CN102647004A - 一种高效率充放电控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率充放电控制电路，其包括依次串联的整流器、充放电电路、电池、采集电池电压信号的电压采样电路、连接电压采样电路对所述电压信号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。本发明还公开了一种高效率充放电控制电路的控制方法：首先电压采样电路实时采样电池的充放电电压，并传输给控制单元；整流器根据调整信号调节输出直流电压。与现有技术相比，本发明能适应不同的电池类型，在电池充放电过程中，根据电池的电压和电流的波动，实时地调整整流器输出电压，使充电损耗大幅下降；同时电路结构简单，成本低廉，具有广阔的市场前景。

Description

一种高效率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，尤其涉及一种高效节能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

但是该方案有两个方面的问题：

1. 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，设备成本高昂；

2. 假设限流晶体管和限流电阻的导通电阻一定，则电流越大，其两端的电压越高。另外由于工作过程中的发热，其导通电阻还会增大，因此其两端的电压会更高。为了保证电路在大电流长期充放电时控制的稳定性，该方案必须将这个固定值设得较高。那么在小电流充放电的时候，本来不需要这么高的固定值，反而带来了不必要的能量损耗。

发明内容

本发明是要解决现有技术的上述问题，提出一种能够在电池充放电过程中，根据电池的电压和电流的波动，实时地调整整流器输出电压，达到节能降耗的目的充放电控制电路。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是设计一种高效率充放电控制电路，其包括依次串联的整流器、充放电电路、电池、采集电池电压信号的电压采样电路、连接电压采样电路对所述电压信号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。

高效率充放电控制电路还包括采集电池电流信号的电流采样电路，所述控制单元连接该电流采样电路，对所述电压信号和电流信号进行运算进而输出所述控制信号。

上述控制单元与电池之间还可连接电流采样电路。

上述控制单元还可连接控制所述充放电电路。

上述整流器可以包含正极输出端和负极输出端，上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。

上述电压采样电路可以包括第三运算放大器，其正相输入端通过第六电阻接充电正极并通过第七电阻接地，其反相输入端接其输出端，其输出端接控制单元一输入端。

上述电流采样电路包括第二运算放大器，其正相输入端通过第二电阻接公共端并通过第四电阻接地，其反相输入端通过第三电阻接充电正极并通过第五电阻接其输出端，其输出端接控制单元另一输入端。

上述整流器包含控制端、正极输出端和负极输出端，上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。

上述驱动电路包括：第一运算放大器，串接在第一运算放大器反相输入端与正极输出端之间的第八电阻、串接在第一运算放大器反相输入端与地之间的第十电阻、串联后接在第一运算放大器反相输入端与输出端之间的第九电阻和电容，第一运算放大器正相输入端接控制单元第一控制端，第一运算放大器输出端接整流器控制端。

本发明还提出一种高效率充放电控制电路的控制方法，该包括以下步骤：第一步，电压采样电路实时采样电池的充放电电压，并传输给控制单元；第二步，控制单元根据采集到的电压值，通过预置的运算软件计算出整流器需输出的电压值，并将电压调整信号传输给整流器；第三步，整流器根据调整信号调节输出直流电压。

所述控制单元与电池之间还连接一电流采样电路；所述第一步中，控制单元还通过电流采样电路采集电池电流值；所述第二步中，控制单元根据采集到的电压值和电流值，通过预置的运算软件计算出整流器需输出的电压值，并将电压调整信号传输给整流器。

与现有技术相比，本发明能适应不同的电池类型，在电池充放电过程中，根据电池的电压和电流的波动，实时地调整整流器输出电压，使充电损耗大幅下降；同时电路结构简单，成本低廉，具有广阔的市场前景。

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为一个整流器带多个充放电电路和多个电池应用示意图；

图7为多个整流器带多个充放电电路和多个电池应用示意图；

图8为本发明控制方法的流程图。 

具体实施方式

本发明揭示了一种高效率充放电控制电路，参看图4示出的原理框图，其包括依次串联的整流器、充放电电路、电池、采集电池电压信号的电压采样电路、连接电压采样电路对所述电压信号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。

在电池充放电过程中，控制单元实时地采集电池的电压信息，根据一定的软件算法，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。其公式为：

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

VR：整流器最佳输出电压

VB：电池电压

RQ：限流晶体管导通电阻

RS：限流电阻

RL：线路电阻

IMAX：最大的充（放）电电流

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(包括权项7中的驱动电路)与整流器通讯，使其输出该电压。随着充放电时间的推移，电池两端的电压逐渐变化，电池电压实时反馈电压值，控制器控制整流器随之改变整流器电压输出值，从而能量损耗降到最低。

在较佳实施例中，高效率充放电控制电路还包括采集电池电流信号的电流采样电路，所述控制单元连接该电流采样电路，对所述电压信号和电流信号进行运算进而输出所述控制信号。随着充电时间的推移，电池充电电流逐渐减小，电流采样电路实时反馈电池的充电电流值，控制器根据一定的软件算法，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。其公式为：

VR=VB+(RQ+RS+RL)*IO+VC……………………………………………（2）

VR：整流器最佳输出电压

VB：电池电压

RQ：限流晶体管导通电阻

RS：限流电阻

RL：线路电阻

IO：实时的充（放）电电流

VC：保持控制裕量的预留电压

对比公式（1）、（2），公式（1）是用最大的充（放）电电流替代了实时的充（放）电电流，节能效果比不上在带电流采用的控制电路。与致茂的现有方案相比，此时节能效果基本相当，但其成本仍然具有很大的优势。

在较佳实施例中,控制单元还连接控制充放电电路。参看图5，整流器包含控制端、正极输出端IN+和负极输出端IN-，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-。

在较佳实施例中,电压采样电路包括第三运算放大器U3，参看图5，其正相输入端通过第六电阻R6接充电正极OUT+并通过第七电阻R7接地，其反相输入端接其输出端，其输出端接控制单元U4一输入端。所述电流采样电路包括第二运算放大器U2，其正相输入端通过第二电阻R2接公共端并通过第四电阻R4接地，其反相输入端通过第三电阻R3接充电正极OUT+并通过第五电阻R5接其输出端，其输出端接控制单元U4另一输入端。

在较佳实施例中, 整流器包含控制端、整流器包含正极输出端IN+和负极输出端IN-，所述控制单元U4与整流器的控制端和正极输出端IN+之间连接一驱动电路。图5示出了一种驱动电路的实施例，其包括：第一运算放大器U1，串接在第一运算放大器U1反相输入端与正极输出端IN+之间的第八电阻R8、串接在第一运算放大器U1反相输入端与地之间的第十电阻R10、串联后接在第一运算放大器U1反相输入端与输出端之间的第九电阻R9和电容C1，第一运算放大器U1正相输入端接控制单元U4第一控制端DAC1，第一运算放大器U1输出端接整流器控制端。

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、R8、R9、R10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U4的一个模拟信号输出端。因此整流器的输出电压是被控制单元U4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U4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。

控制单元U4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，还通过电池电压、电流采样电路，通过控制单元U4内部的软件算法，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。

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。但如果采用本方案，假如将整流器的输出电压在此时刻降低为3V，则能量的损耗则由40W变成了10W，节能75%！

与致茂的现有方案相比，本方案两点优势：

1. 成本低廉，无需复杂的闭环控制；

2. 节能效果显著，假设电路在最大电流情况下需要将整流器输出电压降低1V，如果用致茂的现有方案，因为其控制的是固定值，因此无论多大电流，限流晶体管和限流电阻上都必须是1V的电压，而我们的方案则会根据电流大小的不同实时进行调整。同样用上面的例子：

电池电压2V，电流10A，致茂的方案将整流器输出电压调整至3V。如果在某个生产环节，电流变成了5A，致茂的方案还是将整流器输出电压调整至3V，对应的电路损耗为：

1V*5A=5W

而本发明在此条件下会将整流器输出电压调整至2.5V，对应的电路损耗为：

0.5V*5A=2.5W

节能也达50%！

而且该粗略算法还没包括线路中的损耗，致茂的方案是无法将这些寄生的损耗考虑在内的，而本发明方案则可以在软件算法中将线路的损耗一并考虑，节能效果更佳明显。

本发明还揭示了一种高效率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、采集电池电压信号的电压采样电路、连接电压采样电路对所述电压信号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，电压采样电路实时采样电池的充放电电压，并传输给控制单元；第二步，控制单元根据采集到的电压值，通过预置的运算软件计算出整流器需输出的电压值，并将电压调整信号传输给整流器；第三步，整流器根据调整信号调节输出直流电压。

在较佳实施例中，控制单元与电池之间还连接一电流采样电路；所述第一步中，控制单元还通过电流采样电路采集电池电流值；所述第二步中，控制单元根据采集到的电压值和电流值，通过预置的运算软件计算出整流器需输出的电压值，并将电压调整信号传输给整流器。

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6和图7所示：图6所示为一个整流器带n个充放电电路和n个电池，此时需要采集n个电池的电压和电流，用前述同样的软件算法计算得到整流器最佳输出电压值，下发给整流器执行。图7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，此时同样需要采集n个电池的电压和电流，取电压和电流的最大值，用前述同样的软件算法计算得到整流器最佳输出电压值。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，因此控制单元需将电压信号下发给所有整流器执行。

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 (10)

1.一种高效率充放电控制电路，其包括依次串联的整流器、充放电电路、电池，其特征在于还包括：采集电池电压信号的电压采样电路、连接电压采样电路对所述电压信号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。

2.如权利要求1所述的高效率充放电控制电路，其特征在于还包括：采集电池电流信号的电流采样电路，所述控制单元连接该电流采样电路，对所述电压信号和电流信号进行运算进而输出所述控制信号。

3.如权利要求2所述的高效率充放电控制电路，其特征在于：所述控制单元还连接控制所述充放电电路。

4.如权利要求3所述的高效率充放电控制电路，其特征在于：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。

5.如权利要求4所述的高效率充放电控制电路，其特征在于：所述电压采样电路包括第三运算放大器，其正相输入端通过第六电阻接充电正极并通过第七电阻接地，其反相输入端接其输出端，其输出端接控制单元一输入端。

6.如权利要求5所述的高效率充放电控制电路，其特征在于：所述电流采样电路包括第二运算放大器，其正相输入端通过第二电阻接公共端并通过第四电阻接地，其反相输入端通过第三电阻接充电正极并通过第五电阻接其输出端，其输出端接控制单元另一输入端。

7.如权利要求1至6任一项所述的高效率充放电控制电路，其特征在于：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。

8.如权利要求7所述的高效率充放电控制电路，其特征在于：所述驱动电路包括：第一运算放大器，串接在第一运算放大器反相输入端与正极输出端之间的第八电阻、串接在第一运算放大器反相输入端与地之间的第十电阻、串联后接在第一运算放大器反相输入端与输出端之间的第九电阻和电容，第一运算放大器正相输入端接控制单元第一控制端，第一运算放大器输出端接整流器控制端。

9.一种高效率充放电控制电路的控制方法，其特征在于：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、采集电池电压信号的电压采样电路、连接电压采样电路对所述电压信号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，电压采样电路实时采样电池的充放电电压，并传输给控制单元；

第二步，控制单元根据采集到的电压值，通过预置的运算软件计算出整流器需输出的电压值，并将电压调整信号传输给整流器；

第三步，整流器根据调整信号调节输出直流电压。

10.如权利要求9所述的高效率充放电控制电路的控制方法，其特征在于：所述控制单元与电池之间还连接一电流采样电路；

所述第一步中，控制单元还通过电流采样电路采集电池电流值；

所述第二步中，控制单元根据采集到的电压值和电流值，通过预置的运算软件计算出整流器需输出的电压值，并将电压调整信号传输给整流器。

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