CN108539821A - 一种电源管理***及充放电电流采样计算电路 - Google Patents
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Abstract
本发明中提出了一种电源管理***及充放电电流采样计电路,包括充电机、充电MOS管、蓄电池组、分流器、放电MOS管、负载、调理电路、MCU模块,其中充电机、充电MOS管、蓄电池组、分流器构成充电回路;蓄电池组、分流器、负载构成放电回路;分流器、调理电路、MCU模块依次串联连接;充放电电流信号经调理电路处理后输出数字信号及模拟信号,根据数字信号可判断电流极性,根据模拟信号可计算电流的大小,调理电路中采用仪表放大器可降低误差,提高共模抑制能力,经过调理电路后,充电电流输出信号在[0,5]V范围内,放电电流的输出信号也在[0,5]V范围内,降低对AD转换器的分辨率要求。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理***领域,尤其涉及到电源管理***充放电电流采样计算电路。
背景技术
在一些应用场合中当有外接电源有电时,外接电源为负载提供电源,同时通过充电机为蓄电池组充电,当外接电源没有电时,蓄电池组为负载提供电源。这就需在线为蓄电池组充电及放电,蓄电池组的过流充电、过流放电可能影响蓄电池组的寿命,甚至可能发生安全(尤其锂离子电池)问题,当发生过流充电或者过流放电时,需要及时切断充电或者放电回路。蓄电池组的充放电电流也是计算蓄电池组剩余容量的一项重要参数,因此精确检测蓄电池组的充放电电流非常重要。在电源管理***中,还可以对电池的电压,温度等进行实时检测,通过总线的方式把蓄电池组的状态信息与***上位机进行通讯,实时显示。
目前,蓄电池组电流检测主要方法有:利用电流传感器(分流器或者霍尔器件)把电流信号转换为电压信号,对电压信号进行放大,调理后,利用AD转换器采样电压信号后计算出电流大小。要采集蓄电池组的充电及放电电流,就需要采集电流传感器转换后的双极性电压信号,但目前大部分嵌入式AD转换器只能采集正极性信号,当采集双极性信号时,需要使用加法器把双极性信号转换为正极性信号,再用AD转换器采集,计算。
在实际使用过程中蓄电池组的充放电电流值域会不一致,比如锂离子电池充电时一般充电电流小于1C,而放电时放电电流会大于5C放电,蓄电池组电流的阈值范围为[-5C,1C](放电为负电流,充电为正电流),采用加法电路,选用基准电源为4.1667时,电流阈值[-5C,1C]与5V嵌入式AD转换器的[0,5]V相对应,即电压为0V时对应电流为-5C,电压为4.1667V对应电流为0A,电压为5V时对应电流为1C。电流[0,1C]与AD转换器的[4.1667,5]V相对应,在充电电流检测中电流的值域范围为5V***的1/6,为了提高准确度就需要提高AD转换器的分辨率。
发明内容
为了解决上述问题,本发明中提出了一种电源管理***及充放电电流采样计电路。
一种电源管理***及充放电电流采样计电路,包括充电机、充电MOS管、蓄电池组、分流器、放电MOS管、负载、调理电路、MCU模块,所述的充电机、充电MOS管、蓄电池组、分流器构成充电回路;所述的蓄电池组、分流器、负载构成放电回路;所述的分流器、调理电路、MCU模块依次串联连接;所述的MCU模块与充电MOS管串联连接,控制充电MOS管的通断;所述的MCU模块与放电MOS管串联连接,控制放电MOS管的通断。
所述的调理电路包含滤波电路、第一级差分放大电路、正电压放大负电压输出为0电路、负电压放大极性反转正电压输出为0电路、比较电路、RC滤波电路;分流器两端的电压差连接滤波电路输入端;滤波电路输出端连接第一级差分放大电路输入端;第一级差分放大电路输出端分别连接比较器的输入端、正电压放大负电压输出为0电路输入端、负电压放大极性反转正电压输出为0电路输入端;比较器的输出端连接MCU模块中的IO高低电平检测模块;正电压放大负电压输出为0电路与负电压放大极性反转正电压输出为0电路的输出端并联后经RC滤波电路后连接MCU模块中的内嵌AD转换器模块。
优选的,所述的第一级差分放大电路采用双电源仪表放大器,提高输入阻抗,提高共模抑制比。
优选的,正电压放大负电压输出为0电路、负电压放大极性反转正电压输出为0电路中使用双电源2通道运算放大器,正电压放大负电压输出为0电路、负电压放大极性反转正电压输出为0电路分别使用其中的一个通道。第一级差分放大电路经过并联后的正电压放大负电压输出为0电路、负电压放大极性反转正电压输出为0电路后输出总是正极性电压信号;正电压放大负电压输出为0电路、负电压放大极性反转正电压输出为0电路中放大倍数可以不同,可以分别根据实际调整,使充电时电流转化后的信号在[0,5]V范围内,放电时电流转化后的信号也在[0,5]V范围内。
进一步的,第一级差分放大电路的输出信号通过比较电路与0V电压比较进行判断电压的极性。
进一步的,所述的分流器采用高精密分流器。
优选的,所述的MCU模块采用集成芯片,自带AD转换器模块,高低电平检测IO输出口及高低电平输出控制IO口。
本发明的有益效果在于:
(1)能够精确采集蓄电池组的充电电流同时也可以采集放电电流,采用仪表放大器以及滤波电路,可以降低误差的同时,提高采集精度及共模抑制能力。
(2)可以使充电电流经调理电路后的输出信号在[0,5]V范围内,同时放电电流经调理电路后的输出信号也在[0,5]V范围内。降低对AD转换器的分辨率要求。
(3)通用性强,可以处理蓄电池组的充放电电流及各种设备的双极性电流值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为调理电路的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种蓄电池管理***充放电电流采样计算电路及控制方法,包括充电机1、充电MOS管2、蓄电池组3、分流器4、放电MOS管5、负载6、调理电路7、MCU模块8。所述的充电机、充电MOS管、蓄电池组、分流器构成充电回路。所述的蓄电池组、分流器构成放电回路。所述的分流器、调理电路、MCU模块依次串联连接。所述的MCU模块与充电MOS管串联连接,控制充电MOS管的通断。所述的MCU模块与放电MOS管串联连接,控制放电MOS管的通断。所述的分流器采用精密分流器。
其中,如图2所示,调理电路包含滤波电路10、第一级差分放大电路11、正电压放大负电压输出为0电路13、负电压放大极性反转正电压输出为0电路14、比较电路16及RC滤波电路15。分流器两端的电压差连接滤波电路输入端。滤波电路输出端连接第一级差分放大电路输入端。第一级差分放大电路输出端分别连接比较器的输入端、正电压放大负电压输出为0电路输入端、负电压放大极性反转正电压输出为0电路输入端。比较器的输出端连接MCU模块中的IO高低电平检测模块。正电压放大负电压输出为0电路与负电压放大极性反转正电压输出为0电路的输出端并联后经RC滤波电路连接MCU模块中的内嵌AD转换器模块。其中R1、R2、R7、R9、R10、R12、R13为高精密电阻。
本发明的工作工程如下:
当外部电源有电时,放电MOS管5断开,外部电源直接为负载6供电,同时接通充电MOS管2,充电机恒流为蓄电池组充电,当充满电后,充电机转换为恒压为蓄电池组浮充电。当外部电源没有电时,接通放电MOS管5,蓄电池组为负载6供电。在充电及放电的过程中当检测到过流时,MCU模块8及时切断相应的充电及放电MOS管。
在充放电的过程中,电流经过分流器4,分流器采样两端产生电压差,经过调理电路后输出0V-5V的模拟信号,以及表征充电或者放电的高低电平数字信号,经过MCU模块8计算处理后得到精确的充放电电流值。
本发明的调理电路设计方案如下:
分流器将蓄电池组充放电回路中的充放电电流转换为微电压信号,微电压信号连接到图2中调理电路的输入端9。分流器采样点与图2中输入电路有两种连接方式。1、图1中的采样点4A与图2中的BATIF-连接,4B与图2中的BATIF+连接。2、图1中的采样点4A与图2中的BATIF+连接,4B与图2中的BATIF-连接。两种不同的连接方式使图2调理电路中Vin以Vo1的极性相反,比较电路输出高低电平相反。以充电时电流值为正值,放电时电流值为负值,分流器采样点两端的电阻值为R0,以连接方式1为例说明。图2调理电路的输入端电压为:
Vin = -I×R0
如图2所示,Vin信号经过滤波电路滤波10后输入到由仪表放大器构成的第一级差分放大电路11,经过K倍(放大倍数K与图2中R9有关,K为正值)放大后输出电压为:
Vo1 = -K×Vin = K×I×R0
如图2所示,Vo1经过比较电路16与0电压比较后输出Vo3,当Vo1为正极性时,输出Vo3为高电平,当Vo1为负极性时,输出Vo3为低电平。即当蓄电池组充电时,Vo3为高电平,当蓄电池组放电时Vo3为低电平。V03输入到MCU模块8中的IO高低电平检测模块判断蓄电池组是充电还是放电。
如图2所示,Vo1经过并联的正电压放大负电压输出为0电路13、负电压放大极性反转正电压输出为0电路14、及输出RC滤波电路后输出模拟信号Vo2。
如图2所示,Vo1经过并联的正电压放大负电压输出为0电路13、负电压放大极性反转正电压输出为0电路14、及输出RC滤波电路后输出模拟信号Vo2。
如图2所示,当充电时,Vo2为:
Vo2 = Vo1×(R1/R2)= K×I×R0×(R1/R2)
如图2所示,当放电时,选取R10 = R12,R7 = R13,Vo2为:
Vo2 = |Vo1×(R7/R10)|= |K×I×R0×(R7/R10)|
经调理电路输出的信号Vo2及Vo3分别连接MCU模块的内嵌AD转换模块及IO高低电平检测模块,MCU计算模块根据Vo2及Vo3的值综合计算出蓄电池组的充电电流及放电电流值。
本发明不局限于上述实施例,任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品,但不论在其形状或结构上作任何变化,凡是具有与本申请相同或相近似的方案,均落在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电源管理***及充放电电流采样计电路,包括充电机(1)、充电MOS管(2)、蓄电池组(3)、分流器(4)、放电MOS管(5)、负载(6)、调理电路(7)、MCU模块(8),其特征在于:所述的充电机、充电MOS管、蓄电池组、分流器构成充电回路;所述的蓄电池组、分流器构成放电回路;所述的分流器、调理电路、MCU模块依次串联连接;所述的MCU模块与充电MOS管串联连接,控制充电MOS管的通断;所述的MCU模块与放电MOS管串联连接,控制放电MOS管的通断。
2.根据权利要求1所述的电源管理***及充放电电流采样计电路,其特征:所述的调理电路把蓄电池组充放电电流转换为数字信号和模拟信号,数字信号代表电流极性,模拟信号代表电流大小,经过调理电路后,充电电流输出信号在[0,5]V范围内,放电电流的输出信号也在[0,5]V范围内。
3.根据权利要求1所述的电源管理***及充放电电流采样计电路,其特征在于:所述的调理电路包含滤波电路(10)、第一级差分放大电路(11)、正电压放大负电压输出为0电路(13)、负电压放大极性反转正电压输出为0电路(14)、比较电路(16)及RC滤波电路(15);分流器两端的电压差连接滤波电路输入端,滤波电路输出端连接第一级差分放大电路输入端;第一级差分放大电路输出端分别连接比较器的输入端、正电压放大负电压输出为0电路输入端、负电压放大极性反转正电压输出为0电路输入端;比较器的输出端连接MCU模块中的IO高低电平检测模块;正电压放大负电压输出为0电路与负电压放大极性反转正电压输出为0电路的输出端并联后经RC滤波电路连接MCU模块中的内嵌AD转换器模块。
4.根据权利要求1所述的电源管理***及充放电电流采样计电路,其特征在于:所述的分流器采用高精密分流器。
5.根据权利要求3所述的电源管理***及充放电电流采样计电路,其特征在于:所述的第一级差分放大电路采用双电源仪表放大器,提高输入阻抗,提高共模抑制比。
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