充電管理系統及採用該充電管理系統的充電器的製作方法

2023-07-13 01:02:51

專利名稱：充電管理系統及採用該充電管理系統的充電器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電池領域，具體涉及一種對電池充電進行控制的充電管理系統，以及採用該充電管理系統的充電器。
背景技術：
電池管理系統通常負責電池組中電池電量的計算、電池保護，電池間的電量平衡控制、以及電池管理系統內外的信號通信等。在現有技術中，一般使用到電池的產品，都需要搭配電池管理系統來控制。由於電池在製造過程中很難確保具有完全的均一性，各串聯的電池單元之間會存在充電或放電特性的差異。因此，當使用串聯電池單元的電池組時，會存在這樣的問題充電時，同一電池組中，即使某些電池單元被過度充電，也仍然存在某些電池單元尚未達到飽和；又或放電時，同一電池組中，有些電池單元尚未完全放電，但仍有些電池單元被過度放電。此外，如果電池單元長期被過度放電/充電，在構成電池單元的材料中可能會出現顯著劣化，使得電池單元的特性變得不同，而這種劣化是加劇電池單元間差異的原因之一。現有的電量平衡方法主要有兩種，其中一種為被動式電量平衡，即將電池單元中多餘的電量以電阻的方式耗散成熱，且僅能在充電時進行。另一種為主動式電量平衡，其採用能量轉移的方式，將電池組中多餘電量轉移到電量不足的電池單元中，並可以在電池充電、放電以及不工作時都能進行。在一般的電動自行車、電動摩託車的電池管理系統中，出於成本因素的考慮，大多採用被動式電量平衡的方式來平衡各電池/電池組之間的電量，同時還必須通過周期性地採集各電池的電壓、電流、溫度等參數以便於完成平衡。一般地，當充電器對電池充電時，可分為兩種模式一種為正常充電，即開始採用較大電流對電池進行快速充電，然後，在電池接近飽和狀態時以較小電流對電池進行充電， 即涓流充電，這種充電方式往往需要配備兩個充電接口以進行切換；另一種是可變電流充電，即只需要一個充電接口就可對電池進行不同電流的充電。然而，在被動式電量平衡的電池管理系統中，由於其與外部充電器之間往往沒有通信，所以電池管理系統設定的一種充電模式，往往對採用另一種充電模式的充電器無法適用。再者，由於充電器技術著重方向與電池管理系統技術注重方向不同，一般的電池生產廠商不自行生產充電器，而充電器供應商又無法靈活滿足電池管理系統需要的不同充電功能。有鑑於此，有必要修改現有充電器的設計以解決上述問題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種充電管理系統，其可設置於不同模式的充電器內，從而使不同工作模式的充電器對具有電池管理系統的電池系統均能進行有效充電。本發明的目的還在於提供一種採用該充電管理系統的充電器。
為實現上述發明目的之一，本發明提供一種充電管理系統，用於接收來自於被充電電池的信號，並根據該信號控制設置在充電器內的充電電路為所述被充電電池充電，該充電管理系統包括
第一信號輸出接口，用於向充電電路輸出表徵第一充電電流的控制信號； 第二信號輸出接口，用於向充電電路輸出表徵第二充電電流的控制信號，所述第二充電電流值小於第一充電電流值；
第三信號輸出接口，用於向充電電路輸出表徵可變的第三充電電流的控制信號；以及控制器，與所述第一、第二、第三信號輸出接口電性連接，所述控制器用於控制該充電管理系統至少在下述兩種模式之一下工作
第一模式，控制器擇一地控制第一信號輸出接口或第二信號輸出接口輸出控制信號； 第二模式，控制器僅控制第三信號輸出接口輸出控制信號。作為本發明的進一步改進，在所述第一模式下，控制器還用於同時控制第一信號輸出接口和第二信號輸出接口不輸出控制信號。作為本發明的進一步改進，在所述第一模式下，控制器還用於先控制第一信號輸出接口輸出控制信號，然後再控制第二信號輸出接口輸出控制信號。作為本發明的進一步改進，該充電管理系統還包括設置在控制器和第一信號輸出接口之間的第一開關、及設置在控制器和第二信號輸出接口之間的第二開關；所述控制器通過控制第一或第二開關的導通/關斷來相應地控制第一信號輸出接口或第二信號輸出接口輸出/不輸出控制信號。作為本發明的進一步改進，所述第一開關和第二開關均包括光耦合繼電器。作為本發明的進一步改進，在所述第二模式下，控制器用於通過向第三信號輸出接口輸出脈寬調製(Pulse Width Modulation, PWM)信號來控制第三信號輸出接口的輸
出ο作為本發明的進一步改進，該充電管理系統還包括用於接收來自於被充電電池通信信號的信號輸入接口 ；所述控制器還用於獲取所述信號輸入接口輸入的信號，並根據所述信號控制第一、第二、或第三信號輸出接口的輸出。作為本發明的進一步改進，該充電管理系統還包括用於接收來自於被充電電池電能的電源接口、以及連接在所述電源接口和控制器之間的電壓轉換電路。作為本發明的進一步改進，所述電源接口的正極和負極均包括兩個導電端子。為實現上述另一發明目的，本發明提供一種充電器，該充電器包括 如上所述的充電管理系統；以及
充電電路，用於接收來自於所述充電管理系統的控制信號，並根據所述控制信號相應輸出充電電流。本發明的有益效果是提供一種充電管理系統，其至少能夠在兩種不同的工作模式下工作，其中對於只能識別數字開關量的充電器，採用第一模式通過表徵第一充電電流的控制信號與表徵第二充電電流的控制信號對充電器進行組合控制，達到在快速充電、涓流充電、及停止充電這幾種功能之間切換；對於可識別模擬量的充電器，採用第二模式，即通過表徵可變的第三充電電流的控制信號，對充電器進行電流可變的充電方式，以達到更高的充電效率。通過這種設置，不需要修改電池內電池管理系統的設計，就可使不同工作模式的充電器對具有電池管理系統的電池系統均能進行有效充電。


圖1是本發明充電管理系統與充電電路、及電池管理系統配合的一具體實施方式
的結構示意圖2是本發明充電管理系統一具體實施方式
的電路示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖所示的各實施方式對本發明進行詳細描述。但這些實施方式並不限制本發明，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本發明的保護範圍內。參圖1，在本發明的具體實施方式
中，所說的被充電電池即是指電池系統400，該電池系統400包括電池管理系統42以及具有若干相互串聯的電池單元的電池41，在其它替換的實施方式中，該若干電池單元也可以被劃分為若干電池模塊，不同的電池模塊包含的電池單元的數量可以相同，也可以不相同。配合參照圖1和圖2，介紹本發明充電管理系統的一具體實施方式
。該充電管理系統100設置在充電器200內，用於接收來自電池系統400的信號，並根據該信號控制設置在充電器200內的充電電路300為需要被充電的電池充電。充電管理系統包括第一信號輸出接口 11、第二信號輸出接口 12、第三信號輸出接口 13、以及控制器14。第一信號輸出接口 11、第二信號輸出接口 12、以及第三信號輸出接口 13都用於向充電電路300輸出表徵一定電流值的充電電流控制信號，以使得充電電路300選擇不同大小的充電電流對電池系統400中的電池41進行充電。所不同的是第一信號輸出接口 11 用於向充電電路300輸出表徵第一充電電流的控制信號，第二信號輸出接口 12用於向充電電路300輸出表徵第二充電電流的控制信號，並且第二充電電流值小於第一充電電流值; 第三信號輸出接口 13則用於向充電電路300輸出表徵可變的第三充電電流的控制信號。本實施方式中，所說的第二充電電流值遠小於第一充電電流值，第一充電電流用於對電池41進行一般充電時的快速充電，較大的電流值可以取得較佳的充電速率以提高充電效率；而第二充電電流用於對電池41進行涓流充電，此時充電電流對接近飽和的電池單元進行充電。第三充電電流值的大小可以根據被充電的電池狀況進行改變。例如當電池開始充電時，第三充電電流保持在較大電流水平以進行快速充電，而當電池中的一部分電池單元率先達到飽和時，則降低第三充電電流值，並如此不斷降低第三充電電流值直至電池41 完全充滿電。這樣做的原因是充電時，電池系統400中電池管理系統42檢測到的電池41 的電壓值Vcell實質上由兩部分組成，一部分是電池41電芯的電壓Vcap，另一部分則是由於電池41電芯的內阻產生的壓差Vres，也即Vce 1 l=Vcap+Vres，並且充電電流越大，則由於電芯內阻產生壓差Vres也越大。在具體的實施例中，例如使用100A電流對電池充電時，檢測到電池41電壓為 3. 8V，若此時降為2A電流對電池進行充電，則檢測到電池41電壓掉至3.5V。顯然，充電電流越大，檢測到的電池電壓值越不能準確反映電池真實的充電情況，所以只有不斷地減小第三充電電流值，才能儘量減小Vres對電池電壓檢測的影響，保證電池充電的可靠性，提高充電效率。控制器14與第一、第二、第三信號輸出接口 11、12、13電性連接，並控制充電管理系統100至少在第一模式、第二模式兩種模式之一下工作。控制器14可以包括微處理器(MCU)，該MCU可以包括中央處理單元(Central Processing Unit, CPU)、只讀存儲模塊(read-only memory, ROM)、隨機存儲模塊 (random access memory, RAM)、定時模塊、數字模擬轉換模塊(A/D converter)、以及若干輸入/輸出埠。當然，控制器10也可以採用其它形式的集成電路，如特定用途集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)或現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等。這裡所說的第一模式、第二模式分別是對應現有兩種主要類型的充電器，當然，在其他實施方式中，也可設置更多模式對應更多種的充電器。如果充電器只能識別開關信號，則對應至第一模式，此時控制器14擇一地控制第一信號輸出接口 11或第二信號輸出接口 12輸出控制信號。具體地，當電池41剛開始充電時，控制器14先控制第一信號輸出接口 11輸出第一充電電流控制信號，此時進行較大電流的充電，以取得快速充電的效果。當電池管理系統42檢測到電池41接近飽和時，會通過信號輸入接口 16將該電池41的通信信號傳輸至充電管理系統100 ；隨後，控制器14根據獲取的表徵電池41的通信信號控制第二信號輸出接口 12輸出第二充電電流控制信號，此時， 充電器300對電池41進行涓流充電。在替換的實施方式中，第一模式下，當電池管理系統42檢測到電池41的電量飽和時，控制器14也可以控制第一信號輸出接口 11和第二信號輸出接口 12均不輸出制信號，即此時充電電路300停止對電池41充電。在具體的電路中，充電管理系統100還包括設置在控制器14和第一信號輸出接口 11之間的第一開關151、及設置在控制器14和第二信號輸出接口 12之間的第二開關152。 控制器14通過控制第一或第二開關151、152的導通/關斷來相應地控制第一信號輸出接口 11或第二信號輸出接口 12輸出/不輸出控制信號。如本領域普通技術人員所熟知，第一開關151、第二開關152可以包括三極體、可控矽、繼電器開關、或金屬氧化物半導體場效應管(Metallic Oxide Semiconductor Field Effect transistor, M0SFET)等常見的開關形式。在本實施方式中，第一開關151、第二開關152包括光耦合繼電器Pl-A、P1-B,通過控制光耦合繼電器Pl-A、Pl-B中MOSFET的關斷或閉合進而達到控制第一開關151、第二開關152導通/關斷的目的。如果充電器可以識別模擬量控制信號，則對應至第二模式，此時控制器14僅控制第三信號接口 13輸出控制信號。具體地，控制器14通過向第三信號輸出接口 13輸出脈寬調製(Pulse Width Modulation, PWM)信號來控制第三信號輸出接口 13的輸出，並且該脈寬調製信號可以通過連接在控制器14和第三信號接口 13之間的放大器19被放大信號量， 保證充電控制的精確性。當電池41開始充電時，控制器14控制第三信號輸出接口 13輸出第三充電電流的控制信號，並進行較大電流的快速充電。當電池管理系統42檢測到電池41的電壓或者電池
641中部分電池單元的電壓達到飽和時，會生成相應的通信信號通過信號輸入接口傳輸至充電管理系統100 ；隨後，控制器14根據獲取的通信信號，控制第三信號輸出接口 13輸出電流值稍微降低的第三充電電流。此時，由於第三充電電流降低，使得電芯內阻產生的壓差降低，原先檢測達到飽和的電池單元被檢測到不飽和而可以繼續被充電。如此不斷降低第三充電電流的值，直至電池41的電壓不會隨第三充電電流的降低而降低，或者是受第三充電電流的降低而降低的電壓值小於一定的閾值。在本實施方式中，充電管理系統100還包括電源接口 17，以及電壓轉換電路18。該電源接口 17用於接收來自電池系統400的電能；電壓轉換電路18連接在電源接口 17和控制器14之間。這樣，包括控制器14在內的整個充電管理系統100工作所需的電能都由電池系統400提供，電壓轉換電路18通過其中的DC/DC轉換器181及穩壓電路將電池41輸出的較大電流降壓穩壓為充電管理系統100所需的較小工作電流。這樣做的好處是，充電器生產廠商可以不需要對充電管理系統100設計額外的供電電路，降低了設計和製造成本。作為優選的實施方式，電源接口 17的正極171和負極172均包括兩個導電端子。 也就是說，正極171端子中J1-4和端子J1-3的功能一樣，負極172中端子J1-2和端子Jl-I 的功能一樣，這樣做是為了保證某個端子損壞時，充電管理系統仍能正常的工作，以防止對電池管理系統42造成損壞。雖然，上述實施方式中例舉的電池管理系統採用被動式電量平衡的方式，但是，在其他實施方式中，該電池管理系統也可以進行主動式電量平衡。在本發明的充電器200的一具體實施方式
中，其採用了上述實施方式中所說的充電管理系統100，並將該充電管理系統100與充電電路300相連接，充電電路300通過接收來自於充電管理系統100的控制信號，輸出相應充電電流來給電池系統400充電。通過上述實施方式可知，提供一種充電管理系統，其至少能夠在兩種不同的工作模式下工作，其中對於只能識別數字開關量的充電器，採用第一模式通過表徵第一充電電流的控制信號與表徵第二充電電流的控制信號對充電器進行組合控制，達到在快速充電、 涓流充電、及停止充電這幾種功能之間切換；對於可識別模擬量的充電器，採用第二模式， 即通過表徵可變的第三充電電流的控制信號，對充電器進行電流可變的充電方式，以達到更高的充電效率。通過這種設置，不需要修改電池內電池管理系統的設計，就可使不同工作模式的充電器對具有電池管理系統的電池系統均能進行有效充電。對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
權利要求
1.一種充電管理系統，用於接收來自於被充電電池的信號，並根據該信號控制設置在充電器內的充電電路為所述被充電電池充電，其特徵在於，該充電管理系統包括第一信號輸出接口，用於向充電電路輸出表徵第一充電電流的控制信號；第二信號輸出接口，用於向充電電路輸出表徵第二充電電流的控制信號，所述第二充電電流值小於第一充電電流值；第三信號輸出接口，用於向充電電路輸出表徵可變的第三充電電流的控制信號；以及控制器，與所述第一、第二、第三信號輸出接口電性連接，所述控制器用於控制該充電管理系統至少在下述兩種模式之一下工作第一模式，控制器擇一地控制第一信號輸出接口或第二信號輸出接口輸出控制信號；第二模式，控制器僅控制第三信號輸出接口輸出控制信號。
2.根據權利要求1所述的充電管理系統，其特徵在於在所述第一模式下，控制器還用於同時控制第一信號輸出接口和第二信號輸出接口不輸出控制信號。
3.根據權利要求1所述的充電管理系統，其特徵在於在所述第一模式下，控制器還用於先控制第一信號輸出接口輸出控制信號，然後再控制第二信號輸出接口輸出控制信號。
4.根據權利要求1、2、或3所述的充電管理系統，其特徵在於該充電管理系統還包括設置在控制器和第一信號輸出接口之間的第一開關、及設置在控制器和第二信號輸出接口之間的第二開關；所述控制器通過控制第一或第二開關的導通/關斷來相應地控制第一信號輸出接口或第二信號輸出接口輸出/不輸出控制信號。
5.根據權利要求4所述的充電管理系統，其特徵在於所述第一開關和第二開關均包括光耦合繼電器。
6.根據權利要求1所述的充電管理系統，其特徵在於在所述第二模式下，控制器用於通過向第三信號輸出接口輸出脈寬調製(Pulse Width Modulation, PWM)信號來控制第三信號輸出接口的輸出。
7.根據權利要求1所述的充電管理系統，其特徵在於該充電管理系統還包括用於接收來自於被充電電池通信信號的信號輸入接口 ；所述控制器還用於獲取所述信號輸入接口輸入的信號，並根據所述信號控制第一、第二、或第三信號輸出接口的輸出。
8.根據權利要求1所述的充電管理系統，其特徵在於該充電管理系統還包括用於接收來自於被充電電池電能的電源接口、以及連接在所述電源接口和控制器之間的電壓轉換電路。
9.根據權利要求8所述的充電管理系統，其特徵在於所述電源接口的正極和負極均包括兩個導電端子。
10.一種充電器，其特徵在於，該充電器包括如上述權利要求中任一項所述的充電管理系統；以及充電電路，用於接收來自於所述充電管理系統的控制信號，並根據所述控制信號相應輸出充電電流。
全文摘要
本發明提供一種充電管理系統，其包括第一信號輸出接口、第二信號輸出接口、第三信號輸出接口、以及與第一、第二、第三信號輸出接口電性連接控制器。其具有兩種工作模式，第一模式通過表徵第一充電電流的控制信號與表徵第二充電電流的控制信號對充電器的組合控制，達到根據電池情況，切換快速充電、涓流充電、及停止充電的功能；第二模式，通過表徵可變的第三充電電流的控制信號，對充電器進行電流可變的充電方式，以達到更高的充電效率。本發明的充電管理系統可設置於不同模式的充電器內，從而使不同工作模式的充電器對具有電池管理系統的電池系統均能進行有效充電。
文檔編號H02J7/00GK102427260SQ201110395159
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者劉志堅, 黃仁治 申請人:冠碩新能源(香港)有限公司, 蘇州冠碩新能源有限公司