CN221227188U - 一种充电装置及电池包充电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种充电装置及电池包充电电路，其中充电装置包括变压器、第一整流电路、第一电容、第二电容、第二整流电路、功率方波发生电路和消耗电路。本实用新型由第二电容、第二整流电路和消耗电路构成的假负载电路，替代了现有技术中的假负载，可以稳定充电装置输出的同时又不会消耗电池的能量。同时具有通用性，可配合任一款电源管理控制芯片一起使用。

Description

一种充电装置及电池包充电电路

技术领域

本实用新型涉及充电技术领域，特别涉及一种充电装置及电池包充电电路。

背景技术

电池储能产业目前发展迅速，电池的容量、电压不断增大，降成本的压力也越来越大。高压电池包由单节电池串联得到。由于电池材料和工艺等方面的原因，会导致在充电或者放电后，电池包里的单节电池电压不一致。这会导致电池包寿命降低和过冲放引起的安全问题。因此电池均衡技术是电池储能的一项核心技术。

目前主动均衡技术，简单的讲就是电压高的单节电池给电压低的单节电池供电，或者电池包给电压低的单节电池供电，最终使得各个单节电池的工况达到一致的状态。均衡过程一般如下：由电池管理AFE监控电池的工作状况，由AFE控制充电装置给某一节单电池电芯充电。整体的均衡架构方案有多种，其中一种常用的充电架构如图1所示，每节单电池电芯上配一个充电装置，AFE通过检测单电池电芯的工作状态，通过CTL引脚控制与该单电池对应的充电装置工作，其中充电装置的输出端是直接跟单电池相连的。为了简化框图，图1中没有示出AFE与充电装置的连接关系。目前充电装置一般为隔离型的开关电源。

开关电源内部由PWM控制器来控制工作，PWM控制器通常通过控制开关频率和占空比来控制输出的功率，负载越小开关频率越低、占空比越小，由于兼顾动态响应、控制可靠性、音频噪声等方面的原因，工程上并不能把开关频率和占空比降到很低。在常见的工程应用中，为了避免音频噪音，开关频率通常限制在22kHz以上；避免干扰，PWM控制器一般有200ns左右的最小导通时间。虽然不同的控制器、不同的应用中，上述的最小开关频率、占空比数值可能不一样，但几乎所有的PWM控制器都会有最小开关频率和最小占空比限制。因此开关电源是有最小的传输能量的。当负载损耗的能量小于开关电源的最小传输能量时，输出就会不稳定，可能产生输出电压飘高或者振荡的情况。在正常情况下，AFE会通过检测电池的工况，当电池电压过高时就会控制充电装置停止工作。而在工程应用中，通常也会考虑单点故障时系统的可靠性，其中一种单点故障情况就是AFE检测失效导致充电装置一直工作，这时就需要充电装置内部也有一道过冲保护限压机制，当触发限压机制时，充电装置是处于空载/轻载状态的。在传统的开关电源控制中，限压功能是较容易实现的，通过常规电压闭环反馈即可实现。但由于上述的最小传输能量的原因，必须在充电装置的输出端并联假负载，如图1所示，才能稳定充电装置在轻载/空载时的工况。假负载同时并联在电池的正负极之间，存在消耗电池能量的情况，造成一定的损耗，长期使用，损耗的累计也不容小觑。

因此，需要对充电装置进行改进，来解决假负载造成的能量消耗问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种充电装置及电池包充电电路，可以解决现有技术中充电装置输出端两端并联假负载造成的能量损耗问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本实用新型提供一种充电装置，包括变压器、第一整流电路、第一电容C1、第二整流电路、功率方波发生电路和消耗电路；所述功率方波发生电路连接在所述变压器的原边绕组两端，为变压器原边提供方波电压；所述第一整流电路的输入端和第二整流电路的输入端分别连接变压器的副边绕组的一端；所述第二整流电路的输出端连接所述消耗电路的一端；所述第一整流电路的输出端连接第一电容C1的一端；所述第一电容C1的另一端和所述消耗电路的另一端连接变压器的副边绕组的另一端；所述第一整流电路和第二整流电路均为单向导通电路，均从各自的输入端向输出端单向导通。

进一步的，所述的一种充电装置还包括第二电容C2，所述第二电容C2并联在所述消耗电路两端。

进一步的，所述第一整流电路或第二整流电路是二极管、MOS管、三极管其中一种，或任意两种以上的串联或并联。

进一步的，所述消耗电路是电阻、稳压二极管、线性稳压器其中一种，或任意两种以上的串联或并联。

进一步的，所述第一整流电路包括第一二极管D1，所述第二整流电路包括第二二极管D2，所述消耗电路包括电阻R1，所述功率方波发生电路包括第一MOS管TR1；输入电压VIN从变压器的原边绕组的一端输入，变压器的原边绕组的另一端与第一MOS管TR1的漏极相连，第一MOS管TR1的源极接地；变压器的副边绕组的一端连接第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极；第一二极管D1的阴极与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与变压器的副边绕组S1的另一端相连；电阻R1的一端与第二二极管D2的阴极相连，另一端与变压器的副边绕组的另一端相连。

进一步的，所述第一整流电路包括第二MOS管TR2，所述第二整流电路包括第二二极管D2，所述消耗电路包括稳压二极管DZ1，所述功率方波发生电路包括第一MOS管TR1；输入电压VIN从变压器的原边绕组的一端输入，原边绕组的一端与第一MOS管TR1的漏极相连，第一MOS管TR1的源极接地；变压器的副边绕组的一端与第二MOS管TR2的源极、第二二极管D2的阳极相连；第二MOS管TR2的漏极与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与变压器的副边绕组S1的另一端相连；稳压二极管DZ1的阴极与第二二极管D2的阴极相连，稳压二极管DZ1的阳极与变压器的副边绕组的另一端相连。

第二方面，本实用新型提供一种电池包充电电路，包括N个并联的上述充电装置，每个所述充电装置的输出端连接充电包的一个单体电池并为单体电池充电。

本实用新型的一种充电装置及电池包充电电路，用假负载电路替代了现有技术中的假负载，可以稳定充电装置输出的同时又不会消耗电池的能量(VO+、VO-两端为高阻)；同时具有通用性，可配合任一款电源管理控制芯片一起使用。

附图说明

图1为现有技术的电池均衡系统应用框图；

图2为采用本实用新型充电装置的电池均衡系统应用框图；

图3为本实用新型的充电装置的电路框图；

图4为本实用新型的充电装置的一种实施方式的电路原理图；

图5为本实用新型的充电装置的另一种实施方式的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

本实用新型提供一种充电装置，框图如图3所示，包括变压器、第一整流电路DB1、第一电容C1、第二整流电路DB2、功率方波发生电路和消耗电路。功率方波发生电路连接在变压器的原边绕组P1的两端。第一整流电路DB1的输入端和第二整流电路DB2的输入端分别连接变压器的副边绕组S1的一端。第二整流电路DB2的输出端连接消耗电路的一端。第一整流电路DB1的输出端连接第一电容C1的一端。第一电容C1的另一端和消耗电路的另一端连接变压器的副边绕组S1的另一端。第一整流电路DB1和第二整流电路DB2均为单向导通电路，均由各自的输入端到输出端单向导通。

优选地，在消耗电路两端并联第二电容C2，可以与消耗电路、第二整流电路DB2一起，吸收变压器副边绕组的漏感能量，减小功率半导体器件的工作电压应力，提高可靠性。

图3的工作原理为：

功率方波电路为变压器的原边绕组P1提供一个特定频率及占空比的方波电压，变压器的副边绕组S1经过第一整流电路DB1后，在第一电容C1上得到一个稳定电压，第一电容C1两端与电池直接相连给电池充电。在现有技术中，如图1所示，在充电装置的输出端两端会并联一个电阻作为假负载，以防止该充电装置在轻载/空载时工作不稳定。这个假负载也同时并联在电池正负极之间，当充电装置不工作时，假负载会一直消耗电池的电量。本实用新型中的第二整流电路DB2和消耗电路，由消耗电路来充当假负载，维持充电装置在轻载/空载时的稳定工作，而当充电装置不工作时，由于第一整流电路DB1的单向导通特性，电池的能量并不能回传到消耗电路上。从而达到了既能起到假负载作用，又不会消耗电池能量的效果，同时该方案也不会局限于特定的某一种拓扑或某一种控制方式，具有广泛的通用性。

本实用新型的功率方波发生电路可以采用现有技术来实现，其具体形式本实用新型不做限制，只要能实现为变压器原边提供特定频率及占空比的方波电压的功能即可。

作为本实用新型的优选实施方式，第一整流电路DB1和第二整流电路DB2都具有单向导通特性，并且都是从输入端向输出端单向导通，第一整流电路DB1或第二整流电路DB2可以是二极管、MOS管、三极管其中之一，或任意两个以上的串联或并联。

作为本实用新型的优选实施方式，消耗电路可以是电阻、稳压二极管、线性稳压器其中之一，或任意两个以上的串联或并联。

图4为本实用新型的充电装置的其中一种实施方式，第一整流电路DB1采用第一二极管D1，第二整流电路DB2采用第二二极管D2，消耗电路采用电阻R1，功率方波发生电路采用第一MOS管TR1。输入电压VIN从变压器的原边绕组P1的一端输入，变压器的原边绕组P1的另一端与第一MOS管TR1的漏极相连，第一MOS管TR1的源极接地。变压器的副边绕组S1的一端连接第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极。第一二极管D1的阴极与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与变压器的副边绕组S1的另一端相连。第二电容C2与电阻R1并联后的一端与第二二极管D2的阴极相连，另一端与变压器的副边绕组S1的另一端相连。

在图4所示的实施方式中，第一MOS管TR1、变压器的原边绕组P1、变压器的副边绕组S1、第一二极管D1和第一电容C1构成反激拓扑，电容C1的两端作为充电装置的输出端与后级待充电的电池两端相连。

现有技术需要在充电装置的输出端两端并联一个电阻来稳定充电装置轻载/空载工作情况，但同时也会不断消耗电池的能量。而在本实用新型中，所采用的创新方案为：在变压器的副边绕组S1两端并联了由第二二极管D2和电阻R1构成的假负载电路。通过第二二极管D2的作用，电阻R1只在开关电源工作的时候才消耗能量，如果开关电源停止工作，由于二极管D2的反向截止作用，电池的电流不会流回电阻R1，则开关电源不工作时功耗为零。这个零功耗在电池储能行业或者双向均衡的应用场景中尤其重要，因为极大地减少了电能的损失。可达到稳定充电装置在轻载/空载状况的效果，又不会消耗后级待充电电池的能量。增加第二电容C2后，在不消化电池能量的同时，第二二极管D2、第二电容C2和电阻R1同时也是一个RCD吸收电路，可以吸收开关电源变压器的漏感能量。RCD吸收电路接在变压器副边绕组两端，因此吸收的是副边绕组的漏感能量，减小功率半导体器件的工作电压应力，提高可靠性。第二电容C2的作用是将变压器副本绕组的漏感能量先储存起来，然后再通过电阻R1消耗掉。

图5为本实用新型的充电装置的第二种实施方式，第一整流电路DB1为第二MOS管TR2，第二整流电路DB2为第二二极管D2，消耗电路为稳压二极管DZ1，功率方波发生电路为第一MOS管TR1。输入电压VIN从变压器的原边绕组P1的一端输入，原边绕组P1的一端与第一MOS管TR1的漏极相连，第一MOS管TR1的源极接地。变压器的副边绕组S1的一端与第二MOS管TR2的源极、第二二极管D2的阳极相连，第二MOS管TR2的漏极与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与变压器的副边绕组S1的另一端相连。第二电容C2的一端与稳压二极管DZ1的阴极、第二二极管D2的阴极相连，第二电容C2的另一端与稳压二极管DZ1的阳极、变压器的副边绕组S1的另一端相连。

图5所示的实施方式的工作原理与图4的工作原理类似，第二MOS管TR2同样起到了整流的作用。而消耗电路为稳压二极管DZ1，当电池电压较低时，稳压二极管DZ1是不工作的，在一定程度上可以提高效率。当电池电压较高触发开关电源的过冲保护限压机制时，通过选择合适稳压值的稳压二极管，使得稳压二极管在此时被击穿，限制空载/轻载工况下输出电压的飘高，提高了电池充电的可靠性。同样地，当第二MOS管TR2的栅极电压为零时，第二MOS管TR2的特性与二极管类似具有单向导通特性，电池的能量不会被稳压二极管DZ1消耗。

本实用新型的充电装置还有其他实施方式，比如第一整流电路DB1和第二整流电路DB2都选择二极管，或者都选择三极管，或者都选择MOS管等等，另外搭配线性稳压器作为消耗电路。都可以实现本实用新型的目的，在此不一一列举。

本实用新型还提供一种电池包充电电路，包括N个并联的上述充电装置，每一个充电装置的输出端连接充电包的一个单体电池并为单体电池充电。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上仅为说明本实用新型的实施方式，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、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 (7)

1.一种充电装置，其特征在于，包括变压器、第一整流电路、第一电容(C1)、第二整流电路、功率方波发生电路和消耗电路；所述功率方波发生电路连接在所述变压器的原边绕组两端，为变压器原边提供方波电压；所述第一整流电路的输入端和第二整流电路的输入端分别连接变压器的副边绕组的一端；所述第二整流电路的输出端连接所述消耗电路的一端；所述第一整流电路的输出端连接第一电容(C1)的一端；所述第一电容(C1)的另一端和所述消耗电路的另一端连接变压器的副边绕组的另一端；所述第一整流电路和第二整流电路均为单向导通电路，均从各自的输入端向输出端单向导通。

2.根据权利要求1所述的一种充电装置，其特征在于，还包括第二电容(C2)，所述第二电容(C2)并联在所述消耗电路两端。

3.根据权利要求1或2所述的一种充电装置，其特征在于，所述第一整流电路或第二整流电路是二极管、MOS管、三极管其中一种，或任意两种以上的串联或并联。

4.根据权利要求3所述的一种充电装置，其特征在于，所述消耗电路是电阻、稳压二极管、线性稳压器其中一种，或任意两种以上的串联或并联。

5.根据权利要求4所述的一种充电装置，其特征在于，所述第一整流电路包括第一二极管(D1)，所述第二整流电路包括第二二极管(D2)，所述消耗电路包括电阻(R1)，所述功率方波发生电路包括第一MOS管(TR1)；输入电压VIN从变压器的原边绕组的一端输入，变压器的原边绕组的另一端与第一MOS管(TR1)的漏极相连，第一MOS管(TR1)的源极接地；变压器的副边绕组的一端连接第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阳极；第一二极管(D1)的阴极与第一电容(C1)的一端相连，第一电容(C1)的另一端与变压器的副边绕组的另一端相连；电阻(R1)的一端与第二二极管(D2)的阴极相连，另一端与变压器的副边绕组的另一端相连。

6.根据权利要求4所述的一种充电装置，其特征在于，所述第一整流电路包括第二MOS管(TR2)，所述第二整流电路包括第二二极管(D2)，所述消耗电路包括稳压二极管(DZ1)，所述功率方波发生电路包括第一MOS管(TR1)；输入电压VIN从变压器的原边绕组的一端输入，原边绕组的一端与第一MOS管(TR1)的漏极相连，第一MOS管(TR1)的源极接地；变压器的副边绕组的一端与第二MOS管(TR2)的源极、第二二极管(D2)的阳极相连；第二MOS管(TR2)的漏极与第一电容(C1)的一端相连，第一电容(C1)的另一端与变压器的副边绕组的另一端相连；稳压二极管(DZ1)的阴极与第二二极管(D2)的阴极相连，稳压二极管(DZ1)的阳极与变压器的副边绕组的另一端相连。

7.一种电池包充电电路，其特征在于，包括N个并联的权利要求1至6任一项所述的充电装置，每个所述充电装置的输出端连接充电包的一个单体电池并为单体电池充电。