專利名稱：一種鋰離子電池組充電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種鋰離子電池組充電電路 本實用新型涉及開關(guān)電源，尤其涉及一種鋰離子電池組充電電路。 鋰離子電池由于體積小，重量輕，容量密度高等優(yōu)點已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。由于鋰離子電池的單體電壓低(鈷酸鋰或錳酸鋰電池額定3. 6V或3. 7V，充滿為4. 2V ;磷酸鐵鋰電池額定為3. 2V充滿為3. 6V)，常通過串聯(lián)辦法以獲得所需要的標(biāo)稱電壓，如12V，24V，36V，42V，48V電壓或更高的輸出電壓。由于生產(chǎn)控制工藝及材料差異，材料離散性等原因，每個電池單體的內(nèi)阻，容量，荷電狀態(tài)，自放電率，開路電壓都存在差異，為發(fā)揮整個電池組的最佳性能，廠家出廠前需對電池單體進(jìn)行專門的配對均衡等一致性測試，最后才能組裝成所需要的電池組。所以，電池組使用初期，一般是比較均衡的，性能較佳。但電池組隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，或電池組長期存放，缺少保養(yǎng)維護(hù)，由于電池的內(nèi)阻，容量，自放電率的不斷變化，電池單體的性能會出現(xiàn)較大的變化，整個電池組的性能將逐漸劣化，主要表現(xiàn)在充電充不滿，放電能力不足，容量下降。鋰離子電池由于其內(nèi)部獨特的電化學(xué)特性，化學(xué)成分非?；钴S，不允許電池過充、過放或過溫，過流，否則會損壞電池，甚至出現(xiàn)起火甚至爆炸等安全問題。所以，不管是單體還是電池組，都需要配合有專門的充放電保護(hù)電路才可以使用，此充放電保護(hù)電路稱為“電池保護(hù)板”或BMS (Battery Management System),此保護(hù)電路時刻監(jiān)控每個電池的充放電工作狀態(tài)，當(dāng)電池單體或電池組出現(xiàn)異常時，即關(guān)閉電池的充放電，避免事故發(fā)生。傳統(tǒng)的充電方法的流程如圖I所示，傳統(tǒng)的充電特性曲線如圖2所示(以鈷酸鋰電池為例)。根據(jù)鋰離子電池的充放電特性，充電時采用恒壓恒流的方式，以鈷酸鋰電池單體為例，額定標(biāo)稱電壓為3. 6V，電池充滿時電壓為4. 2V，當(dāng)電池電壓小于4. 2V時，充電器以恒流的方式(如恒定大電流值為II，也可以開始先以恒流小電流IO值進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)電池電壓上升到一定值時再改用恒流大電流Il進(jìn)行充電)給電池充電，當(dāng)電池的電壓達(dá)到4. 2V時，充電器改成以恒壓限流的方式(4.2V)給電池充電。進(jìn)入恒壓充電模式后，充電電流將逐步下降，當(dāng)充電電流小于某值(如12)時，則認(rèn)為電池已充滿，停止充電。對于多節(jié)電池串聯(lián)的電池組，充電方法及過程同單節(jié)電池一樣，只是恒壓充電電壓改為NX4. 2V(N為電池單體的串聯(lián)個數(shù))。以上所描述的充電方法，是目前最普遍使用的充電方法，在電池組使用初期階段，是基本能夠滿足充電要求的。但隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加或電池長期存放后，內(nèi)部電池單體的內(nèi)阻變大，容量下降，同時由于自放電率不同，電池單體的電壓也相差較大。自放電率最高的電池，自身被消耗掉的能量最大，荷電量最少，電池的電壓也最低。隨著時間的增力口，電池的不均衡情況將越來越嚴(yán)重，自放電率將是影響電池組各電池單體均衡情況的一個最重要因素。采用上述的常規(guī)充電方法，無法改善電池的不均衡狀態(tài)，電池組的性能會越來越差，表現(xiàn)如下[0007]充電充不滿自放電率最高的電池單體電壓最低，存儲的能量最少。如果電池組的所有電池單體均衡性良好，則在充電過程中，各個電池的電壓相差不大，電池組電壓逐步升高到NX4. 2V(N為電池串聯(lián)節(jié)數(shù))，然后進(jìn)入恒壓模式，充電電流將慢慢下降，當(dāng)電流小到設(shè)定的12時(如圖2所示)，電池被充滿，充電器關(guān)閉充電。但如果電池的不均衡情況嚴(yán)重，電池單體的電壓相差較大，則自放電最少的單體電池電壓最高，將最先被充滿電，而這時放電率最高的電池單體電壓最低，仍未被充滿電。隨著電池組的繼續(xù)充電，最先被充滿電的電池單體電壓將會急劇上升，觸發(fā)電池保護(hù)板(BMS)的過壓保護(hù)功能，斷開充電回路，禁止充電。從充電器的輸出看(圖2),就是充電電流尚未到達(dá)小電流12,或還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于12時，電流就會被斷開，無法給電池組充電了。結(jié)果是電池組中自放電率小、荷電量多的電池單體出現(xiàn)滿充，自放電率大、荷電量少的電池單體出現(xiàn)欠充。由于充電電流被電池保護(hù)電路強(qiáng)迫斷開了，充電器會檢測到假的認(rèn)為電池已經(jīng)被充滿的電流信號充電電流值小于12，這樣會導(dǎo)致顯示假的充電結(jié)果電池已充滿。放電能力不足將嚴(yán)重不均衡的電池按上述常規(guī)方法進(jìn)行充電后，即使充電時提示“電池已充滿”，但真正放電時會發(fā)現(xiàn)放電嚴(yán)重不足。因為充電過程中，只是自放電小，荷電量高的的電池單體被先充滿了，而自放電高荷電量低的電池還處于欠充狀態(tài)，放電時欠充的電池能量不足，電壓下降最快，電壓最低，當(dāng)欠充的電池單體能量快放完時，電壓會急劇下降，觸發(fā)電池保護(hù)板(BMS)的欠壓保護(hù)功能(鈷酸鋰一般設(shè)定為2. 5-2. 8V)，禁止電池組放電，以保護(hù)電池。從以上I和2中的分析說明中可以得出一個結(jié)論一個電池組的性能取決于其中一個荷電量最低或容量最低的電池單體的性能，為發(fā)揮電池組的最佳性能，必須想辦法使電池組的各個單體的不均衡狀態(tài)減到最低。為改善電池組內(nèi)部的均衡情況，很多電池保護(hù)板(BMS)內(nèi)部會帶有均衡電路，常用的有兩種方式，如圖3和圖4所示。圖3的方案最常用，為能耗型，即在充電過程中，如果檢測到某單體的電壓已經(jīng)超過最高允許充電電壓，控制電路會接通此電池單體的放電回路，將部分多余的能量通過發(fā)熱的方式消耗掉。圖4的方案為能量轉(zhuǎn)移型，即每相鄰的兩個電池中，電壓高的電池把能量轉(zhuǎn)移到電壓低的電池中。以上保護(hù)板的兩種均衡方法各有優(yōu)缺點，圖3方案的優(yōu)點是電路簡單，成本低，但發(fā)熱大，圖4方案的優(yōu)點是發(fā)熱少，均衡效果好，但電路復(fù)雜，成本很高。另外限于空間和成本的考慮，兩種方法的均衡電流都很小，常規(guī)電流為30-100mA。雖然保護(hù)板(BMS)上有均衡電路，但用常規(guī)的充電辦法，只能輕度改善但不能有效的解決由于不均衡嚴(yán)重而導(dǎo)致的充電不足，放電不足的問題，這是因為，均衡電流非常小，常規(guī)約30-100mA，作用非常有限。為了加快充電時間，充電電流常為C/3-1C，在要求快速充電的地方，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；另外即使均衡電流要比常規(guī)值(30-100mA)大得多，只要充電電流大于均衡電流，均衡作用就被消弱，無法根本解決電池的均衡問題。電池組中的保護(hù)板(BMS)工作時自身需要供電，需要消耗能量，由于考慮功耗和器件耐壓等原因，往往是在多級串聯(lián)的電池組中從較低的電壓端口位置而不是從串聯(lián)的總電壓端口位置抽取供電，這樣導(dǎo)致供電本身也容易造成內(nèi)部電池單體的不平衡(在串聯(lián)電池組中，離負(fù)極近的低串?dāng)?shù)部分電池單體耗電較多，靠近正極的部分電池單體基本不耗電)，特別是在電池組串聯(lián)電池數(shù)量較多的時候。充電時，電池的電壓高并不絕對代表電池的荷電量高，特別在大電流快速充電時，因為在大電流充電條件下電池內(nèi)阻將變成一個重要的影響參數(shù)，靜態(tài)時電壓不高，荷電量少但內(nèi)阻大的電池，大電流充電時電壓反而會偏高，容易觸發(fā)保護(hù)板過壓保護(hù)，導(dǎo)致電池被禁止充電。本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠使電池組中容量最低或荷電量最低的電池單體能充滿電，同時又不會使別的電池單體出現(xiàn)過充的鋰離子電池組鋰離子電池組充電電路。為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是，一種鋰離子電池組充電 電路，包括原邊電路、副邊電路、變壓器、放電電路和控制電路，原邊電路和副邊電路通過變壓器耦合；原邊電路包括由PWM控制器驅(qū)動的逆變電路，所述的副邊電路包括主輸出電路和輔助輸出電路，所述的控制電路包括微控制器、充電電流設(shè)定電路和工作狀態(tài)采樣電路；工作狀態(tài)采樣電路的輸出端接微控制器，充電電流設(shè)定電路的信號輸入端接微控制器充電電流設(shè)定的信號輸出端；放電電路的控制信號輸入端接微控制器的放電電路的控制信號輸出端，充電電流設(shè)定電路的輸出端接PWM控制器控制信號輸入端。以上所述的鋰離子電池組充電電路，所述的主輸出電路包括變壓器的第一副邊繞組、第一整流濾波電路和輸出端口，第一副邊繞組的輸出端經(jīng)第一整流濾波電路接輸出端口 ；所述的放電電路包括串聯(lián)的放電電阻和電子開關(guān)，放電電路的一端接所述輸出端口正極，另一端接所述輸出端口負(fù)極，電子開關(guān)的控制端接微控制器的放電電路控制信號輸出端，第一整流濾波電路的負(fù)極輸出端接地。以上所述的鋰離子電池組充電電路，所述的控制電路包括主輸出開關(guān)電路，主輸出開關(guān)電路包括開關(guān)管、第一分壓電路、第二分壓電路和第一 NPN三極管；所述開關(guān)管的第一端接第一整流濾波電路的正極輸出端，第二端接輸出端口正極；第一分壓電路包括串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，第一分壓電路的一端接開關(guān)管的第一端，另一端接第一 NPN三極管的集電極，第一電阻和第二電阻之間的連接點接開關(guān)管的控制極；第二分壓電路包括串聯(lián)的第三電阻和第四電阻，第二分壓電路的一端接微控制器的主輸出開關(guān)控制信號輸出端，另一端接地；第三電阻和第四電阻之間的連接點接第一 NPN三極管的基極，第一 NPN三極管的發(fā)射極接地。以上所述的鋰離子電池組充電電路，所述工作狀態(tài)采樣電路包括電流采樣電路，所述的電流采樣電路包括采樣電阻和放大電路，放大電路的輸入端接輸出端口的負(fù)極，輸出端口的負(fù)極通過采樣電阻接地，放大電路的輸出端接微控制器電流采樣電路輸入端。以上所述的鋰離子電池組充電電路，包括光耦，所述的輔助輸出電路包括變壓器的第二副邊繞組和第二整流濾波電路，第二副邊繞組的輸出端接第二整流濾波電路；第二整流濾波電路的正極輸出端作為輔助輸出電路的正極輸出端，第二整流濾波電路的負(fù)極輸出端接地；光耦發(fā)光二極管的陽極接第二整流濾波電路的正極輸出端；光耦光敏三極管的集電極接PWM控制器控制信號輸入端，發(fā)射極接地；所述的充電電流設(shè)定電路包括放大三極管、運算放大器和復(fù)數(shù)條電阻值不同的電流設(shè)定分路；電流設(shè)定分路的一端分別接微控制器不同的電流設(shè)定信號輸出端，另一端接運算放大器的反相輸入端；運算放大器的同相輸入端接所述輸出端口的負(fù)極，輸出端接放大三極管的基極；放大三極管的發(fā)射極接地，集電極接光耦發(fā)光二極管的陰極。以上所述的鋰離子電池組充電電路，包括恒壓控制電路，恒壓控制電路包括第三分壓電路、置偏電阻和第一分流調(diào)節(jié)器，第三分壓電路包括串聯(lián)的第五電阻和第六電阻，第三分壓電路的一端接第一整流濾波電路的正極輸出端，另一端接地；第五電阻與第六電阻之間的連接點接第一分流調(diào)節(jié)器的參考電壓端，第一分流調(diào)節(jié)器的陽極接地，陰極接光耦發(fā)光二極管的陰極；第一分流調(diào)節(jié)器的陰極還通過置偏電阻接第二整流濾波電路的正極輸出端。以上所述的鋰離子電池組充電電路，包括線性穩(wěn)壓電路，所述的線性穩(wěn)壓電路包括第三NPN三極管、第四分壓電路、基極電阻和第二分流調(diào)節(jié)器，第四分壓電路的一端接第三NPN三極管的發(fā)射極，另一端接地；第四分壓電路包括串聯(lián)的第七電阻和第八電阻，第七 電阻與第八電阻之間的連接點接第二分流調(diào)節(jié)器的參考電壓端；第二分流調(diào)節(jié)器的陰極接第三NPN三極管的基極，陽極接地；第三NPN三極管的集電極接第二整流濾波電路的正極輸出端，發(fā)射極接微控制器的電源輸入端；第三NPN三極管的基極通過基極電阻接第三NPN三極管的集電極。以上所述的鋰離子電池組充電電路，所述工作狀態(tài)采樣電路包括電池溫度檢測電路，所述的電池溫度檢測電路包括第四分壓電路，第四分壓電路包括串聯(lián)的第七電阻和第八電阻；第四分壓電路的一端接微控制器的電源輸入端，另一端接微控制器的電池溫度信號測試端，第七電阻和第八電阻之間的連接點作為電池溫度檢測的采樣點。以上所述的鋰離子電池組充電電路，所述工作狀態(tài)采樣電路包括電池電壓檢測電路，所述的電池電壓檢測電路包括第五分壓電路、第五分壓電路包括串聯(lián)的第九電阻和第十電阻，第五分壓電路的一端接所述輸出端口正極，另一端接地，第九電阻和第十電阻之間的連接點接微控制器的電池電壓檢測信號輸入端。以上所述的鋰離子電池組充電電路，所述的放電電路包括第一二極管、第二二極管和第六分壓電路，所述的電子開關(guān)是開關(guān)三極管，第一二極管的陽極接所述輸出端口正極，陰極接放電電阻的一端，放電電阻的另一端接開關(guān)三極管的集電極，開關(guān)三極管的發(fā)射極接所述輸出端口負(fù)極；第六分壓電路包括串聯(lián)的第十一電阻和第十二電阻，第六分壓電路的一端接微控制器的放電電路控制信號輸出端，另一端接開關(guān)三極管的發(fā)射極，第十一電阻和第十二電阻之間的連接點開關(guān)三極管的基極；第二二極管的陰極接微控制器的放電電路控制信號輸出端，陽極接開關(guān)三極管的基極。本實用新型的鋰離子電池組充電電路能夠修復(fù)電池組中因為內(nèi)阻，自放電率或容量不同而導(dǎo)致的日益擴(kuò)大的不均衡，能使荷電量最低的電池單體充滿電，同時又不會使別的電池單體出現(xiàn)過充，可以整體提高電池組的容量和壽命，發(fā)揮電池組的最佳性能。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。[0030]圖I是鋰離子電池組傳統(tǒng)充電方法的流程圖。圖2是鋰離子電池組傳統(tǒng)充電方法的充電特性曲線圖。圖3是現(xiàn)有鋰離子電池組電池保護(hù)板均衡電路之一的原理圖。圖4是現(xiàn)有鋰離子電池組電池保護(hù)板均衡電路之二的原理圖。圖5是本實用新型實施例鋰離子電池組的充電方法流程圖之一。圖6是本實用新型實施例鋰離子電池組的充電方法流程圖之二。圖7是本實用新型實施例鋰離子電池組的充電方法電壓、電流變化曲線圖。圖8是鋰離子電池組傳統(tǒng)充電方法的電壓、電流變化曲線圖。圖9是本實用新型實施例鋰離子電池組充電電路的原理框圖。

圖10是本實用新型實施例鋰離子電池組充電電路主電路的原理圖。圖11是本實用新型實施例鋰離子電池組充電電路控制電路的原理圖。在圖9至圖11所示的本實用新型鋰離子電池組充電電路的實施例中，鋰離子電池組充電電路包括原邊電路、副邊電路、變壓器Tl和控制電路；原邊電路和副邊電路通過變壓器Tl耦合，變壓器Tl為反激變壓器；控制電路包括微控制器U2 (三星單片機(jī)S3F9454)。原邊電路包括輸入整流濾波電路和由PWM控制芯片驅(qū)動的逆變電路。副邊電路包括主輸出電路、輔助輸出電路和放電電路，控制電路包括微控制器、主輸出開關(guān)電路、待機(jī)電壓控制電路、恒壓控制電路、充電電流設(shè)定電路和工作狀態(tài)采樣電路。主輸出電路包括變壓器Tl的第一副邊繞組T1Y、第一整流濾波電路和鋰離子電池組充電電路的輸出端口 VB+、VB-。第一整流濾波電路包括整流二極管D1、電容EC4、C24，第一整流濾波電路的負(fù)極輸出端接地。主輸出開關(guān)電路包括主開關(guān)管Ql，NPN三極管Q3,穩(wěn)壓管Zl, 二極管D7、D8,隔尚二極管 D2,電容 C5,電阻 RIO、Rll、R18、R20。主開關(guān)管Ql的第一端(管腳號3)經(jīng)隔離二極管D2接第一整流濾波電路的正極輸出端Vout-1，第二端(管腳號2)接輸出端口正極VB+;電阻R10、R11串聯(lián)組成第一分壓電路，電阻RlO的一端接主開關(guān)管Ql的第一端，電阻Rll的一端通過二極管D8接NPN三極管Q3的集電極，電阻R10、R11之間的連接點接主開關(guān)管Ql的控制極。穩(wěn)壓管Zl的陰極接主開關(guān)管Ql的第一端，陽極接主開關(guān)管Ql的控制極；電容C5與穩(wěn)壓管Zl并接。電阻R18、R20串聯(lián)構(gòu)成第二分壓電路，電阻R20的一端0N/0FF-2作為主輸出開關(guān)電路的控制信號輸入端接微控制器U2的主輸出開關(guān)控制信號輸出端0N/0FF-2，電阻R18的一端接地；電阻R18、R20之間的連接點接NPN三極管Q3的基極，NPN三極管Q3的發(fā)射極接地。二極管D7的陰極接NPN三極管Q3的基極，陽極接NPN三極管Q3的發(fā)射極。當(dāng)0N/0FF-2的信號為高電平時，主開關(guān)管Ql導(dǎo)通，主輸出電路可以輸出；當(dāng)ON/0FF-2的信號為低電平時,主開關(guān)管Ql開斷，主輸出電路關(guān)閉。輔助輸出電路包括變壓器Tl的第二副邊繞組T1X、電阻R16、整流二極管D5、電容C4、EC6。第二副邊繞組TlX的輸出端通過電阻R16接整流二極管D5、電容C4、EC6組成的第二整流濾波電路；第二整流濾波電路的正極輸出端VAUX作為輔助輸出電路的正極輸出端，第二整流濾波電路的負(fù)極輸出端接地。主輸出(Vout-I)的恒壓控制電路包括電阻R28、R29、R30、R31、R32、R82、RH,電容C10、置偏電阻R27和分流調(diào)節(jié)器Ul (TL431)。電阻1 28、1 29、1 30、1 31、1 32、1 82、鼎1組成第三分壓電路，得到主輸出Vout-I端的電壓取樣信號。第三分壓電路R30、R32的一端作為恒壓控制電路的信號輸入端Vout-I接第一整流濾波電路的正極輸出端Vout-I (42V/2A)，第三分壓電路R28、R31的一端接地；第三分壓電路R30、R32與R28、R31之間的連接點接分流調(diào)節(jié)器Ul的電壓參考端R(分流調(diào)整器信號輸入端R)，分流調(diào)節(jié)器Ul的陽極接地，陰極通過置偏電阻置偏電阻R27接第二整流濾波電路的正極輸出端VAUX ；電阻R29和電容ClO串聯(lián)后，一端接分流調(diào)節(jié)器Ul的參考電壓端，另一端接分流調(diào)節(jié)器Ul的陰極；光耦Pl發(fā)光二極管的陽極通過電阻R26接第二整流濾波電路的正極輸出端VAUX，陰極接分流調(diào)節(jié)器Ul的陰極；光耦Pl光敏三極管的集電極(4腳)接PWM控制器ICl的控制信號輸入端(圖中未示出)，發(fā)射極接地。當(dāng)?shù)谝徽鳛V波電路的正極輸出端Vout-I的電壓改變時，經(jīng)過第三分壓電路電壓取樣，恒壓控制電路分流調(diào)節(jié)器Ul (TL431)的參考端(R)電壓值發(fā)生變化，經(jīng)分流調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行信號比較放大后，通過光耦反饋到PWM控制器ICl的控制信號輸入端，使第一整流濾波電路的正極輸出端Vout-I的電壓維持恒定。待機(jī)電壓控制電路包括穩(wěn)壓管Z4、電阻R62、R63和NPN三極管Q9，穩(wěn)壓管Z4的陰極經(jīng)公共電氣節(jié)點VP接光耦Pl發(fā)光二極管的陰極；NPN三極管Q9的基極通過電阻R63接微控制器U2的待機(jī)電壓控制信號輸出端STB，發(fā)射極接地，集電極接穩(wěn)壓管TA的陽極；電阻R62接在NPN三極管Q9的基極和發(fā)射極之間。當(dāng)鋰離子電池組充電電路待機(jī)時，微控制器U2的待機(jī)電壓控制信號輸出端STB發(fā)出高電平，NPN三極管Q9開通，將穩(wěn)壓管Z4的陽極接地，5. IV的穩(wěn)壓管Z4被接入到恒壓控制電路中，使主電壓輸出(Vout-I端)的恒壓控制電路失去作用，并通過光耦反饋到PWM控制器ICl的控制信號輸入端，同時使輔助輸出電路的輸出電壓VAUX由25V下降到7. 5V。輔助輸出電路的輸出電壓VAUX通過線性穩(wěn)壓電路供給微控制器U2穩(wěn)壓精度高、電壓為5V的待機(jī)電壓(VR = 5V)。線性穩(wěn)壓電路包括NPN三極管Q6，分流調(diào)節(jié)器IC2，電容Cll,電阻 R38、R39、R40 和 R48。電阻R39、R40串聯(lián)構(gòu)成第四分壓電路，第四分壓電路R39的一端接NPN三極管Q6的發(fā)射極，第四分壓電路R40的一端接地；電阻R39、R40之間的連接點接分流調(diào)節(jié)器IC2的參考電壓端；分流調(diào)節(jié)器IC2的陰極接NPN三極管Q6的基極，陽極接地；NPN三極管Q6的集電極接第二整流濾波電路的正極輸出端VAUX，發(fā)射極接微控制器U2的電源輸入端Vdd ；NPN三極管Q6的基極通過電阻R38、R48并聯(lián)組成的基極電阻接NPN三極管Q6的集電極；電容Cll接在分流調(diào)節(jié)器IC2的參考電壓端和陰極之間。充電電流設(shè)定電路包括電流控制環(huán)路和階梯電流設(shè)定電路。恒流控制環(huán)路包括運算放大器IC3A、放大三極管Q10、電阻R37、R53、R54、R64和電容C15，對所設(shè)定的階梯充電電流進(jìn)行恒流或限流處理。運算放大器IC3A的反相輸入端接階梯電流設(shè)定電路的輸出端，同相輸入端通過電阻R55接離子電池組充電電路的負(fù)極輸出端口 VB-。運算放大器IC3A的輸出端接由電阻R64和R37串聯(lián)組成的分壓電路，放大三極管QlO的基極接電阻R64和R37之間的連接點。放大三極管QlO的發(fā)射極接地，集電極經(jīng)電阻R53接光耦Pl光耦發(fā)光二極管的陰極。階梯電流設(shè)定電路包括二極管DIO、Dll電阻R56、R57、R58、R59、R68、R69。二極管D10、D11電阻1 56、1 57、1 58、1 59、1 68、1 69構(gòu)成3條電阻值不同的電流設(shè)定分路；3條電流設(shè)定分路的一端分別接微控制器U2不同的電流設(shè)定信號輸出端(5腳、6腳和7腳)。將單片機(jī)U2這3個引腳發(fā)出的階梯電流設(shè)定信號轉(zhuǎn)換成不同的參考電平，輸入運放IC3A的反相輸入端作為參考信號。另外運放IC3A的反相輸入端還通過電阻R69接線性穩(wěn)壓電路的輸出端VR，產(chǎn)生第四路參考電平。所以本實施例微控制器U2通過對不同電流設(shè)定分路的選通，可以獲得50mA、500mA、IA和2A的充電電流的設(shè)定。運算放大器供電電路包括三極管Q7和Q8，電阻R51、R52、R60、R61。運算放大器供電電路給VA端口供電。當(dāng)微控制器U2發(fā)出的控制信號0N/0FF為高電平時，VA有電，否 則斷電。放電電路為負(fù)脈沖放電回路，作為電池放電的假負(fù)載。放電電路包括二極管D16、D17，開關(guān)三極管Q12，電阻R75、R76、R77、R78。電阻R76和R77并聯(lián)作為放電電阻，二極管D16的陽極接鋰離子電池組充電電路的輸出端口正極VB+，陰極接放電電阻R76和R77的一端，放電電阻R76和R77的另一端接開關(guān)三極管Q12的集電極，開關(guān)三極管Q12的發(fā)射極接鋰離子電池組充電電路的輸出端口負(fù)極VB-。電阻R75和R78串聯(lián)組成分壓電路，分壓電路的一端接微控制器U2的放電電路控制信號輸出端0N/0FF-4(U2的P2. 6端口)，另一端接開關(guān)三極管Q12的發(fā)射極。電阻R75和R78之間的連接點開關(guān)三極管Q12的基極。二極管D17的陰極接微控制器的放電電路控制信號輸出端0N/0FF-4，陽極接開關(guān)三極管Q12的基極。微控制器的放電電路控制信號0N/0FF_4(U2的P2. 6)為高電平時，開關(guān)三極管Q12導(dǎo)通，電池組通過R76，R77進(jìn)行負(fù)脈沖放電。工作狀態(tài)采樣電路包括電流采樣電路，電流采樣電路包括采樣電阻R19和以運放IC3B為主體的放大電路，放大電路的輸入端接鋰離子電池組充電電路的負(fù)極輸出端口VB-，負(fù)極輸出端口 VB-通過采樣電阻R19接地，放大電路的輸出端IS接微控制器U2電流采樣電路輸入端IS，微控制器U2通過電流采樣信號確定主輸出電路的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)采樣電路包括電池電壓檢測電路，電池電壓檢測電路包括電阻R47、R49，電容C17和二極管D12。電阻R47和R49串聯(lián)構(gòu)成分壓電路、分壓電路的一端接鋰離子電池組充電電路的正極輸出端口 VB+，另一端接地，電阻R47和R49之間的連接點接微控制器U2的電池電壓檢測信號輸入端(PO. I端口)。工作狀態(tài)采樣電路還包括電池溫度檢測電路，電池溫度檢測電路包括由電阻R45和R46串聯(lián)組成的第四分壓電路，第四分壓電路的一端接微控制器U2的電源輸入端Vdd，另一端接微控制器U2的負(fù)載接入信號測試端(U2的第19腳)，電阻R45和R46之間的連接點NTC作為外部負(fù)載接入的采樣點。電池溫度檢測電路的NTC端口為電池組NTC電阻的輸入端，信號送到微控制器U2單片機(jī)進(jìn)行檢測，以判別電池組的接入狀態(tài)和電池的工作溫度，并發(fā)出“待機(jī)/工作”信號。當(dāng)電池沒有接入或電池已經(jīng)充滿時，鋰離子電池組充電電路停止充電，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，微控制器U2發(fā)出0N/0FF-2低電平信號，關(guān)閉主輸出開關(guān)Q1，輸出端口 VB+，VB-無輸出電壓，同時微控制器U2發(fā)出STB高電平待機(jī)控制信號(5V)，三極管Q9導(dǎo)通，5. IV穩(wěn)壓管Z4被接入到恒壓控制電路中，使主輸出Vout-I的恒壓控制電路失去控制作用，改由待機(jī)電壓控制回路進(jìn)行恒壓控制。當(dāng)檢測到有電池接入，需要正常充電時，微控制器U2發(fā)出STB低電平信號，三極管Q9開斷，穩(wěn)壓管TA失去作用，待機(jī)電壓控制電路被主輸出的恒壓控制電路代替，主輸出42V，輔助電壓Vaux輸出達(dá)到25V。同時，微控制器U2發(fā)出0N/0FF-2高電平信號(5V)，主輸出開關(guān)Ql導(dǎo)通，允許給電池組充電。當(dāng)鋰離子電池組充電電路處于待機(jī)時，待機(jī)電壓控制電路只需維持輔助電源(Vaux) 7. 5V的穩(wěn)定，保證單片機(jī)有5V 的穩(wěn)定工作電壓即可，主輸出回路開關(guān)Ql斷開，不需考慮主電壓輸出端的電壓值，所以主輸出電壓小于42V。這時，PWM芯片在低頻率和低占空比的節(jié)能模式下工作，工作頻率很低，約16—20K左右，而且處于間歇工作狀態(tài)，使所有開關(guān)器件(如Q5，D1，D5)的開關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗，假負(fù)載(R17)損耗都降到了最低。本實用新型的基本原理是通過充電電流的變化情況來判斷電池組內(nèi)部的均衡情況，并通過單片機(jī)程序的智能化控制，實現(xiàn)電池組的均衡充電功能，如圖5至圖8所示I.在充電過程中，如果能正常地從恒流模式切換到恒壓模式，充電電流能從大電流恒流狀態(tài)(Il)逐步緩慢下降到所設(shè)定的滿充條件關(guān)斷電流I (full)，即當(dāng)檢測到充電電流下降到小于I (full)，并延時(延時時間一般按50mS-1.5S之間設(shè)定)后，充電電流仍然存在，邨充電電流小于I(full)且大于0，說明電池組內(nèi)部各單體之間均衡情況良好，這時充電流程跟常規(guī)充電方法無異，充電器會按常規(guī)停止充電，充電器顯示出正確的充電狀態(tài)信息“電池已充滿，充電結(jié)束”。如果在充電過程中，充電電路沒有異常，而充電電流無法在恒壓狀態(tài)下逐步下降到滿充條件時的關(guān)斷電流I(full)時就被強(qiáng)迫禁止充電，即當(dāng)檢測到充電電流小于I(full)，并延時后(延時時間一般按50mS-1.5S之間設(shè)定)，充電器雖然繼續(xù)對電池進(jìn)行充電，但因電池已經(jīng)被強(qiáng)迫禁止充電，沒有充電電流，無法滿足“充電電流小于I(full)且大于0”的條件，說明充電電流是“非正常關(guān)斷”的，電流并不是正常的緩慢下降到I (full)，而是在大于I (full)的情況下突然斷開的，是由于電池組內(nèi)部保護(hù)板保護(hù)性關(guān)斷造成的，說明電池組的內(nèi)部均衡情況劣化，電池組需要進(jìn)行維護(hù)，充電流程進(jìn)入負(fù)脈沖階梯電流充電模式。在整個充電過程中，不管是在前期常規(guī)充電還是后期負(fù)脈沖階梯電流充電的情況下，控制電路都每隔一定時間(例如兩秒鐘)記錄一次充電電流值，假如記錄到充電斷開前的電流值為I (M)，設(shè)定的滿充關(guān)斷電流為I (full)，則A I = I (M)-I (full)，A I值越大，電池組內(nèi)部的不均衡越嚴(yán)重。2.當(dāng)電路確認(rèn)能滿足“充電電流小于I(full)且大于0”時，不需計算Al值，按常規(guī)充電流程，充電結(jié)束。3.當(dāng)電路確認(rèn)不能滿足“充電電流小于I (full)且大于0”時，電池組需要進(jìn)行充電維護(hù)，充電流程進(jìn)入負(fù)脈沖階梯電流充電模式。如上所述，當(dāng)電池出現(xiàn)異常關(guān)斷時，電池保護(hù)板(BMS)會禁止再次充電，除非人工復(fù)位重新啟動或電池電壓恢復(fù)到正常值才會允許重新充電。為了促使電池組內(nèi)部保護(hù)板(或BMS)去除保護(hù)，快速恢復(fù)到允許充電狀態(tài)，充電器內(nèi)部單片機(jī)控制電路發(fā)出控制信號，使充電器關(guān)閉輸出，但同時使充電器內(nèi)部的連接在充電端口上的假負(fù)載接通。因為保護(hù)板內(nèi)部電路中充電和放電開關(guān)是分開和單獨控制的，電池保護(hù)板(BMS)雖然不允許電池組進(jìn)行充電，但卻不會禁止電池組放電。通過放電的方式,可以使電池電壓降低,恢復(fù)到允許充電的狀態(tài)。在這過程中，可能發(fā)生多次的定時放電過程(放電時間可根據(jù)電池的容量情況編程設(shè)定)。每次定時放電結(jié)束后，充電器單片機(jī)控制電路發(fā)出指令，對電池組進(jìn)行恒流充電，如果能檢測到充電電流大于O且與設(shè)定的充電電流值相符，說明電池組已經(jīng)恢復(fù)到允許充電狀態(tài)，否則就停止充電，再次對電池組進(jìn)行定時放電，如此循環(huán)工作，直到電池組允許充電為止。因為放電電流與充電電流方向相反，所以定時的間歇狀的放電電流就形成“負(fù)脈沖”電流，使電池組中已經(jīng)過充的或電壓偏高的電池單體加快放電，使電池組恢復(fù)到允許重新充電的功能。當(dāng)電池組允許重新充電后，需要根據(jù)計算Al值的 大小來確定充電模式。當(dāng)AI^ I. 5X1 (full)時，程序直接進(jìn)入小電流充電模式，這時設(shè)定充電電流小于或等于電池保護(hù)板均衡電流，典型值為30-100mA;當(dāng)Al > I. 5X1 (full)時，程序進(jìn)入多級階梯電流充電模式，級數(shù)可已根據(jù)電池的容量和硬件電路來靈活設(shè)定，一般可以設(shè)定為2-5級。階梯電流值可以是Il/n (II值為初始充電大電流值，n的典型取值可以是1-5,每級電流遞減。
例如第一級的大電流為Il值，則第二級可為11/2，第三級為11/3.......在每一級電流的
充電過程中，充電控制電路仍然檢測充電電流能否可以自然下降到滿充條件的關(guān)斷電流值I(full)，如果是正常自然下降，則充電電流下降到小于I(full)后，即使再經(jīng)過一段時間，也就是延時后充電電流仍舊是存在的，電流會慢慢降低，越來越小，但滿足“充電電流小于Kfull)且大于0”的條件，說明電池已經(jīng)實現(xiàn)了均衡充電，性能維護(hù)完成，充電正常結(jié)束。但如果是保護(hù)板保護(hù)性關(guān)斷，充電電流一般在遠(yuǎn)大于I (full)值的條件下突然跌落，電流降到0，并且是持續(xù)保持在電流為0的無充電電流狀態(tài)。說明這時保護(hù)板已斷開充電控制開關(guān)，禁止充電。為恢復(fù)到允許充電功能，充電器再次對電池組進(jìn)行負(fù)脈沖放電處理。待恢復(fù)允許充電后，仍然要判斷Al值的大小。當(dāng)Al <1.5X1 (full)時，程序可直接進(jìn)入小電流充電模式，這時設(shè)定充電電流小于等于電池保護(hù)板均衡電流，小電流充電模式充電完畢后，退出循環(huán)，充電程序完成；當(dāng)Al > 1.5XI(full)，程序進(jìn)入多級階梯電流充電模式，充電電流調(diào)整(降額)為下一級，繼續(xù)充電，如此循環(huán)，如果在多級階梯電流充電模式過程中出現(xiàn)滿足充電電流小于I (full)且大于0的條件，充電過程也退出循環(huán)，說明充電程序完成。但如果在多級階梯電流充電模式中經(jīng)過多次的充放電循環(huán)后仍然無法出現(xiàn)滿足充電電流小于I (full)且大于0的條件，循環(huán)進(jìn)入到最后一級充電時，程序跳轉(zhuǎn)到小電流充電模式，設(shè)定充電電流小于或等于電池保護(hù)板均衡電流，典型值為50mA，保持持續(xù)充電，直到電池組的電壓到達(dá)NX 4. 2V。在小電流充電模式下，由于充電電流小于或等于保護(hù)板均衡電流，原來已經(jīng)充滿電的電池得到的能量不會超過自身能放掉或消耗掉的能量，電池電壓基本穩(wěn)定下來，不出現(xiàn)過充情況，不會觸發(fā)保護(hù)電路導(dǎo)致禁止充電，原來沒有充滿電的電池，可以繼續(xù)得到充電器提供的能量，經(jīng)過一定時間能量積累后，全部電池單體都可以到達(dá)滿充狀態(tài)，此時的電池組達(dá)到最大的放電能力，實現(xiàn)了每節(jié)電池單體的均衡充電。按照流程圖I所示的常規(guī)充電方法，當(dāng)電池組因為不均衡而導(dǎo)致保護(hù)性關(guān)斷，禁止充電后，禁止充電功能會被鎖定，充電器將無法對電池組充電，更不能改善電池組的不均衡狀況，會顯示出假的“電池已充滿”信息。本實用新型以上實施例負(fù)脈沖階梯電流的充電方法能克服由于自放電率不同或由于內(nèi)阻不同，容量不同而造成的不均衡情況，能自動激活電池組進(jìn)行維護(hù)性充放電，通過多次的“削峰填谷”，逐步改善電池組的不均衡狀態(tài)，使電池組中容量最低或荷電量最低的電池單體都能充滿電而又不會造成別的電池單體過充，最大限度地發(fā)揮電池組的性能。通過圖7和圖8的對比可以看出，如果在tl時刻開始，電池組因為不均衡原因造成禁止充電，常規(guī)充電法將不能對電池組進(jìn)行激活充電，無法改善不均衡情況，電池組將欠充；而本實用新型實施例的負(fù)脈沖階梯電流充電方法通過檢測電池的充電電流，診斷電池組的不均衡狀態(tài)，通過放電負(fù)脈沖， 活電池組重新充電，采用逐次逼近的階梯電流充電模式，“削峰填谷”，使每個單體電池都能充滿電而不過充，實現(xiàn)了均衡充電的目的。 本實用新型以上實施例電池組的不均衡情況通過對充電電流的變化來檢測，充電器自動識別，通過單片機(jī)程序的的智能化控制，全部自動完成對電池組的充電及維護(hù)過程。
權(quán)利要求1.ー種鋰離子電池組充電電路，包括原邊電路、副邊電路、變壓器和控制電路，原邊電路和副邊電路通過變壓器耦合；原邊電路包括由PWM控制器驅(qū)動的逆變電路，其特征在干，包括放電電路，所述的副邊電路包括主輸出電路和輔助輸出電路，所述的控制電路包括微控制器、充電電流設(shè)定電路和工作狀態(tài)采樣電路；工作狀態(tài)采樣電路的輸出端接微控制器，充電電流設(shè)定電路的信號輸入端接微控制器充電電流設(shè)定的信號輸出端；放電電路的控制信號輸入端接微控制器的放電電路的控制信號輸出端，充電電流設(shè)定電路的輸出端接PWM控制器控制信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，所述的主輸出電路包括變壓器的第一副邊繞組、第一整流濾波電路和輸出端ロ，第一副邊繞組的輸出端經(jīng)第一整流濾波電路接輸出端ロ；所述的放電電路包括串聯(lián)的放電電阻和電子開關(guān)，放電電路的一端接所述輸出端ロ正極，另一端接所述輸出端ロ負(fù)極，電子開關(guān)的控制端接微控制器的放電電路控制信號輸出端，第一整流濾波電路的負(fù)極輸出端接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，所述的控制電路包括主輸出開關(guān)電路，主輸出開關(guān)電路包括開關(guān)管、第一分壓電路、第二分壓電路和第一 NPN三極管；所述開關(guān)管的第一端接第一整流濾波電路的正極輸出端，第二端接輸出端ロ正極；第一分壓電路包括串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，第一分壓電路的一端接開關(guān)管的第一端，另一端接第一 NPN三極管的集電極，第一電阻和第二電阻之間的連接點接開關(guān)管的控制扱；第二分壓電路包括串聯(lián)的第三電阻和第四電阻，第二分壓電路的一端接微控制器的主輸出開關(guān)控制信號輸出端，另一端接地；第三電阻和第四電阻之間的連接點接第一 NPN三極管的基板，第一 NPN三極管的發(fā)射極接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，所述工作狀態(tài)采樣電路包括電流采樣電路，所述的電流采樣電路包括采樣電阻和放大電路，放大電路的輸入端接輸出端ロ的負(fù)極，輸出端ロ的負(fù)極通過采樣電阻接地，放大電路的輸出端接微控制器電流采樣電路輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，包括光耦，所述的輔助輸出電路包括變壓器的第二副邊繞組和第二整流濾波電路，第二副邊繞組的輸出端接第ニ整流濾波電路；第二整流濾波電路的正極輸出端作為輔助輸出電路的正極輸出端，第二整流濾波電路的負(fù)極輸出端接地；光耦發(fā)光二極管的陽極接第二整流濾波電路的正極輸出端；光耦光敏三極管的集電極接PWM控制器控制信號輸入端，發(fā)射極接地；所述的充電電流設(shè)定電路包括放大三極管、運算放大器和復(fù)數(shù)條電阻值不同的電流設(shè)定分路；電流設(shè)定分路的一端分別接微控制器不同的電流設(shè)定信號輸出端，另一端接運算放大器的反相輸入端；運算放大器的同相輸入端接所述輸出端ロ的負(fù)極，輸出端接放大三極管的基極 ’放大三極管的發(fā)射極接地，集電極接光耦發(fā)光二極管的陰極。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，包括恒壓控制電路，恒壓控制電路包括第三分壓電路、置偏電阻和第一分流調(diào)節(jié)器，第三分壓電路包括串聯(lián)的第五電阻和第六電阻，第三分壓電路的一端接第一整流濾波電路的正極輸出端，另一端接地；第五電阻與第六電阻之間的連接點接第一分流調(diào)節(jié)器的參考電壓端，第一分流調(diào)節(jié)器的陽極接地，陰極接光耦發(fā)光二極管的陰極；第一分流調(diào)節(jié)器的陰極還通過置偏電阻接第二整流濾波電路的正極輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，包括線性穩(wěn)壓電路，所述的線性穩(wěn)壓電路包括第三NPN三極管、第四分壓電路、基極電阻和第二分流調(diào)節(jié)器，第四分壓電路的一端接第三NPN三極管的發(fā)射極，另一端接地；第四分壓電路包括串聯(lián)的第七電阻和第八電阻，第七電阻與第八電阻之間的連接點接第二分流調(diào)節(jié)器的參考電壓端；第二分流調(diào)節(jié)器的陰極接第三NPN三極管的基板，陽極接地；第三NPN三極管的集電極接第二整流濾波電路的正極輸出端，發(fā)射極接微控制器的電源輸入端；第三NPN三極管的基極通過基極電阻接第三NPN三極管的集電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，所述工作狀態(tài)采樣電路包括電池溫度檢測電路，所述的電池溫度檢測電路包括第四分壓電路，第四分壓電路包括串聯(lián)的第七電阻和第八電阻；第四分壓電路的一端接微控制器的電源輸入端，另一端接微控制器的電池溫度信號測試端，第七電阻和第八電阻之間的連接點作為電池溫度檢測的采樣點。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，所述工作狀態(tài)采樣電路包括電池電壓檢測電路，所述的電池電壓檢測電路包括第五分壓電路、第五分壓電路包括串聯(lián)的第九電阻和第十電阻，第五分壓電路的一端接所述輸出端ロ正極，另一端接地，第九電阻和第十電阻之間的連接點接微控制器的電池電壓檢測信號輸入端。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰離子電池組充電電路，其特征在于，所述的放電電路包括第一ニ極管、第二ニ極管和第六分壓電路，所述的電子開關(guān)是開關(guān)三極管，第一ニ極管的陽極接所述輸出端ロ正極，陰極接放電電阻的一端，放電電阻的另一端接開關(guān)三極管的集電極，開關(guān)三極管的發(fā)射極接所述輸出端ロ負(fù)極；第六分壓電路包括串聯(lián)的第十一電阻和第十二電阻，第六分壓電路的一端接微控制器的放電電路控制信號輸出端，另一端接開關(guān)三極管的發(fā)射極，第十一電阻和第十二電阻之間的連接點開關(guān)三極管的基板；第二ニ極管的陰極接微控制器的放電電路控制信號輸出端，陽極接開關(guān)三極管的基板。
專利摘要本實用新型公開了一種鋰離子電池組充電電路，包括原邊電路、副邊電路、放電電路和控制電路，原邊電路和副邊電路通過變壓器耦合；原邊電路包括由PWM控制器驅(qū)動的逆變電路，副邊電路包括主輸出電路和輔助輸出電路，控制電路包括微控制器、充電電流設(shè)定電路和工作狀態(tài)采樣電路；工作狀態(tài)采樣電路的輸出端接微控制器，充電電流設(shè)定電路的信號輸入端接微控制器的充電電壓設(shè)定的信號輸出端；放電電路的控制信號輸入端接微控制器的放電電路的控制信號輸出端，充電電流設(shè)定電路的輸出端接PWM控制器控制信號輸入端。本實用新型能夠使電池組中荷電量最低的電池單體充滿電，同時又不會使其他電池單體出現(xiàn)過充，可以整體提高電池組的容量和壽命，發(fā)揮電池組的最佳性能。
文檔編號H02J7/10GK202474986SQ20122006811
公開日2012年10月3日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者吳清平 申請人:深圳麥格米特電氣股份有限公司