[發(fā)明專(zhuān)利]園林機(jī)用鋰電池充電程序及電壓不平衡檢測(cè)處理電路

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710989346.2
• 申請(qǐng)日: 2017-10-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107733018A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇克;王攀
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 寧波大葉園林設(shè)備股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H02J7/00
• 分類(lèi)號(hào): H02J7/00;A01D34/416;A01D69/02;A01D75/18;A01D75/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

1.園林機(jī)用鋰電池充電程序及電壓不平衡檢測(cè)處理電路，其含充電程序及處理電路，還含單片機(jī)控制單元，采用專(zhuān)用電池保護(hù)芯片與單片機(jī)控制單元組合的方式，使電路穩(wěn)定可靠，保證電池在各種條件下都能正常工作，所述單片機(jī)控制單元作為運(yùn)算控制中心，負(fù)責(zé)采樣各種保證電池正常工作的模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為控制所需的數(shù)字信號(hào)，誤差小，精度高，芯片抗干擾能力強(qiáng)，簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)及減小硬件電路的失效性高的現(xiàn)象；其含電壓變換單元：通過(guò)脈沖寬度調(diào)制PWM的方式將電池包電壓降壓，給線性穩(wěn)壓芯片提供電壓，保證穩(wěn)壓芯片工作在安全電壓范圍內(nèi)，電路特點(diǎn)：PWM降壓，降低功率，取消大功率的降壓電阻，提高轉(zhuǎn)換效率，及減小相關(guān)元件發(fā)熱；其電路轉(zhuǎn)換原理：當(dāng)Q33三極管導(dǎo)通時(shí)，電池包總正電壓BAT+通過(guò)三極管Q33、電感L1、電容EC2再返回到電池總負(fù)端，形成充電回路，BAT+經(jīng)過(guò)電感分壓后，給電容EC2充電，以維持負(fù)載端VDD5V的電量消耗，同時(shí)L1處于能量?jī)?chǔ)存狀態(tài)，在充電期間，EC2電容電壓逐漸上升，當(dāng)電壓上升至Z9穩(wěn)壓二極管擊穿電壓時(shí)，Z9導(dǎo)通，給Q36提供Vbe導(dǎo)通電壓，Q36飽和導(dǎo)通，從而拉低三極管Q35基極電壓，導(dǎo)致Q35由導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)，Q35截止前，Q33的Vbe電壓值為：

Vbe＝VBAT+*R114/(R114+R116)

此電壓值大于Q33的導(dǎo)通閾值電壓，保證Q33導(dǎo)通，Q35截止后，Q33的Vbe＝0，Q33截止，電池總正通過(guò)電感L1對(duì)EC2電容充電及給VDD5V供電的階段結(jié)束；當(dāng)Q33三極管關(guān)斷時(shí)，從三極管到電感L1間的充電回路斷開(kāi)，根據(jù)L電感電流不能突變的原理，為維持電流方向及大小不變，電感的感生電動(dòng)勢(shì)的方向變換為右正左負(fù)，電感處于釋放能量的狀態(tài)，電流通道為：電流從L1流向電容EC2，給EC2充電，用于維持負(fù)載端VDD5V所消耗的電量，再?gòu)倪^(guò)GND端通過(guò)續(xù)流二極管D10、D11返回電感感生電動(dòng)勢(shì)的負(fù)端；其含充電控制單元：在電池包出現(xiàn)充電總壓過(guò)壓、單節(jié)電芯、充電過(guò)流、過(guò)溫或充電器出現(xiàn)異常時(shí)，單片機(jī)控制單元通過(guò)控制此單元電路，關(guān)斷充電通道，保證充電安全；在電池包正常充電狀態(tài)下，單片機(jī)控制單元輸出的高電平CHG_CTR信號(hào)通過(guò)R162、R161分壓后加在Q26 G極，Q26的場(chǎng)效應(yīng)管MOS管導(dǎo)通，忽略D、S端壓降，從MOS1、MOS2的S端通過(guò)電阻R159、R160流過(guò)的電流IQ為：

IQ＝VPACK/(R159+R160)，則電阻R159兩端的電壓為：VR159＝IQ*R159

此電壓即為MOS的G、S端電壓，且電壓值低于閾值電壓VGS，使MOS1、MOS2導(dǎo)通，進(jìn)入充電狀態(tài)；Z11穩(wěn)壓管并聯(lián)在PMOS管G、S端，當(dāng)電路出現(xiàn)異常導(dǎo)致G、S端過(guò)高時(shí)，Z11穩(wěn)壓管動(dòng)作，將G、S端電壓鉗位在16V的安全工作電壓范圍內(nèi)，避免管子被擊穿；在電池包充電或放時(shí)，充電器或電機(jī)工作產(chǎn)生的瞬間高壓疊加在MOS1、MOS2的D、S端，擊穿MOS，導(dǎo)致電池包功能失效，C98、C99電容分別并聯(lián)在MOS1、MOS2的D、S端，為瞬間高壓提供通道，保護(hù)MOS工作安全；Z18、Z12為ESD靜電保護(hù)元件，吸收整機(jī)系統(tǒng)工作中竄入電池內(nèi)的瞬間高壓能量，保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管MOS及電池包內(nèi)電子元件安全；

在電池包充電過(guò)程中，在保護(hù)芯片偵測(cè)到電芯過(guò)壓、過(guò)溫或電池包總壓高于設(shè)定電壓時(shí)，電池包控制芯片單片機(jī)控制單元將CHR_CTR網(wǎng)絡(luò)信號(hào)置為低電平，三極管Q26由導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)MOS1、MOS1的VGS電壓為零，低于MOS管導(dǎo)通電壓VTH，強(qiáng)迫兩MOS管關(guān)斷，停止充電，以確保電池包充電安全；其含電池電壓檢測(cè)單元：當(dāng)電池包處于充電、充電狀況時(shí)，單片機(jī)控制單元會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池包電壓，以保護(hù)電池包工作在正常狀況，具體工作原理如下：當(dāng)單片機(jī)控制單元通過(guò)檢測(cè)R155、R156分壓電池包總壓的模擬信號(hào)的值正比于電壓包總電壓，并將得到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，與單片機(jī)控制單元所設(shè)定的閾值相比較，并根據(jù)比較執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，其中C80濾除R156兩壓的干擾信號(hào)，以便單片機(jī)控制單元準(zhǔn)確采樣電池電壓信號(hào)；若單片機(jī)控制單元采樣到的電壓值高于所設(shè)定的充電電壓閾值，則說(shuō)明電池包處過(guò)壓狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)控制單元會(huì)將充電控制CHR_CTR網(wǎng)絡(luò)信號(hào)置為低電平，強(qiáng)制性地停止電池包充電；若單片機(jī)控制單元采樣到的電壓值低于所設(shè)定的充電電壓閾值，則說(shuō)明電池處于欠壓狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)控制單元會(huì)以通信的方式將電池欠壓信號(hào)發(fā)送給放電控制器，停止電池包放電；當(dāng)電池包處于休眠狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)控制單元將BAT_AD_CTR網(wǎng)絡(luò)信號(hào)置為低電平，Q25 MOS管由導(dǎo)通狀態(tài)切換為截止?fàn)顟B(tài)，阻止電池包通過(guò)采樣電阻放電，減小電池包空閑狀態(tài)時(shí)的電量損耗；其含電芯溫度檢測(cè)單元：電池包在充電或放電工作時(shí)，工作電流很大，電芯溫度上升，為使在合適的溫度范圍內(nèi)電芯工作，本設(shè)計(jì)中采用了溫度檢測(cè)電路；溫度檢測(cè)功能是基于從電池組中輸入的反應(yīng)電池溫度信息的模擬信號(hào)來(lái)監(jiān)視電池溫度，單片機(jī)控制單元將采樣到的模擬信號(hào)通過(guò)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)控制單元能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，具體而言，比較電池溫度檢測(cè)信號(hào)的電壓值與低溫閾值及高溫閾值，并且，在電池溫度檢測(cè)信號(hào)的電壓值比低溫閾值大或比高溫閾值小的情況下，判斷為電池的溫度為異常狀態(tài)；使用的熱敏電阻器是溫度與電阻值關(guān)系為負(fù)特性的熱敏電阻器，溫度越高，熱敏的電阻值越小，則單片機(jī)控制單元檢測(cè)到的電池溫度信號(hào)的電壓值越小，因此，當(dāng)電池溫度信號(hào)電壓值比單片機(jī)控制單元設(shè)定的低溫閾值大時(shí)，說(shuō)明電池溫度低于設(shè)置的溫度值，意味著電池溫度為低溫，單片機(jī)控制單元將電池溫度異常信號(hào)置為高電平，相反地，當(dāng)電池溫度檢測(cè)信號(hào)的值比高溫閾值小時(shí)，則意味著電池處于高溫狀態(tài)，單片機(jī)控制單元將電池溫度異常信號(hào)置為高電平；系統(tǒng)中其它單片機(jī)控制單元在接收電池包的單片機(jī)控制單元發(fā)出的電池溫度異常信息時(shí)，使電池包充電或放電控制強(qiáng)制性地停止；當(dāng)單片機(jī)控制單元通過(guò)檢測(cè)R179、NTC1；R156、NTC2分壓得到的電池溫度模擬信號(hào)，并將得到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)控制單元能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，與單片機(jī)控制單元所設(shè)定的閾值相比較，當(dāng)檢測(cè)到的溫度值高于低溫閾值或低于高溫閾值或時(shí)，都判斷為電池的溫度為異常狀態(tài)，單片機(jī)控制單元通過(guò)控制信號(hào)使電池包停止工作，其中，C82、C94分別濾除NTC1、NTC2兩端的干擾信號(hào)，以便單片機(jī)控制單元準(zhǔn)確采樣電池溫度信號(hào)；本設(shè)計(jì)采用了兩路溫度監(jiān)控電路，依各電芯的溫度差異而檢測(cè)各電池的工作溫度狀況；其含電池狀態(tài)顯示單元：通過(guò)四顆LED作為顯示器件，通過(guò)狀態(tài)組合，能夠正確顯示電池的電壓、電量、溫度、及電池是否異常狀況等，據(jù)此判斷電池所處的工作狀態(tài)；

園林機(jī)用鋰電池充電程序及電壓不平衡檢測(cè)處理電路，供給鋰電池充電電壓用多諧疊加電壓而不是傳統(tǒng)的恒壓恒流的直流充電，其是由鋰電池充電電路的經(jīng)整流的電壓和由原用于電火花機(jī)床的自激多諧振蕩器所引出的脈沖電壓所混合的多諧疊加電壓?jiǎn)卧娐匪a(chǎn)生的多諧疊加電壓如同多點(diǎn)針灸式的通過(guò)鋰電池的內(nèi)部的存儲(chǔ)電荷的空穴而充電；所述的自激多諧振蕩器所引出的脈沖電壓為88伏，脈沖頻率為88千赫；所述整流的電壓與所述脈沖電壓之間由串聯(lián)的電容和旁路電阻所組成的微分電路相連接；所述具鋰電池狀態(tài)顯示單元電路的園林機(jī)，其含電池狀態(tài)顯示單元，通過(guò)四顆LED作為顯示器件，通過(guò)狀態(tài)組合，能夠正確顯示電池的電壓、電量、溫度、及電池是否異常狀況等，可據(jù)此判斷電池所處的工作狀態(tài)；園林機(jī)用鋰電池充電程序及電壓不平衡檢測(cè)處理電路，其含鋰電池單元電壓不平衡檢測(cè)處理電路，有電池單元電壓不平衡檢測(cè)及平衡處理功能；本設(shè)計(jì)電路單節(jié)電芯不平衡的檢測(cè)功能及智能的平衡技術(shù)，具體工作原理如下：保護(hù)芯片實(shí)時(shí)監(jiān)控五串電芯組成的電池組單元過(guò)來(lái)的各電芯的模擬信號(hào)，檢測(cè)端口網(wǎng)絡(luò)名分別為：BAT1、BAT2、BAT3、BAT4、BAT5，各端口分別并聯(lián)在電池組中的每一單節(jié)電芯的兩端，保護(hù)芯片執(zhí)行平衡功能，必須符合以下條件：在電池組充電或待機(jī)狀態(tài)下，至少有一節(jié)電芯電壓高于芯片設(shè)置的啟動(dòng)電芯電壓平衡功能的閾值電壓VCB時(shí)，至少有一節(jié)電芯電壓低于啟動(dòng)電芯電壓平衡功能的閾值電壓VCB，不可有電芯過(guò)流、過(guò)溫、短路等保護(hù)事件發(fā)生，電芯過(guò)壓、單節(jié)電芯低溫保護(hù)除外，則啟動(dòng)電壓平衡功能，保護(hù)芯片單元自身具體電壓平衡功能，但考慮到平衡電流會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)熱，本設(shè)計(jì)采用外部電路平衡技術(shù)，通過(guò)保護(hù)單元控制，通過(guò)外部電路進(jìn)行電芯電壓平衡，可大大提高平衡電流，有效地達(dá)到電壓平衡的目，同時(shí)減少保護(hù)單元的發(fā)熱，使芯片更可靠的工作；當(dāng)保護(hù)芯片BAT5端口檢測(cè)到CELL5高于VCB，此時(shí)電芯平衡電流如下公式所示：Ib＝Vcell5/R16，公式；忽略三極管Q1的飽和壓降Vce；為了使平衡電路正常工作，以下條件必須滿足：芯片內(nèi)部BAT5與BAT4間的PMOS被打開(kāi)，CELL20通過(guò)電阻R21、芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)、R22形成Vcell5的放電回路，此時(shí)回路電流表達(dá)式為：

Ib1＝Vcell/(R36+RDS+R37)，公式1，RDS為芯片內(nèi)部PMOS開(kāi)關(guān)等效電阻；

為保證三極管Q16飽和導(dǎo)通，則：VBE+IB*R56≤VR37，公式2；

其中，VBE遠(yuǎn)大于IB*R56，上式簡(jiǎn)化為：VBE≤VR37，公式3；

IB＝Ib1/β，公式4；

VBE為三砐管導(dǎo)通閾值電壓，β為三極管Q16的電流放大倍數(shù)；

則R37電阻的電壓降為：VR37＝(Ib1-IB)*R37，公式5；

通過(guò)公式1-公式5計(jì)算，可選擇合適的R37的阻值，使平衡電流在R37兩端形成的電壓，大于Q16的VBE電壓降與R56上的電壓降之和，，保證Q1可靠導(dǎo)通，達(dá)到執(zhí)行電芯平衡之目的；保護(hù)芯片會(huì)周期性的檢測(cè)電芯電壓平衡條件，當(dāng)符合電芯電壓平衡條件時(shí)，保護(hù)芯片輪流平衡所在五串電池單元中的奇數(shù)節(jié)電芯和偶數(shù)節(jié)電芯電壓，即在一個(gè)平衡周期內(nèi)平衡所有的奇數(shù)節(jié)的電芯，下一個(gè)周期則平衡偶數(shù)節(jié)的電芯，即使只有一個(gè)電芯需平衡，在下一個(gè)平衡周期也不會(huì)執(zhí)行平衡功能；在檢測(cè)電芯電壓期間會(huì)暫停電芯平衡；當(dāng)五串電池組單元中所有電芯電壓都高于或都低于啟動(dòng)電芯電壓平衡功能的閾值電壓VCB時(shí)，停止電壓平衡功能；在電芯電壓檢測(cè)端口BAT1-BAT5與地網(wǎng)絡(luò)之間放置一顆濾波電容C24-C28，與R21-R25組成RC濾波電路，濾除BATn端的高頻干擾信號(hào)，避免電芯平衡電路誤動(dòng)作；本設(shè)計(jì)為多個(gè)保護(hù)芯片級(jí)聯(lián)使用的高電壓電池組件，電芯平衡設(shè)計(jì)為多個(gè)保護(hù)芯片聯(lián)動(dòng)工作，以確保整個(gè)電池包的所有電芯電壓能夠平衡；如果負(fù)責(zé)最低端五串電芯的保護(hù)芯片偵測(cè)到電池處于放電狀態(tài)時(shí)，則停止所有保護(hù)芯片平衡動(dòng)作；如果最低端保護(hù)芯片偵測(cè)到有過(guò)壓、過(guò)溫、短路等保護(hù)事件發(fā)生時(shí)，則暫停所有保護(hù)芯片的平衡動(dòng)作；如果某級(jí)保護(hù)芯片所負(fù)責(zé)的電池串中有欠壓保護(hù)事件發(fā)生時(shí)，暫停本電池組內(nèi)的平衡動(dòng)作，但不會(huì)發(fā)送信號(hào)給其它保護(hù)芯片停止平衡動(dòng)作；含充電控制單元，作用是在電池包出現(xiàn)充電總壓過(guò)壓、單節(jié)電芯、充電過(guò)流、過(guò)溫或充電器出現(xiàn)異常時(shí)，單片機(jī)控制單元通過(guò)控制此單元電路，關(guān)斷充電通道，保證充電安全；具體工作原理如下：在電池包正常充電狀態(tài)下，單片機(jī)控制單元輸出的高電平CHG_CTR信號(hào)通過(guò)R162、R161分壓后加在Q26 G極，Q26 MOS管導(dǎo)通，忽略D、S端壓降，從MOS1、MOS2的S端通過(guò)電阻R159、R160流過(guò)的電流IQ為：IQ＝VPACK/(R159+R160)，則電阻R159兩端的電壓為：VR159＝IQ*R159，此電壓即為MOS的G、S端電壓，且電壓值低于閾值電壓VGS，使MOS1、MOS2導(dǎo)通，進(jìn)入充電狀態(tài)；Z11穩(wěn)壓管并聯(lián)在PMOS管G、S端，當(dāng)電路出現(xiàn)異常導(dǎo)致G、S端過(guò)高時(shí)，Z11穩(wěn)壓管動(dòng)作，將G、S端電壓鉗位在16V的安全工作電壓范圍內(nèi)，避免管子被擊穿；在電池包充電或放時(shí)，充電器或電機(jī)工作產(chǎn)生的瞬間高壓疊加在MOS1、MOS2的D、S端，擊穿MOS，導(dǎo)致電池包功能失效，C98、C99電容分別并聯(lián)在MOS1、MOS2的D、S端，為瞬間高壓提供通道，保護(hù)MOS工作安全；Z18、Z12為ESD靜電保護(hù)元件，吸收整機(jī)系統(tǒng)工作中竄入電池內(nèi)的瞬間高壓能量，保護(hù)MOS及電池包內(nèi)電子元件安全；在電池包充電過(guò)程中，如保護(hù)芯片偵測(cè)到電芯過(guò)壓、過(guò)溫或電池包總壓高于設(shè)定電壓時(shí)，電池包控制芯片單片機(jī)控制單元將CHR_CTR網(wǎng)絡(luò)信號(hào)置為低電平，三極管Q26由導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)MOS1、MOS1的VGS電壓為零，低于MOS管導(dǎo)通電壓VTH，強(qiáng)迫兩MOS管關(guān)斷，停止充電，以確保電池包充電安全；其含電芯溫度檢測(cè)單元：電池包在充電或放電工作時(shí)，工作電流很大，電芯溫度上升，為使在合適的溫度范圍內(nèi)電芯工作，本設(shè)計(jì)中采用了溫度檢測(cè)電路；溫度檢測(cè)功能是基于從電池組中輸入的反應(yīng)電池溫度信息的模擬信號(hào)來(lái)監(jiān)視電池溫度，單片機(jī)控制單元將采樣到的模擬信號(hào)通過(guò)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)控制單元能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，比較電池溫度檢測(cè)信號(hào)的電壓值與低溫閾值及高溫閾值，并且，在電池溫度檢測(cè)信號(hào)的電壓值比低溫閾值大或比高溫閾值小的情況下，判斷為電池的溫度為異常狀態(tài)；本設(shè)計(jì)中使用的熱敏電阻器是溫度與電阻值關(guān)系為負(fù)特性的熱敏電阻器，溫度越高，熱敏的電阻值越小，則單片機(jī)控制單元檢測(cè)到的電池溫度信號(hào)的電壓值越小，因此，當(dāng)電池溫度信號(hào)電壓值比單片機(jī)控制單元設(shè)定的低溫閾值大時(shí)，說(shuō)明電池溫度低于設(shè)置的溫度值，意味著電池溫度為低溫，單片機(jī)控制單元將電池溫度異常信號(hào)置為高電平；相反地，當(dāng)電池溫度檢測(cè)信號(hào)的值比高溫閾值小時(shí)，則意味著電池處于高溫狀態(tài)，單片機(jī)控制單元將電池溫度異常信號(hào)置為高電平；系統(tǒng)中其它單片機(jī)控制單元在接收電池包的單片機(jī)控制單元發(fā)出的電池溫度異常信息時(shí)使電池停止；

園林機(jī)用鋰電池充電程序及電壓不平衡檢測(cè)處理電路，其特征在于，其含充電程序，