CN106787031B - 一种串联电池组快平衡充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联电池组快平衡充电装置，包括电源输入模块、充电控制与检测保护模块、平衡充电检测控制模块、CPU模块，充电电源经电源输入模块、在CPU模块控制下由充电控制与检测保护模块为待充电电池组自动提供充电电流，CPU模块和平衡充电检测控制模块通过实时检测待充电电池组的每个单体电池电压以实现对待充电电池组的智能平衡充电。本专利的有益效果是采用级联式平衡充电和CPU模块智能控制，可有效缩短平衡时间、适应不同种类任意多个单体电池所组成电池组，缓解单体电池在制造和使用过程中产生的不一致性，提高串联电池组的整体性能和充电的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明属于串联电池组的充电设备，尤其是一种串联电池组快平衡充电装置。
背景技术
随着新能源产业的快速发展，无论是新能源汽车或是大规模储能应用，均需要大量单体电池串联使用，但由于串联单体电池的不一致性严重影响了动力电池组的有效容量、循环寿命、安全性和经济性，使动力池组难以达到这样的要求。单体电池的一致性决定了串联电池组的性能、寿命和安全性，即只要有一个单体电池的性能变差，整个串联电池组的性能都将变差。常见情况有：（1）其中有一个单体电池的容量偏低，结果是充电时这个单体电池首先达到充电上限截止电压，而放电时首先达到放电下限截止电压，那么这个单体电池的容量决定整个串联电池组的容量；（2）如果初始状态有一个单体电池的电压偏低，充电时这个单体电池达不到截止电压而不能充满，放电时这个单体电池首先到达放电截止，该单体电池没充满电又提前把电放完，串联电池组实际可用的电量由这个单体电池的容量决定；（3）如果一个单体电池的极化阻抗和内阻偏高，充电时电压上升快、放电时电压下降也快，就某一次测试的表现来看就是这个单体电池的容量不足，负载能力下降，充放电时的温度偏高。
电池制造过程中提高单体电池的一致性还有相当大的难度且需要较大投入并将大幅度提高电池的制造费用导致电池价格高而不利于相关产业的快速发展。目前电池制造商或电池组合工厂采用严格的筛选方法进行电池匹配来提高电池的一致性。但即使是严格匹配后的电池，在循环的初期或多次循环之后，就会表现出可见的差别，故采用电池匹配的有效性不尽人意；电池的工作条件和环境也会对一致性产生影响，随着电池循环次数的增加其一致性改变程度具有不可检测性。因此，单体电池的一致性又是相对的，过分强调制造过程中的一致性或使用过程中环境的一致性，只能以提高动力***成本为代价。
如何保证动力电池安全、高效成组的使用成为当前亟待解决的问题。除了在电池本身的一致性方面下功夫外，电池平衡技术作为动力电池成组应用的关键技术之一，能够有效缓解制造过程和使用过程中产生的不一致性，提高电池组的整体性能。原则上平衡技术不仅能解决电池一致性的问题，而且能够使串联电池组中性能最差的那个单体电池的寿命得到延长，同时电池性能的改进也将使得电池安全性得到改善，因为电池性能变差后，安全性也随之降低。用于串联电池组的平衡电路主要有两类：一是能量消耗型，指利用并联电阻等方式将电池组中电量较多的电池的能量进行耗散，直到其荷电状态到达平均值的平衡电路；二是非能量消耗型（能量转移型），即利用电容、电感等储能元件在单体电池或电池组之间进行能量转移，使电池组电压保持一致的平衡电路。
能量消耗型平衡方案采用功率电阻作为分流元件，其结构简单、成本低，改善了串联电池组的不平衡性，但能耗比较高、浪费电能，使得能量利用率低，并且温升降低了充电设备的可靠性；另外因为电阻的分流，使得恒流充电方式无法进行，电池的充电电路中只能通过较小的电流，使得充电的效率大大降低。能量转移型单向能量变换器在监视单体电池电压的基础上，采用光耦合器控制变压器两端能量的变换，但单向平衡不适合主动平衡。能量转移型双向型能量变换器从高压单体直接把能量变换到低压单体，动态调整输入输出方向，具有最佳的平衡效率，但因为能量变换器采用变压器，结构复杂、体积较大、成本相对较高。因此，开发一种适用于串联电池组平衡充电的高效、简便、智能的充电设备是十分必要的。
发明内容
针对目前串联电池组自身的一致性问题和相应充电装置存在的不足，本发明公布了一种串联电池组快平衡充电装置。
本发明采用的技术方案是：一种串联电池组快平衡充电装置，包括电源输入模块、充电控制与检测保护模块、平衡充电检测控制模块、CPU模块、充电电源经电源输入模块，在CPU模块控制下由充电控制与检测保护模块为待充电电池组自动提供充电电流，CPU模块和平衡充电检测控制模块通过实时检测待充电电池组的每个单体电池电压以实现对待充电电池组的智能平衡充电。
本发明中，电源输入模块包括电阻R7、R8与MOS管VT1组成的接入电源极性判断电路，其中电阻R8与MOS管VT1并联后与电阻R7串联，该接入电源极性判断电路串联在充电电源的正极PWRin+与参考地GND之间，用于减少接入电源上的噪声对充电装置干扰的旁路滤波电容C2、C3、C4，用于减少充电装置产生噪声对外接电源干扰的退耦滤波电容C1，电阻R9~R13、电容C10与运放IC1A组成接入电源电压检测电路并输出ADin0到CPU模块，电阻R1~R6、电容C6~C9、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成一个降压型稳压电路用以输出后续逻辑控制电路的VDD电压。
本发明中，充电控制与检测保护模块包括由MOS管VT2~VT3、二极管D2~D3、电阻R27~R30、电容C11~C12与电感L2组成的Buck-Boost主电路，由三极管管VT5~VT11、电阻R14~R26、运放IC1C与IC1D组成的Buck-Boost控制电路，由电阻R31~R33、电容C13~C14与运放IC3C组成的充电电压检测电路，由电阻R42~R47、电容C19~C20与运放IC3A组成的充电电流检测电路，由电阻R34~R41、电容C15~C18、三极管管VT12、MOS管VT4与运放IC3D组成的电池组接入检测与保护电路；Buck-Boost控制电路在CPU模块输出控制信号PWM1、PWM2、KZXH1的控制下通过Buck-Boost主电路为待充电电池组自动提供充电电流，并由充电电压检测电路、充电电流检测电路实时向CPU模块反馈充电电压信号Adin1、充电电流信号Adin2，电池组充电回路仅在待充电电池组接入且极性正确时导通并可由CPU模块控制信号KZXH2控制其导通与关断，电容C15~C18连接于待充电池组两端形成一个π型滤波网络用于滤出电池组两端在充电和平衡过程中形成的纹波干扰；电阻R34~R38与运放IC3D组成一个比较电路检测电池组的接入与极性，当有电池组接入且极性正确时使MOS管VT4导通进入正常充电状态，当无电池组接入或接入极性错误时、MOS管VT4关断充电回路；上电时，在CPU还没正常工作前，由上拉电阻R40使VT12导通，MOS管VT4处于关断状态，以确保电路与电池组安全；CPU正常工作后，输出控制信号KZXH2＝0使电路进入充电工作状态；充电过程中，如出现过压、过流或其它故障现象时，CPU模块可输出控制信号KZXH2＝1关断充电回路。
本发明中， 平衡充电检测控制模块包括由电阻R48~R67、电容C21~C24与运放IC4组成的四通道单体电池端电压检测电路，由电阻R68~R75、MOS管VTA1~4和VTB1~4、电容C25组成的单体电池电压平衡切换电路，由电阻R76~R83、光电隔离驱动器IC5~ IC6与译码器IC7组成的平衡切换控制电路；每个平衡充电检测控制模块可实现4个单体电池的电压平衡，多个平衡充电检测控制模块之间可级联以实现更多单体电池的应用；平衡充电检测控制模块的充电电源的正极PWRin+、稳压输出VDD、参考地GND与电源输入模块连接，每个单体电池BAT0、BAT1、BAT2、BAT3、BAT4连接到待充电池组各单体电池的端点，单体电池端电压检测输出BATin1、BATin2、BATin3、BATin4连接到CPU模块的A/D转换器输入，平衡切换控制信号KZM0、KZM1、KZM2连接到CPU模块的逻辑输出端；级联时，各个平衡充电检测控制模块的PWRin+、VDD、GND并联，后一个电路的BAT0与前一个电路的BAT4并联，BATin1、BATin2、BATin3、BATin4、KZM0、KZM1、KZM2分别连接到CPU模块；平衡充电检测控制模块通过实时检测待充电电池组的每个单体电池两端电压经调理得BATin0～BATinn连接到CPU模块，CPU模块根据各单体电池的实时端电压进行智能决策并输出控制码KZM0～KZMk控制平衡充电检测控制模块的工作以实现对待充电电池组的智能平衡充电。
本发明的有益效果在于：采用级联式平衡充电和CPU模块智能控制，可有效缩短平衡时间、适应不同种类任意多个单体电池所组成电池组，缓解单体电池在制造和使用过程中产生的不一致性，提高串联电池组的整体性能和充电的安全可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明电源输入模块实施例的原理图；
图3是本发明充电控制与检测保护模块实施例的原理图；
图4是本发明平衡充电检测控制模块实施例的原理图；
图5是本发明平衡充电检测控制模块的级联示意图；
图6是本发明实施例的CPU模块结构框图；
图7是本发明实施例的充电电流电压曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参见附图，图1是本发明的结构框图。一种串联电池组快平衡充电装置，它由电源输入模块、充电控制与检测保护模块、平衡充电检测控制模块、CPU模块四个部分组成。充电电源的正极PWRin+、负极PWRin-分别接入电源输入模块，由电源输入模块实现接入电源极性进行判断、旁路及退耦滤波、接入电源电压检测输出ADin0、稳压输出VDD供后续逻辑控制电路；充电控制与检测保护模块的工作电源、逻辑电源、参考地分别由电源输入模块的PWRin+、VDD、GND连接，在CPU模块输出控制信号PWM1、PWM2、KZXH1、KZXH2的控制下为待充电电池组自动提供充电电流（电流由BATT+流向BATT-）并向CPU模块反馈充电电压（近似于电池电压）信号Adin1、充电电流信号Adin2；平衡充电检测控制模块通过实时检测待充电电池组的每个单体电池BAT0、BAT1、BAT2、……、BATn两端电压经调理得BATin0、BATin1、BATin2、……、BATinn连接到CPU模块，CPU模块根据各单体电池的实时端电压进行智能决策并输出控制码KZM0~KZMk控制平衡充电检测控制模块的工作以实现对待充电电池组的智能平衡充电。
图2是本发明电源输入模块实施例的原理图。电源输入模块包括电阻R7、R8与MOS管VT1组成的接入电源极性判断电路，用于减少接入电源上的噪声对充电装置干扰的旁路滤波电容C2、C3、C4，用于减少充电装置产生噪声对外接电源干扰的退耦滤波电容C1，电阻R9~R13、电容C10与运放IC1A组成接入电源电压检测电路并输出ADin0到CPU模块，电阻R1~R6、电容C6~C9、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成一个降压型稳压电路用以输出后续逻辑控制电路的VDD电压。图2中，充电电源由插接件PWRin接入，旁路滤波电容C2、C3、C4用于减少接入电源上的噪声对充电装置本身的干扰，退耦滤波电容C1用于减少充电装置产生的噪声对外接电源的干扰。电阻R7、R8与MOS管VT1组成理想二极管电路，连接在充电装置的地线回路中，以防止充电电源反接；当电源接入正确时，MOS管的栅源极之间有电压，MOS管可以导通；当电源接入反向时，MOS管的栅源极之间无电压且无法导通，充电装置就不工作。MOS管VT1为N沟道增强型场效应晶体管，应根据串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中若充电电流为2~3A，可选型号有：AO4468、AO4422、BS0119N03、APM4810、P1103BVG、TM4422等；以AO4468为例，其采用SO8封装，具体参数VDS=30V、ID=11.6A(VGS=10V)、RDS(ON)<14mΩ(VGS=10V)、RDS(ON)<22mΩ(VGS=4.5V)；图2中，若R7=4.7KΩ、R8=200KΩ、PWRin+与PWRin-之间的电压Vin=+15V时，VGS=15*200/204.7 V≈14.7 V；该电路代替二极管的优点是损耗小，因为二极管有个正向压降0.7V，而MOS管是呈电阻性的，一般的可以做到10-30毫欧，如果按照2A充电电流计算，二极管消耗1.4W，而MOS管最大只有0.06W。电阻R9~R13、电容C10与运放IC1A组成接入电源电压检测电路并输出ADin0到CPU模块，其中电阻R13与电容C10组成一个低通滤波器用于滤出信号ADin0上的高频干扰，电阻R9~R12与运放IC1A组成一个同相放大器用于检测接入电源电压。电阻R9~R12的取值范围应根据接入电压Vin和CPU模块的A/D转换器输入电压范围综合选择，若取R9=R11=680KΩ、R10= R12=130KΩ、Vin=+15V时，运放IC1A的输出VADin0=15*130/810（1+130/680）V≈2.86 V；电阻R9与电容C10组成的低通滤波器，若取R13=4.7KΩ、C10=1uF，则其截止频率＝1/2π*4.7K*1u≈33.86 Hz。电阻R1~R6、电容C6~C9、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成一个降压型稳压电路用以输出后续逻辑控制电路的VDD电压，图2中的IC2为美国芯源半导体生产的降压转换器MP1584，这部分电路可采用其它类型的DC/DC转换器实现，只要输入输出满足应用要求即可。MP1584的核心是buck转换，输入电压范围是4.5-28V输出最大电流3A，图2中D1、L1、C9组成了典型的buck回路，D1是肖特基二极管SS34， R1= 100KΩ、R2= 51KΩ用于从Vin来使能MP1584，R3= 200KΩ用于调整buck回路的PWM频率；本实施例中VDD=3.3V，取R4=68.1KΩ、R5= 124KΩ、R6= 40.2KΩ、C7=220pF、L1=6.8uH、C9=22uF。
图3是本发明充电控制与检测保护模块实施例的原理图。充电控制与检测保护模块包括由MOS管VT2~VT3、二极管D2~D3、电阻R27~R30、电容C11~C12与电感L2组成的Buck-Boost主电路，由三极管管VT5~VT11、电阻R14~R26、运放IC1C与IC1D组成的Buck-Boost控制电路，由电阻R31~R33、电容C13~C14与运放IC3C组成的充电电压检测电路，由电阻R42~R47、电容C19~C20与运放IC3A组成的充电电流检测电路，由电阻R34~R41、电容C15~C18、三极管管VT12、MOS管VT4与运放IC3D组成的电池组接入检测与保护电路；Buck-Boost控制电路在CPU模块输出控制信号PWM1、PWM2、KZXH1的控制下通过Buck-Boost主电路为待充电电池组自动提供充电电流，并由充电电压检测电路、充电电流检测电路实时向CPU模块反馈充电电压信号Adin1、充电电流信号Adin2，电池组充电回路仅在待充电电池组接入且极性正确时导通并可由CPU模块控制信号KZXH2控制其导通与关断。用于充电的DC/DC转换器主要有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器、升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器；其中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。本实施例中充电控制与检测保护模块的工作电源、逻辑电源、参考地分别由电源输入模块的PWRin+、VDD、GND连接，充电主电路采用由MOS管VT2~VT3、二极管D2~D3、电阻R27~R30、电容C11~C12与电感L2组成的Buck-Boost电路，其控制由三极管管VT5~VT11、电阻R14~R26、运放IC1C与IC1D组成的控制电路实现。上电时，在CPU还没正常工作前，由上拉电阻R14使VT5和VT7导通，MOS管VT2、VT3均处于关断状态，以确保电路安全；CPU正常工作后，输出控制信号KZXH1＝0使电路进入工作状态；充电过程中，如出现过压、过流或其它故障现象时，CPU模块可输出控制信号KZXH1＝1关断MOS管VT2、VT3。在充电过程中，若检测到充电电流超过设定范围，则通过电阻R22~R23、三极管管VT6使MOS管VT2关断以停止充电，以确保电路与电池的安全。当充电电池的电压小于供电电压时采用降压式（Buck）充电，当充电电池的电压大于供电电压时采用升压式（Boost）充电，以保证实际充电的电压高于待充电池电压。工作于Buck方式时，运放IC1C接受CPU模块输出的PWM1信号控制， 其输出通过三极管管VT8与VT9、电阻R25与R27驱动MOS管VT2工作，充电电源PWRin+通过VT2-L2-D3输出，VT2关断时D2续流；此时运放IC1D同相端的CPU模块输出的PWM2信号保持为低电平，使Boost电路部分停止工作；MOS管VT2为P沟道增强型场效应晶体管，应根据串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中可选型号有：AO4409、AO4467、TPC8107、TPC8108、P1003EVG等；以AO4409为例，其采用SO8封装，具体参数VDS=-30V、ID=-15A、RDS(ON)<7.5mΩ(VGS=-10V)、RDS(ON)<12mΩ(VGS=-4.5V)。工作于Boost方式时，运放IC1D接受CPU模块输出的PWM2信号控制， 其输出通过三极管管VT10与VT11、电阻R26与R28驱动MOS管VT3工作，充电电源PWRin+通过VT2-L2-VT3-D3输出，VT3关断时升压，此时运放IC1C的CPU模块输出的PWM1信号保持为高电平以使MOS管VT2处于导通状态；MOS管VT3为N沟道增强型场效应晶体管，应根据串联电池组的充电电压与电流选择，本实施例中可选型号有：IRF7413、AO4410、FSD6670、FDS6680、P0803BVG等；以IRF7413为例，其采用SO8封装，具体参数VDS=30V、ID=12A、RDS(ON)<11mΩ(VGS=10V)。二极管D2~D3应选择肖特基（Schottky）二极管，又称肖特基势垒二极管（简称SBD），如：SS34，它属一种低功耗、超高速半导体器件；最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右；其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管。电感L2不能用磁体太小的(无法存应有的能量)、线径太细的(脉冲电流大,会有线损大)电感。不管本发明的充电电路工作于Buck方式还是Boost方式，其充电过程实质就是一个电感的能量传递过程，首先电感L2吸收能量，接着是电感L2放出能量，如果电容C12的容量足够大，那么在输出端就可以维持一个稳定的电压；如果这个过程不断重复，就可以在电容两端得到稳定的充电电压。为提高本发明充电装置的转换效率，一般要从三个方面着手：（1）尽可能降低开关管导通时回路的阻抗，使电能尽可能多的转化为磁能；（2）尽可能降低负载回路的阻抗，使磁能尽可能多的转化为电能，同时回路的损耗最低；（3）尽可能降低控制电路的消耗，因为对于充电装置来说，控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的，不能转化为电池组上的能量。由于本发明充电装置工作于开关状态，且PWM控制的开关频率较高，不可避免地会在电容C12上形成高频纹波干扰，为此引入了电阻R29~R30、电容C11组成的纹波吸收电路。CPU模块是通过实时检测充电的电流与电压，控制PWM的输出，来实现充电过程自动调节的；本发明充电装置中包括了由电阻R31~R33、电容C13~C14与运放IC3C组成的充电电压检测电路，由电阻R42~R47、电容C19~C20与运放IC3A组成的充电电流检测电路；充电电压检测电路的原理与图2中接入电源电压检测电路的原理基本一致，充电电流检测电路中，电阻R42、电容C19与电阻R45、电容C20分别组成两个低通滤波器对输入、输出信号进行滤波，R46、R47为两个0.1Ω的并联采样电阻，取R43= 1.5KΩ、R44= 10KΩ，运放IC3A的放大倍数为1+10/1.5=7.7倍，若最大电流6A，则最大输出电压为0.05*6*7.7=2.3V。由电阻R34~R41、电容C15~C18、三极管管VT12、MOS管VT4与运放IC3D组成的电池组接入检测与保护电路；电容C15~C18连接于待充电池组两端形成一个π型滤波网络用于滤出电池组两端在充电和平衡过程中形成的纹波干扰；电阻R34~R38与运放IC3D组成一个比较电路检测电池组的接入与极性，当有电池组接入且极性正确时使MOS管VT4导通进入正常充电状态，当无电池组接入或接入极性错误时、MOS管VT4关断充电回路；上电时，在CPU还没正常工作前，由上拉电阻R40使VT12导通，MOS管VT4处于关断状态，以确保电路与电池组安全；CPU正常工作后，输出控制信号KZXH2＝0使电路进入充电工作状态；充电过程中，如出现过压、过流或其它故障现象时，CPU模块可输出控制信号KZXH2＝1关断充电回路。
图4是本发明平衡充电检测控制模块实施例的原理图，图5是本发明平衡充电检测控制模块的级联示意图。平衡充电检测控制模块包括由电阻R48~R67、电容C21~C24与运放IC4组成的四通道单体电池端电压检测电路，由电阻R68~R75、MOS管VTA1~4和VTB1~4、电容C25组成的单体电池电压平衡切换电路，由电阻R76~R83、光电隔离驱动器IC5~ IC6与译码器IC7组成的平衡切换控制电路；每个平衡充电检测控制模块可实现4个单体电池的电压平衡，多个平衡充电检测控制模块之间可级联以实现更多单体电池的应用；平衡充电检测控制模块的PWRin+、VDD、GND与电源输入模块连接，BAT0、BAT1、BAT2、BAT3、BAT4连接到待充电池组各单体电池的端点，单体电池端电压检测输出BATin1、BATin2、BATin3、BATin4连接到CPU模块的A/D转换器输入，平衡切换控制信号KZM0、KZM1、KZM2连接到CPU模块的逻辑输出端；级联时，各个平衡充电检测控制模块的PWRin+、VDD、GND并联，后一个电路的BAT0与前一个电路的BAT4并联，BATin1、BATin2、BATin3、BATin4、KZM0、KZM1、KZM2分别连接到CPU模块；平衡充电检测控制模块通过实时检测待充电电池组的每个单体电池两端电压经调理得BATin0～BATinn连接到CPU模块，CPU模块根据各单体电池的实时端电压进行智能决策并输出控制码KZM0～KZMk控制平衡充电检测控制模块的工作以实现对待充电电池组的智能平衡充电。多节单体电池串联使用时，由于电池特性不同，充电时会出现先充满的情况，如果再充会对电池有损坏，因此需要将充满额电池停止充电，未充满的继续充电，这就是平衡充电。平衡目的之一是延长电池寿命以降低其使用成本，非耗散型平衡方式将是未来发展方向，尽可能的缩短平衡所需时间是关键；其中以电容作为储能元件的电容式平衡电路具有成本低、体积小、能量损耗低的优势。由电阻R48~R67、电容C21~C24与运放IC4组成的四通道单体电池端电压检测电路，每个通道的检测原理是一致的，其实质是一个减法电路，以电阻R48~R52、电容C21与运放IC4A组成的第一通道检测电路为例：设单体电池的端电压VBAT+-VBAT-=4.2V，取R48＝R51＝510KΩ、R49＝R52＝270KΩ，则VBATin1= R49/ R48*( VBAT+-VBAT-)=2.224V，满足A/D转换器的输入要求，电阻R50与电容C21组成一个低通滤波器，用于滤出电路中的高频干扰成分；该电路中，运放IC4选工作电压满足要求的通用运放，电阻选温漂较小的金属膜电阻，电容选高频特性较好的瓷片电容。在电阻R68~R75、MOS管VTA1~4和VTB1~4、电容C25组成的单体电池电压平衡切换电路中，漏极连接于电容C25正端的4个MOS管VTB1~VTB4的源极分别对应连接到4个单体电池的高电位端，漏极连接于电容C25负端的4个MOS管VTA1~VTA4的源极分别对应连接到4个单体电池的低电位端，只要高电位端和低电位端MOS管的控制码相同且每次只一个MOS管导通，则可保证每次选择导通的都是一个单体电池的两个端；电容C25和MOS管选择与切换频率相关，切换频率越高、电容值越小、MOS管导通电流越小，本实施例中，电容C25为100uF的钽电容、MOS管除VTA1外全为IRF7314，IRF7314采用SO8封装两个P沟道场效应晶体管，具体参数VDS=-20V、ID=-5.3A、RDS(ON)<0.049Ω(VGS=-4.5V)、RDS(ON)<0.082Ω(VGS=-2.7V)，VTA1为N沟道场效应晶体管，选择基本参数与IRF7314相近的即可。为使平衡电容C25在充电或放电过程中每次都是与一个单体电池的两个端连接，对MOS管的控制采用由电阻R76~R83、光电隔离驱动器IC5~ IC6与译码器IC7组成的平衡切换控制电路；IC5、 IC6为四通道光电隔离器，与输入二极管侧阳极限流电阻R76~R83和输出三极管侧集电极上拉电阻R68~R75一起组成8个MOS管的驱动电路，当二发光极管侧阴极控制电平为“1”时，二极管不发光，光敏三极管处于开路状态，MOS管的栅极经上拉为高使MOS管处于断开状态，当发光二极管侧阴极控制电平为“0”时，二极管发光，光敏三极管处于导通状态，MOS管的栅极为低使MOS管处于导通状态；译码器IC7由二个2线→4线译码单元组成，译码输出分别连接到8个MOS管对应的控制发光二极管侧的阴极，译码器由控制信号KZM2使能，当KZM2＝“1”时，2*4个译码输出信号均为“1”，当KZM2＝“0”时，二个译码单元的输出信号由控制码KZM1、KZM0的电平决定，[KZM1、KZM0]=00时，输出[Y3、Y2、Y1、Y0]=1110，[KZM1、KZM0]=01时，输出[Y3、Y2、Y1、Y0]=1101，[KZM1、KZM0]=10时，输出[Y3、Y2、Y1、Y0]=1011，[KZM1、KZM0]=11时，输出[Y3、Y2、Y1、Y0]= 0111，这样就保证了每次切换平衡电容C25都是与一个单体电池的两个端连接。平衡充电检测控制模块的PWRin+、VDD、GND与电源输入模块连接，BAT0、BAT1、BAT2、BAT3、BAT4连接到待充电池组各单体电池的端点，单体电池端电压检测输出BATin1、BATin2、BATin3、BATin4连接到CPU模块的A/D转换器输入，平衡切换控制信号KZM0、KZM1、KZM2连接到CPU模块的逻辑输出端。为保证平衡充电的快速性，本实施例的每个平衡充电检测控制模块仅实现4个单体电池的电压平衡，但多个平衡充电检测控制模块之间可级联使用，以满足更多个单体电池所组成电池组的应用。如附图5所示，级联时，各个平衡充电检测控制模块的PWRin+、VDD、GND并联，后一个电路的BAT0与前一个电路的BAT4并联，BATin1、BATin2、BATin3、BATin4、KZM0、KZM1、KZM2分别连接到CPU模块。这样，本发明可任意多个单体电池所组成电池组的充电，充电过程中，平衡充电检测控制模块通过实时检测待充电电池组的每个单体电池两端电压经调理得BATin0～BATinn连接到CPU模块，CPU模块根据各单体电池的实时端电压进行智能决策并输出控制码KZM0～KZMk控制平衡充电检测控制模块的工作以实现对待充电电池组的智能平衡充电。
图6是本发明实施例的CPU模块结构框图，图7是本发明实施例的充电电流电压曲线图。CPU模块包括CPU、时钟与复位电路、ADC电路、输出锁存电路、PWM电路、LCD或LED显示电路、按键电路。其中，时钟与复位电路用于给CPU提供时钟源和复位信号，使CPU上电后能进入正常工作状态。常用的蓄电池种类有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池等；为此，本发明的CPU模块设置了LCD或LED显示电路、按键电路，LCD或LED显示电路用于显示充电状态、参数或曲线，按键电路用于设置、查阅或修改待充电池组的参数，使本发明可通过改变参数设置来适应不同种类蓄电池的平衡充电并可实时观察充电进行状态。本实施例以标称3.7V的锂电池介绍充电方法，标称3.7V锂电池的终止电压最高可达到4.2V，由于锂电池的内部结构决定了它具有特殊的性质，因此锂电池是不能过充的；如果对锂电池进行过充，电池就会因Li+损失太多而损坏，而且锂电池必须通过特定的恒流恒压充电设备为电池充电才行；首先对锂电池进行恒流充电，当电池整体电压达到4.2V时，保持恒压状态继续充电，在恒压充电过程中，电流若小于100mA，需要立即停止；充电的电流是电池容量的1.0～1.5倍，例如锂电池的理论容量为1470mAh，那么它的充电电流就应在1470～2205mA之间，若采用锂电池容量的1.5倍作为充电电流则需充电2～3个小时。常规充电方法有：恒压充电、恒流充电以及在此基础之上改进而来的恒流/恒压分阶段式充电，本发明采用混合恒流/恒压的充电法。混合恒流/恒压充电法的充电过程是分段进行的，为了节省充电过程的整体时间，首先采用恒定电流；当电池电压上升到相应阀值后，采用阀值大小的恒定电压；随时间增加充电电流将慢慢变小，直到降为电池容量的1/10或1/20时，充电过程结束；也就是说，当充电电流值小于电池容量的1/10时，电池恢复90%左右容量；剩余阶段中，电池容量并没有明显变化，但所需时间却显著増加，充电过程中电压、电流曲线如附图7所示；这种充电方法可以弥补锂电池因恒流二次充电所不能满足的部分，是锂电池的最佳充电方法之一；为了减小过充对电池的损害，必要时还会采用分段恒流的充电方法；在不同阶段设定不同的电压值，使得电流逐级递减持续充电，当电压达到预定值时，采用逐渐减小的恒定电流充电；当电压上升至下一个预定值时，继续减小电流；依此类推，从充电过程开始至结束，电流减小的同时电压的增加；这种方法虽然可以减小过充对电池本身造成的影响，但充电时间较长、电流易发生突变等现象；选取时应根据不同种类的电池及参数而定。本发明的ADC电路在CPU的控制下采集充电控制与检测保护模块、平衡充电检测控制模块的检测信号，由CPU根据电池特征及参数进行智能决策，然后经输出锁存电路、PWM电路输出控制信号到充电控制与检测保护模块、平衡充电检测控制模块以实现整个充电过程的智能化。本发明的CPU可选单片机、DSP、ARM、FPGA等嵌入式微处理器中的任意一种，优选内部集成时钟与复位、ADC、PWM且I/O口线满足应用要求的嵌入式微处理器，可使本发明的CPU模块结构简化以提高***可靠性。
本发明的有益效果在于：采用级联式平衡充电和CPU模块智能控制，可有效缩短平衡时间、适应不同种类任意多个单体电池所组成电池组，缓解单体电池在制造和使用过程中产生的不一致性，提高串联电池组的整体性能和充电的安全可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种串联电池组快平衡充电装置，包括电源输入模块、充电控制与检测保护模块、平衡充电检测控制模块、CPU模块，充电电源经电源输入模块，在CPU模块控制下由充电控制与检测保护模块为待充电电池组自动提供充电电流，CPU模块和平衡充电检测控制模块通过实时检测待充电电池组的每个单体电池电压以实现对待充电电池组的智能平衡充电；其特征在于：所述的电源输入模块包括电阻R7、R8与MOS管VT1组成的接入电源极性判断电路，其中电阻R8与MOS管VT1并联后与电阻R7串联，该接入电源极性判断电路串联在充电电源的正极PWRin+与参考地GND之间，用于减少接入电源上的噪声对充电装置干扰的旁路滤波电容C2、C3、C4，用于减少充电装置产生噪声对外接电源干扰的退耦滤波电容C1，电阻R9~R13、电容C10与运放IC1A组成接入电源电压检测电路并输出ADin0到CPU模块，电阻R1~R6、电容C6~C9、二极管D1、电感L1与集成电路IC2组成一个降压型稳压电路用以输出后续逻辑控制电路的稳压输出VDD；所述的充电控制与检测保护模块包括由MOS管VT2~VT3、二极管D2~D3、电阻R27~R30、电容C11~C12与电感L2组成的Buck-Boost主电路，由三极管管VT5~VT11、电阻R14~R26、运放IC1C与IC1D组成的Buck-Boost控制电路，由电阻R31~R33、电容C13~C14与运放IC3C组成的充电电压检测电路，由电阻R42~R47、电容C19~C20与运放IC3A组成的充电电流检测电路，由电阻R34~R41、电容C15~C18、三极管管VT12、MOS管VT4与运放IC3D组成的电池组接入检测与保护电路；Buck-Boost控制电路在CPU模块输出控制信号PWM1、PWM2、KZXH1的控制下通过Buck-Boost主电路为待充电电池组自动提供充电电流，并由充电电压检测电路、充电电流检测电路实时向CPU模块反馈充电电压信号Adin1、充电电流信号Adin2，电池组充电回路仅在待充电电池组接入且极性正确时导通并由CPU模块控制信号KZXH2控制其导通与关断，电容C15~C18连接于待充电池组两端形成一个π型滤波网络用于滤除电池组两端在充电和平衡过程中形成的纹波干扰；电阻R34~R38与运放IC3D组成一个比较电路检测电池组的接入与极性，当有电池组接入且极性正确时使MOS管VT4导通进入正常充电状态，当无电池组接入或接入极性错误时、MOS管VT4关断充电回路；上电时，在CPU还没正常工作前，由上拉电阻R40使三极管管VT12导通，MOS管VT4处于关断状态，以确保电路与电池组安全；CPU正常工作后，输出控制信号KZXH2＝0使电路进入充电工作状态；充电过程中，当出现过压、过流或其它故障现象时，CPU模块输出控制信号KZXH2＝1关断充电回路；所述的平衡充电检测控制模块包括由电阻R48~R67、电容C21~C24与运放IC4组成的四通道单体电池端电压检测电路，由电阻R68~R75、MOS管VTA1~4和VTB1~4、电容C25组成的单体电池电压平衡切换电路，由电阻R76~R83、光电隔离驱动器IC5~ IC6与译码器IC7组成的平衡切换控制电路；每个平衡充电检测控制模块实现4个单体电池的电压平衡，多个平衡充电检测控制模块之间级联以实现更多单体电池的应用；平衡充电检测控制模块的充电电源的正极PWRin+、稳压输出VDD、参考地GND与电源输入模块连接，每个单体电池BAT0、BAT1、BAT2、BAT3、BAT4连接到待充电池组各单体电池的端点，单体电池端电压检测输出BATin1、BATin2、BATin3、BATin4连接到CPU模块的A/D转换器输入，平衡切换控制信号KZM0、KZM1、KZM2连接到CPU模块的逻辑输出端；级联时，各个平衡充电检测控制模块的正极PWRin+、稳压输出VDD、参考地GND并联，后一个电路的BAT0与前一个电路的BAT4并联，BATin1、BATin2、BATin3、BATin4、KZM0、KZM1、KZM2分别连接到CPU模块；平衡充电检测控制模块通过实时检测待充电电池组的每个单体电池两端电压经调理得BATin0～BATinn连接到CPU模块，CPU模块根据各单体电池的实时端电压进行智能决策并输出控制码KZM0～KZMk控制平衡充电检测控制模块的工作以实现对待充电电池组的智能平衡充电。
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