CN100392942C - 一种对电池充电过程进行控制的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对电池充电过程进行控制的装置及方法，包括微处理器模块、稳压稳流模块、电源管理模块、涓流充电模块，微处理器模块根据电池种类，选取相应的充电特性曲线，定期对充电参数进行采样，微处理器模块将返回的采样信号与相应的充电特性曲线进行比较，判断是否需要改变充电参数，如果需要改变充电参数，则根据充电特性曲线重新设定当前充电参数，调节稳压稳流模块的输出。本发明可以兼容不同种类电池，灵活适应各种充电电池的充电曲线，对电池进行精确充电，解决了现有技术在充电控制过程中，采用专用充电管理电路成本高、灵活性差、适应电池能力差的问题。

Description

一种对电池充电过程进行控制的装置及方法

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，具体来讲，涉及一种对电池充电过程进行控制的装置及方法。

背景技术

便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展，各种电池的用量大增，并且许多新型电池也被开发出来。除大家较熟悉的高性能碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外，还有近年来开发的锂电池。灵巧型便携式电子产品要求尺寸小重量轻，其中电池的改进是起重要作用的一个因素。

目前，常用的新型充电电池包括镍氢电池和锂电池。镍氢电池的比能量达75-80W·h/kg，比功率达160-230W/kg，循环使用寿命超过600次。随着镍氢蓄电池技术的发展，其比能量可超过80W·h/kg，循环使用寿命可超过2000次。镍氢电池由于不含镉、铜，不存在重金属污染问题，具备环保优势。镍氢电池的瞬时放电电流和高低温特性指标也比锂电池优越。

锂电池的种类繁多，最常见的有锂离子电池和锂聚合物电池，锂离子电池比能量的理论值为570W·h/kg，它目前达到的性能指标是：比能量为100W·h/kg，比功率为200W/kg，循环使用寿命为1200次，充电时间2-4小时。

镍氢电池和锂电池在市场上都具有较强的生命力，都适合作为移动和手持设备的电源。一般地，不同种类的电池具有不同的充电特性曲线，每种电池的充电特性曲线描述了电池在整个充电过程中电压电流的变化过程，主要是由电池自身种类(比如锂或镍氢)决定的，电池的容量等则确定变化速度。镍氢电池和锂电池二者充放电特性差异很大，专用的充电管理电路很难适应两种电池，只能对一种电池进行充电，这造成系统在设计电源管理部分时，如果选用了一种电池，很难再同时兼容另一种电池。因此，需要一种灵活控制充电过程的装置和方法，以达到可以兼容不同种类电池，可以适应各种充电电池的充电曲线，可以灵活控制充电的整个过程，取得比较精确的充电效果的目的。

鉴于镍镉电池存在污染、能量密度低等问题而面临淘汰，本发明内容不考虑对镍镉电池的兼容。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种对电池充电过程进行控制的装置及方法，用以兼容不同种类电池，灵活适应各种充电电池的充电曲线，对电池进行精确充电，解决现有技术在充电控制过程中，采用专用充电管理电路成本高、灵活性差、适应电池能力差的问题。

本发明提供一种对电池充电过程进行控制的装置，对用于便携式产品的不同类型的电池进行统一的充电管理，其特征在于，包括：

微处理器模块，用于检测电池电压，并存储有不同种类电池的充电特性曲线，充电时根据电池种类选取相应的充电特性曲线，并据此设定当前充电参数，发出充电控制命令；

稳压稳流模块，用于将外接电源稳压稳流后输出，提供电池充电所需的恒压或恒流；

电源管理模块，用于将输入的外接电源转换为内部所需的各路电源，通过与所述微处理器模块通讯的信号线接收微处理器模块发出的充电控制命令，并据此执行对所述稳压稳流模块的输出电压与电流的调整与采样，采样信号通过多路输出开关返回微处理器模块；

涓流充电模块，与所述稳压稳流模块的输出端串联连接，包括低阻通路与高阻通路，以及通路转换控制电路，所述通路转换控制电路在所述微处理器模块控制下，当检测到电池电压过低时，选通高阻通路，对电池进行涓流预充电；当电池电压正常时，选通低阻通路对电池进行充电。

所述电源管理模块与微处理器模块通讯的信号线可以是串口通讯线、或并口通讯线、或IIC总线、或SBI总线、或SPI总线，并进一步通过中断信号向所述微处理器模块传递信息。

所述稳压稳流模块包括一个功率三极管，其基极与所述电源管理模块相连；输入端与外接电源相连；输出端与所述涓流充电模块相连。所述功率三极管为PNP管。所述功率三极管的基极通过一个第一电阻器与所述电源管理模块相连。所述功率三极管的输出端与所述涓流充电模块之间串接一个第二电阻器，用以将电流、电压信号采样送入电源管理模块。

所述涓流充电模块的低阻通路包括一个MOSFET管，高阻通路包括串联连接的一个二极管与第三电阻，所述低阻通路与高阻通路并联连接，MOSFET管的栅极在所述通路转换控制电路的控制下，实现MOSFET管的开关，该管打开时，所述稳压稳流模块的输出经过低阻通路为电池充电，该管关闭时，通过高阻通路为电池充电。

所述的通路转换控制电路包括一个三极管，其基极串接一个第四电阻与所述微处理器相连，输入端与所述低阻通路的MOSFET管的栅极相连，并经过一个第五电阻与外接电源相连，输出端接地。

本发明还提供一种对电池充电过程进行控制的方法，利用所述装置对用于便携式产品的不同类型的电池进行统一的充电管理，其特征在于，包括如下步骤：

微处理器模块检测到需要为电池充电时，根据电池种类，为该电池选取相应的充电特性曲线，并根据检测到的电池初始电压，控制涓流充电模块选择充电通路；

微处理器模块根据选取的充电特性曲线，设定初始充电参数，并将该参数写入所述电源管理模块；

电源管理模块按照所述设定的参数，调节稳压稳流模块的输出，经过所述涓流充电模块对电池进行充电；

微处理器模块定期命令电源管理模块对稳压稳流模块输出的充电参数进行采样，将采样信号返回给微处理器模块；

微处理器模块将返回的采样信号与相应的充电特性曲线进行比较，判断是否需要改变充电参数；

如果需要改变充电参数，则根据充电特性曲线重新设定当前充电参数，并将参数写入电源管理模块，由电源管理模块据此调节稳压稳流模块的输出。

所述微处理器根据电池种类选取充电特性曲线步骤，是根据电池ID确定的。如果电池没有ID，则根据充电期间电池电压和充电电流的变化最符合哪一条充电特性曲线，来确定电池的充电特性曲线。

所述微处理器模块根据检测到的电池初始电压，控制涓流充电模块选择充电通路的步骤，是当电池电压过低时，控制选择涓流充电模块的高阻通路，对电池进行涓流预充电；当电池电压正常时，选择低阻通路进行充电。

所述的方法进一步包括如下步骤：

上电时，微处理器模块对电源管理模块进行初始化，设定其工作状态，并进而设定稳压稳流输出状态；

当电源管理模块检测到外接电源时，开始启动充电；

当电源管理模块检测到外接电源已经断开时，向微处理模块发出充电器拔出中断，由微处理器响应中断，强制停止充电。

本发明所提供的一种对电池充电过程进行控制的装置及方法，可以灵活控制充电的整个过程，节省了采用专用充电电路的成本与印制板面积，同时可以灵活的适应各种充电电池的充电曲线，达到比较精确的充电效果。

附图说明

图1是本发明实施例的电池充电过程控制的装置图；

图2是本发明实施例的电池充电过程控制的方法流程图；

图3是本发明实施例的电池充电过程控制的各个环节具体步骤的流程图。

具体实施方式

在本发明中，不讨论充电恒流电路及恒压电路的具体原理，推荐采用成熟的电源管理芯片作为电源管理模块，以达到一致性好，控制简便，电路复杂度低的效果。对于有特殊应用的要求，充电的控制，恒压，恒流，过压保护等也可由分立电路实现。

图1示出了本发明实施例的对电池充电过程进行控制的装置图，包括：

微处理器模块101，微处理器模块负责监控充电的整个环节，控制电源管理模块执行充电的各个环节。主要用于检测电池电压，并存储有不同种类电池的充电特性曲线，充电时根据电池种类选取相应的充电特性曲线，并据此设定当前充电参数，发出充电控制命令。

其中，充电特性曲线的来源可以在技术文章或比较详细的电池生产厂说明书中获取，一般地，并不需要为每个厂家及型号的电池设定对应的充电曲线，可以提炼为锂电和镍氢电池两种充电特性曲线。具体在充电过程中，微处理器实际是通过对电池上的电压和电流进行监视，根据当前的监视结果设定充电参数，以控制充电期间电池上的电压及电流尽可能依照其充电特性曲线而变化。  因为这样就是一个闭环控制过程，所以电池的容量对充电控制影响不大。

充电时，根据电池种类选取充电特性曲线是根据电池ID来判断电池种类进而选取相应的充电特性曲线的。通常ID为封装在电池内的一个电阻，不同电池阻值不同，通过测量其阻值，或检测这个电阻与另一个已知电阻对一个已知电压分压后的分压值，即可判断电池的种类。

对于未提供ID的电池，有两种情况：

(1)用AA或AAA电池的设备，因为市售这种电池均为镍氢电池，因此不必识别。

(2)除上述情况外，则需要在充电过程中，比较电池电压的变化过程符合哪一类电池充电特性曲线，借以判断电池种类，这种方式需要较高的采样精度及更多的微处理器资源。

根据电池ID不但能判断出电池种类，还能够判断出电池容量。在没有ID时，判断容量已经基本不可能，但是仍可以判断出电池种类，因为锂电池和镍氢电池在充电初期电压上升速率和上升到拐点时的电压值还是有较大区别的，在这一过程中即可识别出电池种类，适时调整之后的充电参数即可，但这样做需要较精确的AD转换，并耗费更多的处理器资源。

稳压稳流模块102，用于将外接电源稳压稳流后输出，提供电池充电所需的恒压或恒流。

因为手持或移动设备功耗通常较小，工作电压和电流不会很大，因此可使用简单的晶体三极管调整电路实现稳压稳流，本发明实施例中的稳压稳流模块采用PNP功率三极管作为调整管，所述功率三极管的基极通过一个第一电阻器与所述电源管理模块相连，基极受电源管理模块控制；所述功率三极管的输出端与所述涓流充电模块之间串接一个第二电阻器，用以将电流、电压信号采样送入电源管理模块；输入端与外接电源相连。对于特殊设备或严格要求电源转换效率的应用，也可使用DC/DC变换器实现稳压稳流，但是会增加电路复杂程度。

电源管理模块103，用于将输入的外接电源转换为内部所需的各路电源，通过与所述微处理器模块通讯的信号线接收微处理器模块发出的充电控制命令，并据此执行对所述稳压稳流模块的输出电压与电流的调整与采样，采样信号通过多路输出开关返回微处理器模块。

本发明实施例采用高通公司为CDMA移动终端设计的PM6610电源管理芯片作为电源管理模块，根据不同的应用，也可使用其他公司的电源管理芯片。PM6610的通讯接口为专用的SBI总线，采用其他芯片时，须使用相应芯片提供的通讯模式，比如串口通讯线、并口通讯线、SPI总线、IIC总线等。

电源管理芯片具有与微处理器模块通讯的信号线，例如IIC总线，也可以是其它由微处理器与电源管理模块共同支持的通讯方式，比如串口通讯线、并口通讯线、SPI总线、SBI总线等，可接收从微处理器模块发送来的命令，电源管理模块负责执行微处理器模块发出的充电控制命令，调整稳压稳流模块在充电不同阶段输出恒压或恒流，本发明所使用的电源管理芯片内部有各路电压采样信号的多路输出开关，可连接到微处理器模块的AD变换器，软件即可随时监控充电状态，电源管理模块与微处理器模块之间的中断信号用于及时将一些重要信息传递给微处理器，减少处理器查询工作量，及时处理各种事件，如果处理器速度足够快，且其他工作不繁忙，可不使用中断。若所使用的电源管理模块不提供中断输出，或处理器能力完全满足要求，也可不使用中断，而由处理器主动查询。

电源管理芯片的另一个重要任务是将外接电源或电池输入进行转换为系统提供各路电源。

涓流充电模块104，涓流充电模块串联在电池的充放电支路里，分为两个通路，一个通路是MOSFET管，该管在打开时提供一个低阻通道，可供大电流快速充电，此时如同将电池直接连在稳压稳流电路的输出端；另一个通路有一个二极管和第三电阻组成，为高阻通路。所述低阻通路与高阻通路并联连接，在FET关闭时，提供了一个具有较高内阻，产生一定压降的通道。在电池由于过放或其他原因导致电压过低时，如果仍然直接接在稳压稳流输出端上进行大电流充电，会对电池造成一定损害，影响电池寿命。

另外，也会将主供电支路电压拉低至电池电压，影响电源管理模块103及整个系统的工作。采用此高阻通道，可以给电池提供一个很小的电流进行预充电，同时不会影响主供电支路电压。改变电阻值可改变电流的大小，推荐电流为20～50mA。

MOSFET管的栅极在通路转换控制电路的控制下，实现MOSFET管的开关，该管打开时，所述稳压稳流模块的输出经过低阻通路为电池充电，该管关闭时，通过高阻通路为电池充电。

所述的通路转换控制电路包括一个三极管，其基极串接一个第四电阻与所述微处理器相连，输入端与所述低阻通路的MOSFET管的栅极相连，并经过一个第五电阻与外接电源相连，输出端接地。

如图2所示，利用本发明所述的装置对电池充电过程进行控制的方法，包括如下步骤：

微处理器模块检测到需要为电池充电时，根据电池种类，为该电池选取相应的充电特性曲线，并根据检测到的电池初始电压，控制涓流充电模块选择充电通路(步骤201)；

微处理器模块根据选取的充电特性曲线，设定初始充电参数，并将该参数写入所述电源管理模块(步骤202)；

电源管理模块按照所述设定的参数，调节稳压稳流模块的输出，经过所述涓流充电模块对电池进行充电(步骤203)；

微处理器模块定期命令电源管理模块对稳压稳流模块输出的充电参数进行采样，将采样信号返回给微处理器模块(步骤204)；

微处理器模块将返回的采样信号与相应的充电特性曲线进行比较，判断是否需要改变充电参数(步骤205)；

如果需要改变充电参数，则根据充电特性曲线重新设定当前充电参数，并将参数写入电源管理模块，由电源管理模块据此调节稳压稳流模块的输出(步骤206)。

如图3所示，本发明实施例中，微处理器模块控制电源管理芯片执行充电的各个环节的具体步骤，包括如下的步骤：

步骤301，上电时，系统对电源管理芯片进行初始化，设定其工作状态，设定稳压稳流输出状态。

步骤302，注册一个充电器插入中断服务程序，以便在检测到外接电源时，开始启动充电。

步骤303，响应中断后，清零充电状态机，设置初始电压电流，准备开始充电。

步骤304，启动定时器，采用定期检测的方法控制充电。

步骤305，将设置好的参数写入电源管理芯片，由电源管理芯片按照设定的参数调节输出。

步骤306，定时时间到，微处理器通过AD通道读取当前电池电压，充电电流等参数，判断当前应处于哪一个充电阶段。

步骤307，判断电池是否正常，对于有ID的电池，通过ID检测到与初始的ID有较大变化，则认为电池出现异常(例如充电中，取掉电池)。对于无ID的电阻，则判断电压电流是否存在突变，因为在正常充电过程中除了切换涓流模块开关外，电池的电压和充电电流不会有跳跃性变化，如有，则电池异常。

如异常，进入步骤308，将状态设置为无电池/电池异常，退出当前充电。异常信息返回后交由其它处理流程处理。对于无ID的电池，因为在判断电压电流变化过程中，需要与各种电池充电特性曲线进行比较，故此步骤可同时识别出电池种类，以供后续步骤选取相应的充电特性曲线。

电池正常则进入步骤309。

步骤309，根据电池电压，充电电流，参照设定好的充电特性曲线，判断是否要改变当前充电状态，若不需改变，则退出，若已经完成当前阶段充电，则进入步骤310。

步骤310，参照设定好的充电特性曲线，设定要改变的充电参数，更新状态机到新的参数，进入步骤311，将这些参数写入电源管理芯片，由电源管理芯片按照设定的参数调节输出。

步骤312，判断是否需要更新MOSFET的开关状态。

步骤313，如果在涓流和充电结束状态，则应控制涓流充电模块关闭MOSFET；如果在其他充电状态，则应控制涓流充电模块打开MOSFET。

步骤314，电源管理芯片在检测到外接电源已经断开时，会向微处理器发出充电器拔除中断，微处理器响应中断，进入步骤314，强制停止充电，开始启用下一次充电器插入中断。

步骤315，停止步骤304启动的定时器。

步骤316，控制涓流充电模块打开MOSFET，转由电池供电。

本发明的方法是通过监视充电过程中的电压和电流，参照电池的充电特性曲线，精确的控制充电的全部过程，以达到对电池快速，准确的充电。

对于资源比较丰富的微处理器系统，本发明采用了状态机更新与向电源管理芯片发送命令分开的处理办法，这样，在兼容不同的电源管理芯片时，仅需要修改命令传送部分，不会影响完整的充电控制流程，对于资源比较紧张的微处理器系统，也可以在更新状态机时就直接将参数传递给电源管理芯片，以减少代码量，提高执行速度。

本发明可以结合各种微处理器系统与电源管理芯片，最大限度发挥电源管理芯片的控制能力，微处理器的灵活性，通过将对应电池的充电特性曲线添加到现有的充电控制状态机中，既可用以控制该电池的充电过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依本发明内容所作的等效变化与修改，都被本发明的专利范围所涵盖。

Claims (18)

1.一种对电池充电过程进行控制的装置，对用于便携式产品的不同类型的电池进行统一的充电管理，包括：

微处理器模块，用于检测电池电压，并存储有不同种类电池的充电特性曲线，充电时根据电池种类选取相应的充电特性曲线，并据此设定当前充电参数，发出充电控制命令；

稳压稳流模块，用于将外接电源稳压稳流后输出，提供电池充电所需的恒压或恒流；

电源管理模块，用于将输入的外接电源转换为内部所需的各路电源，通过与所述微处理器模块通讯的信号线接收微处理器模块发出的充电控制命令，并据此执行对所述稳压稳流模块的输出电压与电流的调整与采样，采样信号通过多路输出开关返回微处理器模块；

涓流充电模块，与所述稳压稳流模块的输出端串联连接，包括低阻通路与高阻通路，以及通路转换控制电路，所述通路转换控制电路在所述微处理器模块控制下，当检测到电池电压过低时，选通高阻通路，对电池进行涓流预充电；当电池电压正常时，选通低阻通路对电池进行充电；

其特征在于，所述稳压稳流模块包括一个功率三极管，其基极与所述电源管理模块相连；输入端与外接电源相连；输出端与所述涓流充电模块相连。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源管理模块与微处理器模块通讯的信号线是串行通讯线。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源管理模块与微处理器模块通讯的信号线是IIC总线。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源管理模块与微处理器模块通讯的信号线是SBI总线。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源管理模块与微处理器模块通讯的信号线是SPI总线。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源管理模块与微处理器模块通讯的信号线是并行通讯线。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源管理模块进一步通过中断信号向所述微处理器模块传递信息。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源管理模块进一步通过反馈微处理器的主动查询命令向所述微处理器模块传递信息。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率三极管为PNP管。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率三极管的基极通过一个第一电阻器与所述电源管理模块相连。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率三极管的输出端与所述涓流充电模块之间串接一个第二电阻器，用以将电流、电压信号采样送入电源管理模块。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述涓流充电模块的低阻通路包括一个MOSFET管，高阻通路包括串联连接的一个二极管与第三电阻，所述低阻通路与高阻通路并联连接，MOSFET管的栅极在所述通路转换控制电路的控制下，实现MOSFET管的开关，该管打开时，所述稳压稳流模块的输出经过低阻通路为电池充电，该管关闭时，通过高阻通路为电池充电。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的通路转换控制电路包括一个三极管，其基极串接一个第四电阻与所述微处理器相连，输入端与所述低阻通路的MOSFET管的栅极相连，并经过一个第五电阻与外接电源相连，输出端接地。

14.一种利用如权利要求1所述的装置对电池充电过程进行控制的方法，对用于便携式产品的不同类型的电池进行统一的充电管理，其特征在于，包括如下步骤：

微处理器模块检测到需要为电池充电时，根据电池种类，为该电池选取相应的充电特性曲线，并根据检测到的电池初始电压，控制涓流充电模块选择充电通路；

微处理器模块根据选取的充电特性曲线，设定初始充电参数，并将该参数写入所述电源管理模块；

电源管理模块按照所述设定的参数，调节稳压稳流模块的输出，经过所述涓流充电模块对电池进行充电；

微处理器模块定期命令电源管理模块对稳压稳流模块输出的充电参数进行采样，将采样信号返回给微处理器模块；

微处理器模块将返回的采样信号与相应的充电特性曲线进行比较，判断是否需要改变充电参数；

如果需要改变充电参数，则根据充电特性曲线重新设定当前充电参数，并将参数写入电源管理模块，由电源管理模块据此调节稳压稳流模块的输出。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述微处理器模块根据电池种类选取充电特性曲线步骤，是根据电池ID确定的。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述微处理器模块根据电池种类选取充电特性曲线步骤进一步包括：

如果电池没有ID，则根据充电期间电池电压和充电电流的变化最符合哪一条充电特性曲线，来确定电池的充电特性曲线。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述微处理器模块根据检测到的电池初始电压，控制涓流充电模块选择充电通路的步骤，是当电池电压过低时，控制选择涓流充电模块的高阻通路，对电池进行涓流预充电；当电池电压正常时，选择低阻通路进行充电。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：

上电时，微处理器模块对电源管理模块进行初始化，设定其工作状态，并进而设定稳压稳流输出状态；

当电源管理模块检测到外接电源时，开始启动充电；

当电源管理模块检测到外接电源已经断开时，向微处理模块发出充电器拔出中断，由微处理器响应中断，强制停止充电。

Images