專利名稱：一種高效率充放電控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電池充放電裝置，尤其涉及一種高效節(jié)能的充放電控制電路。
背景技術(shù)：
在電池生產(chǎn)或使用的過程(如電池的化成與分容)中，經(jīng)常要用到充放電電路。充放電電路基本包括:依次串聯(lián)的整流器、充電電路、電池；電池充放電電路可能但不僅限于

圖1至3所示結(jié)構(gòu)。如圖1所示，電池單接放電電路，整流器負(fù)責(zé)把交流電變換成一定電壓的直流電，作為后面的充電電路的輸入，給充電電路提供能量來源。如圖2所示，電池與整流器輸出端之間串接放電電路，形成能量回饋電路，放電電池的能量通過放電電路回饋到整流器的輸出端，可供其它充電電路使用，或通過其它的逆變器再將能量回饋至電網(wǎng)，以達(dá)到放電能量再利用的目的。此時(shí)，整流器的輸出電壓即為放電電路的輸出電壓。如圖3所示，充電電路和放電電路集合為充/放電電路，亦形成能量回饋電路。由于電池電壓有著較寬的電壓范圍，而且不同類型的電池電壓范圍也不相同，為使充放電電路在電池在電壓全范圍都能正常工作，并且具有較為廣泛的應(yīng)用范圍，因此一般來說整流器的輸出電壓一般都設(shè)定在一個(gè)比較高的值。因此，在很多情況下，功率變換電路(充電電路和/或放電電路)的輸入輸出電壓之差都較大。功率變換電路可以是基于線性電源工作原理的電路，也可以是基于開關(guān)電源原理的電路。無論其屬于何種電路，都有一種共同的特性，就是電路的輸入電壓和輸出電壓差距越大，其能量損耗越大。在線性電路里這種特性表現(xiàn)得尤為明顯，因?yàn)槠鋼p耗=(輸入電壓-輸出電壓)*電流比如在圖1至圖3任一的電路結(jié)構(gòu)里，如果整流器輸出電壓6V，電池電壓2V，電流10A，那么給電池充電總共消耗60W的功率，但其中有40W都以發(fā)熱的形式消耗掉了。在一些高精度的電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)(如化成和分容)，為了得到較小的充放電紋波，大多采用線性充放電電路。這也就是為什么電池生產(chǎn)企業(yè)一般都是高能耗的企業(yè)，每年的電費(fèi)都是一筆很大的開支。如果是開關(guān)型的充電電路或放電電路，雖然能量損耗跟輸入輸出電壓之差的關(guān)系不如線性電路這么突出，但也不容小視。因此，如果在電池充放電的過程中，可以根據(jù)電池電壓的不同來調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓，讓充放電電路的輸入輸出電壓之差盡可能的小，就可以極大的減小電路的能量損耗，給電池企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。一種類似的辦法是臺(tái)灣致茂電子股份有限公司的專利CN200910132274.5，其方法是針對(duì)線性充放電電路，控制電路中充放電的限流晶體管和限流電阻上的電壓為一個(gè)固定值，這樣可以在一定程度降低整流器的輸出電壓。在該方案里:損耗=(控制的固定值+電路中其它的線路電阻*電流)*電流但是該方案有兩個(gè)方面的問題:1.為了控制限流晶體管和限流電阻上的電壓為一個(gè)固定值，需要復(fù)雜的閉環(huán)控制，設(shè)備成本聞昂；[0012]2.假設(shè)限流晶體管和限流電阻的導(dǎo)通電阻一定，則電流越大，其兩端的電壓越高。另外由于工作過程中的發(fā)熱，其導(dǎo)通電阻還會(huì)增大，因此其兩端的電壓會(huì)更高。為了保證電路在大電流長(zhǎng)期充放電時(shí)控制的穩(wěn)定性，該方案必須將這個(gè)固定值設(shè)得較高。那么在小電流充放電的時(shí)候，本來不需要這么高的固定值，反而帶來了不必要的能量損耗。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型是要解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提出一種能夠在電池充放電過程中，根據(jù)電池的電壓和電流的波動(dòng)，實(shí)時(shí)地調(diào)整整流器輸出電壓，達(dá)到節(jié)能降耗的目的充放電控制電路。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種高效率充放電控制電路，其包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池，其還包括:分別與電池連接的電壓采樣電路和電流采樣電路、與電壓采樣電路和電流采樣電路連接的控制單元，所述的控制單元分別與整流器和充放電電路連接。上述整流器可以包含正極輸出端和負(fù)極輸出端，上述充放電電路包括充電晶體管、放電晶體管、限流電阻、公共端、接待充電池的充電正極和充電負(fù)極，其中充電晶體管的漏極接正極輸出端、源極接公共端、柵極接控制單元第二控制端；放電晶體管的漏極接公共端、源極接負(fù)極輸出端、柵極接控制單元第三控制端；限流電阻串接在公共端與充電正極之間，負(fù)極輸出端接充電負(fù)極。上述電壓采樣電路可以包括第三運(yùn)算放大器，其正相輸入端通過第六電阻接充電正極并通過第七電阻接地，其反相輸入端接其輸出端，其輸出端接控制單元一輸入端。上述電流采樣電路包括第二運(yùn)算放大器，其正相輸入端通過第二電阻接公共端并通過第四電阻接地，其反相輸入端通過第三電阻接充電正極并通過第五電阻接其輸出端，其輸出端接控制單元另一輸入端。上述整流器包含控制端、正極輸出端和負(fù)極輸出端，上述控制單元與整流器的控制端和正極輸出端之間連接一驅(qū)動(dòng)電路。上述驅(qū)動(dòng)電路包括:第一運(yùn)算放大器，串接在第一運(yùn)算放大器反相輸入端與正極輸出端之間的第八電阻、串接在第一運(yùn)算放大器反相輸入端與地之間的第十電阻、串聯(lián)后接在第一運(yùn)算放大器反相輸入端與輸出端之間的第九電阻和電容，第一運(yùn)算放大器正相輸入端接控制單元第一控制端，第一運(yùn)算放大器輸出端接整流器控制端。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型能適應(yīng)不同的電池類型，在電池充放電過程中，根據(jù)電池的電壓和電流的波動(dòng)，實(shí)時(shí)地調(diào)整整流器輸出電壓，使充電損耗大幅下降；同時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作出詳細(xì)的說明，其中:圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種基本的充放電控制電路框圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中一種帶能量回饋電路的充放電控制電路框圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中另一種帶能量回饋電路的充放電控制電路框圖；圖4為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的原理框圖；[0026]圖5為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的電路圖；圖6為一個(gè)整流器帶多個(gè)充放電電路和多個(gè)電池應(yīng)用示意圖；圖7為多個(gè)整流器帶多個(gè)充放電電路和多個(gè)電池應(yīng)用示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型揭示了一種高效率充放電控制電路，參看圖4示出的原理框圖，其包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池，以及采集電池電壓信號(hào)的電壓采樣電路、連接電壓采樣電路對(duì)所述電壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算進(jìn)而輸出控制信號(hào)的控制單元，所述整流器連接該控制單元并根據(jù)所述控制信號(hào)調(diào)整輸出直流電壓。在電池充放電過程中，控制單元實(shí)時(shí)地采集電池的電壓信息，根據(jù)一定的軟件算法，算得一個(gè)整流器最佳輸出電壓，該輸出電壓對(duì)應(yīng)最低的能量損耗。其公式為:VR=VB+ (RQ+RS+RL)*IMAX+VC................................................(I)VR:整流器最佳輸出電壓VB:電池電壓RQ:限流晶體管導(dǎo)通電阻RS:限流電阻RL:線路電阻IMAX:最大的充(放)電電流VC:保持控制裕量的預(yù)留電壓然后控制器通過任何一種通訊方式(包括權(quán)項(xiàng)7中的驅(qū)動(dòng)電路)與整流器通訊，使其輸出該電壓。隨著充放電時(shí)間的推移，電池兩端的電壓逐漸變化，電池電壓實(shí)時(shí)反饋電壓值，控制器控制整流器隨之改變整流器電壓輸出值，從而能量損耗降到最低。在較佳實(shí)施例中，還包括一采集電池電流信號(hào)的電流采樣電路，所述控制單元連接該電流采樣電路，對(duì)所述電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算進(jìn)而輸出所述控制信號(hào)。隨著充電時(shí)間的推移，電池充電電流逐漸減小，電流采樣電路實(shí)時(shí)反饋電池的充電電流值，控制器根據(jù)一定的軟件算法，算得一個(gè)整流器最佳輸出電壓，該輸出電壓對(duì)應(yīng)最低的能量損耗。其公式為:VR=VB+ (RQ+RS+RL)*10+VC...................................................(2)VR:整流器最佳輸出電壓VB:電池電壓RQ:限流晶體管導(dǎo)通電阻RS:限流電阻RL:線路電阻IO:實(shí)時(shí)的充(放)電電流VC:保持控制裕量的預(yù)留電壓對(duì)比公式(I)、(2)，公式(I)是用最大的充(放)電電流替代了實(shí)時(shí)的充(放)電電流，節(jié)能效果比不上在帶電流采用的控制電路。與致茂的現(xiàn)有方案相比，此時(shí)節(jié)能效果基本相當(dāng)，但其成本仍然具有很大的優(yōu)勢(shì)。在較佳實(shí)施例中，控制單元還連接控制充放電電路。參看圖5，整流器包含控制端、正極輸出端IN+和負(fù)極輸出端IN-，充放電電路包括充電晶體管Ql、放電晶體管Q2、限流電阻R1、公共端COM、接待充電池的充電正極OUT+和充電負(fù)極0UT-，其中充電晶體管Ql的漏極接正極輸出端IN+、源極接公共端COM、柵極接控制單元U2第二控制端；放電晶體管的漏極接公共端COM、源極接負(fù)極輸出端IN-、柵極接控制單元U2第三控制端；限流電阻Rl串接在公共端與充電正極之間0UT+，負(fù)極輸出端IN-接充電負(fù)極OUT-。在較佳實(shí)施例中，電壓采樣電路包括第三運(yùn)算放大器U3，參看圖5，其正相輸入端通過第六電阻R6接充電正極OUT+并通過第七電阻R7接地，其反相輸入端接其輸出端，其輸出端接控制單元U4—輸入端。所述電流采樣電路包括第二運(yùn)算放大器U2，其正相輸入端通過第二電阻R2接公共端并通過第四電阻R4接地，其反相輸入端通過第三電阻R3接充電正極OUT+并通過第五電阻R5接其輸出端，其輸出端接控制單元U4另一輸入端。在較佳實(shí)施例中，整流器包含控制端、整流器包含正極輸出端IN+和負(fù)極輸出端IN-，所述控制單元U4與整流器的控制端和正極輸出端IN+之間連接一驅(qū)動(dòng)電路。圖5示出了一種驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例，其包括第一運(yùn)算放大器U1，串接在第一運(yùn)算放大器Ul反相輸入端與正極輸出端IN+之間的第八電阻R8、串接在第一運(yùn)算放大器Ul反相輸入端與地之間的第十電阻R10、串聯(lián)后接在第一運(yùn)算放大器Ul反相輸入端與輸出端之間的第九電阻R9和電容Cl，第一運(yùn)算放大器Ul正相輸入端接控制單元U4第一控制端DACl，第一運(yùn)算放大器Ul輸出端接整流器控制端。下面以圖5示出的較佳實(shí)施方案為例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型工作原理，220V交流電經(jīng)整流器的變換輸出一個(gè)直流電壓，給后級(jí)充放電電路提供能量來源。整流器可以是任何的常規(guī)的電子電路，如全橋電路、半橋電路。但在本實(shí)用新型方案里，其特點(diǎn)是整流器的輸出電壓值可調(diào)。Ul、Cl、R8、R9、RlO構(gòu)成一個(gè)整流器輸出閉環(huán)控制電路，運(yùn)算放大器Ul的正相輸入端被接到控制單元U4的一個(gè)模擬信號(hào)輸出端。因此整流器的輸出電壓是被控制單元U4控制的，高低可調(diào)。整流器后級(jí)為充放電電路，其中Ql為充電的限流晶體管，Q2為放電的限流晶體管，Rl為充放電的限流電阻，其兩端的電壓值表征了充放電的電流值，因此也稱電流采樣電阻。控制單元U4就是通過控制Ql或Q2的導(dǎo)通程度，將Rl兩端的電壓控制在一個(gè)特定的值，從而將充電或放`電電流控制在一個(gè)特定的值?？刂茊卧猆4可以是單片機(jī)、DSP等等，也可以是單片機(jī)、DSP等的組合，功能是除了控制充電晶體管QI和放電晶體管Q2以實(shí)現(xiàn)充放電控制外，還通過電池電壓、電流采樣電路，通過控制單元U4內(nèi)部的軟件算法，輸出一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)作為整流器輸出電壓的控制信號(hào)，可以調(diào)整整流器輸出電壓，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。需要指出，圖5中給出了充放電電路和驅(qū)動(dòng)電路的較佳實(shí)施方案，業(yè)內(nèi)人士應(yīng)該了解到，實(shí)施方案并不限于以上所舉例子，還有其它的功能模塊也能達(dá)到相同作用，在不脫離本申請(qǐng)總體思路，而對(duì)其功能模塊進(jìn)行等效修改或和替換的，均應(yīng)包含于本申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍之中。與傳統(tǒng)的充放電方案相比，本實(shí)用新型能大大降低電路的能量損耗。還是舉上面那個(gè)例子:如果整流器輸出電壓6V，電池電壓2V，電流10A，那么給電池充電總共消耗60W的功率，但其中有40W都以發(fā)熱的形式消耗掉了。但如果采用本方案，假如將整流器的輸出電壓在此時(shí)刻降低為3V，則能量的損耗則由40W變成了 10W，節(jié)能75% ![0058]與致茂的現(xiàn)有方案相比，本方案兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì):1.成本低廉，無需復(fù)雜的閉環(huán)控制；2.節(jié)能效果顯著，假設(shè)電路在最大電流情況下需要將整流器輸出電壓降低IV，如果用致茂的現(xiàn)有方案，因?yàn)槠淇刂频氖枪潭ㄖ?，因此無論多大電流，限流晶體管和限流電阻上都必須是IV的電壓，而我們的方案則會(huì)根據(jù)電流大小的不同實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。同樣用上面的例子:電池電壓2V，電流10A，致茂的方案將整流器輸出電壓調(diào)整至3V。如果在某個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，電流變成了 5A，致茂的方案還是將整流器輸出電壓調(diào)整至3V，對(duì)應(yīng)的電路損耗為:1V*5A=5W而本實(shí)用新型在此 條件下會(huì)將整流器輸出電壓調(diào)整至2.5V，對(duì)應(yīng)的電路損耗為:0.5V*5A=2.5W節(jié)能也達(dá)50%!而且該粗略算法還沒包括線路中的損耗，致茂的方案是無法將這些寄生的損耗考慮在內(nèi)的，而本實(shí)用新型方案則可以在軟件算法中將線路的損耗一并考慮，節(jié)能效果更佳明顯。本實(shí)用新型方案可以推廣到多個(gè)整流器、多個(gè)充放電電路和多個(gè)電池的場(chǎng)合，如圖6和圖7所示:圖6所示為一個(gè)整流器帶η個(gè)充放電電路和η個(gè)電池，此時(shí)需要采集η個(gè)電池的電壓和電流，用前述同樣的軟件算法計(jì)算得到整流器最佳輸出電壓值，下發(fā)給整流器執(zhí)行。圖7所示為m個(gè)整流器并聯(lián)，后面帶η個(gè)充放電電路和η個(gè)電池，此時(shí)同樣需要采集η個(gè)電池的電壓和電流，取電壓和電流的最大值，用前述同樣的軟件算法計(jì)算得到整流器最佳輸出電壓值。由于有多個(gè)整流器，且每個(gè)整流器的輸出端都是并聯(lián)在一起的，輸出電壓必須一致，因此控制單元需將電壓信號(hào)下發(fā)給所有整流器執(zhí)行。以上實(shí)施例僅為舉例說明，非起限制作用。任何未脫離本申請(qǐng)精神與范疇，而對(duì)其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包含于本申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種高效率充放電控制電路，其包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池，其特征在于還包括:分別與電池連接的電壓采樣電路和電流采樣電路、與電壓采樣電路和電流采樣電路連接的控制單元，所述的控制單元分別與整流器和充放電電路連接。
2.如權(quán)利要求1所述的高效率充放電控制電路，其特征在于:所述整流器包含正極輸出端和負(fù)極輸出端，所述充放電電路包括充電晶體管、放電晶體管、限流電阻、公共端、接待充電池的充電正極和充電負(fù)極， 其中充電晶體管的漏極接正極輸出端、源極接公共端、柵極接控制單元第二控制端； 放電晶體管的漏極接公共端、源極接負(fù)極輸出端、柵極接控制單元第三控制端； 限流電阻串接在公共端與充電正極之間，負(fù)極輸出端接充電負(fù)極。
3.如權(quán)利要求2所述的高效率充放電控制電路，其特征在于:所述電壓采樣電路包括第三運(yùn)算放大器，其正相輸入端通過第六電阻接充電正極并通過第七電阻接地，其反相輸入端接其輸出端，其輸出端接控制單元一輸入端。
4.如權(quán)利要求3所述的高效率充放電控制電路，其特征在于:所述電流采樣電路包括第二運(yùn)算放大器，其正相輸入端通過第二電阻接公共端并通過第四電阻接地，其反相輸入端通過第三電阻接充電正極并通過第五電阻接其輸出端，其輸出端接控制單元另一輸入端。
5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的高效率充放電控制電路，其特征在于:所述整流器包含控制端、正極輸出端和負(fù)極輸出端，所述控制單元與整流器的控制端和正極輸出端之間連接一驅(qū)動(dòng)電路。
6.如權(quán)利要求5所述的高效率充放電控制電路，其特征在于:所述的驅(qū)動(dòng)電路包括:第一運(yùn)算放大器，串接在第一運(yùn)算放大器反相輸入端與正極輸出端之間的第八電阻、串接在第一運(yùn)算放大器反相輸入端與地之間的第十電阻、串聯(lián)后接在第一運(yùn)算放大器反相輸入端與輸出端之間的第九電阻和電容，第一運(yùn)算放大器正相輸入端接控制單元第一控制端，第一運(yùn)算放大器輸出端接整流器控制端。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高效率充放電控制電路，其包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池，還包括分別與電池連接的電壓采樣電路和電流采樣電路、與電壓采樣電路和電流采樣電路連接的控制單元，所述的控制單元分別與整流器和充放電電路連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型能適應(yīng)不同的電池類型，在電池充放電過程中，根據(jù)電池的電壓和電流的波動(dòng)，實(shí)時(shí)地調(diào)整整流器輸出電壓，使充電損耗大幅下降；同時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
文檔編號(hào)H02J7/02GK202957639SQ20122016532
公開日2013年5月29日 申請(qǐng)日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者汪躍輝 申請(qǐng)人:汪躍輝