一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法，核心控制单元通过采样模块对电池组中的每个电池单体的电压进行采集，通过电量计量模块对电池组的电流和电池容量进行采集。当核心控制单元检测到有电池单体的电压差达到预设值时，主动平衡电源电路将电池组或外接充电器的能量进行转换，并对电池单体进行充电；核心控制单元通过电量计量模块对外接充电器充入电池组的能量和电流进行检测，当任意电池单体的电压超过第一设定值时，核心控制单元切断主充电回路；当主动平衡电源电路用整组能量补充短板时，如果所有电池单体电压恢复到第二设定值以下时，再次打开外接充电器。本发明降低了电路的成本，达到了经济性和充电均衡性能的完美平衡性。
【专利说明】一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及锂电池领域，特别涉及一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002]锂电池是一种以锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的一次电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着二十世纪末微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求，锂电池随之进入了大规模的实用阶段。
[0003]现有技术中对锂电池组均衡充电的有效方法是采用若干个独立的充电器，分别对电池组中的各个单体进行充电。这就需要所有电池必须单独引出充电线,例如:16个电池组成的电池组需要引出32根充电线。这不仅增加了布线难度，而且提高了电池组的成本，且现有的锂电池串联会出现充电不均衡的问题。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种锂电池分布式充电均衡电路及其控制方法，本发明实现了锂电池的均衡充电，降低了电路的成本，满足了实际应用中的多种需要，详见下文描述:
[0005]一种锂电池分布式充电均衡电路，所述锂电池分布式充电均衡电路包括:核心控制单元，所述核心控制单元电连接若干个采样模块、电量计量模块、逻辑控制单元，其中，
[0006]所述采样模块和所述电量计量模块电连接电池组，所述逻辑控制单元电连接主动平衡电源电路，还包括:为所述逻辑控制单元和所述主动平衡电源电路提供充电的充电电源，
[0007]所述核心控制单元通过所述采样模块对所述电池组中的每个电池单体的电压进行采集，通过所述电量计量模块对所述电池组的电流和电池容量进行采集；
[0008]当所述核心控制单元检测到有电池单体的电压差达到预设值时，所述核心控制单元将驱动信号发送给所述逻辑控制单元，所述逻辑控制单元根据所述驱动信号输出脉冲控制信号，控制所述主动平衡电源电路，所述主动平衡电源电路将所述电池组或外接充电器的能量进行转换，并对电池单体进行充电；
[0009]所述核心控制单元通过所述电量计量模块对所述外接充电器充入所述电池组的能量和电流进行检测，当任意电池单体的电压超过第一设定值时，所述核心控制单元切断主充电回路；当所述主动平衡电源电路用整组能量补充短板时，如果所有电池单体电压恢复到第二设定值以下时，再次打开所述外接充电器。
[0010]再对电池单体进行充电时，所述核心控制单元会不断检测电池单体电压的变化和充入电池单体的电流，
[0011]当某一电池单体电压高于其他电池单体的电压时，降低充入此电池单体的电流；或，[0012]当某一电池单体的电压变化率低于其他电池单体的电压变化率且小于最大充电电流时,提高充入此电池单体的电流,直到和其他电池单体的容量一致。
[0013]所述主动平衡电源电路设计为主充加辅充模式，采用开关电源原理，
[0014]当连接一串电池单体时，所述主动平衡电源电路包括:变压器，所述变压器的初级线圈接MOS管的源极，所述MOS管的栅极接所述逻辑控制单元输出的所述脉冲控制信号，所述MOS管的漏极输出反馈电流；次级线圈一端接二极管的阳极，且所述二极管的阴极接电容的一端，所述电容的另一端接所述次级线圈的另一端；所述初级线圈、所述电容的一端分别接所述充电器和所述电池单体的正极，所述电容的另一端接所述电池单体的负极。
[0015]所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:与所述核心控制单元连接的弱电开关。
[0016]所述充电电源到所述主动平衡电源电路之间的回路中设置有保险丝。
[0017]所述核心控制单元和所述采样模块之间的通信为总线通信；所述核心控制单元和所述电量计量模块之间的通信为总线通信。
[0018]所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:RS232接口、485接口和以太网接口，
[0019]所述核心控制单元通过所述RS232接口、所述485接口和所述以太网接口接外部
通信终端。
[0020]所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:短路保护及MOS驱动电路、实时时钟，
[0021]所述核心控制单元连接所述短路保护及MOS驱动电路、所述实时时钟。
[0022]所述核心控制单元通过所述采样模块对所述电池组中的电池单体的温度进行实时采集，所述核心控制单元对采集到的温度和温度阈值进行比较，当高于所述温度阈值时，取消电池单体的均衡作用。
[0023]一种锂电池分布式充电均衡电路的控制方法，所述方法包括以下步骤:
[0024](I)当某一电池单体的差异低于设计阈值时，所述核心控制单元检测到电压偏低时，启动所述逻辑控制单元；
[0025]所述核心控制单元通过19根数据线对所述逻辑控制单元进行控制，其中16根数据线对应所述逻辑控制单元的16路脉冲控制信号的输出；2根控制线，分别控制占空比和PWM输出的开启，一根时钟线用于同步16根数据线的数据，所述核心控制单元通过控制MOS管的开关占空比和频率进而控制充到电池单体中的电流；
[0026](2)所述核心控制单元首先禁止所述逻辑控制单元输出脉冲控制信号，接收第一组脉冲控制信号的输入，再通过16根数据线输出第一组脉冲控制信号，时钟线工作；
[0027](3)以此类推，所述核心控制单元拉低时钟线，接收第二组脉冲控制信号的输入，再通过16根数据线输出第二组脉冲控制信号，时钟线工作。
[0028]本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明将传统需要若干个(以16个充电器为例)充电器完成的工作，集成在一块电路上，并通过一个核心控制单元进行协调控制，降低了电路的成本，达到了经济性和充电均衡性能的完美平衡；并且本发明通过设计的弱电开关，降低了电路的功耗；且通过在充电电源到16路主动平衡电源的回路上添加保险丝，防止了失控时出现过电流的问题，提高了电路的整体安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为一种锂电池分布式充电均衡电路的结构示意图；[0030]图2为主动平衡电源电路的结构示意图；
[0031]图3为脉冲控制信号的工作示意图。
[0032]附图中，各部件的列表如下:
[0033]1:核心控制单元；2:采样模块；
[0034]3:电量计量模块；4:电池组；
[0035]5:逻辑控制单元；6:主动平衡电源电路；
[0036]7:充电电源；8:充电器；
[0037]9:弱电开关；10:RS232 接口 ；
[0038]11:485 接口；12:以太网接口；
[0039]13:短路保护及MOS驱动电路；14:实时时钟；
[0040]16:PC 适配模块；17:PC 机；
[0041]B1:电池单体；M:变压器；
[0042]MOS:晶体管；D:二极管；
··[0043]C:电容。
【具体实施方式】
[0044]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0045]为了实现锂电池的均衡充电，降低电路的成本，满足实际应用中的多种需要，本发明实施例提供了一种锂电池分布式充电均衡电路，参见图1，该锂电池分布式充电均衡电路包括:核心控制单元I，核心控制单元I电连接若干个采样模块2 (其中，采样模块2的数量由电池组4中的电池单体的数量决定，本发明实施例对此不做限制)、电量计量模块3、逻辑控制单元(FPGA)5，采样模块2和电量计量模块3电连接电池组4，逻辑控制单元5电连接主动平衡电源电路6，还包括:为逻辑控制单元5和主动平衡电源电路6提供充电的充电电源7，
[0046]核心控制单元I通过采样模块2对电池组4中的每个电池单体BI (每个电池组4中包括16个电池单体BI)的电压进行采集，通过电量计量模块3对电池组4的电流和电池
【权利要求】
1.一种锂电池分布式充电均衡电路，所述锂电池分布式充电均衡电路包括:核心控制单元，其特征在于，所述核心控制单元电连接若干个采样模块、电量计量模块、逻辑控制单元，其中， 所述采样模块和所述电量计量模块电连接电池组，所述逻辑控制单元电连接主动平衡电源电路，还包括:为所述逻辑控制单元和所述主动平衡电源电路提供充电的充电电源， 所述核心控制单元通过所述采样模块对所述电池组中的每个电池单体的电压进行采集，通过所述电量计量模块对所述电池组的电流和电池容量进行采集； 当所述核心控制单元检测到有电池单体的电压差达到预设值时，所述核心控制单元将驱动信号发送给所述逻辑控制单元，所述逻辑控制单元根据所述驱动信号输出脉冲控制信号，控制所述主动平衡电源电路，所述主动平衡电源电路将所述电池组或外接充电器的能量进行转换，并对电池单体进行充电； 所述核心控制单元通过所述电量计量模块对所述外接充电器充入所述电池组的能量和电流进行检测，当任意电池单体的电压超过第一设定值时，所述核心控制单元切断主充电回路；当所述主动平衡电源电路用整组能量补充短板时，如果所有电池单体电压恢复到第二设定值以下时，再次打开所述外接充电器。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路，其特征在于，再对电池单体进行充电时，所述核心控制单元会不断检测电池单体电压的变化和充入电池单体的电流， 当某一电池单体电压高于其他电池单体的电压时，降低充入此电池单体的电流；或， 当某一电池单体的电压变化率低于其他电池单体的电压变化率且小于最大充电电流时，提高充入此电池单体的电流，直到和其他电池单体的容量一致。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路，其特征在于，所述主动平衡电源电路设计为主充加 辅充模式，采用开关电源原理， 当连接一串电池单体时，所述主动平衡电源电路包括:变压器，所述变压器的初级线圈接MOS管的源极，所述MOS管的栅极接所述逻辑控制单元输出的所述脉冲控制信号，所述MOS管的漏极输出反馈电流；次级线圈一端接二极管的阳极，且所述二极管的阴极接电容的一端，所述电容的另一端接所述次级线圈的另一端；所述初级线圈、所述电容的一端分别接所述充电器和所述电池单体的正极，所述电容的另一端接所述电池单体的负极。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路，其特征在于，所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:与所述核心控制单元连接的弱电开关。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路，其特征在于，所述充电电源到所述主动平衡电源电路之间的回路中设置有保险丝。
6.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路，其特征在于，所述核心控制单元和所述采样模块之间的通信为总线通信；所述核心控制单元和所述电量计量模块之间的通信为总线通信。
7.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路，其特征在于，所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:RS232接口、485接口和以太网接口， 所述核心控制单元通过所述RS232接口、所述485接口和所述以太网接口接外部通信终端。
8.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路，其特征在于，所述锂电池分布式充电均衡电路还包括:短路保护及MOS驱动电路、实时时钟， 所述核心控制单元连接所述短路保护及MOS驱动电路、所述实时时钟。
9.根据权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路，其特征在于，所述核心控制单元通过所述采样模块对所述电池组中的电池单体的温度进行实时采集，所述核心控制单元对采集到的温度和温度阈值进行比较，当高于所述温度阈值时，取消电池单体的均衡作用。
10.一种用于权利要求1所述的一种锂电池分布式充电均衡电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (1)当某一电池单体的差异低于设计阈值时，所述核心控制单元检测到电压偏低时，启动所述逻辑控制单元； 所述核心控制单元通过19根数据线对所述逻辑控制单元进行控制，其中16根数据线对应所述逻辑控制单元的16路脉冲控制信号的输出；2根控制线，分别控制占空比和PWM输出的开启，一根时钟线用于同步16根数据线的数据，所述核心控制单元通过控制MOS管的开关占空比和频率进而控制充到电池单体中的电流； (2)所述核心控制单元首先禁止所述逻辑控制单元输出脉冲控制信号，接收第一组脉冲控制信号的输入，再通过16根数据线输出第一组脉冲控制信号，时钟线工作； (3)以此类推，所述核心控制单元拉低时钟线，接收第二组脉冲控制信号的输入，再通过16根数据线输出第二组脉冲控制信号，时钟线工作。
【文档编号】H02J7/00GK103441542SQ201310349173
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】陈斌斌 申请人:天津谷泰科技有限公司