專利名稱：智能充電均衡分配器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能充電均衡分配器，屬于蓄電池充電技術領域。
背景技術：
眾所周知目前的蓄電池充電技術領域，尤其是鉛酸蓄電池的充電技術領域，對于蓄電池的均衡充電和快速充電技術異常關注。經過多年的努力和研發，各充電器制造商和相關研發單位，成功開發出了各式各樣的均衡充電器和快速充電器，但效果均不理想，通過市場上用戶反饋的信息來看，作為大眾主要消費對象的鉛酸蓄電池其二次利用的效果相當悲觀，以至于人們對于這種古老電池的前景失去了信心；究其原因在于，許多研究者大都以整體充電的策略為基礎進行均衡充電器和快速充電器的研發，自然受限于充電器功率體積和單體電池管理方面的種種物理限制。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是針對蓄電池充電存在的不足，提供一種基于單體循環充電的思想，可以有效的提升充電效率，也便于充電功率的提升，加快充電速度的智能充電均衡分配器。本實用新型解決其技術問題采用的技術方案是該包括電源接口，均衡主電路，多路分配開關電路，充電接口和微控單元，均衡主電路連接電源接口，并與多路分配開關電路和微控單元相連，多路分配開關電路連接充電接口，并與微控單元相連。微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法，以及從均衡主電路和多路分配開關電路獲得的電壓和電流信號A/D采樣值，具體控制均衡主電路和多路分配開關電路的工作。所述的均衡主電路，包括電阻R1-R5，電容C1-C6，二極管D1-D5，功率開關管Q0，保險管Fl，微控單元接口 MCU1-MCU2，外部電源接口 VDD，內部電源接口 VCC，電感Ll，光電隔離器件Ul，功率開關管驅動芯片U2，數字地DGND和電源地，外部電源接口 VDD根據實際充電需要搭配，內部電源接口 VCC由外部電源接口 VDD提供，微控單元接口 MCUl用于控制充電電壓輸出端Vch數值，微控單元接口 MCU2用于實時采集充電電壓A/D進行微控單元內部反饋，微控單元接口 MCUl經由光電隔離器件Ul，并通過連接電阻Rl接數字地DGND ；微控單元接口 MCU2在電阻R4與R5的連接處進行實時采樣，電阻R4和電阻R5并聯在電容C4的兩端；電阻R4的一端接電源地；電阻R5的一端為充電電壓輸出端Vch ；內部電源接口 VCC的一端經由光電隔離器件U1，并通過連接電阻R2接電源地；內部電源接口 VCC的另一端接功率開關管驅動芯片U2的1腳；功率開關管驅動芯片U2的4腳和5腳懸空，功率開關管驅動芯片U2的1腳和3腳之間并接有電容Cl，C2，功率開關管驅動芯片U2的2腳接電阻R2遠離電源地的一端，功率開關管驅動芯片U2的6腳和8腳之間接電容C3，功率開關管驅動芯片U2的1腳和8腳之間接二極管D1，功率開關管驅動芯片U2的7腳通過電阻R3接功率開關管QO的門極，功率開關管驅動芯片U2的6腳接功率開關管QO的源極；外部電源接口 VDD 一端通過保險管Fl接功率開關管QO的漏極，另一端通過電容C5接電源地；電阻R3的兩端并接有二極管D3和電容C6 ；功率開關管QO的源極和漏極之間再并接二極管D2 ；功率開關管的源極一端通過二極管D4接電源地，另一端接電感Ll的連接功率開關管驅動芯片 U2的6腳一側；電感Ll的另一側通過二極管D5到達充電電壓輸出端Vch。所述多路分配開關電路具體路數由充電對象的數量決定，各路分配開關電路的拓撲結構一致，其中一路包括電阻R6-R12，二極管D6-D9，功率開關管Q1-Q2，微控單元接口 MCU3-MCU5，光電隔離器件U3，U4，功率開關管Ql和Q2的門極驅動信號K+和K-，充電電壓輸出端Vch，功率開關管Ql的源極連接單體蓄電池Bat正極，功率開關管Q2的漏極連接同一單體蓄電池Bat負極，功率開關管Ql和Q2的源極和漏極之間分別接有二極管D6和D7， 微控單元接口 MCU3接電阻R6-R8并聯的一端，電阻R6-R8并聯的另一端接地，微控單元接口 MCU4經光電隔離器件U3串接電阻R9后接數字地DGND ；微控單元接口 MCU5經光電隔離器件U4串接電阻Rl 1后接數字地DGND ；外部電源接口 VDD經光電隔離器件U3串接電阻RlO 后接電源地，充電電壓輸出端Vch經光電隔離器件U4串接電阻R12后接電源地。
功率開關管Ql的門極驅動信號K+由電阻RlO的遠電源地端輸出，由外部電源接口 VDD配合光電隔離器件U3和微控單元接口 MCU4提供；功率開關管Q2的門極驅動信號 K-由電阻R12的遠電源地端輸出，由充電電壓輸出端Vch配合光電隔離器件U4和微控單元接口 MCU5提供；二極管D8和二極管D9在電路中起到電流隔離的作用，微控單元接口 MCU3 用于采樣充電電流A/D值，充電電流的硬件采樣電路通過電阻R6-R8的并聯方式實現。工作過程充電過程開始后，微控單元分時監測各單體蓄電池的分時充電輸出電壓和分時充電電流；當微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法確定某特定時刻為某一單體充電時，則微控單元發出電平信號通過多路分配開關電路分別控制與此單體蓄電池正負極連接的功率開關管處于導通狀態；同時，微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法發送電平信號依次控制其他單體蓄電池的各功率開關管的門極驅動信號來確保其他各單體的功率開關管處于關斷狀態；與此同時，微控單元通過其內嵌的充電邏輯算法不斷采樣當前充電單體蓄電池的充電電壓A/D值和充電電流A/D值，并根據采樣值不斷調整充電模式，直至微控單元判斷當前單體蓄電池達到充電截止條件后，發出電平信號控制當前連接單體蓄電池正負極的功率開關管處于關斷狀態，同時發出電平信號控制下一個連接充電單體蓄電池正負極的功率開關管處于導通狀態，其他功率開關管狀態不變，進入當前單體蓄電池的充電過程， 如此循環直至所有單體蓄電池均滿足充電截止條件，進入下一充電循環，直至單體蓄電池的充電過程結束。與現有技術相比，本實用新型的智能充電均衡分配器具有的有益效果是首先，采用本實用新型的充電分配開關電路，將蓄電池組的整體充電模式轉變為單體蓄電池的獨立充電模式，做到了對單體蓄電池的獨立管理，真正做到保持蓄電池組充電的均衡性；其次，本實用新型方便靈活的外部電源接口，可以方便用戶根據充電蓄電池組的具體容量，靈活調整充電功率的大小，且將蓄電池組的整體充電變為針對單體蓄電池的充電，單體充電電壓要求相對于整體電池組充電要求低，可以有效的提升充電效率，充電功率約可提升60%以上，加快充電速度，較常規充電可縮短1-2小時。
[0012]圖1本實用新型智能充電均衡分配器電路拓撲結構框圖；圖2本實用新型均衡主電路原理圖；圖3本實用新型多路分配開關電路原理圖；圖4本實用新型智能充電均衡分配器電路原理圖。圖1-4為本實用新型智能充電均衡分配器的最佳實施例。其中電阻R1-R21電容C1-C6 二極管D1-D21功率開關管Q0-Q8保險管Fl微控單元接口 MCU1-MCU5外部電源接口 VDD內部電源接口 VCC電感Ll光電隔離器件Ul，U3， U4功率開關管驅動芯片U2數字地DGND單體蓄電池Bat，Batl，Bat2，Bat3，Bat4。
具體實施方式
下面結合說明書附圖1-4對本實用新型的智能充電均衡分配器做進一步詳細說明。如圖1所示為本實用新型智能充電均衡分配器電路拓撲結構框圖，整個分配器包括電源接口，均衡主電路，多路分配開關電路，充電接口和微控單元；均衡主電路連接電源接口，并與多路分配開關電路和微控單元相連；多路分配開關電路連接充電接口，并與微控單元相連；微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法，以及從均衡主電路和多路分配開關電路獲得的電壓和電流信號A/D采樣值，具體控制均衡主電路和多路分配開關電路的工作。如圖2所示為本實用新型均衡主電路原理圖，圖中外部電源接口 VDD根據實際充電需要搭配，一般要求單體蓄電池充電需24V以上，內部電源接口 VCC由外部電源接口 VDD 提供，一般要求輸出12 16V，外部電源的功率由實際單體蓄電池充電電流決定；微控單元接口 MCUl用于調節輸出脈寬，從而達到控制充電電壓輸出端Vch數值的目的，微控單元接口 MCU2用于實時采集充電電壓A/D進行微控單元內部反饋，達到實時監測充電電壓目的；其中微控單元接口 MCUl經由光電隔離器件Ul，并通過連接電阻Rl接數字地DGND ；微控單元接口 MCU2在電阻R4與R5的連接處進行實時采樣，電阻R4和電阻R5 并聯在電容C4的兩端；電阻R4遠離微控單元接口 MCU2的一端接電源地；電阻R5遠離微控單元接口 MCU2的一端為充電電壓輸出端Vch ；內部電源接口 VCC的一端經由光電隔離器件Ul，并通過連接電阻R2接電源地；內部電源接口 VCC的另一端接功率開關管驅動芯片U2的1腳；功率開關管驅動芯片U2的4 腳和5腳懸空，功率開關管驅動芯片U2的1腳和3腳之間并接有電容Cl，C2，功率開關管驅動芯片U2的2腳接電阻R2遠離電源地的一端，功率開關管驅動芯片U2的6腳和8腳之間接電容C3，功率開關管驅動芯片U2的1腳和8腳之間接二極管D1，功率開關管驅動芯片 U2的7腳通過電阻R3接功率開關管QO的門極，功率開關管驅動芯片U2的6腳接功率開關管QO的源極；外部電源接口 VDD —端通過保險管Fl接功率開關管QO的漏極，另一端通過電容C5接電源地；電阻R3的兩端并接有二極管D3和電容C6 ；功率開關管QO的源極和漏極之間再并接二極管D2加強保護；功率開關管的源極一端通過二極管D4接電源地，另一端接電感Ll的連接功率開關管驅動芯片U2的6腳一側；電感Ll的另一側通 過二極管D5到達充電電壓輸出端Vch ；微控單元根據微控單元接口 MCU2反饋的充電電壓輸出端Vch反饋的A/D信號值， 通過內部的邏輯算法，實時調整脈寬輸出，并通過微控單元接口 MCUl具體控制均衡主電路的整體工作狀態。如圖3所示為本實用新型多路分配開關電路具體路數由充電對象的數量決定， 各路分配開關電路的拓撲結構一致，其中一路包括電阻R6-R12，二極管D6-D9，功率開關管 Q1-Q2，微控單元接口 MCU3-MCU5，光電隔離器件U3，U4，功率開關管Ql和Q2的門極驅動信號K+和K-，充電電壓輸出端Vch，功率開關管Ql的源極連接單體蓄電池Bat正極，功率開關管Q2的漏極連接同一單體蓄電池Bat負極，構成正負極控制模式下的單體蓄電池充電分配開關組合模式；功率開關管Ql的門極驅動信號K+，由外部電源接口 VDD配合光電隔離器件 U3和微控單元接口 MCU4提供；功率開關管Q2的門極驅動信號K-，由充電電壓輸出端Vch 配合光電隔離器件U4和微控單元接口 MCU5提供；功率開關管Ql和Q2的源極和漏極之間， 分別接有二極管D6和D7加強功率開關管Ql和Q2自身的保護，確保其工作的可靠性；二極管D8和二極管D9在電路中起到電流隔離的作用，防止功率開關管Ql和Q2的反向電流破壞，增強其工作穩定性；微控單元接口 MCU3用于采樣充電電流A/D值，微控單元據此進行充電方式的調整；充電電流的硬件采樣電路通過電阻R6，R7和R8的并聯方式實現；微控單元接口 MCU4經由光電隔離器件U3串接電阻R9而接入數字地DGND ；微控單元接口 MCU5經由光電隔離器件U4串接電阻Rll而接入數字地DGND ；外部電源接口 VDD經由光電隔離器件 U3串接電阻RlO而接入電源地，功率開關管Ql的門極驅動信號K+由電阻RlO的遠電源地端輸出；充電電壓輸出端Vch經由光電隔離器件U4串接電阻R12而接入電源地，功率開關管Q2的門極驅動信號K-由電阻R12的遠電源地端輸出；此電路的設計最大程度保證功率開關管Ql和Q2工作的可靠性和穩定性。如圖4所示為本實用新型智能充電均衡分配器電路原理圖，圖中以四節單體電池為例給出了大致的電路連接示意圖，以下結合圖4詳細說明本實用新型智能充電均衡分配器工作過程。外部電源接口 VDD設為24V，輸出電流最大10A，經測試充電電壓輸出端Vch的值可控范圍為0 17V，充電可控輸出電流范圍為0 IOA ；充電過程開始后，微控單元通過微控單元接口 MCU2和M⑶3分時監測單體蓄電池Bat，Bat2, Bat3和Bat4的分時充電輸出電壓和分時充電電流；以充電對象單體蓄電池Bat為例，當微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法確定某特定時刻為其充電時，則微控單元發出電平信號至微控單元接口 MCU4和MCU5， 并通過圖2所示的電路連接分別控制功率開關管Ql和Q2的門極驅動信號K+和K-，確保功率開關管Ql和Q2處于導通狀態；與此同時，微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法發送電平信號依次控制功率開關管Q3-Q8的門極驅動信號K2+，K2-，K3+，K3-，K4+，K4-來確保功率開關管Q3-Q8處于關斷狀態，此時即開始對單體蓄電池Bat進行充電；充電過程中，微控單元通過其內嵌的充電邏輯算法不斷采樣微控單元接口 MCU2和MCU3獲得的充電電壓A/D值和充電電流A/D值，并根據采樣值不斷調整充電模式；當微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法，確定單體蓄電池Bat達到充電截止條件時，其發出電平信號至微控單元接口 MCU4和 MCU5，從而控制功率開關管Ql和Q2的門極驅動信號K+和K-，使功率開關管Ql和Q2處于關斷狀態，與此同時微控單元發出電平信號控制功率開關管Q3和Q4的門極驅動信號K2+ 和K2-，使功率開關管Q3和Q4處于開通狀態，此時即開始對單體蓄電池Bat2進行充電，充電過程中，微控單元通過其內嵌的充電邏輯算法不斷采樣單體蓄電池Bat2的充電電壓A/ D值和充電電流A/D值，并根據采樣值不斷調整充電模式；當微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法，確定單體蓄電池Bat2達到充電截止條件時，其發出電平信號控制功率開關管Q3和 Q4的門極驅動信號K2+和K2-，使功率開關管Q3和Q4處于關斷狀態，與此同時微控單元發出電平信號控制功率開關管Q5和Q6的門極驅動信號K3+和K3-，使功率開關管Q5和Q6處于開通狀態，此時即開始對單體蓄電池Bat3進行充電，充電過程中，微控單元通過其內嵌的充電邏輯算法不斷采樣單體蓄電池Bat3的充電電壓A/D值和充電電流A/D值，并根據采樣值不斷調整充電模式；當微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法，確定單體蓄電池Bat3達到充電截止條件時，其發出電平信號控制功率開關管Q5和Q6的門極驅動信號K3+和K3-， 使功率開關管Q5和Q6處于關斷狀態，與此同時微控單元發出電平信號控制功率開關管Q7 和Q8的門極驅動信號K4+和K4-，使功率開關管Q7和Q8處于開通狀態，此時即開始對單體蓄電池Bat4進行充電，充電過程中，微控單元通過其內嵌的充電邏輯算法不斷采樣單體蓄電池Bat4的充電電壓A/D值和充電電流A/D值，并根據采樣值不斷調整充電模式；當微控單元根據其內嵌的充電邏輯算法，確定單體蓄電池Bat4達到充電截止條件時，其發出電平信號控制功率開關管Q7和Q8的門極驅動信號K4+和K4-，使功率開關管Q7和Q8處于關斷狀態，第一次充電循環結束，微控單元根據內嵌的充電邏輯算法進入第二次充電循環過程， 具體分配開關電路充電控制過程與上述過程完全相同，直至根據微控單元內嵌的充電邏輯算法確定各單體蓄電池充電完全，充電過程結束；整個充電過程確保單體蓄電池充電時，其他單體蓄電池的分配開關處于斷開狀態。
以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非是對本實用新型作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本實用新型技術方案內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本實用新型技術方案的保護范圍。
權利要求1.一種智能充電均衡分配器，其特征在于包括電源接口，均衡主電路，多路分配開關電路，充電接口和微控單元，均衡主電路連接電源接口，并與多路分配開關電路和微控單元相連，多路分配開關電路連接充電接口，并與微控單元相連。
2.根據權利要求1所述的智能充電均衡分配器，其特征在于所述的均衡主電路包括電阻R1-R5，電容C1-C6，二極管D1-D5，功率開關管Q0，保險管F1，微控單元接口 MCU1-MCU2，外部電源接口 VDD，內部電源接口 VCC，電感Li，光電隔離器件Ul，功率開關管驅動芯片U2，微控單元接口 MCUl經光電隔離器件Ul和電阻Rl接數字地DGND ；電阻R4和電阻R5并聯在電容C4的兩端；電阻R4的一端接電源地；內部電源接口 VCC的一端經光電隔離器件Ul和電阻R2接電源地；內部電源接口 VCC的另一端接功率開關管驅動芯片U2的1 腳；功率開關管驅動芯片U2的4腳和5腳懸空，功率開關管驅動芯片U2的1腳和3腳之間并接有電容Cl和電容C2，功率開關管驅動芯片U2的2腳接電阻R2的一端，功率開關管驅動芯片U2的6腳和8腳之間接電容C3，功率開關管驅動芯片U2的1腳和8腳之間接二極管D1，功率開關管驅動芯片U2的7腳通過電阻R3接功率開關管QO的門極，功率開關管驅動芯片U2的6腳接功率開關管QO的源極；外部電源接口 VDD —端通過保險管Fl接功率開關管QO的漏極，保險管Fl的另一端通過電容C5接電源地；電阻R3的兩端并接有二極管D3 和電容C6 ；功率開關管QO的源極和漏極之間并接二極管D2 ；功率開關管驅動芯片U2的源極一端通過二極管D4接電源地，電感Ll的一端連接功率開關管驅動芯片U2的6腳；電感 Ll的另一端通過二極管D5接充電電壓輸出端Vch。
3.根據權利要求1所述的智能充電均衡分配器，其特征在于所述多路分配開關電路， 其中一路包括電阻R6-R12，二極管D6-D9，功率開關管Q1-Q2，微控單元接口 MCU3-MCU5，光電隔離器件U3，U4，功率開關管Ql和Q2的門極驅動信號K+和K_，充電電壓輸出端Vch，功率開關管Ql的源極連接單體蓄電池Bat正極，功率開關管Q2的漏極連接同一單體蓄電池 Bat負極，功率開關管Ql和Q2的源極和漏極之間分別接有二極管D6和D7，微控單元接口 MCU3接電阻R6-R8并聯的一端，電阻R6-R8并聯的另一端接地，微控單元接口 MCU4經光電隔離器件U3串接電阻R9后接數字地DGND ；微控單元接口 MCU5經光電隔離器件U4串接電阻Rll后接數字地DGND ；外部電源接口 VDD經光電隔離器件U3串接電阻RlO后接電源地， 充電電壓輸出端Vch經光電隔離器件U4串接電阻R12后接電源地。
專利摘要一種智能充電均衡分配器，屬于蓄電池充電技術領域。包括電源接口，均衡主電路，多路分配開關電路，充電接口和微控單元，均衡主電路連接電源接口，并與多路分配開關電路和微控單元相連，多路分配開關電路連接充電接口，并與微控單元相連。采用本實用新型的充電分配開關電路，將蓄電池組的整體充電模式轉變為單體蓄電池的獨立充電模式，做到了對單體蓄電池的獨立管理，真正做到保持蓄電池組充電的均衡性；本實用新型方便靈活的外部電源接口，可以方便用戶根據充電蓄電池組的具體容量，靈活調整充電功率的大小，且將蓄電池組的整體充電變為針對單體蓄電池的充電，可以有效的提升充電效率，加快充電速度。
文檔編號H02J7/00GK201975820SQ20112005646
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月5日 優先權日2011年3月5日
發明者劉東林, 姜振華, 李為, 高小群, 高述轅 申請人:山東申普交通科技有限公司