CN104578279A - 电池充电电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池充电电源系统，包括直流电源、电池模块及充电管理模块，充电管理模块包括输入保护单元、缓启动开关单元、DC/DC变换单元及电池在位检测单元，输入保护单元连接于直流电源及缓启动开关单元之间，电池在位检测单元与电池模块及缓启动开关单元的第一控制端连接以发出第一控制信号至缓启动开关单元，缓启动开关单元根据第一控制信号启动或关断DC/DC变换单元。与现有技术相比，由于充电管理模块包括输入保护单元及电池在位检测单元，输入保护单元可以对直流电源进行保护，提高了充电过程的安全性和可靠性；电池在位检测单元可对电池模块的在位状态进行检测并在电池模块不在位时关断DC/DC变换单元，有效的避免了能量浪费。

Description

电池充电电源系统
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，更具体的涉及一种电池充电电源系统。
背景技术
目前对电池的充电无论是数字控制还是模拟控制，其都由独立的两部分组成：一个是直流电源，给电池充电提供直流能源(电池充电只能用直流能源)；另一个是直流电源对电池进行充电的管理和保护部分。直流电源的产生一般有AC/DC高频开关电源、线性电源、太阳能和其他直流电源等，其中高频开关电源是给电池充电提供直流电源的主要方法。
中国专利号为200720076436.4、发明名称为“用于电池充电器的充电管理控制电路”的专利申请中公开了一种用于电池充电器的充电管理控制电路，其包括一初级电路、一具有电池充电管理功能的次级电路、一隔离传输模块及充电电池，其中，充电电池与具有电池充电管理功能的次级电路的直流输出电路的一输出端连接；具有电池充电管理功能的次级电路还包括融合电池充电管理功能的开关电源次级反馈电路，该开关电源次级反馈电路的输入端分别连接充电电池及直流输出电路的另一个输出端；所述隔离传输模块的输入端和输出端分别连接融合电池充电管理功能的开关电源次级反馈电路的输出端和初级控制模块的输入端。
上述技术方案可以实现交流电流变换为直流电流并直接给电池充电，但由于主回路无开关装置以切断充电回路且无任何限流或输出短路保护装置，因此系统缺乏安全性；此外，上述方案充电控制过程复杂且不能判定充电电池是否在位，因此存在充电电池不在位时的能量浪费问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池充电电源系统，以提高充电过程的可靠性和安全性，并能自动识别电池模块是否在位以避免电池模块不在位时进行充电而导致能量浪费。
为实现上述目的，本发明提供了一种电池充电电源系统，包括直流电源、电池模块以及充电管理模块，所述充电管理模块包括输入保护单元、缓启动开关单元、DC/DC变换单元以及电池在位检测单元，所述输入保护单元的输入端与所述直流电源的输出端连接，所述输入保护单元的输出端与所述缓启动开关单元的输入端连接，所述电池在位检测单元与所述电池模块以及所述缓启动开关单元的第一控制端连接以根据对所述电池模块的在位检测结果发出第一控制信号至所述缓启动开关单元，所述缓启动开关单元的输出端与所述DC/DC变换单元的输入端连接以根据所述第一控制信号启动或关断所述DC/DC变换单元。
与现有技术相比，本发明电池充电电源系统中的充电管理模块包括输入保护单元以及电池在位检测单元，输入保护单元可以对输入的直流电源进行保护处理，从而显著提高了充电过程的安全性和可靠性；同时，电池在位检测单元可以对电池模块的在位状态进行实时检测，并根据在位检测结果发出第一控制信号而控制DC/DC变换单元的开启或关断，实现了当电池模块不在位时关断DC/DC变换单元而停止对电池模块的充电，有效的避免了能量浪费。
较佳地，所述充电管理模块还包括嵌入式处理单元，所述嵌入式处理单元与所述电池模块以及所述缓启动开关单元的第二控制端连接，所述嵌入式处理单元采集所述电池模块的性能参数并根据所述性能参数发出第二控制信号至所述缓启动开关单元。
较佳地，所述充电管理模块还包括输出保护单元，所述输出保护单元的输入端与所述DC/DC变换单元的输出端连接，所述输出保护单元的输出端与所述电池模块连接。
较佳地，所述电池在位检测单元包括光电耦合器U1和电阻R5，所述光电耦合器U1的脚1与所述电池模块的正端连接，所述光电耦合器U1的脚2与所述缓启动开关单元连接，所述光电耦合器U1的脚3接地，所述光电耦合器U1的脚4与所述缓启动开关单元的第一控制端连接，所述光电耦合器U1的脚4的输出电平为所述第一控制信号。
较佳地，所述缓启动开关单元包括场效应管Q1和光电耦合器U2，所述场效应管Q1的源极与所述输入保护单元的输出端连接，所述场效应管Q1的栅极与所述光电耦合器U1的脚4连接，所述场效应管Q1的漏极与所述DC/DC变换单元连接，所述光电耦合器U2的脚1与所述嵌入式处理单元的输出端连接以接收所述第二控制信号，所述光电耦合器U2的脚2和脚3接地，所述光电耦合器U2的脚4与所述光电耦合器U1的脚2连接。
较佳地，所述缓启动开关单元还包括电阻R1、R2、R3、R4以及电容C1，所述电阻R1的一端与所述输入保护单元的输出端连接，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2的一端以及所述场效应管Q1的栅极连接，所述电阻R2的另一端与所述光电耦合器U1的脚4连接，所述电阻R4连接于所述光电耦合器U2的脚2以及所述嵌入式处理单元之间，所述电容C1的一端与所述场效应管Q1的漏极连接，所述电容C1的另一端与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端与所述场效应管Q1的栅极连接。
较佳地，所述DC/DC变换单元为恒流恒压DC/DC变换单元。
较佳地，所述输入保护单元包括第一保险丝和第一防反接单元，所述第一保险丝用于在充电电路发生过流或短路异常时熔断而安全断开充电电路以保护所述直流电源，所述第一防反接单元用于在所述直流电源的极性接反时停止对所述电池模块充电。
较佳地，所述输出保护单元包括第二保险丝、第二防反接单元和防倒灌单元，所述第二保险丝用于在充电电路发生过流或短路异常时安全断开充电电路从而保护所述电池模块，所述第二防反接单元用于在所述电池模块的极性接反时停止对所述电池模块充电，所述防倒灌单元用于防止所述电池模块接入瞬间产生较大的浪涌电流。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明电池充电电源系统一实施例的结构框图。
图2为本发明电池充电电源系统另一实施例的结构框图。
图3为图2中电池在位检测单元和缓启动开关单元的电路图。
图4为图2中DC/DC变换单元的电路图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
请参考图1，本发明电池充电电源系统100包括直流电源11、电池模块12以及充电管理模块13，充电管理模块13连接于直流电源11以及电池模块12之间，其中充电管理模块13包括输入保护单元131、缓启动开关单元132、DC/DC变换单元133以及电池在位检测单元134。具体的，输入保护单元131的输入端与直流电源11的输出端连接，输入保护单元131的输出端与缓启动开关单元132的输入端连接，电池在位检测单元134与电池模块12以及缓启动开关单元132的第一控制端连接，电池在位检测单元134检测电池模块12是否在位，并根据在位检测结果发出第一控制信号至缓启动开关单元132，缓启动开关单元132的输出端与DC/DC变换单元133的输入端连接以根据第一控制信号启动或关断DC/DC变换单元133。
与现有技术相比，本发明电池充电电源系统100中的充电管理模块13包括输入保护单元131以及电池在位检测单元134，输入保护单元131可以在充电电路发生过流或短路等异常时，安全断开充电电路从而保护直接电源11，从而显著提高了充电过程的安全性和可靠性；同时，电池在位检测单元134可以对电池模块12的在位状态进行实时检测，并根据在位检测结果发出第一控制信号而控制DC/DC变换单元133的开启或关断，实现了当电池模块12不在位时关断DC/DC变换单元133而停止对电池模块12的充电，能够有效避免能量浪费。
较优的，如图2所示，充电管理模块13还包括输出保护单元135和嵌入式处理单元136，其中输出保护单元135的输入端与DC/DC变换单元133的输出端连接，输出保护单元135的输出端与电池模块12连接；嵌入式处理单元136与电池模块12以及缓启动开关单元132的第二控制端连接，嵌入式处理单元136采集电池模块12的性能参数并根据性能参数发出第二控制信号CTRL至缓启动开关单元132进而对充电过程进行管理和控制，其中电池模块12的性能参数包括电池模块12的电压、温度等信息，而第二控制信号CTRL具体为高、低电平。
具体的，输入保护单元131包括保险丝(第一保险丝)，用于在充电电路发生过流或者短路异常时安全断开充电电路，从而保护直流电源11；优选地，输入保护单元131还包括防反接单元(第一防反接单元)，用于避免直流电源11极性接反时损坏电路元器件，防反接单元为现有技术中常用的电路结构，此处不再详细描述。输出保护单元135包括保险丝(第二保险丝)，用于在充电电路发生过流或者短路异常时安全断开充电电路，从而保护电池模块12；优选地，输出保护单元135还包括防反接单元(第二防反接单元)和防倒灌单元，防反接单元用于避免电池模块12极性接反时损坏电路元器件，防倒灌单元用于避免电池模块12接入瞬间产生较大的浪涌电流。
如图3所示，缓启动开关单元132包括场效应管Q1和光电耦合器U2，场效应管Q1的源极与输入保护单元131的输出端连接，场效应管Q1的栅极为缓启动开关单元132的第一控制端，该第一控制端与电池在位检测单元134的输出端连接以接收电池在位检测单元134发出的第一控制信号，场效应管Q1的漏极与DC/DC变换单元133连接，光电耦合器U2的脚1为缓启动开关单元132的第二控制端，该第二控制端与嵌入式处理单元136的输出端连接以接收嵌入式处理单元136发出的第二控制信号CTRL，光电耦合器U2的脚2和脚3接地，光电耦合器U2的脚4与光电耦合器U1的脚2连接。较优的，缓启动开关单元132还包括电阻R1、R2、R3、R4以及电容C1，其中电阻R1的一端与输入保护单元131的输出端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端以及场效应管Q1的栅极连接，电阻R2的另一端与光电耦合器U1的脚4连接，电阻R4连接于光电耦合器U2的脚2以及嵌入式处理单元136之间，电容C1的一端与场效应管Q1的漏极连接，电容C1的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与场效应管Q1的栅极连接；上述电阻R1和电阻R2构成分压电路，用于防止场效应管Q1的栅极-源极电压超过其耐受电压而损坏，优选的，还可以在场效应管Q1的栅极-源极之间设置一个稳压二极管或者瞬态抑制二极管(TVS)进行防护；而电阻R4为限流电阻，用于防止光电耦合器U2的驱动电流过大而损坏光电耦合器U2；电容C1和电阻R3串联而构成缓启动反馈电路，用于调节场效应管Q1工作在线性区的时间，从而避免场效应管Q1快速饱和导通而导致冲击电流过大的情况。
再请参考图3，电池在位检测单元134包括光电耦合器U1和电阻R5，光电耦合器U1的脚1与电池模块12的正端连接，光电耦合器U1的脚2与缓启动开关单元132连接，光电耦合器U1的脚3接地，光电耦合器U1的脚4与缓启动开关单元132的第一控制端连接，光电耦合器U1的脚4的输出电平为第一控制信号。其中电阻R5起限流作用，用于防止光电耦合器U1的驱动电路过大而损坏光电耦合器U1。
图3中BAT+和GND分别为电池模块12的正端和负端，当电池模块12不在位时，BAT+为低电压，则光电耦合器U1关断，光电耦合器U1的脚4输出第一控制信号(脚4处电平的高低即代表第一控制信号)而使场效应管Q1截止，进而DC/DC变换单元133的输入端为低电压，DC/DC变换单元133关断，避免了电池模块12不在位时的能量损耗；反之，当电池模块12在位时，BAT+为高电压，若此时嵌入式处理模块136输出的第二控制信号CTRL为高电压，则光电耦合器U2导通，从而光电耦合器U1导通，光电耦合器U1的脚4输出第一控制信号(脚4处电平的高低即代表第一控制信号)而使场效应管Q1导通，进而DC/DC变换单元133的输入端为高电压，DC/DC变换单元133启动，而当嵌入式处理单元136输出的第二控制信号CTRL为低电压，则光电耦合器U2关断，从而光电耦合器也U1关断，使得场效应管Q1截止，进而DC/DC变换单元133的输入端为低电压，DC/DC变换单元133关断。即当电池模块12不在位时或者电池模块12在位但嵌入式处理单元136输出的第二控制信号CTRL为低电平时，电池在位检测单元134控制缓启动开关单元132中的场效应管Q1截止，从而DC/DC变换单元133的输入端为低电压，DC/DC变换单元133关断，避免了电池模块12不在位时的能量浪费或电池不适合充电情况下的能量浪费。
如图4所示，DC/DC变换单元133包括第一滤波器单元、电流采集电阻RS1、主开关管Q2、变压器T1、整流二极管D1、第二滤波器单元、电流采集电阻RS2、恒流恒压控制单元、光电耦合器U3以及PWM控制单元，其中各部分的连接关系如图4所示。具体的，第一滤波器单元为电容滤波器、LC滤波器或者π滤波器与RCD吸收电路的组合；第二滤波器单元为电容滤波器、LC滤波器或π滤波器；恒流恒压控制单元是以恒流恒压控制器为核心的控制电路，常用的恒流恒压控制器包括AP4313、SFL100、TSM103等；PWM控制单元为电流型PWM控制单元，电流型PWM控制单元是以电流型PWM控制器为核心的控制电路，常用的电流型PWM控制器包括UCx843、UCCx800、UCCx803、UCCx805等，优选地，电流型PWM控制单元还包括定时器电路，可以编程设置充电时间，当到达设置的充电时间则控制电流型PWM控制器停止PWM输出，从而关断DC/DC变换单元133，停止充电。
结合图2至图4可知，充电管理模块13可以对电池模块12的充电过程进行管理控制，如在以下情况下控制停止对电池模块12的充电：
A、当直流电源11输出反接或电池模块12输入反接时，自动停止对电池模块12充电；
B、当电池模块12不在位(未接入)时，电池在位检测单元134中的光电耦合器U1关断从而发出第一控制信号控制场效应管Q1关断，切断DC/DC变换单元133的输入电压，停止对电池模块12充电；
C、当嵌入式处理单元136检测到电池模块12的电压过高或过低、或者温度过高或过低时，嵌入式处理单元136发送第二控制信号CTRL(此时为低电平)至缓启动开关单元132，关断光电耦合器U2从而关断场效应管Q1，切断DC/DC变换单元133的输入电压，停止对电池模块12充电；
D、当达到编程设置的最大充电时间，嵌入式处理单元136发送第二控制信号CTRL(此时为低电平)至缓启动开关单元132，关断光电耦合器U2从而关断场效应管Q1，切断DC/DC变换单元133的输入电压，停止对电池模块12充电。当然，也可以通过电流型PWM控制器停止PWM输出，进而关断DC/DC变换单元133从而停止对电池模块12充电。
此外，电池管理模块13还可以对电池的充电过程进行其他控制，如当电池模块12的电压小于DC/DC变换单元133设置的输出电压时，进入恒流模式充电(CC模式)；而当电池模块12的电压等于DC/DC变换单元133设置的输出电压时，则进入恒压模式充电(CV模式)。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (9)

1.一种电池充电电源系统，包括直流电源、电池模块以及充电管理模块，其特征在于，所述充电管理模块包括输入保护单元、缓启动开关单元、DC/DC变换单元以及电池在位检测单元，所述输入保护单元的输入端与所述直流电源的输出端连接，所述输入保护单元的输出端与所述缓启动开关单元的输入端连接，所述电池在位检测单元与所述电池模块以及所述缓启动开关单元的第一控制端连接以根据对所述电池模块的在位检测结果发出第一控制信号至所述缓启动开关单元，所述缓启动开关单元的输出端与所述DC/DC变换单元的输入端连接以根据所述第一控制信号启动或关断所述DC/DC变换单元。
2.如权利要求1所述的电池充电电源系统，其特征在于，所述充电管理模块还包括嵌入式处理单元，所述嵌入式处理单元与所述电池模块以及所述缓启动开关单元的第二控制端连接，所述嵌入式处理单元采集所述电池模块的性能参数并根据所述性能参数发出第二控制信号至所述缓启动开关单元。
3.如权利要求1所述的电池充电电源系统，其特征在于，所述充电管理模块还包括输出保护单元，所述输出保护单元的输入端与所述DC/DC变换单元的输出端连接，所述输出保护单元的输出端与所述电池模块连接。
4.如权利要求1至3任一项所述的电池充电电源系统，其特征在于，所述电池在位检测单元包括光电耦合器U1和电阻R5，所述光电耦合器U1的脚1与所述电池模块的正端连接，所述光电耦合器U1的脚2与所述缓启动开关单元连接，所述光电耦合器U1的脚3接地，所述光电耦合器U1的脚4与所述缓启动开关单元的第一控制端连接，所述光电耦合器U1的脚4的输出电平为所述第一控制信号。
5.如权利要求4所述的电池充电电源系统，其特征在于，所述缓启动开关单元包括场效应管Q1和光电耦合器U2，所述场效应管Q1的源极与所述输入保护单元的输出端连接，所述场效应管Q1的栅极与所述光电耦合器U1的脚4连接，所述场效应管Q1的漏极与所述DC/DC变换单元连接，所述光电耦合器U2的脚1与所述嵌入式处理单元的输出端连接以接收所述第二控制信号，所述光电耦合器U2的脚2和脚3接地，所述光电耦合器U2的脚4与所述光电耦合器U1的脚2连接。
6.如权利要求5所述的电池充电电源系统，其特征在于，所述缓启动开关单元还包括电阻R1、R2、R3、R4以及电容C1，所述电阻R1的一端与所述输入保护单元的输出端连接，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2的一端以及所述场效应管Q1的栅极连接，所述电阻R2的另一端与所述光电耦合器U1的脚4连接，所述电阻R4连接于所述光电耦合器U2的脚2以及所述嵌入式处理单元之间，所述电容C1的一端与所述场效应管Q1的漏极连接，所述电容C1的另一端与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端与所述场效应管Q1的栅极连接。
7.如权利要求1所述的电池充电电源系统，其特征在于，所述DC/DC变换单元为恒流恒压DC/DC变换单元。
8.如权利要求1所述的电池充电电源系统，其特征在于，所述输入保护单元包括第一保险丝和第一防反接单元，所述第一保险丝用于在充电电路发生过流或短路异常时熔断而安全断开充电电路以保护所述直流电源，所述第一防反接单元用于在所述直流电源的极性接反时停止对所述电池模块充电。
9.如权利要求3所述的电池充电电源系统，其特征在于，所述输出保护单元包括第二保险丝、第二防反接单元和防倒灌单元，所述第二保险丝用于在充电电路发生过流或短路异常时安全断开充电电路从而保护所述电池模块，所述第二防反接单元用于在所述电池模块的极性接反时停止对所述电池模块充电，所述防倒灌单元用于防止所述电池模块接入瞬间产生较大的浪涌电流。
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