CN102684240B - 应用于锂离子电池及锂离子电池组的管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，其包括有单节锂离子电池或锂离子电池组以及外部电源，系统对外接口采用两线制，即系统外部电源充电接口和系统放电接口为同一接口，锂离子电池或锂离子电池组在系统外部电源低于额定电压的条件下进行充电。当外部电源不足以使锂离子电池或锂离子电池组充满电并且充放电接口为两线制的情况下，可以通过本发明使得锂离子电池或锂离子电池组充满电。同时，本发明的充电转放电为硬件切换，转换时间为微妙级，可以做到备电系统的无缝备电；另外，放电转充电经由控制器逻辑控制实现，从而确保了充电的效率。

Description

应用于锂离子电池及锂离子电池组的管理系统

技术领域

本发明涉及锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，特别涉及管理系统中的充放电控制系统。

背景技术

伴随着整个电信业务的快速发展，应用于电信网络的各种技术层出不穷。光通信技术一直都是整个通信领域关注的焦点之一。同样，随着宽带用户的快速增长，在接入网络层面，较之传统的铜线接入技术，光纤接入有着覆盖面积广、传输距离远、带宽高、安全、建设维护成本低等优点，“光进铜退”成为必然选择。在这个过程中，电源问题成为影响光通信质量的关键问题之一，光网络必须配备性能更加完善的电源管理系统。

传统的通信设备备用电源是铅酸电池，但是铅酸电池有其固有的缺点：污染、体积大、维护成本高，被低碳环保的锂离子电池取代已成为一种趋势。锂离子电池取代铅酸电池需要一个过程，目前通信设备电源为了兼容铅酸电池及锂离子电池，系统所输出的充电电压能够使铅酸电池充满电，但可能不足以使锂离子电池充满，因此为了使通信设备有更好的备用电源兼容性，锂离子电池备用电源系统需要将充电电压进行升压（即低压充电）。

在备用电源充放电管理电路中，为了确保市电掉后备用电源能够无缝切换，达到通信设备不掉电的效果，我们一般的做法是：市电在位时，为通信设备供电，同时为备用电源充电，此时，备用电源充放电回路都是打开的，可以做到市电掉电时备用电源无缝的为通信设备备电。

但是，如果将外部电源经BOOST电路（即开关型直流升压电路）升压后，到电池端的电压必将高于充电电源电压，此时放电回路导通的话，电池端电压将直接反馈到充电电源端，电路将不能正常工作；同样，在备用电源放电时，如果BOOST电路工作，到负载端的电压也会被BOOST电路升压，导致不能正常放电。

发明内容

    有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用于锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，使得在外部电源不足以使锂离子电池充满电并且充放电接口为两线制的情况下，可以通过本发明的管理系统使锂离子电池或锂离子电池组充满电。

为了实现上述目的，本发明提供了一种应用于锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，其包括有单节锂离子电池或锂离子电池组以及外部电源，系统对外接口采用两线制，即系统外部电源充电接口和系统放电接口为同一接口，锂离子电池或锂离子电池组在系统外部电源低于额定电压的条件下进行充电。

作为本发明的较佳实施方式，在外部电源和所述锂离子电池或锂离子电池组的正极之间串联有充放电电路，其包括有在外部电源低于额定电压的条件下充电的充电电路以及和所述充电电路并联的放电电路；外部电源掉电检测电路，其包括有连接在外部电源正极和负极之间的分压电阻及比较器，所述的分压电阻对外部电源进行分压后输入到所述比较器反向输入端与同相输入端的基准电压比较后产生外部电源掉电检测信号；用于充放电控制管理的逻辑控制电路；以及MCU控制器。

作为本发明的较佳实施方式，所述的充电电路进一步包括有相互串联的具有使能引脚的BOOST电路，其通过所述逻辑控制电路用以控制使能引脚在充电时的升压和断开；软硬件限流电路，用以实现软件调整充电电流的大小；充电整流管，用以实现所述充电回路的单向导通，防止锂离子电池或锂离子电池组通过所述充电回路对系统放电；以及充电MOS管，其由所述MCU控制器所控制用以实现充电回路的导通及断开。

作为本发明的较佳实施方式，所述的放电电路进一步包括有相互串联的第一放电MOS管，其由所述MCU控制器所控制用以实现所述放电回路的导通及断开；第二放电MOS管，其由所述逻辑控制电路所控制用以实现所述放电回路的导通及断开；以及放电整流管，用以实现放电回路的单向导通，防止外部电源通过放电回路对锂离子电池或锂离子电池组进行充电。

作为本发明的较佳实施方式，所述的BOOST电路正常工作及所述的充电MOS管导通时，实现充电功能。

作为本发明的较佳实施方式，所述的第一放电MOS管和所述的第二放电MOS管同时导通时，实现放电功能。

作为本发明的较佳实施方式，述的逻辑控制电路包含：Ｄ触发器电路，异或门以及非门；其中，Ｄ触发器电路的时钟信号为所述的外部电源掉电检测信号，Ｄ触发器电路的输入信号为MCU控制器的控制信号，Ｄ触发器电路的输出和所述异或门的一输入端相连而MCU控制器的控制信号和异或门另一输入端相连，所述异或门的输出经过所述非门的反向。

    当外部电源在位时，所述的逻辑控制电路将使能所述的BOOST电路，所述的MCU控制器将所述的充电MOS管打开，所述的逻辑控制电路会关断所述的第二放电MOS管，即放电回路断开，进行正常的充电；

当外部电源掉电时，所述的外部电源掉点检测电路产生一边沿触发信号，所述的Ｄ触发器电路被触发，所述的逻辑控制电路将不使能BOOST电路，即充电回路断开即充电回路断开，所述的逻辑控制电路控制所述的第二放电MOS管导通，所述的MCU控制器控制第一放电MOS打开，电路正常放电。

作为本发明的较佳实施方式，所述的充电MOS管及所述的第一放电MOS管在系统没有保护的情况下一直处于导通状态。

作为本发明的较佳实施方式，所述的MOS管为结型场效应管、绝缘栅型场效应管或双极性晶体管。

作为本发明的较佳实施方式，所述的逻辑控制电路为分立器件组成的硬件电路、可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列FPGA、专用集成电路ASIC、单片机或嵌入式处理器。

本发明的技术效果在于，当外部电源不足以使锂离子电池或锂离子电池组充满电并且充放电接口为两线制的情况下，可以通过本发明使得锂离子电池或锂离子电池组充满电。同时，本发明的充电转放电为硬件切换，转换时间为微妙级，可以做到备电系统的无缝备电；另外，放电转充电经由控制器逻辑控制实现，从而确保了充电的效率。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式的应用于锂离子电池及锂离子电池组的管理系统结构图； 

图2是本发明较佳实施方式的外部电源掉电检测电路示意图；以及

图3是本发明较佳实施方式的逻辑控制电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和较佳实施方式对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明较佳实施方式的应用于锂离子电池及锂离子电池组的管理系统包含锂离子电池组、外部电源／负载，在外部电源/负载和锂离子电池组的正极之间串联的充放电电路、外部电源掉电检测电路、用于充放电控制管理的逻辑控制电路和MCU控制器。

其中，外部电源/负载采用两线制，即充放电回路走同一接口。

所述的充放电回路包括两条并联的回路：充电回路和放电回路。其中，充电回路由带使能引脚的BOOST电路、软硬件限流电路、充电MOS管、充电整流管串联组成；放电回路由放电整流管、第一放电MOS管、第二放电MOS管组成。

所述的BOOST电路通过逻辑控制电路控制使能引脚实现充电时的升压和断开，所述的软硬件限流电路由专用的锂离子电池充电管理芯片组成可以实现软件调整充电电流的大小，所述的充电整流管可实现充电回路的单向导通用以防止锂离子电池或锂离子电池组通过充电回路对所述负载放电，所述的充电MOS管由所述的MCU控制器控制用以实现充电回路的导通及断开。

当所述的BOOST电路正常工作及所述的充电MOS管导通时，实现充电功能。

所述的放电电路包括第一放电MOS管、第二放电MOS管以及放电整流管。

所述的第一放电MOS管由所述的MCU控制器控制，所述的第二放电MOS管由所述的逻辑控制电路控制，所述的第一放电MOS管和所述的第二放电MOS管实现放电回路的导通及断开，所述的放电整流管实现放电回路的单向导通从而可防止外部电源通过放电回路对锂离子电池或锂离子电池组进行充电。

当所述的第一放电MOS管和所述的第二放电MOS管同时导通时，其可实现放电功能。

控制电路主要包括外部电源掉电检测电路，逻辑控制电路和MCU控制器。

如图2所示，所述的外部电源掉电检测电路包括连接在外部电源正极和负极之间的分压电阻R1、R2及比较器，所述的分压电阻R1、R2对外部电源进行分压后输入到比较器反向输入端，和同相输入端的基准电压Vref比较后产生外部电源掉电检测信号。

如图3所示，所述的逻辑控制电路包括有Ｄ触发器电路、异或门以及非门。其中，所述的Ｄ触发器电路的时钟信号为外部电源掉电检测信号，数据输入信号D为MCU控制器控制信号，D触发器的输出和异或门一个输入端相连，MCU控制器控制信号和异或门另一个输入端相连，异或门输出经过非门反向。

逻辑控制电路由D触发器，同或门及非门组成，负责对BOOST电路及第二放电MOS管进行逻辑控制。MCU控制器负责充电MOS管和第一放电MOS管的控制，在系统没有任何保护的状态下，充电MOS管和第一放电MOS管一直处于导通状态。

该系统典型工作在三种工作状态下：

（一）充电状态

当系统接上外部电源时，逻辑控制电路控制BOOST电路使能，BOOST电路将外部电源进行升压，同时，逻辑控制电路关闭第二放电MOS管，放电回路处于被断开状态，软硬件限流电路正常工作并且由软件调整充电电流的大小，在系统没有保护状态下，MCU控制器将充电MOS管打开，此时充电回路正常导通，系统处于正常的充电状态。

（二）充电状态转放电状态

当外部电源掉电时，外部电源掉电检测电路检测到外部电源掉电信号，产生一个逻辑跳变信号给逻辑控制电路，此时经过逻辑控制电路处理，自动不使能BOOST电路，即充电回路处于被断开状态，同时逻辑控制电路打开第二放电MOS管，由MCU控制器控制的第一放电MOS管一直处于导通状态，此时，充电回路断开，放电回路导通，系统进行正常放电。可以看出，充电状态转放电状态所需的时间为外部电源掉电检测电路检测到外部掉电，经逻辑控制电路处理到第二放电MOS管打开所需的时间，整个过程完全由硬件电路处理，时间为微妙级，其可以实现：当通信设备掉电时，备用电源系统为通信设备无缝备电。

（三）放电状态转充电状态

当锂离子电池或锂离子电池组对负载放电截止时，MCU控制器通过开关第一放电MOS管检测外部电源是否在位，如果外部电源在位，逻辑控制电路使能BOOST电路，关闭第二放电MOS管，系统转为正常的充电状态。

以上所述，仅为本发明较佳的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换、删减或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，应用于具有两线制充放电接口的光网络设备备用电源管理系统中，其包括有单节锂离子电池或锂离子电池组以及外部电源，其特征在于，还包括：

充电回路，用于在外部电源低于所述锂离子电池或锂离子电池组额定电压的条件下对所述锂离子电池或锂离子电池组充电；所述充电回路包括用于对所述外部电源进升压的升压电路和用于调整充电电流的限流电路；

放电回路，用于在所述外部电源掉电时将所述锂离子电池或锂离子电池组的电能回放至所述两线制充放电接口；所述放电回路包括放电回路开关；

控制电路，用于在外部电源掉电时发出掉电检测信号，并根据所述掉电检测信号控制所述充电回路及所述放电回路开关的通断；

所述控制电路包括MCU控制器，所述放电回路上还包括第一放电MOS管；所述充电回路还包括充电MOS管；在所述充电回路和所述放电回路不需要特殊保护时，所述MCU控制器控制所述充电MOS管及所述第一放电MOS管导通；在所述充电回路和所述放电回路需要特殊保护时，所述MCU控制器控制所述充电MOS管及所述第一放电MOS管的通断以保护相应回路；

所述放电回路开关包括：第二放电MOS管；

所述控制电路包括外部电源掉电检测电路，逻辑控制电路；

所述的逻辑控制电路包括有相互连接的D触发器电路，异或门以及非门；其中，D触发器电路的时钟信号为所述的外部电源掉电检测信号，D触发器电路的输入信号为MCU控制器的控制信号，D触发器电路的输出和所述异或门的一输入端相连而所述MCU控制器的控制信号和异或门另一输入端相连，所述异或门的输出经过所述非门的反向；

当外部电源在位时，所述的逻辑控制电路将使能所述的升压电路，所述的MCU控制器将所述的充电MOS管打开，所述的逻辑控制电路会关断所述的第二放电MOS管，即放电回路断开，进行正常的充电；

当外部电源掉电时，所述的外部电源掉电检测电路产生一边沿触发信号，所述的D触发器电路被触发，所述的逻辑控制电路将不使能升压电路，即充电回路断开，所述的逻辑控制电路控制所述的第二放电MOS管导通，所述的MCU控制器控制第一放电MOS打开，电路正常放电。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，其特征在于，所述升压电路为BOOST电路。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，其特征在于，所述充电回路开关还包括充电整流管，所述充电整流管用以实现所述充电回路的单向导通，防止所述锂离子电池或锂离子电池组通过所述充电回路对系统放电。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，其特征在于，所述的充电MOS管及所述的第一放电MOS管在系统没有保护的情况下一直处于导通状态。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池及锂离子电池组的管理系统，其特征在于，所述的MOS管为结型场效应管、绝缘栅型场效应管或双极性晶体管。