CN219498993U - 一种电池的充电电路及装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种电池的充电电路及装置，包括输出直流电压的供电模块；DC/DC变换模块用于将供电模块提供的直流输入电压进行降压输出；所述DC/DC变换模块还具有一反馈输入端；充电模块其输出端与电池的正极连接，用于向电池充电；采样电阻的一端与DC/DC变换模块的输出端连接，另一端与充电模块的输入端连接，反馈模块的输入端分别从采样电阻两端获取电流采样信号，对采样信号放大后输入DC/DC变换模块的反馈输入端中；MCU分别与DC/DC变换模块和充电模块的使能端连接，使DC/DC变换模块和充电模块进入工作或者休眠状态。

Description

一种电池的充电电路及装置
技术领域
本实用新型涉及新能源电池技术领域，尤其涉及一种电池的充电电路及装置。
背景技术
电池管理系统，即BMS在电池低电压状态下充电时，由于充电初期电池包与充电端口的电压差较大，如果没有采用限制电流手段，充电电流会接近充电器的最大输出电流，会导致充电初期的BMS主回路的继电器或者MOSFET会承受较大的电流冲击，严重的甚至损坏BMS。为了改善这种缺陷，通常是对电池包在低电压状态时，首先进行预充电，使得充电电流保持在较低的状态，随着充电的进行，当电池包电压上升到一定程度后，再解除充电电流限制。
如CN215990264U的中国实用新型专利一种减小浪涌冲击的充电电路及其附图所示，现有的预充电的限流方案是在充电主回路中串联一定阻值的限流电阻，根据充电电流的限制要求，选用大功率的电阻，当电池电压低于某一设定值时，电池管理系统BMS闭合主回路的预充电继电器，实现预充电功能，当电池电压高于该设定值时，关闭预充电功能，开始正常充电过程，但是采用大功率电阻会占用较大的电池包内部空间，而且在预充电过程中，大功率电阻会一直发热，使电池包温度持续升高，存在一定的安全隐患；随着预充电过程的进行，电池包电压会上升，预充电电流会随着电池包电压升高而升高，进一步增加安全风险。因此，提供一种占用体积小巧、发热量小、损耗小的电池的充电电路及装置，是非常有必要的。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了一种结构紧凑、不采用常规大功率限流电阻结构的电池的充电电路及装置。
本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种电池的充电电路，包括
供电模块，用于输出直流电压；
DC/DC变换模块，所述DC/DC变换模块的输入端与所述供电模块的输出端连接，用于将供电模块提供的直流电压进行降压；
充电模块，所述充电模块的输出端与电池的正极连接，用于向电池充电；
采样电阻，所述采样电阻的输入端与所述DC/DC变换模块的输出端连接，所述采样电阻的输出端与所述充电模块的输入端连接；
反馈模块，其输入端分别从所述采样电阻输入端和输出端获取电流采样信号，所述反馈模块对所述电流采样信号放大后输入DC/DC变换模块的反馈输入端中；所述反馈模块的输出端还与所述DC/DC变换模块的反馈输入端连接；
MCU，分别与所述DC/DC变换模块和所述充电模块的使能端连接，使所述DC/DC变换模块和所述充电模块进入工作或休眠状态。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述DC/DC变换模块包括降压芯片U1和电感L1；所述MCU具有若干电平输出端和ADC转换端；降压芯片U1的引脚1与二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极与VCC_5V电源连接；供电模块的输出端电阻R3的一端和降压芯片U1的引脚2连接，MCU的一个电平输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电阻R2的一端、降压芯片U1的引脚3和电阻R3的另一端连接，电阻R2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与降压芯片U1的引脚4连接；降压芯片U1的引脚6与电阻R5的一端和电容C8的一端连接，电阻R5的另一端与电容C7的一端连接，电容C7的另一端和电容C8的另一端接地；降压芯片U1的引脚8分别与二极管D4的阴极和电感L1的一端连接，二极管D4的阳极接地，电感L1的另一端与电阻R8的一端和电容C12的一端连接，电阻R8的另一端分别与电阻R7的一端、电阻R9的一端电容C12的另一端和降压芯片U1的引脚5连接，电感L1的另一端还作为DC/DC变换模块的输出端VOUT1与采样电阻的一端连接；所述降压芯片U1采用RTQ2965。
优选的，所述电感L1的另一端还与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电阻R11的一端、电容R13的一端、稳压二极管D5的阴极和MCU的ADC转换端DCDC_VOL_MCU连接，电阻R11的另一端、电容C13的另一端和稳压二极管D5的阳极均接地。
优选的，所述反馈模块包括第一运放U2和第二运放U3；所述第一运放U2的同相输入端与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一段分别于电容C19的一端和采样电阻靠近电感L1的一端连接，电容C19的另一端接地；第一运放U2的反相输入端与电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端分别与电容C21的一端和采样电阻远离电感L1的一端连接，电容C21的另一端接地；第一运放U2的输出端分别与电阻R23的一端和电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端接地，电阻R23的另一端与第二运放U3的同相输入端连接；VCC_5V电源与电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端分别与电阻R22的一端和电阻R24的一端连接，电阻R22的另一端接地，电阻R24的另一端与第二运放U3的反相输入端连接，第二运放U3的输出端与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极与降压芯片U1的引脚5连接；二极管D6的阳极还与电阻R12的一端和电容C18的一端连接，电阻R12的另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端与电容C18的另一端均与第二运放U3的反相输入端连接；所述第一运放U2为INA138；第二运放U3为TS321QDBVRQ1。
优选的，所述充电模块包括开关单元、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2；开关单元的输入端与MCU的一个电平输出端连接，开关单元的输出端分别与电阻R32的一端连接，电阻R32的另一端分别与电阻R30的一端、稳压二极管D7的阳极、第一MOS管Q1的栅极和第二MOS管Q2的栅极连接，第一MOS管Q1的源极、第二MOS管Q2的源极、稳压二极管D7的阴极和电阻R30的另一端连接；第一MOS管Q1的漏极与采样电阻远离电感L1的一端连接，第二MOS管Q2的漏极与电池的正极连接。
优选的，所述开关单元包括三极管Q3、限流电阻R29和下拉电阻R31；限流电阻R29的一端与MCU的一个电平输出端连接，限流电阻R29的另一端分别与电容C6的一端、下拉电阻R31的一端和三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极、电容C6的另一端、和下拉电阻C31的另一端均接地，三极管Q3的集电极与电阻R32的一端连接。
优选的，所述采样电阻的阻值为0.01欧姆。
另一方面，本实用新型还提供了一种电池的充电装置，所述充电装置包括上述的电池的充电电路。
本实用新型提供的一种电池的充电电路，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本方案没有像常规方案那样采用功率电阻，而是采用降压型DC/DC变换模块，配合采样电阻，通过反馈模块调节DC/DC变换模块的反馈输入信号，使得降压型DC/DC变换模块的输出电流保持稳定，达到恒流输出的功能，实现大功率恒流的预充电方案；
(2)充电模块采用开关单元和两个反向串联设置的MOS管，即一个开关单元同时控制两个MOS管的开启和关断，可防止预充电功能关闭时，电池电流反灌至DC/DC变换模块。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本实用新型一种电池的充电电路的结构框图；
图2为本实用新型一种电池的充电电路的DC/DC变换模块的接线图；
图3为本实用新型一种电池的充电电路的反馈模块的接线图；
图4为本实用新型一种电池的充电电路的充电模块的接线图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型提供了一种电池的充电电路，包括供电模块、DC/DC变换模块、反馈模块、充电模块、采样电阻和MCU等。
其中：
供电模块，向DC/DC变换模块、反馈模块、充电模块和MCU提供直流电压。
DC/DC变换模块，与供电模块连接，用于将供电模块提供的直流输入电压进行降压输出；所述DC/DC变换模块还具有一反馈输入端。
充电模块其输出端与电池的正极连接，用于向电池充电。
采样电阻，位于DC/DC变换模块与充电模块之间；采样电阻的一端与DC/DC变换模块的输出端连接，另一端与充电模块的输入端连接，用于获取DC/DC变换模块的输出的电流进行采样以获得电流采样信号。采样电阻即图3中的RS。
反馈模块输入端分别从所述采样电阻的输入端和输出端获取电流采样信号，反馈模块对电流采样信号放大后输入DC/DC变换模块的反馈输入端中；反馈模块的输出端还与DC/DC变换模块的反馈输入端连接。
MCU分别与DC/DC变换模块和充电模块的使能端连接，使DC/DC变换模块和充电模块进入工作或者休眠状态。本方案是通过DC/DC变换模块结合采样电阻和反馈模块共同构成一个具有反馈功能的恒流充电的输出模块，保证在与充电过程中，充电的电流保持相对稳定。MCU能够输出高电平启动DC/DC变换模块和充电模块，使电池进入预充电模式，当不需要预充电时，则由MCU输出低电平使DC/DC变换模块和充电模块进入休眠状态，不影响电池的正常充电或者输出功能。
为了更好的实现直流降压输出功能，如图2所示，展示了一种具体的DC/DC变换模块接线图。DC/DC变换模块包括降压芯片U1和电感L1；所述MCU具有若干电平输出端和ADC转换端；降压芯片U1的引脚1与二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极与VCC_5V电源连接；供电模块的输出端电阻R3的一端和降压芯片U1的引脚2连接，MCU的一个电平输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电阻R2的一端、降压芯片U1的引脚3和电阻R3的另一端连接，电阻R2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与降压芯片U1的引脚4连接；降压芯片U1的引脚6与电阻R5的一端和电容C8的一端连接，电阻R5的另一端与电容C7的一端连接，电容C7的另一端和电容C8的另一端接地；降压芯片U1的引脚8分别与二极管D4的阴极和电感L1的一端连接，二极管D4的阳极接地，电感L1的另一端与电阻R8的一端和电容C12的一端连接，电阻R8的另一端分别与电阻R7的一端、电阻R9的一端电容C12的另一端和降压芯片U1的引脚5连接，电感L1的另一端还作为DC/DC变换模块的输出端VOUT1与采样电阻的一端连接；降压芯片U1采用RTQ2965。降压芯片U1的引脚1为BOOT引脚；引脚2为VIN端，即供电模块的输入端，引脚3为使能端，即MCU通过控制该引脚的电平唤醒或者休眠降压芯片U1；引脚4为软启动和跟踪控制输入端，本方案中通过电阻接地；引脚5为反馈输入端；引脚6为补偿输入端，通过引入补偿元件电阻R5、电容C7和C8形成回路；引脚7为接地端；引脚8为输出端，输出端外接的电感L1、电容C9、C10和C11构成LC滤波器输出VOUT1信号至采样电阻中。二极管D1和D2是用于单向导通。电容C5为自举电容。电容C1、C2、C3和C4均起到滤波作用。通常情况下，降压芯片U1的输出电压通过电阻R7、R8和R9分压后返回引脚5反馈输入端，降压芯片U1保持输出电压的稳定。但是本方案进一步的需要保证电流的稳定，则需要对反馈输入进行调节。
作为一种优选的实施方式，本方案的采样电阻的阻值为0.01欧姆。采样电阻采用高精度电阻，阻值精确可靠。
为了更好的实时监测DC/DC变换模块的输出大小，本方案提供了一个模数转换电压检测功能。具体的，电感L1的另一端还与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电阻R11的一端、电容R13的一端、稳压二极管D5的阴极和MCU的ADC转换端DCDC_VOL_MCU连接，电阻R11的另一端、电容C13的另一端和稳压二极管D5的阳极均接地。该部分电路的作用是输出电压采样信号至MCU的ADC转换端，得到相应的电压采样信号，通过模数转换过程，MCU可判断降压芯片U1的输出电压是否满足要求。
如图3所示，为了调节降压芯片U1的反馈端的输入信号，即其引脚5的反馈信号的大小，相应的设置了反馈模块。反馈模块包括第一运放U2和第二运放U3；所述第一运放U2的同相输入端与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一段分别于电容C19的一端和采样电阻靠近电感L1的一端连接，电容C19的另一端接地；第一运放U2的反相输入端与电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端分别与电容C21的一端和采样电阻远离电感L1的一端连接，电容C21的另一端接地；第一运放U2的输出端分别与电阻R23的一端和电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端接地，电阻R23的另一端与第二运放U3的同相输入端连接；VCC_5V电源与电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端分别与电阻R22的一端和电阻R24的一端连接，电阻R22的另一端接地，电阻R24的另一端与第二运放U3的反相输入端连接，第二运放U3的输出端与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极与降压芯片U1的引脚5连接；二极管D6的阳极还与电阻R12的一端和电容C18的一端连接，电阻R12的另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端与电容C18的另一端均与第二运放U3的反相输入端连接；第一运放U2采用德州仪器公司的放大器芯片INA138；第二运放U3也采用德州仪器公司的通用放大器芯片TS321QDBVRQ1。
本方案中，电阻R33和电阻R34的阻值相同，第一运放U2是用于一个检测高共模电压的高边差分运放，这是因为普通运放的共模输入电压比较低，不能满足该处的检测需求。将采样电阻两端的电压差放大后再经过电阻R23后送入第二运放U3的同相输入端，电阻R13和电容C14起分压和滤波作用；随后电阻R20、R21、R22构成分压电路，将VCC_5V电源分压的到1.5V电压信号经电阻R24送入第二运放U3的反相输入端中，另外在第二运放U3的输出端与反相输入端之间还有电容C18、电阻R12和电阻R14构成的负反馈回路，此时第二运放U3及其外围器件构成一个带负反馈的电压比较器。第二运放U3的输出端通过二极管D6与降压芯片U1的引脚5反馈输入端单向输出，从而调节降压芯片U1的反馈输入，使DC/DC变换模块、反馈模块和采样电阻整体构成一个恒流源结构。
举例说明，令US＝I*RS；其中US为采样电阻的两端电压差；I为流过采样电阻的电流；令第一运放U2的增益为Ga，则第一运放U2的输出Ua＝US*Ga；第一运放U2输出电压Ua进一步与第二运放U3的反相输入端输入端信号比较后和负反馈调节后，输出至降压芯片U1的引脚5处，实现动态调节降压芯片U1的反馈电压，实现降压芯片U1的恒流输出、输出电压跟随负载变化的目的。
如图1和图4所示，为了更好的对电池进行充电，并防止电源反灌，对应的设置了充电模块。具体的，充电模块包括开关单元、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2；开关单元的输入端与MCU的一个电平输出端连接，开关单元的输出端分别与电阻R32的一端连接，电阻R32的另一端分别与电阻R30的一端、稳压二极管D7的阳极、第一MOS管Q1的栅极和第二MOS管Q2的栅极连接，第一MOS管Q1的源极、第二MOS管Q2的源极、稳压二极管D7的阴极和电阻R30的另一端连接；第一MOS管Q1的漏极与采样电阻远离电感L1的一端连接，第二MOS管Q2的漏极与电池的正极B+连接。当开关单元开通时，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2同时开启，充电电流可以顺次流经两个MOS管，当不需要预充电时，两个MOS管保持关断状态，此时开关单元也处于关断状态，充电流无法流经电池方向。
同样如图4所示，具体的，开关单元包括三极管Q3、限流电阻R29和下拉电阻R31；限流电阻R29的一端与MCU的一个电平输出端连接，限流电阻R29的另一端分别与电容C6的一端、下拉电阻R31的一端和三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极、电容C6的另一端、和下拉电阻C31的另一端均接地，三极管Q3的集电极与电阻R32的一端连接。当MCU的一个电平输出端输出高电平CHARGE_ON时，高电平信号经过限流电阻R29限流后输入三极管Q3的基极中，使三极管Q3导通，有电流从三极管Q3的集电极朝向发射极流过，从而使第一MOS管Q1的栅极和第二MOS管Q2的栅极均为高电平，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2同时开启；当MCU的一个电平输出端输出低电平CHARGE_OFF时，三极管Q3关断，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2也同时关断。电容C6可以起到滤波作用，下拉电阻R31会拉低MCU的电平输出端的电位，防止MCU的电平输出端在拉低时输出不稳定，意外导致三极管Q3开启。
另一方面，本实用新型还提供了一种电池的充电装置，所述充电装置包括上述的电池的充电电路。该充电装置内部应用了上述电路结构的充电电路，并适应性的集成在电池包或者电池模组内部，更好的实现预充电功能。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池的充电电路，其特征在于，包括
供电模块，用于输出直流电压；
DC/DC变换模块，所述DC/DC变换模块的输入端与所述供电模块的输出端连接，用于将供电模块提供的直流电压进行降压；
充电模块，所述充电模块的输出端与电池的正极连接，用于向电池充电；
采样电阻，所述采样电阻的输入端与所述DC/DC变换模块的输出端连接，所述采样电阻的输出端与所述充电模块的输入端连接；
反馈模块，所述反馈模块的输入端分别从所述采样电阻输入端和输出端获取电流采样信号，所述反馈模块对所述电流采样信号放大后输入DC/DC变换模块的反馈输入端中；所述反馈模块的输出端与所述DC/DC变换模块的反馈输入端连接；
MCU，分别与所述DC/DC变换模块和所述充电模块的使能端连接，使所述DC/DC变换模块和所述充电模块进入工作或休眠状态。
2.根据权利要求1所述的一种电池的充电电路，其特征在于，所述DC/DC变换模块包括降压芯片U1和电感L1；所述MCU具有若干电平输出端和ADC转换端；降压芯片U1的引脚1与二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极与VCC_5V电源连接；供电模块的输出端电阻R3的一端和降压芯片U1的引脚2连接，MCU的一个电平输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电阻R2的一端、降压芯片U1的引脚3和电阻R3的另一端连接，电阻R2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与降压芯片U1的引脚4连接；降压芯片U1的引脚6与电阻R5的一端和电容C8的一端连接，电阻R5的另一端与电容C7的一端连接，电容C7的另一端和电容C8的另一端接地；降压芯片U1的引脚8分别与二极管D4的阴极和电感L1的一端连接，二极管D4的阳极接地，电感L1的另一端与电阻R8的一端和电容C12的一端连接，电阻R8的另一端分别与电阻R7的一端、电阻R9的一端电容C12的另一端和降压芯片U1的引脚5连接，电感L1的另一端还作为DC/DC变换模块的输出端VOUT1与采样电阻的一端连接；所述降压芯片U1采用RTQ2965。
3.根据权利要求2所述的一种电池的充电电路，其特征在于，所述电感L1的另一端还与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电阻R11的一端、电容R13的一端、稳压二极管D5的阴极和MCU的ADC转换端DCDC_VOL_MCU连接，电阻R11的另一端、电容C13的另一端和稳压二极管D5的阳极均接地。
4.根据权利要求2所述的一种电池的充电电路，其特征在于，所述反馈模块包括第一运放U2和第二运放U3；所述第一运放U2的同相输入端与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一段分别于电容C19的一端和采样电阻靠近电感L1的一端连接，电容C19的另一端接地；第一运放U2的反相输入端与电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端分别与电容C21的一端和采样电阻远离电感L1的一端连接，电容C21的另一端接地；第一运放U2的输出端分别与电阻R23的一端和电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端接地，电阻R23的另一端与第二运放U3的同相输入端连接；VCC_5V电源与电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端分别与电阻R22的一端和电阻R24的一端连接，电阻R22的另一端接地，电阻R24的另一端与第二运放U3的反相输入端连接，第二运放U3的输出端与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极与降压芯片U1的引脚5连接；二极管D6的阳极还与电阻R12的一端和电容C18的一端连接，电阻R12的另一端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端与电容C18的另一端均与第二运放U3的反相输入端连接；所述第一运放U2为INA138；第二运放U3为TS321QDBVRQ1。
5.根据权利要求4所述的一种电池的充电电路，其特征在于，所述充电模块包括开关单元、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2；开关单元的输入端与MCU的一个电平输出端连接，开关单元的输出端分别与电阻R32的一端连接，电阻R32的另一端分别与电阻R30的一端、稳压二极管D7的阳极、第一MOS管Q1的栅极和第二MOS管Q2的栅极连接，第一MOS管Q1的源极、第二MOS管Q2的源极、稳压二极管D7的阴极和电阻R30的另一端连接；第一MOS管Q1的漏极与采样电阻远离电感L1的一端连接，第二MOS管Q2的漏极与电池的正极连接。
6.根据权利要求5所述的一种电池的充电电路，其特征在于，所述开关单元包括三极管Q3、限流电阻R29和下拉电阻R31；限流电阻R29的一端与MCU的一个电平输出端连接，限流电阻R29的另一端分别与电容C6的一端、下拉电阻R31的一端和三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极、电容C6的另一端、和下拉电阻C31的另一端均接地，三极管Q3的集电极与电阻R32的一端连接。
7.根据权利要求2所述的一种电池的充电电路，其特征在于，所述采样电阻的阻值为0.01欧姆。
8.一种电池的充电装置，其特征在于，所述充电装置包括如权利要求1-7任一所述的电池的充电电路。
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