CN113113953A - 一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低速电动车充电技术领域，公开了一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，针对目前低速电动车的几种充电控制电路所存在的缺陷，提出了一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，控制逻辑简单，可靠性高，能够在两电池包亏电时进行同时充电，也能实现在两电池包电压和容量出现不匹配时通过单独补电的方式来达到电压和容量的一致性，具有控制逻辑简单和可靠性高的优点，为车载电池包的串并联操作创造有利条件，具有较大的应用价值。

Description

一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路
技术领域
本发明涉及低速电动车充电技术领域，特别涉及一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路。
背景技术
现阶段，以老年代步车为代表的低速电动车凭借价格亲民、灵巧便利、实用易维护等优势在三、四线城市、小城镇和乡村之间占据了很大市场份额，除此以外，诸如高尔夫球车、警用巡逻车、景区观光车等场地用低速电动车也深受市场欢迎，低速电动车的发展虽然只有十年光景，当前已经成为交通体系的重要组成部分，市场体量也从起步的几万台发展到年销量上百万台。
低速电动车的消费人群一般收入不高，况且不享受国家补贴，因此在安全技术要求和成本控制方面与新能源电动汽车(补贴车)不可同日而语。不同的市场定位决定了低速电动车在动力配置和电控设计方面必然有别于新能源电动汽车。低速电动车动力来源一般选择锂离子电池，电度数一般在5～10KWh，工作电压平台主要有48Vdc、60Vdc、72Vdc以及96Vdc等几种，如果采用磷酸铁锂电池，最多30串；如果采用钴酸锂、锰酸锂或者三元锂电池，最多27串。在实际应用中，为了连接和安装方便，同时便于维修、换电等售后维护，一般将锂离子电池组分割成电池包的形式或串联或并联，串联是为了提升直流电压平台，并联是为了增加电池容量，最终目的都是提升车辆续航里程及车载电气功率性能。
但电池包的串联或并联不是随意组合的，即使规格相同的电池包也不能随意串并联，只有在两个电池包电压平台相等及容量相等，或者电压平台及容量控制在一定的公差范围内才能进行串并联。如果两个电池包电压平台或容量不一样，强行进行串联会导致两个电池包在充放电过程中产生不平衡现象，即压差和容量差异逐渐拉大，最终导致整组电池出现充电不满、放电不空的现象，严重降低了电池的放电性能和整车的续航里程；而强行进行并联会导致两个电池包在并联的瞬间产生放电打火现象，高电压和高容量电池包会对低电压和低容量电池包进行短时大电流放电，会直接导致接插件或连接触点烧蚀老化，并对锂离子电池产生不可逆的伤害，势必会缩短电池的循环次数和使用寿命。
不同于新能源电动汽车，低速电动车的充电方式只有慢充这一种，具有充电电压低、充电电流小、充电时间长的特点，一般是白天出行，晚上充电。图1是现阶段所采用的一种双电池包可串联充电和单独补电的充电控制电路原理图，图2是现阶段所采用的一种双电池包可同时充电的充电控制电路原理图，这两种充电控制电路使用比较广泛，具有一定的代表性。
在图1和图2所示电路中，选择48Vdc工作电压平台的低速电动车为例，采用16串磷酸铁锂电池串联成组，每8串电池为一个电池包，共分两个电池包：1#电池包和2#电池包。两个电池包统一由电池管理系统BMS负责电压采集和充电逻辑控制，以保证电池充电安全。
图1所示充电控制电路通过相应的控制逻辑可以实现两个电池包的串联充电和单独补电，逻辑控制管脚CO1～CO4由电池管理系统BMS输出，MOS管QT1～QT4为充电控制开关，当栅极控制电平CO1～CO4输出高电平时，对应MOS管闭合，当栅极控制电平CO1～CO4输出低电平时，对应MOS管断开。外置充电器采用恒流恒压的工作模式，输出电压范围覆盖单电池包电压以及两电池包串联总压，通过充电口JP1与车载电池包对接并对其进行充电，控制逻辑描述如下：
(1)当CO2和CO3输出高电平，CO1和CO4输出低电平时，MOS管QT3和QT2闭合，MOS管QT1和QT4断开，充电器对两个电池包进行串联充电；
(2)当CO1和CO2输出高电平，CO3和CO4输出低电平时，MOS管QT1和QT3闭合，MOS管QT2和QT4断开，充电器对1#电池包进行单独补电；
(3)当CO3和CO4输出高电平，CO1和CO2输出低电平时，MOS管QT2和QT4闭合，MOS管QT1和QT3断开，充电器对2#电池包进行单独补电；
(4)在充电过程中，当电池过压、过温、过流或短路保护阈值被触发时，可通过控制对应MOS管的栅极电平以切断相应电池包的充电回路；
(5)两电池包在准备串联或并联使用时，如果出现两电池包电压不一致现象，则通过步骤(2)或者步骤(3)的控制逻辑对电压偏低的电池包进行单独补电，直至两电池包电压完全相等后才可进行串并联操作。
图2所示充电控制电路只能实现两个电池包的同时充电，逻辑控制管脚CT1和CT2由电池管理系统BMS输出，MOS管QN1和QN2为充电控制开关，二极管DD1～DD4为反流二极管，当栅极控制电平CT1和CT2输出高电平时，对应MOS管闭合，当栅极控制电平CT1和CT2输出低电平时，对应MOS管断开。外置充电器采用恒流恒压的工作模式，输出电压范围覆盖单电池包电压，通过充电口JP1与车载电池包对接并对其进行充电，控制逻辑描述如下：
(1)当CT1和CT2输出高电平时，MOS管QN1和QN2闭合，充电器对两个电池包进行同时充电；
(2)1#电池包的充电路径为：充电口JP1正极→QN1→DD1→1#电池包→DD3→QN2→充电口JP1负极；
(3)2#电池包的充电路径为：充电口JP1正极→QN1→DD2→2#电池包→DD4→QN2→充电口JP1负极；
(4)在充电过程中，当电池过压、过温、过流或短路保护阈值被触发时，可通过控制对应MOS管的栅极电平以切断相应电池包的充电回路。
图1所示充电控制电路虽然可以实现两个电池包的串联充电和单独补电，但对充电控制开关QT1～QT4的控制逻辑时序要求非常严格，如果在控制的过程中出现MOS管QT3和QT4同时闭合的情况，那么1#电池包就会直接短路；如果在控制的过程中出现MOS管QT1和QT2同时闭合的情况，那么2#电池包就会直接短路，势必导致充电控制电路瞬间烧毁。电池管理系统BMS中微处理器(CPU)的输入输出(I/O)管脚在上电、引导加载程序(Bootloader)和复位(Reset)等模式下会出现输出电平未知或不确定状态，那这个时候就很容易出现QT1/QT2或QT3/QT4上下桥臂直通的现象，严重时可引起充电冒烟起火的安全事故发生。
图2所示充电控制电路在每个电池包的充电回路上都有两个反流二极管，因为管压降的原因，在充电时会产生较大发热损耗，充电效率较低，同时也不能实现两个电池包的单独补电。
鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种控制逻辑简单、可靠性高，并可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种控制逻辑简单、可靠性高并可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，旨在实现当两电池包亏电时能够进行同时充电，也能实现在两电池包电压和容量出现不匹配时通过单独补电的方式来达到电压和容量的一致性，为车载电池包的串并联操作创造有利条件。
为实现上述目的，本发明提出的可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，包括1#电池包、2#电池包、电池管理系统BMS、MOS管QM1、MOS管QM2、MOS管QM3、MOS管QM4、反流二极管DE1、反流二极管DE2、高频变压器T1、高频变压器T2以及充电口JP1，所述1#电池包和2#电池包分别与所述电池管理系统BMS电连接，所述电池管理系统BMS设有逻辑控制管脚PWM1～PWM4，所述1#电池包的正负极分别与所述MOS管QM1和高频变压器T1电连接，所述反流二极管DE1的两端分别与所述高频变压器T1和MOS管QM1电连接，所述高频变压器T1的一端与所述充电口JP1的正极电连接，所述高频变压器T1的另一端依次与所述MOS管QM2和充电口JP1的负极串联电连接，所述逻辑控制管脚PWM1和PWM2分别与所述MOS管QM1和MOS管QM3电连接，所述MOS管QM3依次与所述反流二极管DE2、高频变压器T2、MOS管QM4以及充电口JP1的负极串联电连接，所述高频变压器T1和高频变压器T2分别与所述充电口JP1的正极电连接，所述2#电池包的正负极分别与所述MOS管QM3和高频变压器T2电连接，所述逻辑控制管脚PWM3和PWM4分别与所述MOS管QM2和MOS管QM4电连接。
进一步地，所述MOS管QM2和MOS管QM4为高频变压器T1和高频变压器T2的原边信号激励输入端，所述MOS管QM1和MOS管QM3为高频变压器T1和高频变压器T2的副边信号输出控制。
进一步地，所述逻辑控制管脚PWM1和PWM3输出的脉冲宽度调制信号相位互补，相差180°。
进一步地，所述逻辑控制管脚PWM2和PWM4输出的脉冲宽度调制信号相位互补，相差180°。
进一步地，所述逻辑控制管脚PWM3和PWM4输出的脉冲宽度调制信号相位相同。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明提出的充电控制电路由4个MOS管QM1、QM2、QM3、QM4和2个二极管DE1、DE2，以及2个高频变压器T1、T2构成，MOS管QM1～QM4为充电控制开关，QM2和QM4用作高频变压器原边信号激励，QM1和QM3用作高频变压器副边信号输出控制；二极管DE1、DE2为反流二极管，高频变压器T1、T2和MOS管QM1～QM4组成两路反激式开关电源，分别用于对1#电池包和2#电池包进行充电；
2、本发明提出的充电控制电路中逻辑控制管脚PWM1～PWM4由电池管理系统BMS输出，均为脉冲宽度调制信号，其中PWM1和PWM3输出的脉冲宽度调制信号相位互补，相差180°；PWM2和PWM4输出的脉冲宽度调制信号相位互补，相差180°，而PWM3和PWM4输出的脉冲宽度调制信号相位相同；
3、本发明提出的充电控制电路控制逻辑简单，可靠性高，能够在两电池包亏电时进行同时充电，也能实现在两电池包电压和容量出现不匹配时通过单独补电的方式来达到电压和容量的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为现阶段所采用的一种双电池包可串联充电和单独补电的充电控制电路原理图；
图2为现阶段所采用的一种双电池包可同时充电的充电控制电路原理图；
图3为本发明提出的一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路原理图；
图4为本发明提出的充电控制电路中逻辑控制管脚PWM1～PWM4的时序波形图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路。
如图3和图4所示，在本发明一实施例中，该可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，包括1#电池包、2#电池包、电池管理系统BMS、MOS管QM1、MOS管QM2、MOS管QM3、MOS管QM4、反流二极管DE1、反流二极管DE2、高频变压器T1、高频变压器T2以及充电口JP1，所述1#电池包和2#电池包分别与所述电池管理系统BMS电连接，所述电池管理系统BMS设有逻辑控制管脚PWM1～PWM4，所述1#电池包的正负极分别与所述MOS管QM1和高频变压器T1电连接，所述反流二极管DE1的两端分别与所述高频变压器T1和MOS管QM1电连接，所述高频变压器T1的一端与所述充电口JP1的正极电连接，所述高频变压器T1的另一端依次与所述MOS管QM2和充电口JP1的负极串联电连接，所述逻辑控制管脚PWM1和PWM2分别与所述MOS管QM1和MOS管QM3电连接，所述MOS管QM3依次与所述反流二极管DE2、高频变压器T2、MOS管QM4以及充电口JP1的负极串联电连接，所述高频变压器T1和高频变压器T2分别与所述充电口JP1的正极电连接，所述2#电池包的正负极分别与所述MOS管QM3和高频变压器T2电连接，所述逻辑控制管脚PWM3和PWM4分别与所述MOS管QM2和MOS管QM4电连接。
具体地，所述MOS管QM2和MOS管QM4为高频变压器T1和高频变压器T2的原边信号激励输入端，所述MOS管QM1和MOS管QM3为高频变压器T1和高频变压器T2的副边信号输出控制，反流二极管DE1和反流二极管DE2，高频变压器T1、高频变压器T2以及MOS管QM1～QM4组成两路反激式开关电源，分别用于对1#电池包和2#电池包进行充电。
逻辑控制管脚PWM1～PWM4由电池管理系统BMS输出，均为脉冲宽度调制信号，其中逻辑控制管脚PWM1和逻辑控制管脚PWM3输出的脉冲宽度调制信号相位互补，相差180°；逻辑控制管脚PWM2和逻辑控制管脚PWM4输出的脉冲宽度调制信号相位互补，相差180°，而逻辑控制管脚PWM3和逻辑控制管脚PWM4输出的脉冲宽度调制信号相位相同。图4为电池管理系统BMS逻辑控制管脚PWM1～PWM4的时序波形，根据线圈同名端定义，当逻辑控制管脚PWM3和PWM4输出高电平脉冲“H”时，两路反激式开关电源无输出；当逻辑控制管脚PWM3和PWM4输出低电平脉冲“L”时，两路反激式开关电源开始输出功率，分别对两电池包进行充电；如果逻辑控制管脚PWM1持续输出低电平，MOS管QM1断开，则可以完全关断1#电池包的充电回路；如果逻辑控制管脚PWM2持续输出低电平，MOS管QM3断开，则可以完全关断2#电池包的充电回路，这样在需要单独给某一个电池包充电时，就可以通过关闭另一个电池包相应的输出控制开关来实现。外置充电器采用恒流恒压的工作模式，输出电压范围覆盖单电池包电压，通过充电口JP1与车载电池包对接并对其进行充电。
本发明提出的充电控制电路可实现双电池包同时充电和单独补电，结合图3所示电路原理图，其工作过程和控制逻辑描述如下：
(1)当逻辑控制管脚PWM3和逻辑控制管脚PWM4输出同相位的脉冲宽度调制信号，逻辑控制管脚PWM1和逻辑控制管脚PWM2输出对应逻辑控制管脚PWM3和逻辑控制管脚PWM4相位互补的脉冲宽度调制信号时，充电器对两个电池包进行同时充电；
(2)当逻辑控制管脚PWM3和逻辑控制管脚PWM4输出同相位的脉冲宽度调制信号，逻辑控制管脚PWM1持续输出高电平，逻辑控制管脚PWM2持续输出低电平时，充电器对1#电池包进行单独补电；
(3)当逻辑控制管脚PWM3和逻辑控制管脚PWM4输出同相位的脉冲宽度调制信号，逻辑控制管脚PWM2持续输出高电平，逻辑控制管脚PWM1持续输出低电平时，充电器对2#电池包进行单独补电；
(4)在充电过程中，当电池过压、过温、过流或短路保护阈值被触发时，逻辑控制管脚PWM1、逻辑控制管脚PWM3持续输出低电平，MOS管QM1、MOS管QM2断开，可使1#电池包停止充电；逻辑控制管脚PWM2、逻辑控制管脚PWM4持续输出低电平，MOS管QM3、MOS管QM4断开，可使2#电池包停止充电；
(5)两电池包在准备串联或并联使用时，如果出现两电池包电压不一致现象，则通过步骤(2)或者步骤(3)的控制逻辑对电压偏低的电池包进行单独补电，直至两电池包电压完全相等后才可进行串并联操作。
具体地，本发明的技术方案针对目前低速电动车的几种充电控制电路所存在的缺陷，提出了一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，控制逻辑简单，可靠性高，能够在两电池包亏电时进行同时充电，也能实现在两电池包电压和容量出现不匹配时通过单独补电的方式来达到电压和容量的一致性，具有控制逻辑简单和可靠性高的优点，为车载电池包的串并联操作创造有利条件，具有较大的应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，其特征在于，包括1#电池包、2#电池包、电池管理系统BMS、MOS管QM1、MOS管QM2、MOS管QM3、MOS管QM4、反流二极管DE1、反流二极管DE2、高频变压器T1、高频变压器T2以及充电口JP1，所述1#电池包和2#电池包分别与所述电池管理系统BMS电连接，所述电池管理系统BMS设有逻辑控制管脚PWM1～PWM4，所述1#电池包的正负极分别与所述MOS管QM1和高频变压器T1电连接，所述反流二极管DE1的两端分别与所述高频变压器T1和MOS管QM1电连接，所述高频变压器T1的一端与所述充电口JP1的正极电连接，所述高频变压器T1的另一端依次与所述MOS管QM2和充电口JP1的负极串联电连接，所述逻辑控制管脚PWM1和PWM2分别与所述MOS管QM1和MOS管QM3电连接，所述MOS管QM3依次与所述反流二极管DE2、高频变压器T2、MOS管QM4以及充电口JP1的负极串联电连接，所述高频变压器T1和高频变压器T2分别与所述充电口JP1的正极电连接，所述2#电池包的正负极分别与所述MOS管QM3和高频变压器T2电连接，所述逻辑控制管脚PWM3和PWM4分别与所述MOS管QM2和MOS管QM4电连接。
2.根据权利要求1所述的可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，其特征在于，所述MOS管QM2和MOS管QM4为高频变压器T1和高频变压器T2的原边信号激励输入端，所述MOS管QM1和MOS管QM3为高频变压器T1和高频变压器T2的副边信号输出控制。
3.根据权利要求1所述的可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，其特征在于，所述逻辑控制管脚PWM1和PWM3输出的脉冲宽度调制信号相位互补，相差180°。
4.根据权利要求1所述的可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，其特征在于，所述逻辑控制管脚PWM2和PWM4输出的脉冲宽度调制信号相位互补，相差180°。
5.根据权利要求1所述的可实现双电池包同时充电和单独补电的充电控制电路，其特征在于，所述逻辑控制管脚PWM3和PWM4输出的脉冲宽度调制信号相位相同。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111566887A (zh) * 2018-02-09 2020-08-21 施瓦哲工程实验有限公司 用于功率系统稳定性的电力发电机选择、卸载和减负荷

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