CN112636424B - 一种电池充电电路和电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池充电电路和电池管理系统，电池充电电路应用于电池管理系统，包括第一接口端、第二接口端、反激子电路、控制子电路和电池，反激子电路包括变压器、第一电子开关、第一电感和第一二极管，其中，变压器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组所在的第一通路上串联设置有第一电感和第一电子开关，第一通路的一端与电池的负极电连接，另一端与第二接口端电连接；副边绕组所在的第二通路上串联设置有第一二极管，第二通路的一端与第一接口端电连接，另一端与电池的负极电连接；控制子电路与第一电子开关电连接；控制子电路用于根据第一通路的电流，控制第一电子开关的通断。本发明实施例可以提升电池充电的安全性。

Description

一种电池充电电路和电池管理系统

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池充电电路和电池管理系统。

背景技术

在目前储能应用的中，为了防止充电电压与电池电压压差较大时充电电流过大，电池管理系统(battery Management System，BMS)需要有限流功能，在恒流充电阶段要对充电电流进行限定，提升充电安全性。

目前常用的限流方案普遍采用BOOST拓扑电路进行升压。由于在充电过程中，电池的电压会随之升高，充电电压保持恒定的情况下，充电电压与电池电压的压差会减小，驱动占空比会趋近于1，容易导致短路等现象。可见，现有方案在充电电压较大，且充电电压与电池压差较小时，充电安全性较低。

发明内容

本发明实施例提供一种电池充电电路和电池管理系统，以解决现有技术充电安全性较低的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种电池充电电路，应用于电池管理系统，包括第一接口端、第二接口端、反激子电路、控制子电路和电池，所述反激子电路包括变压器、第一电子开关、第一电感和第一二极管，其中，

所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组所在的第一通路上串联设置有所述第一电感和所述第一电子开关，所述第一通路的一端与所述电池的负极电连接，另一端与所述第二接口端电连接；所述副边绕组所在的第二通路上串联设置有第一二极管，所述第二通路的一端与所述第一接口端电连接，另一端与所述电池的负极电连接；

所述控制子电路与所述第一电子开关电连接；

所述控制子电路用于根据所述第一通路的电流，控制所述第一电子开关的通断。

可选地，所述控制子电路包括微控制单元MCU芯片，所述MCU芯片与所述第一电子开关电连接；

所述MCU芯片通过驱动信号驱动所述第一电子开关的导通，并通过控制驱动信号的占空比，控制所述第一电子开关的通断频率。

可选地，所述控制子电路还包括集成电路IC芯片，所述MCU芯片通过所述IC芯片与所述第一电子开关电连接；

所述MCU芯片通过驱动信号指示所述IC芯片产生驱动电流，以驱动所述第一电子开关的导通；所述MCU芯片通过控制驱动信号的占空比，控制所述第一电子开关的通断频率。

可选地，所述反激子电路还包括分流器，所述分流器串联设置于所述第一通路上，并与所述MCU芯片电连接，用于采集所述第一通路的电流，并将所述第一通路的电流信号转换为电压信号，传输至所述MCU芯片。

可选地，所述反激子电路还包括第二电感、第三电感和第四电感，所述第二电感和第三电感串联设置于所述第一通路中，所述第四电感串联设置于所述第二通路中；

所述第二电感、第三电感和第四电感为三相共模电感；

所述反激子电路还包括第一电容，所述第一电容设置于所述电池的负极和所述第二接口端之间，并与所述第一通路并联。

可选地，所述反激子电路还包括第二二极管和第二电容，所述第二二极管串联设置于所述第二通路上，并位于所述第一二极管与所述第一接口端之间，所述第二电容设置于所述第一二极管和所述第二二极管之间，且与所述第二通路并联。

可选地，所述反激子电路还包括第三电容，所述第三电容设置于所述第一电感与所述原边绕组之间，且与所述第一通路并联。

可选地，所述第三电容的数量为3个。

可选地，所述第一电子开关为场效应MOS管。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电池管理系统，包括第二电子开关、第三电子开关和如上任一项所述的电池充电电路，所述电池充电电路中的电池与第二电子开关和第三电子开关串联设置，且所述第二电子开关设置于所述电池管理系统的低边，所述第三电子开关设置于所述电池管理系统的高边。

本发明实施例通过反激子电路和控制子电路实现对电池进行限流充电，由于反激子电路中采用变压器进行升压，因此在充电过程中，充电电压与电池电压差逐渐减小，但由于反激子电路可以根据变压器原副边绕组的匝数比来调节原副边绕组的电压关系，实现升压，从而使得反激子电路可以工作于较低的占空比，从而提升了电池充电时的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述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性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1是本发明实施例提供的电池充电电路的电路图；

图2是本发明实施例提供的第一通路的瞬时电流随时间变化的示意图；

图3是本发明实施例提供的控制流程示意图；

图4是本发明实施例提供的电池管理系统示意图。

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取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

参照图1至图4，本发明实施例提供一种电池充电电路，应用于电池管理系统，包括第一接口端101、第二接口端102、反激子电路、控制子电路和电池400，所述反激子电路包括变压器210、第一电子开关220、第一电感230和第一二极管240，其中，

所述变压器210包括原边绕组211和副边绕组212，所述原边绕组211所在的第一通路上串联设置有所述第一电感230和所述第一电子开关220，所述第一通路的一端与所述电池400的负极电连接，另一端与所述第二接口端102电连接；所述副边绕组212所在的第二通路上串联设置有第一二极管240，所述第二通路的一端与所述第一接口端101电连接，另一端与所述电池400的负极电连接；

所述控制子电路与所述第一电子开关220电连接；

所述控制子电路用于根据所述第一通路的电流，控制所述第一电子开关220的通断。

在本发明实施例中，充电机可以分别与上述第一接口端101和第二接口端102电连接，为电池400充电。恒流充电的过程，为充电电流的平均值恒定的充电过程，根据上述第一电子开关220的导通和断开，充电过程分为两个阶段。

参照图1，图1中a-原边绕组211-b的通路为第一通路，c-副边绕组212-d的通路为第二通路。在上述第一电子开关220导通时，电池400与第一通路分压，充电电流流经电池400和上述第一通路，对电池400进行充电。在上述第一通路中，由于上述第一接口端101和第二接口端102之间的充电电压保持恒定，上述第一通路的电流在输入电压的作用下会线性上升，上述原边绕组211的感应电动势通过电磁感应施加至副边的上述第一二极管240的两端。应理解，如图1所示，根据图1中原副边同名端和上述第一二极管240的导向设置，可以保证上述第一二极管240处于反向截止状态，从而避免上述第二通路导通。同时，上述第一电感230会存储部分电能。

在上述第一电子开关220关断时，由于第一电感230的感应电流存在，上述第一通路的电流不会瞬时突变为0，而是会在关断后快速下降。此时，感应电流在上述原边绕组211产生与上述第一电子开关220导通时相反的感应电动势，并通过电磁感应施加至副边，使得上述第一二极管240正向导通，电流流经上述第二通路和电池400，为电池400进行充电。换言之，在上述第一电子开关220关断时，上述第一电感230中存储的电能通过变压器210，传输至电池400中。

由于充电过程中，充电电压需要大于电池400两端的端电压，因此上述原边绕组211的匝数小于上述副边绕组212的匝数，从而起到升压的作用。在恒流充电的过程中，通过上述控制子电路控制上述第一电子开关220的通断，以控制第一通路电流的平均值，避免充电电流因充电电压和电池400电压间的压差过大而导致的电流过大的问题。

可以理解的是，上述第一电子开关220的导通时间越长，则上述第一通路的电流瞬时最大值越高，从而导致第一通路的电流的平均值越高，反之则第一通路的电流平均值越低。因此，可以通过控制反激子电路的驱动占空比，来控制上述第一通路的电流，即充电电流的平均值。

具体地，上述控制子电路可以通过发送驱动信号控制上述第一电子开关220的通断。在上述第一电子开关220导通时，由于第一通路的电流呈线性变化，因此可以通过电流的瞬时最大值求得电流的平均值，控制子电路可以采集上述第一通路电流在预设周期内的瞬时值，并与预设的参考值进行对比，在电流瞬时值小于预设参考值时，控制子电路可以将上述驱动信号的占空比提高，使得上述第一电子开关220在周期内的导通时间增加，直至第一通路电流瞬时值与上述预设参考值相等，从而限制了充电电流的平均值保持恒定。

由于在充电过程中，电池400电压逐渐上升，上述充电电压和电池400电压的压差降低，因此导致上述反激子电路的输入电压逐渐下降。换句话说，上述第一通路分压降低，从而会导致第一通路的电流下降，此时控制子电路可以采用上述方法，提升驱动信号的占空比，从而提升充电电流的平均值。当然，在一些实施例中，控制子电路也可以降低驱动信号的占空比，从而降低充电电流的平均值，在此不作限定。

需要说明的是，反激子电路中存在连续导通模式(Continous Conduction Mode，CCM)和断续导通模式(Discontinous Conduction Mode，DCM)，在连续导通模式下，第一电子开关220关断的时间内，第一通路的电流不会下降至零，原边电感的能量不完全传输至副边电容。为了简化计算，本发明实施例中的反激子电路可以工作于DCM模式下，在此模式下，第一通路的电流大致呈图2所示，此时电流的平均值即可以根据三角形的面积求得，计算较为简便。

本发明实施例通过反激子电路和控制子电路实现对电池400进行限流充电，由于反激子电路中采用变压器210进行升压，因此在充电过程中，充电电压与电池400电压差逐渐减小，但由于反激子电路可以根据变压器210原副边绕组212的匝数比来调节原副边绕组212的电压关系，实现升压，从而使得反激子电路可以工作于较低的占空比，从而提升了电池400充电时的安全性。

此外，由于反激子电路中采用变压器210进行升压，在充电电压较大的情况下，例如多串电池400充电的情况下，通过本发明实施例，只需要调整变压器210原副边绕组212的匝数比来调节原副边绕组212的电压，就可以使得反激子电路工作于较低的占空比，进一步提升了电池400充电时的安全性。

可选地，所述控制子电路可以包括微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)芯片，所述MCU芯片310与所述第一电子开关220电连接；

所述MCU芯片310通过驱动信号驱动所述第一电子开关220的导通，并通过控制驱动信号的占空比，控制所述第一电子开关220的通断频率。

进一步地，所述控制子电路还可以包括集成电路(Integrated Circuit，IC)芯片，所述MCU芯片310通过所述IC芯片320与所述第一电子开关220电连接；

所述MCU芯片310通过驱动信号指示所述IC芯片320产生驱动电流，以驱动所述第一电子开关220的导通；所述MCU芯片310通过控制驱动信号的占空比，控制所述第一电子开关220的通断频率。

在本发明实施例中，上述MCU芯片310可以用于根据采集到的充电电路的电流值，来发送驱动信号，驱动信号使得上述第一电子开关220导通。由于MCU芯片310的驱动能力较弱，可能不能产生足够的驱动电流使得上述第一电子开关220导通，因此，参照图3，上述MCU芯片310可以发送驱动信号给上述IC芯片320，由IC芯片320根据驱动信号发送驱动电流，驱动电流使得上述第一电子开关220导通，从而降低了反激子电路的故障率。

具体地，上述MCU芯片310和IC芯片320的型号可以根据实际需要进行设置。在本发明实施例中，上述MCU芯片310可以采用包括但不限于S9KEAZ_128的型号来实现上述功能，而上述IC芯片320可以采用包括但不限于UCC_27517的型号来实现上述功能，在此不作进一步的限定。

进一步地，所述反激子电路还可以包括分流器250，所述分流器250串联设置于所述第一通路上，并与所述MCU芯片310电连接，用于采集所述第一通路的电流，并将所述第一通路的电流信号转换为电压信号，传输至所述MCU芯片310。

在本发明实施例中，上述分流器250可以看作一个阻值较小的电阻，上述MCU芯片310通过采集上述分流器250两端的电压，即可获知上述第一通路的瞬时电流。

可选地，所述反激子电路还包括第二电感261、第三电感262、第四电感263和第一电容270，所述第二电感261和第三电感262串联设置于所述第一通路中，所述第四电感263串联设置于所述第二通路中；

所述第二电感261、第三电感262和第四电感263为三相共模电感；

所述第一电容270设置于所述电池400的负极和所述第二接口端102之间，并与所述第一通路并联。

在本发明实施例中，为了遏制反激子电路内的共模噪声，参照图1，上述反激子电路内可以设置有三相共模电感，上述第一电容270和第二电感261构成噪声抑制回路，抑制上述变压器210产生的噪声，从而降低对电池管理系统和对外部设备的干扰。

可选地，所述反激子电路还可以包括第二二极管281和第二电容282，所述第二二极管281串联设置于所述第二通路上，并位于所述第一二极管240与所述第一接口端101之间，所述第二电容282设置于所述第一二极管240和所述第二二极管281之间，且与所述第二通路并联。

在本发明实施例中，上述第二电容282可以看作输出滤波电容，起到稳压滤波的作用，而上述第二二极管281可以避免充电机通过上述第一接口端101和第二接口端102直接为上述第二电容282充电，从而导致第二电容282的滤波功能失效。

可选地，为了减小充电的纹波电流，所述反激子电路还可以包括第三电容290，所述第三电容290设置于所述第一电感230与所述原边绕组211之间，且与所述第一通路并联。

进一步地，为了提升第三电容290的总电容量，从而提升滤波效率，所述第三电容290的数量可以为3个。

可选地，所述第一电子开关220可以为场效应(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)管。当然，在其他可选的实施例中，上述第一电子开关220也可以为绝缘栅双极型晶体(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)管等电子开关器件，具体可以根据实际需要进行设置。

参照图4，本发明实施例还提供一种电池管理系统，包括第二电子开关500、第三电子开关600和如上任一实施例所述的电池充电电路，所述电池充电电路中的电池400与第二电子开关500和第三电子开关600串联设置，且所述第二电子开关500设置于所述电池管理系统的低边，所述第三电子开关600设置于所述电池管理系统的高边。

在本发明实施例中，上述第二电子开关500和第三电子开关600可以分开布置，上述第二电子开关500位于低边，可以由上述电池充电电路中的控制子电路控制。而上述第三电子开关600位于高边，可以由电池管理系统中的模拟前端(Analog Front End，AFE)控制，从而便于上述电池充电电路的布置。

在充电时，上述第三电子开关600导通，第二电子开关500关断，充电电流流经电池400和第一通路，为电池400充电。在放电时，上述第三电子开关600和第二电子开关500均导通，电池400通过上述第一接口端101和第二接口端102向外放电。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电池充电电路，应用于电池管理系统，其特征在于，包括第一接口端、第二接口端、反激子电路、控制子电路和电池，所述反激子电路包括变压器、第一电子开关、第一电感和第一二极管，其中，

所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组所在的第一通路上串联设置有所述第一电感和所述第一电子开关，所述第一通路的一端与所述电池的负极电连接，另一端与所述第二接口端电连接；所述副边绕组所在的第二通路上串联设置有第一二极管，所述第二通路的一端与所述第一接口端电连接，另一端与所述电池的负极电连接；

所述控制子电路与所述第一电子开关电连接；

所述控制子电路用于根据所述第一通路的电流，控制所述第一电子开关的通断，所述第一电子开关导通时，通过所述第一通路的电流的瞬时最大值求得所述第一通路的电流的平均值，所述控制子电路采集所述第一通路的电流在预设周期内的瞬时值，并与预设参考值进行对比，在所述瞬时值小于所述预设参考值时，所述控制子电路将驱动信号的占空比提高，使得所述第一电子开关在所述预设周期内的导通时间增加，直至所述第一通路的电流的瞬时值等于所述预设参考值，在所述瞬时值大于所述预设参考值时，所述控制子电路将驱动信号的占空比降低，使得所述第一电子开关在所述预设周期内的导通时间减少，直至所述第一通路的电流的瞬时值等于所述预设参考值，所述驱动信号为驱动所述第一电子开关导通的信号。

2.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述控制子电路包括微控制单元MCU芯片，所述MCU芯片与所述第一电子开关电连接；

所述MCU芯片通过所述驱动信号驱动所述第一电子开关的导通，并通过控制所述驱动信号的占空比，控制所述第一电子开关的通断频率。

3.根据权利要求2所述的电池充电电路，其特征在于，所述控制子电路还包括集成电路IC芯片，所述MCU芯片通过所述IC芯片与所述第一电子开关电连接；

所述MCU芯片通过所述驱动信号指示所述IC芯片产生驱动电流，以驱动所述第一电子开关的导通；所述MCU芯片通过控制所述驱动信号的占空比，控制所述第一电子开关的通断频率。

4.根据权利要求2所述的电池充电电路，其特征在于，所述反激子电路还包括分流器，所述分流器串联设置于所述第一通路上，并与所述MCU芯片电连接，用于采集所述第一通路的电流，并将所述第一通路的电流信号转换为电压信号，传输至所述MCU芯片。

5.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述反激子电路还包括第二电感、第三电感、第四电感和第一电容，所述第二电感和第三电感串联设置于所述第一通路中，所述第四电感串联设置于所述第二通路中；

所述第二电感、第三电感和第四电感为三相共模电感；

所述第一电容设置于所述电池的负极和所述第二接口端之间，并与所述第一通路并联。

6.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述反激子电路还包括第二二极管和第二电容，所述第二二极管串联设置于所述第二通路上，并位于所述第一二极管与所述第一接口端之间，所述第二电容设置于所述第一二极管和所述第二二极管之间，且与所述第二通路并联。

7.根据权利要求5所述的电池充电电路，其特征在于，所述反激子电路还包括第三电容，所述第三电容设置于所述第一电感与所述原边绕组之间，且与所述第一通路并联。

8.根据权利要求7所述的电池充电电路，其特征在于，所述第三电容的数量为3个。

9.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述第一电子开关为场效应MOS管。

10.一种电池管理系统，其特征在于，包括第二电子开关、第三电子开关和如权利要求1-9中任一项所述的电池充电电路，所述电池充电电路中的电池与第二电子开关和第三电子开关串联设置，且所述第二电子开关设置于所述电池的负极侧，所述第三电子开关设置于所述电池的正极侧。