多串鋰電池充電控制電路、其控制方法及通用型充電器的製造方法
2023-05-28 00:28:11
多串鋰電池充電控制電路、其控制方法及通用型充電器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及多串鋰電池充電控制電路，包括DC/DC轉換、電池包、驅動電路、恆定電壓控制、恆定電流控制、微處理器和反饋電路七個模塊，其中恆定電壓控制模塊的輸入控制端與充電器接口相連，恆定電流控制模塊的輸入控制端連接至微處理器模塊的相應管腳，反饋電路模塊連接在電池包負極與微處理器模塊的相應管腳之間，驅動電路模塊的輸入控制端分別與微處理器模塊的相應管腳、恆定電壓控制模塊的輸出端和恆定電流控制模塊的輸出端連接。本發明還涉及多串鋰電池充電控制方法及通用型充電器。本發明改善穩定性的問題，提高電路的控制精度；智能化控制，集成化程度高，簡化電路結構，控制生產成本；解決微處理器的反饋速度問題，保證反饋的實時性，減小波動。
【專利說明】多串鋰電池充電控制電路、其控制方法及通用型充電器
【技術領域】
[0001]本發明涉及充電電路領域，具體地說是一種多串鋰電池充電控制電路、其控制方法及通用型充電器。
【背景技術】
[0002]目前多節鋰電池組的應用日趨廣泛，在通用的鋰電池應用中，通常需要專門的充電器對電池包進行充電，因此充電器比較複雜，通用性差，從而造成產品成本增加。另一方面，採用現有的恆流恆壓控制電路在從恆流充電向恆壓充電的過渡過程中存在穩定性不好、精度較低等問題，影響了產品的性價比。
[0003]另一方面，在實際應用中，現有技術通過微處理器讀取電流大小，然後調整PWM輸出信號的佔空比，進而調節電流，這樣的方法對微處理器的速度要求太高，同時也無法保證反饋的實時性，從而恆流效果會很差，會出現較大的波動。
【發明內容】
[0004]針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是提供一種多串鋰電池充電控制電路，改善充電過程中存在的穩定性不好的問題，有效提高電路的控制精度，且降低對微處理器的要求且能夠保證控制效果。
[0005]為了解決上述問題，本發明實施的多串鋰電池充電控制電路，包括通過DC/DC轉換模塊與充電接口正極相連的由多節鋰電池組組成的電池包，與充電接口連接的驅動電路模塊，連接在電池包正負極的恆定電壓控制模塊和恆定電流控制模塊，還包括微處理器模塊和反饋電路模塊，其中，所述恆定電壓控制模塊的輸入控制端與充電器接口相連，所述恆定電流控制模塊的輸入控制端連接至微處理器模塊的相應管腳，所述反饋電路模塊連接在電池包負極與微處理器模塊的相應管腳之間，所述驅動電路模塊的輸入控制端分別與微處理器模塊的相應管腳、恆定電壓控制模塊的輸出端和恆定電流控制模塊的輸出端連接。
[0006]優選的，所述恆定電壓控制模塊中設置有一比較器U1A，所述比較器UlA的反相輸入端通過電阻R13與開關元件Q4非控制埠連接，其同相輸入端通過電阻R15接入參考電壓Vref、通過電阻R16與微處理器模塊的對應管腳連接，並在該同相輸入端設置節點VP ;開關元件Q4的控制端通過電阻R3與充電器接口相連。
[0007]優選的，所述恆定電流控制模塊中設置有一比較器U1B，所述比較器UlB的反相輸入端連接至電阻R22和電阻R23之間的節點處，其同相輸入端通過電阻R19與開關元件Q5的非控制埠連接、通過電阻R20接入參考電壓Vref，並在該同相輸入端設置節點CP;開關元件Q5的控制端通過電阻R17與微處理器模塊的對應管腳連接。
[0008]優選的，所述反饋電路模塊中設置有一比較器U1C，所述比較器UlC的反相輸入端連接至電阻R24和電阻R25之間的節點處，並通過電阻R24連接至比較器UlC的輸出端，其同相輸入端通過上拉電阻R27接入參考電壓Vref，串聯在充電接口邏輯地端與地端之間的電流採樣電阻RCSl通過兩端分別接入電阻R25電阻R26後與電容C9並聯，並最後連接於所述比較器UlC的反相輸入端與其同相輸入端之間；所述比較器UlC的輸出端通過電阻R22、電阻R23與微處理器模塊的對應管腳連接。
[0009]為解決上述問題，本發明還提供一種多串鋰電池充電控制方法，該方法為:
51、插入電源；
52、檢測並判斷電源適配器是否匹配，若是，執行下一步操作，否則，結束充電過程；
53、檢測並判斷電池電壓是否小於充電恢復電壓，若是，執行下一步操作，否則，結束充電過程；
54、檢測並判斷單節電池電壓是否小於預充門限電壓，若是，執行下一步操作，否則，進入快充模式並循環執行此步驟；
55、檢測並判斷單節電池電壓是否小於涓流充電門限電壓，若是，進入預充模式並執行步驟S4，否則，進入涓流充電模式。
[0010]優選的，步驟S2包括以下步驟:
521、電源管理系統檢測充電器的空載輸出電壓；
522、當空載輸出電壓落入預設區間內時，可判斷為電源適配器與充電器匹配，否則判斷為不匹配。
[0011]優選的，步驟S4中所述快充模式下，充電電流恆定，設置為0.5C或1C。
[0012]優選的，其特徵在於，步驟S5中所述預充模式下，充電電流恆定，設置為0.1C 優選的，其特徵在於，步驟S5中所述涓流充電模式下，
Sal、以涓流起始充電電流開始充電,並檢測實時充電電流和單節電池電壓；
Sa2、當實時充電電流小於過充門限電流值和/或單節電池電壓高於過充門限電壓時，停止充電，並指示充電結束，否則，持續恆壓充電；
其中，涓流起始充電電流設置為0.1C。
[0013]為解決上述問題，本發明還提供一種通用型充電器，其特徵在於，該充電器內置上述的充電控制電路。
[0014]與現有技術相比，本發明具有如下優點:一、採用MCU結合比較器完成恆流恆壓控制，有效改善充電過程中存在的穩定性不好的問題，且能夠有效提高電路的控制精度。二、利用MCU可實現智能化控制，且集成化程度高，將原來硬體控制轉換為軟體控制，大大減少了硬體的使用，簡化了電路結構，可有效控制生產成本。三、對於佔空比的調節，通過硬體反饋的方法來實現，從而解決了微處理器反饋速度慢的問題，有效保證了反饋的實時性，保證了橫流效果，減小波動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明實施的多串鋰電池充電控制電路示意圖。
[0016]圖2為本發明實施的多串鋰電池充電控制電路圖。
[0017]圖3為圖2中的DC/DC轉換模塊內部電路圖。
[0018]圖4為圖2中的驅動電路模塊內部電路圖。
[0019]圖5為圖2中的恆定電壓控制模塊內部電路圖。
[0020]圖6為本圖2中的恆定電流控制模塊內部電路圖。
[0021]圖7為圖2中的反饋電路模塊內部電路圖。
[0022]圖8為本發明實施的多串鋰電池充電控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0023]為了讓本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明作進一步闡述。
[0024]本發明的【具體實施方式】如圖1所示，一種多串鋰電池充電控制電路，包括通過DC/DC轉換模塊I與充電接口正極相連的由多節鋰電池組組成的電池包2，與充電接口連接的驅動電路模塊3，連接在電池包2正負極的恆定電壓控制模塊4和恆定電流控制模塊5，還包括微處理器模塊6和反饋電路模塊7，其中，所述恆定電壓控制模塊4的輸入控制端與充電器接口相連，所述恆定電流控制模塊5的輸入控制端連接至微處理器模塊6的相應管腳，所述反饋電路模塊7連接在電池包2負極與微處理器模塊6的相應管腳之間，所述驅動電路模塊3的輸入控制端分別與微處理器模塊6的相應管腳、恆定電壓控制模塊4的輸出端和恆定電流控制模塊5的輸出端連接。圖中，充電接口與電源適配器接口一致。
[0025]作為本發明的具體實施例，開關元件Ql?Q3採用三極體，開關元件Q4?Q5採用MOS管，比較器UlA?UlC採用集成運放，具體電路如圖2?圖7所示。恆定電壓控制模塊4中設置有一比較器U1A，所述比較器UlA的反相輸入端通過電阻R13與開關元件Q4非控制埠連接，其同相輸入端通過電阻R15接入參考電壓Vref、通過電阻R16與微處理器模塊6的對應管腳連接，並在該同相輸入端設置節點VP ;開關元件Q4的控制端通過電阻R3與充電器接口相連。其電路工作原理如下:當電池包2兩端電壓上升時，比較器UlA的反相輸入端電壓會上升，當超過節點VP的電壓時，則比較器UlA輸出低電平，從而強制三極體Ql的基極電壓降低，致使開關元件QCl關閉，電池包2兩端電壓下降，最終使得UlA的反相輸入端電壓會下降；當低於節點VP的電壓時，則比較器UlA輸出高阻，這時CH_PWM又恢復工作，從而繼續控制開關元件QCl的開關動作。其中，圖中電阻R16的一端接微處理器U3輸出的電信號ADJ_0VP，電信號ADJ_0VP是MCU的DA輸出埠，其作用是用於對恆壓控制的精度進行校準。
[0026]恆壓控制的精度校準原理為:當節點VP的電壓高於目標電壓數值時，通過降低輸出電信號Vadj的數值大小，就可以降低節點VP的電壓；同理，當節點VP的電壓低於目標電壓數值時，通過增加電信號Vadj的數值大小，就可以提高節點VP的電壓。
[0027]其中，目標電壓數值的設定準則是，使得當恆壓控制時，電池兩端電壓在參數需要的範圍內即可。
[0028]恆定電流控制模塊5中設置有一比較器U1B，所述比較器UlB的反相輸入端連接至電阻R22和電阻R23之間的節點處，其同相輸入端通過電阻R19與開關元件Q5的非控制埠連接、通過電阻R20接入參考電壓Vref，並在該同相輸入端設置節點CP;開關元件Q5的控制端通過電阻R17與微處理器模塊6的對應管腳連接。其電路工作原理如下:當充電電流增加時，比較器UlB的反相輸入端電壓會上升，當超過節點CP的電壓時，則比較器UlB輸出低電平，從而強制三極體Ql的基極電壓降低，致使開關元件QCl關閉，充電電流降低，最終使得比較器UlB的反相輸入端電壓會下降；當低於節點CP的電壓時，則比較器UlB輸出高阻，這時CH_PWM又恢復工作，從而繼續控制開關元件QCl的開關動作。其中，圖中的電阻R23和電容CS的數值需根據反饋的需求進行調整，以保證此反饋循環穩定性的要求，通常情況下，電阻R23和電容C8組成的濾波器，其充放電時間常數t = R*C應小於電信號CH_PWM的輸出周期。
[0029]反饋電路模塊7中設置有一比較器U1C，所述比較器UlC的反相輸入端連接至電阻R24和電阻R25之間的節點處，並通過電阻R24連接至比較器UlC的輸出端，其同相輸入端通過上拉電阻R27接入參考電壓Vref，串聯在充電接口邏輯地端與地端之間的電流採樣電阻RCSl通過兩端分別接入電阻R25電阻R26後與電容C9並聯，並最後連接於所述比較器UlC的反相輸入端與其同相輸入端之間；所述比較器UlC的輸出端通過電阻R22、電阻R23與微處理器模塊6的對應管腳連接。電流採樣放大反饋的工作原理是:微處理器U3的AD轉換管腳讀取當前經過放大後穩定的充電電流平均值，並當此充電電流低於小電流關斷設定值後，則結束充電。
[0030]其中，參考電壓Vref為穩定的參考源電壓。
[0031]電阻R6?R11、穩壓管Zl和三極體Ql?Q3組成驅動電路模塊3，用於對開關元件QCl進行開關控制。二極體D1、電容Cl、開關元件QCl、二極體D2、電感L1、電容C2及微處理器U3組成一個降壓型的DC/DC轉換線路。當開關元件QCl打開後，電源適配器通過電感LI給電容C2充電，從而電容C2電壓升高；當QCl關閉後，由於電感LI的電流不會突變，其繼續通過二極體D2給電容C2充電，從而使得電感LI的電流逐步減少，如此不斷循環，就組成了 DC/DC的電壓轉換。其中，微處理器U3通過相應管腳輸出電信號CH_PWM用以控制開關元件QCl的通斷，以達到降壓的功能。
[0032]本發明的具體實施例還提供一種多串鋰電池充電控制方法，該方法為:
51、插入電源；
52、檢測並判斷電源適配器是否匹配，若是，執行下一步操作，否則，結束充電過程； 其中，步驟S2包括以下步驟:
521、電源管理系統檢測充電器的空載輸出電壓；
522、當空載輸出電壓落入預設區間內時，可判斷為電源適配器與充電器匹配，否則判斷為不匹配。
[0033]當插入電源適配器後，微處理器模塊6中的U3通過AD轉換讀取電信號CH_IN的電壓，電信號CH_IN的電壓為電阻Rl與電阻R2之間的節點電壓；根據由電阻Rl和電阻R2組成的分壓網絡的電阻分配比例，就可以得到電源適配器此時的空載電壓。需要說明的是，沒有開始充電前，開關元件QCl處於關閉狀態。如果空載輸出電壓過高或過低，則認為電源適配器不匹配，不進行充電操作。
[0034]S3、檢測並判斷電池電壓是否小於充電恢復電壓，若是，執行下一步操作，否則，結束充電過程；
其中，電池電壓可通過在電池包2正極處設置節點VBAT+，利用微處理器U3的AD轉換管腳讀取節點VBAT+的電壓值。一般情況下，充電恢復電壓會比過充門限電壓低0.2V，假設過充門限電壓為4.25V，則充電恢復電壓為4.05V，當電池電壓高於充電恢復電壓時，則認為電池已經充滿，不會啟動充電。
[0035]S4、檢測並判斷單節電池電壓是否小於預充門限電壓，若是，執行下一步操作，否貝U，進入快充模式並循環執行此步驟；
其中，在快充模式下，充電電流恆定，設置為0.5C或1C。
[0036]C為電池容量，假設電池容量為2000mAh，則快充電流最佳數值應設置為IA或2A。
[0037]本實施例中，預充門限電壓設置為3.0V。
[0038]S5、檢測並判斷單節電池電壓是否小於涓流充電門限電壓，若是，進入預充模式並執行步驟S4，否則，進入涓流充電模式。
[0039]其中，在預充模式下，充電電流恆定，設置為0.1C。
[0040]C為電池容量，假設電池容量為2000mAh，則預充電流最佳數值應設置為200mA。[0041 ] 一般情況下，涓流充電門限電壓會低於過充門限電壓0.1V，假設過充門限電壓為4.25V,則涓流充電門限為4.15V
在涓流模式下，充電器會調整輸出，以涓流電流進行充電，同時，充電器要進入恆壓保護狀態，防止過充電，也就是充電器需要進入恆流恆壓狀態。通常涓流起始充電電流與預充電流相同。
[0042]在步驟S5中所述涓流充電模式下，包含以下步驟:
Sal、以涓流起始充電電流開始充電,並檢測實時充電電流和單節電池電壓；
Sa2、當實時充電電流小於過充門限電流值和/或單節電池電壓高於過充門限電壓時，停止充電，並指示充電結束，否則，持續恆壓充電；
其中，涓流起始充電電流設置為0.1C。
[0043]過充門限電流值一般為涓流起始電流的0.5倍。
[0044]需要說明的是，IC是個邏輯概念而非絕對值，因此根據IC折算的快充慢充也是一個相對值。
[0045]預充電流，快充電流，涓流電流為預設值。由於預充電流，快充電流，涓流電流在一般情況下是不相同的，因此需要控制節點CP的電壓不同，從而實現不同的電流控制。本實施例中，預充電流，涓流電流相同。圖中通過電阻R17、電阻R18、電阻R19和MOS管Q5來實現。具體工作過程如下:
當微處理器的輸出電信號SEL_CUR為低電平時，MOS管Q5關斷，此時為快充電流設置，節點CP的電壓為:
Vcp = Vref *R21/(R20+R21)
當微處理器的輸出電信號SEL_CUR為高電平時MOS管，Q5開啟，此時為預充或涓流電流設置，節點CP的電壓為:
Vcp = Vref * (R21//R19) /(R20+R21//R19)。
[0046]本發明的具體實施例還提供一種充電器，該充電器內置上述的充電控制電路。
[0047]需要說明的是，在本實施例中，未詳細展開進行闡述的地方，均為本領域技術人員可根據現有公知常識與實踐經驗來實現，如:對單節電池電壓的讀取為現有技術。
[0048]以上所述為本發明的較佳實施方式，並非對本發明作任何形式上的限制。需要說明的是，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
【權利要求】
1.一種多串鋰電池充電控制電路，包括通過DC/DC轉換模塊(I)與充電接口正極相連的由多節鋰電池組組成的電池包(2 )，與充電接口連接的驅動電路模塊(3 )，連接在電池包正負極的恆定電壓控制模塊(4)和恆定電流控制模塊(5)，其特徵在於:還包括微處理器模塊(6)和反饋電路模塊(7)，其中，所述恆定電壓控制模塊的輸入控制端與充電器接口相連，所述恆定電流控制模塊的輸入控制端連接至微處理器模塊的相應管腳，所述反饋電路模塊連接在電池包負極與微處理器模塊的相應管腳之間，所述驅動電路模塊的輸入控制端分別與微處理器模塊的相應管腳、恆定電壓控制模塊的輸出端和恆定電流控制模塊的輸出端連接。
2.根據權利要求1所述的多串鋰電池充電控制電路，其特徵在於，所述恆定電壓控制模塊(4)中設置有一比較器U1A，所述比較器UlA的反相輸入端通過電阻R13與開關元件Q4非控制埠連接，其同相輸入端通過電阻R15接入參考電壓Vref、通過電阻R16與微處理器模塊的對應管腳連接，並在該同相輸入端設置節點VP ;開關元件Q4的控制端通過電阻R3與充電器接口相連。
3.根據權利要求1所述的多串鋰電池充電控制電路，其特徵在於，所述恆定電流控制模塊(5)中設置有一比較器U1B，所述比較器UlB的反相輸入端連接至電阻R22和電阻R23之間的節點處，其同相輸入端通過電阻R19與開關元件Q5的非控制埠連接、通過電阻R20接入參考電壓Vref，並在該同相輸入端設置節點CP;開關元件Q5的控制端通過電阻R17與微處理器模塊的對應管腳連接。
4.根據權利要求1所述的多串鋰電池充電控制電路，其特徵在於，所述反饋電路模塊(7)中設置有一比較器U1C，所述比較器UlC的反相輸入端連接至電阻R24和電阻R25之間的節點處，並通過電阻R24連接至比較器UlC的輸出端，其同相輸入端通過上拉電阻R27接入參考電壓Vref，串聯在充電接口邏輯地端與地端之間的電流採樣電阻RCSl通過兩端分別接入電阻R25電阻R26後與電容C9並聯，並最後連接於所述比較器UlC的反相輸入端與其同相輸入端之間；所述比較器UlC的輸出端通過電阻R22、電阻R23與微處理器模塊的對應管腳連接。
5.—種多串鋰電池充電控制方法，其特徵在於，該方法為: 51、插入電源適配器； 52、檢測並判斷電源適配器是否匹配，若是，執行下一步操作，否則，結束充電過程； 53、檢測並判斷電池電壓是否小於充電恢復電壓，若是，執行下一步操作，否則，結束充電過程； 54、檢測並判斷單節電池電壓是否小於預充門限電壓，若是，執行下一步操作，否則，進入快充模式並循環執行此步驟； 55、檢測並判斷單節電池電壓是否小於涓流充電門限電壓，若是，進入預充模式並執行步驟S4，否則，進入涓流充電模式。
6.根據權利要求5所述的多串鋰電池充電控制方法，其特徵在於，步驟S2包括以下步驟: 521、電源管理系統檢測充電器的空載輸出電壓； 522、當空載輸出電壓落入預設區間內時，可判斷為電源適配器與充電器匹配，否則判斷為不匹配。
7.根據權利要求5所述的多串鋰電池充電控制方法，其特徵在於，步驟S4中所述快充模式下，充電電流恆定，設置為0.5C或1C。
8.根據權利要求5所述的多串鋰電池充電控制方法，其特徵在於，其特徵在於，步驟S5中所述預充模式下，充電電流恆定，設置為0.1C。
9.根據權利要求5所述的多串鋰電池充電控制方法，其特徵在於，其特徵在於，步驟S5中所述涓流充電模式下， Sal、以涓流起始充電電流開始充電,並檢測實時充電電流和單節電池電壓； Sa2、當實時充電電流小於過充門限電流值或單節電池電壓高於過充門限電壓時，停止充電，並指示充電結束，否則，持續恆壓充電； 其中，涓流起始充電電流設置為0.1C。
10.一種通用型充電器，其特徵在於，該充電器內置權利要求1-5中任一所述的充電控制電路。
【文檔編號】H02J7/00GK104377770SQ201410660189
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月19日 優先權日:2014年11月19日
【發明者】劉輝, 徐文賦, 朱立湘, 任素雲, 李潤朝 申請人:惠州市藍微電子有限公司