CN113328158A - 用于电动工具的多节串联锂电池组的压差修复充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电动工具的多节串联锂电池组的压差修复充电方法，即电池压差修复充电器。电池压差修复充电器由传统的充电器基础上增加信号采集与处理和旁通放电电路及MCU运算软件组成。电池压差修复充电器采集电池组各节电池对应电平，MCU计算每支电池电压E及任意一支电池与最低一支电池电压压差ΔE。本发明弥补了常用充电方法只能整体充电的缺点，不仅使资源得到充分利用，更进一步使各节电池之间的压差趋于缩小，避免了电池组容量衰减，且延长了电池组使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池应用领域，尤其涉及一种锂电池充电器优化的方法，即一种用于电动工具的由逻辑电路控制的多节串联锂电池组的充电方法。
背景技术
在电动工具领域，一般都是采用多节锂电池串联成电池组给电机供电，为了达到电池组的容量最大化，要求每节电池的电压一致，即各电池间压差为0，实际使用中，因为循环充放电，电池组中会产生压差并不断增大，降低了电池组的容量输出并影响了电池组的使用寿命。目前锂电池组充电管理方案是这样的：电池组上安装由专用芯片组成的保护板，保护板起的作用是，当任何一节电池充电电压到达阈值时，所有电池的充电被一起关断。充电器仅仅起提供充电能源作用。这样当锂电池中各支电池在不断使用中出现电压差时，就无法得到修复和弥补，循环往复，会使各支电池压差不断加大，电池组的容量衰减很大且寿命大为缩短。
表1是现有几款充电器的测试结果
| 型号 | 串接数 | 电池品牌型号 | 初始压差 | 100周期压差 |
| A3 | 3 | HSD18650-2000 | 20mV | 99mV |
| A4 | 4 | HSD18650-2000 | 20mV | 103mV |
| A5 | 5 | TP18650-2000 | 20mV | 152mV |
| A6 | 6 | TP18650-2000 | 20mV | 137mV |
| A10 | 10 | TP18650-2000 | 20mV | 143mV |
发明内容
本发明电池压差修复充电器是一种智能化充电管理：取消电池包上的保护板装置(可以节省成本)，在传统充电器的基础上加上一种MCU控制电路去管理一种旁通放电电路组成电池压差修复充电器。MCU采集每节电池的电平信号，计算每节电池电压，计算任意电池跟最低电压电池的压差，当压差大于预先设定的阈值时，启动高电压电池对应的旁通电路控制MOS管，使充电电流绕过该电池进入下一节电池，这样会消除电池间压差。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于电动工具的多节串联锂电池组的压差修复充电方法，包括电池压差修复充电器，电池压差修复充电器由传统的充电器基础上、信号采集与处理和旁通放电电路及MCU运算软件组成，电池压差修复充电器采集电池组各节电池对应电平，MCU计算每支电池电压E及任意一支电池电压与最低一支电池电压压差ΔE，压差修复充电方法包括以下步骤：
A1、电池组各级电平经采集；
B1、MCU计算各节电池电压Ei；
C1、任意一节电池电压达到3.7V之后，MCU计算该节电池电压和最低一节电池电压压差ΔEi，具体情况如下：
a1、当ΔE≥30mV时，MCU输出指令，导通旁通放电电路MOS管，高电压电池放电；
b1、当ΔE≤10mV时，MCU输出指令，切断旁通放电电路MOS管，电池放电停止；
c1、当E≥4225mV时,MCU指令主输出回路控制MOS管关闭，停止电池组充电；
d1、当E≤4100mV时，MCU指令主输出回路控制MOS管导通，恢复电池组充电。
本发明的进一步改进在于：MCU的控制流程如下：
A2、启动开机，关断充电总控制MOS管，关断各级旁通放电电路MOS管；
B2、读取与存储数据、各级电平还原倍数及控制阈值；
C2、将各节电平依次做A/D转换，获得MCU可处理的数字信号；
D2、各节电池电压E的还原计算；
E2、任意一节电池电压和最低一节电池电压压差ΔE计算；
F2、任意一节电池电压达到3.7V之后,比较ΔE与控制阈值的高低并输出控制信号给旁通放电电路执行MOS管，此处的阈值为30mV；
G2、比较各节电池电压E与控制阈值的高低并输出控制信号给充电器主输出回路控制MOS管，此时的阈值为4225mV，比较结果为：
当某节电池电压E≥4225mV,主控制输出切断指令，主回路控制MOS管关断，停止电池组充电；当某节电池电压E≤4100mV，主控制输出导通指令，主回路控制MOS管开通，恢复电池组充电；
H2、延时5秒，延时设置是为了避免不必要的频繁动作；
I2、返回步骤C2，循环往复。
本发明的进一步改进在于：步骤C1中的旁通放电电路为分流旁通电路，实现了各节电池电压的均衡功能，旁通放电电路由执行MOS管和串联电阻组成，常态下旁通放电电路执行MOS管切断；MCU输出的指令信号控制执行MOS管动作，即：
任意一节电池电压达到3.7V之后,如果ΔE≥30mV，旁通放电电路执行MOS管导通；如果ΔE≤10mV，旁通放电电路执行MOS管切断。
本发明的进一步改进在于：旁通放电电路的串联电阻取值范围4Ω-30Ω。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设置MCU运算处理加上分流旁通电路控制，实现了各节电池分别充电，弥补了常用充电方法的缺憾，这不仅让资源得到充分的利用，还使得各节电池之间的压差缩小，减小电池组容量衰减，使得电池组使用寿命得以延长。
附图说明
图1为传统充电器电路图。
图2为电池压差修复充电器电路图。
B部分是普通充电器电路，C+，C-为输出充电电流。
A部分中，B5，B4，B3，B2，B1表示串联的5节电池，对应的电平分别为U5，U4，U3，U2，U1，对应的电压E分别为E5＝U5-U4，E4＝U4-U3，E3＝U3-U2，E2＝U2-U1，E1＝U1。
MCU的1脚2脚3脚4脚5脚通过RX5、RX51、CX5，RX4、RX41、CX4，RX3、RX31、CX3，RX2、RX21、CX2，RX1、RX11、CX1分别采集5节电池的电平U5，U4，U3，U2，U1。
MCU运算：1，计算每节电池电压E5，E4，E3，E2，E1；2，判断最低一节电池电压；3，计算任意一节电池与最低一节电池压差ΔEi。
MCU指令：1，当任意一节电池电压E达到4.225V，MCU的9脚输出低电平给MOS管Q3，关断充电；2，当任意电池压差ΔE大于30mV，MCU第15脚14脚13脚12脚11脚中对应的脚位输出高电平，打开对应的旁通MOS管M51、M41、M31、M21、M11的一个或几个，使得充电电流通过旁通电路绕开高电压的电池进入下一节电池。
图3为MCU软件流程图。
图4为锂电池保护板电路图。
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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例提供一种技术方案：一种用于电动工具的多节串联锂电池组的压差修复充电方法，即电池压差修复充电器。电池压差修复充电器由传统的充电器基础上增加信号采集与处理和旁通放电电路及MCU运算软件组成。电池压差修复充电器采集电池组各节电池对应电平，MCU计算每支电池电压E及任意一支电池与最低一支电池电压压差ΔE。当任意一支电池电压E达到本方案设定阈值(4.225V)时，MCU指令关闭主电路充电，使得每支电池都不会发生过充电；当任意一支电池与最低一支电池电压压差ΔE达到本方案设定阈值(30mV)时，MCU指令开通对应该电池的旁通电路，使得充电电流不经过该电池而进入下一支电池，使得高电压电池停止充电或减小充电，低电压电池正常充电。
压差修复充电方法包括以下步骤：
A1、电池组的各级电平经由1％精度电阻分压，分压后的电压转换为微处理器工作电平范围内可识别的模拟信号；
B1、MCU计算各节电池电压Ei；
C1、任意一节电池电压达到3.7V之后，MCU计算该节电池电压和最低一节电池电压压差ΔEi，具体情况如下：
a1、当ΔE≥30mV时，MCU输出指令，导通旁通放电电路MOS管，高电压电池放电；
b1、当ΔE≤10mV时，MCU输出指令，切断旁通放电电路MOS管，电池放电停止；
c1、当E≥4225mV时,MCU指令主输出回路控制MOS管关闭，停止电池组充电；
d1、当E≤4100mV时，MCU指令主输出回路控制MOS管导通，恢复电池组充电。
通过计算，微处理器确定哪些电池需要充电，哪些电池必须停止充电；表2给出一款5路充电器具体技术参数。
表2 MCU信号处理及充电控制参数设置：
MCU输出的控制信号是TTL电平，TTL电平经由下级电平转换单元形成最终的充电通断信号，控制执行MOS管；
与每节电池相并联的是通断可控的旁通电路，旁通电路由控制执行MOS管串联功率电阻组成，需要停止充电的电池充电电流通过旁通电路进入下一节电池。
MCU的控制流程如下：
A2、启动开机，关断充电总控制MOS，关断各级旁通放电电路MOS；
B2、读取与存储数据、各级电平还原倍数及控制阈值；
C2、将各节电平依次做A/D转换，获得MCU可处理的数字信号；
D2、各节电池电压E的还原计算；
E2、任意一节电池电压和最低一节电池电压压差ΔE计算；
F2、任意一节电池电压达到3.7V之后,比较ΔE与控制阈值的高低并输出控制信号给旁通放电电路执行MOS管，此处的阈值为30mV；
G2、比较各节电池电压E与控制阈值的高低并输出控制信号给充电器主输出回路控制MOS管，此时的阈值为4225mV，比较结果为：
当某节电池电压E≥4225mV,主控制输出切断指令，主回路控制MOS管关断，停止电池组充电；当某节电池电压E≤4100mV，主控制输出导通指令，主回路控制MOS管开通，恢复电池组充电；
H2、延时5秒，延时设置是为了避免不必要的频繁动作；
I2、返回步骤C2，循环往复。
步骤C1中的旁通放电电路为分流旁通电路，实现了各节电池电压的均衡功能，所述旁通放电电路由执行MOS管和串联电阻组成，旁通放电电路的串联电阻取值范围4Ω-30Ω，常态下旁通放电电路执行MOS管切断；MCU输出的指令信号控制执行MOS管动作，即：
任意一节电池电压达到3.7V之后,如果ΔE≥30mV，旁通放电电路执行MOS管导通；如果ΔE≤10mV，旁通放电电路执行MOS管切断。
表3是本发明的几款充电器测试结果。
| 型号 | 串接数 | 电池品牌型号 | 初始压差 | 200周期压差 |
| A3 | 3 | HSD18650-2000 | 100mV | 11mV |
| A4 | 4 | HSD18650-2000 | 200mV | 10mV |
| A5 | 5 | TP18650-2000 | 150mV | 7mV |
| A6 | 6 | TP18650-2000 | 230mV | 14mV |
| A10 | 10 | TP18650-2000 | 280mV | 12mV |
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式，例如，能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种用于电动工具的多节串联锂电池组的压差修复充电方法，包括电池压差修复充电器，所述电池压差修复充电器由传统的充电器基础上、信号采集与处理和旁通放电电路及MCU运算软件组成，电池压差修复充电器采集电池组各节电池对应电平，MCU计算每支电池电压E及任意一支电池电压与最低一支电池电压压差ΔE，其特征在于：压差修复充电方法包括以下步骤：
A1、电池组各级电平经采集；
B1、MCU计算各节电池电压Ei；
C1、任意一节电池电压达到3.7V之后，MCU计算该节电池电压和最低一节电池电压压差ΔEi，具体情况如下：
a1、当ΔE≥30mV时，MCU输出指令，导通旁通放电电路MOS管，高电压电池放电；
b1、当ΔE≤10mV时，MCU输出指令，切断旁通放电电路MOS管，电池放电停止；
c1、当E≥4225mV时,MCU指令主输出回路控制MOS管关闭，停止电池组充电；
d1、当E≤4100mV时，MCU指令主输出回路控制MOS管导通，恢复电池组充电。
2.根据权利要求1所述一种用于电动工具的多节串联锂电池组的压差修复充电方法，其特征在于：MCU的控制流程如下：
A2、启动开机，关断充电总控制MOS管，关断各级旁通放电电路的MOS管；
B2、读取与存储数据、各级电平还原倍数及控制阈值；
C2、将各节电平依次做A/D转换，获得MCU可处理的数字信号；
D2、各节电池电压E的还原计算；
E2、任意一节电池电压和最低一节电池电压压差ΔE计算；
F2、任意一节电池电压达到3.7V之后,比较ΔE与控制阈值的高低并输出控制信号给旁通放电电路执行MOS管，此处的阈值为30mV；
G2、比较各节电池电压E与控制阈值的高低并输出控制信号给充电器主输出回路控制MOS管，此时的阈值为4225mV，比较结果为：
当某节电池电压E≥4225mV,主控制输出切断指令，主回路控制MOS管关断，停止电池组充电；当某节电池电压E≤4100mV，主控制输出导通指令，主回路控制MOS管开通，恢复电池组充电；
H2、延时5秒，延时设置是为了避免不必要的频繁动作；
I2、返回步骤C2，循环往复。
3.根据权利要求1所述一种用于电动工具的多节串联锂电池组的压差修复充电方法，其特征在于：所述步骤C1中的旁通放电电路为分流旁通电路，实现了各节电池电压的均衡功能，所述旁通放电电路由执行MOS管和串联电阻组成，常态下旁通放电电路执行MOS管切断；MCU输出的指令信号控制执行MOS动作，即：
任意一节电池电压达到3.7V之后,如果ΔE≥30mV，旁通放电电路执行MOS管导通；如果ΔE≤10mV，旁通放电电路执行MOS管切断。
4.根据权利要求3所述一种用于电动工具的多节串联锂电池组的压差修复充电方法，其特征在于：旁通放电电路的串联电阻取值范围4Ω-30Ω。
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