CN111628555B - 一种锂电池充电电路及pcb板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池充电电路及PCB板，包括用于进行功率因数调整的功率因数校正单元、DC‑DC转换器、电子开关、待充电电池组以及处理单元；所述电子开关的数量与待充电电池组的数量一致且一一对应，所述功率因数校正单元将外部大功率电源的输入电压处理后输出至DC‑DC转换器，所述功率因数校正单元与处理单元电性连接；所述DC‑DC转换器的输出端分别与电子开关的第一端口以及处理单元连接，所述电子开关的第二端口与对应的待充电电池组的输入端连接，所述待充电电池组的输出端与处理单元连接，所述电子开关的第三端口与处理单元连接；本发明提供的锂电池充电电路，可解决上电跳闸问题、待充电电池组充电过程对电网的干扰问题以及充电电流均衡问题。

Description

一种锂电池充电电路及PCB板

技术领域

本发明涉及电池充电管理技术领域，特别涉及一种锂电池充电电路及PCB板。

背景技术

充电柜可实现对多个锂电池进行充电，现有的充电柜主要采用下述两种方式完成充电任务：

（1）一种可同时对15个锂电池进行充电的充电电路结构，包括15组充电电路和处理装置，请参阅图1，每组充电电路包括一个AC-DC变换器、一个电子开关和一个待充电电池，每组充电电路分别与处理装置电性连接，处理装置控制充电电路完成充电任务；由于每一组充电电路的充电任务都是独立进行的，假设AC-DC变换器的输出为16.8V/5A，则15组充电电路同时充电的功率为16.8*5*15=1260W，上电时瞬态电流过大，容易引起跳闸，且会对电网造成污染，不符合绿源要求。

（2）一种对4个锂电池进行充电的充电电路结构，通过1个充电器对4个待充电电池进行逐一充电，请参阅图2，包括1个AC-DC变换器、4个电子开关、4个待充电电池和处理装置；所述AC-DC变换器分别与4个电子开关连接，所述处理装置分别与4个电子开关以及4个待充电电池连接，处理装置分别监控4个待充电电池的充电状态以及分别控制4个电子开关的通断；当第一个待充电电池充满后，处理装置控制对应的第一个电子开关断开、控制第二个电子开关闭合，开始对第二个待充电电池进行充电，当第二个待充电电池充满电后，处理装置控制对应的第二个电子开关断开、控制第三个电子开关闭合，依次类推，直至4个待充电电池都完成充电；由于需逐个对待充电电池进行充电，充电时间长，不能满足快充要求。

可见，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种锂电池充电电路，可解决上电跳闸的问题，并解决充电过程对电网的干扰问题，符合绿源要求。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种锂电池充电电路，包括用于进行功率因数调整的功率因数校正单元、DC-DC转换器、电子开关、待充电电池组以及处理单元；所述电子开关的数量与待充电电池组的数量一致且一一对应，所述功率因数校正单元将外部大功率电源的输入电压处理后输出至DC-DC转换器，所述功率因数校正单元与处理单元电性连接；所述DC-DC转换器的输出端分别与电子开关的第一端口以及处理单元连接，所述电子开关的第二端口与对应的待充电电池组的输入端连接，所述待充电电池组的输出端与所述处理单元连接，所述电子开关的第三端口与所述处理单元连接。

所述的锂电池充电电路中，所述处理单元包括DSP芯片，所述待充电电池组的输出端与所述DSP芯片的引脚FB连接，所述电子开关的第三端口与所述DSP芯片的引脚Ctrl连接，所述引脚Ctrl输出PWM信号控制电子开关的通断。

所述的锂电池充电电路中，所述处理单元还包括MCU芯片，所述MCU芯片与DSP芯片的5V引脚连接。

所述的锂电池充电电路中，所述功率因数校正单元包括EMC滤波器、第一继电器LS1、第一电阻R1、第三电容C3、第四电阻R4、第一运算放大器UA1、整流升压电路、采样电路和检测电路；所述EMC滤波器与外部大功率电源连接，EMC滤波器将外部大功率电源滤波后通过第一电阻R1和整流升压电路对第三电容C3进行充电；所述检测电路将HV端的电压反馈至DSP芯片的引脚VFB；所述第一继电器LS1的引脚3与EMC滤波器连接，第一继电器LS1的引脚1与DSP芯片的引脚REY_ON连接，第一继电器LS1的引脚4分别与整流升压电路和采样电路连接；所述采样电路分别与DSP芯片的引脚Vac1和引脚Vac2连接；所述第四电阻R4与整流升压电路连接，第四电阻R4用于进行电流采样，并将采样电流通过第一运算放大器UA1输入至DSP芯片的I-FB引脚；所述功率因数校正单元的HV端与DC-DC转换器连接。

所述的锂电池充电电路中，所述整流升压电路包括第一桥堆BRG1、第二电容C2、第十六电感L16、第十六二极管D16和第一三极管Q1；所述第一桥堆BRG1的第二端口与第一继电器LS1的引脚4连接，第一桥堆BRG1的第一端口与第十六电感L16的一端连接，第十六电感L16的另一端与第十六二极管D16的正极连接，第十六二极管的负极与第三电容C3的正极连接；所述第一桥堆BRG1的第四端口与第四电阻R4的一端连接，第一桥堆BRG1的第三端口与EMC滤波器连接；所述第二电容C2的一端与第十六电感L16连接，第二电容C2的另一端与第四电阻R4的一端连接；所述第一三极管Q1的基极与所述DSP芯片的引脚PWM连接，第一三极管Q1的集电极与第十六二极管D16的正极连接，第一三极管Q1的发射极接地；所述第四电阻R4的另一端接地。

所述的锂电池充电电路中，所述采样电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，所述第一电阻R1的一端与EMC滤波器连接，所述第五电阻R5的一端与第一电阻R1的另一端以及第一继电器LS1的引脚4连接，第五电阻R5的另一端与所述DSP芯片的引脚Vac1以及第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端接地；所述第六电阻R6的一端与所述EMC滤波器连接，第六电阻R6的另一端与所述DSP芯片的引脚Vac2以及第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端接地。

所述的锂电池充电电路中，所述检测电路包括第二电阻R2和第三电阻R3，所述第二电阻R2的一端与HV端连接，第二电阻R2的另一端与所述DSP芯片的引脚VFB以及第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端接地。

所述的锂电池充电电路中，还包括用于抑制电流纹波的抑制单元，所述抑制单元与所述电子开关的数量一致且一一对应，所述抑制单元设置于所述电子开关与所述待充电电池组之间。

所述的锂电池充电电路中，所述抑制单元包括二极管和电感，所述二极管的负极分别与电子开关的第二端口以及电感的一端连接，所述二极管的正极接地，所述电感的另一端与所述待充电电池组连接。

本发明还相应提供了一种PCB板，所述PCB板上印刷有上述的锂电池充电电路。

有益效果：

本发明提供了一种锂电池充电电路，其具有以下优点：

（1）功率因数校正单元对功率因数进行校正，可解决上电跳闸问题，并解决充电时对电网干扰问题；

（2）DSP芯片输出PWM信号控制电子开关的通断，避免出现电子开关过热烧毁或电池过热烧毁的问题；

（3）包括可抑制纹波电流的抑制单元，实现低纹波电流恒流充电，提高待充电电池组的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中同时对15个锂电池进行充电的充电电路的电路结构图；

图2为现有技术中对4个锂电池进行充电的充电电路的电路结构图；

图3为本发明提供的锂电池充电电路的一个实施例的电路结构图；

图4为本发明提供的功率因数校正单元的结构示意图；

图5为本发明提供的功率因数校正单元的一个实施例的电路结构图；

图6为本发明提供的锂电池充电电路的另一个实施例的电路结构图。

主要元件符号说明：11-DSP芯片、12-MCU芯片、2-功率因数校正单元、21-EMC滤波器、3-DC-DC转换器、4-待充电电池组。

具体实施方式

本发明提供了一种锂电池充电电路及PCB板，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“安装”、“连接”等应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图3至图6，本发明提供了一种锂电池充电电路，包括用于进行功率因数调整的功率因数校正单元2、DC-DC转换器3、电子开关、待充电电池组4以及处理单元，所述电子开关的数量与待充电电池组4的数量一致且一一对应，所述功率因数校正单元2将外部大功率电源的输入电压处理后输出至DC-DC转换器3，所述DC-DC转换器3的输出端分别与电子开关的第一端口以及处理单元连接，所述电子开关的第二端口与对应的待充电电池组4的输入端连接，所述待充电电池组4的输出端与所述处理单元连接，所述电子开关的第三端口与所述处理单元连接，所述功率因数校正单元2与所述处理单元电性连接，功率因数校正单元2向处理单元实时反馈其工作状态，所述工作状态是指功率因数校正单元2的工作电流和工作电压。

本申请公开的锂电池充电电路，包括功率因数校正单元2和DC-DC转换器3，所述功率因数校正单元2的输入端与外部大功率电源连接，与现有技术的15个锂电池分别独立进行充电的方案相比，由于该方案需要采用15个16.8V/5A的电源，整体充电柜的体积大，而本申请公开的锂电池充电电路直接采用1个16.8V/75A的外部电源与功率因数校正单元2的输入端连接，由于功率因数校正单元2可对功率因数进行校正，实现了宽输入范围（AC85V-265V）；由于外部电源的发电功率与15组电池的充电功率一致，且输入范围宽，解决了上电跳闸的问题；此外，功率因数校正单元2对功率因数进行了校正，并对外部电源的输入信号进行过滤，锂电池在充电过程中不会对电网造成污染，符合绿源要求。

进一步地，在一个实施例中，请参阅图3，本申请公开的锂电池充电电路可同时对15个待充电电池组4进行充电，达到快充的效果；所述DC-DC转换器3的输出端分别与15个电子开关连接，所述处理装置分别与15个电子开关和15个待充电电池组4连接。

进一步地，请参阅图3，所述处理单元包括DSP芯片11，所述待充电电池组4的输出端与所述DSP芯片11的引脚FB连接，所述电子开关的第三端口与所述DSP芯片11的引脚Ctrl连接，所述引脚Ctrl输出PWM信号控制电子开关的通断。

请参阅图3，所述DSP芯片11包括引脚FB1至引脚FB15，所述引脚FB1至引脚FB15分别与15个待充电电池组4一一对应连接；所述DSP芯片11还包括引脚Ctrl1至引脚Ctrl15，所述引脚Ctrl1至引脚Ctrl15分别与15个电子开关一一对应连接。

当待充电电池组4的电量较低时，采用16.8V/75A的大功率电源（外部电源）对低电量的待充电电池组进行充电，此时，待充电电池组4的电压低于外部电源电压，待充电电池组相当于电容，若直接对待充电电池组4进行充电，则通过待充电电池组4的电流过大，由于电子开关与待充电电池组4串联，容易出现电子开关过热烧毁或待充电电池组过热保护或烧毁的问题；因此，本申请公开的锂电池充电电路包括DSP芯片11，所述DSP芯片11可读取待充电电池组4的电量状态，且可获取功率因数校正单元2的电流参数和电压参数，还可输出PWM信号控制电子开关的通断状态；在PWM信号为ON的时间段内，电流很大，在PWM信号为OFF的时间段内，电流为0，所述DSP芯片11通过对所述电流参数和所述电压参数进行计算，对引脚Ctrl输出的PWM信号的脉宽进行调整，使单位时间内的电流平均值与预先设定与DSP芯片11中的电流目标值一致，实现闭环控制，避免通过待充电电池组的电流过大。

进一步地，为了减少电源应力、增强锂电池充电电路的可靠性，所述DSP芯片11还会对引脚Ctrl输出的PWM信号进行移相处理，所述移相处理是指DSP芯片11调整各个电子开关所接收的PWM信号的ON的时间，使各个电子开关的ON的时间错开，举例说明，第二电子开关的PWM信号的ON的时间比第一电子开关的PWM信号的ON的时间延迟2ms，第三电子开关的PWM信号的ON的时间比第二电子开关的PWM信号的ON的时间延迟2ms，以此类推。

进一步地，请参阅图3，所述DSP芯片11还包括引脚CAN，所述引脚CAN与外部上位机连接，实现数据的传输和交换，方便工作人员对锂电池充电电路的工作状态进行监控；在其他实施例中，所述DSP芯片还可通过串行通讯接口（RS485）或串行外设接口（SPI），实现与上位机的数据交换。

进一步地，请参阅图3，所述处理单元还包括MCU芯片12，所述MCU芯片12与DSP芯片11的5V引脚连接；所述MCU芯片12作为辅助电源，为DSP芯片11提供直流5V电压。

进一步地，请参阅图4，所述功率因数校正单元2包括用于实现滤波的EMC滤波器21、第一继电器LS1、第一电阻R1、第三电容C3、第四电阻R4、第一运算放大器UA1、整流升压电路、采样电路和检测电路；所述EMC滤波器21与外部大功率电源连接，EMC滤波器21将外部大功率电源滤波后通过第一电阻R1和整流升压电路对第三电容C3进行充电；所述检测电路将HV端的电压反馈至DSP芯片11的引脚VFB；所述第一继电器LS1的引脚3与EMC滤波器21连接，第一继电器LS1的引脚1与DSP芯片11的引脚REY_ON连接，第一继电器LS1的引脚4分别与整流升压电路和采样电路连接；所述采样电路分别与DSP芯片11的引脚Vac1和引脚Vac2连接；所述第四电阻R4与整流升压电路连接，第四电阻R4用于进行电流采样，并将采样电流通过第一运算放大器UA1输入至DSP芯片11的引脚I-FB；所述功率因数校正单元2的HV端与DC-DC转换器3连接；所述第一电阻R1起限流作用，避免对第三电容C3充电时出现瞬态电流过大的问题；所述第四电阻R4用于进行电流采样，为了减少功耗，一般采用很小的值，比如10毫欧。

进一步地，请参阅图5，所述整流升压电路包括第一桥堆BRG1、第二电容C2、第十六电感L16、第十六二极管D16和第一三极管Q1；所述第一桥堆BRG1的第二端口与第一继电器LS1的引脚4连接，第一桥堆BRG1的第一端口与第十六电感L16的一端连接，第十六电感L16的另一端与第十六二极管D16的正极连接，第十六二极管的负极与第三电容C3的正极连接；所述第一桥堆BRG1的第四端口与第四电阻R4的一端连接，第一桥堆BRG1的第三端口与EMC滤波器21连接；所述第二电容C2的一端与第十六电感L16连接，第二电容C2的另一端与第四电阻R4的一端连接；所述第一三极管Q1的基极与所述DSP芯片11的引脚PWM连接，第一三极管Q1的集电极与第十六二极管D16的正极连接，第一三极管Q1的发射极接地；所述第四电阻R4的另一端接地；所述第一桥堆BRG1起整流作用，所述第十六电感L16、第十六二极管D16和第一三极管Q1构成升压电路。

进一步地，请参阅图5，所述采样电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，所述第一电阻R1的一端与EMC滤波器连接，所述第五电阻R5的一端与第一电阻R1的另一端以及第一继电器LS1的引脚4连接，第五电阻R5的另一端与所述DSP芯片11的引脚Vac1以及第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端接地；所述第六电阻R6的一端与所述EMC滤波器21连接，第六电阻R6的另一端与所述DSP芯片11的引脚Vac2以及第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端接地。

进一步地，请参阅图5，所述检测电路包括第二电阻R2和第三电阻R3，所述第二电阻R2的一端与HV端连接，第二电阻R2的另一端与所述DSP芯片11的引脚VFB以及第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端接地；所述第二电阻R2和第三电阻R3将HV端的电压分压并将功率因数校正单元2中的VFB电压参数反馈至所述DSP芯片11的引脚VFB中。

第三电容C3在充电过程中，DSP芯片11通过VFB引脚进行检测，若发现第三电容C3的电压达到预先在DSP芯片11中设定的VFB电压设定值，如所述设定的VFB电压设定值为70V，则DSP芯片11通过所述引脚REY_ON输出控制信号，控制第一继电器LS1闭合；所述DSP芯片11通过引脚Vac1以及引脚Vac2获取功率因数校正单元2中的Vac1电压参数以及Vac2电压参数，交流电压值Vac=Vac1-Vac2；所述DSP芯片11将VFB电压参数与功率因数校正单元2的输出电压设定值进行PI运算，所述功率因数校正单元2的输出电压设定值预先在DSP芯片11中设定；所述DSP芯片11将PI运算得出的结果乘以交流电压值Vac，再除以电压前馈Vrms，得出电流的目标值，所述电压前馈Vrms由Vac积分可得；所述DSP芯片11再将电流的目标值与电流反馈值I-FB进行PI运算，PI赋值给PWM周期寄存器的比较寄存器，产生了需要的PWM占空比，即产生了所述DSP芯片的引脚Ctrl所需要输出的PWM信号的占空比，实现了对电流和电压的跟踪，使HV端输出的电压相对稳定。

进一步地，请参阅图6，所述锂电池充电电路还包括用于抑制电流纹波的抑制单元，所述抑制单元与所述电子开关的数量一致且一一对应，所述抑制单元设置于所述电子开关与所述待充电电池组4之间。

进一步地，请参阅图6，所述抑制单元包括二极管和电感，所述二极管的负极分别与电子开关的第二端口以及电感的一端连接，所述二极管的正极接地，所述电感的另一端与所述待充电电池组4连接。

当待充电电池组4的电量较低时，采用PWM信号控制电子开关的通断时间，可避免电子开关过热烧毁或待充电电池组4过热烧毁，但存在纹波电流大的问题。

ΔI=D*f *ΔV/L （1-1）

其中，ΔI为纹波电流，D 为占空比，f为频率，ΔV为大功率电源的输出电压与待充电电池组4的电压差，L为电感，从公式（1-1）可知，电源电压与待充电电池组4的电压差越大，纹波电流越大，通过选择合适的频率和电感，可降低纹波电流；本申请通过增加电感和二极管，利用电感的充放电效应，可有效抑制电流纹波，提高待充电电池组4的使用寿命；在一个实施例中，所述电感的大小为10 u H，所述二极管为肖特基二极管。

本发明还相应提供了一种PCB板，所述PCB板上印刷有上述的锂电池充电电路。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种锂电池充电电路，其特征在于，包括用于进行功率因数调整的功率因数校正单元、DC-DC转换器、电子开关、待充电电池组以及处理单元；所述电子开关的数量与待充电电池组的数量一致且一一对应，所述功率因数校正单元将外部大功率电源的输入电压处理后输出至DC-DC转换器，所述功率因数校正单元与处理单元电性连接；所述DC-DC转换器的输出端分别与电子开关的第一端口以及处理单元连接，所述电子开关的第二端口与对应的待充电电池组的输入端连接，所述待充电电池组的输出端与所述处理单元连接，所述电子开关的第三端口与所述处理单元连接；所述处理单元包括DSP芯片，所述待充电电池组的输出端与所述DSP芯片的引脚FB连接，所述电子开关的第三端口与所述DSP芯片的引脚Ctrl连接，所述引脚Ctrl输出PWM信号控制电子开关的通断；

所述功率因数校正单元包括EMC滤波器、第一继电器LS1、第一电阻R1、第三电容C3、第四电阻R4、第一运算放大器UA1、整流升压电路、采样电路和检测电路；所述EMC滤波器与外部大功率电源连接，EMC滤波器将外部大功率电源滤波后通过第一电阻R1和整流升压电路对第三电容C3进行充电；所述检测电路将HV端的电压反馈至DSP芯片的引脚VFB；所述第一继电器LS1的引脚3与EMC滤波器连接，第一继电器LS1的引脚1与DSP芯片的引脚REY_ON连接，第一继电器LS1的引脚4分别与整流升压电路和采样电路连接；所述采样电路分别与DSP芯片的引脚Vac1和引脚Vac2连接；所述第四电阻R4与整流升压电路连接，第四电阻R4用于进行电流采样，并将采样电流通过第一运算放大器UA1输入至DSP芯片的I-FB引脚；所述功率因数校正单元的HV端与DC-DC转换器连接。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池充电电路，其特征在于，所述处理单元还包括MCU芯片，所述MCU芯片与DSP芯片的5V引脚连接。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池充电电路，其特征在于，所述整流升压电路包括第一桥堆BRG1、第二电容C2、第十六电感L16、第十六二极管D16和第一三极管Q1；所述第一桥堆BRG1的第二端口与第一继电器LS1的引脚4连接，第一桥堆BRG1的第一端口与第十六电感L16的一端连接，第十六电感L16的另一端与第十六二极管D16的正极连接，第十六二极管的负极与第三电容C3的正极连接；所述第一桥堆BRG1的第四端口与第四电阻R4的一端连接，第一桥堆BRG1的第三端口与EMC滤波器连接；所述第二电容C2的一端与第十六电感L16连接，第二电容C2的另一端与第四电阻R4的一端连接；所述第一三极管Q1的基极与所述DSP芯片的引脚PWM连接，第一三极管Q1的集电极与第十六二极管D16的正极连接，第一三极管Q1的发射极接地；所述第四电阻R4的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池充电电路，其特征在于，所述采样电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，所述第一电阻R1的一端与EMC滤波器连接，所述第五电阻R5的一端与第一电阻R1的另一端以及第一继电器LS1的引脚4连接，第五电阻R5的另一端与所述DSP芯片的引脚Vac1以及第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端接地；所述第六电阻R6的一端与所述EMC滤波器连接，第六电阻R6的另一端与所述DSP芯片的引脚Vac2以及第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种锂电池充电电路，其特征在于，所述检测电路包括第二电阻R2和第三电阻R3，所述第二电阻R2的一端与HV端连接，第二电阻R2的另一端与所述DSP芯片的引脚VFB以及第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的一种锂电池充电电路，其特征在于，还包括用于抑制电流纹波的抑制单元，所述抑制单元与所述电子开关的数量一致且一一对应，所述抑制单元设置于所述电子开关与所述待充电电池组之间。

7.根据权利要求6所述的一种锂电池充电电路，其特征在于，所述抑制单元包括二极管和电感，所述二极管的负极分别与电子开关的第二端口以及电感的一端连接，所述二极管的正极接地，所述电感的另一端与所述待充电电池组连接。

8.一种PCB板，其特征在于，所述PCB板上印刷有如权利要求1-7任一项所述的锂电池充电电路。

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