基于PD协议和TypeC充电接口的锂电池充电系统的制作方法

基于pd协议和type c充电接口的锂电池充电系统
技术领域
1.本实用新型涉及锂电池充电技术领域，特别是涉及一种基于pd协议和type c充电接口的锂电池充电系统，适用于两轮电动自行车的锂电池。


背景技术：

2.目前市场上两轮电动自行车锂电池的品类众多，规格差异巨大，就锂电池充电技术而言，不同电压平台或不同容量的锂电池，都需要使用不同的充电器进行充电，市场常见的锂电池电压平台有36v，48v，容量有20ah，30ah；另外，各个品牌锂电池充电接口、充电协议不统一，更加剧了锂电池充电方案的多样化。
3.现有技术的缺陷和不足主要有以下几点：
4.（1）大部分锂电池不带充电协议，或自带制造商自研协议，形成行业壁垒，无法推广普及；
5.（2）大部分锂电池只能使用各自专用充电器，无法混用其他品牌、其他规格的充电器充电，造成资源浪费；
6.（3）大部分锂电池充电接口自定义，没有统一标准，行业内无法推广普及；
7.（4）大部分锂电池充电接口固定插拔方式，无法盲插。


技术实现要素：

8.本实用新型所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种基于pd协议和type c充电接口的锂电池充电系统，该系统是基于pd协议开发，以type c接口为充电口的锂电池bms充电系统；配合对应的pd协议，type c接口充电器，互相握手后，能自动识别电池组电压、电流，进而充电器能自动选择充电电压、电流给电池组充电。
9.本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于pd协议和type c充电接口的锂电池充电系统，包括模拟前端芯片u1、mcu微处理芯片u2、pd协议芯片u3、typec接口j1、电池包pack、电流采样电路、预放电路、充电开关电路以及放电开关电路，其中，
10.所述pd协议芯片u3具有电压采集信号端v1，所述电压采集信号端v1同时与充电器正极连接端c 和放电信号端p 连接，用于采集电池包pack的充放电电压；
11.所述typec接口j1具有充电器正极连接端c 和充电器负极连接端c-，用于与充电器连接；所述typec接口j1通过信号cc1和cc2连接至pd协议芯片u3，所述pd协议芯片u3通过i2c总线信号sda1和scl1与mcu微处理芯片u2通信；从而实现充电器与电池包pack之间的握手。
12.所述模拟前端芯片u1具有电池电压检测信号端、两路电流采样信号端、放电开关控制信号端、充电开关控制信号端和预放控制信号端pdsg，i2c总线信号sda和scl，其中，
13.所述模拟前端芯片u1通过电池电压检测信号端与电池包pack连接，用于检测电池包pack内每个电芯的电压；所述模拟前端芯片u1通过i2c总线信号sda和scl与所述mcu微处
理芯片u2通信；将采集的电芯的电压以及充放电电流传递给mcu微处理芯片u2，mcu微处理芯片u2根据电压和电流控制充电开关电路以及放电开关电路对电池包pack进行充放电。
14.所述模拟前端芯片u1通过两路电流采样信号端与电流采样电路连接，所述电流采样电路采集电池包pack的充放电电流；所述电流采样电路设置在电池包pack的负极端b-与放电信号端p-之间的总线路上；
15.所述充电开关电路设置在充电器负极连接端c-与pack的负极端b-之间的总线路上；所述放电开关电路设置在充电开关电路与电流采样电路之间的总线路上，且所述预放电路设置在充电开关电路以及pack的负极端b-之间的总线路上且与所述放电开关电路并联。
16.在电池包输出端有短路状况发生时，如果直接用放电回路放电，电流非常大，会直接炸机，因此，在放电回路中增加了预放电路，通过预放功能，电池包输出端有短路状况发生时，预放电路先断开，系统检测到大电流会及时关断输出，从而避免炸机。具体的，所述预放电路包括三极管q1和q2，mos管q9，电阻r7、r8、r9、r10、r11、r12和r13，二极管d3，所述电阻r10和r11串联后，r10的另一端连接模拟前端芯片u1的预放控制信号端pdsg，r11的另一端接地gnd，所述三极管q2的基极连接至电阻r10和r11的公共端，所述三极管q2的发射极接地gnd，所述三极管q2的集电极依次串联电阻r9和r8后连接至电源v11，所述三极管q1的基极连接至电阻r9和r8的公共端，所述三极管q1的发射极连接电源v11，三极管q1的集电极串联电阻r12和r13后连接至mos管q9的源极，所述mos管q9的栅极连接至电阻r12和r13的公共端，所述mos管q9的漏极连接二极管d3的阴极，二极管d3的阳极串接电阻r7后连接至放电信号端p-，所述mos管q9的源极连接至电池包pack的负极b-。其中v11为12v电源，是通过ldo稳压器将电池包pack的电压转换而来。
17.进一步，为了实现在充放电过程中充放电电流的检测，所述电流采样电路包括采样电阻rs1、电阻r4和r5，所述采样电阻rs1一端连接电池包pack的负极端b-，另一端连接至放电开关电路，所述模拟前端芯片u1的一路电流采样信号端串接电阻r4后连接至采样电阻rs1与负极端b-之间，模拟前端芯片u1的另一路电流采样信号端串接电阻r5后连接至采样电阻rs1和放电开关电路之间。
18.进一步，所述放电开关电路包括多个mos管，所述mos管并联后源极连接采样电阻rs1一端，漏极连接至放电信号端p-和充电器负极连接端c-，所述mos管的栅极连接至模拟前端芯片u1的放电开关控制信号端。
19.进一步，所述充电开关电路包括mos管q8，所述mos管q8的栅极与模拟前端芯片u1的充电开关控制信号端连接，所述mos管q8的源极连接至放电开关电路，mos管q8的漏极连接至充电器负极连接端c-。
20.进一步，所述电池包pack包括若干个电芯或电芯组，所述电芯或电芯组依次串联，引出电池包pack的正极端b 和负极端b-，所述负极端b-串联电阻r6后接地gnd。
21.具体的，所述电芯组由若干个电芯并联组成。
22.进一步，还包括模拟前端芯片u1的供电电路，所述供电电路包括电阻r1、二极管d1和稳压二极管dz1，所述电阻r1一端连接电池包pack的正极端b ，另一端连接二极管d1的阳极，所述二极管d1的阴极连接至模拟前端芯片u1的电源信号端，所述二极管d1的阴极还与稳压二极管dz1的阴极连接，所述稳压二极管dz1的阳极接地gnd。
23.进一步，还包括放电接口电路，所述放电接口电路包括放电接口j2、电容c2和c3、二极管d2，所述放电接口j2具有放电信号端p 和放电信号端p-，所述放电信号端p 和放电信号端p-分别与电池包pack的正极端b 和负极端b-连接，实现对外部用电器件的放电，所述电容c2和c3串联后连接在放电信号端p 和放电信号端p-之间，所述二极管d2的阴极连接放电信号端p ，二极管d2的阳极连接放电信号端p-。
24.进一步，还包括用于下烧录程序的烧录接口j3，所述烧录接口j3具有mcu_3v3电源信号端、gnd信号端、swdio信号端、swclk信号端和复位信号端reset，其中，mcu_3v3电源信号端用于给mcu微处理芯片u2提供电源，swdio信号端与mcu微处理芯片u2的swdio信号引脚连接，用于用于传输数据；swclk信号端与mcu微处理芯片u2的swclk信号引脚连接，用于用于传输时钟信号；复位信号端reset与mcu微处理芯片u2的复位引脚连接，用于复位，重启。swdio信号和swclk信号是mcu的烧录接口信号，这两个信号必须同时用到才能烧录文件。
25.本实用新型的有益效果是：
26.1.电池包采用pd协议芯片，与充电器建立握手协议；
27.2.根据电池包自身电压平台，要求充电器自动输出对应充电电压；
28.3.根据电池组自身容量要求，要求充电器自动输出对应充电电流；
29.4.充电接口采用标准type c接口，节省资源，降低成本；
30.5.采用标准type c接口，可以实现正反插；
31.6.该方案可适用于电动车，电助力自行车，电摩等锂电池方案。
附图说明
32.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
33.图1是本实用新型充电系统的电路原理示意图。
34.图2是放电接口电路的原理示意图。
35.图3是烧录接口的电路原理示意图。
具体实施方式
36.现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
37.如图1所示，本实用新型的一种基于pd协议和type c充电接口的锂电池充电系统，包括模拟前端芯片u1、mcu微处理芯片u2、pd协议芯片u3、type c接口j1、电池包pack、电流采样电路、预放电路、充电开关电路以及放电开关电路，其中，所述pd协议芯片u3具有电压采集信号端v1，所述电压采集信号端v1同时与充电器正极连接端c 和放电信号端p 连接，用于采集电池包pack的充放电电压；所述typec接口j1具有充电器正极连接端c 和充电器负极连接端c-，用于与充电器连接；所述typec接口j1通过信号cc1和cc2连接至pd协议芯片u3，所述pd协议芯片u3通过i2c总线信号sda1和scl1与mcu微处理芯片u2通信；从而实现充电器与电池包pack之间的握手。
38.所述模拟前端芯片u1具有电池电压检测信号端、两路电流采样信号端、放电开关控制信号端、充电开关控制信号端和预放控制信号端pdsg，i2c总线信号sda和scl，其中，
39.所述模拟前端芯片u1通过电池电压检测信号端与电池包pack连接，用于检测电池
包pack内每个电芯的电压；所述模拟前端芯片u1通过i2c总线信号sda和scl与所述mcu微处理芯片u2通信；将采集的电芯的电压以及充放电电流传递给mcu微处理芯片u2，mcu微处理芯片u2根据电压和电流控制充电开关电路以及放电开关电路对电池包pack进行充放电。
40.所述模拟前端芯片u1通过两路电流采样信号端与电流采样电路连接，所述电流采样电路采集电池包pack的充放电电流；所述电流采样电路设置在电池包pack的负极端b-与放电信号端p-之间的总线路上。
41.所述充电开关电路设置在充电器负极连接端c-与pack的负极端b-之间的总线路上；所述放电开关电路设置在充电开关电路与电流采样电路之间的总线路上，且所述预放电路设置在充电开关电路以及pack的负极端b-之间的总线路上且与所述放电开关电路并联。
42.本实施例中作为优选模拟前端芯片u1包括但不限于型号为sh367308、isl78714、dvc1018等的锂电池bms用数字前端芯片；mcu微处理芯片u2包括但不限于型号为stm32f072cbt6、apm32f072cbt6、hc32f072系列等单片机；pd协议芯片u3包括但不限于型号为fp6606casp、ip2712、wt6632f-sg14bwt-s30的芯片。
43.所述预放电路包括三极管q1和q2，mos管q9，电阻r7、r8、r9、r10、r11、r12和r13，二极管d3，所述电阻r10和r11串联后，r10的另一端连接模拟前端芯片u1的预放控制信号端pdsg，r11的另一端接地gnd，所述三极管q2的基极连接至电阻r10和r11的公共端，所述三极管q2的发射极接地gnd，所述三极管q2的集电极依次串联电阻r9和r8后连接至电源v11，所述三极管q1的基极连接至电阻r9和r8的公共端，所述三极管q1的发射极连接电源v11，三极管q1的集电极串联电阻r12和r13后连接至mos管q9的源极，所述mos管q9的栅极连接至电阻r12和r13的公共端，所述mos管q9的漏极连接二极管d3的阴极，二极管d3的阳极串接电阻r7后连接至放电信号端p-，所述mos管q9的源极连接至电池包pack的负极b-。其中v11为12v的电源，是通过ldo稳压器将电池包pack的电压转换而来。
44.所述电流采样电路包括采样电阻rs1、电阻r4和r5，所述采样电阻rs1一端连接电池包pack的负极端b-，另一端连接至放电开关电路，所述模拟前端芯片u1的一路电流采样信号端串接电阻r4后连接至采样电阻rs1与负极端b-之间，模拟前端芯片u1的另一路电流采样信号端串接电阻r5后连接至采样电阻rs1和放电开关电路之间。
45.放电开关电路包括多个mos管，所述mos管并联后源极连接采样电阻rs1一端，漏极连接至放电信号端p-和充电器负极连接端c-，所述mos管的栅极连接至模拟前端芯片u1的放电开关控制信号端。本实施例中采用q3、q4、q5、q6和q7五个mos管并联，实现充放电的控制，通过mos管并联可以减小内阻，从而降低电路在充放电过程中的发热。
46.所述充电开关电路包括mos管q8，所述mos管q8的栅极与模拟前端芯片u1的充电开关控制信号端连接，所述mos管q8的源极连接至放电开关电路，mos管q8的漏极连接至充电器负极连接端c-。
47.所述电池包pack包括若干个电芯或电芯组，所述电芯或电芯组依次串联，引出电池包pack的正极端b 和负极端b-，所述负极端b-串联电阻r6后接地gnd。具体的，所述电芯组由若干个电芯并联组成。本实施例中电池包pack包括14个电芯，分别为b0、b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8、b9、b10、b11、b12、b13，通过模拟前端芯片u1检测的每个电芯的电压信号分别为vc0、vc1、vc2、vc3、vc4、vc5、vc6、vc7、vc8、vc9、vc10、vc11、vc12、vc13。
48.进一步，还包括模拟前端芯片u1的供电电路，所述供电电路包括电阻r1、二极管d1和稳压二极管dz1，所述电阻r1一端连接电池包pack的正极端b ，另一端连接二极管d1的阳极，所述二极管d1的阴极连接至模拟前端芯片u1的电源信号端，所述二极管d1的阴极还与稳压二极管dz1的阴极连接，所述稳压二极管dz1的阳极接地gnd。
49.如图2所示，还包括放电接口电路，所述放电接口电路包括放电接口j2、电容c2和c3、二极管d2，所述放电接口j2具有放电信号端p 和放电信号端p-，所述放电信号端p 和放电信号端p-分别与电池包pack的正极端b 和负极端b-连接，实现对外部用电器件的放电，所述电容c2和c3串联后连接在放电信号端p 和放电信号端p-之间，所述二极管d2的阴极连接放电信号端p ，二极管d2的阳极连接放电信号端p-。
50.如图3所示，还包括用于下烧录程序的烧录接口j3，所述烧录接口j3具有mcu_3v3电源信号端、gnd信号端、swdio信号端、swclk信号端和复位信号端reset，其中，mcu_3v3电源信号端用于给mcu微处理芯片u2提供电源，swdio信号端与mcu微处理芯片u2的swdio信号引脚连接，用于用于传输数据；swclk信号端与mcu微处理芯片u2的swclk信号引脚连接，用于用于传输时钟信号；复位信号端reset与mcu微处理芯片u2的复位引脚连接，用于复位，重启。
51.工作原理：
52.（1）pd协议芯片u3检测当前电池包pack电压状态；
53.（2）通过type c接口j1，将充电器接入电池包pack的充电器正极连接端c 和充电器负极连接端c-；
54.（3）充电器与电池包pack通过cc1、cc2信号完成通讯；
55.（4）电池pd协议芯片告知充电器，该电池包的电压平台，以及当前容量状态，要求充电器自动输出对应充电电压；例如：当36v锂电池搭配pd充电器充电时，电池组与充电器互相握手，通过协议芯片，要求充电器最大输出36v；而48v锂电池搭配pd充电器充电时，则要求充电器最大输出48v；
56.（5）pd协议芯片通过sda1，scl1信号，告知mcu，外部充电器与电池握手成功；
57.（6）mcu微处理芯片u2通过i2c总线的sda1和scl1信号与pd协议芯片u3通信，告知pd协议芯片u3，该bms电压平台以及电池包pack的容量大小等要求；
58.（7）pd协议芯片u3通过cc1和cc2信号通知充电器内的pd芯片，电池包pack需要的电压以及电流大小；
59.（8）完成通讯后，mcu微处理芯片u2打开充电开关mos管q8，以及三极管q1、q2和mos管q9构成的预放电路，此时预放电路作为预充回路；
60.（9）充电器正极连接端c 输入，通过保险丝f1，电池包pack的正极端b 、预充回路、充电开关mos管q8到充电器负极连接端c-，形成充电回路，通过充电器给电池包pack进行预充电；
61.（10）通过预充电形成充电回路后，mcu微处理芯片u2打开放电开关电路中并联的mos管q3—q7；
62.（11）电池包pack的模拟前端芯片u1通过采样电阻rs1采样充电电流，并通过i2c总线的sda和scl信号反馈给mcu，实时检测充电电流；避免充电过程中出现电流过大的情况带来的安全隐患。
63.（12）充电过程中pd协议芯片u3实时检测充电电压v1，通过i2c总线的sda1和scl1信号反馈给mcu微处理芯片u2；
64.（13）当mcu微处理芯片u2监测到充电电压v1或者电流出现问题时，mcu微处理芯片u2及时关断充电开关mos管q8；
65.（14）打开并联的mos管q3至q7，电池包pack通过放电接口j2对外放电；
66.（15）同样，放电过程中通过采样电阻rs1采样放电电流，实时监测放电过程中的异常，并通过mcu微处理芯片u2控制放电过程。
67.本实用新型的充电系统统一了锂电池充电协议和充电接口标准，锂电池充电技术更加方便，安全，有效。
68.以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。