CN202474986U - 一种锂离子电池组充电电路 - Google Patents

一种锂离子电池组充电电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种锂离子电池组充电电路,包括原边电路、副边电路、放电电路和控制电路,原边电路和副边电路通过变压器耦合;原边电路包括由PWM控制器驱动的逆变电路,副边电路包括主输出电路和辅助输出电路,控制电路包括微控制器、充电电流设定电路和工作状态采样电路;工作状态采样电路的输出端接微控制器,充电电流设定电路的信号输入端接微控制器的充电电压设定的信号输出端;放电电路的控制信号输入端接微控制器的放电电路的控制信号输出端,充电电流设定电路的输出端接PWM控制器控制信号输入端。本实用新型能够使电池组中荷电量最低的电池单体充满电,同时又不会使其他电池单体出现过充,可以整体提高电池组的容量和寿命,发挥电池组的最佳性能。

Description

一种锂离子电池组充电电路
[技术领域]
[0001 ] 本实用新型涉及开关电源,尤其涉及一种锂离子电池组充电电路。
[背景技术]
[0002] 锂离子电池由于体积小,重量轻,容量密度高等优点已经广泛应用于各种电子设备中。
[0003] 由于锂离子电池的单体电压低(钴酸锂或锰酸锂电池额定3. 6V或3. 7V,充满为4. 2V ;磷酸铁锂电池额定为3. 2V充满为3. 6V),常通过串联办法以获得所需要的标称电压,如12V,24V,36V,42V,48V电压或更高的输出电压。由于生产控制工艺及材料差异,材料离散性等原因,每个电池单体的内阻,容量,荷电状态,自放电率,开路电压都存在差异,为发挥整个电池组的最佳性能,厂家出厂前需对电池单体进行专门的配对均衡等一致性测试,最后才能组装成所需要的电池组。所以,电池组使用初期,一般是比较均衡的,性能较佳。但电池组随着充放电循环次数的增加,或电池组长期存放,缺少保养维护,由于电池的内阻,容量,自放电率的不断变化,电池单体的性能会出现较大的变化,整个电池组的性能将逐渐劣化,主要表现在:充电充不满,放电能力不足,容量下降。
[0004] 锂离子电池由于其内部独特的电化学特性,化学成分非常活跃,不允许电池过充、过放或过温,过流,否则会损坏电池,甚至出现起火甚至爆炸等安全问题。所以,不管是单体还是电池组,都需要配合有专门的充放电保护电路才可以使用,此充放电保护电路称为“电池保护板”或BMS (Battery Management System),此保护电路时刻监控每个电池的充放电工作状态,当电池单体或电池组出现异常时,即关闭电池的充放电,避免事故发生。
[0005] 传统的充电方法的流程如图I所示,传统的充电特性曲线如图2所示(以钴酸锂电池为例)。根据锂离子电池的充放电特性,充电时采用恒压恒流的方式,以钴酸锂电池单体为例,额定标称电压为3. 6V,电池充满时电压为4. 2V,当电池电压小于4. 2V时,充电器以恒流的方式(如恒定大电流值为II,也可以开始先以恒流小电流IO值进行预充电,当电池电压上升到一定值时再改用恒流大电流Il进行充电)给电池充电,当电池的电压达到4. 2V时,充电器改成以恒压限流的方式(4.2V)给电池充电。进入恒压充电模式后,充电电流将逐步下降,当充电电流小于某值(如12)时,则认为电池已充满,停止充电。对于多节电池串联的电池组,充电方法及过程同单节电池一样,只是恒压充电电压改为NX4. 2V(N为电池单体的串联个数)。
[0006] 以上所描述的充电方法,是目前最普遍使用的充电方法,在电池组使用初期阶段,是基本能够满足充电要求的。但随着充放电循环次数的增加或电池长期存放后,内部电池单体的内阻变大,容量下降,同时由于自放电率不同,电池单体的电压也相差较大。自放电率最高的电池,自身被消耗掉的能量最大,荷电量最少,电池的电压也最低。随着时间的增力口,电池的不均衡情况将越来越严重,自放电率将是影响电池组各电池单体均衡情况的一个最重要因素。采用上述的常规充电方法,无法改善电池的不均衡状态,电池组的性能会越来越差,表现如下:[0007] 充电充不满:自放电率最高的电池单体电压最低,存储的能量最少。如果电池组的所有电池单体均衡性良好,则在充电过程中,各个电池的电压相差不大,电池组电压逐步升高到NX4. 2V(N为电池串联节数),然后进入恒压模式,充电电流将慢慢下降,当电流小到设定的12时(如图2所示),电池被充满,充电器关闭充电。但如果电池的不均衡情况严重,电池单体的电压相差较大,则自放电最少的单体电池电压最高,将最先被充满电,而这时放电率最高的电池单体电压最低,仍未被充满电。随着电池组的继续充电,最先被充满电的电池单体电压将会急剧上升,触发电池保护板(BMS)的过压保护功能,断开充电回路,禁止充电。从充电器的输出看(图2),就是充电电流尚未到达小电流12,或还远远大于12时,电流就会被断开,无法给电池组充电了。结果是电池组中自放电率小、荷电量多的电池单体出现满充,自放电率大、荷电量少的电池单体出现欠充。由于充电电流被电池保护电路强迫断开了,充电器会检测到假的认为电池已经被充满的电流信号:充电电流值小于12,这样会导致显示假的充电结果:电池已充满。 [0008] 放电能力不足:将严重不均衡的电池按上述常规方法进行充电后,即使充电时提示“电池已充满”,但真正放电时会发现放电严重不足。因为充电过程中,只是自放电小,荷电量高的的电池单体被先充满了,而自放电高荷电量低的电池还处于欠充状态,放电时欠充的电池能量不足,电压下降最快,电压最低,当欠充的电池单体能量快放完时,电压会急剧下降,触发电池保护板(BMS)的欠压保护功能(钴酸锂一般设定为2. 5-2. 8V),禁止电池组放电,以保护电池。
[0009] 从以上I和2中的分析说明中可以得出一个结论:一个电池组的性能取决于其中一个荷电量最低或容量最低的电池单体的性能,为发挥电池组的最佳性能,必须想办法使电池组的各个单体的不均衡状态减到最低。
[0010] 为改善电池组内部的均衡情况,很多电池保护板(BMS)内部会带有均衡电路,常用的有两种方式,如图3和图4所示。
[0011] 图3的方案最常用,为能耗型,即在充电过程中,如果检测到某单体的电压已经超过最高允许充电电压,控制电路会接通此电池单体的放电回路,将部分多余的能量通过发热的方式消耗掉。
[0012] 图4的方案为能量转移型,即每相邻的两个电池中,电压高的电池把能量转移到电压低的电池中。
[0013] 以上保护板的两种均衡方法各有优缺点,图3方案的优点是电路简单,成本低,但发热大,图4方案的优点是发热少,均衡效果好,但电路复杂,成本很高。另外限于空间和成本的考虑,两种方法的均衡电流都很小,常规电流为30-100mA。
[0014] 虽然保护板(BMS)上有均衡电路,但用常规的充电办法,只能轻度改善但不能有效的解决由于不均衡严重而导致的充电不足,放电不足的问题,这是因为,均衡电流非常小,常规约30-100mA,作用非常有限。为了加快充电时间,充电电流常为C/3-1C,在要求快速充电的地方,甚至更高,所以30-100mA起到的分流作用非常微弱,甚至微不足道;另外即使均衡电流要比常规值(30-100mA)大得多,只要充电电流大于均衡电流,均衡作用就被消弱,无法根本解决电池的均衡问题。
[0015] 电池组中的保护板(BMS)工作时自身需要供电,需要消耗能量,由于考虑功耗和器件耐压等原因,往往是在多级串联的电池组中从较低的电压端口位置而不是从串联的总电压端口位置抽取供电,这样导致供电本身也容易造成内部电池单体的不平衡(在串联电池组中,离负极近的低串数部分电池单体耗电较多,靠近正极的部分电池单体基本不耗电),特别是在电池组串联电池数量较多的时候。
[0016] 充电时,电池的电压高并不绝对代表电池的荷电量高,特别在大电流快速充电时,因为在大电流充电条件下电池内阻将变成一个重要的影响参数,静态时电压不高,荷电量少但内阻大的电池,大电流充电时电压反而会偏高,容易触发保护板过压保护,导致电池被禁止充电。
[发明内容]
[0017] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够使电池组中容量最低或荷电量最低的电池单体能充满电,同时又不会使别的电池单体出现过充的锂离子电池组锂离子电池组充电电路。
[0018] 为了解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案是,一种锂离子电池组充电 电路,包括原边电路、副边电路、变压器、放电电路和控制电路,原边电路和副边电路通过变压器耦合;原边电路包括由PWM控制器驱动的逆变电路,所述的副边电路包括主输出电路和辅助输出电路,所述的控制电路包括微控制器、充电电流设定电路和工作状态采样电路;工作状态采样电路的输出端接微控制器,充电电流设定电路的信号输入端接微控制器充电电流设定的信号输出端;放电电路的控制信号输入端接微控制器的放电电路的控制信号输出端,充电电流设定电路的输出端接PWM控制器控制信号输入端。
[0019] 以上所述的锂离子电池组充电电路,所述的主输出电路包括变压器的第一副边绕组、第一整流滤波电路和输出端口,第一副边绕组的输出端经第一整流滤波电路接输出端口 ;所述的放电电路包括串联的放电电阻和电子开关,放电电路的一端接所述输出端口正极,另一端接所述输出端口负极,电子开关的控制端接微控制器的放电电路控制信号输出端,第一整流滤波电路的负极输出端接地。
[0020] 以上所述的锂离子电池组充电电路,所述的控制电路包括主输出开关电路,主输出开关电路包括开关管、第一分压电路、第二分压电路和第一 NPN三极管;所述开关管的第一端接第一整流滤波电路的正极输出端,第二端接输出端口正极;第一分压电路包括串联的第一电阻和第二电阻,第一分压电路的一端接开关管的第一端,另一端接第一 NPN三极管的集电极,第一电阻和第二电阻之间的连接点接开关管的控制极;第二分压电路包括串联的第三电阻和第四电阻,第二分压电路的一端接微控制器的主输出开关控制信号输出端,另一端接地;第三电阻和第四电阻之间的连接点接第一 NPN三极管的基极,第一 NPN三极管的发射极接地。
[0021] 以上所述的锂离子电池组充电电路,所述工作状态采样电路包括电流采样电路,所述的电流采样电路包括采样电阻和放大电路,放大电路的输入端接输出端口的负极,输出端口的负极通过采样电阻接地,放大电路的输出端接微控制器电流采样电路输入端。
[0022] 以上所述的锂离子电池组充电电路,包括光耦,所述的辅助输出电路包括变压器的第二副边绕组和第二整流滤波电路,第二副边绕组的输出端接第二整流滤波电路;第二整流滤波电路的正极输出端作为辅助输出电路的正极输出端,第二整流滤波电路的负极输出端接地;光耦发光二极管的阳极接第二整流滤波电路的正极输出端;光耦光敏三极管的集电极接PWM控制器控制信号输入端,发射极接地;所述的充电电流设定电路包括放大三极管、运算放大器和复数条电阻值不同的电流设定分路;电流设定分路的一端分别接微控制器不同的电流设定信号输出端,另一端接运算放大器的反相输入端;运算放大器的同相输入端接所述输出端口的负极,输出端接放大三极管的基极;放大三极管的发射极接地,集电极接光耦发光二极管的阴极。
[0023] 以上所述的锂离子电池组充电电路,包括恒压控制电路,恒压控制电路包括第三分压电路、置偏电阻和第一分流调节器,第三分压电路包括串联的第五电阻和第六电阻,第三分压电路的一端接第一整流滤波电路的正极输出端,另一端接地;第五电阻与第六电阻之间的连接点接第一分流调节器的参考电压端,第一分流调节器的阳极接地,阴极接光耦发光二极管的阴极;第一分流调节器的阴极还通过置偏电阻接第二整流滤波电路的正极输出端。
[0024] 以上所述的锂离子电池组充电电路,包括线性稳压电路,所述的线性稳压电路包括第三NPN三极管、第四分压电路、基极电阻和第二分流调节器,第四分压电路的一端接第三NPN三极管的发射极,另一端接地;第四分压电路包括串联的第七电阻和第八电阻,第七 电阻与第八电阻之间的连接点接第二分流调节器的参考电压端;第二分流调节器的阴极接第三NPN三极管的基极,阳极接地;第三NPN三极管的集电极接第二整流滤波电路的正极输出端,发射极接微控制器的电源输入端;第三NPN三极管的基极通过基极电阻接第三NPN三极管的集电极。
[0025] 以上所述的锂离子电池组充电电路,所述工作状态采样电路包括电池温度检测电路,所述的电池温度检测电路包括第四分压电路,第四分压电路包括串联的第七电阻和第八电阻;第四分压电路的一端接微控制器的电源输入端,另一端接微控制器的电池温度信号测试端,第七电阻和第八电阻之间的连接点作为电池温度检测的采样点。
[0026] 以上所述的锂离子电池组充电电路,所述工作状态采样电路包括电池电压检测电路,所述的电池电压检测电路包括第五分压电路、第五分压电路包括串联的第九电阻和第十电阻,第五分压电路的一端接所述输出端口正极,另一端接地,第九电阻和第十电阻之间的连接点接微控制器的电池电压检测信号输入端。
[0027] 以上所述的锂离子电池组充电电路,所述的放电电路包括第一二极管、第二二极管和第六分压电路,所述的电子开关是开关三极管,第一二极管的阳极接所述输出端口正极,阴极接放电电阻的一端,放电电阻的另一端接开关三极管的集电极,开关三极管的发射极接所述输出端口负极;第六分压电路包括串联的第十一电阻和第十二电阻,第六分压电路的一端接微控制器的放电电路控制信号输出端,另一端接开关三极管的发射极,第十一电阻和第十二电阻之间的连接点开关三极管的基极;第二二极管的阴极接微控制器的放电电路控制信号输出端,阳极接开关三极管的基极。
[0028] 本实用新型的锂离子电池组充电电路能够修复电池组中因为内阻,自放电率或容量不同而导致的日益扩大的不均衡,能使荷电量最低的电池单体充满电,同时又不会使别的电池单体出现过充,可以整体提高电池组的容量和寿命,发挥电池组的最佳性能。
[附图说明]
[0029] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。[0030] 图I是锂离子电池组传统充电方法的流程图。
[0031] 图2是锂离子电池组传统充电方法的充电特性曲线图。
[0032] 图3是现有锂离子电池组电池保护板均衡电路之一的原理图。
[0033] 图4是现有锂离子电池组电池保护板均衡电路之二的原理图。
[0034] 图5是本实用新型实施例锂离子电池组的充电方法流程图之一。
[0035] 图6是本实用新型实施例锂离子电池组的充电方法流程图之二。
[0036] 图7是本实用新型实施例锂离子电池组的充电方法电压、电流变化曲线图。
[0037] 图8是锂离子电池组传统充电方法的电压、电流变化曲线图。 [0038] 图9是本实用新型实施例锂离子电池组充电电路的原理框图。
[0039] 图10是本实用新型实施例锂离子电池组充电电路主电路的原理图。
[0040] 图11是本实用新型实施例锂离子电池组充电电路控制电路的原理图。
[具体实施方式]
[0041] 在图9至图11所示的本实用新型锂离子电池组充电电路的实施例中,锂离子电池组充电电路包括原边电路、副边电路、变压器Tl和控制电路;原边电路和副边电路通过变压器Tl耦合,变压器Tl为反激变压器;控制电路包括微控制器U2 (三星单片机S3F9454)。
[0042] 原边电路包括输入整流滤波电路和由PWM控制芯片驱动的逆变电路。
[0043] 副边电路包括主输出电路、辅助输出电路和放电电路,控制电路包括微控制器、主输出开关电路、待机电压控制电路、恒压控制电路、充电电流设定电路和工作状态采样电路。
[0044] 主输出电路包括变压器Tl的第一副边绕组T1Y、第一整流滤波电路和锂离子电池组充电电路的输出端口 VB+、VB-。第一整流滤波电路包括整流二极管D1、电容EC4、C24,第一整流滤波电路的负极输出端接地。
[0045] 主输出开关电路包括主开关管Ql,NPN三极管Q3,稳压管Zl, 二极管D7、D8,隔尚二极管 D2,电容 C5,电阻 RIO、Rll、R18、R20。
[0046] 主开关管Ql的第一端(管脚号3)经隔离二极管D2接第一整流滤波电路的正极输出端Vout-1,第二端(管脚号2)接输出端口正极VB+;电阻R10、R11串联组成第一分压电路,电阻RlO的一端接主开关管Ql的第一端,电阻Rll的一端通过二极管D8接NPN三极管Q3的集电极,电阻R10、R11之间的连接点接主开关管Ql的控制极。稳压管Zl的阴极接主开关管Ql的第一端,阳极接主开关管Ql的控制极;电容C5与稳压管Zl并接。
[0047] 电阻R18、R20串联构成第二分压电路,电阻R20的一端0N/0FF-2作为主输出开关电路的控制信号输入端接微控制器U2的主输出开关控制信号输出端0N/0FF-2,电阻R18的一端接地;电阻R18、R20之间的连接点接NPN三极管Q3的基极,NPN三极管Q3的发射极接地。二极管D7的阴极接NPN三极管Q3的基极,阳极接NPN三极管Q3的发射极。
[0048] 当0N/0FF-2的信号为高电平时,主开关管Ql导通,主输出电路可以输出;当ON/0FF-2的信号为低电平时,主开关管Ql开断,主输出电路关闭。
[0049] 辅助输出电路包括变压器Tl的第二副边绕组T1X、电阻R16、整流二极管D5、电容C4、EC6。第二副边绕组TlX的输出端通过电阻R16接整流二极管D5、电容C4、EC6组成的第二整流滤波电路;第二整流滤波电路的正极输出端VAUX作为辅助输出电路的正极输出端,第二整流滤波电路的负极输出端接地。
[0050] 主输出(Vout-I)的恒压控制电路包括电阻R28、R29、R30、R31、R32、R82、RH,电容C10、置偏电阻R27和分流调节器Ul (TL431)。
[0051] 电阻1?28、1?29、1?30、1?31、1?32、1?82、鼎1组成第三分压电路,得到主输出Vout-I端的电压取样信号。第三分压电路R30、R32的一端作为恒压控制电路的信号输入端Vout-I接第一整流滤波电路的正极输出端Vout-I (42V/2A),第三分压电路R28、R31的一端接地;第三分压电路R30、R32与R28、R31之间的连接点接分流调节器Ul的电压参考端R(分流调整器信号输入端R),分流调节器Ul的阳极接地,阴极通过置偏电阻置偏电阻R27接第二整流滤波电路的正极输出端VAUX ;电阻R29和电容ClO串联后,一端接分流调节器Ul的参考电压端,另一端接分流调节器Ul的阴极;光耦Pl发光二极管的阳极通过电阻R26接第二整流滤波电路的正极输出端VAUX,阴极接分流调节器Ul的阴极;光耦Pl光敏三极管的集电极(4脚)接PWM控制器ICl的控制信号输入端(图中未示出),发射极接地。 [0052] 当第一整流滤波电路的正极输出端Vout-I的电压改变时,经过第三分压电路电压取样,恒压控制电路分流调节器Ul (TL431)的参考端(R)电压值发生变化,经分流调节器内部进行信号比较放大后,通过光耦反馈到PWM控制器ICl的控制信号输入端,使第一整流滤波电路的正极输出端Vout-I的电压维持恒定。
[0053] 待机电压控制电路包括稳压管Z4、电阻R62、R63和NPN三极管Q9,稳压管Z4的阴极经公共电气节点VP接光耦Pl发光二极管的阴极;NPN三极管Q9的基极通过电阻R63接微控制器U2的待机电压控制信号输出端STB,发射极接地,集电极接稳压管TA的阳极;电阻R62接在NPN三极管Q9的基极和发射极之间。
[0054] 当锂离子电池组充电电路待机时,微控制器U2的待机电压控制信号输出端STB发出高电平,NPN三极管Q9开通,将稳压管Z4的阳极接地,5. IV的稳压管Z4被接入到恒压控制电路中,使主电压输出(Vout-I端)的恒压控制电路失去作用,并通过光耦反馈到PWM控制器ICl的控制信号输入端,同时使辅助输出电路的输出电压VAUX由25V下降到7. 5V。
[0055] 辅助输出电路的输出电压VAUX通过线性稳压电路供给微控制器U2稳压精度高、电压为5V的待机电压(VR = 5V)。线性稳压电路包括NPN三极管Q6,分流调节器IC2,电容Cll,电阻 R38、R39、R40 和 R48。
[0056] 电阻R39、R40串联构成第四分压电路,第四分压电路R39的一端接NPN三极管Q6的发射极,第四分压电路R40的一端接地;电阻R39、R40之间的连接点接分流调节器IC2的参考电压端;分流调节器IC2的阴极接NPN三极管Q6的基极,阳极接地;NPN三极管Q6的集电极接第二整流滤波电路的正极输出端VAUX,发射极接微控制器U2的电源输入端Vdd ;NPN三极管Q6的基极通过电阻R38、R48并联组成的基极电阻接NPN三极管Q6的集电极;电容Cll接在分流调节器IC2的参考电压端和阴极之间。
[0057] 充电电流设定电路包括电流控制环路和阶梯电流设定电路。恒流控制环路包括运算放大器IC3A、放大三极管Q10、电阻R37、R53、R54、R64和电容C15,对所设定的阶梯充电电流进行恒流或限流处理。
[0058] 运算放大器IC3A的反相输入端接阶梯电流设定电路的输出端,同相输入端通过电阻R55接离子电池组充电电路的负极输出端口 VB-。运算放大器IC3A的输出端接由电阻R64和R37串联组成的分压电路,放大三极管QlO的基极接电阻R64和R37之间的连接点。放大三极管QlO的发射极接地,集电极经电阻R53接光耦Pl光耦发光二极管的阴极。
[0059] 阶梯电流设定电路包括二极管DIO、Dll电阻R56、R57、R58、R59、R68、R69。二极管D10、D11电阻1?56、1?57、1?58、1?59、1?68、1?69构成3条电阻值不同的电流设定分路;3条电流设定分路的一端分别接微控制器U2不同的电流设定信号输出端(5脚、6脚和7脚)。将单片机U2这3个引脚发出的阶梯电流设定信号转换成不同的参考电平,输入运放IC3A的反相输入端作为参考信号。另外运放IC3A的反相输入端还通过电阻R69接线性稳压电路的输出端VR,产生第四路参考电平。所以本实施例微控制器U2通过对不同电流设定分路的选通,可以获得50mA、500mA、IA和2A的充电电流的设定。
[0060] 运算放大器供电电路包括三极管Q7和Q8,电阻R51、R52、R60、R61。运算放大器供电电路给VA端口供电。当微控制器U2发出的控制信号0N/0FF为高电平时,VA有电,否 则断电。
[0061] 放电电路为负脉冲放电回路,作为电池放电的假负载。放电电路包括二极管D16、D17,开关三极管Q12,电阻R75、R76、R77、R78。电阻R76和R77并联作为放电电阻,二极管D16的阳极接锂离子电池组充电电路的输出端口正极VB+,阴极接放电电阻R76和R77的一端,放电电阻R76和R77的另一端接开关三极管Q12的集电极,开关三极管Q12的发射极接锂离子电池组充电电路的输出端口负极VB-。电阻R75和R78串联组成分压电路,分压电路的一端接微控制器U2的放电电路控制信号输出端0N/0FF-4(U2的P2. 6端口),另一端接开关三极管Q12的发射极。电阻R75和R78之间的连接点开关三极管Q12的基极。二极管D17的阴极接微控制器的放电电路控制信号输出端0N/0FF-4,阳极接开关三极管Q12的基极。
[0062] 微控制器的放电电路控制信号0N/0FF_4(U2的P2. 6)为高电平时,开关三极管Q12导通,电池组通过R76,R77进行负脉冲放电。
[0063] 工作状态采样电路包括电流采样电路,电流采样电路包括采样电阻R19和以运放IC3B为主体的放大电路,放大电路的输入端接锂离子电池组充电电路的负极输出端口VB-,负极输出端口 VB-通过采样电阻R19接地,放大电路的输出端IS接微控制器U2电流采样电路输入端IS,微控制器U2通过电流采样信号确定主输出电路的工作状态。
[0064] 工作状态采样电路包括电池电压检测电路,电池电压检测电路包括电阻R47、R49,电容C17和二极管D12。电阻R47和R49串联构成分压电路、分压电路的一端接锂离子电池组充电电路的正极输出端口 VB+,另一端接地,电阻R47和R49之间的连接点接微控制器U2的电池电压检测信号输入端(PO. I端口)。
[0065] 工作状态采样电路还包括电池温度检测电路,电池温度检测电路包括由电阻R45和R46串联组成的第四分压电路,第四分压电路的一端接微控制器U2的电源输入端Vdd,另一端接微控制器U2的负载接入信号测试端(U2的第19脚),电阻R45和R46之间的连接点NTC作为外部负载接入的采样点。
[0066] 电池温度检测电路的NTC端口为电池组NTC电阻的输入端,信号送到微控制器U2单片机进行检测,以判别电池组的接入状态和电池的工作温度,并发出“待机/工作”信号。
[0067] 当电池没有接入或电池已经充满时,锂离子电池组充电电路停止充电,进入待机状态。当进入待机状态后,微控制器U2发出0N/0FF-2低电平信号,关闭主输出开关Q1,输出端口 VB+,VB-无输出电压,同时微控制器U2发出STB高电平待机控制信号(5V),三极管Q9导通,5. IV稳压管Z4被接入到恒压控制电路中,使主输出Vout-I的恒压控制电路失去控制作用,改由待机电压控制回路进行恒压控制。
[0068] 当检测到有电池接入,需要正常充电时,微控制器U2发出STB低电平信号,三极管Q9开断,稳压管TA失去作用,待机电压控制电路被主输出的恒压控制电路代替,主输出42V,辅助电压Vaux输出达到25V。同时,微控制器U2发出0N/0FF-2高电平信号(5V),主输出开关Ql导通,允许给电池组充电。
[0069] 当锂离子电池组充电电路处于待机时,待机电压控制电路只需维持辅助电源(Vaux) 7. 5V的稳定,保证单片机有5V 的稳定工作电压即可,主输出回路开关Ql断开,不需考虑主电压输出端的电压值,所以主输出电压小于42V。这时,PWM芯片在低频率和低占空比的节能模式下工作,工作频率很低,约16—20K左右,而且处于间歇工作状态,使所有开关器件(如Q5,D1,D5)的开关损耗,导通损耗,假负载(R17)损耗都降到了最低。
[0070] 本实用新型的基本原理是通过充电电流的变化情况来判断电池组内部的均衡情况,并通过单片机程序的智能化控制,实现电池组的均衡充电功能,如图5至图8所示:
[0071] I.在充电过程中,如果能正常地从恒流模式切换到恒压模式,充电电流能从大电流恒流状态(Il)逐步缓慢下降到所设定的满充条件关断电流I (full),即当检测到充电电流下降到小于I (full),并延时(延时时间一般按50mS-1.5S之间设定)后,充电电流仍然存在,邨充电电流小于I(full)且大于0,说明电池组内部各单体之间均衡情况良好,这时充电流程跟常规充电方法无异,充电器会按常规停止充电,充电器显示出正确的充电状态信息:“电池已充满,充电结束”。
[0072] 如果在充电过程中,充电电路没有异常,而充电电流无法在恒压状态下逐步下降到满充条件时的关断电流I(full)时就被强迫禁止充电,即当检测到充电电流小于I(full),并延时后(延时时间一般按50mS-1.5S之间设定),充电器虽然继续对电池进行充电,但因电池已经被强迫禁止充电,没有充电电流,无法满足“充电电流小于I(full)且大于0”的条件,说明充电电流是“非正常关断”的,电流并不是正常的缓慢下降到I (full),而是在大于I (full)的情况下突然断开的,是由于电池组内部保护板保护性关断造成的,说明电池组的内部均衡情况劣化,电池组需要进行维护,充电流程进入负脉冲阶梯电流充电模式。
[0073] 在整个充电过程中,不管是在前期常规充电还是后期负脉冲阶梯电流充电的情况下,控制电路都每隔一定时间(例如两秒钟)记录一次充电电流值,假如记录到充电断开前的电流值为I (M),设定的满充关断电流为I (full),则A I = I (M)-I (full),A I值越大,电池组内部的不均衡越严重。
[0074] 2.当电路确认能满足“充电电流小于I(full)且大于0”时,不需计算Al值,按常规充电流程,充电结束。
[0075] 3.当电路确认不能满足“充电电流小于I (full)且大于0”时,电池组需要进行充电维护,充电流程进入负脉冲阶梯电流充电模式。
[0076] 如上所述,当电池出现异常关断时,电池保护板(BMS)会禁止再次充电,除非人工复位重新启动或电池电压恢复到正常值才会允许重新充电。为了促使电池组内部保护板(或BMS)去除保护,快速恢复到允许充电状态,充电器内部单片机控制电路发出控制信号,使充电器关闭输出,但同时使充电器内部的连接在充电端口上的假负载接通。因为保护板内部电路中充电和放电开关是分开和单独控制的,电池保护板(BMS)虽然不允许电池组进行充电,但却不会禁止电池组放电。通过放电的方式,可以使电池电压降低,恢复到允许充电的状态。在这过程中,可能发生多次的定时放电过程(放电时间可根据电池的容量情况编程设定)。每次定时放电结束后,充电器单片机控制电路发出指令,对电池组进行恒流充电,如果能检测到充电电流大于O且与设定的充电电流值相符,说明电池组已经恢复到允许充电状态,否则就停止充电,再次对电池组进行定时放电,如此循环工作,直到电池组允许充电为止。因为放电电流与充电电流方向相反,所以定时的间歇状的放电电流就形成“负脉冲”电流,使电池组中已经过充的或电压偏高的电池单体加快放电,使电池组恢复到允许重新充电的功能。
[0077] 当电池组允许重新充电后,需要根据计算Al值的 大小来确定充电模式。当AI^ I. 5X1 (full)时,程序直接进入小电流充电模式,这时设定充电电流小于或等于电池保护板均衡电流,典型值为30-100mA;当Al > I. 5X1 (full)时,程序进入多级阶梯电流充电模式,级数可已根据电池的容量和硬件电路来灵活设定,一般可以设定为2-5级。阶梯电流值可以是Il/n (II值为初始充电大电流值,n的典型取值可以是1-5,每级电流递减。
例如第一级的大电流为Il值,则第二级可为11/2,第三级为11/3.......在每一级电流的
充电过程中,充电控制电路仍然检测充电电流能否可以自然下降到满充条件的关断电流值I(full),如果是正常自然下降,则充电电流下降到小于I(full)后,即使再经过一段时间,也就是延时后充电电流仍旧是存在的,电流会慢慢降低,越来越小,但满足“充电电流小于Kfull)且大于0”的条件,说明电池已经实现了均衡充电,性能维护完成,充电正常结束。但如果是保护板保护性关断,充电电流一般在远大于I (full)值的条件下突然跌落,电流降到0,并且是持续保持在电流为0的无充电电流状态。说明这时保护板已断开充电控制开关,禁止充电。为恢复到允许充电功能,充电器再次对电池组进行负脉冲放电处理。待恢复允许充电后,仍然要判断Al值的大小。当Al <1.5X1 (full)时,程序可直接进入小电流充电模式,这时设定充电电流小于等于电池保护板均衡电流,小电流充电模式充电完毕后,退出循环,充电程序完成;当Al > 1.5XI(full),程序进入多级阶梯电流充电模式,充电电流调整(降额)为下一级,继续充电,如此循环,如果在多级阶梯电流充电模式过程中出现满足充电电流小于I (full)且大于0的条件,充电过程也退出循环,说明充电程序完成。但如果在多级阶梯电流充电模式中经过多次的充放电循环后仍然无法出现满足充电电流小于I (full)且大于0的条件,循环进入到最后一级充电时,程序跳转到小电流充电模式,设定充电电流小于或等于电池保护板均衡电流,典型值为50mA,保持持续充电,直到电池组的电压到达NX 4. 2V。
[0078] 在小电流充电模式下,由于充电电流小于或等于保护板均衡电流,原来已经充满电的电池得到的能量不会超过自身能放掉或消耗掉的能量,电池电压基本稳定下来,不出现过充情况,不会触发保护电路导致禁止充电,原来没有充满电的电池,可以继续得到充电器提供的能量,经过一定时间能量积累后,全部电池单体都可以到达满充状态,此时的电池组达到最大的放电能力,实现了每节电池单体的均衡充电。
[0079] 按照流程图I所示的常规充电方法,当电池组因为不均衡而导致保护性关断,禁止充电后,禁止充电功能会被锁定,充电器将无法对电池组充电,更不能改善电池组的不均衡状况,会显示出假的“电池已充满”信息。本实用新型以上实施例负脉冲阶梯电流的充电方法能克服由于自放电率不同或由于内阻不同,容量不同而造成的不均衡情况,能自动激活电池组进行维护性充放电,通过多次的“削峰填谷”,逐步改善电池组的不均衡状态,使电池组中容量最低或荷电量最低的电池单体都能充满电而又不会造成别的电池单体过充,最大限度地发挥电池组的性能。
[0080] 通过图7和图8的对比可以看出,如果在tl时刻开始,电池组因为不均衡原因造成禁止充电,常规充电法将不能对电池组进行激活充电,无法改善不均衡情况,电池组将欠充;而本实用新型实施例的负脉冲阶梯电流充电方法通过检测电池的充电电流,诊断电池组的不均衡状态,通过放电负脉冲, 活电池组重新充电,采用逐次逼近的阶梯电流充电模式,“削峰填谷”,使每个单体电池都能充满电而不过充,实现了均衡充电的目的。
[0081 ] 本实用新型以上实施例电池组的不均衡情况通过对充电电流的变化来检测,充电器自动识别,通过单片机程序的的智能化控制,全部自动完成对电池组的充电及维护过程。

Claims (10)

1. ー种锂离子电池组充电电路,包括原边电路、副边电路、变压器和控制电路,原边电路和副边电路通过变压器耦合;原边电路包括由PWM控制器驱动的逆变电路,其特征在干,包括放电电路,所述的副边电路包括主输出电路和辅助输出电路,所述的控制电路包括微控制器、充电电流设定电路和工作状态采样电路;工作状态采样电路的输出端接微控制器,充电电流设定电路的信号输入端接微控制器充电电流设定的信号输出端;放电电路的控制信号输入端接微控制器的放电电路的控制信号输出端,充电电流设定电路的输出端接PWM控制器控制信号输入端。
2.根据权利要求I所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,所述的主输出电路包括变压器的第一副边绕组、第一整流滤波电路和输出端ロ,第一副边绕组的输出端经第一整流滤波电路接输出端ロ;所述的放电电路包括串联的放电电阻和电子开关,放电电路的一端接所述输出端ロ正极,另一端接所述输出端ロ负极,电子开关的控制端接微控制器的放电电路控制信号输出端,第一整流滤波电路的负极输出端接地。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,所述的控制电路包括主输出开关电路,主输出开关电路包括开关管、第一分压电路、第二分压电路和第一 NPN三极管;所述开关管的第一端接第一整流滤波电路的正极输出端,第二端接输出端ロ正极;第一分压电路包括串联的第一电阻和第二电阻,第一分压电路的一端接开关管的第一端,另一端接第一 NPN三极管的集电极,第一电阻和第二电阻之间的连接点接开关管的控制扱;第二分压电路包括串联的第三电阻和第四电阻,第二分压电路的一端接微控制器的主输出开关控制信号输出端,另一端接地;第三电阻和第四电阻之间的连接点接第一 NPN三极管的基板,第一 NPN三极管的发射极接地。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,所述工作状态采样电路包括电流采样电路,所述的电流采样电路包括采样电阻和放大电路,放大电路的输入端接输出端ロ的负极,输出端ロ的负极通过采样电阻接地,放大电路的输出端接微控制器电流采样电路输入端。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,包括光耦,所述的辅助输出电路包括变压器的第二副边绕组和第二整流滤波电路,第二副边绕组的输出端接第ニ整流滤波电路;第二整流滤波电路的正极输出端作为辅助输出电路的正极输出端,第二整流滤波电路的负极输出端接地;光耦发光二极管的阳极接第二整流滤波电路的正极输出端;光耦光敏三极管的集电极接PWM控制器控制信号输入端,发射极接地;所述的充电电流设定电路包括放大三极管、运算放大器和复数条电阻值不同的电流设定分路;电流设定分路的一端分别接微控制器不同的电流设定信号输出端,另一端接运算放大器的反相输入端;运算放大器的同相输入端接所述输出端ロ的负极,输出端接放大三极管的基极•’放大三极管的发射极接地,集电极接光耦发光二极管的阴极。
6.根据权利要求4所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,包括恒压控制电路,恒压控制电路包括第三分压电路、置偏电阻和第一分流调节器,第三分压电路包括串联的第五电阻和第六电阻,第三分压电路的一端接第一整流滤波电路的正极输出端,另一端接地;第五电阻与第六电阻之间的连接点接第一分流调节器的參考电压端,第一分流调节器的阳极接地,阴极接光耦发光二极管的阴极;第一分流调节器的阴极还通过置偏电阻接第二整流滤波电路的正极输出端。
7.根据权利要求2所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,包括线性稳压电路,所述的线性稳压电路包括第三NPN三极管、第四分压电路、基极电阻和第二分流调节器,第四分压电路的一端接第三NPN三极管的发射极,另一端接地;第四分压电路包括串联的第七电阻和第八电阻,第七电阻与第八电阻之间的连接点接第二分流调节器的參考电压端;第二分流调节器的阴极接第三NPN三极管的基板,阳极接地;第三NPN三极管的集电极接第二整流滤波电路的正极输出端,发射极接微控制器的电源输入端;第三NPN三极管的基极通过基极电阻接第三NPN三极管的集电极。
8.根据权利要求I所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,所述工作状态采样电路包括电池温度检测电路,所述的电池温度检测电路包括第四分压电路,第四分压电路包括串联的第七电阻和第八电阻;第四分压电路的一端接微控制器的电源输入端,另一端接微控制器的电池温度信号测试端,第七电阻和第八电阻之间的连接点作为电池温度检测的采样点。
9.根据权利要求2所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,所述工作状态采样电路包括电池电压检测电路,所述的电池电压检测电路包括第五分压电路、第五分压电路包括串联的第九电阻和第十电阻,第五分压电路的一端接所述输出端ロ正极,另一端接地,第九电阻和第十电阻之间的连接点接微控制器的电池电压检测信号输入端。
10.根据权利要求2所述的锂离子电池组充电电路,其特征在于,所述的放电电路包括第一ニ极管、第二ニ极管和第六分压电路,所述的电子开关是开关三极管,第一ニ极管的阳极接所述输出端ロ正极,阴极接放电电阻的一端,放电电阻的另一端接开关三极管的集电极,开关三极管的发射极接所述输出端ロ负极;第六分压电路包括串联的第十一电阻和第十二电阻,第六分压电路的一端接微控制器的放电电路控制信号输出端,另一端接开关三极管的发射极,第十一电阻和第十二电阻之间的连接点开关三极管的基板;第二ニ极管的阴极接微控制器的放电电路控制信号输出端,阳极接开关三极管的基板。
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