[發明專利]園林機用鋰電池充電程序及排序采用冒泡法電路

在審

• 申請號: 201710989419.8
• 申請日: 2017-10-15
• 公開（公告）號: CN107787666A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 蘇克;葉曉波
• 申請（專利權）人: 寧波大葉園林設備股份有限公司
• 主分類號: A01D34/00
• 分類號: A01D34/00;A01D34/416;A01D75/00;H02J7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.園林機用鋰電池充電程序及排序采用冒泡法電路，其含充電程序及處理電路，還含單片機控制單元，采用專用電池保護芯片與單片機控制單元組合的方式，使電路穩定可靠，保證電池在各種條件下都能正常工作，所述單片機控制單元作為運算控制中心，負責采樣各種保證電池正常工作的模擬信號，并轉換為控制所需的數字信號，誤差小，精度高，芯片抗干擾能力強，簡化硬件電路設計及減小硬件電路的失效性高的現象；其含電壓變換單元：通過脈沖寬度調制PWM的方式將電池包電壓降壓，給線性穩壓芯片提供電壓，保證穩壓芯片工作在安全電壓范圍內，電路特點：PWM降壓，降低功率，取消大功率的降壓電阻，提高轉換效率，及減小相關元件發熱；其電路轉換原理：當Q33三極管導通時，電池包總正電壓BAT+通過三極管Q33、電感L1、電容EC2再返回到電池總負端，形成充電回路，BAT+經過電感分壓后，給電容EC2充電，以維持負載端VDD5V的電量消耗，同時L1處于能量儲存狀態，在充電期間，EC2電容電壓逐漸上升，當電壓上升至Z9穩壓二極管擊穿電壓時，Z9導通，給Q36提供Vbe導通電壓，Q36飽和導通，從而拉低三極管Q35基極電壓，導致Q35由導通狀態切換到截止狀態，Q35截止前，Q33的Vbe電壓值為：

Vbe＝VBAT+*R114/(R114+R116)

此電壓值大于Q33的導通閾值電壓，保證Q33導通，Q35截止后，Q33的Vbe＝0，Q33截止，電池總正通過電感L1對EC2電容充電及給VDD5V供電的階段結束；當Q33三極管關斷時，從三極管到電感L1間的充電回路斷開，根據L電感電流不能突變的原理，為維持電流方向及大小不變，電感的感生電動勢的方向變換為右正左負，電感處于釋放能量的狀態，電流通道為：電流從L1流向電容EC2，給EC2充電，用于維持負載端VDD5V所消耗的電量，再從過GND端通過續流二極管D10、D11返回電感感生電動勢的負端；其含充電控制單元：在電池包出現充電總壓過壓、單節電芯、充電過流、過溫或充電器出現異常時，單片機控制單元通過控制此單元電路，關斷充電通道，保證充電安全；在電池包正常充電狀態下，單片機控制單元輸出的高電平CHG_CTR信號通過R162、R161分壓后加在Q26 G極，Q26的場效應管MOS管導通，忽略D、S端壓降，從MOS1、MOS2的S端通過電阻R159、R160流過的電流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導通，進入充電狀態；Z11穩壓管并聯在PMOS管G、S端，當電路出現異常導致G、S端過高時，Z11穩壓管動作，將G、S端電壓鉗位在16V的安全工作電壓范圍內，避免管子被擊穿；在電池包充電或放時，充電器或電機工作產生的瞬間高壓疊加在MOS1、MOS2的D、S端，擊穿MOS，導致電池包功能失效，C98、C99電容分別并聯在MOS1、MOS2的D、S端，為瞬間高壓提供通道，保護MOS工作安全；Z18、Z12為ESD靜電保護元件，吸收整機系統工作中竄入電池內的瞬間高壓能量，保護場效應管MOS及電池包內電子元件安全；

在電池包充電過程中，在保護芯片偵測到電芯過壓、過溫或電池包總壓高于設定電壓時，電池包控制芯片單片機控制單元將CHR_CTR網絡信號置為低電平，三極管Q26由導通狀態切換到截止狀態，此時MOS1、MOS1的VGS電壓為零，低于MOS管導通電壓VTH，強迫兩MOS管關斷，停止充電，以確保電池包充電安全；其含電池電壓檢測單元：當電池包處于充電、充電狀況時，單片機控制單元會實時檢測電池包電壓，以保護電池包工作在正常狀況，具體工作原理如下：當單片機控制單元通過檢測R155、R156分壓電池包總壓的模擬信號的值正比于電壓包總電壓，并將得到的模擬信號經過模數轉換，與單片機控制單元所設定的閾值相比較，并根據比較執行相應的動作，其中C80濾除R156兩壓的干擾信號，以便單片機控制單元準確采樣電池電壓信號；若單片機控制單元采樣到的電壓值高于所設定的充電電壓閾值，則說明電池包處過壓狀態，此時單片機控制單元會將充電控制CHR_CTR網絡信號置為低電平，強制性地停止電池包充電；若單片機控制單元采樣到的電壓值低于所設定的充電電壓閾值，則說明電池處于欠壓狀態，此時單片機控制單元會以通信的方式將電池欠壓信號發送給放電控制器，停止電池包放電；當電池包處于休眠狀態時，單片機控制單元將BAT_AD_CTR網絡信號置為低電平，Q25 MOS管由導通狀態切換為截止狀態，阻止電池包通過采樣電阻放電，減小電池包空閑狀態時的電量損耗；其含電芯溫度檢測單元：電池包在充電或放電工作時，工作電流很大，電芯溫度上升，為使在合適的溫度范圍內電芯工作，本設計中采用了溫度檢測電路；溫度檢測功能是基于從電池組中輸入的反應電池溫度信息的模擬信號來監視電池溫度，單片機控制單元將采樣到的模擬信號通過內部模數轉換電路轉換為單片機控制單元能識別的數字信號，具體而言，比較電池溫度檢測信號的電壓值與低溫閾值及高溫閾值，并且，在電池溫度檢測信號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；使用的熱敏電阻器是溫度與電阻值關系為負特性的熱敏電阻器，溫度越高，熱敏的電阻值越小，則單片機控制單元檢測到的電池溫度信號的電壓值越小，因此，當電池溫度信號電壓值比單片機控制單元設定的低溫閾值大時，說明電池溫度低于設置的溫度值，意味著電池溫度為低溫，單片機控制單元將電池溫度異常信號置為高電平，相反地，當電池溫度檢測信號的值比高溫閾值小時，則意味著電池處于高溫狀態，單片機控制單元將電池溫度異常信號置為高電平；系統中其它單片機控制單元在接收電池包的單片機控制單元發出的電池溫度異常信息時，使電池包充電或放電控制強制性地停止；當單片機控制單元通過檢測R179、NTC1；R156、NTC2分壓得到的電池溫度模擬信號，并將得到的模擬信號經過模數轉換電路，轉換為單片機控制單元能識別的數字信號，與單片機控制單元所設定的閾值相比較，當檢測到的溫度值高于低溫閾值或低于高溫閾值或時，都判斷為電池的溫度為異常狀態，單片機控制單元通過控制信號使電池包停止工作，其中，C82、C94分別濾除NTC1、NTC2兩端的干擾信號，以便單片機控制單元準確采樣電池溫度信號；本設計采用了兩路溫度監控電路，依各電芯的溫度差異而檢測各電池的工作溫度狀況；其含電池狀態顯示單元：通過四顆LED作為顯示器件，通過狀態組合，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，據此判斷電池所處的工作狀態；

園林機用鋰電池充電程序及排序采用冒泡法電路，供給鋰電池充電電壓用多諧疊加電壓而不是傳統的恒壓恒流的直流充電，其是由鋰電池充電電路的經整流的電壓和由原用于電火花機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單元電路所產生的多諧疊加電壓如同多點針灸式的通過鋰電池的內部的存儲電荷的空穴而充電；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；所述具鋰電池狀態顯示單元電路的園林機，其含電池狀態顯示單元，通過四顆LED作為顯示器件，通過狀態組合，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，可據此判斷電池所處的工作狀態；園林機用鋰電池充電程序及電壓不平衡檢測處理電路，其含鋰電池單元電壓不平衡檢測處理電路，有電池單元電壓不平衡檢測及平衡處理功能；本設計電路單節電芯不平衡的檢測功能及智能的平衡技術，具體工作原理如下：保護芯片實時監控五串電芯組成的電池組單元過來的各電芯的模擬信號，檢測端口網絡名分別為：BAT1、BAT2、BAT3、BAT4、BAT5，各端口分別并聯在電池組中的每一單節電芯的兩端，保護芯片執行平衡功能，必須符合以下條件：在電池組充電或待機狀態下，至少有一節電芯電壓高于芯片設置的啟動電芯電壓平衡功能的閾值電壓VCB時，至少有一節電芯電壓低于啟動電芯電壓平衡功能的閾值電壓VCB，不可有電芯過流、過溫、短路等保護事件發生，電芯過壓、單節電芯低溫保護除外，則啟動電壓平衡功能，保護芯片單元自身具體電壓平衡功能，但考慮到平衡電流會導致芯片發熱，本設計采用外部電路平衡技術，通過保護單元控制，通過外部電路進行電芯電壓平衡，可大大提高平衡電流，有效地達到電壓平衡的目，同時減少保護單元的發熱，使芯片更可靠的工作；當保護芯片BAT5端口檢測到CELL5高于VCB，此時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：芯片內部BAT5與BAT4間的PMOS被打開，CELL20通過電阻R21、芯片內部開關、R22形成Vcell5的放電回路，此時回路電流表達式為：

Ib1＝Vcell/(R36+RDS+R37)，公式1，RDS為芯片內部PMOS開關等效電阻；

為保證三極管Q16飽和導通，則：VBE+IB*R56≤VR37，公式2；

其中，VBE遠大于IB*R56，上式簡化為：VBE≤VR37，公式3；

IB＝Ib1/β，公式4；

VBE為三砐管導通閾值電壓，β為三極管Q16的電流放大倍數；

則R37電阻的電壓降為：VR37＝(Ib1-IB)*R37，公式5；

通過公式1-公式5計算，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可靠導通，達到執行電芯平衡之目的；保護芯片會周期性的檢測電芯電壓平衡條件，當符合電芯電壓平衡條件時，保護芯片輪流平衡所在五串電池單元中的奇數節電芯和偶數節電芯電壓，即在一個平衡周期內平衡所有的奇數節的電芯，下一個周期則平衡偶數節的電芯，即使只有一個電芯需平衡，在下一個平衡周期也不會執行平衡功能；在檢測電芯電壓期間會暫停電芯平衡；當五串電池組單元中所有電芯電壓都高于或都低于啟動電芯電壓平衡功能的閾值電壓VCB時，停止電壓平衡功能；

在電芯電壓檢測端口BAT1-BAT5與地網絡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，避免電芯平衡電路誤動作；本設計為多個保護芯片級聯使用的高電壓電池組件，電芯平衡設計為多個保護芯片聯動工作，以確保整個電池包的所有電芯電壓能夠平衡；如果負責最低端五串電芯的保護芯片偵測到電池處于放電狀態時，則停止所有保護芯片平衡動作；如果最低端保護芯片偵測到有過壓、過溫、短路等保護事件發生時，則暫停所有保護芯片的平衡動作；如果某級保護芯片所負責的電池串中有欠壓保護事件發生時，暫停本電池組內的平衡動作，但不會發送信號給其它保護芯片停止平衡動作；含充電控制單元，作用是在電池包出現充電總壓過壓、單節電芯、充電過流、過溫或充電器出現異常時，單片機控制單元通過控制此單元電路，關斷充電通道，保證充電安全；具體工作原理如下：在電池包正常充電狀態下，單片機控制單元輸出的高電平CHG_CTR信號通過R162、R161分壓后加在Q26 G極，Q26 MOS管導通，忽略D、S端壓降，從MOS1、MOS2的S端通過電阻R159、R160流過的電流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導通，進入充電狀態；Z11穩壓管并聯在PMOS管G、S端，當電路出現異常導致G、S端過高時，Z11穩壓管動作，將G、S端電壓鉗位在16V的安全工作電壓范圍內，避免管子被擊穿；在電池包充電或放時，充電器或電機工作產生的瞬間高壓疊加在MOS1、MOS2的D、S端，擊穿MOS，導致電池包功能失效，C98、C99電容分別并聯在MOS1、MOS2的D、S端，為瞬間高壓提供通道，保護MOS工作安全；Z18、Z12為ESD靜電保護元件，吸收整機系統工作中竄入電池內的瞬間高壓能量，保護MOS及電池包內電子元件安全；在電池包充電過程中，如保護芯片偵測到電芯過壓、過溫或電池包總壓高于設定電壓時，電池包控制芯片單片機控制單元將CHR_CTR網絡信號置為低電平，三極管Q26由導通狀態切換到截止狀態，此時MOS1、MOS1的VGS電壓為零，低于MOS管導通電壓VTH，強迫兩MOS管關斷，停止充電，以確保電池包充電安全；其含電芯溫度檢測單元：電池包在充電或放電工作時，工作電流很大，電芯溫度上升，為使在合適的溫度范圍內電芯工作，本設計中采用了溫度檢測電路；溫度檢測功能是基于從電池組中輸入的反應電池溫度信息的模擬信號來監視電池溫度，單片機控制單元將采樣到的模擬信號通過內部模數轉換電路轉換為單片機控制單元能識別的數字信號，比較電池溫度檢測信號的電壓值與低溫閾值及高溫閾值，并且，在電池溫度檢測信號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；本設計中使用的熱敏電阻器是溫度與電阻值關系為負特性的熱敏電阻器，溫度越高，熱敏的電阻值越小，則單片機控制單元檢測到的電池溫度信號的電壓值越小，因此，當電池溫度信號電壓值比單片機控制單元設定的低溫閾值大時，說明電池溫度低于設置的溫度值，意味著電池溫度為低溫，單片機控制單元將電池溫度異常信號置為高電平；相反地，當電池溫度檢測信號的值比高溫閾值小時，則意味著電池處于高溫狀態，單片機控制單元將電池溫度異常信號置為高電平；系統中其它單片機控制單元在接收電池包的單片機控制單元發出的電池溫度異常信息時使電池停止；

園林機用鋰電池充電程序及排序采用冒泡法電路，其特征在于，其含充電程序，