CN102611168B - 一种简单高效的充放电控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简单高效的充放电控制电路，包括依次串联的整流器、充放电电路、电池，以及输入控制参数的参数设置装置、对控制参数运算并向整流器输出控制信号进而控制整流器输出直流电压的控制单元。本发明还公开了所述充放电控制电路的控制方法：先通过参数设置装置输入充放电参数；然后控制单元据此推算出充电线路中的最大电压值和最大电流值，进而计算出整流器需调整的电压值，并将调整信号输送给整流器；最后整流器根据调整信号调节输出直流电压。本发明电路简单，适应性强，能够针对不同的电池类型，灵活调节整流器的输出电压，达到降低能量损耗的目的，并且产品成本低廉，电能利用率高，节能效果好。

Description

一种简单高效的充放电控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电池充放电装置，尤其涉及一种简单高效的充放电控制电路及其控制方法。

背景技术

在电池生产或使用的过程（如电池的化成与分容）中，经常要用到充放电电路。充放电电路基本包括：依次串联的整流器、充电电路、电池；电池充放电电路可能但不仅限于图1至3所示结构。如图1所示，电池单接放电电路，整流器负责把交流电变换成一定电压的直流电，作为后面的充电电路的输入，给充电电路提供能量来源。如图2所示，电池与整流器输出端之间串接放电电路，形成能量回馈电路，放电电池的能量通过放电电路回馈到整流器的输出端，可供其它充电电路使用，或通过其它的逆变器再将能量回馈至电网，以达到放电能量再利用的目的。此时，整流器的输出电压即为放电电路的输出电压。如图3所示，充电电路和放电电路集合为充/放电电路，亦形成能量回馈电路。

由于电池电压有着较宽的电压范围，而且不同类型的电池电压范围也不相同，为使充放电电路在电池在电压全范围都能正常工作，并且具有较为广泛的应用范围，因此一般来说整流器的输出电压一般都设定在一个比较高的值。因此，在很多情况下，功率变换电路（充电电路和/或放电电路）的输入输出电压之差都较大。功率变换电路可以是基于线性电源工作原理的电路，也可以是基于开关电源原理的电路。无论其属于何种电路，都有一种共同的特性，就是电路的输入电压和输出电压差距越大，其能量损耗越大。在线性电路里这种特性表现得尤为明显，因为其

损耗=（输入电压-输出电压）*电流

比如在图1至图3任一的电路结构里，如果整流器输出电压6V，电池电压2V，电流10A，那么给电池充电总共消耗60W的功率，但其中有40W都以发热的形式消耗掉了。

在一些高精度的电池生产环节（如化成和分容），为了得到较小的充放电纹波，大多采用线性充放电电路。这也就是为什么电池生产企业一般都是高能耗的企业，每年的电费都是一笔很大的开支。如果是开关型的充电电路或放电电路，虽然能量损耗跟输入输出电压之差的关系不如线性电路这么突出，但也不容小视。

因此，如果在电池充放电的过程中，可以根据电池电压的不同来调节整流器的输出电压，让充放电电路的输入输出电压之差尽可能的小，就可以极大的减小电路的能量损耗，给电池企业带来极大的经济效益。

一种类似的办法是台湾致茂电子股份有限公司的专利CN200910132274.5，其方法是针对线性充放电电路，控制电路中充放电的限流晶体管和限流电阻上的电压为一个固定值，这样可以在一定程度降低整流器的输出电压。在该方案里：

损耗=（控制的固定值+电路中其它的线路电阻*电流）*电流

该方案虽具有一定的节能效果，但有一个突出的问题，就是为了控制限流晶体管和限流电阻上的电压为一个固定值，需要复杂的闭环控制，成本高昂。

发明内容

本发明是要解决现有技术的上述问题，提出成本低廉、电路简单、电能利用率高的充放电控制电路。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是设计一种简单高效的充放电控制电路，包括依次串联的整流器、充放电电路、电池，以及用以输入控制参数的参数设置装置、连接参数设置装置对所述控制参数进行运算进而输出控制信号的控制单元，所述整流器连接该控制单元并根据所述控制信号调整输出直流电压。

所述整流器包含控制端、正极输出端和负极输出端，所述控制单元与整流器的控制端和正极输出端之间连接一驱动电路。

所述驱动电路包括：运算放大器，串接在运算放大器反相输入端与正极输出端之间的第二电阻、串接在运算放大器反相输入端与地之间的第四电阻、串联后接在运算放大器反相输入端与输出端之间的第三电阻和电容，运算放大器正相输入端接控制单元第一控制端，运算放大器输出端接整流器控制端。

所述控制单元还连接控制所述充放电电路。

所述整流器包含正极输出端和负极输出端，所述充放电电路包括充电晶体管、放电晶体管、限流电阻、公共端、接待充电池的充电正极和充电负极，其中充电晶体管的漏极接正极输出端、源极接公共端、栅极接控制单元第二控制端；放电晶体管的漏极接公共端、源极接负极输出端、栅极接控制单元第三控制端；限流电阻串接在公共端与充电正极之间，负极输出端接充电负极。

所述参数设置装置为键盘、或触摸显示屏、或电脑。

本发明还揭示了一种充放电控制电路的控制方法，所述充放电控制电路包括依次串联的整流器、充放电电路、电池、用以输入控制参数的参数设置装置、连接参数设置装置对所述控制参数进行运算进而输出控制信号的控制单元，所述整流器连接该控制单元并根据所述控制信号调整输出直流电压；所述控制方法包括以下步骤：第一步，通过参数设置装置输入充放电参数；第二步，控制单元根据所输入的充放电参数推算出充电线路中的最大电压值；第三步，控制单元根据推算出的最大电压值计算出整流器需调整的电压值，并将调整信号输送给整流器；第四步，整流器根据调整信号调节输出直流电压。

在上述第二步中，控制单元根据所输入的充放电参数还推算出充电线路中的最大电流值；在上述第三步中，控制单元根据推算出的最大电压值和最大电流值计算出整流器需调整的电压值，并将调整信号输送给整流器。

所述控制单元还连接控制所述充放电电路，所述控制单元根据所输入的充放电参数控制充放电电路工作。

与现有技术相比，本发明电路简单，适应性强，能够针对不同的电池类型，灵活调节整流器的输出电压，达到降低能量损耗的目的，并且产品成本低廉，电能利用率高，节能效果好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作出详细的说明，其中：

图1为现有技术中一种基本的充放电控制电路框图；

图2为现有技术中一种带能量回馈电路的充放电控制电路框图；

图3为现有技术中另一种带能量回馈电路的充放电控制电路框图；

图4为本发明较佳实施例的原理框图；

图5为本发明较佳实施例的电路图；

图6为本发明较佳的控制方法流程图；

图7为一个整流器带多个充放电电路和多个电池应用示意图；

图8为多个整流器带多个充放电电路和多个电池应用示意图。

具体实施方式

在电池的充放电设备（如化成和分容设备）使用过程中，一般都会允许客户设置很多的工作参数和结束条件，以决定充放电速度并保证电池不至于过冲或者过放如果在此基础上，再让客户设置一下该类型电池的上下限电压，就可以推论出在实际充放电过程中电池可能出现的最大电压和最大电流。如：。

（1）“恒流充电”模式：

最大电流=设置的充电电流,最大电压=设置的截止电压;

（2）“恒流恒压充电”模式：

最大电流=设置的充电电流,最大电压=设置的充电电压;

（3）“恒功率充电”模式：

最大电流=设置的充电功率/该类型电池的下限电压,最大电压=设置的截止电压;

（4）“恒阻放电”模式：

最大电流=该类型电池的上限电压/设置的放电电阻,最大电压=设置的截止电压。

不同的设置方法可能造成不同的推论方法，但都是可以推论得出在实际充放电过程中电池可能出现的最大电压和最大电流后，再根据一定的软件算法，可以算得一个整流器最佳输出电压，该输出电压对应最低的能量损耗。

例如：

VR=VMAX+(RQ+RS+RL)*IMAX+VC……………………………………（1）

VR：整流器最佳输出电压

VMAX：充放电过程中电池可能出现的最大电压

RQ：限流晶体管导通电阻

RS：限流电阻

RL：线路电阻

IMAX：充放电过程中电池可能出现的最大电流

VC：保持控制裕量的预留电压

然后控制器通过任何一种通讯方式与整流器通讯，使其输出该电压，就能达到降低能量损耗的目的。

基于上述原理，本发明设计提出一种简单高效的充放电控制电路，参看图4，其包括依次串联的整流器、充放电电路、电池，以及用以输入控制参数的参数设置装置、连接参数设置装置对所述控制参数进行运算进而输出控制信号的控制单元，所述整流器连接该控制单元并根据所述控制信号调整输出直流电压。操作时，使用者通过参数设置装置输入控制参数（如待充电池的上下限电压等参数），控制单元经过运算向整流器发出控制信号，整流器调整输出适当的充电电压，从而实现节能降耗的目的。

图5示出了较佳实施例的电路图，整流器包含控制端、正极输出端IN+和负极输出端IN-，所述控制单元U2与整流器的控制端和正极输出端IN+之间连接一驱动电路。

在一个实施例中驱动电路包括：运算放大器U1，串接在运算放大器反相输入端与正极输出端之间的第二电阻R2、串接在运算放大器反相输入端与地之间的第四电阻R4、串联后接在运算放大器反相输入端与输出端之间的第三电阻R3和电容C1，运算放大器正相输入端接控制单元U2第一控制端DAC1，运算放大器输出端接整流器控制端。

所述控制单元还连接控制所述充放电电路。

所述整流器包含正极输出端IN+和负极输出端IN-，所述充放电电路包括充电晶体管Q1、放电晶体管Q2、限流电阻R1、公共端COM、接待充电池的充电正极OUT+和充电负极OUT-，其中充电晶体管Q1的漏极接正极输出端IN+、源极接公共端COM、栅极接控制单元U2第二控制端；放电晶体管的漏极接公共端COM、源极接负极输出端IN-、栅极接控制单元U2第三控制端；限流电阻R1串接在公共端与充电正极之间OUT+，负极输出端IN-接充电负极OUT-。

下面以图5示出的较佳实施方案为例，进一步阐述本发明工作原理，220V交流电经整流器的变换输出一个直流电压，给后级充放电电路提供能量来源。整流器可以是任何的常规的电子电路，如全桥电路、半桥电路。但在本发明方案里，其特点是整流器的输出电压值可调。U1、C1、R2、R3、R4构成一个整流器输出闭环控制电路，运算放大器U1的正相输入端被接到控制单元U2的一个模拟信号输出端DAC1。因此整流器的输出电压是被控制单元U2控制的，高低可调。整流器后级为充放电电路，其中Q1为充电的限流晶体管，Q2为放电的限流晶体管，R1为充放电的限流电阻，其两端的电压值表征了充放电的电流值，因此也称电流采样电阻。控制单元U2就是通过控制Q1或Q2的导通程度，将R1两端的电压控制在一个特定的值，从而将充电或放电电流控制在一个特定的值。

所述参数设置装置U3为键盘、或触摸显示屏、或电脑，也可能是任何可以设置充放电参数的终端设备。控制单元U2可以是单片机、DSP等等，也可以是单片机、DSP等的组合，功能是除了控制充电晶体管Q1和放电晶体管Q2以实现充放电控制外，还可根据客户设置的充放电工作参数，进行运算，输出一个电压信号，该信号作为整流器输出电压的控制信号，可以调整整流器输出电压，从而达到节能降耗的目的。

需要指出，图5中给出了充放电电路和驱动电路的较佳实施方案，业内人士应该了解到，实施方案并不限于以上所举例子，还有其它的功能模块也能达到相同作用，在不脱离本申请总体思路，而对其功能模块进行等效修改或和替换的，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

本发明还揭示了一种充放电控制电路的控制方法，所述充放电控制电路包括依次串联的整流器、充放电电路、电池、用以输入控制参数的参数设置装置、连接参数设置装置对所述控制参数进行运算进而输出控制信号的控制单元，所述整流器连接该控制单元并根据所述控制信号调整输出直流电压；参看图6，控制方法包括以下步骤：第一步，通过参数设置装置输入充放电参数；第二步，控制单元根据所输入的充放电参数推算出充电线路中的最大电压值；第三步，控制单元根据推算出的最大电压值计算出整流器需调整的电压值，并将调整信号输送给整流器；第四步，整流器根据调整信号调节输出直流电压。

在较佳实施方案中，在上述第二步中，控制单元根据所输入的充放电参数还推算出充电线路中的最大电流值；在上述第三步中，控制单元根据推算出的最大电压值和最大电流值计算出整流器需调整的电压值，并将调整信号输送给整流器。整流器根据调整信号调节输出直流电压。

所述控制单元还连接控制所述充放电电路，所述控制单元根据所输入的充放电参数控制充放电电路工作。充放电电路含有电子开关，如图5中的充电晶体管Q1和放电晶体管Q2，控制单元根据所输入的充放电参数直接控制Q1和Q2的开端，以控制充放电电流的大小和电压。

值得注意的是，本发明在某些充放电模式下，设置电池的上下限电压并不是必需的，如前述的恒流充电和恒流恒压充电模式。在这样的一些模式下，可以直接根据客户设置的工作参数，根据一定的软件算法，即可算得需将整流器调节至的输出电压值，达到降低能量损耗的目的。

同样，也可以不考虑设置的工作参数，直接根据设置的电池上限电压和一些已知的参数，通过一定的软件算法，也可以得到一个粗略的整流器输出调整值。虽然此时调整的幅度可能非常有限，但比完全不调整，还是有这明显的节能效果的。

例如：

VR=VULimit+(RQ+RS+RL)*IULimit+VC………………………………（2）

VR：整流器最佳输出电压

VULimit：设置的电池上限电压

RQ：限流晶体管导通电阻

RS：限流电阻

RL：线路电阻

IULimit：已知的设备极限电流

VC：保持控制裕量的预留电压

与传统的充放电方案相比，本发明能大大降低电路的能量损耗。还是举上面那个例子：

如果整流器输出电压6V，电池电压2V，电流10A，那么给电池充电总共消耗60W的功率，但其中有40W都以发热的形式消耗掉了。

采用本发明，在对某种电池进行恒流充电时，设置的充电电流为10A，截止电压为3.65V，经软件计算，可将整流器的输出电压调节为4.5V，则同样在电池电压为2V时能量的损耗则由40W变成了25W，节能37.5%！与致茂的方案相比，本发明有着非常突出的成本优势，只需增加很少的通讯通路。

本发明方案可以推广到多个整流器、多个充放电电路和多个电池的场合，如图7和图8所示：图7所示为一个整流器带n个充放电电路和n个电池，和一个整流器带一个充放电电路和1个电池的控制方式类似，使用者通过参数设置装置输入控制参数，控制单元经过运算向整流器发出控制信号，整流器调整输出适当的充电电压，向n个充放电电路同时供电，向n个电池同时充电。图8所示为m个整流器并联，后面带n个充放电电路和n个电池，使用者通过参数设置装置输入控制参数，由于有多个整流器，且每个整流器的输出端都是并联在一起的，输出电压必须一致，因此控制单元向所有的整流器发出控制信号，n个充放电电路同时得电向n个电池充电。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (7)

1.一种简单高效的充放电控制电路，其特征在于包括：串联的整流器、充放电电路和电池，还包括一个分别与整流器和充放电电路连接的控制单元，所述整流器根据所述控制单元发出的控制信号调整输出直流电压，所述的控制单元还与一参数设置装置相连；

所述控制单元与整流器的控制端之间串接一个驱动电路，所述驱动电路包括：运算放大器，串接在运算放大器反相输入端与整流器正极输出端之间的第二电阻、串接在运算放大器反相输入端与地之间的第四电阻、串联后接在运算放大器反相输入端与输出端之间的第三电阻和电容，运算放大器正相输入端接控制单元第一控制端，运算放大器输出端接整流器控制端；

所述充放电电路包括充电晶体管、放电晶体管、限流电阻、公共端、接待充电池的充电正极和充电负极，其中充电晶体管的漏极接整流器正极输出端、源极接公共端、栅极接控制单元第二控制端；放电晶体管的漏极接公共端、源极接整流器负极输出端、栅极接控制单元第三控制端；限流电阻串接在公共端与充电正极之间，整流器负极输出端接充电负极。

2.如权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于：所述充放电电路由多个充放电电路并联，各充放电电路的输入端接整流器输出端，各充放电电路的输出端皆单独连接一个电池。

3.如权利要求2所述的充放电控制电路，其特征在于：所述整流器由多个整流器并联，各整流器的输出端并联后连接所述充放电电路，各整流器的控制端通过所述驱动电路连接控制单元。

4.如权利要求3所述的充放电控制电路，其特征在于：所述参数设置装置为键盘、或触摸显示屏、或电脑。

5.一种如权利要求1所述充放电控制电路的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

第一步，通过参数设置装置输入充放电参数；

第二步，控制单元根据所输入的充放电参数推算出充电线路中的最大电压值；

第三步，控制单元根据推算出的最大电压值计算出整流器需调整的电压值，并将调整信号输送给驱动电路；

第四步，所述驱动电路中的运算放大器、电容、第二电阻、第三电阻、第四电阻构成整流器输出闭环控制，控制单元向运算放大器正相输入端输出的调整信号为模拟控制信号以驱动整流器根据调整信号调节输出直流电压。

6.如权利要求5所述的充放电控制电路的控制方法，其特征在于：在所述第二步中，控制单元根据所输入的充放电参数还推算出充电线路中的最大电流值；在所述第三步中，控制单元根据推算出的最大电压值和最大电流值计算出整流器需调整的电压值，并将调整信号输送给整流器。

7.如权利要求6所述的充放电控制电路的控制方法，其特征在于：所述控制单元根据输入充放电参数控制充放电电路中的充电晶体管和放电晶体管的导通程度，控制限流电阻两端的电压，从而控制充电或放电电流。