一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)，特別涉及一種利用儲(chǔ)能電容來實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組能量轉(zhuǎn)移的均衡電路。該電路包括一組串聯(lián)的鋰離子電池，每個(gè)電池對(duì)應(yīng)一個(gè)比較器；由兩個(gè)等值電阻組成的分壓支路，該支路用于采樣電池組的平均電壓，并將平均電壓值作為基準(zhǔn)電壓輸送到每個(gè)比較器的輸入端；每個(gè)比較器的輸出端連接到對(duì)應(yīng)均衡支路的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。當(dāng)電池組中存在高壓電池單體時(shí)，相應(yīng)的比較器輸出高電壓，對(duì)應(yīng)的均衡支路導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容吸收高壓電池的能量，直到其電壓下降到平均值，此時(shí)另一均衡支路導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容向低壓電池放電，均衡電路重復(fù)上述工作直到串聯(lián)電池組的每一個(gè)單體電池電壓相等。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，可以快速實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)的能量均衡，最大程度的利用電池組全部?jī)?chǔ)能為無線傳感器供能，延長(zhǎng)其工作的壽命。
【專利說明】一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)，特別涉及一種利用儲(chǔ)能電容來實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組電能轉(zhuǎn)移的均衡電路。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、交通運(yùn)輸、精細(xì)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到人們的重視。傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成單元，通常散布于一定的區(qū)域內(nèi)協(xié)助實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中的工況環(huán)境決定了節(jié)點(diǎn)電源大多數(shù)情況下無法接入正常的電力系統(tǒng)。例如Crossbow公司的MICAz節(jié)點(diǎn)如果采用3000mAh的電池設(shè)置在I %的工作周期，然而每隔17周就需要更換一次電池。此外由于節(jié)點(diǎn)常被布置在惡劣及復(fù)雜的環(huán)境中，進(jìn)一步增加了更換電池的成本。充分利用電池組的全部能量，延長(zhǎng)其工作壽命便成為了傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。
[0003]自鋰離子電池開發(fā)成功以來，由于其具有比能量高、工作電壓高，無記憶性、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無污染等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于無線傳感器領(lǐng)域。普通鋰離子電池的工作端電壓一般在3.6?4.1V之間，由于節(jié)點(diǎn)負(fù)載對(duì)電源電壓和功率需求的差異，通常將多個(gè)鋰離子電池串聯(lián)成組作為供能單元。然而，鋰離子電池由于自身化學(xué)特性以及工況環(huán)境的不同，電池組內(nèi)單體電池的容量、內(nèi)阻等性能不一致，導(dǎo)致弱體電池決定電池組整體性能。為了充分利用電池組內(nèi)部所有能量，防止弱體電池過充或者過放情況的發(fā)生，致使電池組提前結(jié)束工作，因此對(duì)供能單元進(jìn)行能量均衡顯得十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)供能電池組內(nèi)所有單體電池電壓保持一致，防止弱體電池提前放電或者充電結(jié)束導(dǎo)致串聯(lián)電池組無法工作，避免浪費(fèi)電池組內(nèi)其他正常電池的剩余能量，極大的延長(zhǎng)了無線傳感器的工作時(shí)間。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:
[0006]一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)，其特征在于，包括串聯(lián)電池組、分壓電路、比較器控制電路、均衡電路和儲(chǔ)能電容C，所述的電池組由電池BI與B2串聯(lián)而成；所述的分壓電路由電阻Rl與R2串聯(lián)而成，分壓點(diǎn)路接在電池組的正負(fù)兩端；所述的比較器控制電路由比較器COMPl、C0MP2組成，所述的比較器COMPl的3端與C0MP2的6端同時(shí)連接在電阻Rl與R2之間，比較器COMPl的2端與C0MP2的7端同時(shí)連接在電池B2的正極，所述的比較器COMPl的4端與C0MP2的10端接地，比較器COMPl的5端與C0MP2的9端同時(shí)通過電阻R3接到電池組的正極；所述均衡電路由場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4組成，所述Ql與Q3的門極G同時(shí)連接在比較器COMPl的I端，所述Q2與Q4的門極G同時(shí)連接在比較器C0MP2的8端，所述場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極D接電池組的正極，所述場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極D接電容C的正極，效應(yīng)管Q2的源極S接電池B2的正極，所述場(chǎng)效應(yīng)管Q3的漏極D接電池B2的正極，所述場(chǎng)效應(yīng)管Q4的漏極D接電池組的負(fù)極，場(chǎng)效應(yīng)管Q4的源極S接電池B2的負(fù)極；所述的儲(chǔ)能電容C的正極接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極S，儲(chǔ)能電容C的負(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管Q3的源極S。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:
[0008]由于鋰離子電池組內(nèi)單體電池的工況、環(huán)境、溫度、化學(xué)特性的不同，鋰離子電池組內(nèi)部容易出現(xiàn)能量不一致的現(xiàn)象，表現(xiàn)為電池電壓波動(dòng)，即電池BI的電壓高于電池B2或者電池B2的電壓高于BI。此時(shí)，如果不進(jìn)行能量均衡，電壓與能量的離散度將越來越大，最終導(dǎo)致低電壓電池提前放電結(jié)束，串聯(lián)電池?zé)o法繼續(xù)工作，高電壓電池中還有大量剩余能
量全部浪費(fèi)。
[0009]當(dāng)電池BI的能量高于B2的能量時(shí)，即電池B2的電壓低于電池組平均值，此時(shí)比較器COMPl的輸出為高電壓，連接在COMPl的輸出端的場(chǎng)效應(yīng)管Ql和Q3導(dǎo)通，電池BI與電容C構(gòu)成回路，電池BI開始對(duì)電容C進(jìn)行充電過程，電容C的電壓不斷上升而電池BI的電壓不斷下降直至BI的電壓低于電池組平均電壓。這時(shí)，COMPl輸出變?yōu)榈碗娖剑珻0MP2的輸出變?yōu)楦唠娖?，連接在C0MP2的輸出端的場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q4導(dǎo)通，電池B2與電容C構(gòu)成回路，電容C開始對(duì)電池B2進(jìn)行充電，把儲(chǔ)存在電容C的能量轉(zhuǎn)移到電池B2內(nèi)，電池B2電壓與能量不斷上升而電容C的電壓不斷下降，高能量電池BI也處于開路狀態(tài)，電池BI的電壓不斷上升恢復(fù)至高于平均電壓，比較器控制電路不斷重復(fù)上述的過程持續(xù)的將BI的能量轉(zhuǎn)移到電池B2中，直到兩節(jié)電池的能量與電壓非常接近，即電池組能量處于均衡狀態(tài)。當(dāng)電池B2的能量高于BI的能量時(shí)，即電池B2的電壓高于電池組平均值時(shí)，均衡過程上述的類似。
[0010]該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉·，可以自動(dòng)快速實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)部的能量均衡，充分利用電池組內(nèi)每個(gè)單體的能量，防止弱體電池過充或者過放，導(dǎo)致電池組提前結(jié)束充電或者供電，充分延長(zhǎng)無線傳感器的工作時(shí)間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。
[0012]圖1是電路原理圖；
[0013]圖2是均衡過程中電池端電壓采樣曲線。
[0014]圖1中，81、82為鋰離子電池，0)1^1、0)1^2為比較器，01、02、03、04為場(chǎng)效應(yīng)管，C為儲(chǔ)能電容，R1、R2、R3為電阻。
[0015]圖2中，BlVoltage為高電壓電池BI的端電壓采樣曲線，B2_VoItage為低電壓電池B2的端電壓采樣曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0016]如圖1中，由等值電阻Rl、R2組成的分壓支路，將串聯(lián)電池組的電壓均分，并將平均電壓作為基準(zhǔn)電壓輸送到每個(gè)比較器的輸入端。比較器COMPl的正端接電池組平均電壓，負(fù)端接電池B2的正極，當(dāng)電池組BI的電壓大于電池B2的電壓時(shí)，比較器COMPl輸出為高電壓，相應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)管Ql和Q3導(dǎo)通，高壓電池BI為電容C充電，此時(shí)BI的端電壓開始下降，直到BI的端電壓小于B2的端電壓。由于比較器C0MP2的正端接電池B2的正極，負(fù)端接電池組平均電壓，當(dāng)BI的端電壓小于B2的端電壓時(shí)，即電池組的平均電壓小于B2的電壓，比較器C0MP2輸出高電壓，相應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q4導(dǎo)通，儲(chǔ)存在電容C的能量轉(zhuǎn)移到電池B2中，這時(shí)電池BI開路，電壓不斷恢復(fù)直至高于電池B2，比較器C0MP2輸出低電壓，而COMPl又開始輸出高電壓，不斷重復(fù)循環(huán)上述過程，當(dāng)電池BI和B2的電壓非常接近時(shí)，均衡系統(tǒng)停止工作。
[0017]圖2中，BlVoltage為高電壓電池BI的端電壓采樣曲線，B2_VoItage為低電壓電池B2的端電壓采樣曲線，在系統(tǒng)啟動(dòng)均衡之后，高電壓電池電壓不斷下降，而低電壓電池不斷上升，經(jīng)過一段時(shí)間均衡后，兩個(gè)電池的電壓值之差小于系統(tǒng)啟動(dòng)閥值，完成了鋰離子電池組的均衡過程，場(chǎng)效應(yīng)管選用英飛凌公司的IPG20N04型號(hào)。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)，其特征在于，包括串聯(lián)電池組、分壓電路、比較器控制電路、均衡電路和儲(chǔ)能電容(C)，所述的電池組由電池(BI)與電池(B2)串聯(lián)而成；所述的分壓電路由等值電阻(Rl)與電阻(R2)串聯(lián)而成，分壓電路接在電池組的正負(fù)兩端；所述的比較器控制電路由比較器(C0MP1)、比較器(C0MP2)組成，所述的比較器(COMPl)的3端與比較器(C0MP2)的6端同時(shí)連接在電阻(Rl)與電阻(R2)之間，比較器(COMPl)的2端與比較器(C0MP2)的7端同時(shí)連接在電池(B2)的正極；所述均衡電路由場(chǎng)效應(yīng)管(Ql)、場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)、場(chǎng)效應(yīng)管(Q3)、場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)組成，所述場(chǎng)效應(yīng)管(Ql)與場(chǎng)效應(yīng)管(Q3)的門極(G)同時(shí)連接在比較器(COMPl)的I端，所述場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)與場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)的門極(G)同時(shí)連接在比較器(C0MP2)的8端；所述的儲(chǔ)能電容(C)的正極接場(chǎng)效應(yīng)管(Ql)的源極(S)，儲(chǔ)能電容(C)的負(fù)極接場(chǎng)效應(yīng)管(Q3)的源極(S)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)，其特征在于，所述的比較器(COMPl)的4端與比較器(C0MP2)的10端接地，比較器(COMPl)的5端與比較器(C0MP2)的9端同時(shí)通過電阻(R3)接到電池組的正極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種適用于無線傳感器的鋰離子電池組能量管理系統(tǒng)，其特征在于，所述場(chǎng)效應(yīng)管(Ql)的漏極(D)接電池組的正極，所述場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)的漏極⑶接電容(C)的正極，效應(yīng)管(Q2)的源極⑶接電池B2的正極，所述場(chǎng)效應(yīng)管(Q3)的漏極(D)接電池(B2)的正極，所述場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)的漏極(D)接電池組的負(fù)極，場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)的源極(S)接電池(B2)的負(fù)極。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK103855762SQ201310689279
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】張昱 申請(qǐng)人:北京建筑大學(xué)