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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