CN106712225B - 适用于2-8s锂电池组的均衡充电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于2‑8S锂电池组的均衡充电器，由接入保护检测电路、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路组成；由电池端电压检测电路来反馈接入单体电池的数量及参数，结合充电电流检测反馈信号大小来选择充电方式，由电压均衡电路来保证每个单体电池的充电电压处于均衡状态，充电电压输入和电池接入均有防反接保护，整个充电过程在控制电路的监测与控制下自动完成，无需人工参与。本发明采用微控制单元检测并智能决策控制充电和均衡过程，运用电解电容作为均衡能量转移载体、译码器控制选通需均衡的单体电池，在快速充电的基础上实现了安全、高效的均衡方案；适用于2‑8S锂电池组的快速均衡自动充电。
Description
技术领域
本发明属于电池均衡充电装置，尤其是一种适用于芯数在2至8之间的锂电池组的
均衡充电器。
背景技术
大容量可充电锂电池对于便携设备的作用日渐凸显重要，对于所有的便携设备来说，电池的作用不言而喻，而针对一台优秀的便携设备，较长的待机和工作时间无疑是一项重要评判指标。S代表电池组的芯数或单体电池个数，锂电池每芯3.7伏；假如是6S的锂电池组，就是由6个单体锂电池串联而成的总电压为6X3.7=22.2伏的电池组。
电池的寿命直接关系到设备的正常使用，电池的容量直接关系到设备的使用时间，为了扩大电池的容量，通常将几块相同型号的电池串联在一起，在提高电压的同时，也延长了设备的一次工作时长。对于电池组的充电如果采用一般的充电方式，比如大多数的笔记本电脑电池组或是充电宝中的电池组，这样实际上对电池寿命的影响是相当大的。锂电池组通常由2个及2个以上锂电池串联构成，这种组成方式能同时满足笔记本电脑、医疗设备、测试仪器及工业应用所需的电压和功率要求，然而这种应用普遍的配置通常并不能发挥其最大功效，因为如果某个串联单体电池的容量与其它单体电池不匹配将会降低整个电池组的容量。在电池组中单体电池容量不均衡的情况下对电池组充电，会对电池组造成较大的损伤，电压较高、容量较大的单体电池在恒流充电的情况下会出现过饱和现象，而电压较低、容量较小的单体电池则会出现欠压现象。
现有的均衡充电技术主要分为能量消耗型、能量转移型等，能量消耗型均衡方案采用功率电阻作为分流元件，其结构简单、成本低，改善了锂电池组的不均衡性，但能耗比较高、浪费电能、效率低下，并且温升降低了充电设备的可靠性；另外因为电阻的分流，使得恒流充电方式无法进行，电池组的充电回路中只能通过较小的电流，使得充电的效率大大降低。能量转移型单向能量变换器在监视单体电池电压的基础上，采用光耦合器控制变压器两端能量的变换，但单向均衡不适合主动均衡。能量转移型双向型能量变换器从高压单体电池直接把能量变换到低压单体电池，动态调整输入输出方向，具有最佳的均衡效率，但因为能量变换器采用变压器，结构复杂、体积较大、成本相对较高。因此，开发一种适用于锂电池快速均衡自动充电的高效、简便、智能的充电设备是十分必要的。
发明内容
针对目前锂电池均衡充电装置存在的不足，本发明公布了一种适用于2-8S锂电池组的均衡充电器。
本发明采用的技术方案是：一种适用于2-8S锂电池组的均衡充电器，包括接入保护检测电路、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路；接入保护检测电路与电源和待充电池组、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路均有电连接，用于判断接入充电电源和待充电池组的极性并仅在极性接入正确时使充电回路导通，检测接入电源电压ADC0、待充电池组电压ADC1、充电电流ADC2送控制电路并在控制电路判断充电电流ADC2超限时反馈控制信号OUTK1使待充电池组断开，还为充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路提供工作电源VCC；充电电路在控制电路输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0的控制下为待充电池组提供充电电流ADC2，电池端电压检测电路检测待充电池组的各个单体锂电池的端电压并在控制电路输出控制信号OUTK2、OUTK3的控制下分时传送到控制电路的各单体锂电池端实时电压ADC3、ADC4、ADC5、ADC6，控制电路根据各单体锂电池端电压进行均衡决策后输出控制信号OUTK4、OUTK5、OUTK6、OUTK7到电压均衡电路以实现2-8S锂电池组的快速均衡自动充电。
在本发明中，接入保护检测电路包括由电阻R1、电容C5~C6和降压稳压器IC1组成的工作电压产生模块，用以提供其它电路所需的工作电源VCC；由电容C1~C4、电阻R2~R3和场效应管VT1组成的充电电源接入保护模块，用于防止电源极性接反并对电源进行旁路滤波和解耦滤波；由电阻R4~ R8、电容C7和运放IC2A组成的电源电压检测模块，用于实时检测接入电源电压ADC0并输出接入电源电压ADC0到控制电路；由电阻R9~R19、电容C8~C12、三极管VT2、场效应管VT3和运放IC2C、IC2D组成的待充电池接入保护与电压检测模块，用于待充电池组极性接反防止、电池端滤波、电池组电压检测并输出待充电池组电压ADC1到控制电路，同时可在控制电路输出控制信号OUTK1的控制下使待充电池组断开；由电阻R20~~R25、电容C13~C14和运放IC2B组成的充电电流检测模块，用于反映充电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADC2到控制电路。
在本发明中，充电电路由电阻R26~R40、电容C15~C16、二极管D1~D2、电感L1、三极管VT6~VT11、场效应管VT4~VT5和比较器IC3A、IC3B组成，能在控制电路输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0的控制下为待充电池组提供充电电流，当电池电压低于接入充电电压时采用降压方式充电，当电池电压高于接入充电电压时采用升压方式充电；充电电路具有上电保护和由控制电路启动、停止的功能。
在本发明中，控制电路由电阻R108~R109、电容C26~C28、双色发光二极管LED、编程接口JK01和具有PWM、ADC的微控制单元IC12组成；微控制单元IC12根据接入电源电压ADC0、待充电池组电压ADC1、充电电流ADC2的检测结果变化输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0、OUTK1来选择充电方式和控制充电过程，并在充电过程中根据各单体锂电池端实时电压ADC3、ADC4、ADC5、ADC6进行均衡决策后控制信号OUTK4、OUTK5、OUTK6、OUTK7到电压均衡电路以实现电池组各单体电池的快速均衡与自动充电；双色发光二极管LED用于指示充电状态，编程接口JK01用于初始化微控制单元IC12内部的控制程序。
在本发明中，电池端电压检测电路由电阻R43~R82、电容C17~C24、四2选1模拟开关IC6和四运放IC4~IC5组成；2个四运放IC4、 IC5与相应的电阻、电容构成8个减法模块，用于检测8个单体电池两端的电压差，8个检测输出信号连接至四2选1模拟开关IC6的输入端，IC6在控制电路输出控制信号OUTK2、OUTK3的控制下分两次将8个检测信号传送到控制电路的各单体锂电池端实时电压ADC3、ADC4、ADC5、ADC6输入端。
在本发明中，电压均衡电路由电阻R83~R107、均衡电容C25、16个场效应管VT13~VT28、4个四通道光电耦合器IC8~IC11和3/8译码器器IC7组成；16个场效应管中除VT21为N沟道管外其余全为P沟道管，均由对应的16路光耦低电平有效控制，其中8个场效应管的漏极一起连接至均衡电容C25的正极性端且其源极分别连接至8个单体电池的高电位端，另8个场效应管的漏极一起连接至均衡电容C25的负极性端且其源极分别连接至8个单体电池的低电位端，连接每个单体电池两端的场效应管控制信号在光耦发光二极管侧并联且连接至3/8译码器器IC7的译码输出端；上电时3/8译码器器IC7的使能端由R83上拉或无需均衡时由控制电路输出控制信号OUTK7＝1使IC7的输出全为高，16个场效应管全断开；需要均衡时，由控制电路输出控制信号OUTK7＝0使能IC7并同时输出控制信号OUTK4、OUTK5、OUTK6，以选通一个单体电池对均衡电容C25进行充电或放电。
本发明的有益效果是：采用微控制单元检测并智能决策控制充电和均衡过程，运用电解电容作为均衡能量转移载体、译码器控制选通需均衡的单体电池，在快速充电的基础上实现了安全、高效的均衡方案；适用于2-8S锂电池组的快速均衡自动充电。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图；
图2是本发明接入保护检测电路实施例的原理图；
图3是本发明充电电路实施例的原理图；
图4是本发明控制电路实施例的原理图；
图5是本发明电池端电压检测电路实施例的原理图；
图6是本发明电压均衡电路实施例的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，一种适用于2-8S锂电池组的均衡充电器，包括接入保护检测电路、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路。接入保护检测电路与接入充电电源和待充电池组、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路均有电连接，用于判断接入充电电源和待充电池组的极性并仅在极性接入正确时使充电回路导通，检测接入电源电压ADC0、待充电池组电压ADC1、充电电流ADC2送控制电路并在控制电路判断充电电流超限时反馈控制信号OUTK1使待充电池组断开，还为充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路提供工作电源VCC；充电电路在控制电路输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0的控制下为待充电池组提供充电电流，电池端电压检测电路检测待充电池组的各个单体锂电池的端电压并在控制电路输出控制信号OUTK2、OUTK3的控制下分时传送到控制电路的ADC3、ADC4、ADC5、ADC6，控制电路根据各单体锂电池端电压进行均衡决策后输出控制信号OUTK4、OUTK5、OUTK6、OUTK7到电压均衡电路以实现2-8S锂电池组的快速均衡自动充电。
附图2是本发明接入保护检测电路实施例的原理图。接入保护检测电路包括由电阻R1、电容C5~C6和降压稳压器IC1组成的工作电压产生模块，用以提供其它电路所需的工作电源VCC；由电容C1~C4、电阻R2~R3和场效应管VT1组成的充电电源接入保护模块，用于防止电源极性接反并对电源进行旁路滤波和解耦滤波；由电阻R4~R8、电容C7和运放IC2A组成的电源电压检测模块，用于实时检测接入充电电源电压并输出ADC0到控制电路；由电阻R9~R19、电容C8~C12、三极管VT2、场效应管VT3和运放IC2C、IC2D组成的待充电池接入保护与电压检测模块，用于待充电池组极性接反防止、电池端滤波、电池组电压检测并输出ADC1到控制电路，同时可在控制电路输出控制信号OUTK1的控制下使待充电池组断开；由电阻R20~R25、电容C13~C14和运放IC2B组成的充电电流检测模块，用于反映充电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADC2到控制电路。图2中，充电电源连接到接入保护检测电路的V_IN+、V_IN-，旁路滤波电容C1、C2、C3用于减少接入电源上的噪声对充电器本身的干扰，退耦滤波电容C4用于减少充电器产生的噪声对外接电源的干扰。电阻R2、R3与场效应管VT1组成理想二极管电路，连接在电源到充电器的地线回路中，以防止充电电源反接；当电源接入正确时，场效应管的栅源极之间有电压，场效应管可以导通；当电源接入反向时，场效应管的栅源极之间无电压且无法导通，充电器就不工作。场效应管VT1为N沟道增强型场效应晶体管，应根据串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中若充电电流为2~3A，可选型号有：AO4468、BS0119N03、P1103BVG、TM4422等；以AO4468为例，其采用SO8封装，具体参数VDS=30V、ID=11.6A(VGS=10V)、RDS(ON)<14mΩ(VGS=10V)；图2中，若R2=4.7KΩ、R3=200KΩ、V_IN+与V_IN-之间的电压Vin=+15V时，VGS=15*200/204.7 V≈14.7 V；该电路代替二极管的优点是损耗小，因为二极管有个正向压降0.7V，而场效应管是呈电阻性的，一般的可以做到10-30毫欧，如果按照2A充电电流计算，二极管消耗1.4W，而场效应管最大只有0.06W。由电阻R4~R8、电容C7和运放IC2A进行电源电压检测并输出ADC0到控制电路；其中电阻R8与电容C7组成一个一阶低通滤波器用于滤出信号ADC0上的高频干扰，若取R8=4.7KΩ、C7=1uF，则其截止频率＝1/2π*4.7K*1u≈33.86 Hz；电阻R4~R7与运放IC1A组成一个减法电路用于检测接入电源电压，电阻R4~R7的取值范围应根据接入电压V_IN和控制电路的A/D转换器输入电压范围综合选择，设电源电压V_IN=15V，取R4＝R6＝680KΩ、R5＝R7＝120KΩ，则VADC0=15* R5/ R4=2.647V。由电阻R9~R19、电容C8~C12、三极管VT2、场效应管VT3和运放IC2C、IC2D组成的待充电池接入保护与电压检测模块；电容C8~C11连接于待充电池组两端形成一个π型滤波网络用于滤出电池组两端在充电和均衡过程中形成的纹波干扰；电池组接入极性检测由电阻R9~R12与运放IC2D组成的比较电路实现，当有电池组接入且极性正确时运放IC2D输出经电阻R16使场效应管VT3导通进入正常充电状态，当无电池组接入或接入极性错误时、场效应管VT3关断充电回路；上电时，在控制电路还没有正常工作前，由上拉电阻R17使VT2导通，场效应管VT3处于关断状态，控制电路正常工作后，输出控制信号OUTK1＝0使电路进入充电工作状态，当检测到充电电流超限时，输出控制信号OUTK1＝1使待充电池组断开；电阻R11~R14与运放IC2C组成一个减法电路用于检测待充电池组电压，电阻R11~R14的取值范围取决于待充电池组电压大小，对于5S电池组，其电压VBAT=3.7V*5＝18.5 V，若取R11＝R13＝680KΩ、R12＝R14＝100KΩ，则VADC1=18.5* R12/ R11=2.721V；电阻R15与电容C12组成一个一阶低通滤波器用于滤出信号ADC1上的高频干扰，若取R15=5.1KΩ、C12=1uF，则其截止频率＝1/2π*4.7K*1u≈31.21Hz。由电阻R20~R25、电容C13~C14和运放IC2B组成的充电电流检测模块，用于反映充电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADC2到控制电路；电阻R22、电容C14和电阻R25、电容C13分别各组成一个一阶低通滤波器用于滤出电流检测输入和输出信号上的高频干扰，R20、R21为两个0.1Ω的并联电流采样电阻，电阻R23~R24与运放IC2B组成一个同相放大器，若取R23= 1.3KΩ、R24= 10KΩ，运放IC2B的放大倍数为1+10/1.3=8.69倍，若最大电流5A，则最大输出电压为0.05*5*8.69=2.173V。电阻R1、电容C5~C6和降压稳压器IC1组成的工作电压产生模块，用以提供本发明中其它部分所需的工作电源VCC。
附图3是本发明充电电路实施例的原理图。充电电路由电阻R26~R40、电容C15~C16、二极管D1~D2、电感L1、三极管VT6~VT11、场效应管VT4~VT5和比较器IC3A、IC3B组成，能在控制电路输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0的控制下为待充电池组提供充电电流，当电池电压低于接入充电电压时采用降压方式充电，当电池电压高于接入充电电压时采用升压方式充电；具有上电保护和由控制电路启动、停止的功能。用于充电的DC/DC转换器主要有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器、升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器；其中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。本发明实施例中充电电路采用由场效应管VT4~VT5、二极管D1~D2、三极管VT6~VT11、电阻R26~R40、电感L1、电容C15~C16和双比较器IC3组成的Buck-Boost电路，其工作电源V_IN+、逻辑电源VCC、参考地GND分别连接至接入保护检测电路。充电主电路上电时，在控制电路还没正常工作前，由上拉电阻R27使VT10和VT11导通，场效应管VT4、VT5均处于关断状态，以确保电路安全；控制电路正常工作后，输出控制信号OUTK0＝0使电路进入工作状态；充电过程中，如出现过压、过流或其它故障现象时，控制电路可输出控制信号OUTK0＝1关断场效应管VT4、VT5。当充电电池的电压小于电源电压时采用降压式（Buck）充电，当充电电池的电压大于电源电压时采用升压式（Boost）充电，以保证实际充电的电压高于待充电池电压。工作于Buck方式时，比较器IC3A接受控制电路输出的PWM1信号控制， 其输出通过三极管管VT6与VT7、电阻R37与R38驱动场效应管VT4工作，充电电源V_IN+通过VT4-L1-D2输出，VT4关断时D1续流；此时比较器IC3B同相端的控制电路输出的PWM2信号保持为低电平，使Boost电路部分停止工作；场效应管VT4为P沟道增强型场效应晶体管，应根据串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中可选型号有：AO4409、AO4467、TPC8107、TPC8108、P1003EVG等；以AO4409为例，其采用SO8封装，具体参数VDS=-30V、ID=-15A、RDS(ON)<7.5mΩ(VGS=-10V)、RDS(ON)<12mΩ(VGS=-4.5V)。工作于Boost方式时，比较器IC3B接受控制电路输出的PWM2信号控制，其输出通过三极管管VT8与VT9、电阻R39与R40驱动场效应管VT5工作，充电电源V_IN+通过VT4-L1- VT5-D2输出，VT5关断时升压，此时比较器IC3A的控制电路输出的PWM1信号保持为高电平以使场效应管VT4处于导通状态；场效应管VT5为N沟道增强型场效应晶体管，应根据串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中可选型号有：IRF7413、AO4410、FSD6670、FDS6680、P0803BVG等；以IRF7413为例，其采用SO8封装，具体参数VDS=30V、ID=12A、RDS(ON)<11mΩ(VGS=10V)。二极管D1~D2应选择肖特基（Schottky）二极管，又称肖特基势垒二极管（简称SBD），如：SS34，它属一种低功耗、超高速半导体器件；最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右；其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管。电感L1不能用磁体太小的(无法存应有的能量)、线径太细的(脉冲电流大,会有线损大) 电感。不管本发明的充电电路工作于Buck方式还是Boost方式，其充电过程实质就是一个电感的能量传递过程，首先电感L1吸收能量，接着是电感L1放出能量，如果电容C16的容量足够大，那么在输出端就可以维持一个稳定的电压；如果这个过程不断重复，就可以在电容两端得到稳定的充电电压。为提高本发明充电装置的转换效率，一般要从三个方面着手：（1）尽可能降低开关管导通时回路的阻抗，使电能尽可能多的转化为磁能；（2）尽可能降低负载回路的阻抗，使磁能尽可能多的转化为电能，同时回路的损耗最低；（3）尽可能降低控制电路的消耗，因为对于充电装置来说，控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的，不能转化为电池组上的能量。由于本发明充电器工作于开关状态，且PWM控制的开关频率较高，不可避免地会在电容C16上形成高频纹波干扰，为此引入了电阻R32~R33、电容C15组成的纹波吸收电路。
附图4是本发明控制电路实施例的原理图。控制电路由电阻R108~R109、电容C26~C28、双色发光二极管LED、编程接口JK01和具有PWM、ADC的微控制单元IC12组成；微控制单元根据接入电源电压ADC0、电池组电压ADC1、充电电流ADC2的检测结果变化输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0、OUTK1来选择充电方式和控制充电过程，并在充电过程中根据各单体锂电池端实时电压ADC3、ADC4、ADC5、ADC6进行均衡决策后输出控制信号OUTK4、OUTK5、OUTK6、OUTK7到电压均衡电路以实现电池组各单体电池的快速均衡与自动充电；双色发光二极管LED用于指示充电状态，编程接口JK01用于初始化微控制单元内部的控制程序。本实施例以标称3.7V的锂电池介绍充电方法，标称3.7V锂电池的终止电压最高可达到4.2V，由于锂电池的内部结构决定了它具有特殊的性质，因此锂电池是不能过充的；如果对锂电池进行过充，电池就会因Li+损失太多而损坏，而且锂电池必须通过特定的恒流恒压充电设备为电池充电才行；首先对锂电池进行恒流充电，当电池整体电压达到4.2V时，保持恒压状态继续充电，在恒压充电过程中，电流若小于100mA，需要立即停止；充电的电流是电池容量的1.0～1.5倍，例如锂电池的理论容量为1470mAh，那么它的充电电流就应在1470～2205mA之间，若采用锂电池容量的1.5倍作为充电电流则需充电2～3个小时。常规充电方法有：恒压充电、恒流充电以及在此基础之上改进而来的恒流/恒压分阶段式充电，本发明采用混合恒流/恒压的充电法。混合恒流/恒压充电法的充电过程是分段进行的，为了节省充电过程的整体时间，首先采用恒定电流；当电池电压上升到相应阀值后，采用阀值大小的恒定电压；随时间增加充电电流将慢慢变小，直到降为电池容量的1/10或1/20时，充电过程结束；也就是说，当充电电流值小于电池容量的1/10时，电池恢复90%左右容量；剩余阶段中，电池容量并没有明显变化，但所需时间却显著増加；这种充电方法可以弥补锂电池因恒流二次充电所不能满足的部分，是锂电池的最佳充电方法之一；为了减小过充对电池的损害，必要时还会采用分段恒流的充电方法；在不同阶段设定不同的电压值，使得电流逐级递减持续充电，当电压达到预定值时，采用逐渐减小的恒定电流充电；当电压上升至下一个预定值时，继续减小电流；依此类推，从充电过程开始至结束，电流减小的同时电压的增加；这种方法虽然可以减小过充对电池本身造成的影响，但充电时间较长、电流易发生突变等现象；选取时应根据不同种类的电池及参数而定。本发明的ADC在微控制单元的控制下采集接入保护检测电路、电池端电压检测电路的检测信号，由微控制单元根据电池特征及参数进行智能决策，然后输出控制信号到接入保护检测电路、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路以实现整个充电过程的自动化。本发明的微控制单元可选单片机、DSP、ARM、FPGA等嵌入式微处理器中的任意一种，优选内部集成时钟与复位、ADC、PWM且I/O口线满足应用要求的嵌入式微处理器，可使本发明的CPU模块结构简化以提高系统可靠性；本实施例中的微控制单元选择了STM8S903单片机，STM8S903单片机采用高级STM8内核、具有3级流水线的哈佛结构，片内有8K字节的程序Flash、640字节的数据EEPROM、1K字节的RAM、10位ADC、2个定时器（PWM）、UART、SPI、I²C，完全满足本发明中对微控制单元的要求。
附图5是本发明电池端电压检测电路实施例的原理图。电池端电压检测电路由电阻R43~R82、电容C17~C24、四2选1模拟开关IC6和四运放IC4~ IC5组成；2个四运放IC4、 IC5与相应的电阻、电容构成8个减法模块，用于检测8个单体电池两端的电压差，8个检测输出信号连接至四2选1模拟开关IC6的输入端，IC6在控制电路输出控制信号OUTK2、OUTK3的控制下分两次将8个检测信号传送到控制电路的ADC3、ADC4、ADC5、ADC6输入端。电池端电压检测电路的V_IN+、VCC、GND与接入保护检测电路连接，B0、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9连接到待充电池组各单体电池的端点，8个单体电池端电压检测输出连接至四2选1模拟开关IC6的8个输入端，8个减法模块的检测原理是一致的，以电阻R43~R47、电容C17与运放IC4A组成的第一通道检测电路为例：设单体电池的端电压VBAT+-VBAT-=4.2V，取R43＝R46＝510KΩ、R44＝R47＝270KΩ，则VBATin1= R44/ R43*( VBAT+-VBAT-)=2.224V，满足A/D转换器的输入要求，电阻R45与电容C17组成一个低通滤波器，用于滤出电路中的高频干扰成分；该电路中，运放IC4、IC5选工作电压满足要求的通用运放，电阻选温漂较小的金属膜电阻，电容选高频特性较好的瓷片电容。四2选1模拟开关IC6可采样CD4053、MAX4783等芯片实现，本实施例优选4通道低阻宽带双向模拟开关芯片CH440，片内包含4通道单刀双掷模拟开关，高带宽、低导通电阻；IC6由控制信号OUTK3使能，OUTK3＝1时芯片不工作，OUTK3＝0时由控制信号OUTK2的电平决定选择输出的通道；OUTK2＝0时其输出到ADC3、ADC4、ADC5、ADC6的是第2、4、6、8个单体电池的端电压，OUTK2＝1时其输出到ADC3、ADC4、ADC5、ADC6的是第1、3、5、7个单体电池的端电压。
附图6是本发明电压均衡电路实施例的原理图。电压均衡电路由电阻R83~R107、均衡电容C25、16个场效应管VT13~VT28、4个四通道光电耦合器IC8~ IC11和3/8译码器器IC7组成；16个场效应管中除VT21为N沟道管外其余全为P沟道管，均由对应的16路光耦低电平有效控制，其中8个场效应管的漏极一起连接至均衡电容C25的正极性端且其源极分别连接至8个单体电池的高电位端，另8个场效应管的漏极一起连接至均衡电容C25的负极性端且其源极分别连接至8个单体电池的低电位端，连接每个单体电池两端的场效应管控制信号在光耦发光二极管侧并联且连接至3/8译码器器IC7的译码输出端；上电时3/8译码器器IC7的使能端由R83上拉或无需均衡时由控制电路输出OUTK7＝1使IC7的输出全为高，16个场效应管全断开；需要均衡时，由控制电路输出OUTK7＝0使能IC7并同时输出选择码OUTK4、OUTK5、OUTK6，以选通一个单体电池对均衡电容C25进行充电或放电。通过电池端电压检测电路实时检测待充电电池组的每个单体电池两端电压经调理得ADC3、ADC4、ADC5、ADC6连接到控制电路，控制电路根据各单体电池的实时端电压进行智能决策并输出控制码OUTK4、OUTK5、OUTK6、OUTK7控制电压均衡电路的工作以实现对待充电电池组的智能均衡充电。多节单体电池串联使用时，由于电池特性不同，充电时会出现先充满的情况，如果再充会对电池有损坏，因此需要将充满额电池停止充电，未充满的继续充电，这就是均衡充电。均衡目的之一是延长电池寿命以降低其使用成本，非耗散型均衡方式将是未来发展方向，尽可能的缩短均衡所需时间是关键；其中以电容作为储能元件的电容式均衡电路具有成本低、体积小、能量损耗低的优势。在电阻R83~R107、均衡电容C25、16个场效应管VT13~VT28、4个四通道光电耦合器IC8~ IC11和3/8译码器器IC7组成的电压均衡电路中，漏极连接于电容C25正端的8个场效应管VT13~VT20的源极分别对应连接到8个单体电池的高电位端，漏极连接于电容C25负端的8个场效应管VT21~VT28的源极分别对应连接到8个单体电池的低电位端，只要高电位端和低电位端场效应管的控制码相同且每次只一个场效应管导通，则可保证每次选择导通的都是一个单体电池的两个端；电容C25和场效应管选择与切换频率相关，切换频率越高、电容值越小、场效应管导通电流越小，本实施例中，电容C25为100uF的钽电容、场效应管除VT21外全为IRF7314，IRF7314采用SO8封装两个P沟道场效应晶体管，具体参数VDS=-20V、ID=-5.3A、RDS(ON)<0.049Ω(VGS=-4.5V)、RDS(ON)<0.082Ω(VGS=-2.7V)，VT21为N沟道场效应晶体管，选择基本参数与IRF7314相近的即可。为使均衡电容C25在充电或放电过程中每次都是与一个单体电池的两个端连接，对场效应管的控制采用由电阻R92~R107、光电隔离驱动器IC8~ IC11与译码器IC7组成的均衡切换控制电路；IC8~ IC11为4片四通道光电隔离器，与输入二极管侧阳极限流电阻R84~R91和输出三极管侧集电极上拉电阻或射极下拉电阻R92~R107一起组成16个场效应管的驱动电路，其中场效应管VT21的驱动为射极输出电路，当二发光极管侧阴极控制电平为“1”时，二极管不发光，光敏三极管处于开路状态，场效应管的栅极经上拉为高（VT21是下拉为低）使场效应管处于断开状态，当发光二极管侧阴极控制电平为“0”时，二极管发光，光敏三极管处于导通状态，场效应管的栅极为低（VT21的栅极为高）使场效应管处于导通状态；译码器IC7为一个3线→8线译码单元，译码输出分别连接到16个场效应管对应的控制发光二极管侧的阴极，其中每个单体电池两端对应场效应管的两个控制发光二极管侧的阴极连接在一起，译码器由控制信号OUTK7使能，当OUTK7＝“1”时，3/8译码输出信号均为“1”无场效应管导通，当OUTK7＝“0”时，译码单元的输出信号由控制码OUTK4、OUTK5、OUTK6的电平决定，[OUTK6、OUTK5、OUTK4]=000时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111110，[OUTK6、OUTK5、OUTK4]=001时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111101，[OUTK6、OUTK5、OUTK4]=010时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]= 11111011，[OUTK6、OUTK5、OUTK4]=011时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]=11110111，[OUTK6、OUTK5、OUTK4]=100时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]=11101111，[OUTK6、OUTK5、OUTK4]=101时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]=11011111，[OUTK6、OUTK5、OUTK4]=110时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]=10111111，[OUTK6、OUTK5、OUTK4]=111时译码输出[Y7、Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、Y0]=01111111，这样使每次切换均衡电容C25都是与一个单体电池的两个端连接，保证了均衡切换过程的安全性。
综上所述，本发明由接入保护检测电路、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路组成；由电池端电压检测电路来反馈接入单体电池的数量及参数，结合充电电流检测反馈信号大小来选择充电方式，由电压均衡电路来保证每个单体电池的充电电压处于均衡状态，充电电压输入和电池接入均有防反接保护，整个充电过程在控制电路的监测与控制下自动完成，无需人工参与。本发明的有益效果在于：采用微控制单元检测并智能决策控制充电和均衡过程，运用电解电容作为均衡能量转移载体、译码器控制选通需均衡的单体电池，在快速充电的基础上实现了安全、高效的均衡方案；适用于2-8S锂电池组的快速均衡自动充电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，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 (6)
1.一种适用于2-8S锂电池组的均衡充电器，包括接入保护检测电路、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路；接入保护检测电路与电源和待充电池组、充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路均有电连接，用于判断接入充电电源和待充电池组的极性并仅在极性接入正确时使充电回路导通，检测接入电源电压ADC0、待充电池组电压ADC1、充电电流ADC2送控制电路并在控制电路判断充电电流ADC2超限时反馈控制信号OUTK1使待充电池组断开，还为充电电路、控制电路、电池端电压检测电路和电压均衡电路提供工作电源VCC；充电电路在控制电路输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0的控制下为待充电池组提供充电电流ADC2，电池端电压检测电路检测待充电池组的各个单体锂电池的端电压并在控制电路输出控制信号OUTK2、OUTK3的控制下分时传送到控制电路的各单体锂电池端实时电压ADC3、ADC4、ADC5、ADC6，控制电路根据各单体锂电池端电压进行均衡决策后输出控制信号OUTK4、OUTK5、OUTK6、OUTK7到电压均衡电路以实现2-8S锂电池组的快速均衡自动充电。
2.根据权利要求1所述的适用于2-8S锂电池组的均衡充电器，其特征是：所述的接入保护检测电路包括由电阻R1、电容C5~C6和降压稳压器IC1组成的工作电压产生模块，用以提供其它电路所需的工作电源VCC；由电容C1~C4、电阻R2~R3和场效应管VT1组成的充电电源接入保护模块，用于防止电源极性接反并对电源进行旁路滤波和解耦滤波；由电阻R4~ R8、电容C7和运放IC2A组成的电源电压检测模块，用于实时检测接入电源电压ADC0并输出接入电源电压ADC0到控制电路；由电阻R9~R19、电容C8~C12、三极管VT2、场效应管VT3和运放IC2C、IC2D组成的待充电池接入保护与电压检测模块，用于待充电池组极性接反防止、电池端滤波、电池组电压检测并输出待充电池组电压ADC1到控制电路，同时可在控制电路输出控制信号OUTK1的控制下使待充电池组断开；由电阻R20~~R25、电容C13~C14和运放IC2B组成的充电电流检测模块，用于反映充电过程中的实时电流变化并输出检测信号ADC2到控制电路。
3.根据权利要求1所述的适用于2-8S锂电池组的均衡充电器，其特征是：所述的充电电路由电阻R26~R40、电容C15~C16、二极管D1~D2、电感L1、三极管VT6~VT11、场效应管VT4~VT5和比较器IC3A、IC3B组成，能在控制电路输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0的控制下为待充电池组提供充电电流ADC2，当电池电压低于接入充电电压时采用降压方式充电，当电池电压高于接入充电电压时采用升压方式充电；充电电路具有上电保护和由控制电路启动、停止的功能。
4.根据权利要求1所述的适用于2-8S锂电池组的均衡充电器，其特征是：所述的控制电路由电阻R108~R109、电容C26~C28、双色发光二极管LED、编程接口JK01和具有PWM、ADC的微控制单元IC12组成；微控制单元IC12根据接入电源电压ADC0、待充电池组电压ADC1、充电电流ADC2的检测结果变化输出控制信号PWM1、PWM2、OUTK0、OUTK1来选择充电方式和控制充电过程，并在充电过程中根据各单体锂电池端实时电压ADC3、ADC4、ADC5、ADC6进行均衡决策后输出控制信号OUTK4、OUTK5、OUTK6、OUTK7到电压均衡电路以实现电池组各单体电池的快速均衡与自动充电；双色发光二极管LED用于指示充电状态，编程接口JK01用于初始化微控制单元IC12内部的控制程序。
5.根据权利要求1所述的适用于2-8S锂电池组的均衡充电器，其特征是：所述的电池端电压检测电路由电阻R43~R82、电容C17~C24、四2选1模拟开关IC6和四运放IC4~IC5组成；2个四运放IC4、 IC5与相应的电阻、电容构成8个减法模块，用于检测8个单体电池两端的电压差，8个检测输出信号连接至四2选1模拟开关IC6的输入端，IC6在控制电路输出控制信号OUTK2、OUTK3的控制下分两次将8个检测信号传送到控制电路的各单体锂电池端实时电压ADC3、ADC4、ADC5、ADC6输入端。
6.根据权利要求1所述的适用于2-8S锂电池组的均衡充电器，其特征是：所述的电压均衡电路由电阻R83~R107、均衡电容C25、16个场效应管VT13~VT28、4个四通道光电耦合器IC8~IC11和3/8译码器器IC7组成；16个场效应管中除VT21为N沟道管外其余全为P沟道管，均由对应的16路光耦低电平有效控制，其中8个场效应管的漏极一起连接至均衡电容C25的正极性端且其源极分别连接至8个单体电池的高电位端，另8个场效应管的漏极一起连接至均衡电容C25的负极性端且其源极分别连接至8个单体电池的低电位端，连接每个单体电池两端的场效应管控制信号在光耦发光二极管侧并联且连接至3/8译码器器IC7的译码输出端；上电时3/8译码器器IC7的使能端由R83上拉或无需均衡时由控制电路输出控制信号OUTK7＝1使IC7的输出全为高，16个场效应管全断开；需要均衡时，由控制电路输出控制信号OUTK7＝0使能IC7并同时输出控制信号OUTK4、OUTK5、OUTK6，以选通一个单体电池对均衡电容C25进行充电或放电。
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