CN102427260A - 充电管理系统及采用该充电管理系统的充电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种充电管理系统，其包括：第一信号输出接口、第二信号输出接口、第三信号输出接口、以及与第一、第二、第三信号输出接口电性连接控制器。其具有两种工作模式，第一模式：通过表征第一充电电流的控制信号与表征第二充电电流的控制信号对充电器的组合控制，达到根据电池情况，切换快速充电、涓流充电、及停止充电的功能；第二模式，通过表征可变的第三充电电流的控制信号，对充电器进行电流可变的充电方式，以达到更高的充电效率。本发明的充电管理系统可设置于不同模式的充电器内，从而使不同工作模式的充电器对具有电池管理系统的电池系统均能进行有效充电。

Description

充电管理系统及采用该充电管理系统的充电器

技术领域

本发明属于电池领域，具体涉及一种对电池充电进行控制的充电管理系统，以及采用该充电管理系统的充电器。

背景技术

电池管理系统通常负责电池组中电池电量的计算、电池保护，电池间的电量平衡控制、以及电池管理系统内外的信号通信等。在现有技术中，一般使用到电池的产品，都需要搭配电池管理系统来控制。

由于电池在制造过程中很难确保具有完全的均一性，各串联的电池单元之间会存在充电或放电特性的差异。因此，当使用串联电池单元的电池组时，会存在这样的问题：充电时，同一电池组中，即使某些电池单元被过度充电，也仍然存在某些电池单元尚未达到饱和；又或放电时，同一电池组中，有些电池单元尚未完全放电，但仍有些电池单元被过度放电。此外，如果电池单元长期被过度放电/充电，在构成电池单元的材料中可能会出现显著劣化，使得电池单元的特性变得不同，而这种劣化是加剧电池单元间差异的原因之一。

现有的电量平衡方法主要有两种，其中一种为被动式电量平衡，即将电池单元中多余的电量以电阻的方式耗散成热，且仅能在充电时进行。另一种为主动式电量平衡，其采用能量转移的方式，将电池组中多余电量转移到电量不足的电池单元中，并可以在电池充电、放电以及不工作时都能进行。

在一般的电动自行车、电动摩托车的电池管理系统中，出于成本因素的考虑，大多采用被动式电量平衡的方式来平衡各电池/电池组之间的电量，同时还必须通过周期性地采集各电池的电压、电流、温度等参数以便于完成平衡。

一般地，当充电器对电池充电时，可分为两种模式：一种为正常充电，即开始采用较大电流对电池进行快速充电，然后，在电池接近饱和状态时以较小电流对电池进行充电，即涓流充电，这种充电方式往往需要配备两个充电接口以进行切换；另一种是可变电流充电，即只需要一个充电接口就可对电池进行不同电流的充电。

然而，在被动式电量平衡的电池管理系统中，由于其与外部充电器之间往往没有通信，所以电池管理系统设定的一种充电模式，往往对采用另一种充电模式的充电器无法适用。

再者，由于充电器技术着重方向与电池管理系统技术注重方向不同，一般的电池生产厂商不自行生产充电器，而充电器供应商又无法灵活满足电池管理系统需要的不同充电功能。有鉴于此，有必要修改现有充电器的设计以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充电管理系统，其可设置于不同模式的充电器内，从而使不同工作模式的充电器对具有电池管理系统的电池系统均能进行有效充电。

本发明的目的还在于提供一种采用该充电管理系统的充电器。

为实现上述发明目的之一，本发明提供一种充电管理系统，用于接收来自于被充电电池的信号，并根据该信号控制设置在充电器内的充电电路为所述被充电电池充电，该充电管理系统包括：

第一信号输出接口，用于向充电电路输出表征第一充电电流的控制信号；

第二信号输出接口，用于向充电电路输出表征第二充电电流的控制信号，所述第二充电电流值小于第一充电电流值；

第三信号输出接口，用于向充电电路输出表征可变的第三充电电流的控制信号；以及

控制器，与所述第一、第二、第三信号输出接口电性连接，所述控制器用于控制该充电管理系统至少在下述两种模式之一下工作：

第一模式，控制器择一地控制第一信号输出接口或第二信号输出接口输出控制信号；

第二模式，控制器仅控制第三信号输出接口输出控制信号。

作为本发明的进一步改进，在所述第一模式下，控制器还用于同时控制第一信号输出接口和第二信号输出接口不输出控制信号。

作为本发明的进一步改进，在所述第一模式下，控制器还用于先控制第一信号输出接口输出控制信号，然后再控制第二信号输出接口输出控制信号。

作为本发明的进一步改进，该充电管理系统还包括设置在控制器和第一信号输出接口之间的第一开关、及设置在控制器和第二信号输出接口之间的第二开关；所述控制器通过控制第一或第二开关的导通/关断来相应地控制第一信号输出接口或第二信号输出接口输出/不输出控制信号。

作为本发明的进一步改进，所述第一开关和第二开关均包括光耦合继电器。

作为本发明的进一步改进，在所述第二模式下，控制器用于通过向第三信号输出接口输出脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）信号来控制第三信号输出接口的输出。

作为本发明的进一步改进，该充电管理系统还包括用于接收来自于被充电电池通信信号的信号输入接口；所述控制器还用于获取所述信号输入接口输入的信号，并根据所述信号控制第一、第二、或第三信号输出接口的输出。

作为本发明的进一步改进，该充电管理系统还包括用于接收来自于被充电电池电能的电源接口、以及连接在所述电源接口和控制器之间的电压转换电路。

作为本发明的进一步改进，所述电源接口的正极和负极均包括两个导电端子。

为实现上述另一发明目的，本发明提供一种充电器，该充电器包括：

如上所述的充电管理系统；以及

充电电路，用于接收来自于所述充电管理系统的控制信号，并根据所述控制信号相应输出充电电流。

本发明的有益效果是：提供一种充电管理系统，其至少能够在两种不同的工作模式下工作，其中对于只能识别数字开关量的充电器，采用第一模式：通过表征第一充电电流的控制信号与表征第二充电电流的控制信号对充电器进行组合控制，达到在快速充电、涓流充电、及停止充电这几种功能之间切换；对于可识别模拟量的充电器，采用第二模式，即通过表征可变的第三充电电流的控制信号，对充电器进行电流可变的充电方式，以达到更高的充电效率。通过这种设置，不需要修改电池内电池管理系统的设计，就可使不同工作模式的充电器对具有电池管理系统的电池系统均能进行有效充电。

附图说明

图1是本发明充电管理系统与充电电路、及电池管理系统配合的一具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明充电管理系统一具体实施方式的电路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1，在本发明的具体实施方式中，所说的被充电电池即是指电池系统400，该电池系统400包括电池管理系统42以及具有若干相互串联的电池单元的电池41，在其它替换的实施方式中，该若干电池单元也可以被划分为若干电池模块，不同的电池模块包含的电池单元的数量可以相同，也可以不相同。

配合参照图1和图2，介绍本发明充电管理系统的一具体实施方式。该充电管理系统100设置在充电器200内，用于接收来自电池系统400的信号，并根据该信号控制设置在充电器200内的充电电路300为需要被充电的电池充电。

充电管理系统包括：第一信号输出接口11、第二信号输出接口12、第三信号输出接口13、以及控制器14。

第一信号输出接口11、第二信号输出接口12、以及第三信号输出接口13都用于向充电电路300输出表征一定电流值的充电电流控制信号，以使得充电电路300选择不同大小的充电电流对电池系统400中的电池41进行充电。所不同的是：第一信号输出接口11用于向充电电路300输出表征第一充电电流的控制信号，第二信号输出接口12用于向充电电路300输出表征第二充电电流的控制信号，并且第二充电电流值小于第一充电电流值；第三信号输出接口13则用于向充电电路300输出表征可变的第三充电电流的控制信号。

本实施方式中，所说的第二充电电流值远小于第一充电电流值，第一充电电流用于对电池41进行一般充电时的快速充电，较大的电流值可以取得较佳的充电速率以提高充电效率；而第二充电电流用于对电池41进行涓流充电，此时充电电流对接近饱和的电池单元进行充电。

第三充电电流值的大小可以根据被充电的电池状况进行改变。例如：当电池开始充电时，第三充电电流保持在较大电流水平以进行快速充电，而当电池中的一部分电池单元率先达到饱和时，则降低第三充电电流值，并如此不断降低第三充电电流值直至电池41完全充满电。这样做的原因是：充电时，电池系统400中电池管理系统42检测到的电池41的电压值Vcell实质上由两部分组成，一部分是电池41电芯的电压Vcap，另一部分则是由于电池41电芯的内阻产生的压差Vres，也即Vcell=Vcap+Vres，并且充电电流越大，则由于电芯内阻产生压差Vres也越大。

在具体的实施例中，例如使用100A电流对电池充电时，检测到电池41电压为3.8V，若此时降为2A电流对电池进行充电，则检测到电池41电压掉至3.5V。显然，充电电流越大，检测到的电池电压值越不能准确反映电池真实的充电情况，所以只有不断地减小第三充电电流值，才能尽量减小Vres对电池电压检测的影响，保证电池充电的可靠性，提高充电效率。

控制器14与第一、第二、第三信号输出接口11、12、13电性连接，并控制充电管理系统100至少在第一模式、第二模式两种模式之一下工作。

控制器14可以包括微处理器（MCU），该MCU可以包括中央处理单元（Central Processing Unit, CPU）、只读存储模块（read-only memory, ROM）、随机存储模块（random  access memory, RAM）、定时模块、数字模拟转换模块（A/D converter）、以及若干输入/输出端口。当然，控制器10也可以采用其它形式的集成电路，如：特定用途集成电路（Application Specific Integrated Circuit ，ASIC）或现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array， FPGA）等。

这里所说的第一模式、第二模式分别是对应现有两种主要类型的充电器，当然，在其他实施方式中，也可设置更多模式对应更多种的充电器。

如果充电器只能识别开关信号，则对应至第一模式，此时控制器14择一地控制第一信号输出接口11或第二信号输出接口12输出控制信号。具体地，当电池41刚开始充电时，控制器14先控制第一信号输出接口11输出第一充电电流控制信号，此时进行较大电流的充电，以取得快速充电的效果。当电池管理系统42检测到电池41接近饱和时，会通过信号输入接口16将该电池41的通信信号传输至充电管理系统100；随后，控制器14根据获取的表征电池41的通信信号控制第二信号输出接口12输出第二充电电流控制信号，此时，充电器300对电池41进行涓流充电。

在替换的实施方式中，第一模式下，当电池管理系统42检测到电池41的电量饱和时，控制器14也可以控制第一信号输出接口11和第二信号输出接口12均不输出控制信号，即此时充电电路300停止对电池41充电。

在具体的电路中，充电管理系统100还包括设置在控制器14和第一信号输出接口11之间的第一开关151、及设置在控制器14和第二信号输出接口12之间的第二开关152。控制器14通过控制第一或第二开关151、152的导通/关断来相应地控制第一信号输出接口11或第二信号输出接口12输出/不输出控制信号。

如本领域普通技术人员所熟知，第一开关151、第二开关152可以包括三极管、可控硅、继电器开关、或金属氧化物半导体场效应管（Metallic Oxide Semiconductor Field Effect transistor, MOSFET）等常见的开关形式。在本实施方式中，第一开关151、第二开关152包括光耦合继电器P1-A、P1-B， 通过控制光耦合继电器P1-A、P1-B中MOSFET的关断或闭合进而达到控制第一开关151、第二开关152导通/关断的目的。

如果充电器可以识别模拟量控制信号，则对应至第二模式，此时控制器14仅控制第三信号接口13输出控制信号。具体地，控制器14通过向第三信号输出接口13输出脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）信号来控制第三信号输出接口13的输出，并且该脉宽调制信号可以通过连接在控制器14和第三信号接口13之间的放大器19被放大信号量，保证充电控制的精确性。

当电池41开始充电时，控制器14控制第三信号输出接口13输出第三充电电流的控制信号，并进行较大电流的快速充电。当电池管理系统42检测到电池41的电压或者电池41中部分电池单元的电压达到饱和时，会生成相应的通信信号通过信号输入接口传输至充电管理系统100；随后，控制器14根据获取的通信信号，控制第三信号输出接口13输出电流值稍微降低的第三充电电流。此时，由于第三充电电流降低，使得电芯内阻产生的压差降低，原先检测达到饱和的电池单元被检测到不饱和而可以继续被充电。如此不断降低第三充电电流的值，直至电池41的电压不会随第三充电电流的降低而降低，或者是受第三充电电流的降低而降低的电压值小于一定的阈值。

在本实施方式中，充电管理系统100还包括电源接口17，以及电压转换电路18。该电源接口17用于接收来自电池系统400的电能；电压转换电路18连接在电源接口17和控制器14之间。这样，包括控制器14在内的整个充电管理系统100工作所需的电能都由电池系统400提供，电压转换电路18通过其中的DC/DC转换器181及稳压电路将电池41输出的较大电流降压稳压为充电管理系统100所需的较小工作电流。这样做的好处是，充电器生产厂商可以不需要对充电管理系统100设计额外的供电电路，降低了设计和制造成本。

作为优选的实施方式，电源接口17的正极171和负极172均包括两个导电端子。也就是说，正极171端子中J1-4和端子J1-3的功能一样，负极172中端子J1-2和端子J1-1的功能一样，这样做是为了保证某个端子损坏时，充电管理系统仍能正常的工作，以防止对电池管理系统42造成损坏。

虽然，上述实施方式中例举的电池管理系统采用被动式电量平衡的方式，但是，在其他实施方式中，该电池管理系统也可以进行主动式电量平衡。

在本发明的充电器200的一具体实施方式中，其采用了上述实施方式中所说的充电管理系统100，并将该充电管理系统100与充电电路300相连接，充电电路300通过接收来自于充电管理系统100的控制信号，输出相应充电电流来给电池系统400充电。

通过上述实施方式可知，提供一种充电管理系统，其至少能够在两种不同的工作模式下工作，其中对于只能识别数字开关量的充电器，采用第一模式：通过表征第一充电电流的控制信号与表征第二充电电流的控制信号对充电器进行组合控制，达到在快速充电、涓流充电、及停止充电这几种功能之间切换；对于可识别模拟量的充电器，采用第二模式，即通过表征可变的第三充电电流的控制信号，对充电器进行电流可变的充电方式，以达到更高的充电效率。通过这种设置，不需要修改电池内电池管理系统的设计，就可使不同工作模式的充电器对具有电池管理系统的电池系统均能进行有效充电。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种充电管理系统，用于接收来自于被充电电池的信号，并根据该信号控制设置在充电器内的充电电路为所述被充电电池充电，其特征在于，该充电管理系统包括：

第一信号输出接口，用于向充电电路输出表征第一充电电流的控制信号；

第二信号输出接口，用于向充电电路输出表征第二充电电流的控制信号，所述第二充电电流值小于第一充电电流值；

第三信号输出接口，用于向充电电路输出表征可变的第三充电电流的控制信号；以及

控制器，与所述第一、第二、第三信号输出接口电性连接，所述控制器用于控制该充电管理系统至少在下述两种模式之一下工作：

第一模式，控制器择一地控制第一信号输出接口或第二信号输出接口输出控制信号；

第二模式，控制器仅控制第三信号输出接口输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的充电管理系统，其特征在于：在所述第一模式下，控制器还用于同时控制第一信号输出接口和第二信号输出接口不输出控制信号。

3.根据权利要求1所述的充电管理系统，其特征在于：在所述第一模式下，控制器还用于先控制第一信号输出接口输出控制信号，然后再控制第二信号输出接口输出控制信号。

4.根据权利要求1、2、或3所述的充电管理系统，其特征在于：该充电管理系统还包括设置在控制器和第一信号输出接口之间的第一开关、及设置在控制器和第二信号输出接口之间的第二开关；所述控制器通过控制第一或第二开关的导通/关断来相应地控制第一信号输出接口或第二信号输出接口输出/不输出控制信号。

5.根据权利要求4所述的充电管理系统，其特征在于：所述第一开关和第二开关均包括光耦合继电器。

6.根据权利要求1所述的充电管理系统，其特征在于：在所述第二模式下，控制器用于通过向第三信号输出接口输出脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）信号来控制第三信号输出接口的输出。

7.根据权利要求1所述的充电管理系统，其特征在于：该充电管理系统还包括用于接收来自于被充电电池通信信号的信号输入接口；所述控制器还用于获取所述信号输入接口输入的信号，并根据所述信号控制第一、第二、或第三信号输出接口的输出。

8.根据权利要求1所述的充电管理系统，其特征在于：该充电管理系统还包括用于接收来自于被充电电池电能的电源接口、以及连接在所述电源接口和控制器之间的电压转换电路。

9.根据权利要求8所述的充电管理系统，其特征在于：所述电源接口的正极和负极均包括两个导电端子。

10.一种充电器，其特征在于，该充电器包括：

如上述权利要求中任一项所述的充电管理系统；以及

充电电路，用于接收来自于所述充电管理系统的控制信号，并根据所述控制信号相应输出充电电流。

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