CN101145700A - 一种智能电池组串联充电平衡控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种智能电池组串联充电平衡控制电路及其控制方法，属于电子控制技术领域，包括被充电电池组、滤波回路和集成模块，还包括外部平衡模块和外部平衡控制开关，被充电电池组与滤波回路中的电阻、电容及集成有A/D输入模块、小电流平衡控制开关和控制器的集成模块相连接，受滤波回路中电阻上的电信号控制的外部平衡控制开关和外部平衡模块与被充电电池组并联连接，外部平衡模块、与外部平衡控制开关和被充电电池组构成平衡电路。控制电路的控制方法是：当控制器内部A/D转换器输入口小电流平衡开关闭合时，输入电阻电容滤波器中的电阻上会产生一定的信号变化，利用变化的信号可以控制平衡开关的开启和关闭，实现对电池组的平衡充电控制。

Description

一种智能电池组串联充电平衡控制电路及控制方法

技术领域：

本发明涉及一种智能电池组串联充电平衡控制电路及控制方法，属于电子控制技术领域。

背景技术：

在多节电池串联使用的应用中，由于电池内阻、容量的差异性，在电池组的整个使用周期内无法保证所有电池的一致性，所以在充电电路中需要设计有充电平衡电路用于校正电池的不一致性。充电平衡有多种实现电路形式，最直接的就是采用单节电池分别充电；也可以采用先串联和并联混合的充电方式，当一组电池中出现一节过压后再采用单节电池分别充电的方法，两种电路配合实现对不平衡电池的充电；还可以采用串联充电，但是在充电的过程中对充电速度快的电池旁路部分充电电流，从而降低该节电池的充电速度，实现对不平衡电池组的充电。但是，现在使用的需要大电流平衡的方案都需要专门的控制I/O控制平衡充电电路，这样控制器需要控制I/O太多，控制器成本太高。但是如果将平衡控制开关集成在控制器内部，又存在平衡电流大时将影响控制器内部的A/D采样精度的问题，同时控制器的功耗也会有很大的增加，这些都不利于提高控制器的集成度。

现有充电方案一般采用图1和图2的方法实现串联平衡充电，以两节电池串联充电为例。

图1中电池101、102的两端分别通过电阻107、110、113与集成模块连接，实现对电池电压的采样，电阻107、110、113、电容108、111分别相连实现对输入信号的滤波功能，平衡模块103、105和平衡控制开关104、106分别与相应的电池并联连接，集成模块使用专用的I/O通过109、112分别与104、106的控制极连接，实现对平衡开关的控制。该方案需要使用专门的控制I/O实现对外部平衡控制开关MOSFET的驱动控制，这种方案对串联电池数目较多时，会需要较多的I/O控制线，对控制器的资源要求较高，控制器的封装成本也较高。

图2中电池201、202通过电阻203、204、205与集成模块连接，实现对电池电压的采样，另外在集成模块内部集成了208、209用于旁路充电电流，由于集成电路内部集成功率元件设计复杂，设计旁路电流都很小，一般在mA的数量级，203、204、205、206、207分别与电池相连，实现对输入信号的低通滤波，由于203、204、205串联在旁路电流回路中，无法使用太大的阻值，这就影响了A/D采样滤波的深度，抗干扰性能较差。

以上这些因数限制了这两种结构的平衡电路在大容量电池组中的应用。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供一种智能电池组串联充电的平衡控制电路及控制方法，用于控制多节串联电池组的充电，电路中使用最小的I/O资源实现对电池组中单节电池电压的检测和平衡控制开关的控制，同时该电路可以在不影响输入滤波回路的滤波深度的前提下任意提高平衡电流，还可以降低集成模块内部平衡控制器件的电流。

一种智能电池组串联充电平衡控制电路，包括被充电电池组、滤波回路和集成模块，其特征在于，还包括外部平衡模块和外部平衡控制开关，被充电电池组与滤波回路中的电阻、电容及集成有A/D输入模块、小电流平衡控制开关和控制器的集成模块相连接，受滤波回路中电阻上的电信号控制的外部平衡控制开关和外部平衡模块与被充电电池组并联连接，外部平衡模块、与外部平衡控制开关和被充电电池组构成平衡电路；

所述的外部平衡控制开关可以是电压控制开关NMOSFET或PMOSFET。

所述的外部平衡控制开关可以是电流控制开关NPN型或PNP型三极管。

所述的外部平衡模块可以是单节电池的分离充电回路。

所述的外部平衡模块可以是可以消耗功率的各种器件或模块。

电路中使用的电池组可以是各种规格的可充电电池组。

一种智能电池组串联充电平衡控制电路的控制方法，控制方法是：当控制器内部A/D转换器输入口小电流平衡开关闭合时，输入电阻电容滤波器中的电阻上会产生一定的信号变化，利用变化的信号可以控制平衡开关的开启和关闭，实现对电池组的平衡充电控制。

所述的变化的信号可以是电压信号。

所述的变化的信号可以是电流信号。

所述的变化的信号可以是其它可以使用的电信号。

为达到上述目标，本发明给出了一种利用位于集成模块内部的A/D输入口的MOSFET导通时在外部滤波电阻上产生的电流或压降控制平衡电路开启、关闭的方法。当电路中集成模块内部MOSFET打开时，外部与电池串联的滤波回路中的电阻流过的电流为0，电阻上的压降也是0V，而内部MOSFET关闭时，外部与电池连接的滤波回路电阻和MOSFET组成回路，上下两个滤波电阻上都会有电流流过，也会存在一定的压降，利用该电流或者压降就可以控制一个开关实现对平衡模块的控制。该开关可以是MOSFET、三极管或其它受控开关，平衡模块可以是功率电阻、充电回路或其它适合平衡充电使用的电路、模块。

本发明的有益效果：

本发明用于控制多节串联电池组的充电，并使用最小的I/O资源实现对电池组中单节电池电压的检测和平衡控制开关的控制，同时该电路可以在不影响输入滤波回路的滤波深度的前提下任意提高平衡电流，还可以降低集成模块内部平衡控制的器件的电流。

附图说明：

图1现有技术实现串联平衡充电电路的电原理图。

图2现有技术实现串联平衡充电电路的电原理图。

图3本发明中使用PMOS作为控制开关的控制电路电原理图。

图4本发明中使用NMOS作为控制开关的控制电路电原理图。

图5本发明中使用PNP型三极管作为控制开关的控制电路电原理图。

图6本发明中使用NPN型三极管作为控制开关的控制电路电原理图。

图7外部平衡模块为单节电池分离充电回路。

图8外部平衡模块为恒流负载。

图9外部平衡模块为恒压负载。

具体实施方式：

以下结合附图并通过实施例详细描述本发明，一种智能电池组串联充电平衡控制电路及控制方法。本发明以下的描述将结合实例进行，实例中又以两节电池串联为例说明，但本发明并不限于此中的实例，也不局限于两节电池的应用。描述中使用的平衡模块为功率电阻，但本发明不局限于功率模块为功率电阻的情形。

实施例1：

图3为使用本发明实施的一种用于电池301和电池302充电平衡控制的电路。电路包括两个串联的电池，两个与电池并联的NMOSFET304、310，内部集成了控制器、差分输入A/D和平衡控制MOSFET314、315的集成模块，NMOSFET304的G极受电阻308上的电压控制，NMOSFET310的G极受电阻313上的电压控制，电阻313、307分别是相应NMOSFET的G极保护电阻，电容306、312是输入滤波回路的滤波电容。当MOS314打开时时，电阻313上的压降为0，NMOSFET310截止，电阻309回路中没有电流流过，当MOS314关闭时，电电池302和电阻308、313、MOS314组成回路、电路中会有一个电流流过，电阻313上会产生一定的压降，该压降通过电阻311控制NMOSFET310导通，平衡电流流过电阻309，实现对电池充电电流的分流，进而实现平衡充电功能。同样，当MOS315打开时，电阻312上的压降为0，NMOSFET304截止，电阻303回路中没有电流流过，当MOS315关闭时，电电池301和电阻305、308、MOS315组成回路、电路中会有一个电流流过，电阻312上会产生一定的压降，该压降通过电阻307控制NMOSFET304导通，平衡电流流过电阻303，实现对电池充电电流的分流，进而实现平衡充电功能。电池是各种可充电电池：镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池等。

实施例2：

图4为本发明的第二个实例，电路包括两个串联的电池401、402，两个与电池并联的PMOSFET 403、409，内部集成了控制器、差分输入A/D和平衡控制MOSFET414、415集成模块，PMOSFET409的G极受电阻408上的电压控制，PMOSFET403的G极受电阻405上的电压控制，电阻407、411分别是相应PMOSFET的G极保护电阻，电容406、412是输入滤波回路的滤波电容。当MOS414打开时，电阻408上的压降为0，PMOSFET409截止，电阻410回路中没有电流流过，当MOS414关闭时，电电池402和电阻408、413、MOS414组成回路、电路中会有一个电流流过，电阻408上会产生一定的压降，该压降通过电阻411控制PMOSFET409导通，平衡电流流过电阻410，实现对电池402充电电流的分流，进而实现平衡充电功能。同样，当MOS415打开时，电阻405上的压降为0，PMOSFET403截止，电阻404回路中没有电流流过，当MOS415关闭时，电池401和电阻405、408、MOS415组成回路、电路中会有一个电流流过，电阻405上会产生一定的压降，该压降通过电阻407控制PMOSFET403导通，平衡电流流过电阻404，实现对电池401充电电流的分流，进而实现平衡充电功能。实例中的电池是各种可充电电池：镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池等。

实施例3：

图5为本发明的第三个实例，电路包括两个串联的电池501、502，两个与电池并联的PNP三极管503、509，内部集成了控制器、差分输入A/D和平衡控制MOSFET514、515集成模块，PNP三极管509的B极通过电阻507连接到电阻505和MOS515的连接点，PNP三极管的B极电流受电阻508、511、513中流过的电流的控制，电阻507、511分别是相应PNP三极管的B极限流电阻，电容506、512是输入滤波回路的滤波电容。当MOS514打开时，三极管509的B极与E极同电位，BE结没有电流流过，509处于截止状态，电阻510回路中没有电流流过，当MOS514关闭时，电阻508、511、513和509的BE结间流过一定的电流，509处于导通状态，平衡电流流过电阻510，实现对电池502充电电流的分流，进而实现平衡充电功能。当MOS515打开时，三极管503的B极与E极同电位，BE结没有电流流过，503处于截止状态，电阻504回路中没有电流流过，当MOS515关闭时，电阻505、507、508和503的BE结间流过一定的电流，503处于导通状态，平衡电流流过电阻504，实现对电池501充电电流的分流，进而实现平衡充电功能。实例中的电池是各种可充电电池：镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池等。

实施例4：

图6为本发明的第四个实例，电路包括两个串联的电池601、602，两个与电池并联的NPN三极管604、610，内部集成了控制器、差分输入A/D和平衡控制MOSFET614、615集成模块，NPN三极管610的B极通过电阻611连接到电阻613和MOS615的连接点，NPN三极管610的B极电流受电阻608、611、613中流过的电流的控制，NPN三极管604的B极通过电阻607连接到电阻608和MOS615的连接处，电阻607、611分别是相应NPN三极管的B极限流电阻，电容606、612是输入滤波回路的滤波电容。当MOS614打开时，三极管610的B极于E极同电位，BE结没有电流流过，610处于截止状态，电阻609回路中没有电流流过，当MOS614关闭时，电阻608、611、613和610的BE结间流过一定的电流，610处于导通状态，平衡电流流过电阻609，实现对电池602充电电流的分流，进而实现平衡充电功能。当MOS615打开时，三极管604的B极于E极同电位，BE结没有电流流过，604处于截止状态，电阻603回路中没有电流流过，当MOS615关闭时，电阻605、607、608和604的BE结间流过一定的电流，604处于导通状态，平衡电流流过电阻603，实现对电池601充电电流的分流，进而实现平衡充电功能。实例中的电池是各种可充电电池：镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池等。

实施例5：

图7为本发明的第五个实施例，隔离的变压器418、二极管419、电容420组成的充电模块代替实施1中的电阻303，隔离的变压器417、二极管421、电容422组成的充电模块代替实施1中的电阻309，充电模块的控制方法同时实施例1。实例中的电池是各种可充电电池：镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池等。

实施例6：

图8为本发明的第六个实施例，实施例中由集成电路(LM317)425、电阻426组成的恒流模块代替实施例1中的电阻303，由集成电路(LM317)427、电阻428组成的恒流模块代替实施例1中的电阻309，恒流模块的控制方法同时实施例1。实例中的电池是各种可充电电池：镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池等。

实施例7：

图9为本发明的第七个实施例，实施例中由三极管433、434和电阻430、431、432、435组成的恒压模块代替实施例1中的电阻303，实施例中由三极管439、440和电阻436、437、438、441组成的恒压模块代替实施例1中的电阻309，恒压模块的控制方法同时实施例1。实例中的电池是各种可充电电池：镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池等。

Claims (10)

1.一种智能电池组串联充电平衡控制电路，包括被充电电池组、滤波回路和集成模块，其特征在于，还包括外部平衡模块和外部平衡控制开关，被充电电池组与滤波回路中的电阻、电容及集成有A/D输入模块、小电流平衡控制开关和控制器的集成模块相连接，受滤波回路中电阻上的电信号控制的外部平衡控制开关和外部平衡模块与被充电电池组并联连接，外部平衡模块、与外部平衡控制开关和被充电电池组构成平衡电路。

2.根据权利要求1所述的一种智能电池组串联充电平衡控制电路，其特征在于，所述的外部平衡控制开关可以是电压控制开关NMOSFET或PMOSFET。

3.根据权利要求1所述的一种智能电池组串联充电平衡控制电路，其特征在于，所述的外部平衡控制开关可以是电流控制开关NPN型或PNP型三极管。

4.根据权利要求1所述的一种智能电池组串联充电平衡控制电路，其特征在于，所述的外部平衡模块可以是单节电池的分离充电回路。

5.根据权利要求1所述的一种智能电池组串联充电平衡控制电路，其特征在于，所述的外部平衡模块可以是可以消耗功率的各种器件或模块。

6.根据权利要求1所述的一种智能电池组串联充电平衡控制电路，其特征在于，电路中使用的电池组可以是各种规格的可充电电池组。

7.一种智能电池组串联充电平衡控制电路的控制方法，其特征在于，控制方法是：当控制器内部A/D转换器输入口小电流平衡开关闭合时，输入电阻电容滤波器中的电阻上会产生一定的信号变化，利用变化的信号可以控制平衡开关的开启和关闭，实现对电池组的平衡充电控制。

8.根据权利要求7所述的一种智能电池组串联充电平衡控制电路的控制方法，其特征在于，所述的变化的信号可以是电压信号。

9.根据权利要求7所述的一种智能电池组串联充电平衡控制电路的控制方法，其特征在于，所述的变化的信号可以是电流信号。

10.根据权利要求7所述的一种智能电池组串联充电平衡控制电路的控制方法，其特征在于，所述的变化的信号可以是其它可以使用的电信号。

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