CN109120046A - 一种电池充电控制装置及存储设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池充电控制装置及存储设备，包括用于为锂电池组中各单体电池正常充电的主供电电源、副供电电源、用于分别检测各单体电池的充电电压的电压检测电路、逻辑控制芯片及开关模块；其中：逻辑控制芯片用于比较各单体电池的充电电压，并控制开关模块接通副供电电源与充电电压最低的单体电池之间的充电线路，使副供电电源单独为该单体电池提供额外的恒定充电电流；当该单体电池的充电电压达到当前锂电池组的最高充电电压时返回比较各单体电池的充电电压的步骤，直至锂电池组充电结束。可见，本申请节约了电源损耗，从而可满足存储设备的散热要求；且本申请设计较为简单，元器件的数量及体积较小，从而可达到存储设备的紧凑布局要求。

Description

一种电池充电控制装置及存储设备

技术领域

本发明涉及锂电池充电技术领域，特别是涉及一种电池充电控制装置及存储设备。

背景技术

随着锂离子电池技术的发展，锂电池应用越来越广泛。目前，根据设备的供电需求，通常采用多个锂电池组成的锂电池组(通常采用三串多并或四串多并的方式)作为供电电源。锂电池组中各锂电池间的均衡是依据锂电池本身的电化学性能实现的，而各锂电池本身的电化学性能的一致性是依据锂电池生产过程中的化成、分容两个生产步骤实现的。对于不同锂电池而言，其电化学性能的一致性并不能得到保证，且随着锂电池组使用时间的增加，各锂电池之间的差异性会越来越大，最终表现出整个锂电池组的充放电不均匀，从而缩短了锂电池组的使用寿命。因此，为了减小各锂电池之间的差异性对锂电池组的影响，在充电过程中，需对锂电池组进行均衡管理。

现有技术中，对锂电池组进行均衡管理的方案主要有两种：能耗型和回馈型。能耗型：为各单体电池提供并联支路，将电压过高的单体电池通过分流支路转移电能达到均衡目的。回馈型：通过能量转换器将各单体电池之间的偏差能量馈送回锂电池组或锂电池组中的某些单体电池。但是，能耗型均衡方案会增大电源损耗，若应用于存储设备上锂电池组的均衡管理，无法满足存储设备的散热要求；而回馈型均衡方案设计太过复杂，需要较多变压器及电容，导致使用元器件的数量及体积较大，若应用于存储设备上锂电池组的均衡管理，无法达到存储设备的紧凑布局要求。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池充电控制装置及存储设备，采用主副双供电电源的供电模式实现锂电池组的充电管理及均衡，节约了电源损耗，从而在应用于存储设备上锂电池组的均衡管理时可满足存储设备的散热要求；而且，本申请设计较为简单，元器件的数量及体积较小，从而在应用于存储设备上锂电池组的均衡管理时可达到存储设备的紧凑布局要求。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电池充电控制装置，包括用于为锂电池组中各单体电池正常充电的主供电电源、用于为各所述单体电池额外充电的副供电电源、用于分别检测各所述单体电池的充电电压的电压检测电路、逻辑控制芯片及设于所述副供电电源与各所述单体电池之间的充电线路上的开关模块；其中：

所述电压检测电路的输出端与所述逻辑控制芯片的输入端连接，所述逻辑控制芯片的输出端与所述开关模块的控制端连接；

所述逻辑控制芯片用于比较各所述单体电池的充电电压，并控制所述开关模块接通所述副供电电源与充电电压最低的单体电池之间的充电线路，使所述副供电电源单独为该单体电池提供额外的恒定充电电流；当该单体电池的充电电压达到当前锂电池组的最高充电电压时返回比较各所述单体电池的充电电压的步骤，直至所述锂电池组充电结束。

优选地，所述副供电电源具体为反激隔离电源；

则所述反激隔离电源的输入端与所述主供电电源的输出端连接，所述逻辑控制芯片还用于在所述反激隔离电源输入所述主供电电源的电能的情况下，控制所述反激隔离电源输出预设恒定电流，以便于所述反激隔离电源为各所述单体电池额外充电。

优选地，所述开关模块包括与各所述单体电池的正极和负极一一连接的单开关电路；其中：

与各所述单体电池的正极连接的各单开关电路均与所述副供电电源的输出正端连接，与各所述单体电池的负极连接的各单开关电路均与所述副供电电源的输出负端连接；

则当所述锂电池组中串联的单体电池的个数为N个时，所述开关模块的控制端包括N+1个控制端，各所述单开关电路的控制端一一作为所述开关模块的控制端；其中，N为大于1的整数。

优选地，各所述单开关电路均包括驱动电路和设于对应充电线路上的开关管；其中：

所述驱动电路的控制端作为所属单开关电路的控制端，所述驱动电路的驱动端与所述开关管的控制端连接，所述开关管的第一端与所述副供电电源连接，所述开关管的第二端与对应单体电池连接；

所述逻辑控制芯片具体用于利用所述驱动电路驱动所述开关管导通，以接通所述副供电电源与充电电压最低的单体电池之间的充电线路。

优选地，所述开关管具体为不带体二极管的NMOS管，所述NMOS管的栅极作为所述开关管的控制端，所述NMOS管的漏极作为所述开关管的第一端，所述NMOS管的源极作为所述开关管的第二端。

优选地，所述开关管包括一个带体二极管的一体式NMOS管和一个与所述一体式NMOS管反并联的不带体二极管的NMOS管；其中：

所述一体式NMOS管的栅极作为所述开关管的控制端，所述一体式NMOS管的漏极作为所述开关管的第一端，所述一体式NMOS管的源极作为所述开关管的第二端。

优选地，所述逻辑控制芯片具体为复杂可编程逻辑器件CPLD。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种存储设备，包括锂电池组，还包括上述任一种电池充电控制装置。

本发明提供了一种电池充电控制装置，包括用于为锂电池组中各单体电池正常充电的主供电电源、用于为各单体电池额外充电的副供电电源、用于分别检测各单体电池的充电电压的电压检测电路、逻辑控制芯片及设于副供电电源与各单体电池之间的充电线路上的开关模块；其中：电压检测电路的输出端与逻辑控制芯片的输入端连接，逻辑控制芯片的输出端与开关模块的控制端连接；逻辑控制芯片用于比较各单体电池的充电电压，并控制开关模块接通副供电电源与充电电压最低的单体电池之间的充电线路，使副供电电源单独为该单体电池提供额外的恒定充电电流；当该单体电池的充电电压达到当前锂电池组的最高充电电压时返回比较各单体电池的充电电压的步骤，直至锂电池组充电结束。

可见，本申请采用主副双供电电源的供电模式(主供电电源：正常情况下为锂电池组充电，副供电电源：为充电电压落后的单体电池额外充电)实现锂电池组的充电管理及均衡，相比于能耗型均衡方案，节约了电源损耗，从而在应用于存储设备上锂电池组的均衡管理时可满足存储设备的散热要求；而且，相比于回馈型均衡方案，本申请的电池充电控制装置设计较为简单，元器件的数量及体积较小，从而在应用于存储设备上锂电池组的均衡管理时可达到存储设备的紧凑布局要求。

本发明还提供了一种存储设备，与上述电池充电控制装置具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种电池充电控制装置的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种电池充电控制装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电池充电控制装置及存储设备，采用主副双供电电源的供电模式实现锂电池组的充电管理及均衡，节约了电源损耗，从而在应用于存储设备上锂电池组的均衡管理时可满足存储设备的散热要求；而且，本申请设计较为简单，元器件的数量及体积较小，从而在应用于存储设备上锂电池组的均衡管理时可达到存储设备的紧凑布局要求。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。

请参照图1，图1为本发明提供的一种电池充电控制装置的结构示意图。

该电池充电控制装置包括：用于为锂电池组中各单体电池正常充电的主供电电源1、用于为各单体电池额外充电的副供电电源2、用于分别检测各单体电池的充电电压的电压检测电路3、逻辑控制芯片4及设于副供电电源2与各单体电池之间的充电线路上的开关模块5；其中：

电压检测电路3的输出端与逻辑控制芯片4的输入端连接，逻辑控制芯片4的输出端与开关模块5的控制端连接；

逻辑控制芯片4用于比较各单体电池的充电电压，并控制开关模块5接通副供电电源2与充电电压最低的单体电池之间的充电线路，使副供电电源2单独为该单体电池提供额外的恒定充电电流；当该单体电池的充电电压达到当前锂电池组的最高充电电压时返回比较各单体电池的充电电压的步骤，直至锂电池组充电结束。

具体地，本申请的电池充电控制装置包括主供电电源1、副供电电源2、电压检测电路3、逻辑控制芯片4及开关模块5，其工作原理为：

本申请的主供电电源1与现有的锂电池组供电电源相同，用来同时为锂电池组中的每个单体电池充电。主供电电源1为外接的具有恒流恒压功能的电源，即ACDC电源，其在为锂电池组充电时，需按照锂电池组对应的充电要求供电。比如，三元锂离子电池的充电要求为：首先是恒流充电，即电池的充电电流一定，电池两端的电压(即充电电压)随着充电过程的继续逐步升高，当电池的充电电压达到4.2V时，将恒流充电变为恒压充电，即电池的充电电压一定，电池的充电电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续逐步减小，当减小到10mA时，认为电池充电结束。

在主供电电源1为锂电池组充电的过程中，为了实现锂电池组的充电管理及均衡，本申请首先采用电压检测电路3分别检测锂电池组中每个单体电池的充电电压，并将每个单体电池的充电电压发送至逻辑控制芯片4。然后由逻辑控制芯片4比较锂电池组中所有单体电池的充电电压，从而确定锂电池组中充电电压最低的一个单体电池，即最需要加速充电的单体电池(若充电电压最低的单体电池的个数不止一个，先任选一个加速充电即可)。

而本申请设置副供电电源2的目的是为最需要加速充电的单体电池提供额外的恒定充电电流，从而实现该单体电池的加速充电。具体地，本申请将开关模块5设于副供电电源2与锂电池组中的各单体电池之间的充电线路上，也就是说，通过控制开关模块5的导通情况可控制副供电电源2具体为锂电池组中的哪个单体电池加速充电。

因此，本申请的逻辑控制芯片4在确定锂电池组中充电电压最低的一个单体电池后，便可控制开关模块5接通副供电电源2与该单体电池之间的充电线路，从而使副供电电源2单独为该单体电池提供额外的恒定充电电流，加速该单体电池的充电。比如，锂电池组包括四个串联的单体电池，用BAT1、BAT2、BAT3及BAT4表示，主供电电源1提供的是2A电流，副供电电源2提供的是0.5A电流。若此时BAT1的充电电压最低，则逻辑控制芯片4会控制开关模块5接通副供电电源2与BAT1之间的充电线路，使副供电电源2对BAT1进行额外充电，那么BAT1的充电电流大小为2.5A，BAT2、BAT3、BAT4的充电电流大小为2A，从而加速BAT1的充电。

当原本确定的充电电压最低的单体电池的充电电压达到当前锂电池组的最高充电电压时，控制开关模块5切断副供电电源2与该单体电池之间的充电线路，并重新比较锂电池组中所有单体电池的充电电压，从而继续利用副供电电源2及开关模块5为当前锂电池组中充电电压最低的单体电池加速充电，直至锂电池组充电结束，从而实现锂电池组的充电管理及均衡，进而延长了锂电池组的使用寿命。

需要说明的是，并联关系的单体电池的充电电压相同，且副供电电源2与并联关系的单体电池之间的充电线路相同，所以对于本申请来说，并联关系的单体电池相当于一个单体电池处理，只是容量上有所不同。

此外，本申请还可以提前设置一个误差阈值，当锂电池组中各单体电池的供电电压之间相差的电压值小于该误差阈值时，认为锂电池组中各单体电池间的均衡性较优，则无需对锂电池组进行均衡管理；当彼此之间相差的电压值不小于该误差阈值时，认为锂电池组中各单体电池间的均衡性较差，则利用本申请的均衡方案对锂电池组进行均衡管理。

本发明提供了一种电池充电控制装置，包括用于为锂电池组中各单体电池正常充电的主供电电源、用于为各单体电池额外充电的副供电电源、用于分别检测各单体电池的充电电压的电压检测电路、逻辑控制芯片及设于副供电电源与各单体电池之间的充电线路上的开关模块；其中：电压检测电路的输出端与逻辑控制芯片的输入端连接，逻辑控制芯片的输出端与开关模块的控制端连接；逻辑控制芯片用于比较各单体电池的充电电压，并控制开关模块接通副供电电源与充电电压最低的单体电池之间的充电线路，使副供电电源单独为该单体电池提供额外的恒定充电电流；当该单体电池的充电电压达到当前锂电池组的最高充电电压时返回比较各单体电池的充电电压的步骤，直至锂电池组充电结束。

可见，本申请采用主副双供电电源的供电模式(主供电电源：正常情况下为锂电池组充电，副供电电源：为充电电压落后的单体电池额外充电)实现锂电池组的充电管理及均衡，相比于能耗型均衡方案，节约了电源损耗，从而在应用于存储设备上锂电池组的均衡管理时可满足存储设备的散热要求；而且，相比于回馈型均衡方案，本申请的电池充电控制装置设计较为简单，元器件的数量及体积较小，从而在应用于存储设备上锂电池组的均衡管理时可达到存储设备的紧凑布局要求。

请参照图2，图2为本发明提供的另一种电池充电控制装置的结构示意图。该电池充电控制装置在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，副供电电源2具体为反激隔离电源；

则反激隔离电源的输入端与主供电电源1的输出端连接，逻辑控制芯片4还用于在反激隔离电源输入主供电电源1的电能的情况下，控制反激隔离电源输出预设恒定电流，以便于反激隔离电源为各单体电池额外充电。

需要说明的是，本申请的预设是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况修改，否则不需要重新设置。还需要说明的是，图2中锂电池组及开关模块5的结构只是其中一种情况，并不能限定锂电池组及开关模块5的结构。

具体地，本申请的副供电电源2可以选用结构简单的反激隔离电源，反激隔离电源内部的变压器在其原边导通时副边截止，而原边截止时副边导通。基于此，本申请的逻辑控制芯片4在反激隔离电源输入主供电电源1的电能的情况下，控制反激隔离电源中变压器的原边导通和副边导通的交替时间(原边导通时副边截止，此时变压器储存主供电电源1提供的能量；而原边截止时副边导通，自身储存的能量释放至负载)，从而控制反激隔离电源输出恒定电流，实现其额外充电功能。

作为一种优选地实施例，开关模块5包括与各单体电池的正极和负极一一连接的单开关电路；其中：

与各单体电池的正极连接的各单开关电路均与副供电电源2的输出正端连接，与各单体电池的负极连接的各单开关电路均与副供电电源2的输出负端连接；

则当锂电池组中串联的单体电池的个数为N个时，开关模块5的控制端包括N+1个控制端，各单开关电路的控制端一一作为开关模块5的控制端；其中，N为大于1的整数。

具体地，本申请在锂电池组中每个单体电池的正极和负极所连接的充电线路上均设置一个单开关电路。更具体地，本申请控制副供电电源2与待加速单体电池之间的充电线路接通的过程具体为：控制待加速单体电池的正极和负极所对应的单开关电路均导通，从而使副供电电源2为待加速单体电池额外充电。

需要说明的是，串联的相邻的单体电池存在上一个单体电池的负极和下一个电池的正极共用一条充电线路的情况，只需在该充电线路上设置一个单开关电路即可。

作为一种优选地实施例，各单开关电路均包括驱动电路和设于对应充电线路上的开关管；其中：

驱动电路的控制端作为所属单开关电路的控制端，驱动电路的驱动端与开关管的控制端连接，开关管的第一端与副供电电源2连接，开关管的第二端与对应单体电池连接；

逻辑控制芯片4具体用于利用驱动电路驱动开关管导通，以接通副供电电源2与充电电压最低的单体电池之间的充电线路。

进一步地，本申请的各单开关电路均包括驱动电路和开关管。如图2所示，锂电池组包括4个串联的单体电池(BAT1-BAT 4)，每个单体电池的正极和负极所连接的充电线路上均设置一个单开关电路(驱动电路和开关管，图2中驱动电路及开关管后面的数字代表第几个)，则控制G0、G1同时开通开关管0和开关管1，可实现副供电电源2对BAT1单独充电；控制G1、G2同时开通开关管1和开关管2，可实现副供电电源2对BAT2的单独充电；控制G2、G3同时开通开关管2和开关管3，可实现副供电电源2对BAT3的单独充电；控制G3、G4同时开通开关管3和开关管4，可实现副供电电源2对BAT4的单独充电。

作为一种优选地实施例，开关管具体为不带体二极管的NMOS管，NMOS管的栅极作为开关管的控制端，NMOS管的漏极作为开关管的第一端，NMOS管的源极作为开关管的第二端。

具体地，本申请的开关管可以选用但不仅限于不带体二极管的NMOS管，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选地实施例，开关管包括一个带体二极管的一体式NMOS管和一个与一体式NMOS管反并联的不带体二极管的NMOS管；其中：

一体式NMOS管的栅极作为开关管的控制端，一体式NMOS管的漏极作为开关管的第一端，一体式NMOS管的源极作为开关管的第二端。

具体地，若本申请的开关管采用单个带体二极管的一体式NMOS管，该一体式NMOS管的栅极作为开关管的控制端，该一体式NMOS管的漏极作为开关管的第一端，该一体式NMOS管的源极作为开关管的第二端，则会导致该一体式NMOS管的体二极管出现单向导通的情况，从而影响锂电池组的放电。因此，本申请在一体式NMOS管的基础上，还加入一个与一体式NMOS管反并联的不带体二极管的NMOS管，从而防止一体式NMOS管的体二极管出现单向导通的情况。

作为一种优选地实施例，逻辑控制芯片4具体为复杂可编程逻辑器件CPLD。

具体地，本申请的逻辑控制芯片4可以选用CPLD(Complex Programmable LogicDevice，复杂可编程逻辑器件)，它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽及设计制造成本低等特点。当然，本申请的逻辑控制芯片4还可以选用其他类型的控制芯片，本申请在此不做特别的限定。

本发明还提供了一种存储设备，包括锂电池组，还包括上述任一种电池充电控制装置。

本发明提供的存储设备的介绍请参考上述电池充电控制装置的实施例，本申请在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种电池充电控制装置，其特征在于，包括用于为锂电池组中各单体电池正常充电的主供电电源、用于为各所述单体电池额外充电的副供电电源、用于分别检测各所述单体电池的充电电压的电压检测电路、逻辑控制芯片及设于所述副供电电源与各所述单体电池之间的充电线路上的开关模块；其中：

所述电压检测电路的输出端与所述逻辑控制芯片的输入端连接，所述逻辑控制芯片的输出端与所述开关模块的控制端连接；

所述逻辑控制芯片用于比较各所述单体电池的充电电压，并控制所述开关模块接通所述副供电电源与充电电压最低的单体电池之间的充电线路，使所述副供电电源单独为该单体电池提供额外的恒定充电电流；当该单体电池的充电电压达到当前锂电池组的最高充电电压时返回比较各所述单体电池的充电电压的步骤，直至所述锂电池组充电结束。

2.如权利要求1所述的电池充电控制装置，其特征在于，所述副供电电源具体为反激隔离电源；

则所述反激隔离电源的输入端与所述主供电电源的输出端连接，所述逻辑控制芯片还用于在所述反激隔离电源输入所述主供电电源的电能的情况下，控制所述反激隔离电源输出预设恒定电流，以便于所述反激隔离电源为各所述单体电池额外充电。

3.如权利要求1所述的电池充电控制装置，其特征在于，所述开关模块包括与各所述单体电池的正极和负极一一连接的单开关电路；其中：

与各所述单体电池的正极连接的各单开关电路均与所述副供电电源的输出正端连接，与各所述单体电池的负极连接的各单开关电路均与所述副供电电源的输出负端连接；

则当所述锂电池组中串联的单体电池的个数为N个时，所述开关模块的控制端包括N+1个控制端，各所述单开关电路的控制端一一作为所述开关模块的控制端；其中，N为大于1的整数。

4.如权利要求3所述的电池充电控制装置，其特征在于，各所述单开关电路均包括驱动电路和设于对应充电线路上的开关管；其中：

所述驱动电路的控制端作为所属单开关电路的控制端，所述驱动电路的驱动端与所述开关管的控制端连接，所述开关管的第一端与所述副供电电源连接，所述开关管的第二端与对应单体电池连接；

所述逻辑控制芯片具体用于利用所述驱动电路驱动所述开关管导通，以接通所述副供电电源与充电电压最低的单体电池之间的充电线路。

5.如权利要求4所述的电池充电控制装置，其特征在于，所述开关管具体为不带体二极管的NMOS管，所述NMOS管的栅极作为所述开关管的控制端，所述NMOS管的漏极作为所述开关管的第一端，所述NMOS管的源极作为所述开关管的第二端。

6.如权利要求4所述的电池充电控制装置，其特征在于，所述开关管包括一个带体二极管的一体式NMOS管和一个与所述一体式NMOS管反并联的不带体二极管的NMOS管；其中：

所述一体式NMOS管的栅极作为所述开关管的控制端，所述一体式NMOS管的漏极作为所述开关管的第一端，所述一体式NMOS管的源极作为所述开关管的第二端。

7.如权利要求6所述的电池充电控制装置，其特征在于，所述逻辑控制芯片具体为复杂可编程逻辑器件CPLD。

8.一种存储设备，其特征在于，包括锂电池组，还包括如权利要求1-7任一项所述的电池充电控制装置。