CN102856950A - 电池充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池充电电路。电池充电电路包括：相互串联连接的多个单位电池；充电电流路径形成部，其连接于上述多个单位电池的各单位电池之间，并形成由多个选择信号选择的一个或更多个单位电池的充电电流路径；控制部，其检测上述多个单位电池各自的充电状态，并根据检测结果生成上述多个选择信号，并调节充电控制脉冲的占空比；以及充电电源供给部，其根据上述充电控制脉冲的占空比，调节向上述充电电流路径形成部提供的充电电源的电压。

Description

电池充电电路

技术领域

本发明涉及由串联连接的多个电池构成的电池组的充电电路，用于获得在充电时使各电池的电压变得统一的电池平衡(cell-balancing)。

背景技术

如果电池串联连接并反复进行充电和放电，则由于各电池的不同寿命，使得各电池的电压相互不同。在各电池之间具有相互不同的电压并反复进行充放电的情况下劣化得较多的电池因在放电时的过度放电而在充电时的过度充电而使劣化过程加速，这导致整体电池组的性能降低。为了电池组的有效使用，需要使串联连接的电池的充放电程度变得均匀，通常为此需使电池电压变得全部相同。这称作电池平衡(cell-balanceing)，为了满足这种需求而提出了本发明。

图1是用于说明现有的一般的电池管理系统中的电池充电的概念的图。

参照图1，多个单位电池(BAT1～BAT4)相互串联连接。

此外，各个单位电池的阳极和阴极之间具备分别并联连接的多个电流路径形成部。电流路径形成部由电阻(R)和开关(SW)构成，在所述单位电池完成充电时形成电流路径，防止单位电池的过充电。

此外，充电电源供给部连接在多个单位电池(BAT1～BAT4)中第一单位电池(BAT1)的阳极与第四单位电池(BAT4)的阴极之间，并供给充电电源。

另一方面，已经完全充电(完成充电)而无需充电的第一单位电池(BAT1)、第三单位电池(BAT3)和第四单位电池(BAT4)所选择的电流路径形成部的开关(SW1、SW3、SW4)转到接通而使得电流的移动经由相应的电阻(R1、R3、R4)。即，电流路径由电阻旁路，而使得完成充电的单位电池(BAT1、BAT3、BAT4)不再进一步充电。

如上所述，在一般的电池管理系统中，即使单位电池完成充电但电阻一侧还存在电流的流动，这会以热的形式发散而导致增加电力消耗等能源浪费。完成充电的单位电池的数量越多，即由电阻一侧旁路的电流路径越多，能源浪费就越发严重。

此外，即使使电流路径由电阻一侧旁路，但因漏电流而使电荷流入已经完成充电的电池而发生过充电，这会成为缩短单位电池的寿命的要因。

发明内容

本发明提供有效地形成电流路径并对多个单位电池进行充电的电池充电电路。

根据本发明的一个实施例，提供一种电池充电电路，包括：相互串联连接的多个单位电池(unit battery)；充电电流路径形成部，其连接在上述多个单位电池的各单位电池之间，并形成由多个选择信号选择的一个或更多个单位电池的充电电流路径；控制部，其检测上述多个单位电池各自的充电状态，并根据检测结果生成上述多个选择信号，并调节充电控制脉冲的占空比(Duty Ratio)；以及充电电源供给部，其根据上述充电控制脉冲的占空比，调节向上述充电电流路径形成部提供的充电电源的电压。

此外，根据本发明的另一个实施例，提供一种电池充电电路，包括：相互串联连接的多个单位电池；充电电流路径形成部，其连接在上述多个单位电池的各单位电池之间，并形成由多个选择信号选择的一个或更多个单位电池的充电电流路径；电池控制部，其检测上述多个单位电池各自的充电状态，并根据检测结果生成上述多个选择信号；充电控制脉冲生成部，其根据由上述电池控制部检测到的充电状态，调节上述充电控制脉冲的占空比；以及充电电源供给部，其根据上述充电控制脉冲的占空比，调节向上述充电电流路径形成部提供的充电电源的电压。

本发明由于选择性地仅对于需要充电的单位电池一侧形成电流路径，所以可以防止不必要的电力消耗，而能够获得节能效果。

此外，由此能够防止单位电池的过充电及过放电，所以能够提高电池的寿命。

附图说明

图1为用于说明一般的电池管理系统中的电池的充电的概念的图。

图2为根据本发明的一个实施例的电池充电电路的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施例，这是为了进行详细说明以便能够达到具有本发明所属的技术领域的普通技术人员能够容易地实施本发明的技术思想的程度。

图2是根据本发明的一个实施例的电池充电电路的结构图。

参照图2，电池充电电路具备：多个单位电池BAT1～BAT5；充电电流路径形成部11_1～15_2；控制部20；以及充电电源供给部30。

如上构成的电池充电电路的主要动作如下。

多个单位电池相互串联连接。在此，多个单位电池可以使用任何种类的二次电池。此时二次电池可以包括锂离子电池、锂聚合物电池或铅电池等。在本实施例中，示出五个单位电池串联连接的电路，并说明其动作。

充电电流路径形成部连接于构成多个单位电池的各单位电池之间，并形成由多个选择信号CTRL1_1～CTRL2_5选择的一个或更多个单位电池的充电电流路径。

在本实施例中，充电电流路径形成部由多个电流流入部(11_1、12_1、13_1、14_1、15_1)和多个电流流出部(11_2、12_2、13_2、14_2、15_2)构成。各电流流入部利用由多个选择信号(CTRL1_1、CTRL2_1、CTRL3_1、CTRL4_1、CTRL5_1)选择的第一开关部(T1_1、T2_1、T3_1、T4_1、T5_1)而发生实际的电流的流入，各电流流出部利用由多个选择信号(CTRL1_2、CTRL2_2、CTRL3_2、CTRL4_2、CTRL5_2)选择的第二开关部(T1_2、T2_2、T3_2、T4_2、T5_2)而发生实际的电流的流出。电流流入部连接到充电电源供给部30的一端A+和多个单位电池各自的阳极。此外，多个电流流出部连接到充电电源供给部30的另一端A-和多个单位电池各自的阴极。

第一节点(N1_1、N2_1、N3_1、N4_1、N5_1)位于第一开关部与第一二极管(D1_1、D2_1、D3_1、D4_1、D5_1)之间，第二节点(N1_2、N2_2、N3_2、N4_2、N5_2)位于第二开关部与第二二极管(D1_2、D2_2、D3_2、D4_2、D5_2)之间。

另一方面，在多个电流流入部中，作为代表，详细说明第一电流流入部11_1如下。

第一电流流入部11_1由受多个选择信号(CTRL1_1～CTRL5_2)中的所分配的选择信号CTRL1_1控制的第一开关部T1_1、连接在充电电源供给部30的一端A+与第一节点N1_1之间的第一寄生二极管DP1_1、以及连接在第一节点N1_1与所选择的单位电池BAT1的阳极之间的第一二极管D1_1构成。即，第一二极管D1_1的阳极(Anode)连接到第一开关部T1_1，第一二极管D1_1的阴极(Cathode)连接到所选择的单位电池的阳极。

本发明的实施例中，举出作为第一开关部(T1_1、T2_1、T3_1、T4_1、T5_1)使用场效应晶体管(Fie1d Effect Transistor：FET)的例子。此时，场效应晶体管的内部寄生二极管分量的模型就是第一寄生二极管(DP1_1、DP2_1、DP3_1、DP4_1、DP5_1)。这样，为了防止因场效应晶体管的内部寄生二极管产生的异常电流的流动，连接了第一二极管(D1_1、D2_1、D3_1、D4_1、D5_1)。

即，多个电流流入部的二极管(DP1_1、DP2_1、DP3_1、DP4_1、DP5_1)都是场效应晶体管的内部寄生二极管。

此外，在多个电流流出部中，作为代表，详细说明第一电流流出部11_2如下。

第一电流流出部112由受多个选择信号(CTRL1_1～CTRL5_2)中的所分配的选择信号CTRL1_2控制的第二开关部T1_2、连接在第二节点N1_2与单位电池BAT1的阳极之间的第二寄生二极管DP1_2、以及连接在第二节点N1_2与充电电源供给部30的另一端A-之间的第二二极管D1_2构成。即，第二二极管D1_2的阴极连接到充电电源供给部30的另一端A-，第二二极管D1_2的阳极连接到第二开关部T1_2。此外，第二寄生二极管DP1_2的阳极连接到第二二极管D1_2的阳极，第二寄生二极管DP1_2的阴极连接到单位电池BAT1的阳极。

在本发明的实施例中，举出作为第二开关部(T1_2、T2_2、T3_2、T4_2、T5_2)使用场效应晶体管的例子。此时，场效应晶体管的内部寄生二极管分量的模型就是第二寄生二极管(DP1_2、DP2_2、DP3_2、DP4_2、DP5_2)。这样，为了防止因场效应晶体管的内部寄生二极管产生的异常电流，连接有第二二极管(D1_1、D2_1、D3_1、D4_1、D5_1)。

即，多个电流流出部的二极管DP1_2、DP2_2、DP3_2、DP4_2、DP5_2都是场效应晶体管的内部寄生二极管。

控制部20检测多个单位电池各自的充电状态，并根据检测结果生成多个选择信号，并调节充电控制脉冲(PWM1、PWM2)的占空比。作为参考，控制部20一般利用微控制器构成。

在本实施例中，控制部20由电池控制部22和充电控制脉冲生成部21构成。电池控制部22检测多个单位电池各自的充电状态，并根据检测结果生成多个选择信号。

充电控制脉冲生成部21根据电池控制部22检测到的充电状态调节充电控制脉冲(PWM1、PWM2)的占空比。在此，充电控制脉冲可区分为第一充电控制脉冲PWM1及第二充电控制脉冲PWM2，两信号具有相位相互相反的关系。即，第一充电控制脉冲PWM1及第二充电控制脉冲PWM是差动形态的信号。即，充电控制脉冲生成部21按如下方式进行控制：需要充电的单位电池的数量越多，第一充电控制脉冲PWM1的占空比就越大。

此时，第二充电控制脉冲PWM2具有与第一充电控制脉冲PWM1相反的相位。从而，随着第一充电控制脉冲PWM1的占空比越来越大，第二充电控制脉冲PWM2的占空比越来越小。

充电电源供给部30根据充电控制脉冲PWM1、PWM2的占空比，调节向充电电流路径形成部(11_1～15_2)供给的充电电源供给部30的一端A+与另一端A-之间的电压。

在本实施例中，充电电源供给部30包括：变压器31；整流器32；连接在第一电压端V+与变流器节点NCON之间且受第一充电控制脉冲PWM1的控制的第一晶体管IGBT1；连接在第二电压端V-与变流器节点NCON之间且受与第一充电控制脉冲PWM1相反关系的第二充电控制脉冲PWM2的控制的第二晶体管IGBT2；连接在交流器节点NCON与充电电源供给部30的一端A+之间的电感器L；连接在充电电源供给部30的一端A+与充电电源供给部3-的另一端A-之间且用于消除由上述电感器L产生的纹波电流的平滑用电容器C。

需要充电的单位电池的数量越多，第一充电控制脉冲PWM1的占空比越大，而第一充电控制脉冲的占空比越来越大使得从充电电源供给部30的一端A+及另一端A-输出的充电电源的电压大小逐渐增加。

通过第一电压端V+和第二电压端V-向充电电源供给部30提供的驱动电压是通过变压器31及整流器32而生成的电压。所述变压器31的初级线圈一侧直接连接到电力网或者将电力网的交流电(AC)按比例缩小(scale down)来连接，次级线圈一侧与初级线圈一侧的AC是形态相同但比例或大或小的AC。所述变压器31也可以接收由PCS(Power Conditioning System，电力调节系统)生成的AC的输入，变压器31也可以置于PCS或BMS中。此外，举出了第一晶体管IGBT1及第二晶体管IGBT2由绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)构成的例子，也可以由场效应晶体管构成。

图2中示出选择第二单位电池BAT2及第三单位电池BAT3而进行充电的动作。即，第二电流流入部12_1及第三电流流出部14_2的开关部(T2_1、T4_2)接通(TURN ON)，仅对于第二单位电池BAT2及第三单位电池BAT3形成电流路径。即，仅对于需要充电的第二单位电池BAT2及第三单位电池BAT3形成电流路径，因此能够消除不必要的电流消耗，能够防止完成充电的其余的单位电池被过充电的现象。

如上所述，本发明所属技术领域的普通技术人员应能够理解本发明在不改变其技术思想或必要特征的情况下能够以其他具体形态来实施。因此，应理解以上所述的技术例仅仅在所有方面上的例示并不是限定性的。本发明的范围由所附的权利要求书来反映而不是上述详细说明，应解释为由权利要求书的含义和范围以及由其均等概念导出的所有变更或变形形态均属于本发明的范围。

Claims (13)

1.一种电池充电电路，包括：

相互串联连接的多个单位电池；

充电电流路径形成部，其连接在上述多个单位电池的各单位电池之间，且形成由多个选择信号选择的一个或更多个单位电池的充电电流路径；

控制部，其检测上述多个单位电池各自的充电状态，并根据检测结果生成上述多个选择信号，并调节充电控制脉冲的占空比；以及

充电电源供给部，其根据上述充电控制脉冲的占空比，并调节向上述充电电流路径形成部提供的充电电源的电压。

2.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，上述充电电流路径形成部包括：

多个电流流入部，其连接于上述充电电源供给部的一端和上述多个单位电池各自的阳极；以及

多个电流流出部，其连接于上述充电电源供给部的另一端和上述多个单位电池各自的阴极。

3.根据权利要求2所述的电池充电电路，其特征在于，上述多个电流流入部包括：

第一开关部，其连接在上述充电电源供给部的一端与上述多个单位电池各自的阳极之间，并受上述多个选择信号中的所分配的选择信号的控制；

第一寄生二极管，其连接在上述充电电源供给部的一端与上述第一节点之间；以及

第一二极管，其连接在上述第一节点与所选择的单位电池的阳极之间。

4.根据权利要求3所述的电池充电电路，其特征在于，上述多个电流流出部分别包括：

第二开关部，其连接在需要充电并被选择的单位电池的阴极与上述充电电源供给部的另一端之间，并受上述多个选择信号中的所分配的选择信号的控制；

第二寄生二极管，其连接在上述第二节点与需要充电并被选择的单位电池的阴极之间；以及

第二二极管，其连接在上述第二节点与上述充电电源供给部的另一端之间。

5.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，上述控制部包括：

电池控制部，其检测上述多个单位电池各自的充电状态，并根据检测结果生成上述多个选择信号；以及

充电控制脉冲生成部，其根据由上述电池控制部检测到的充电状态，调节上述充电控制脉冲的占空比。

6.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，上述充电电源供给部包括：

第一晶体管，其连接在第一电压端与变流器节点之间，并受第一充电控制脉冲的控制；

第二晶体管，其连接在第二电压端与上述变流器节点之间，并受与上述第一充电控制脉冲相反关系的第二充电控制脉冲的控制；

电感器，其连接在上述变流器节点与上述充电电源供给部的一端之间；以及

电容器，其连接在上述充电电源供给部的一端与另一端之间。

7.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，上述多个单位电池包括二次电池。

8.一种电池充电电路，包括：

相互串联连接的多个单位电池；

充电电流路径形成部，其连接在上述多个单位电池的各单位电池之间，并形成由多个选择信号选择的一个或更多个单位电池的充电电流路径；

电池控制部，其检测上述多个单位电池各自的充电状态，并根据检测结果生成上述多个选择信号；

充电控制脉冲生成部，其根据由上述电池控制部检测到的充电状态，调节上述充电控制脉冲的占空比；以及

充电电源供给部，其根据上述充电控制脉冲的占空比，调节向上述充电电流路径形成部提供的充电电源的电压。

9.根据权利要求8所述的电池充电电路，其特征在于，上述充电电流路径形成部包括：

多个电流流入部，其连接于上述充电电源供给部的一端和上述多个单位电池各自的阳极；以及

多个电流流出部，其连接于上述充电电源供给部的另一端和上述多个单位电池各自的阴极。

10.根据权利要求9所述的电池充电电路，其特征在于，上述多个电流流入部分别包括：

第一开关部，其连接在上述充电电源供给部的一端与上述多个单位电池各自的阳极之间，并受上述多个选择信号中的所分配的选择信号的控制；

第一寄生二极管，其连接在上述充电电源供给部的一端与上述第一节点之间；以及

第一二极管，其连接在上述第一节点与所选择的单位电池的阳极之间。

11.根据权利要求10所述的电池充电电路，其特征在于，上述多个电流流出部分别包括：

第二开关部，其连接在所选择的单位电池的阴极与上述充电电源供给部的另一端之间，并受上述多个选择信号中的所分配的选择信号的控制；

第二寄生二极管，其连接在上述第二节点与所选择的单位电池的阴极之间；以及

第二二极管，其连接在上述第二节点与上述充电电源供给部的另一端之间。

12.根据权利要求8所述的电池充电电路，其特征在于，上述充电电源供给部包括：

第一晶体管，其连接在第一电压端与变流器节点之间，并受第一充电控制脉冲的控制；

第二晶体管，其连接在第二电压端与上述变流器节点之间，并受与上述第一充电控制脉冲相反关系的第二充电控制脉冲的控制；

电感器，其连接在上述变流器节点与上述充电电源供给部的一端之间；以及

电容器，其连接在上述充电电源供给部的一端与另一端之间。

13.根据权利要求8所述的电池充电电路，其特征在于，上述多个单位电池包括二次电池。