CN102496995A - 一种锂电池充电电源管理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池充电电源管理方法，根据输入电源上电时检测的锂电池电压决定是否进行充电，若需充电才接通充电开关，并在充电过程中实时检测电池电压，当充电超出电池额定电压的10%时停止充电，并断开外部电源。本发明还公开了一种用于实现上述方法的系统，输入电源经保护模块1（1）给其他模块提供电源，电源输入控制模块（2）在上电时提供短时电源，电压检测与充电控制模块（6）根据电池电压检测情况由继电器K2控制继电器K1的通断，DC/DC电源模块（4）将输入电压转换至模块电路工作电压，充电电路（5）经继电器K2的一对常开触头连接锂电池（7）。采用所述发明可避免因锂电池被频繁充电和长期处于满容量状态而影响其使用寿命。

Description

一种锂电池充电电源管理方法和系统

技术领域

本发明涉及一种锂电池充电电源管理技术领域，特别涉及一种机车电子设备中的锂电池充电电源管理。

背景技术

随着铁路的飞速发展，越来越多的电子设备应用到机车运行、维护的各个方面，其中有一部分电子设备需要在无任何外接电源的情况下进行工作，这就需要配备可反复充电的蓄电池，锂电池因其优越的性能在电子设备中得到了广泛应用。机车DC110V电源在过分相区时不会断电，故一般用作充电输入电源。但该电源只有在司机通过受电钥匙开启供电开关，才能加载到机车直流线路上，一般每天都会中断供电和反复上电。

已有的机车电子产品一般在外部电源上电就开始对锂电池充电，而不管锂电池剩余多少电量，这使得每次机车运行时就会对锂电池进行充电，这种频繁充电会严重影响锂电池使用寿命。并且输入电源的反复通断，对后续电路的冲击也会严重影响这些电路的使用寿命。本发明正是针对上述充电方式不足，提出一种锂电池充电电源管理方法，并根据这种方法提供了一种锂电池充电电源管理系统。

发明内容

本发明提供一种锂电池充电电源管理方法和系统，以解决现有充电电源加载方式对锂电池寿命的影响。

一种锂电池充电电源管理方法，包括如下步骤：

A1：输入电源上电，电源输入开关自动闭合，给电池电压检测单元提供电源；同时，电源输入控制单元开始计时，计时时间为2~3s；

A2：若检测到电池电压高于额定电压，则不作任何处理，等待电源输入开关控制单元计时时间到，将电源输入开关断开，转入步骤A4；若检测到电池电压低于额定电压，则旁路电源输入控制单元，不让其断开电源输入开关，同时，接通锂电池进行充电；

A3：在充电过程中实时检测电池电压，并判断电压是否超出额定电压的10%，若是则解除电源输入开关的旁路，断开电源输入开关；

A4：等待下一次输入电源上电，返回A1。

根据所述锂电池充电电源管理方法，本发明还提供了一种锂电池充电电源管理系统，所述系统的锂电池是指锂电池包（7），其额定电压为7.4V。

一种锂电池充电电源管理系统，包括分别与锂电池正极相连的电压检测与控制模块（6）和充电电路（5），及分别与所述电源检测和充电控制模块（6）、保护模块1（1）和保护模块2（3）相连的电源输入控制模块（2），保护模块1（1）与DC110V输入电源相连，所述系统还包括DC/DC电源模块（4）分别与保护模块2（3）和充电电路（5）相连，并连接电压检测和充电控制模块（6）的电源端。

所述锂电池充电电源管理系统的电源输入控制模块（2）包括阻容电路和基极连接于阻容串联点的三极管，利用阻容电路在上电时的充电延时，短时控制三极管处于饱和状态，使串接于三极管发射极的继电器K1线圈得电，继电器K1的常开触头两端分别连接保护模块1和保护模块2接通输入电源。电源输入控制模块中阻容电路的延时时间为2~3s。

所述锂电池充电电源管理系统的电压检测与充电控制模块（6）由型号为STC12C5204AD的单片机为核心，为保证检测锂电池电压的准确性，所述模块采用STC12C5204AD的两路A/D通道P1.0和 P1.1分别连接锂电池和基准电压源。STC12C5204AD的P1.7口连接由三极管和继电器K2组成的充电控制电路，继电器K2的一对常开触头分别连接充电电路与锂电池包，另一对常开触头旁路电源输入控制模块。

所述锂电池充电电源管理系统的电压检测与充电控制模块（6）的控制策略为：

上电时若检测到锂电池电压高于额定电压，STC12C5204AD的P1.7口保持低电平，使TQ2-5V继电器不动作，RTE24110继电器在输入电源控制模块延时时间到后失电，断开输入电源；上电时若检测到锂电池电压低于额定电压时，STC12C5204AD的P1.7口输出高电平使TQ2-5V继电器动作，旁路输入电源控制模块（2），并接通锂电池进行充电；在充电过程中，每隔10s检测一次电池电压，每次采集10个电压数据求出平均值作为电池电压，当检测电压高于额定电压的10%时，STC12C5204AD的P1.7口输出低电平，TQ2-5V继电器失电，断开锂电池，解除输入电源控制模块（2）的旁路，断开输入电源。

采用所述锂电池充电管理方法和实现系统，能减少充电电路的通电时间，减少锂电池的充电次数和避免锂电池一直处于接近满容量的状态，延长锂电池及其充电电路的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述充电电源管理方法的流程图。

图2为本发明所述充电电源管理系统的组成框图。

图3为本发明所述充电电源管理系统的原理图。

具体实施方式

为解决类似机车直流供电环境下的电子设备中锂电池充电电源管理问题，本发明首先提供一种锂电池充电电源管理方法，如图1所示，本发明所述锂电池充电电源管理方法包括如下步骤：

S1：输入电源上电；

S2：输入控制开关闭合，电源输入控制单元开始计时，电压检测单元开始工作；

S3：电压检测单元检测锂电池电压；

S4：充电控制单元判断锂电池电压值，若电压值高于额定电压，则转入S9，若电压值低于额定值则继续执行S5；

S5：充电控制单元输出控制信号旁路输入控制开关，并接通锂电池充电开关对锂电池充电；

S6：在充电过程中，电压检测单元不断检测锂电池电压；

S7：充电控制单元判断锂电池电压，若电压值未超出电池额定电压的10%，则返回S6继续检测锂电池电压；否则顺序执行S8；

S8：充电控制单元输出控制信号解除对输入控制开关的旁路，断开充电控制开关，转入步骤S11；

S9：上电时若检测到电池电压高于额定电压，充电开关保持断开状态，锂电池不会有充电电源输入；

S10：等待输入控制单元延迟时间到，执行步骤S11；

S11：断开输入控制开关，输入控制开关的后续电路不带电。

考虑到锂电池充电是一个电池电压缓慢上升的过程，在步骤S6中检测电压可以隔一段时间取样一次，如5~30s检测一次，在检测过程中为保证取样电压的准确性，每次检测可以采集多个样本，并对样本进行均值或中值滤波。

本发明还提供一种应用上述方法的锂电池充电电源管理系统，如图2描述了系统的组成，包括分别与锂电池（7）正极相连的电压检测与控制模块（6）和充电电路（5），及分别与所述电源检测和充电控制模块（6）、保护模块1（1）和保护模块2（3）相连的电源输入控制模块（2），保护模块1（1）与DC110V输入电源相连，所述系统还包括DC/DC电源模块（4）分别与保护模块2和充电电路相连，并连接电压检测和充电控制模块（6）的电源端。

图3是所述锂电池充电电源管理系统的原理图。

所述锂电池充电电源管理系统的保护模块1（1）包括与DC110V电源相连的熔断器FU1，并接于电源正负极的用于滤波处理的电容器C3，串接用于防反接保护二极管D1作为，采用瞬态抑制二极管TVS1和压敏电阻UR1作浪涌保护。

所述锂电池充电电源管理系统的电源输入控制模块（2）包括由R2、R37、C1和C2组成的阻容电路，连接三极管Q1的基极，在上电时的充电延时控制三极管Q1处于饱和状态，使串接于三极管继电器K1的线圈得电，K1常开触头的两端分别联接保护模块1和保护模块2。电源输入控制模块中阻容电路的延时时间为2~3s。该模块中的电阻R3串接于三级管的基极，用于保护三级管Q1不被击穿，R4为阻容延时电路的放电电阻，D2为并接于继电器K1的线圈两端，为续流二极管。所述三极管Q2型号为A94，继电器K1型号为RTE24110。

所述锂电池充电电源管理系统的保护模块2（3）包括由安规电容C5、C6和共模电感T1组成共模电压抑制电路、用于浪涌保护的瞬态抑制二极管TVS2以及由C4、C6、C7组成滤波电路。

所述锂电池充电电源管理系统的DC/DC电源模块（4）包括电源模块DY1和滤波电容C9、C22，DC/DC电源模块输出电源接于电压检测与充电控制模块的电源输入端，所述模块DY1型号为WD12-110S12。

所述锂电池充电电源管理系统的充电电路（5）包括由R44和LED4组成的电源指示电路、由功率电阻R11和R36组成的限流电路以及由二极管D3和K2C触头组成的充电开关电路。

所述锂电池充电电源管理系统的电压检测与充电控制模块（6）由单片机MCU为核心，其两路A/D通道P1.0和P1.1分别采集锂电池电压和基准电压，STC12C5204AD的P1.7口连接由三极管和继电器K2组成的充电控制电路，继电器K2的一对常开触头分别连接充电电路与锂电池包，另一对常开触头旁路电源输入控制模块（2）。精密电阻R9和R41组成了锂电池的分压电路，以保证所采集的电压信号在MCU所允许的范围之内，R39和C34组成的阻容滤波电路使采集的信号比较平滑。所述模块的基准电压电路的核心器件是三端稳压器D7，其型号为LM4040CIZ-2.5，所述基准电压为2.5V。电压检测与充电控制模块的充电控制由MCU的P1.7口输出控制信号，驱动由三极管Q2和继电器K2组成的充电控制电路，K2的常开触头K2B和K2C分别用于旁路电源输入控制模块(2)的Q1使K1保持得电，以及接通充电电路（5）充电开关。R7、R38和C30组成的降压滤波电路，以防单片机上电时引脚上的高电平会使三极管Q2饱和导通以致继电器K2产生误动作。R15为限流电阻保护三极管Q2，D8为继电器K2的续流二极管。MCU的5V工作电源由三端稳压器DY6提供，所述模块中的继电器K2的型号为TQ2-5V。

所述锂电池充电电源管理系统的电压检测与充电控制模块的控制策略为：

上电时若检测到锂电池电压高于额定电压，MCU的P1.7口输出低电平， 继电器K2不动作，继电器K1在输入电源控制模块（2）延时时间到后失电，断开输入电源；上电时若检测到锂电池电压低于额定电压时，MCU的P1.7口输出高电平使K2动作，常开触头K2B旁路输入电源控制模块（2），常开触头K2C接通锂电池进行充电；在充电过程中，每隔10s检测一次电池电压，每次采集10个电压数据求出平均值作为电池电压，当检测电压高于额定电压的10%时，MCU的P1.7口输出低电平，K2继电器失电，K2C断开锂电池，K2B解除输入电源控制模块（2）的旁路，输入电源断开。

所述锂电池充电电源管理系统的锂电池包（7）由两只锂电池串联组成，内含过充过放等功能的保护板，额定电压为7.4V。

采用所述锂电池充电管理方法和实现系统，能减少锂电池的充电次数和避免锂电池一直处于接近满容量的状态，延长锂电池及其充电电路的使用寿命。

以上所述的本发明的实施方式，并非成为本发明保护范围的限定，倘若对本发明实施方式进行各种变形或修改，但尚在本发明的精神和原则之内，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种锂电池充电电源管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

A1：输入电源上电，电源输入开关自动闭合，给电池电压检测单元提供电源；同时，电源输入控制单元开始计时；

A2：若检测到电池电压高于额定电压，则不作任何处理，等待电源输入开关控制单元计时时间到，将电源输入开关断开，转入步骤A4；若检测到电池电压低于额定电压，则旁路电源输入控制单元，不让其断开电源输入开关，同时，接通锂电池进行充电；

A3：在充电过程中实时检测电池电压，并判断电压是否超出额定电压的10%，若是则解除电源输入开关的旁路，断开电源输入开关；

A4：等待下一次输入电源上电，返回A1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A1中电源输入控制单元的计时时间为2~3s。

3.一种锂电池充电电源管理系统，其特征在于，包括分别与锂电池（7）正极相连的电压检测与控制模块（6）和充电电路（5），及分别与所述电源检测和充电控制模块（6）、保护模块1（1）和保护模块2（3）相连的电源输入控制模块（2），保护模块1（1）与DC110V输入电源相连，所述系统还包括DC/DC电源模块（4）分别与保护模块2（3）和充电电路（5）相连，并连接电压检测和充电控制模块（6）的电源端。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，电源输入控制模块（2）包括充电时间为2~3s的阻容电路、三极管和继电器K1，其中电容一端接于电源地，另一端连接三极管的基极，三极管的发射极连接继电器K1线圈，继电器K1常开触头的两端分别连接保护模块1（1）和保护模块2（3）。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电压检测与充电控制模块（6）由型号为STC12C5204AD的单片机为核心，其两路A/D通道P1.0和P1.1分别采集锂电池电压和基准电压，STC12C5204AD的P1.7口连接由三极管和继电器K2组成的充电控制电路，继电器K2的一对常开触头分别连接充电电路（5）与锂电池包（7），另一对常开触头旁路电源输入控制模块（2）。

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