CN103441542B - 一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法 - Google Patents

一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法,核心控制单元通过采样模块对电池组中的每个电池单体的电压进行采集,通过电量计量模块对电池组的电流和电池容量进行采集。当核心控制单元检测到有电池单体的电压差达到预设值时,主动平衡电源电路将电池组或外接充电器的能量进行转换,并对电池单体进行充电;核心控制单元通过电量计量模块对外接充电器充入电池组的能量和电流进行检测,当任意电池单体的电压超过第一设定值时,核心控制单元切断主充电回路;当主动平衡电源电路用整组能量补充短板时,如果所有电池单体电压恢复到第二设定值以下时,再次打开外接充电器。本发明降低了电路的成本,达到了经济性和充电均衡性能的完美平衡性。

Description

一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法
技术领域
[0001 ] 本发明涉及锂电池领域,特别涉及一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法。
背景技术
[0002] 锂电池是一种以锂金属或锂合金为负极材料,使用非水电解质溶液的一次电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着二十世纪末微电子技术的发展,小型化的设备日益增多,对电源提出了很高的要求,锂电池随之进入了大规模的实用阶段。
[0003] 现有技术中对锂电池组均衡充电的有效方法是采用若干个独立的充电器,分别对电池组中的各个单体进行充电。这就需要所有电池必须单独引出充电线,例如:16个电池组成的电池组需要引出32根充电线。这不仅增加了布线难度,而且提高了电池组的成本,且现有的锂电池串联会出现充电不均衡的问题。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法,本发明实现了锂电池的均衡充电,降低了电路的成本,满足了实际应用中的多种需要,详见下文描述:
[0005] 一种锂电池分布式充电均衡电路,所述锂电池分布式充电均衡电路包括:核心控制单元,所述核心控制单元电连接若干个采样模块、电量计量模块、逻辑控制单元,其中,
[0006] 所述采样模块和所述电量计量模块电连接电池组,所述逻辑控制单元电连接主动平衡电源电路,还包括:为所述逻辑控制单元和所述主动平衡电源电路提供充电的充电电源,
[0007] 所述核心控制单元通过所述采样模块对所述电池组中的每个电池单体的电压进行采集,通过所述电量计量模块对所述电池组的电流和电池容量进行采集;
[0008] 当所述核心控制单元检测到有电池单体的电压差达到预设值时,所述核心控制单元将驱动信号发送给所述逻辑控制单元,所述逻辑控制单元根据所述驱动信号输出脉冲控制信号,控制所述主动平衡电源电路,所述主动平衡电源电路将所述电池组或外接充电器的能量进行转换,并对电池单体进行充电;
[0009] 所述核心控制单元通过所述电量计量模块对所述外接充电器充入所述电池组的能量和电流进行检测,当任意电池单体的电压超过第一设定值时,所述核心控制单元切断主充电回路;当所述主动平衡电源电路用整组能量补充短板时,如果所有电池单体电压恢复到第二设定值以下时,再次打开所述外接充电器。
[0010] 再对电池单体进行充电时,所述核心控制单元会不断检测电池单体电压的变化和充入电池单体的电流,
[0011] 当某一电池单体电压高于其他电池单体的电压时,降低充入此电池单体的电流;或,
[0012] 当某一电池单体的电压变化率低于其他电池单体的电压变化率且小于最大充电电流时,提高充入此电池单体的电流,直到和其他电池单体的容量一致。
[0013] 所述主动平衡电源电路设计为主充加辅充模式,采用开关电源原理,
[0014] 当连接一串电池单体时,所述主动平衡电源电路包括:变压器,所述变压器的初级线圈接MOS管的源极,所述MOS管的栅极接所述逻辑控制单元输出的所述脉冲控制信号,所述MOS管的漏极输出反馈电流;次级线圈一端接二极管的阳极,且所述二极管的阴极接电容的一端,所述电容的另一端接所述次级线圈的另一端;所述初级线圈、所述电容的一端分别接所述充电器和所述电池单体的正极,所述电容的另一端接所述电池单体的负极。
[0015] 所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:与所述核心控制单元连接的弱电开关。
[0016] 所述充电电源到所述主动平衡电源电路之间的回路中设置有保险丝。
[0017] 所述核心控制单元和所述采样模块之间的通信为总线通信;所述核心控制单元和所述电量计量模块之间的通信为总线通信。
[0018] 所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:RS232接口、485接口和以太网接口,
[0019] 所述核心控制单元通过所述RS232接口、所述485接口和所述以太网接口接外部通信终端。
[0020] 所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:短路保护及MOS驱动电路、实时时钟,
[0021] 所述核心控制单元连接所述短路保护及MOS驱动电路、所述实时时钟。
[0022] 所述核心控制单元通过所述采样模块对所述电池组中的电池单体的温度进行实时采集,所述核心控制单元对采集到的温度和温度阈值进行比较,当高于所述温度阈值时,取消电池单体的均衡作用。
[0023] 一种锂电池分布式充电均衡电路的控制方法,所述方法包括以下步骤:
[0024] (I)当某一电池单体的差异低于设计阈值时,所述核心控制单元检测到电压偏低时,启动所述逻辑控制单元;
[0025] 所述核心控制单元通过19根数据线对所述逻辑控制单元进行控制,其中16根数据线对应所述逻辑控制单元的16路脉冲控制信号的输出;2根控制线,分别控制占空比和PWM输出的开启,一根时钟线用于同步16根数据线的数据,所述核心控制单元通过控制MOS管的开关占空比和频率进而控制充到电池单体中的电流;
[0026] (2)所述核心控制单元首先禁止所述逻辑控制单元输出脉冲控制信号,接收第一组脉冲控制信号的输入,再通过16根数据线输出第一组脉冲控制信号,时钟线工作;
[0027] (3)以此类推,所述核心控制单元拉低时钟线,接收第二组脉冲控制信号的输入,再通过16根数据线输出第二组脉冲控制信号,时钟线工作。
[0028] 本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明将传统需要若干个(以16个充电器为例)充电器完成的工作,集成在一块电路上,并通过一个核心控制单元进行协调控制,降低了电路的成本,达到了经济性和充电均衡性能的完美平衡;并且本发明通过设计的弱电开关,降低了电路的功耗;且通过在充电电源到16路主动平衡电源的回路上添加保险丝,防止了失控时出现过电流的问题,提高了电路的整体安全性。
附图说明
[0029] 图1为一种锂电池分布式充电均衡电路的结构示意图;
[0030] 图2为主动平衡电源电路的结构示意图;
[0031] 图3为脉冲控制信号的工作示意图。
[0032] 附图中,各部件的列表如下:
[0033] 1:核心控制单元; 2:采样模块;
[0034] 3:电量计量模块; 4:电池组;
[0035] 5:逻辑控制单元; 6:主动平衡电源电路;
[0036] 7:充电电源; 8:充电器;
[0037] 9:弱电开关; 10:RS232 接口 ;
[0038] 11:485 接口; 12:以太网接口;
[0039] 13:短路保护及MOS驱动电路;14:实时时钟;
[0040] 16:PC 适配模块; 17:PC 机;
[0041] B1:电池单体; M:变压器;
[0042] MOS:晶体管; D:二极管;
[0043] C:电容。
具体实施方式
[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0045] 为了实现锂电池的均衡充电,降低电路的成本,满足实际应用中的多种需要,本发明实施例提供了一种锂电池分布式充电均衡电路,参见图1,该锂电池分布式充电均衡电路包括:核心控制单元I,核心控制单元I电连接若干个采样模块2 (其中,采样模块2的数量由电池组4中的电池单体的数量决定,本发明实施例对此不做限制)、电量计量模块3、逻辑控制单元(FPGA)5,采样模块2和电量计量模块3电连接电池组4,逻辑控制单元5电连接主动平衡电源电路6,还包括:为逻辑控制单元5和主动平衡电源电路6提供充电的充电电源7,
[0046] 核心控制单元I通过采样模块2对电池组4中的每个电池单体BI (每个电池组4中包括16个电池单体BI)的电压进行采集,通过电量计量模块3对电池组4的电流和电池容量进行采集。
[0047] 当核心控制单元I检测到有电池单体BI的电压差达到预设值(例如0.1V)时,核心控制单元I将驱动信号发送给逻辑控制单元5,逻辑控制单元5根据驱动信号输出脉冲控制信号,控制主动平衡电源电路6,驱动主动平衡电源电路,主动平衡电源电路6将电池组4或外接充电器8的能量,变换成某个电池单体BI可以接受的能量,并对电池单体BI进行充电。
[0048] 即核心控制单元I再对某个电池单体BI进行额外充电时,会不断检测电池单体BI电压的变化和充入电池单体BI的电流,根据一定的算法(当某一电池单体电压高于其他电池单体BI的电压时,降低充入此电池单体的电流,当电池单体BI的电压变化率低于其他电池单体的电压变化率且小于最大充电电流时,可以提高充入此电池单体BI的电流),对充入电流进行修正,使电量少的电池单体BI逐渐逼近其他电池单体BI,直到和其他电池的容量一致。
[0049] 核心控制单元I也会通过电量计量模块3对外接充电器8充入整个电池组4的能量和电流进行检测,当任意电池单体BI的电压超过第一设定值(例如:4.2V,还可以根据实际应用中的需要进行设定)时,切断主充电回路。当主动平衡电源电路6用整组能量补充短板时,如果所有电池单体BI电压恢复到第二设定值(例如:4.15V,还可以根据实际应用中的需要进行设定)以下时,可以再次打开外接充电器8 (可以根据客户要求设置),直到所有电芯电压完全一致,并且都达到满电态为止。通过上述电路设计,使得整个电路在有限的体积下实现了大电流的平衡功能。电压平衡动作每Tbal时间更新一次,Tbal时间根据电池容量和平衡电流设定,每次平衡能量小于0.5%的电池容量。在以下条件下禁止平衡:1)最高电压小于平衡启动电压;2)平衡时间到;3)如果设置充电时均衡,又没有接入充电器;4)正在采集电压时250mS —个循环,其中50mS用于测试,200mS用于平衡。具体实现时,该核心控制单元I可以为:型号为STM32F103VBT6的芯片,该芯片具有16路12位AD采集通道,外部通信接口丰富。采样模块2可以为:型号为BQ76PL536A的芯片。电量计量模块4可以为:型号为BQ34Z100的芯片。
[0050] 其中,参见图2,主动平衡电源电路6设计为主充加辅充模式,采用开关电源原理,以连接一串电池单体BI为例进行说明,即,包括:变压器M,变压器M的初级线圈接MOS管的源极,MOS管的栅极接逻辑控制单元5输出的脉冲控制信号,MOS管的漏极输出反馈电流;次级线圈一端接二极管D的阳极,且二极管D的阴极接电容C的一端,电容C的另一端接次级线圈的另一端;初级线圈、电容C的一端分别接充电器8和电池单体BI的正极,电容C的另一端接电池单体BI的负极。
[0051] 图2中只给出了连接2串电池单体BI的电路示意图,并进行说明,串联其他串电池单体BI的电路原理和串联2串类似,只是变压器M、MOS管、二极管D和电容C的数量进行相应的增加,连接关系不变,本发明实施例对此不做赘述。
[0052] 通过变压器M把电池组4的能量隔离转化成恒定电流,通过二极管D和电容C组成的整流滤波电路给电池单体BI充电,充电电流根据特定电芯的容量亏损状态进行动态补给。
[0053] 在一优选的实施例里,该电路还包括:与核心控制单元I连接的弱电开关9,当弱电开关9接通时,整个电路才开始工作,降低了整个电路的功耗。
[0054] 在另一优选的实施例里,该电路对不同功能模块采用不同的供电模式,保证不同模块只有在需要时才接通电源。例如:核心控制单元I及外围接口电源15采用电池供电,当按键接通时,才开始工作,并给核心控制单元I和外围接口供电。充电电源7当只有检测到充电器8接入给电池组4充电时,充电电源7才开始工作,并给逻辑控制单元5和16路主动平衡电源6供电。逻辑控制单元5和主动平衡电源电路6直接从电池组4取电,使得采样模块2和电量计量模块4的功耗很低。
[0055] 在另一优选的实施例里,在充电电源7到16路主动平衡电源6之间的回路中设置保险丝,防止失控时过电流,提高了电路的安全性。
[0056] 在另一优选的实施例里,核心控制单元I和采样模块2之间的通信为采用总线通信,核心控制单元I和电量计量模块3之间的通信也采用总线通信,使得可以及时获得电池电压、电流和电量状态,并提高了接收数据的精度。
[0057] 为了满足实际应用中的多种需要,该核心控制单元I还可以通过RS232接口 10、485接口 11和以太网接口 12接外部通信终端,例如:通过PC适配模块16连接PC机17等,实现了对电压、电流等参数的进一步监控,及时的发现问题。
[0058] 具体工作时,核心控制单元I还连接短路保护及MOS驱动电路13和实时时钟14,即短路保护需要在微妙数量级的时间内对充放电进行关断控制,单独的短路保护电路可以保证实时性,最大限度的保证电路安全。MOS驱动电路可以提高MOS的开关时间,降低开关损耗。而实时时钟14可以为电池组的工作状态加时间戳,并存储,相当于为电池组装一个
“黑匣子”。
[0059] 其中,核心控制单元I还可以通过采样模块2对电池组4中的电池单体BI的温度进行实时采集,核心控制单元I对采集到的温度和温度阈值进行比较,当高于温度阈值时,取消电池单体的均衡作用,保证电路的安全性。
[0060] 一种用于锂电池分布式充电均衡电路的控制方法,核心控制单元I通过电量计量模块3直接获得的16路充电电流,通过前端的采样模块2获得16路电池电压,通过核心控制单元I控制PWM占空比,调节充到每一节电池的电流,进而达到控制电池组4 一致性的目的,参见图3,该方法包括以下步骤:
[0061] 101:当某一电池单体的差异低于设计阈值时,核心控制单元I检测到电压偏低时,启动逻辑控制单元5 ;
[0062] 即核心控制单元I通过19根数据线对逻辑控制单元5进行控制,其中16根数据线对应逻辑控制单元5的16路脉冲控制信号的输出;2根控制线,分别控制占空比和PWM输出的开启,一根时钟线用于同步16根数据线的数据。核心控制单元I通过控制MOS管的开关占空比和频率进而控制充到电池单体中的电流。
[0063] 例如:如果充电器8的充电电流为10A,当发现依次排列的第一电池单体容量低时,启动分布式充电电路对第一电池单体进行2A充电。这样,实际充给第一电池单体的电流为12A,充给第二电池单体的电流为10A,经过反复测试调整,容量低的电池单体的状态会得到修复。
[0064] 放电过程同样,当检测到存在容量低的电池单体时,16路主动平衡电源6从整个电池组4取电,充给能量低的电池单体。
[0065] 102:核心控制单元I首先禁止逻辑控制单元5输出脉冲控制信号(即脉冲控制信号输出PWM_EN为低电平,停止16路PWM输出),接收第一组脉冲控制信号的输入(即脉冲控制信号输入PWM_IN变为高电平时),再通过16根数据线输出第一组脉冲控制信号,时钟线工作;
[0066] 103:以此类推,核心控制单元I拉低时钟线,接收第二组脉冲控制信号的输入,再通过16根数据线输出第二组脉冲控制信号,时钟线工作。
[0067] 通常情况下CPLD输出为高阻态或低电平,实际操作时一定不能出现持续高电平状态否则变压器原边短路。
[0068] 其中,脉冲控制信号输入PWM_IN变为高电平时,开始计数16路PWM的脉冲个数。当脉冲控制信号变为低电平时计数结束,逻辑控制单元5得到对应输出的占空比(即FPGA输出16路PWM信号,频率为200K,PWM的占空比由CPU输出的脉冲个数决定,O〜100个脉冲对应PWM的O〜50%的占空比)。
[0069] 当脉冲控制信号输出PWM_EN为高电平时,逻辑控制单元5启动16路PWM输出。当脉冲控制信号输出PWM_EN为低电平时停止16路PWM输出。每次脉冲控制信号输出PWM_EN工作后,逻辑控制单元5最多输出5S,也就是IM个PWM脉冲。如果5S内,脉冲控制信号输出PWM_EN没有拉底,则强制停止输出,16路输出为低电平或高阻态。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图,上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
[0070] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂电池分布式充电均衡电路,所述锂电池分布式充电均衡电路包括:核心控制单元,其特征在于,所述核心控制单元电连接若干个采样模块、电量计量模块、逻辑控制单元,其中, 所述采样模块和所述电量计量模块电连接电池组,所述逻辑控制单元电连接主动平衡电源电路,还包括:为所述逻辑控制单元和所述主动平衡电源电路提供充电的充电电源, 所述核心控制单元通过所述采样模块对所述电池组中的每个电池单体的电压进行采集,通过所述电量计量模块对所述电池组的电流和电池容量进行采集; 当所述核心控制单元检测到有电池单体的电压差达到预设值时,所述核心控制单元将驱动信号发送给所述逻辑控制单元,所述逻辑控制单元根据所述驱动信号输出脉冲控制信号,控制所述主动平衡电源电路,所述主动平衡电源电路将所述电池组或外接充电器的能量进行转换,并对电池单体进行充电; 所述核心控制单元通过所述电量计量模块对所述外接充电器充入所述电池组的能量和电流进行检测,当任意电池单体的电压超过第一设定值时,所述核心控制单元切断主充电回路;当所述主动平衡电源电路用整组能量补充短板时,如果所有电池单体电压恢复到第二设定值以下时,再次打开所述外接充电器; 其中,所述主动平衡电源电路设计为主充加辅充模式,采用开关电源原理, 当连接一串电池单体时,所述主动平衡电源电路包括:变压器,所述变压器的初级线圈接MOS管的源极,所述MOS管的栅极接所述逻辑控制单元输出的所述脉冲控制信号,所述MOS管的漏极输出反馈电流;次级线圈一端接二极管的阳极,且所述二极管的阴极接电容的一端,所述电容的另一端接所述次级线圈的另一端;所述初级线圈、所述电容的一端分别接所述充电器和所述电池单体的正极,所述电容的另一端接所述电池单体的负极。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路,其特征在于,再对电池单体进行充电时,所述核心控制单元会不断检测电池单体电压的变化和充入电池单体的电流, 当某一电池单体电压高于其他电池单体的电压时,降低充入此电池单体的电流;或, 当某一电池单体的电压变化率低于其他电池单体的电压变化率且小于最大充电电流时,提高充入此电池单体的电流,直到和其他电池单体的容量一致。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路,其特征在于,所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:与所述核心控制单元连接的弱电开关。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路,其特征在于,所述充电电源到所述主动平衡电源电路之间的回路中设置有保险丝。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路,其特征在于,所述核心控制单元和所述采样模块之间的通信为总线通信;所述核心控制单元和所述电量计量模块之间的通信为总线通信。
6.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路,其特征在于,所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:RS232接口、485接口和以太网接口, 所述核心控制单元通过所述RS232接口、所述485接口和所述以太网接口接外部通信终端。
7.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路,其特征在于,所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:短路保护及MOS驱动电路、实时时钟, 所述核心控制单元连接所述短路保护及MOS驱动电路、所述实时时钟。
8.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路,其特征在于,所述核心控制单元通过所述采样模块对所述电池组中的电池单体的温度进行实时采集,所述核心控制单元对采集到的温度和温度阈值进行比较,当高于所述温度阈值时,取消电池单体的均衡作用。
9.一种用于权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路的控制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤: (1)当某一电池单体的差异低于设计阈值时,所述核心控制单元检测到电压偏低时,启动所述逻辑控制单元; 所述核心控制单元通过19根数据线对所述逻辑控制单元进行控制,其中16根数据线对应所述逻辑控制单元的16路脉冲控制信号的输出;2根控制线,分别控制占空比和PWM输出的开启,一根时钟线用于同步16根数据线的数据,所述核心控制单元通过控制MOS管的开关占空比和频率进而控制充到电池单体中的电流; (2)所述核心控制单元首先禁止所述逻辑控制单元输出脉冲控制信号,接收第一组脉冲控制信号的输入,再通过16根数据线输出第一组脉冲控制信号,时钟线工作; (3)以此类推,所述核心控制单元拉低时钟线,接收第二组脉冲控制信号的输入,再通过16根数据线输出第二组脉冲控制信号,时钟线工作。
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