專利名稱：一種高效率充放電控制電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池充放電裝置，尤其涉及ー種高效節(jié)能的充放電控制電路及其控制方法。
背景技術(shù)：
在電池生產(chǎn)或使用的過程(如電池的化成與分容)中，經(jīng)常要用到充放電電路。充放電電路基本包括依次串聯(lián)的整流器、充電電路、電池；電池充放電電路可能但不僅限于圖I至3所示結(jié)構(gòu)。如圖I所示，電池單接放電電路，整流器負(fù)責(zé)把交流電變換成一定電壓的直流電，作為后面的充電電路的輸入，給充電電路提供能量來源。如圖2所示，電池與整 流器輸出端之間串接放電電路，形成能量回饋電路，放電電池的能量通過放電電路回饋到整流器的輸出端，可供其它充電電路使用，或通過其它的逆變器再將能量回饋至電網(wǎng)，以達(dá)到放電能量再利用的目的。此時，整流器的輸出電壓即為放電電路的輸出電壓。如圖3所示，充電電路和放電電路集合為充/放電電路，亦形成能量回饋電路。由于電池電壓有著較寬的電壓范圍，而且不同類型的電池電壓范圍也不相同，為使充放電電路在電池在電壓全范圍都能正常工作，并且具有較為廣泛的應(yīng)用范圍，因此一般來說整流器的輸出電壓一般都設(shè)定在一個比較高的值。因此，在很多情況下，功率變換電路(充電電路和/或放電電路)的輸入輸出電壓之差都較大。功率變換電路可以是基于線性電源工作原理的電路，也可以是基于開關(guān)電源原理的電路。無論其屬于何種電路，都有ー種共同的特性，就是電路的輸入電壓和輸出電壓差距越大，其能量損耗越大。在線性電路里這種特性表現(xiàn)得尤為明顯，因為其
損耗=(輸入電壓-輸出電壓)*電流
比如在圖I至圖3任ー的電路結(jié)構(gòu)里，如果整流器輸出電壓6V，電池電壓2V，電流10A，那么給電池充電總共消耗60W的功率，但其中有40W都以發(fā)熱的形式消耗掉了。在ー些高精度的電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)(如化成和分容)，為了得到較小的充放電紋波，大多采用線性充放電電路。這也就是為什么電池生產(chǎn)企業(yè)一般都是高能耗的企業(yè)，毎年的電費都是ー筆很大的開支。如果是開關(guān)型的充電電路或放電電路，雖然能量損耗跟輸入輸出電壓之差的關(guān)系不如線性電路這么突出，但也不容小視。因此，如果在電池充放電的過程中，可以根據(jù)電池電壓的不同來調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓，讓充放電電路的輸入輸出電壓之差盡可能的小，就可以極大的減小電路的能量損耗，給電池企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。一種類似的辦法是臺灣致茂電子股份有限公司的專利CN200910132274. 5，其方法是針對線性充放電電路，控制電路中充放電的限流晶體管和限流電阻上的電壓為ー個固定值，這樣可以在一定程度降低整流器的輸出電壓。在該方案里
損耗=(控制的固定值+電路中其它的線路電阻*電流)*電流 但是該方案有兩個方面的問題
I.為了控制限流晶體管和限流電阻上的電壓為ー個固定值，需要復(fù)雜的閉環(huán)控制，設(shè)備成本聞昂；
2.假設(shè)限流晶體管和限流電阻的導(dǎo)通電阻一定，則電流越大，其兩端的電壓越高。另外由于工作過程中的發(fā)熱，其導(dǎo)通電阻還會増大，因此其兩端的電壓會更高。為了保證電路在大電流長期充放電時控制的穩(wěn)定性，該方案必須將這個固定值設(shè)得較高。那么在小電流充放電的時候，本來不需要這么高的固定值，反而帶來了不必要的能量損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提出一種能夠在電池充放電過程中，根據(jù)電池的電壓和電流的波動，實時地調(diào)整整流器輸出電壓，達(dá)到節(jié)能降耗的目的充放電控制 電路。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是設(shè)計一種高效率充放電控制電路，其包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池、采集電池電壓信號的電壓采樣電路、連接電壓采樣電路對所述電壓信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出控制信號的控制單元，所述整流器連接該控制單元并根據(jù)所述控制信號調(diào)整輸出直流電壓。高效率充放電控制電路還包括采集電池電流信號的電流采樣電路，所述控制單元連接該電流采樣電路，對所述電壓信號和電流信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出所述控制信號。上述控制單元與電池之間還可連接電流采樣電路。上述控制單元還可連接控制所述充放電電路。上述整流器可以包含正極輸出端和負(fù)極輸出端，上述充放電電路包括充電晶體管、放電晶體管、限流電阻、公共端、接待充電池的充電正極和充電負(fù)極，其中充電晶體管的漏極接正極輸出端、源極接公共端、柵極接控制單元第二控制端；放電晶體管的漏極接公共端、源極接負(fù)極輸出端、柵極接控制單元第三控制端；限流電阻串接在公共端與充電正極之間，負(fù)極輸出端接充電負(fù)扱。上述電壓采樣電路可以包括第三運算放大器，其正相輸入端通過第六電阻接充電正極并通過第七電阻接地，其反相輸入端接其輸出端，其輸出端接控制單元ー輸入端。上述電流采樣電路包括第二運算放大器，其正相輸入端通過第二電阻接公共端并通過第四電阻接地，其反相輸入端通過第三電阻接充電正極并通過第五電阻接其輸出端，其輸出端接控制單元另ー輸入端。上述整流器包含控制端、正極輸出端和負(fù)極輸出端，上述控制單元與整流器的控制端和正極輸出端之間連接ー驅(qū)動電路。上述驅(qū)動電路包括第一運算放大器，串接在第一運算放大器反相輸入端與正極輸出端之間的第八電阻、串接在第一運算放大器反相輸入端與地之間的第十電阻、串聯(lián)后接在第一運算放大器反相輸入端與輸出端之間的第九電阻和電容，第一運算放大器正相輸入端接控制單元第一控制端，第一運算放大器輸出端接整流器控制端。本發(fā)明還提出一種高效率充放電控制電路的控制方法，該包括以下步驟第一歩，電壓采樣電路實時采樣電池的充放電電壓，并傳輸給控制単元；第二歩，控制單元根據(jù)采集到的電壓值，通過預(yù)置的運算軟件計算出整流器需輸出的電壓值，并將電壓調(diào)整信號傳輸給整流器；第三歩，整流器根據(jù)調(diào)整信號調(diào)節(jié)輸出直流電壓。所述控制単元與電池之間還連接一電流采樣電路；所述第一歩中，控制單元還通過電流采樣電路采集電池電流值；所述第二步中，控制單元根據(jù)采集到的電壓值和電流值，通過預(yù)置的運算軟件計算出整流器需輸出的電壓值，并將電壓調(diào)整信號傳輸給整流器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能適應(yīng)不同的電池類型，在電池充放電過程中，根據(jù)電池的電壓和電流的波動，實時地調(diào)整整流器輸出電壓，使充電損耗大幅下降；同時電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有廣闊的市場前景。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作出詳細(xì)的說明，其中
圖I為現(xiàn)有技術(shù)中ー種基本的充放電控制電路框 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中ー種帶能量回饋電路的充放電控制電路框 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中另一種帶能量回饋電路的充放電控制電路框 圖4為本發(fā)明較佳實施例的原理框 圖5為本發(fā)明較佳實施例的電路 圖6為ー個整流器帶多個充放電電路和多個電池應(yīng)用示意 圖7為多個整流器帶多個充放電電路和多個電池應(yīng)用示意 圖8為本發(fā)明控制方法的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明掲示了一種高效率充放電控制電路，參看圖4示出的原理框圖，其包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池、采集電池電壓信號的電壓采樣電路、連接電壓采樣電路對所述電壓信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出控制信號的控制單元，所述整流器連接該控制單元并根據(jù)所述控制信號調(diào)整輸出直流電壓。在電池充放電過程中，控制單元實時地采集電池的電壓信息，根據(jù)一定的軟件算法，算得ー個整流器最佳輸出電壓，該輸出電壓對應(yīng)最低的能量損耗。其公式為
VR=VB+ (RQ+RS+RL)*IMAX+VC................................................ (I)
VR:整流器最佳輸出電壓
VB :電池電壓
RQ:限流晶體管導(dǎo)通電阻
RS :限流電阻
RL:線路電阻、 IMAX :最大的充(放)電電流 VC:保持控制裕量的預(yù)留電壓
然后控制器通過任何一種通訊方式(包括權(quán)項7中的驅(qū)動電路)與整流器通訊，使其輸出該電壓。隨著充放電時間的推移，電池兩端的電壓逐漸變化，電池電壓實時反饋電壓值，控制器控制整流器隨之改變整流器電壓輸出值，從而能量損耗降到最低。在較佳實施例中，高效率充放電控制電路還包括采集電池電流信號的電流采樣電路，所述控制単元連接該電流采樣電路，對所述電壓信號和電流信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出所述控制信號。隨著充電時間的推移，電池充電電流逐漸減小，電流采樣電路實時反饋電池的充電電流值，控制器根據(jù)一定的軟件算法，算得ー個整流器最佳輸出電壓，該輸出電壓對應(yīng)最低的能量損耗。其公式為
VR=VB+ (RQ+RS+RL)*IO+VC................................................... (2)
VR:整流器最佳輸出電壓
VB :電 池電壓
RQ:限流晶體管導(dǎo)通電阻
RS :限流電阻
RL :線路電阻
IO :實時的充(放)電電流
VC :保持控制裕量的預(yù)留電壓
對比公式(1)、(2)，公式(I)是用最大的充(放)電電流替代了實時的充(放)電電流，節(jié)能效果比不上在帶電流采用的控制電路。與致茂的現(xiàn)有方案相比，此時節(jié)能效果基本相當(dāng)，但其成本仍然具有很大的優(yōu)勢。在較佳實施例中，控制單元還連接控制充放電電路。參看圖5，整流器包含控制端、正極輸出端IN+和負(fù)極輸出端IN-，充放電電路包括充電晶體管Ql、放電晶體管Q2、限流電阻Rl、公共端COM、接待充電池的充電正極OUT+和充電負(fù)極0UT-，其中充電晶體管Ql的漏極接正極輸出端IN+、源極接公共端COM、柵極接控制單元U2第二控制端；放電晶體管的漏極接公共端COM、源極接負(fù)極輸出端IN-、柵極接控制單元U2第三控制端；限流電阻Rl串接在公共端與充電正極之間0UT+，負(fù)極輸出端IN-接充電負(fù)極OUT-。在較佳實施例中，電壓采樣電路包括第三運算放大器U3，參看圖5，其正相輸入端通過第六電阻R6接充電正極OUT+并通過第七電阻R7接地，其反相輸入端接其輸出端，其輸出端接控制單元U4—輸入端。所述電流采樣電路包括第二運算放大器U2，其正相輸入端通過第二電阻R2接公共端并通過第四電阻R4接地，其反相輸入端通過第三電阻R3接充電正極OUT+并通過第五電阻R5接其輸出端，其輸出端接控制單元U4另ー輸入端。在較佳實施例中，整流器包含控制端、整流器包含正極輸出端IN+和負(fù)極輸出端IN-，所述控制単元U4與整流器的控制端和正極輸出端IN+之間連接ー驅(qū)動電路。圖5示出了ー種驅(qū)動電路的實施例，其包括第一運算放大器U1，串接在第一運算放大器Ul反相輸入端與正極輸出端IN+之間的第八電阻R8、串接在第一運算放大器Ul反相輸入端與地之間的第十電阻R10、串聯(lián)后接在第一運算放大器Ul反相輸入端與輸出端之間的第九電阻R9和電容Cl，第一運算放大器Ul正相輸入端接控制單元U4第一控制端DACl，第一運算放大器Ui輸出端接整流器控制端。下面以圖5示出的較佳實施方案為例，進(jìn)ー步闡述本發(fā)明工作原理，220V交流電經(jīng)整流器的變換輸出ー個直流電壓，給后級充放電電路提供能量來源。整流器可以是任何的常規(guī)的電子電路，如全橋電路、半橋電路。但在本發(fā)明方案里，其特點是整流器的輸出電壓值可調(diào)。U1、Cl、R8、R9、RlO構(gòu)成ー個整流器輸出閉環(huán)控制電路，運算放大器Ul的正相輸入端被接到控制單元U4的一個模擬信號輸出端。因此整流器的輸出電壓是被控制單元U4控制的，高低可調(diào)。整流器后級為充放電電路，其中Ql為充電的限流晶體管，Q2為放電的限流晶體管，Rl為充放電的限流電阻，其兩端的電壓值表征了充放電的電流值，因此也稱電流采樣電阻。控制單元U4就是通過控制Ql或Q2的導(dǎo)通程度，將Rl兩端的電壓控制在ー個特定的值，從而將充電或放電電流控制在ー個特定的值。
控制單元U4可以是單片機、DSP等等，也可以是單片機、DSP等的組合，功能是除了控制充電晶體管QI和放電晶體管Q2以實現(xiàn)充放電控制外，還通過電池電壓、電流采樣電路，通過控制単元U4內(nèi)部的軟件算法，輸出ー個電壓信號，該信號作為整流器輸出電壓的控制信號，可以調(diào)整整流器輸出電壓，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。需要指出，圖5中給出了充放電電路和驅(qū)動電路的較佳實施方案，業(yè)內(nèi)人士應(yīng)該了解到，實施方案并不限于以上所舉例子，還有其它的功能模塊也能達(dá)到相同作用，在不脫離本申請總體思路，而對其功能模塊進(jìn)行等效修改或和替換的，均應(yīng)包含于本申請的權(quán)利要求范圍之中。與傳統(tǒng)的充放電方案相比，本發(fā)明能大大降低電路的能量損耗。還是舉上面那個例子
如果整流器輸出電壓6V，電池電壓2V，電流10A，那么給電池充電總共消耗60W的功率，但其中有40W都以發(fā)熱的形式消耗掉了。但如果采用本方案，假如將整流器的輸出電壓在此時刻降低為3V，則能量的損耗則由40W變成了 10W，節(jié)能75% !
與致茂的現(xiàn)有方案相比，本方案兩點優(yōu)勢
1.成本低廉，無需復(fù)雜的閉環(huán)控制；
2.節(jié)能效果顯著，假設(shè)電路在最大電流情況下需要將整流器輸出電壓降低IV，如果用致茂的現(xiàn)有方案，因為其控制的是固定值，因此無論多大電流，限流晶體管和限流電阻上都必須是IV的電壓，而我們的方案則會根據(jù)電流大小的不同實時進(jìn)行調(diào)整。同樣用上面的例子
電池電壓2V，電流10A，致茂的方案將整流器輸出電壓調(diào)整至3V。如果在某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，電流變成了 5A，致茂的方案還是將整流器輸出電壓調(diào)整至3V，對應(yīng)的電路損耗為1V*5A=5W
而本發(fā)明在此條件下會將整流器輸出電壓調(diào)整至2. 5V，對應(yīng)的電路損耗為
O.5V*5A=2. 5W節(jié)能也達(dá)50% !
而且該粗略算法還沒包括線路中的損耗，致茂的方案是無法將這些寄生的損耗考慮在內(nèi)的，而本發(fā)明方案則可以在軟件算法中將線路的損耗ー并考慮，節(jié)能效果更佳明顯。本發(fā)明還掲示了一種高效率充放電控制電路的控制方法，所述充放電控制電路包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池、采集電池電壓信號的電壓采樣電路、連接電壓采樣電路對所述電壓信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出控制信號的控制單元，所述整流器連接該控制單元并根據(jù)所述控制信號調(diào)整輸出直流電壓；所述控制方法包括以下步驟第一歩，電壓采樣電路實時采樣電池的充放電電壓，并傳輸給控制単元；第二歩，控制單元根據(jù)采集到的電壓值，通過預(yù)置的運算軟件計算出整流器需輸出的電壓值，并將電壓調(diào)整信號傳輸給整流器；第三歩，整流器根據(jù)調(diào)整信號調(diào)節(jié)輸出直流電壓。在較佳實施例中，控制單元與電池之間還連接一電流采樣電路；所述第一步中，控制單元還通過電流采樣電路采集電池電流值；所述第二步中，控制單元根據(jù)采集到的電壓值和電流值，通過預(yù)置的運算軟件計算出整流器需輸出的電壓值，并將電壓調(diào)整信號傳輸給整流器。本發(fā)明方案可以推廣到多個整流器、多個充放電電路和多個電池的場合，如圖6和圖7所示圖6所示為ー個整流器帶η個充放電電路和η個電池，此時需要采集η個電池的電壓和電流，用前述同樣的軟件算法計算得到整流器最佳輸出電壓值，下發(fā)給整流器執(zhí)行。圖7所示為m個整流器并聯(lián)，后面帶η個充放電電路和η個電池，此時同樣需要采集η個電池的電壓和電流，取電壓和電流的最大值，用前述同樣的軟件算法計算得到整流器最佳輸出電壓值。由于有多個整流器，且每個整流器的輸出端都是并聯(lián)在一起的，輸出電壓必須一致，因此控制單元需將電壓信號下發(fā)給所有整流器執(zhí)行。 以上實施例僅為舉例說明，非起限制作用。任何未脫離本申請精神與范疇，而對其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包含于本申請的權(quán)利要求范圍之中。
權(quán)利要求
1.ー種高效率充放電控制電路，其包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池，其特征在于還包括采集電池電壓信號的電壓采樣電路、連接電壓采樣電路對所述電壓信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出控制信號的控制單元，所述整流器連接該控制單元并根據(jù)所述控制信號調(diào)整輸出直流電壓。
2.如權(quán)利要求I所述的高效率充放電控制電路，其特征在于還包括采集電池電流信號的電流采樣電路，所述控制単元連接該電流采樣電路，對所述電壓信號和電流信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出所述控制信號。
3.如權(quán)利要求2所述的高效率充放電控制電路，其特征在于所述控制單元還連接控制所述充放電電路。
4.如權(quán)利要求3所述的高效率充放電控制電路，其特征在于所述整流器包含正極輸出端和負(fù)極輸出端，所述充放電電路包括充電晶體管、放電晶體管、限流電阻、公共端、接待充電池的充電正極和充電負(fù)極， 其中充電晶體管的漏極接正極輸出端、源極接公共端、柵極接控制單元第二控制端； 放電晶體管的漏極接公共端、源極接負(fù)極輸出端、柵極接控制單元第三控制端； 限流電阻串接在公共端與充電正極之間，負(fù)極輸出端接充電負(fù)扱。
5.如權(quán)利要求4所述的高效率充放電控制電路，其特征在于所述電壓采樣電路包括第三運算放大器，其正相輸入端通過第六電阻接充電正極并通過第七電阻接地，其反相輸入端接其輸出端，其輸出端接控制單元一輸入端。
6.如權(quán)利要求5所述的高效率充放電控制電路，其特征在于所述電流采樣電路包括第二運算放大器，其正相輸入端通過第二電阻接公共端并通過第四電阻接地，其反相輸入端通過第三電阻接充電正極并通過第五電阻接其輸出端，其輸出端接控制單元另ー輸入端。
7.如權(quán)利要求I至6任一項所述的高效率充放電控制電路，其特征在于所述整流器包含控制端、正極輸出端和負(fù)極輸出端，所述控制単元與整流器的控制端和正極輸出端之間連接ー驅(qū)動電路。
8.如權(quán)利要求7所述的高效率充放電控制電路，其特征在于所述驅(qū)動電路包括 第一運算放大器，串接在第一運算放大器反相輸入端與正極輸出端之間的第八電阻、串接在第一運算放大器反相輸入端與地之間的第十電阻、串聯(lián)后接在第一運算放大器反相輸入端與輸出端之間的第九電阻和電容，第一運算放大器正相輸入端接控制單兀第一控制端，第一運算放大器輸出端接整流器控制端。
9.一種高效率充放電控制電路的控制方法，其特征在于所述充放電控制電路包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池、采集電池電壓信號的電壓采樣電路、連接電壓采樣電路對所述電壓信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出控制信號的控制單元，所述整流器連接該控制單元并根據(jù)所述控制信號調(diào)整輸出直流電壓；所述控制方法包括以下步驟 第一歩，電壓采樣電路實時采樣電池的充放電電壓，并傳輸給控制単元； 第二歩，控制單元根據(jù)采集到的電壓值，通過預(yù)置的運算軟件計算出整流器需輸出的電壓值，并將電壓調(diào)整信號傳輸給整流器； 第三步，整流器根據(jù)調(diào)整信號調(diào)節(jié)輸出直流電壓。
10.如權(quán)利要求9所述的高效率充放電控制電路的控制方法，其特征在于所述控制單元與電池之間還連接一 電流采樣電路； 所述第一歩中，控制單元還通過電流采樣電路采集電池電流值； 所述第二步中，控制單元根據(jù)采集到的電壓值和電流值，通過預(yù)置的運算軟件計算出整流器需輸出的電壓值，并將電壓調(diào)整信號傳輸給整流器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效率充放電控制電路，其包括依次串聯(lián)的整流器、充放電電路、電池、采集電池電壓信號的電壓采樣電路、連接電壓采樣電路對所述電壓信號進(jìn)行運算進(jìn)而輸出控制信號的控制單元，所述整流器連接該控制單元并根據(jù)所述控制信號調(diào)整輸出直流電壓。本發(fā)明還公開了一種高效率充放電控制電路的控制方法首先電壓采樣電路實時采樣電池的充放電電壓，并傳輸給控制單元；整流器根據(jù)調(diào)整信號調(diào)節(jié)輸出直流電壓。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能適應(yīng)不同的電池類型，在電池充放電過程中，根據(jù)電池的電壓和電流的波動，實時地調(diào)整整流器輸出電壓，使充電損耗大幅下降；同時電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有廣闊的市場前景。
文檔編號H02J7/00GK102647004SQ20121011437
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者汪躍輝 申請人:汪躍輝