本發(fā)明涉及一種移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊。

背景技術(shù)：

針對電動汽車建立的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，主要是固定式的，不能靈活移動。在電動汽車的實(shí)際使用過程中，由于人為疏忽或設(shè)備故障，有時會出現(xiàn)在行駛途中的電動汽車因?yàn)殡娔芎谋M而不能繼續(xù)行駛到充換電點(diǎn)的情況。針對上述意外情況，研制可自由移動式的充電單元為電動汽車補(bǔ)充能源是非常有必要的，因此提出了專為電動汽車供電的移動充電寶的概念。

移動式充電寶是一種可自由移動的電動汽車的應(yīng)急電源裝置，電池儲能單元是移動式充電寶的重要組成部分。由于制作工藝、工作溫度、老化等的方面的影響，電池組內(nèi)單體電池在容量、內(nèi)阻、端電壓等方面不一致。這種不一致性顯著影響了動力電池組的壽命、效率和整體容量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)對串聯(lián)動力電池組充電過程的均衡控制，使電池組內(nèi)的電池單元充分地發(fā)揮其儲能潛能，延長使用壽命，顯著改善了移動式充電寶的儲能效果和能量轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是：一種移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊，包含依次相連的電源輸入保護(hù)整流電路、直流電壓變換電路和電流均衡控制電路，其中：

所述電源輸入保護(hù)整流電路，用于實(shí)現(xiàn)充電控制模塊的過流保護(hù)、防雷保護(hù)、過壓保護(hù)、浪涌抑制和輸出短路保護(hù)；

所述直流電壓變換電路，用于實(shí)現(xiàn)將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為直流電源為電池組供電；

所述電流均衡控制電路，用于自動識別電池組中各個電池的個體差異，并自適應(yīng)調(diào)整充電電流。

上述的一種移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊，其中，所述電源輸入保護(hù)整流電路包括保險絲、保護(hù)電阻、第一～第四氣體放電管、第一～第四壓敏電阻、扼流圈、第一濾波電容、第二濾波電容以及第一～第四整流二極管，其中：

所述保險絲和保護(hù)電阻串聯(lián)在火線上；

所述第一氣體放電管的一端與所述保險絲和保護(hù)電阻的相接端相連，另一端連接到零線；

所述第二氣體放電管的一端與所述保險絲和保護(hù)電阻的相接端相連，另一端與所述第三氣體放電管相連后接到零線；

所述第四氣體放電管的一端與所述第二氣體放電管和第三氣體放電管的相接端相連，另一端接地；

所述第一壓敏電阻的一端與所述保護(hù)電阻相連，另一端與所述第三壓敏電阻相連后接到零線；

所述第二壓敏電阻的一端與所述第一壓敏電阻和第三壓敏電阻的相接端相連，另一端接地；所述扼流圈的第一端與所述保護(hù)電阻和第一壓敏電阻的相接端相連，所述扼流圈的第二端接地，所述扼流圈的第三端和第四端一一對應(yīng)地與所述第四壓敏電阻的兩端相連；

所述第一濾波電容與所述第四壓敏電阻并聯(lián)；

所述第一整流二極管和第三整流二極管串聯(lián)，所述第二整流二極管和第四整流二極管串聯(lián)；

所述第一濾波電容與所述第四壓敏電阻的一個相接端與所述第一整流二極管的正極相連，另一個相接端與所述第二整流二極管和第四整流二極管的相接端相連；

所述第一整流二極管的負(fù)極和第二整流二極管的負(fù)極相連后與所述第二濾波電容的一端相連，所述第二濾波電容的另一端、第三整流二極管的正極和第四整流二極管的正極相連后連接到GND。

上述的一種移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊，其中，所述直流電壓變換電路包括開關(guān)、晶體管、電感線圈和諧振電容，所述開關(guān)和晶體管并聯(lián)設(shè)置，所述開關(guān)和晶體管的一個相接端連接到外接電源輸入端，另一個相接端通過所述電感線圈與所述諧振電容的一端相連；所述諧振電容的另一端連接到GND。

上述的一種移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊，其中，所述直流電壓變換電路采用降壓式變換器，以恒定的開關(guān)頻率工作，輸出直流電壓和電流水平可閉環(huán)調(diào)節(jié)。

上述的一種移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊，其中，所述電流均衡控制電路包括續(xù)流二極管和若干個電流均衡控制單元，所述若干個電流均衡控制單元與電池組中的若干個電池一一對應(yīng)；所述若干個電池依次串聯(lián)組成所述電池組；所述續(xù)流二極管的負(fù)極與電池組的正極相連，所述續(xù)流二極管的正極與所述電池組的負(fù)極相連；每個所述電流均衡控制單元均包括功率開關(guān)、電感和二極管，所述電池的一端、功率開關(guān)、電感和電池的另一端依次相連，所述二極管的負(fù)極與所述功率開關(guān)和電感的相接端相連，所述若干個電流均衡控制單元的二極管依次串聯(lián)，且最后一個所述電流均衡控制單元的二極管的正極與相應(yīng)的電池和電感的相接端相連。

本發(fā)明的移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)對串聯(lián)動力電池組充電過程的均衡控制，使電池組內(nèi)的電池單元充分地發(fā)揮其儲能潛能，延長使用壽命，顯著改善了移動式充電寶的儲能效果和能量轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為電源輸入保護(hù)整流電路的電路圖；

圖3為直流電壓變換電路的電路圖；

圖4為電流均衡控制電路的電路圖；

圖5為本發(fā)明的移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊的電池充電控制策略的框圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對其具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地說明：

充電寶電池組BAT是有由若干電池串聯(lián)構(gòu)成，是能量儲存的重要元件。為了將能量儲存在電池中，需要將市電轉(zhuǎn)換為合適電壓水平的直流電，然后通過控制電路根據(jù)電池的充電特性，逐步將能量轉(zhuǎn)換為電池內(nèi)部的化學(xué)能。由于電池組有數(shù)量較多的電池單元構(gòu)成，在參數(shù)和特性等方面分別存在一定的差異，在電能逐步轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過程中，針對電池單元不同點(diǎn)特性度其充電放電過程進(jìn)行必要控制，對發(fā)揮電池的效能，縮短充電時間，提高充電效率具有非常重要的作用。

請參閱圖1，本發(fā)明的最佳實(shí)施例，一種移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊1包含依次相連的電源輸入保護(hù)整流電路11、直流電壓變換電路12和電流均衡控制電路13，電源輸入保護(hù)整流電路11，用于實(shí)現(xiàn)充電控制模塊的過流保護(hù)、防雷保護(hù)、過壓保護(hù)、浪涌抑制和輸出短路保護(hù)；直流電壓變換電路12，用于實(shí)現(xiàn)將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為直流電源為電池組BAT供電；電流均衡控制電路13，用于自動識別電池組中各個電池的個體差異，并自適應(yīng)調(diào)整充電電流。

狀態(tài)監(jiān)測模塊2，用于監(jiān)測電池組在充電階段、放電階段、存儲階段和運(yùn)輸階段的狀態(tài)參數(shù)，狀態(tài)參數(shù)包括充電電流、放電電流、電壓、溫度、壓力和泄漏電流參數(shù)。

故障診斷模塊3，以連續(xù)監(jiān)測的電池組的充電電流、放電電流、電壓、溫度、壓力和泄漏電流參數(shù)為基礎(chǔ)，對電池狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，預(yù)先發(fā)現(xiàn)電池組內(nèi)部的潛在缺陷，對可能出現(xiàn)的風(fēng)險和潛在的供電能力進(jìn)行評價。故障診斷模塊3，采用基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的診斷方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先編寫診斷規(guī)則并存儲在控制器中，運(yùn)行階段根據(jù)測量參數(shù)檢索和匹配診斷規(guī)則，并據(jù)此輸出診斷結(jié)論。

請參閱圖2，電源輸入保護(hù)整流電路包括保險絲F、保護(hù)電阻R、第一～第四氣體放電管Nx1、Nx2、Nx3、Nx4、第一～第四壓敏電阻ZNR1、ZNR2、ZNR3、ZNR4、扼流圈T、第一濾波電容C11、第二濾波電容C12以及第一～第四整流二極管D11、D12、D13、D14。保險絲F和保護(hù)電阻R串聯(lián)在火線L上；第一氣體放電管Nx1的一端與保險絲F和保護(hù)電阻R的相接端相連，另一端連接到零線N；第二氣體放電管Nx2的一端與保險絲F和保護(hù)電阻R的相接端相連，另一端與第三氣體放電管Nx3相連后接到零線N；第四氣體放電管Nx4的一端與第二氣體放電管Nx2和第三氣體放電管Nx3的相接端相連，另一端接地PE；第一壓敏電阻ZNR1的一端與保護(hù)電阻R相連，另一端與第三壓敏電阻ZNR3相連后接到零線N；第二壓敏電阻ZNR2的一端與所述第一壓敏電阻ZNR1和第三壓敏電阻ZNR3的相接端相連，另一端接地PE；扼流圈T的第一端與保護(hù)電阻R和第一壓敏電阻ZNR1的相接端相連，扼流圈T的第二端接地PE，扼流圈T的第三端和第四端一一對應(yīng)地與所述第四壓敏電阻ZNR4的兩端相連；第一濾波電容C11與第四壓敏電阻ZNR4并聯(lián)；第一整流二極管D11和第三整流二極管D13串聯(lián)，第二整流二極管D12和第四整流二極管D14串聯(lián)；第一濾波電容C11與第四壓敏電阻ZNR4的一個相接端與第一整流二極管D11的正極相連，另一個相接端與第二整流二極管D12和第四整流二極管D14的相接端相連；第一整流二極管D11的負(fù)極和第二整流二極管D12的負(fù)極相連后與第二濾波電容C12的一端相連，第二濾波電容C12的另一端、第三整流二極管D13的正極和第四整流二極管D14的正極相連后連接到GND。

電源輸入保護(hù)整流電路中，F(xiàn)為保險絲，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)作用；Nx1～Nx4為氣體放電管，實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)；ZNR1～ZNR3為壓敏電阻，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)；T2為扼流圈，實(shí)現(xiàn)浪涌抑制；ZNR4為壓敏電阻，C11、C12為濾波電容，主要用于衰減瞬時尖脈沖。

請參閱圖3，直流電壓變換電路包括開關(guān)S、晶體管VT、電感線圈L11和諧振電容C21，開關(guān)S和晶體管VT并聯(lián)設(shè)置，開關(guān)S和晶體管VT的一個相接端連接到外接電源輸入端DCIN，另一個相接端通過電感線圈L11與諧振電容C21的一端相連；諧振電容C21的另一端連接到GND。直流電壓變換電路采用降壓式變換器，以恒定的開關(guān)頻率工作，輸出直流電壓和電流水平可閉環(huán)調(diào)節(jié)。直流電壓變換電路，主要實(shí)現(xiàn)將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為所需要的直流電源為外部供電。直流電壓變換電路設(shè)計為buck降壓變換器，圖中開關(guān)S1在程序控制下觸發(fā)通斷操作，通常以恒定的開關(guān)頻率工作，從而在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓，通過調(diào)節(jié)開關(guān)S1的占空比可得到需要的充電電壓或電流。控制程序一方面測量輸出端的電壓和電流，同時與設(shè)定值比較，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)輸出直流電壓和電流水平。

請參閱圖4，電流均衡控制電路包括續(xù)流二極管Dn+1和若干個電流均衡控制單元，若干個電流均衡控制單元與電池組中的若干個電池BT1～BTn一一對應(yīng)；若干個電池BT1～BTn依次串聯(lián)組成電池組；續(xù)流二極管Dn+1的負(fù)極與電池組的正極相連，續(xù)流二極管Dn+1的正極與電池組的負(fù)極相連；每個電流均衡控制單元均包括功率開關(guān)、電感和二極管，電池的一端、功率開關(guān)、電感和電池的另一端依次相連，二極管的負(fù)極與功率開關(guān)和電感的相接端相連。電流均衡控制電路主要元器件有：電感L1～Ln、電容C1～Cn、功率開關(guān)管Q1～Qn及二極管D1～Dn+1，若干個電流均衡控制單元的二極管D1～Dn依次串聯(lián)，且最后一個電流均衡控制單元的二極管Dn的正極與相應(yīng)的電池BTn和電感Ln的相接端相連。

電流均衡控制電路可以實(shí)現(xiàn)對成組串聯(lián)的電池BT1～BTn均衡充電，當(dāng)與某個電池單元對應(yīng)的功率開關(guān)管導(dǎo)通時，電池單元被旁路，充電電流不流經(jīng)對應(yīng)的電池單元，否則將對電池單元充電。系統(tǒng)中設(shè)置的二極管起到續(xù)流作用，可以避免在回路中形成比較高的反向電壓影響損壞電池和充電器件。在實(shí)際使用時，可用PWM控制信號對功率開關(guān)管的通斷進(jìn)行控制，通過占空比調(diào)節(jié)各個電池單元充電的快慢，最終維持電池的SOC值之間只存在非常小的差異。

請參閱圖5，電池充電控制策略主要以電壓差、電壓差變化率和單體電池溫度作為3個主要輸入?yún)?shù)。控制策略以串聯(lián)電池組單元的平均電壓Va作為參考輸入，以實(shí)際測量的單體電池端電壓V作為主要控制參數(shù)，PI控制器以端電壓V和組內(nèi)平均電壓Va作為輸入，輸出控制量(PWM信號的占空比)調(diào)節(jié)充電過程?？刂撇呗允紫雀鶕?jù)監(jiān)測的電壓差異e_v、電壓差變化率，在其論域內(nèi)模糊化，然后根據(jù)規(guī)則通過模糊運(yùn)算的方法確定控制器的P、I控制參數(shù)。同時單獨(dú)針對P控制參數(shù)，在模糊推理結(jié)論基礎(chǔ)上進(jìn)行線性比例修正。

充電控制模塊對單體電池的充電控制策略采用模糊PI控制器的策略，模糊自適應(yīng)控制策略主要以電壓差、電壓差變化率和單體電池溫度作為三個主要輸入?yún)?shù)。電流均衡控制電路采用的模糊PI控制策略，模糊PI控制策略以串聯(lián)電池組單元的平均電壓作為參考輸入，以實(shí)際測量的單體電池端電壓作為主要控制參數(shù)，PI控制器以端電壓和組內(nèi)平均電壓作為輸入，輸出控制量(PWM信號的占空比)調(diào)節(jié)充電過程?？刂撇呗砸噪妷翰?、電壓差變化率和單體電池溫度三個主要參數(shù)為基礎(chǔ)，對PI控制器的系數(shù)進(jìn)行整定。模糊PI控制策略首先根據(jù)監(jiān)測的電壓差異、電壓差變化率，在其論域內(nèi)模糊化，然后根據(jù)規(guī)則通過模糊運(yùn)算的方法確定控制器的P、I參數(shù)?？紤]到溫度對控制器參數(shù)的影響，實(shí)際輸出的P控制參數(shù)在模糊控制的輸出參數(shù)上做適當(dāng)修正，具體的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

P＝P_fuzzy(1+k*Δt) (1)

式(1)中，P為實(shí)際輸出的P控制參數(shù)；P_fuzzy為模糊推理獲取的控制參數(shù)；Δt為單體電池和組內(nèi)電池單元平均溫度之差；k為溫度修正系數(shù)，隨電池種類變化。

PI控制器的實(shí)際輸出計算公式如下：

U＝P*α*ΔV+I*β*∫ΔV (2)

式(2)中，U為輸出的PWM占空比[0％,100％]；ΔV為電池電壓偏差；α,β為PI控制參數(shù)換算系數(shù)，α,β為常量，在控制器調(diào)試階段根據(jù)電池組配置和電池的工藝參數(shù)整定。

綜上所述，本發(fā)明的移動式充電寶電池管理系統(tǒng)的充電控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)對串聯(lián)動力電池組充電過程的均衡控制，使電池組內(nèi)的電池單元充分地發(fā)揮其儲能潛能，延長使用壽命，顯著改善了移動式充電寶的儲能效果和能量轉(zhuǎn)換效率。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。