单体电池所在支路，当某一单体电池测得的电压值与充电终止电压值相等时，控制器9控制器控制其选通第一均衡电阻r111、第二均衡电阻r215
……
第n均衡电阻r
n
所在支路；第一检测控制开关s
11
12、第二检测控制开关s
22
16
……
第n检测控制开关s
nn
在充电状态时通过控制器9对其进行每分钟一次的闭合操作，每次闭合2秒，此时刻用于隧道磁阻传感器6对通过导线8的电流进行检测。
[0044]
均衡控制开关(s1、s2……
s
n
)、检测控制开关(s
11
、s
22
……
s
nn
)皆为单刀双掷的模拟开关；均衡控制开关(s1、s2
……
sn)的一个触点通过引线连接均衡电阻(r1、r2
……
rn)，另一个触点通过引线连接单体电池；检测控制开关(s11、s22
……
snn)其中一个触点空接，另一个触点通过引线连接检测电阻(r11、r22
……
rnn)；优选的，第一均衡控制开关s113、第二均衡控制开关s217
……
第n均衡控制开关s
n
选择adg619单芯片cmos单刀双掷(spdt)开关，控制器9控制adg619的in端，低电平(0)时候选通其中一路，高电平(1)时候，选通另外一路。
[0045]
所述第一检测电阻r
11
(10)，第一均衡电阻r1(11)、第一检测控制开关s
11
(12)、第一均衡控制开关s1(13)为1
#
单体电池(2)的均衡电路组成部分；第二检测电阻r
22
(14)、第二均衡电阻r2(15)、第二检测控制开关s
22
(16)、第二均衡控制开关s2(17)为2
#
单体电池(3)的均衡电路组成部分；第三检测电阻r
33
(18)、第三均衡电阻r3(19)、第三检测控制开关s
33
(20)、第三均衡控制开关s3(21)为3
#
单体电池(4)的均衡电路组成部分；第四检测电阻r
44
(22)、第四均衡电阻r4(23)、第四检测控制开关s
44
(24)、第四均衡控制开关s4(25)为4
#
单体电池(5)的均衡电路组成部分；类似的，n
#
单体电池的均衡电路组成部分为第n检测电阻r
nn
、第n均衡电阻r
n
、第n检测控制开关s
nn
、第n均衡控制开关s
n
。
[0046]
特别的，单体电池组成蓄电池组时，n≥2。
[0047]
以上述两种状态对工作原理进行说明，其余工作状态的原理与上述一致，不再赘述。
[0048]
所述隧道磁阻传感器对支路上的电流进行检测，控制器对电流值进行还原得到单体电池的电压u
11
、u
22
、u
33
、u
44
与组成蓄电池组的单体电池(1
#
、2
#
、3
#
、4
#
)的实际电压分别为u1、u2、u3、u4，在理想情况下存在u
11
＝u1、u
22
＝u2、u
33
＝u3、u
44
＝u4的情况，但在实际情况下，由于隧道磁阻传感器的安装、调理电路的漂移等原因造成的u
11
与u1并不完全相等的情况，如u
11
±
δu＝u1，δu通过控制器置零，达到在有测量误差情况下的u
11
＝u1；其余的u
22
、u
33
、u
44
与上述解释一致，不再赘述。
[0049]
优选的，所述一种隧道磁阻检测与模拟开关控制的蓄电池均衡电路在各个单体电池处安装有用于指示电量状态的指示灯，每个指示灯通过引线与控制器9相连，当蓄电池充满后，指示灯亮，此技术为本领域公知技术，不再赘述。
[0050]
优选的，所述控制器9可采用单片机，单片机对模拟开关的控制属本领域公知技术，不再赘述；隧道磁阻传感器的使用方法是本领域公知技术，不再赘述。
[0051]
充电的第一阶段以恒定电流充电，当电压达到预定值时转入第二阶段进行恒压充电，此时电流逐渐减少，当充电电流下降到零时，蓄电池组完全充满，上述充电技术为本领域公知技术，不再赘述。
[0052]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。