一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置的製作方法

2023-12-10 05:28:26

專利名稱：一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及充電技術領域，尤其涉及一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置。
背景技術：
現有充電電池的集成充電管理晶片所能達到的最高充電電壓有限，以鋰離子電池集成充電晶片為例，現有集成鋰離子充電晶片最多可以給6節串聯電池充電，則電池的最大輸出電壓為25. 2V。但在許多工業應用中要求電池的輸出電壓可達36V，因此集成充電晶片無法滿足這類需求。以鋰離子充電電池為例，在恆流恆壓充電方法中其充電過程為先恆流充電，當電池電壓達到預置電壓後再轉入恆壓充電。在恆壓充電階段，通過檢測充電電流的變化，決定是否結束充電。對於恆流恆壓充電過程的兩個階段，可以簡單認為是兩種電源在起作用一個恆流源，一個是恆壓源。無論是恆流源還是恆壓源都屬於直流電源。直流電源的產生方法很多，一般可分為線性電源和開關電源兩種。如圖I所示為現有技術中線性恆流源的原理圖，其中誤差放大器負輸入端連接於基準電壓VKEF，誤差放大器正輸入端連接輸出電流反饋。如圖2所示為現有技術中boost拓撲結構的開關恆流電源原理圖，開關電源基本電路包括誤差放大器、基準電壓源、鋸齒波發生器、PWM比較器、開關管、二極體和電感等，圖中Zl和Z2是電阻電容組成的補償網絡，Vfb是電流反饋轉換後的電壓信號，Vin是電壓源，Veef是基準電壓。本實用新型的實用新型人發現上述現有技術至少存在以下不足，現有技術只是通過反饋控制實現對電池充電區分為恆流源充電和恆壓源充電兩個階段，但是在恆流充電階段電流不可調，無法適應具有不同充電電流要求的電池，應用範圍窄，並且為了應對多種充電電流需要多個充電器來進行匹配，這樣造成了資源浪費。

實用新型內容本實用新型實施例提供一種在恆流源充電階段輸出電流可調的充電裝置，用於解決現有技術中恆流充電過程中電流不可調，造成充電效率低，並且對於不同電流的電池來說，充電成本高的問題。本實用新型實施例提供了一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置，包括，充電驅動部分，電流採樣單元，控制單元；所述充電驅動部分對電池進行充電；所述電流採樣單元將充電的輸出電流進行採樣，並將採樣到的電流值轉換為電壓
信號;所述控制單元輸出設定電壓，該設定電壓與所述電流採樣單元輸出的電壓信號合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分。根據本實用新型實施例提供的一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置的一個進一步的方面，所述控制單元輸出的設定電壓和所述電流採樣單元輸出的電壓信號直接合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分，或者所述控制單元與所述電流採樣單元共同連接到電流反饋單元，所述電流反饋單元將所述設定電壓和所述電壓信號合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分。根據本實用新型實施例提供的一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置的再一個進一步的方面，電壓採樣單元和電壓反饋單元，所述電壓採樣單元採集電池的電壓，將電池電壓傳送給電壓反饋單元，所述電壓反饋單元將所述電池電壓作為電壓的反饋電壓反饋給充電驅動部分；所述電流的反饋電壓與所述電壓的反饋電壓並聯，如果電流的反饋電壓比電壓的反饋電壓高，則電流的反饋電壓向充電驅動部分輸出反饋，如果電壓的反饋電壓比電流的 反饋電壓高，則電壓的反饋電壓向充電驅動部分輸出反饋。根據本實用新型實施例提供的一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置的另一個進一步的方面，所述控制單元，還用於獲取電壓採樣單元採集的電池電壓，當所述電池電壓低於第一門限值時，則通過設定電壓調節充電驅動部分對電池進行小電流預充電；當所述電池電壓大於所述第一門限值時，則通過設定電壓調節充電驅動部分對電池進行相應的恆流充電；當所述電池電壓大於第二門限值時，則電壓的反饋電壓大於電流的反饋電壓，對所述電池進行恆壓充電；當所述充電驅動部分輸出電流小於第三門限值時，則控制單兀輸出控制信號結束對電池的充電。根據本實用新型實施例提供的一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置的另一個進一步的方面，還包括溫度傳感器，與所述控制單元相連接，用於採集電池的溫度，當所述電池的溫度超過門限值時，所述控制單元調節設定電壓，降低充電驅動部分輸出的充電電流。通過本實用新型實施例的裝置和方法，可以針對不同充電電流的電池進行充電，降低充電成本。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本實用新型的限定。在附圖中圖I所示為現有技術中線性恆流源的原理圖；圖2所示為現有技術中boost拓撲結構的開關恆流電源原理圖；圖3為本實用新型實施例提供的一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置的結構圖；圖4所示為本實用新型實施例一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電方法流程圖；圖5所示為本實用新型實施例boost拓撲結構開關型電源在恆流充電階段輸出電流可調的電路原理圖；圖6為本實用新型實施例boost拓撲結構開關型可實現恆流恆壓充電的充電電路原理圖；圖7a所示為本實用新型實施例線性電源晶片REG1117-3. 3的電路圖；圖7b為本實用新型實施例集成線性電源晶片LP2951的電路圖；圖8所示為本實用新型實施例控制單元的電路圖；圖9所述為本實用新型實施例充電驅動部分的結構圖；圖10所示為本實用新型實施例電流反饋單元、電壓反饋單元和恆流源的電路示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例 和附圖，對本實用新型實施例做進一步詳細說明。在此，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，但並不作為對本實用新型的限定。如圖3為本實用新型實施例提供的一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置的結構圖。包括充電驅動部分301，電流採樣單元302，控制單元303。所述充電驅動部分301對電池進行充電。所述電流採樣單元302將充電的輸出電流進行採樣，並將採樣到的電流值轉換為電壓信號。所述控制單元303輸出設定電壓，該設定電壓與所述電流採樣單元302輸出的電壓信號合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分301。所述充電驅動部分301可以為線性充電設備，或者boost拓撲結構開關型充電設備，或者還可以為buck拓撲結構開關型充電設備，或者其它類型的充電設備。所述控制單元303輸出的設定電壓和所述電流採樣單元302輸出的電壓信號直接合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分301，或者所述控制單元303與所述電流採樣單元302共同連接到電流反饋單元307，該電流反饋單元307將所述設定電壓和所述電壓信號合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分301，其中電流反饋單元307作為一個實施例，可以為運算放大器，所述控制單元303與所述電流採樣單元302共同連接到運算放大器的正向輸入端，所述運算放大器連接成正向放大電路，其輸出連接到所述充電驅動部分301。所述充電裝置還包括電壓採樣單元305和電壓反饋單元306，所述電壓採樣單元305採集電池的電壓，將電池電壓傳送給電壓反饋單元306，所述電壓反饋單元306將所述電池電壓作為電壓的反饋電壓反饋給充電驅動部分301。如果電流的反饋電壓由控制單元303輸出的設定電壓和所述電流採樣單元302輸出的電壓信號直接合成，所述電流的反饋電壓和所述電壓的反饋電壓並聯，當電流的反饋電壓比電壓的反饋電壓高，則電流的反饋電壓向充電驅動部分301輸出反饋，當電壓的反饋電壓比電流的反饋電壓高，則電壓的反饋電壓向充電驅動部分301輸出反饋。如果所述控制單元303與所述電流採樣單元302共同連接到電流反饋單元307，則由所述電流反饋單元307和所述電壓反饋單元306並聯實現所述電流的反饋電壓和所述電壓的反饋電壓並聯，如果電流反饋單元307的電壓比電壓反饋單元306的電壓高，則電流反饋單元307向充電驅動部分301輸出反饋,如果電壓反饋單元307的反饋電壓比電流反饋單元306的反饋電壓高，則電壓反饋單元306向充電驅動部分301輸出反饋。所述電流反饋單元輸出的反饋電壓和電壓反饋單元輸出的反饋電壓的高低是由充電過程的階段決定的，在電池充電的開始階段，充電電流是設定值，這時的電池電壓還比較低，電流反饋單元輸出的反饋電壓就大於電壓反饋單元輸出的電壓反饋，充電階段是處於恆流充電階段。充電時電池電壓逐漸上升，當上升到一定值後，電壓反饋單元輸出的反饋電壓就大於電流反饋單元輸出的反饋電壓，此時就進入了恆壓充電階段，在此階段電池電壓不再上升，但充電電流逐漸下降。所述控制單元303通過脈衝寬度調製(PWM)信號進行設定電壓的設定調節。所述控制單元303，還用於獲取電壓採樣單元305採集的電池電壓，當所述電池電壓低於第一門限值時，則通過設定電壓調節充電驅動部分301對電池進行小電流預充電，在預充電階段，可以將設定電壓設定大一些，這樣可以實現小電流的預充電；當所述電池電 壓大於所述第一門限值時，則通過設定電壓調節充電驅動部分301對電池進行相應的恆流充電，可以將設定電壓設定小一些，這樣可以增大充電電流的輸出，；當所述電池電壓大於第二門限值時，則電壓反饋單元的反饋電壓大於電流反饋單元的反饋電壓，對所述電池進行恆壓充電；當所述輸出電流小於第三門限值時，則控制單元輸出控制信號給充電驅動部分301結束對電池的充電。還可以包括溫度傳感器304，檢測電池的溫度，當電池溫度超過門限值時，所述控制單元303調節設定電壓降低充電電流。通過上述實施例，在充電電源中可以在恆流充電階段調節電流，以此，或者以儘可能允許的電流充電使得充電更加快捷，或者適應外部環境的變化降低充電電流，例如電池溫度過高時可以降低充電電流，以保證電池的安全；並且可以根據不同電池對恆流充電時充電電流的要求靈活調節，提高了充電電源的適應性，節省了成本。如圖4所示為本實用新型實施例一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電方法流程圖。包括步驟401，在充電驅動部分對電池充電過程中將充電的輸出電流進行採樣，並將採集到的電流值轉換為電壓信號。步驟402，輸出設定電壓與所述電流採樣單元輸出的電壓信號合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分。在上述步驟402中，輸出的設定電壓和所述電流採樣單元輸出的電壓信號直接合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分，或者輸出設定電壓與所述電流採樣單元輸出的電壓信號共同連接到電流反饋單元，所述電流反饋單元將所述設定電壓和所述電壓信號合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分。該電流反饋單元可以為運算放大器。所述方法還包括，採集電池的電壓，將電池電壓傳送給電壓反饋單元，所述電壓反饋單元將所述電池電壓作為電壓的反饋電壓反饋給充電驅動部分。如果電流的反饋電壓由控制單元輸出的設定電壓和所述電流採樣單元輸出的電壓信號直接合成，所述電流的反饋電壓和所述電壓的反饋電壓並聯，當電流的反饋電壓比電壓的反饋電壓高，則電流的反饋電壓向充電驅動部分輸出反饋，當電壓的反饋電壓比電流的反饋電壓高，則電壓的反饋電壓向充電驅動部分輸出反饋。[0054]如果所述控制單元與所述電流採樣單元共同連接到電流反饋單元，則由所述電流反饋單元和所述電壓反饋單元並聯實現所述電流的反饋電壓和所述電壓的反饋電壓並聯，如果電流反饋單元的反饋電壓比電壓反饋單元的反饋電壓高，則由電流反饋單元向充電驅動部分輸出反饋，如果電壓反饋單元的反饋電壓比電流反饋單元的電壓高，則由電壓反饋單兀向充電驅動部分輸出反饋。還可以通過脈衝寬度調製(PWM)信號進行設定電壓的設定調節。在上述方法中還包括，獲取電壓採樣單元採集的電池電壓，當所述電池電壓低於第一門限值時，則通過設定電壓調節充電驅動部分對電池進行小電流預充電；當所述電池電壓大於所述第一門限值時，則通過設定電壓調節充電驅動部分對電池進行相應的恆流充電；當所述電池電壓大於第二門限值時，則電壓的反饋電壓大於電流的反饋電壓，系統自動進入恆壓充電；當所述輸出電流小於第三門限值時，則控制單元輸出控制信號到充電驅動部分結束對電池的充電。在上述方法中，還包括採集電池的溫度的步驟，當所述電池的溫度超過門限值時，通過調節設定電壓降低向電池輸出的充電電流。 通過上述實施例，在充電電源中可以在恆流充電階段調節電流適應不同的電池狀態，如電池溫度合適時儘可能的加大充電電流，電池溫度過高時降低充電電流，並且可以根據不同電池容量來調整恆流充電時的充電電流，增加了電路的適應性和應用範圍，節省了成本。如圖5所示為本實用新型實施例boost拓撲結構開關型電源在恆流充電階段輸出電流可調的電路原理圖。如圖所示，輸出電流I通過電流採樣單元501採集並轉換為電壓V1,和設定電壓Viset相合併後輸出至由電阻電容組成的補償網絡Z1，在充電驅動部分502的反饋控制下輸出可調的充電電流，在本例中還可以在輸出到Zl的反饋電壓Vfb時通過運算放大器503將V1和Viset合併，其中VFB、VI和Viset之間的關係可以如下所示
R1 + R2 ^ R4R1 + R2, R3x Vfb =-*-V1 +-*-Viset (式 I)
R2 R3+R4R2 R3 + R4忽略Zl上的電流，則Vfb等於基準電壓Vkef，所以
R1 + R2 ^ R4Rl + R2 ^ R3xVref =-*-V1 +-*-Viset (式 2)
^ R2 R3+R4 1 R2 R3 + R4 ISET由式2得到
r nR2 ±R3 + R4Tr R3Tr …、
0065 1 ~ Ri + R2 R4 卿_114 iset由上式3可知，可以通過調節Viset來改變V1,也就是說通過調節Viset來確定輸出電流I。在上述圖5中由運算放大器503合併輸出電流轉換後的電壓V1和設定電壓Viset可以構成電流反饋單元504，其中圖5中的Rl和R2構成了運算放大器的負反饋電路，在圖5的基礎上可以增加電壓反饋單元505，如圖6所示，圖6為本實用新型實施例boost拓撲結構開關型可實現恆流恆壓充電的充電電路原理圖，在圖6的實施例中通過分壓電阻R7和R8對電池電壓進行採樣，Vbat為電壓採樣結果，在電流反饋單元504和電壓反饋單元505中分別加入單向導通的二極體，使得同一時間只能有一路信號可以作為Vfb反饋到充電驅動部分502的Z1，這樣可以使得在充電過程中，當恆流充電階段由於電流採樣的結果V1和設定電壓Viset的合併電壓比電壓採樣結果Vbat高，因此導通電流反饋，調節Viset時使得輸出電流可以改變，達到在恆流充電階段的充電電流可調的目的；當電壓採樣結果Vbat的電壓高於電流採樣的結果V1和設定電壓Viset的合併電壓，則導通電壓反饋，充電驅動部分502對電池進行恆壓充電。上述圖5和圖6隻是本實用新型實施例的舉例，對於線性電源或者buck拓撲結構的充電也同樣適用。如圖7a所示為本實用新型實施例線性電源晶片REG1117-3. 3的電路圖，圖7b為本實用新型實施例集成線性電源晶片LP2951的電路圖。其中，系統由一片集成線性電源芯 片LP2951及其輸入輸出電容組成+5V電源電路，把外部直流電壓+15V轉換成+5V，+5V電源通過線性電源晶片REGl117-3. 3電路獲得+3. 3V電源，其中，+3. 3V給系統的控制單元和其它數字晶片接口供電；+5V給電流採樣單元和電壓採樣單元供電。如圖8所示為本實用新型實施例控制單元的電路圖，控制單元U3利用自身集成的12位模數轉換器實現對輸出電流和電池電壓的獲取，引腳61是充電電流信號的輸入，引腳60是電池電壓信號的輸入，引腳18是PWM信號的輸出，用於控制設定電壓Viset，引腳44是充電使能控制的輸出。外部電源上電後，控制單元啟動，首先引腳44輸出高電平，將U7的引腳I電平拉低來禁止充電，然後，控制單元採樣電池電壓，根據電池電壓的值決定是否進行電池的小電流預充電。若電池電壓低於第一門限值，則電池先進行小電流預充電，當電池電壓超過第一門限值後進入大電流恆流充電。在充電過程中，控制單元不斷採樣充電電流和電池電壓，進入恆壓充電後，當充電電流小於預設值後，認為電池充滿電，控制單元引腳44輸出高電平，將U7引腳I的電平拉低來禁止充電，從而結束充電。該控制單元可以採用12位、14位或16位的模數轉換器，因此恆流充電電流的調節步距可以做到12位、14位或16位等很高的分辨力，控制單元可以輸出相應分辨能力的設定電壓。如圖9所述為本實用新型實施例充電驅動部分的結構圖。其中包括充電驅動部分901，電壓採樣單元902，電流採樣單元903，充電主電路採用boost拓撲結構，充電驅動部分901的主要部分晶片TL2843(U7)的引腳6輸出PWM波形驅動NMOS管(VTl)，當NMOS管(VTl)導通時，外部電源的能量儲存在電感L3中，當NMOS光(VT3)關斷時，電感L3儲存的能量輸出給電池充電。圖中虛線框部分分別是電壓採樣單元902和電流採樣單元903，電池電壓採樣信號同時給到控制單元的引腳60(見圖8)和電壓反饋單元(見圖10的電壓反饋單元1002)；充電電流採樣信號同時給到控制單元的引腳61 (見圖8)和電流反饋單元(見圖10的電流反饋單元1001)。電池電壓採樣信號和充電電流採樣信號經恆流源電路(見圖10的恆流源電路1003)處理後，反饋到充電驅動部分901的TL2843(U7)的引腳2實現反饋控制。如圖10所示為本實用新型實施例電流反饋單元、電壓反饋單元和恆流源的電路示意圖。其中包括，電流反饋單元1001，其輸出信號標記為IF，電壓反饋單元1002，其輸出信號標記為VF，控制電路用到的恆流源1003。通過二極體VDl和VD2，信號IF和VF實現並聯。在恆流充電階段，信號IF大於信號VF，實現電流反饋控制；當電池電壓逐漸上升到電池滿電壓值後，信號VF將大於信號IF，反饋控制過渡到恆壓控制模式，實現恆壓控制。在恆壓控制階段，充電電流逐漸減小，當控制單元檢測到充電電流小於充電截止電流值時，通過控制單元引腳44輸出高電平而停止充電。恆流充電電流大小可以通過控制單元的引腳18輸出的PWM波形來設定。原理是不同佔空比的PWM信號經過由電阻電容組成的低通濾波器後轉變為不同幅值的直流電壓信號，該電壓信號在電流反饋單元的運算放大器UlA處與充電的電流採樣轉換後的電壓信號相加後作為最終的充電電流的反饋信號。當控制單元的引腳18輸出低電平時，可得到最大恆流充電電流，當控制單元的引腳18輸出最大佔空比的PWM波形時,可獲得最小恆流充電電流。通過本實用新型實施例提供的裝置和方法，可以實現對多種容量的電池進行充電；並且不改變電源轉換電路反饋的動態性能，加入的設定電路，在電路的交流分析中不起任何作用，所以電路的動態性能不受影響；通過PWM信號轉換為模擬信號從而調節設定電壓還可以進一步降低系統成本；並且通過控制單元的處理精度的提高，可以更加細緻的調節設定電壓，從而實現對電池充電的進一步細緻調控。 以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，並不用於限定本實用新型的保護範圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置，其特徵在於包括， 充電驅動部分，電流採樣單元，控制單元； 所述充電驅動部分對電池進行充電； 所述電流採樣單元將充電的輸出電流進行採樣，並將採樣到的電流值轉換為電壓信號; 所述控制單元輸出設定電壓，該設定電壓與所述電流採樣單元輸出的電壓信號合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述控制單元輸出的設定電壓和所述電流採樣單元輸出的電壓信號直接合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分，或者所述控制單元與所述電流採樣單元共同連接到電流反饋單元，所述電流反饋單元將所述設定電壓和所述電壓信號合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於還包括，電壓採樣單元和電壓反饋單元，所述電壓採樣單元採集電池的電壓，將電池電壓傳送給電壓反饋單元，所述電壓反饋單元將所述電池電壓作為電壓的反饋電壓反饋給充電驅動部分； 所述電流的反饋電壓與所述電壓的反饋電壓並聯，如果電流的反饋電壓比電壓的反饋電壓高，則電流的反饋電壓向充電驅動部分輸出反饋，如果電壓的反饋電壓比電流的反饋電壓高，則電壓的反饋電壓向充電驅動部分輸出反饋。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述控制單元，還用於獲取電壓採樣單元採集的電池電壓，當所述電池電壓低於第一門限值時，則通過設定電壓調節充電驅動部分對電池進行小電流預充電；當所述電池電壓大於所述第一門限值時，則通過設定電壓調節充電驅動部分對電池進行相應的恆流充電；當所述電池電壓大於第二門限值時，則電壓的反饋電壓大於電流的反饋電壓，對所述電池進行恆壓充電；當所述充電驅動部分輸出電流小於第三門限值時，則控制單元輸出控制信號結束對電池的充電。
5.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，還包括溫度傳感器，與所述控制單元相連接，用於採集電池的溫度，當所述電池的溫度超過門限值時，所述控制單元調節設定電壓，降低充電驅動部分輸出的充電電流。
專利摘要本實用新型涉及充電技術領域，尤其涉及一種在恆流充電階段輸出電流可調的充電裝置。其中裝置包括充電驅動部分對電池進行充電；電流採樣單元將充電的輸出電流進行採樣，並將電流大小轉換為反饋的電壓信號；控制單元輸出設定電壓，該設定電壓與所述電流採樣單元輸出的電壓合併成電流的反饋電壓反饋給所述充電驅動部分。通過本實用新型實施例，可以給不同數量的串聯電池進行充電，降低充電成本，並且可以針對不同容量的電池設定合適的恆流階段充電電流，從而使得本實用新型適合多種充電電池的需要，同時可以在恆流充電過程中調節電流使得充電過程適應電池溫度變化等電池的狀態。
文檔編號H02J7/00GK202474967SQ20122011784
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月26日 優先權日2012年3月26日
發明者劉軍, 朱傑, 郭鍵, 閻芳 申請人:北京物資學院