CN103855776B - 一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及充电技术领域，具体地说，涉及一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统。本发明包括若干个用于充电的子模块和中央控制单元，其中，每个子模块分别通过通信总线与中央控制单元信号连接，所述子模块包括微控制器、电压检测单元以及微充电机；所述均衡充电系统还包括多个电池充电座，电压监测单元分别与每个电池充电座连接；微充电电机分别与相应的电池充电座连接；本发明在对电池组进行充电时，可以针对电池的不同容量进行平衡充电，延长电池使用寿命。

Description

一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统

技术领域

本发明涉及充电技术领域，具体地说，涉及一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统。

背景技术

动力电池的类型包括锂离子电池、铅酸电池和镍氢电池。其中锂离子电池由于其比能量高，广泛运用于电动汽车，电动轮船，电动机器人等领域，起到节约能源，保护环境的作用。锂离子动力电池的单体电池放电电压不足5V，在实际运用过程中，往往要串联成电池组使用。由于制造工艺有限、材质不均匀和使用环境不一样，电池组在使用一段时间以后会产生一定的差异性。随着时间的推移，这种差异性会发生雪崩效应进一步加大。电池组的寿命以及实际可用容量取决于电池组中性能最差的电池，电池的不一致性导致电池组的整体性能严重下降。因此对电池组的均衡控制成为一种必须，是动力电池组管理系统中的关键技术。

动力电池组的均衡控制分为耗散型均衡和非耗散型均衡，目前非耗散型均衡控制由于其能源利用率高得到高度重视。现有的非耗散均衡控制的手段采用的是能量转移，即将电池组中电量最高的电池向其他若干个电池或者整个电池组充电，这种均衡方式在能量转移的过程中需要耗散能量，均衡效果并不好；现有的充电均衡设备独立于用电设备，在固定场所对电池组进行充电均衡，对于移动的用电设备，均衡不方便；现有的车载充电设备是对电池组整体充电，没有完全独立隔离的充电单元，起不到充电均衡的作用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统，该均衡充电系统根据每个电池的状态进行充电，使得整个电池组充电平衡，提高电池电能的使用率。

本发明的另一目的，在于提供一种微充电机，该微充电机可以对电池进行恒流或恒压充电，充电方便。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统，包括若干个用于充电的子模块和中央控制单元，其中，每个子模块分别通过通信总线与中央控制单元信号连接，所述子模块包括微控制器、电压检测单元以及微充电机；所述均衡充电系统还包括多个电池充电座，电压监测单元分别与每个电池充电座连接；微充电电机分别与相应的电池充电座连接；

电压检测单元分别监测每个电池充电座的电池电压，并将电池电压信号传送给微控制器，微控制器通过总线将电池电压信号传送给中央控制单元；中央控制单元将控制信号通过总线传送给微控制器，微控制器再通过控制总线对微充电机进行充电控制。

进一步地，所述子模块还包括与微控制器连接的热控系统，所述热控系统包括设置于电池充电座的温度传感器和风扇，温度传感器用于监测电池充电座的温度，并将该温度转化为电信号传送给微控制器，微控制器根据温度信号向风扇的控制端发送控制信号，进而控制风扇的工作状态。

进一步地，微充电机包括依次连接的AC/DC模块、反激式开关电源电路以及同步整流BUCK电路；

AC/DC模块的输入端与市电连接，AC/DC模块的输出端对外输出低压的直流电流；

所述反激式开关电源电路包括变压器，变压器包括原边线圈和副边线圈；原边线圈的电流输入端与AC/DC模块的输出端连接，还包括反激式开关电源控制器，反激式开关电源控制器接收微控制器发出的控制信号，控制反激式开关电源电路的通断（通过控制原边线圈的通断来实现）。

同步整流BUCK电路的输入端与副边线圈的电流输出端连接，同步整流BUCK电路的输出端与电池充电座连接。

微充电机的AC/DC模块对市电进行整流，输出直流电；再通过变压器进行降压，降压后的电流，经同步整流BUCK电路输出到电池充电座的电池。

进一步地，反激式开关电源电路还包括第一光电耦合器和逻辑控制器；反激式开关电源控制器依次通过逻辑控制器、第一光电耦合器接收来自微控制器的控制信号。

进一步地，所述变压器的原边线圈与反激式开关电源控制器之间设有开关管、第一电流采样电路，所述变压器的副边线圈的电流输出端依次通过整流电路、第一电压采样电路、第二光电耦合器与反激式开关电源控制器连接；原边线圈的电流输出端与开关管的D极连接，开关管的G极与反激式开关电源控制器连接，第一电流采样电路的输入端与开关管的S极连接，第一电流采样电路的输出端与反激式开关电源控制器的电流反馈端连接；

第一电流采样电路采集变压器原边线圈的电流，并将该电流信号反馈给反激式开关电源控制器；

第一电压采样电路采集变压器副边线圈整流以后的电压，便将该电压信号经过第二光电耦合器电气隔离并生成电压感应信号，电压感应信号传递给反激式开关电源控制器；

反激式开关电源控制器根据接收的电流信号、电压感应信号对开关管的G极发送PWM驱动信号，实现反馈式开关电源电路的稳定工作。

再进一步地，所述变压器原边线圈的两端分别与第一吸收电路连接；开关管的D极和S极分别与第二吸收电路连接；第一吸收电路用于吸收变压器原边线圈漏感的能量；第二吸收电路用于吸收开关管关断瞬间产生的电压尖峰的能量。

进一步地，所述同步整流BUCK电路包括整流模块、同步整流控制器、单向电路、第二电压采样电路、滤波电路、第二电流采样电路以及比较器；

整流模块的输入端与变压器的副边线圈的电流输出端连接；整流模块依次通过滤波电路、单向电路与电池充电座的电流输入端连接；

第二电压采样电路的输入端与滤波电路的输出端连接，第二电压采样电路的输出端与比较器的一个输入端连接；

第二电流采样电路的输入端与电池充电座的电流输出端连接，第二电流采样电路的输出端与比较器的另一个输入端连接；

比较器的输出端与同步整流控制器的输入端连接；同步整流器的输出端与整流模块连接。

本发明取得的有益效果为：本发明的均衡充电系统在对电池组进行充电时，可以针对电池的不同容量进行平衡充电，延长电池使用寿命。其次本发明的微充电机充电方便。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图。

图2为本发明的子模块的工作示意图。

图3为本发明的微充电机的构成示意图。

图4为本发明的多组场效应管并联结构示意图。

为方便理解，附图中均用电池替代电池充电座。

具体实施方式

下面结合附图1至图4，以及具体实施方式对本发明做进一步地说明。

实施例：参见图1至图4。

如图1所示，一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统，包括若干个用于充电的子模块和中央控制单元，其中，每个子模块分别通过通信总线与中央控制单元信号连接，每个子模块对应于一个电池小组，对电池小组的每个电池进行充电控制；参见图2，所述子模块包括微控制器、电压检测单元以及微充电机；所述均衡充电系统还包括多个电池充电座，每个电池充电座对应一个电池；电压监测单元分别与每个电池充电座连接；微充电电机分别与相应的电池充电座连接；

电压检测单元分别监测每个电池充电座的电池电压，并将电池电压信号传送给微控制器，微控制器通过总线将电池电压信号传送给中央控制单元；中央控制单元将控制信号通过总线传送给微控制器，微控制器再通过控制总线对微充电机进行充电控制。微控制器可以为单片机、ARM、DSP等。这里的电池可以为动力电池。

该系统通过中央控制单元对充电电池组中的每一个电池进行监控，实行均衡充电模式。在均衡充电模式中，中央控制单元实时监测每个电池的信息，并对电池的信息进行处理，得到每个电池的SOC值。当电池SOC差异达到需要均衡的条件下，由中央控制单元判断哪些电池需要均衡，并通过通信总线发出控制指令。相应的子模块接收到中央控制单元的控制指令以后，打开相应微充电机的电子开关，启动微充电机。微冲电机根据充电时电池的电压情况自动选择恒流或者恒压充电模式。微充电机在给电池充电的过程中，中央控制单元实时监测电池的信息并处理。当中央控制单元检测到电池不需要再均衡时，发出停止均衡指令。子模块接收到控制指令以后，关断相应微充电机的电子开关，微充电机停止工作，均衡完成。

其中，所述子模块还包括与微控制器连接的热控系统，所述热控系统包括设置于电池充电座的温度传感器和风扇，温度传感器用于监测电池充电座的温度，并将该温度转化为电信号传送给微控制器，微控制器根据温度信号向风扇的控制端发送控制信号，进而控制风扇的工作状态。

在对电池充电时，电池会发热，从而影响到电路中元器件以及电池的寿命、工作状态；为保证充电工作的温度，因此设置风扇，用于控制电池的充电温度。

进一步地，如图3所示，所述微充电机包括依次连接的AC/DC模块、反激式开关电源电路以及同步整流BUCK电路。

进一步地，AC/DC模块的输入端与市电连接，AC/DC模块的输出端对外输出低压的直流电流；该直流电可以为脉冲式、矩形波式等。

所述反激式开关电源电路包括变压器，变压器包括原边线圈和副边线圈；原边线圈的电流输入端与AC/DC模块的输出端连接，还包括反激式开关电源控制器，反激式开关电源控制器接收微控制器发出的控制信号，控制原边线圈电流的通断；反激式开关电源控制器型号为：uc3842；

同步整流BUCK电路的输入端与副边线圈的电流输出端连接，同步整流BUCK电路的输出端与电池充电座连接。副边线圈的电流输出端接地。副边线圈的两端之间连接有电容。

微充电机的AC/DC模块对市电进行整流，输出直流电；AC/DC模块可采用整流器等其他变流电路；再通过变压器进行电气隔离、降压，降压后的电流，经同步整流BUCK电路输出到电池充电座的电池。

进一步地，反激式开关电源电路还包括第一光电耦合器和逻辑控制器；反激式开关电源控制器依次通过逻辑控制器、第一光电耦合器接收来自微控制器的控制信号。

微控制器的控制信号通过光电耦合器进行隔离，并经过逻辑控制器的判断向反激式开关电源控制器发出工作或停止的信号。进而达到反激式开关电源控制器控制变压器电流的通断，从而实现控制开启或停止微冲电机工作。

进一步地，所述变压器的原边线圈与反激式开关电源控制器之间设有开关管、第一电流采样电路，所述变压器的副边线圈的电流输出端依次通过整流电路、第一电压采样电路、第二光电耦合器与反激式开关电源控制器连接；原边线圈的电流输出端与开关管的D极连接，开关管的G极与反激式开关电源控制器连接，第一电流采样电路的输入端与开关管的S极连接，第一电流采样电路的输出端与反激式开关电源控制器的电流反馈端连接；这里的整流电路包括二极管和电容，二极管与变压器的副边线圈的电流输出端连接，电容的两端分别变压器的副边线圈的两端连接。

第一电流采样电路采集变压器原边线圈整流以后的电流，并将该电流信号反馈给反激式开关电源控制器；第一电流采样电路这里采用采样电阻来采集电流。

第一电压采样电路采集变压器副边线圈整流后的电压，便将该电压信号经过第二光电耦合器电气隔离并生成电压感应信号，电压感应信号传递给反激式开关电源控制器；

反激式开关电源控制器根据接收的电流信号、电压感应信号对开关管的G极发送PWM驱动信号，实现反激式开关电源电路的通断。

再进一步地，所述变压器原边线圈的两端分别与第一吸收电路连接；开关管的D极和S极分别与第二吸收电路连接；第一吸收电路用于吸收变压器原边线圈漏感的能量；第二吸收电路用于吸收开关管关断瞬间产生的电压尖峰的能量。

进一步地，所述同步整流BUCK电路包括整流模块、同步整流控制器、单向电路、第二电压采样电路、滤波电路、第二电流采样电路以及比较器；

整流模块的输入端与变压器的副边线圈的电流输出端连接；整流模块依次通过滤波电路、单向电路与电池充电座的电流输入端连接；

第二电压采样电路的输入端与滤波电路的输出端连接，第二电压采样电路的输出端与比较器的一个输入端连接；

第二电流采样电路的输入端与电池充电座的电流输出端连接，第二电流采样电路的输出端与比较器的另一个输入端连接；

比较器的输出端与同步整流控制器的输入端连接；同步整流器的输出端与整流模块连接。

其中，整流模块采用多组场效应管并联的形式（参见图4），以提高过电流能力；单向电路可以采用二极管，使得电池在不充电情况下不会对外供电，消耗本身电能。第二电流采样电路包括一个采样电阻，通过该采样电阻将电流信号转换成电压信号，该信号和电压反馈的信号进行比较，比较结果输入开关电源控制芯片的反馈引脚。

以上仅是本申请的较佳实施例，在此基础上的等同技术方案仍落入申请保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统，其特征在于：包括若干个用于充电的子模块和中央控制单元，其中，每个子模块分别通过通信总线与中央控制单元信号连接，所述子模块包括微控制器、电压检测单元以及微充电机；所述均衡充电系统还包括多个电池充电座，电压监测单元分别与每个电池充电座连接；微充电电机分别与相应的电池充电座连接；电压检测单元分别监测每个电池充电座的电池电压，并将电池电压信号传送给微控制器，微控制器通过总线将电池电压信号传送给中央控制单元；中央控制单元将控制信号通过总线传送给微控制器，微控制器再通过控制总线对微充电机进行充电控制；

所述微充电机包括AC/DC模块、反激式开关电源电路以及同步整流BUCK电路；AC/DC模块的输入端与市电连接，AC/DC模块的输出端对外输出低压的直流电流；所述反激式开关电源电路包括变压器，变压器包括原边线圈和副边线圈；原边线圈的电流输入端与AC/DC模块的输出端连接，还包括反激式开关电源控制器，反激式开关电源控制器接收微控制器发出的控制信号，控制反激式开关电源电路的通断；同步整流BUCK电路的输入端与副边线圈的电流输出端连接，同步整流BUCK电路的输出端与电池充电座连接；

所述变压器的原边线圈与反激式开关电源控制器之间设有开关管、第一电流采样电路，所述变压器的副边线圈的电流输出端依次通过整流电路、第一电压采样电路、第二光电耦合器与反激式开关电源控制器连接；原边线圈的电流输出端与开关管的D极连接，开关管的G极与反激式开关电源控制器连接，第一电流采样电路的输入端与开关管的S极连接，第一电流采样电路的输出端与反激式开关电源控制器的电流反馈端连接；第一电流采样电路采集变压器原边线圈的电流，并将该电流信号反馈给反激式开关电源控制器；第一电压采样电路采集变压器副边线圈整流以后的电压，便将该电压信号经过第二光电耦合器电气隔离并生成电压感应信号，电压感应信号传递给反激式开关电源控制器；反激式开关电源控制器根据接收的电流信号、电压感应信号对开关管的G极发送PWM驱动信号，实现反馈式开关电源电路的稳定工作。

2.根据权利要求1所述的一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统，其特征在于：所述子模块还包括与微控制器连接的热控系统，所述热控系统包括设置于电池充电座的温度传感器和风扇，温度传感器用于监测电池充电座的温度，并将该温度转化为电信号传送给微控制器，微控制器根据温度信号向风扇的控制端发送控制信号，进而控制风扇的工作状态。

3.根据权利要求1所述的一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统，其特征在于：反激式开关电源电路还包括第一光电耦合器和逻辑控制器；反激式开关电源控制器依次通过逻辑控制器、第一光电耦合器接收来自微控制器的控制信号。

4.根据权利要求1所述的一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统，其特征在于：所述变压器原边线圈的两端分别与第一吸收电路连接；开关管的D极和S极分别与第二吸收电路连接；第一吸收电路用于吸收变压器原边线圈漏感的能量；第二吸收电路用于吸收开关管关断瞬间产生的电压尖峰的能量。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种应用于汽车动力电池的均衡充电系统，其特征在于：所述同步整流BUCK电路包括整流模块、同步整流控制器、单向电路、第二电压采样电路、滤波电路、第二电流采样电路以及比较器；整流模块的输入端与变压器的副边线圈的电流输出端连接；整流模块依次通过滤波电路、单向电路与电池充电座的电流输入端连接；第二电压采样电路的输入端与滤波电路的输出端连接，第二电压采样电路的输出端与比较器的一个输入端连接；第二电流采样电路的输入端与电池充电座的电流输出端连接，第二电流采样电路的输出端与比较器的另一个输入端连接；比较器的输出端与同步整流控制器的输入端连接；同步整流器的输出端与整流模块连接。

6.一种微充电机，其特征在于：包括AC/DC模块、反激式开关电源电路以及同步整流BUCK电路；AC/DC模块的输入端与市电连接，AC/DC模块的输出端对外输出低压的直流电流；所述反激式开关电源电路包括变压器，变压器包括原边线圈和副边线圈；原边线圈的电流输入端与AC/DC模块的输出端连接，还包括反激式开关电源控制器，反激式开关电源控制器接收微控制器发出的控制信号，控制反激式开关电源电路的通断；同步整流BUCK电路的输入端与副边线圈的电流输出端连接，同步整流BUCK电路的输出端与电池充电座连接；

所述变压器的原边线圈与反激式开关电源控制器之间设有开关管、第一电流采样电路，所述变压器的副边线圈的电流输出端依次通过整流电路、第一电压采样电路、第二光电耦合器与反激式开关电源控制器连接；原边线圈的电流输出端与开关管的D极连接，开关管的G极与反激式开关电源控制器连接，第一电流采样电路的输入端与开关管的S极连接，第一电流采样电路的输出端与反激式开关电源控制器的电流反馈端连接；第一电流采样电路采集变压器原边线圈的电流，并将该电流信号反馈给反激式开关电源控制器；第一电压采样电路采集变压器副边线圈整流以后的电压，便将该电压信号经过第二光电耦合器电气隔离并生成电压感应信号，电压感应信号传递给反激式开关电源控制器；反激式开关电源控制器根据接收的电流信号、电压感应信号对开关管的G极发送PWM驱动信号，实现反馈式开关电源电路的稳定工作。