CN103475051A - 充电电路和具有该充电电路的充电器以及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电电路，该充电电路包括电源模块，用于对被充电电池进行充电；控制模块，用于控制电源模块根据预先配置的恒定电流参数，向被充电电池进行第一阶段性充电，并且还用于在将第一阶段性充电的电压与预先配置的电压进行比较后，控制电源模块根据预先配置的恒定电压参数，向被充电电池进行第二阶段性充电；过压保护模块，用于在第二阶段性充电的充电时间达到预先配置的充电时间时，切断电源模块和被充电电池之间的充电回路。本发明通过过压保护模块在被充电电池达到预定充电时间时，断开电源模块和被充电电池之间的充电回路，从而避免了被充电电池因过度充电而被损坏的情况发生，提高了被充电电池的使用性能和使用寿命。

Description

充电电路和具有该充电电路的充电器以及充电方法

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，具体来说，涉及一种充电电路和具有该充电电路的充电器以及充电方法。

背景技术

随着国家对环保要求力度的加大，锂离子动力电池代替铅酸动力电池在电动助力车行业已成为一种必然趋势。但是锂离子动力电池在实际使用时，也存在诸多不足之处，例如，在对锂离子动力电池进行充电时，如果充电电压过高，就很容易损伤电池，甚至还会引起电池的燃烧或爆炸，而且在进行充电时，如果充电电流过大，则会使得电池内部的电化反应加大，电池发热产生能量损失，降低电池使用寿命。

因此，在锂离子动力电池成为一种必然趋势的前景下，需要一种精密和安全的充电电路来保护锂离子动力电池，需要科学的充电方式来确保安全高效的充电，然而，目前市场上现有的锂离子动力电池充电器，虽然能够起到简单的充电作用，但是均不具备对锂离子动力电池的保护功能，无法有效的提高锂离子动力电池的使用寿命。

针对相关技术中的现有的锂离子动力电池充电器不具备对锂离子动力电池的保护功能，无法有效的提高锂离子动力电池的使用寿命问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的现有的锂离子动力电池充电器不具备对锂离子动力电池的保护功能，无法有效的提高锂离子动力电池的使用寿命问题，本发明提出一种充电电路和具有该充电电路的充电器以及充电方法，能够保证被充电电池的安全充电，被充电电池在充电时所造成的损坏，大大的提高了被充电电池的使用性能和使用寿命。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种充电电路。

该充电电路包括：

电源模块，用于对被充电电池进行充电；

控制模块，用于控制电源模块根据预先配置的恒定电流参数，向被充电电池进行第一阶段性充电，并且还用于在将第一阶段性充电的电压与预先配置的电压进行比较后，控制电源模块根据预先配置的恒定电压参数，向被充电电池进行第二阶段性充电；

过压保护模块，用于在第二阶段性充电的充电时间达到预先配置的充电时间时，切断电源模块和被充电电池之间的充电回路。

此外，该充电电路还包括电压采集模块，用于在对被充电电池进行第一阶段性充电时，实时采集被充电电池的电压，并发送该电压对应的电压值；并且，控制模块还用于接收第一阶段性充电时的电压值，并将该电压值与预先配置的极限电压值进行比较，在比较结果为一致或比较结果为第一阶段性充电时的电压值与极限电压值的误差在预定误差范围内的情况下，控制电源模块根据预先配置的恒定电压参数，向被充电电池进行第二阶段性充电。

其中，控制模块还用于在比较结果为第一阶段性充电时的电压值高于预先配置的极限电压值的情况下，控制过压保护模块切断电源模块和被充电电池之间的充电回路。

其中，预先配置的极限电压值根据被充电电池的终止充电电压值进行配置。

其中，电压采集模块还用于在被充电电池进行第一阶段性充电之前，采集被充电电池的电压，并发送该电压对应的电压值；并且，控制模块还用于接收第一阶段性充电之前的电压值，并将该电压值与预先配置的过放电电压值进行比较，在比较结果为第一阶段性充电之前的电压值低于过放电电压值的情况下，判定被充电电池处于过放电状态。

其中，控制模块还用于在被充电电池处于过放电状态时，控制电源模块根据预先配置的预充电电流参数，向被充电电池进行预充电；并且，控制模块还用于在预充电的充电时间达到预先配置的预充电时间时，控制电源模块根据恒定电流参数，向被充电电池进行第一阶段性充电。

此外，该充电电路还包括温度采集模块和高温保护模块，其中，温度采集模块，用于实时采集被充电电池的温度，并发送该温度对应的被充电电池的温度值；并且，控制模块还用于接收被充电电池的温度值，并将被充电电池的温度值与预先配置的温度值进行比较，在比较结果为被充电电池的温度值高于预先配置的温度值的情况下，控制高温保护模块切断电源模块和被充电电池之间的充电回路。

另外，该充电电路还包括电流采集模块，用于实时采集被充电电池的充电电流，并发送该充电电流对应的被充电电池的充电电流值；并且，控制模块还用于接收被充电电池的充电电流值，并将被充电电池的充电电流值与预先配置的充电电流值进行比较，在比较结果为被充电电池的充电电流值高于预先配置的充电电流值的情况下，控制电源模块减小对被充电电池的充电电流。

其中，被充电电池为锂离子动力电池。

根据本发明的另一方面，提供了一种充电器，该充电器包括上述的充电电路。

本发明通过过压保护模块在被充电电池达到预定充电时间时，断开电源模块和被充电电池之间的充电回路，从而实现了对被充电电池的过压保护，避免了被充电电池因过度充电而被损坏的情况发生，大大的提高了被充电电池的使用性能和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的充电电路的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的四段式充电实现框图；

图3是根据本发明实施例的四段式充电的原理示意图；

图4是根据本发明实施例的初级高温保护的原理示意图；

图5是根据本发明实施例的双重过压保护和高温保护的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种充电电路。

如图1所示，根据本发明实施例的充电电路包括：

电源模块11，用于对被充电电池进行充电；

控制模块12，用于控制电源模块根据预先配置的恒定电流参数，向被充电电池进行第一阶段性充电，并且还用于在将第一阶段性充电的电压与预先配置的电压进行比较后，控制电源模块根据预先配置的恒定电压参数，向被充电电池进行第二阶段性充电；

过压保护模块13，用于在第二阶段性充电的充电时间达到预先配置的充电时间时，切断电源模块和被充电电池之间的充电回路。

此外，该充电电路还包括电压采集模块（未示出），用于在对被充电电池进行第一阶段性充电时，实时采集被充电电池的电压，并发送该电压对应的电压值；并且，控制模块12还用于接收第一阶段性充电时的电压值，并将该电压值与预先配置的极限电压值进行比较，在比较结果为一致或比较结果为第一阶段性充电时的电压值与极限电压值的误差在预定误差范围内的情况下，控制电源模块11根据预先配置的恒定电压参数，向被充电电池进行第二阶段性充电。

其中，控制模块12还用于在比较结果为第一阶段性充电时的电压值高于预先配置的极限电压值的情况下，控制过压保护模块切断电源模块11和被充电电池之间的充电回路。

其中，预先配置的极限电压值根据被充电电池的终止充电电压值进行配置。

其中，电压采集模块还用于在被充电电池进行第一阶段性充电之前，采集被充电电池的电压，并发送该电压对应的电压值；并且，控制模块12还用于接收第一阶段性充电之前的电压值，并将该电压值与预先配置的过放电电压值进行比较，在比较结果为第一阶段性充电之前的电压值低于过放电电压值的情况下，判定被充电电池处于过放电状态。

其中，控制模块12还用于在被充电电池处于过放电状态时，控制电源模块11根据预先配置的预充电电流参数，向被充电电池进行预充电；并且，控制模块12还用于在预充电的充电时间达到预先配置的预充电时间时，控制电源模块11根据恒定电流参数，向被充电电池进行第一阶段性充电。

此外，该充电电路还包括温度采集模块（未示出）和高温保护模块（未示出），其中，温度采集模块，用于实时采集被充电电池的温度，并发送该温度对应的被充电电池的温度值；并且，控制模块12还用于接收被充电电池的温度值，并将被充电电池的温度值与预先配置的温度值进行比较，在比较结果为被充电电池的温度值高于预先配置的温度值的情况下，控制高温保护模块切断电源模块和被充电电池之间的充电回路。

另外，该充电电路还包括电流采集模块（未示出），用于实时采集被充电电池的充电电流，并发送该充电电流对应的被充电电池的充电电流值；并且，控制模块12还用于接收被充电电池的充电电流值，并将被充电电池的充电电流值与预先配置的充电电流值进行比较，在比较结果为被充电电池的充电电流值高于预先配置的充电电流值的情况下，控制电源模块11减小对被充电电池的充电电流。

其中，被充电电池为锂离子动力电池。

在本发明中，本发明是通过双重过压保护电路和高温电路，来提高充电电路（充电器）的可靠性和工作时的安全性的。其充电模式为小电流预充电—大电流恒流充电—恒压充电—定时关断四段式充电。

图2是四段式充电实现框图，从图2中可以看出，该充电方式的实现电路，主要由以下部分所构成：双闭环反馈回路的恒流恒压开关电源、用于控制开关电源工作的微处理器（CPU）、电源输出端的过压及反接保护电路、电源初级和次级的高温保护电路、为CPU提供充电参照参数的温度\电压\电流采样电路、驱动CPU工作的电源管理系统。其工作原理如下：

该四段式充电方式在充电时，由CPU控制开关电源的电流反馈回路，实现充电开始时，采用固定时长的小电流对锂离子动力电池预充（预充时长可通过系统调整，预充电电流大小可调）。固定时长预充电后，充电器进入大电流恒流充电段；当充电电压接近锂离子电池的终止充电电压时，充电器由恒流充电转为第三阶段的恒压充电，此时充电电压保持恒定，充电电流逐渐下降。在恒压充电段，当充电电流下降到设定值（1.2A）时，CPU启动100分钟定时器。当100分钟定时到，CPU控制过压保护电路切断充电回路，关断充电电流。从而实现了高效安全的小电流预充、恒流充电、恒压充电和定时关断四段式充电模式。

此外，在充电过程中，CPU还实时监控充电电压、电流及充电的工作温度。当充电电压高于厂家所给出的锂离子电池的终止充电电压时，过压保护电路会自动切断充电回路，保护电池不受损伤。当充电的工作温度大于80℃时，开关电源初级高温保护电路控制充电电流降低，使内部温度不会失控继续升高。如温度继续升高，开关电源次级CPU控制开关电源次级的高温保护电路，切断充电回路，使充电电流为零，保护被充电电池不损坏。当充电的工作温度恢复到80℃以下时，充电器可自动恢复到正常充电状态。在整个充电过程中，CPU还可以对充电电流进行监控，保证充电电流控制在0.2C受控范围内。

综上所述可以看出，本发明主要体现在以下三个方面：①、锂离子动力电池长期未使用或使用时过放电，必须在恒流大电流充电前用小电流预充电，让电池内部处于深度放电状态下而溶解的钝化膜还原。此外锂离子动力电池过放电时，可能会释放出部分铜金属附着在阳极，容易造成短路，此时若以大电流进行强迫充电会导致电池过热，降低电池使用寿命。本发明中可以在先期以小电流进行预充，能有效避免这一问题的发生。②、对充电电路精度要求高，以保证充电电压精确稳定。锂离子动力电池充电时，对电池的保护要求很高，锂离子动力电池组内部自身带有保护板，以保护电池不受损伤或发生燃烧爆炸的意外。锂离子电池厂家对与之配套的充电器也制定了严格的技术要求。特别是对恒压充电电压的要求远高于铅酸电池充电器，要求与厂家所制定的参数误差小于1%。如充电电压过高，容易损伤电池，甚至还会引起电池的燃烧或爆炸。所以本发明采用了双重过压保护电路，确保在充电过程中不会出现过压充电。③、对于锂离子动力电池，充电电流应保持在合理的范围内。过大的电流会使电池电化学反应加大，电池发热产生能量损失，降低电池寿命。本发明中双闭环开关电源能确保充电电流能恒定在安全充电范围内，同时利用CPU实时监控充电电流，如发现电流过大，CPU会及时断开充电回路，保护电池和充电器不受损伤。

以下通过具体实例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

图3是四段式充电的原理示意图，从图3中可以看出，充电器上电开始充电时，CPU的MOSC脚输出高电平，使Q7导通。电流反馈回路U5B反相端基准电压降↓→光偶U4A电流↑→光偶U4B电流↑→UC3842②脚电压↑→UC3842⑥脚输出脉冲占空比↓→输出充电电流减小。用恒流大电流10%的小电流对电池预充电。三分钟后，CPU的MOSC脚电平变为低电平，充电器输出电流升高到电路所设定的恒流充电电流值，充电器完成固定时长的小电流预充电功能。预充电时长可以靠系统设置。此后充电器进入恒流充电段，随着充电电压上升，当电压反馈回路U5C同相端电压高于反相端基准电压时，电压反馈起作用，充电器进入恒压充电段。在恒压充电段，充电电压恒定不变，而充电电流逐渐减小。充电器进入恒压充电段，充电电流下降到1.2A时，CPU启动100分钟定时。当100分钟定时到时，CPU①脚由原来的低电平变成高电平，可控硅Q4导通，开关MOS管Q5栅极电压拉低至0.4V，Q5截止，使充电回路断开，关断电池充电电流。电池与充电器断开。

利用上述方案，本发明实现了小电流预充—恒流充电—恒压充电—定时关断四段式充电模式。

图4是初级高温保护的原理示意图，在图4中，UC3842是一种高性能固定频率电流模式的PWM控制集成电路芯片，利用控制UC3842②脚电压高低可以实现对⑥脚输出驱动脉冲占空比大小调整，从而改变输出电流大小，以达到调整充电器输出功率目的。从图4中可以看出，当充电工作温度升高时，负温度系数温敏电阻RT2阻值变小，⑧脚输出的+5V基准电压经RT2和R57分压后，导致D12正极电压升高，UC3842②脚电压升高，⑥脚输出脉冲占空比减小，充电电流下降，充电器输出功率降低，使充电工作温度下降。该保护措施可有效的控制充电工作温度失控，保护被充电电池不会因温度过高而损坏。

以下从双重过压和高温保护的整体角度出发，对本发明的上述技术方案进行详细说明。

图5是双重过压保护和高温保护的原理示意图；从图5中可以看出，双重过压电路保护的原理如下，

第一重过压保护电路：R73、R74、R75、R76组成的分压电路对充电器输出电压分压后，经稳压二极管D15与可控硅Q4的控制极相连。正常情况下，稳压二极管D15负极电压低于其稳压值，这样Q4控制极电压低于0.4V，Q4截止，Q5栅极电压为10V，Q5导通，电池与充电器连通。当输出电压高于电池的终止电压时，经分压后的使D15负极电压高于其稳压值时，Q4控制极电压大于0.4V，Q4导通，Q5栅极电压降至0.4V，Q5截止，电池与充电器断开，实现了对电池的过压保护。

第二重过压保护电路：输出电压经R22、R23、R24、R25分压后送至CPU⑦脚，CPU完成对该电压的采样分析，CPU通过测量该电压值来判定输出电压是否高于电池终止电压。当输出电压低于电池终止电压时，CPU⑦脚电压低于保护值，CPU①脚输出低电平，不影响Q4的工作状态。当输出电压高于电池终止电压时，CPU⑦脚电压随之升到高于保护值时，CPU中的电源管理软件判定到⑦脚电压高于保护值时，会让CPU①脚输出高电平，Q4导通，Q5栅极电压拉低至0.4V，Q5截止，电池与充电器断开，实现了对电池的过压保护。

此外，从图5中可以看出，高温保护的实施原理为：CPU⑤脚为温度采样，RT1和R27组成温度传感电路。RT1为负温度系数温敏电阻，充电器工作时，当充电工作温度高于80℃时，+5V电压经RT1和R27分压后送至CPU⑤脚的电压随之升高。CPU中的电源管理系统判定到⑤脚电压大于4.2V时，会让CPU①脚输出高电平，Q4导通，Q5栅极电压被拉低至0.4V，Q5截止，电池与充电器断开，充电电流为零，充电器输出功率也随之降至零，避免了过高的温度导致被充电电池的损坏。

在充电器输出功率降至零并停止工作后，充电工作温度也会随之下降，CPU⑤脚的电压也会下降，当CPU⑤脚的电压降至4V时，CPU中的电源管理系统会让CPU①脚电压恢复为低电平，可控硅Q4从先前的导通状态变为截止，Q5随之导通，充电器恢复与电池的连接，恢复正常充电。

另外，从图5中还可以看出，控制电流的原理为：CPU④脚为电流采样，电源管理系统实时监控充电电流大小是否保持在规定范围内。如果充电器电路出现异常，充电电流大于规定值，CPU①脚输出高电平，导致充电回路断开（原理与过压、高温保护同理），电池与充电器断开，以保护电池不被损伤。

根据本发明的实施例，还提供了一种充电器，该充电器包括上述的充电电路。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过过压保护模块在被充电电池达到预定充电时间时，断开电源模块和被充电电池之间的充电回路，从而实现了对被充电电池的过压保护，避免了被充电电池因过度充电而被损坏的情况发生，大大的提高了被充电电池的使用性能和使用寿命。

另外，本发明还通过电压采集模块实时采集被充电电池的电压，并通过压保护模块在被充电电池的电压高于被充电电池的终止充电电压时，断开电源模块和充电电池之间的充电回路，从而又进一步的保护了被充电电池，避免了被充电电池因充电电压超过被充电电池的终止充电电压而导致被损坏的情况发生，进一步的提高了被充电电池的使用性能和使用寿命。

此外，本发明还通过温度采集模块采集充电过程中被充电电池的温度，并通过高温保护模块在采集的温度值高于预先配置的温度值时，切断电源模块和被充电电池之间的充电回路，从而防止了在充电过程中，被充电电池因高温而被损坏（例如，燃烧或爆炸）的情况发生，大大的提高了被充电电池在充电过程中的安全性。

另外，本发明还通过电流采集模块采集充电过程中被充电电池的充电电流，并通过电源模块在采集的充电电流值高于预先配置的电流值的情况下，减小对被充电电池的电流输出，从而有效的控制了充电过程中的充电电流，避免了充电电流过大而损坏被充电电池。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种充电电路，其特征在于，包括：

电源模块，用于对被充电电池进行充电；

控制模块，用于控制所述电源模块根据预先配置的恒定电流参数，向所述被充电电池进行第一阶段性充电，并且还用于在将第一阶段性充电的电压与预先配置的电压进行比较后，控制所述电源模块根据预先配置的恒定电压参数，向所述被充电电池进行第二阶段性充电；

过压保护模块，用于在所述第二阶段性充电的充电时间达到预先配置的充电时间时，切断所述电源模块和所述被充电电池之间的充电回路。

2.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，进一步包括：

电压采集模块，用于在对所述被充电电池进行第一阶段性充电时，实时采集所述被充电电池的电压，并发送该电压对应的电压值；

并且，所述控制模块还用于接收所述第一阶段性充电时的电压值，并将该电压值与预先配置的极限电压值进行比较；在比较结果为一致或比较结果为所述第一阶段性充电时的电压值与所述极限电压值的误差在预定误差范围内的情况下，控制所述电源模块根据预先配置的所述恒定电压参数，向所述被充电电池进行第二阶段性充电。

3.根据权利要求2所述的充电电路，其特征在于，所述控制模块还用于在所述比较结果为所述第一阶段性充电时的电压值高于所述预先配置的极限电压值的情况下，控制所述过压保护模块切断所述电源模块和所述被充电电池之间的充电回路。

4.根据权利要求2或3所述的充电电路，其特征在于，所述预先配置的极限电压值根据所述被充电电池的终止充电电压值进行配置。

5.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述电压采集模块还用于在所述被充电电池进行第一阶段性充电之前，采集所述被充电电池的电压，并发送该电压对应的电压值；

并且，所述控制模块还用于接收所述第一阶段性充电之前的电压值，并将该电压值与预先配置的过放电电压值进行比较，在比较结果为第一阶段性充电之前的电压值低于所述过放电电压值的情况下，判定所述被充电电池处于过放电状态。

6.根据权利要求5所述的充电电路，其特征在于，所述控制模块还用于在所述被充电电池处于过放电状态时，控制所述电源模块根据预先配置的预充电电流参数，向所述被充电电池进行预充电；

并且，所述控制模块还用于在所述预充电的充电时间达到预先配置的预充电时间时，控制所述电源模块根据所述恒定电流参数，向所述被充电电池进行第一阶段性充电。

7.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，进一步包括：

温度采集模块，用于实时采集所述被充电电池的温度，并发送该温度对应的所述被充电电池的温度值；

高温保护模块，

并且，所述控制模块还用于接收所述被充电电池的温度值，并将所述被充电电池的温度值与预先配置的温度值进行比较，在比较结果为所述被充电电池的温度值高于所述预先配置的温度值的情况下，控制所述高温保护模块切断所述电源模块和所述被充电电池之间的充电回路。

8.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，进一步包括：

电流采集模块，用于实时采集所述被充电电池的充电电流，并发送该充电电流对应的所述被充电电池的充电电流值；

并且，所述控制模块还用于接收所述被充电电池的充电电流值，并将所述被充电电池的充电电流值与预先配置的充电电流值进行比较，在比较结果为所述被充电电池的充电电流值高于所述预先配置的充电电流值的情况下，控制所述电源模块减小对所述被充电电池的充电电流。

9.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述被充电电池为锂离子动力电池。

10.一种充电器，其特征在于，包括权利要求1至9任意一项所述的充电电路。

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