一种电池串联充电电路

1.本发明涉及电池充电技术领域，特别涉及一种电池串联充电电路。


背景技术：

2.在电动汽车领域，为满足输出高电压高功率，需要将多个单节锂电池进行串联，组成一个电池组使用。但由于个体存在差异性，串联连接充电时会导致一部分电池电压高，处于过充状态。而另一部分电压低，处于欠充状态。上述情况会导致电池组出现鼓包、漏液甚至爆炸等事故。为解决锂电池串联存在的上述问题，需要一种电池串联充电电路，实现电池的平衡充电。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种电池串联充电电路。本发明可以实现锂电池的充电均衡，能够有效的提升电池的使用寿命，而且本发明具有结构简单、实用性好等优点。
4.本发明的技术方案如下：一种电池串联充电电路，包括启动开关、环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路；所述启动开关连接在锂电池的正负极；所述启动开关分别与环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路连接；所述环路控制电路中设有采样电路、求差电路、补偿电路和放大电路；所述采样电路用于采集锂电池电压获得采样电压，所述求差电路将采样电压与其内置电压比较进而控制求差电路的导通程度；所述求差电路的输出端与补偿电路连接，补偿电路根据求差电路的导通程度输出控制量；所述放大电路与补偿电路的输出端连接，用于将控制量进行反向放大，得到电压控制量；所述电压转电流电路将所述电压控制量转换为控制电流；所述电流旁路电路根据控制电流调节锂电池充电电流，实现电池串联充电调节。
5.上述的电池串联充电电路，所述启动开关由pmos管q1组成；所述pmos管q1的源极与锂电池的正极连接，pmos管的栅极与锂电池的负极连接，pmos管的漏极与环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路连接。
6.前述的电池串联充电电路，所述采样电路包括电阻r1和电阻r2；所述电阻r1的一端连接pmos管q1的漏极，电阻r1的另一端与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与锂电池的负极连接。
7.前述的电池串联充电电路，所述补偿电路包括电阻r3和电容c1；所述电阻r3的一端连接在电阻r1和电阻r2之间，电阻r3的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端与放大电路连接。
8.前述的电池串联充电电路，所述求差电路由可控精密稳压源tl431组成；所述可控精密稳压源tl431的阴极一端连接在电容c1与放大电路之间，可控精密稳压源tl431的阳极与锂电池的负极连接；所述可控精密稳压源tl431的输入端连接在电阻r1和电阻r2之间。
9.前述的电池串联充电电路，所述放大电路包括电阻r4、电阻r5和pnp管q2；所述pnp管q2的基极与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与电容c1以及可控精密稳压源tl431的
阴极连接；所述pnp管q2的集电极与电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端与锂电池的负极连接；所述pnp管q2的发射极与pmos管q1的漏极连接。
10.前述的电池串联充电电路，所述电压转电流电路包括电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10和运算放大器al；所述运算放大器al的正极连接电阻r6的一端，电阻r6的另一端与pnp管q2的集电极连接；所述运算放大器al的负极连接电阻r7的一端，电阻r7的另一端接地；所述运算放大器al的输出端与电阻r10的一端连接,电阻10的另一端与电流旁路电路连接；所述电阻r8的一端连接在电阻r7与运算放大器al的负极之间，电阻r8的另一端连接在运算放大器al的输出端与电阻r10之间；所述电阻r9的一端连接在运算放大器al的正极和电阻r6之间，电阻r9的另一端连接在电阻r10与电流旁路电路之间。
11.前述电池串联充电电路，所述电流旁路电路包括电阻r11和npn管q3；所述npn管q3的基极连接在电阻r9和电阻r10之间，npn管q3的发射极与锂电池的负极连接，npn管q3的集电极与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与pmos管q1的漏极连接。
12.与现有技术相比，本发明通过采样电路监测电池电压是否均没有达到额定电压时，如均没有达到，则充电电路不工作，对应的环路控制电路电流为零，因而此举可提高锂电池在前期充电的速度和效率。而一旦电压达到额定电压，则对应的充电电路开始工作，并实时监控电池电压是否达到最大充电电压。当电池电压小于最大充电电压时，电池充电电流几乎不分流，只有极微小的电流用以维持启动电路和充电电路的工作。当电池电压大于最大充电电压时，实时采样电池电压与最大充电电压之间的差值，并经控制电路得到控制电压，进而调节电流旁路电路的电流，确保电池电压不超过最大充电电压。本发明的电流旁路电路受驱动控制电路的电压控制，动态调节电池的充电电流，可以很方便实现电池组内各个锂电池的充电保护功能以及实现电池组内锂电池电压的均衡控制。此外，本发明具有结构简单，成本低，实用性好，模块化程度高及通用性好的优点。
附图说明
13.图1是本发明的电路示意图。
具体实施方式
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例可以使本领域普通技术人员更全面的理解本发明。
15.实施例：一种电池串联充电电路，如图1所示，包括启动开关、环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路；所述启动开关连接在锂电池的正负极；所述启动开关分别与环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路连接；所述环路控制电路中设有采样电路、求差电路、补偿电路和放大电路；所述采样电路用于采集锂电池电压获得采样电压，所述求差电路将采样电压与其内置电压比较进而控制求差电路的导通程度；所述求差电路的输出端与补偿电路连接，补偿电路根据求差电路的导通程度输出控制量；所述放大电路与补偿电路的输出端连接，用于将控制量进行反向放大，得到电压控制量；所述电压转电流电路将所述电压控制量转换为控制电流；所述电流旁路电路根据控制电流调节锂电池充电电流，实现电池串联充电调节。
16.本实施例，所述启动开关由pmos管q1组成；所述pmos管q1的源极与锂电池的正极连接，pmos管的栅极与锂电池的负极连接，pmos管的漏极与环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路连接。启动开口pmos管q1受锂电池e的电压大小控制，通过合理选择q1的等于电池额定电压v
normal
，实现电池充电达到额定电压v
normal
条件时q1导通，进而起到启动开关作用。依据电池充电规范可知，电池电压低于v
normal
时，电池处于大电流充电阶段。q1在ve＝v
normal
导通可以保证电池在大电流充电时充电电路不分流，提高充电速度和效率。另一方面，电池电压达到v
normal
时，接近充满状态，充电电路才开始进行工作。由于充电电流较小，充电电路工作时分流很小，在实现电池电压恒定的同时能有效减小发热损耗；
17.本实施例中，所述采样电路包括电阻r1和电阻r2；所述电阻r1的一端连接pmos管q1的漏极，电阻r1的另一端与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与锂电池的负极连接。r1和r2组成采样电路，用于采样电池e的电压，得到采样电压vf，满足：ve为电池电压。
18.本实施例中，所述补偿电路包括电阻r3和电容c1；所述电阻r3的一端连接在电阻r1和电阻r2之间，电阻r3的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端与放大电路连接。所述求差电路由可控精密稳压源tl431组成；所述可控精密稳压源tl431的阴极一端连接在电容c1与放大电路之间，可控精密稳压源tl431的阳极与锂电池的负极连接；所述可控精密稳压源tl431的输入端连接在电阻r1和电阻r2之间。tl431为求差电路，其原理为通过获取vf与tl431内置2.5v之间的差值v
f-2.5，进而控制tl431阴极与阳极之间的导通程度。r3、c1组成pi补偿电路，对差值电压v
f-2.5进行pi运算，进而得到控制量u
c1
。
19.本实施例中，所述放大电路包括电阻r4、电阻r5和pnp管q2；所述pnp管q2的基极与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与电容c1以及可控精密稳压源tl431的阴极连接；所述pnp管q2的集电极与电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端与锂电池的负极连接；所述pnp管q2的发射极与pmos管q1的漏极连接。r4、r5和q2组成放大电路，实现u
c1
的反相放大，得到控制量uc。r4为基极电阻，r5为集电极电阻。
20.本发明的环路控制电路的工作原理为：当时(也就是vf＜2.5)，tl431截止，q2截止，uc＝0；当时(也就是vf＞2.5)，tl431导通，u
c1
对差值电压v
f-2.5进行pi运算得到u
c1
，v
f-2.5差值越大，对应的tl431越接近饱和导通，u
c1
也越小，u
c1
为v
f-2.5反相pi运算。q2实现对u
c1
的反相放大，得到控制量uc，也就是uc为v
f-2.5的pi运算；
21.本实施例中，所述电压转电流电路包括电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10和运算放大器al；所述运算放大器al的正极连接电阻r6的一端，电阻r6的另一端与pnp管q2的集电极连接；所述运算放大器al的负极连接电阻r7的一端，电阻r7的另一端接地；所述运算放大器al的输出端与电阻r10的一端连接,电阻10的另一端与电流旁路电路连接；所述电阻r8的一端连接在电阻r7与运算放大器al的负极之间，电阻r8的另一端连接在运算放大器al的输出端与电阻r10之间；所述电阻r9的一端连接在运算放大器al的正极和电阻r6之间，电阻r9的另一端连接在电阻r10与电流旁路电路之间。该电路将控制电压uc转换为控制电流ic，依据电工学知识可知：
[0022][0023][0024][0025]
ib＝i
c-i1；
[0026]
当满足r6＝r7＝r8＝r9，可解得：
[0027][0028]
进一步，当r10《《r6时，i1＜＜ic，所以进而可以将控制电压vc转换为电流ib。
[0029]
本实施例中，所述电流旁路电路包括电阻r11和npn管q3；所述npn管q3的基极连接在电阻r9和电阻r10之间，npn管q3的发射极与锂电池的负极连接，npn管q3的集电极与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与pmos管q1的漏极连接。所述电流旁路电路对ic进行放大，得到旁路电流io，满足：io＝βic，β为q3放大系数，β的大小可由电路的动态性能指标确定：
[0030]io
＝βic。
[0031]
本发明的电池串联充电电路的工作原理为：当ve小于时，tl431阴极与阳极之间截止，q2截止，uc等于零，进而控制电流ic等于零，所以q3的分流电流io等于零，电池充电电流不分流，电池保持充电。当电池电压ve大于时，tl431阴极与阳极之间导通，ve越大于则tl431阴极与阳极之间的导通程度越高，u
c1
越小，经r4、r5和q2组成的放大电路对u
c1
反相放大得到控制量uc越大，电压转电流电路得到的控制电流ic也越大，再经过q3的放大作用得到旁路电流io也就是越大，进而减小电池e的实际充电电流。从上分析可知，ve越大于则旁路电流io也越大，进而减小电池充电电流，将电池电压维持在
[0032]
综上所述，本发明可以实现锂电池的充电均衡，能够有效的提升电池的使用寿命，而且本发明具有结构简单、实用性好等优点。

技术特征：
1.一种电池串联充电电路，其特征在于：包括启动开关、环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路；所述启动开关连接在锂电池的正负极；所述启动开关分别与环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路连接；所述环路控制电路中设有采样电路、求差电路、补偿电路和放大电路；所述采样电路用于采集锂电池电压获得采样电压，所述求差电路将采样电压与其内置电压比较进而控制求差电路的导通程度；所述求差电路的输出端与补偿电路连接，补偿电路根据求差电路的导通程度输出控制量；所述放大电路与补偿电路的输出端连接，用于将控制量进行反向放大，得到电压控制量；所述电压转电流电路将所述电压控制量转换为控制电流；所述电流旁路电路根据控制电流调节锂电池充电电流，实现电池串联充电调节。2.根据权利要求1所述的电池串联充电电路，其特征在于：所述启动开关由pmos管q1组成；所述pmos管q1的源极与锂电池的正极连接，pmos管的栅极与锂电池的负极连接，pmos管的漏极与环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路连接。3.根据权利要求2所述的电池串联充电电路，其特征在于：所述采样电路包括电阻r1和电阻r2；所述电阻r1的一端连接pmos管q1的漏极，电阻r1的另一端与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与锂电池的负极连接。4.根据权利要求3所述的电池串联充电电路，其特征在于：所述补偿电路包括电阻r3和电容c1；所述电阻r3的一端连接在电阻r1和电阻r2之间，电阻r3的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端与放大电路连接。5.根据权利要求4所述的电池串联充电电路，其特征在于：所述求差电路由可控精密稳压源tl431组成；所述可控精密稳压源tl431的阴极一端连接在电容c1与放大电路之间，可控精密稳压源tl431的阳极与锂电池的负极连接；所述可控精密稳压源tl431的输入端连接在电阻r1和电阻r2之间。6.根据权利要求5所述的电池串联充电电路，其特征在于：所述放大电路包括电阻r4、电阻r5和pnp管q2；所述pnp管q2的基极与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与电容c1以及可控精密稳压源tl431的阴极连接；所述pnp管q2的集电极与电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端与锂电池的负极连接；所述pnp管q2的发射极与pmos管q1的漏极连接。7.根据权利要求6所述的电池串联充电电路，其特征在于：所述电压转电流电路包括电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10和运算放大器al；所述运算放大器al的正极连接电阻r6的一端，电阻r6的另一端与pnp管q2的集电极连接；所述运算放大器al的负极连接电阻r7的一端，电阻r7的另一端接地；所述运算放大器al的输出端与电阻r10的一端连接,电阻10的另一端与电流旁路电路连接；所述电阻r8的一端连接在电阻r7与运算放大器al的负极之间，电阻r8的另一端连接在运算放大器al的输出端与电阻r10之间；所述电阻r9的一端连接在运算放大器al的正极和电阻r6之间，电阻r9的另一端连接在电阻r10与电流旁路电路之间。8.根据权利要求7所述电池串联充电电路，其特征在于：所述电流旁路电路包括电阻r11和npn管q3；所述npn管q3的基极连接在电阻r9和电阻r10之间，npn管q3的发射极与锂电池的负极连接，npn管q3的集电极与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与pmos管q1的漏极连接。

技术总结
本发明公开了一种电池串联充电电路，包括启动开关、环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路；所述启动开关连接在锂电池的正负极；所述启动开关分别与环路控制电路、电压转电流电路和电流旁路电路连接；所述环路控制电路中设有采样电路、求差电路、补偿电路和放大电路；所述采样电路用于采集锂电池电压获得采样电压，所述求差电路将采样电压与其内置电压比较进而控制求差电路的导通程度；所述求差电路的输出端与补偿电路连接；所述放大电路与补偿电路的输出端连接；所述电压转电流电路将所述电压控制量转换为控制电流；所述电流旁路电路根据控制电流调节锂电池充电电流。本发明可以实现锂电池的充电均衡，能够有效的提升电池的使用寿命。的使用寿命。的使用寿命。


技术研发人员：彭志辉 谢益康 张佳雯 覃成恒
受保护的技术使用者：温州大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/6/26