[发明专利]园林机用锂电池充电程序及电池状态显示电路

摘要

园林机用锂电池充电程序及电池状态显示电路，含电池状态显示电路，还含充电程序及控制电压检测功能；检测功能及智能的技术效果不言而喻。综合组成减振降噪效果有改良的系列园林机，一机多用，提升出口产品的品质，领跑世界园林机。其含电池状态显示单元通过四颗LED显示电池的电压、电量、温度、电池，是否异常状况，一目了然。供给锂电池充电电压用多谐叠加电压如同多点针灸式的通过锂电池的内部的存储电荷的空穴而充电，整流电压与脉冲电压之间由串联的电容和旁路电阻所组成的微分电路相搭配。

主权项

园林机用锂电池充电程序及电池状态显示电路，其含充电程序及处理电路，还含单片机控制单元，采用专用电池保护芯片与单片机控制单元组合的方式，使电路稳定可靠，保证电池在各种条件下都能正常工作，所述单片机控制单元作为运算控制中心，负责采样各种保证电池正常工作的模拟信号，并转换为控制所需的数字信号，误差小，精度高，芯片抗干扰能力强，简化硬件电路设计及减小硬件电路的失效性高的现象；其含电压变换单元：通过脉冲宽度调制PWM的方式将电池包电压降压，给线性稳压芯片提供电压，保证稳压芯片工作在安全电压范围内，电路特点：PWM降压，降低功率，取消大功率的降压电阻，提高转换效率，及减小相关元件发热；其电路转换原理：当Q33三极管导通时，电池包总正电压BAT+通过三极管Q33、电感L1、电容EC2再返回到电池总负端，形成充电回路，BAT+经过电感分压后，给电容EC2充电，以维持负载端VDD5V的电量消耗，同时L1处于能量储存状态，在充电期间，EC2电容电压逐渐上升，当电压上升至Z9稳压二极管击穿电压时，Z9导通，给Q36提供Vbe导通电压，Q36饱和导通，从而拉低三极管Q35基极电压，导致Q35由导通状态切换到截止状态，Q35截止前，Q33的Vbe电压值为：Vbe＝VBAT+*R114/(R114+R116)此电压值大于Q33的导通阈值电压，保证Q33导通，Q35截止后，Q33的Vbe＝0，Q33截止，电池总正通过电感L1对EC2电容充电及给VDD5V供电的阶段结束；当Q33三极管关断时，从三极管到电感L1间的充电回路断开，根据L电感电流不能突变的原理，为维持电流方向及大小不变，电感的感生电动势的方向变换为右正左负，电感处于释放能量的状态，电流通道为：电流从L1流向电容EC2，给EC2充电，用于维持负载端VDD5V所消耗的电量，再从过GND端通过续流二极管D10、D11返回电感感生电动势的负端；其含充电控制单元：在电池包出现充电总压过压、单节电芯、充电过流、过温或充电器出现异常时，单片机控制单元通过控制此单元电路，关断充电通道，保证充电安全；在电池包正常充电状态下，单片机控制单元输出的高电平CHG_CTR信号通过R162、R161分压后加在Q26 G极，Q26的场效应管MOA管导通，忽略D、S端压降，从MOS1、MOS2的S端通过电阻R159、R160流过的电流IQ为：IQ＝VPACK/(R159+R160)，则电阻R159两端的电压为：VR159＝IQ*R159此电压即为MOS的G、S端电压，且电压值低于阈值电压VGS，使MOS1、MOS2导通，进入充电状态；Z11稳压管并联在PMOS管G、S端，当电路出现异常导致G、S端过高时，Z11稳压管动作，将G、S端电压钳位在16V的安全工作电压范围内，避免管子被击穿；在电池包充电或放时，充电器或电机工作产生的瞬间高压叠加在MOS1、MOS2的D、S端，击穿MOS，导致电池包功能失效，C98、C99电容分别并联在MOS1、MOS2的D、S端，为瞬间高压提供通道，保护MOS工作安全；Z18、Z12为ESD静电保护元件，吸收整机系统工作中窜入电池内的瞬间高压能量，保护场效应管MOS及电池包内电子元件安全；在电池包充电过程中，在保护芯片侦测到电芯过压、过温或电池包总压高于设定电压时，电池包控制芯片单片机控制单元将CHR_CTR网络信号置为低电平，三极管Q26由导通状态切换到截止状态，此时MOS1、MOS1的VGS电压为零，低于MOS管导通电压VTH，强迫两MOS管关断，停止充电，以确保电池包充电安全；其含电池电压检测单元：当电池包处于充电、充电状况时，单片机控制单元会实时检测电池包电压，以保护电池包工作在正常状况，具体工作原理如下：当单片机控制单元通过检测R155、R156分压电池包总压的模拟信号的值正比于电压包总电压，并将得到的模拟信号经过模数转换，与单片机控制单元所设定的阈值相比较，并根据比较执行相应的动作，其中C80滤除R156两压的干扰信号，以便单片机控制单元准确采样电池电压信号；若单片机控制单元采样到的电压值高于所设定的充电电压阈值，则说明电池包处过压状态，此时单片机控制单元会将充电控制CHR_CTR网络信号置为低电平，强制性地停止电池包充电；若单片机控制单元采样到的电压值低于所设定的充电电压阈值，则说明电池处于欠压状态，此时单片机控制单元会以通信的方式将电池欠压信号发送给放电控制器，停止电池包放电；当电池包处于休眠状态时，单片机控制单元将BAT_AD_CTR网络信号置为低电平，Q25 MOS管由导通状态切换为截止状态，阻止电池包通过采样电阻放电，减小电池包空闲状态时的电量损耗；其含电芯温度检测单元：电池包在充电或放电工作时，工作电流很大，电芯温度上升，为使在合适的温度范围内电芯工作，本设计中采用了温度检测电路；温度检测功能是基于从电池组中输入的反应电池温度信息的模拟信号来监视电池温度，单片机控制单元将采样到的模拟信号通过内部模数转换电路转换为单片机控制单元能识别的数字信号，具体而言，比较电池温度检测信号的电压值与低温阈值及高温阈值，并且，在电池温度检测信号的电压值比低温阈值大或比高温阈值小的情况下，判断为电池的温度为异常状态；使用的热敏电阻器是温度与电阻值关系为负特性的热敏电阻器，温度越高，热敏的电阻值越小，则单片机控制单元检测到的电池温度信号的电压值越小，因此，当电池温度信号电压值比单片机控制单元设定的低温阈值大时，说明电池温度低于设置的温度值，意味着电池温度为低温，单片机控制单元将电池温度异常信号置为高电平，相反地，当电池温度检测信号的值比高温阈值小时，则意味着电池处于高温状态，单片机控制单元将电池温度异常信号置为高电平；系统中其它单片机控制单元在接收电池包的单片机控制单元发出的电池温度异常信息时，使电池包充电或放电控制强制性地停止；当单片机控制单元通过检测R179、NTC1；R156、NTC2分压得到的电池温度模拟信号，并将得到的模拟信号经过模数转换电路，转换为单片机控制单元能识别的数字信号，与单片机控制单元所设定的阈值相比较，当检测到的温度值高于低温阈值或低于高温阈值或时，都判断为电池的温度为异常状态，单片机控制单元通过控制信号使电池包停止工作，其中，C82、C94分别滤除NTC1、NTC2两端的干扰信号，以便单片机控制单元准确采样电池温度信号；本设计采用了两路温度监控电路，依各电芯的温度差异而检测各电池的工作温度状况；其含电池状态显示单元：通过四颗LED作为显示器件，通过状态组合，能够正确显示电池的电压、电量、温度、及电池是否异常状况等，据此判断电池所处的工作状态；园林机用锂电池充电程序及电池状态显示电路，供给锂电池充电电压用多谐叠加电压而不是传统的恒压恒流的直流充电，其是由锂电池充电电路的经整流的电压和由原用于电火花机床的自激多谐振荡器所引出的脉冲电压所混合的多谐叠加电压单元电路所产生的多谐叠加电压如同多点针灸式的通过锂电池的内部的存储电荷的空穴而充电；所述的自激多谐振荡器所引出的脉冲电压为88伏，脉冲频率为88千赫；所述整流的电压与所述脉冲电压之间由串联的电容和旁路电阻所组成的微分电路相连接；所述具锂电池状态显示单元电路的园林机，其含电池状态显示单元，通过四颗LED作为显示器件，通过状态组合，能够正确显示电池的电压、电量、温度、及电池是否异常状况等，可据此判断电池所处的工作状态；园林机用锂电池充电程序及电池状态显示电路，其含锂电池单元电压不平衡检测处理电路，有电池单元电压不平衡检测及平衡处理功能；本设计电路单节电芯不平衡的检测功能及智能的平衡技术，具体工作原理如下：保护芯片实时监控五串电芯组成的电池组单元过来的各电芯的模拟信号，检测端口网络名分别为：BAT1、BAT2、BAT3、BAT4、BAT5，各端口分别并联在电池组中的每一单节电芯的两端，保护芯片执行平衡功能，必须符合以下条件：在电池组充电或待机状态下，至少有一节电芯电压高于芯片设置的启动电芯电压平衡功能的阈值电压VCB时，至少有一节电芯电压低于启动电芯电压平衡功能的阈值电压VCB，不可有电芯过流、过温、短路等保护事件发生，电芯过压、单节电芯低温保护除外，则启动电压平衡功能，保护芯片单元自身具体电压平衡功能，但考虑到平衡电流会导致芯片发热，本设计采用外部电路平衡技术，通过保护单元控制，通过外部电路进行电芯电压平衡，可大大提高平衡电流，有效地达到电压平衡的目，同时减少保护单元的发热，使芯片更可靠的工作；当保护芯片BAT5端口检测到CELL5高于VCB，此时电芯平衡电流如下公式所示：Ib＝Vcell5/R16，公式；忽略三极管Q1的饱和压降Vce；为了使平衡电路正常工作，以下条件必须满足：芯片内部BAT5与BAT4间的PMOS被打开，CELL20通过电阻R21、芯片内部开关、R22形成Vcell5的放电回路，此时回路电流表达式为：Ib1＝Vcell/(R36+RDS+R37)，公式1，RDS为芯片内部PMOS开关等效电阻；为保证三极管Q16饱和导通，则：VBE+IB*R56≤VR37，公式2；其中，VBE远大于IB*R56，上式简化为：VBE≤VR37，公式3；IB＝Ib1/β，公式4；VBE为三砐管导通阈值电压，β为三极管Q16的电流放大倍数；则R37电阻的电压降为：VR37＝(Ib1‑IB)*R37，公式5；通过公式1‑公式5计算，可选择合适的R37的阻值，使平衡电流在R37两端形成的电压，大于Q16的VBE电压降与R56上的电压降之和，，保证Q1可靠导通，达到执行电芯平衡之目的；保护芯片会周期性的检测电芯电压平衡条件，当符合电芯电压平衡条件时，保护芯片轮流平衡所在五串电池单元中的奇数节电芯和偶数节电芯电压，即在一个平衡周期内平衡所有的奇数节的电芯，下一个周期则平衡偶数节的电芯，即使只有一个电芯需平衡，在下一个平衡周期也不会执行平衡功能；在检测电芯电压期间会暂停电芯平衡；当五串电池组单元中所有电芯电压都高于或都低于启动电芯电压平衡功能的阈值电压VCB时，停止电压平衡功能；具体工作原理如下：在电池包正常充电状态下，单片机控制单元输出的高电平CHG_CTR信号通过R162、R161分压后加在Q26 G极，Q26 MOS管导通，忽略D、S端压降，从MOS1、MOS2的S端通过电阻R159、R160流过的电流IQ为：IQ＝VPACK/(R159+R160)，则电阻R159两端的电压为：VR159＝IQ*R159，此电压即为MOS的G、S端电压，且电压值低于阈值电压VGS，使MOS1、MOS2导通，进入充电状态；Z11稳压管并联在PMOS管G、S端，当电路出现异常导致G、S端过高时，Z11稳压管动作，将G、S端电压钳位在16V的安全工作电压范围内，避免管子被击穿；在电池包充电或放时，充电器或电机工作产生的瞬间高压叠加在MOS1、MOS2的D、S端，击穿MOS，导致电池包功能失效，C98、C99电容分别并联在MOS1、MOS2的D、S端，为瞬间高压提供通道，保护MOS工作安全；Z18、Z12为ESD静电保护元件，吸收整机系统工作中窜入电池内的瞬间高压能量，保护MOS及电池包内电子元件安全；在电池包充电过程中，如保护芯片侦测到电芯过压、过温或电池包总压高于设定电压时，电池包控制芯片单片机控制单元将CHR_CTR网络信号置为低电平，三极管Q26由导通状态切换到截止状态，此时MOS1、MOS1的VGS电压为零，低于MOS管导通电压VTH，强迫两MOS管关断，停止充电，以确保电池包充电安全；园林机用锂电池充电程序及电压变换电路，当电池组处于充电、放电状况时，单片机控制单元会实时检测电池组电压，使电池在设定好的合理的电压范围内工作，保证整个系统正常工作，单片机控制单元通过检测R155、R156分压得到的电池组总压的模拟信号，模拟电压值为：VBAT_AD＝VBAT+*R156*(R155+R156)，此模拟信号的电压值正比于电压包总电压，电路中C80滤除R156两端电压上的高频干扰信号，以便单片机控制单元准确采样电池电压信号；为减小电池组在休眠状况时的电量消耗，在分压电阻R155、R156电路中串接一开MOS Q25，在电压检测时单片机将BAT_AD_CTR网络信号置为高电平，进行电压检测，此时Q25G、S端电压VGS为：VGS＝R158/(R157+R158)*5；单片机5V供电；为保证Q25可靠导通，要合理分配R157、R158的电阻值，任何情况下保证：VGS(th)＜VGS‑VBAT_AD当电池组处于休眠状态时，BAT_AD_CTR为低电平，Q25 MOS管由导通状态切换为截止状态，断开电压检测电路，同时阻止电池组通过采样电阻放电，减小电池在空闲状态时的电量损耗；单片机控制单元接收到模拟信号后，经过单片机控制单元内部的模数转换电路转换为数字信号，与单片机控制单元所设定的电压阈值相比较，并根据比较执行相应的动作，当采样得到的电压信号比单片机控制单元所设定的阈值高时，意味着电池组电压过高，当采样得到的电压信号比单片机控制单元所设定的阈值低时，则意味着电池组电压过低；电池组在充电状态时，单片机控制单元检测到电池组电压过高，此时单片机控制单元会将充电控制CHR_CTR网络信号置为低电平，充电开关MOS1、MOS2为断开状态，同时将过压信号发送给充电器，充电器停止充电功能；二重保护可强制性的停止充电，电池在放电状态时，单片机控制单元检测到电池电压过低，则将欠压信号发送给整机控制系统，整机控制系统控制关断电池放电通道；园林机用锂电池充电程序及电压变换电路，其特征还在于，其含5V电压变换单元，本系统工作所需电源是由电池电压经过降压，提供适当的电压给单片机系统及其它电路，具体实现通过脉冲宽度调解器PWM的方式降压，再通过三端稳压器提5V供电压，给单片机供电，以提高电路转换效率，取消大功率的降压电阻，及减小相关元件发热；电路转换原理：Q32作为控制PWM工作电路的开关，在系统处于工作状态时导通，系统休眠时关断，减少电池能量的消耗，单片机从休眠状态唤醒有两种方式：由充电器或电机控制系统通过COM网发送5V高电平信号唤醒；或由本系统KEY按键操作，通过电池组电压降压，提供单片机唤醒信号；当后续电路工作后，产生5V电压给单片供电，单片机控制的POWER_CTR信号为高电平，通过电阻R125、R205加在Q38的G、S端，Q38导通，并使Q32导通，当以上所述的其中一种操作动作时，5V电压通过电阻R121、R122分压加到MOS Q34的G、S端，电压值为：VGS＝R121/(R121+R122)*5V合理分配R157、R158的电阻值，使Q34的VGS＞VGS(th)，MOS导通；C100电容作用滤除Q34 G、S端的高频干扰信号，避免电路误动作，Z19稳压二极管，在任何情况下将Q34 G、S端电容嵌位在安全电压范围内，Q34导通后，电池组电压BAT+通过Q32三极管的偏置电阻R123、R124、Q34形成回路，在R123产生的压降使三极管Q32导通，此时，BAT+电压通过限流电阻R126、R127加到PWM电路的输入端，BAT+经过偏置电阻R113、R115三极管Q35的B、E端，使Q35处于饱和导通状态，使得BAT+通过三极管Q35的偏置电阻R114、R116形成回路，电阻R114两端的压降使Q33导通，当Q33三极管导通时，电池组总正电压BAT+通过三极管Q33、电感L1、电容EC2再返回到电池总负端，形成充电回路，根据愣次定律，L1两端电压为左正右负，BAT+经过电感分压后，给电容EC2充电，EC2电容上的电压经过U6三端稳压器降压后，输出高精度的5V电压，给单片机提供工作电压，同时L1上的电流线性上升，处于能量储存阶段，在稳态时：Iinductor＝(VBAT+‑VEC2)*Ton/L，Iinductor：电感电流值；VEC2：PWM电路的输出电压；Ton：三极管Q35导通时间，；Ton的求解过程如下：根据磁场平衡原理：(VBAT+‑VEC2)*Ton＝(VEC2‑V diode)*Toff；Ton＝(VEC2‑V diode)*T/VBAT+；T：PWM电路振荡周期；与EC2并联的稳压管二极管Z8起稳定EC2电压的作用，保护三端稳压器U6工作在安全电压范围内，在异常状况下EC2电容电压升高，当电压高于22V时，超过Z8稳压二极管反向击穿电压，电流流过二极管，将电压稳定在22V；在能量储存阶段，EC2电容电压逐渐上升，当电压上升至Z9稳压二极管击穿电压的阈值时，Z9导通，给Q36提供Vbe导通电压，Q36饱和导通，从而拉低三极管Q35基极电压，导致Q35由导通状态切换到截止状态，Q35截止前，Q33的Vbe电压值为：Vbe＝VBAT+*R114/(R114+R116)；此电压值大于Q33的导通阈值电压，保证Q33导通，Q35截止后，Q33的Vbe＝0，Q33截止，电池组BAT+电压通过电感L1对EC2电容充电及经过U6给VDD5V供电的阶段结束；当Q33三极管关断时，从三极管到电感L1间的充电回路断开，根据L电感电流不能突变的原理，为维持电流方向及大小不变，电感的感生电动势的方向变换为右正左负，电感处于释放能量的状态，电流通道为：电流从L1流向电容EC2，给EC2电解电容充电，用于维持负载端VDD5V所消耗的电量，再从过GND端通过续流二极管D10、D11返回电感感生电动势的负端，Iinductor＝(VEC2‑V diode)*Toff/L；Iinductor：电感电流值；V diode：D10、D11正向导通管压降；Toff：三极管Q35截止时间；R117、C84组成RC电路，提供PWM电路振荡频率fsw：fsw＝1/(R117*C 84)*109HZ；园林机用锂电池充电程序及电池状态显示电路，其特征在于，其含电池状态显示单元：其作用是通过四颗LED作为显示器件，通过状态组合，能够正确显示电池的电压、电量、温度、电池，是否有异常状况，判断电池所处的工作状态，单片机根据采样到的电压、温度信息，经过处理后，输出LED1、LED2、LED3、LED4信号，显示电池组当前状况，电路中R190、R191、R192，R193为限流电阻，保护LED不会因电流过大损坏，设LED电流值为ICURRENT，正向导通电压为VFORWARD，则：ICURRENT＝(5‑VFORWARD)/R；单片机5V供电，R为各限流电阻值合理地配置限流电阻值，使LED工作电流在数毫安范围内；具体各状态显示描述如下：电量显示：1.电池组充电状态下，LED显示：当电池组电压60＜VBAT时，LED1、LED2、LED3、LED4以1HZ频率闪烁，当电池组电压60＜VBAT＜＝72V时，LED1‑3以1HZ频率闪烁，LED4常亮，当电池组电压72＜VBAT＜＝76V时，LED1‑2以1HZ频率闪烁，LED3、LED4常亮，当电池组电压76＜VBAT＜＝80V时，LED1以1HZ频率闪烁，LED2、LED3、LED4常亮，当电池组电压83.2＜VBAT时，LED1、LED2、LED3、LED4常亮，2.电池组放电及待机状态下，LED显示：当电池组电压80＜VBAT时，LED1、LED2、LED3、LED4常亮，当电池组电压76＜VBAT＜＝80V时，LED2、LED3、LED4常亮，LED1灭，当电池组电压72＜VBAT＜＝76V时，LED3、LED4常亮，LED1、LED2灭，当电池组电压60＜VBAT＜＝72V时，LED4常亮，LED1、LED2、LED3灭，当电池组电压VBAT＜60V时，LED1、LED2、LED3、LED4灭，3.电池组处于充电过温或欠温时，LED显示：LED1、LED2、LED3、LED4以1HZ频率闪烁，4.电池组处于放电过温或欠温时，LED显示：LED1、LED2、LED3、LED4以2HZ频率闪烁，通过以上LED显示状态设置，用户很清楚地了解电池组状况，及时进行适当的动作，提高用户使用舒适度；园林机用锂电池充电程序及电池状态显示电路，其含充电程序，