CN104377770B - 多串锂电池充电控制电路、其控制方法及通用型充电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多串锂电池充电控制电路,包括DC/DC转换、电池包、驱动电路、恒定电压控制、恒定电流控制、微处理器和反馈电路七个模块，其中恒定电压控制模块的输入控制端与充电器接口相连，恒定电流控制模块的输入控制端连接至微处理器模块的相应管脚，反馈电路模块连接在电池包负极与微处理器模块的相应管脚之间，驱动电路模块的输入控制端分别与微处理器模块的相应管脚、恒定电压控制模块的输出端和恒定电流控制模块的输出端连接。本发明还涉及多串锂电池充电控制方法及通用型充电器。本发明改善稳定性的问题，提高电路的控制精度；智能化控制，集成化程度高，简化电路结构，控制生产成本；解决微处理器的反馈速度问题，保证反馈的实时性，减小波动。

Description

多串锂电池充电控制电路、其控制方法及通用型充电器

技术领域

本发明涉及充电电路领域，具体地说是一种多串锂电池充电控制电路、其控制方法及通用型充电器。

背景技术

目前多节锂电池组的应用日趋广泛,在通用的锂电池应用中,通常需要专门的充电器对电池包进行充电，因此充电器比较复杂，通用性差，从而造成产品成本增加。另一方面，采用现有的恒流恒压控制电路在从恒流充电向恒压充电的过渡过程中存在稳定性不好、精度较低等问题，影响了产品的性价比。

另一方面，在实际应用中，现有技术通过微处理器读取电流大小，然后调整PWM输出信号的占空比，进而调节电流，这样的方法对微处理器的速度要求太高，同时也无法保证反馈的实时性，从而恒流效果会很差，会出现较大的波动。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种多串锂电池充电控制电路，改善充电过程中存在的稳定性不好的问题，有效提高电路的控制精度，且降低对微处理器的要求且能够保证控制效果。

为了解决上述问题，本发明实施的多串锂电池充电控制电路，包括通过DC/DC转换模块与充电接囗正极相连的由多节锂电池组组成的电池包,与充电接口连接的驱动电路模块，连接在电池包正负极的恒定电压控制模块和恒定电流控制模块，还包括微处理器模块和反馈电路模块，其中，所述恒定电压控制模块的输入控制端与充电器接口相连，所述恒定电流控制模块的输入控制端连接至微处理器模块的相应管脚，所述反馈电路模块连接在电池包负极与微处理器模块的相应管脚之间，所述驱动电路模块的输入控制端分别与微处理器模块的相应管脚、恒定电压控制模块的输出端和恒定电流控制模块的输出端连接。

优选的，所述恒定电压控制模块中设置有一比较器U1A，所述比较器U1A的反相输入端通过电阻R13与开关元件Q4非控制端口连接，其同相输入端通过电阻R15接入参考电压Vref、通过电阻R16与微处理器模块的对应管脚连接，并在该同相输入端设置节点VP；开关元件Q4的控制端通过电阻R3与充电器接口相连。

优选的，所述恒定电流控制模块中设置有一比较器U1B，所述比较器U1B的反相输入端连接至电阻R22和电阻R23之间的节点处，其同相输入端通过电阻R19与开关元件Q5的非控制端口连接、通过电阻R20接入参考电压Vref，并在该同相输入端设置节点CP;开关元件Q5的控制端通过电阻R17与微处理器模块的对应管脚连接。

优选的，所述反馈电路模块中设置有一比较器U1C，所述比较器U1C的反相输入端连接至电阻R24和电阻R25之间的节点处，并通过电阻R24连接至比较器U1C的输出端，其同相输入端通过上拉电阻R27接入参考电压Vref，串联在充电接口逻辑地端与地端之间的电流采样电阻RCS1通过两端分别接入电阻R25电阻R26后与电容C9并联，并最后连接于所述比较器U1C的反相输入端与其同相输入端之间；所述比较器U1C的输出端通过电阻R22、电阻R23与微处理器模块的对应管脚连接。

为解决上述问题，本发明还提供一种多串锂电池充电控制方法，该方法为：

S1、插入电源；

S2、检测并判断电源适配器是否匹配，若是，执行下一步操作，否则，结束充电过程；

S3、检测并判断电池电压是否小于充电恢复电压，若是，执行下一步操作，否则，结束充电过程；

S4、检测并判断单节电池电压是否小于预充门限电压，若是，执行下一步操作，否则，进入快充模式并循环执行此步骤；

S5、检测并判断单节电池电压是否小于涓流充电门限电压，若是，进入预充模式并执行步骤S4，否则，进入涓流充电模式。

优选的，步骤S2包括以下步骤：

S21、电源管理系统检测充电器的空载输出电压；

S22、当空载输出电压落入预设区间内时，可判断为电源适配器与充电器匹配，否则判断为不匹配。

优选的，步骤S4中所述快充模式下，充电电流恒定，设置为0.5C或1C。

优选的，其特征在于，步骤S5中所述预充模式下，充电电流恒定，设置为0.1C

优选的，其特征在于，步骤S5中所述涓流充电模式下，

Sa1、以涓流起始充电电流开始充电，并检测实时充电电流和单节电池电压；

Sa2、当实时充电电流小于过充门限电流值和/或单节电池电压高于过充门限电压时，停止充电，并指示充电结束，否则，持续恒压充电；

其中，涓流起始充电电流设置为0.1C。

为解决上述问题，本发明还提供一种通用型充电器，其特征在于，该充电器内置上述的充电控制电路。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：一、采用MCU结合比较器完成恒流恒压控制，有效改善充电过程中存在的稳定性不好的问题，且能够有效提高电路的控制精度。二、利用MCU可实现智能化控制，且集成化程度高，将原来硬件控制转换为软件控制，大大减少了硬件的使用，简化了电路结构，可有效控制生产成本。三、对于占空比的调节，通过硬件反馈的方法来实现，从而解决了微处理器反馈速度慢的问题，有效保证了反馈的实时性，保证了横流效果，减小波动。

附图说明

图1 为本发明实施的多串锂电池充电控制电路示意图。

图2 为本发明实施的多串锂电池充电控制电路图。

图3 为图2中的DC/DC转换模块内部电路图。

图4 为图2中的驱动电路模块内部电路图。

图5 为图2中的恒定电压控制模块内部电路图。

图6 为本图2中的恒定电流控制模块内部电路图。

图7 为图2中的反馈电路模块内部电路图。

图8 为本发明实施的多串锂电池充电控制方法流程图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

本发明的具体实施方式如图1所示，一种多串锂电池充电控制电路，包括通过DC/DC转换模块1与充电接囗正极相连的由多节锂电池组组成的电池包2,与充电接口连接的驱动电路模块3，连接在电池包2正负极的恒定电压控制模块4和恒定电流控制模块5，还包括微处理器模块6和反馈电路模块7，其中，所述恒定电压控制模块4的输入控制端与充电器接口相连，所述恒定电流控制模块5的输入控制端连接至微处理器模块6的相应管脚，所述反馈电路模块7连接在电池包2负极与微处理器模块6的相应管脚之间，所述驱动电路模块3的输入控制端分别与微处理器模块6的相应管脚、恒定电压控制模块4的输出端和恒定电流控制模块5的输出端连接。图中,充电接口与电源适配器接口一致。

作为本发明的具体实施例，开关元件Q1～Q3采用三极管，开关元件Q4～Q5采用MOS管，比较器U1A～U1C采用集成运放,具体电路如图2～图7所示。恒定电压控制模块4中设置有一比较器U1A，所述比较器U1A的反相输入端通过电阻R13与开关元件Q4非控制端口连接，其同相输入端通过电阻R15接入参考电压Vref、通过电阻R16与微处理器模块6的对应管脚连接，并在该同相输入端设置节点VP；开关元件Q4的控制端通过电阻R3与充电器接口相连。其电路工作原理如下：当电池包2两端电压上升时，比较器U1A的反相输入端电压会上升，当超过节点VP的电压时，则比较器U1A输出低电平，从而强制三极管Q1的基极电压降低，致使开关元件QC1关闭，电池包2两端电压下降，最终使得U1A的反相输入端电压会下降；当低于节点VP的电压时，则比较器U1A输出高阻，这时CH_PWM又恢复工作，从而继续控制开关元件QC1的开关动作。其中，图中电阻R16的一端接微处理器U3输出的电信号ADJ_OVP，电信号ADJ_OVP是MCU的DA输出端口，其作用是用于对恒压控制的精度进行校准。

恒压控制的精度校准原理为：当节点VP的电压高于目标电压数值时，通过降低输出电信号Vadj的数值大小，就可以降低节点VP的电压；同理，当节点VP的电压低于目标电压数值时，通过增加电信号Vadj的数值大小，就可以提高节点VP的电压。

其中，目标电压数值的设定准则是，使得当恒压控制时，电池两端电压在参数需要的范围内即可。

恒定电流控制模块5中设置有一比较器U1B，所述比较器U1B的反相输入端连接至电阻R22和电阻R23之间的节点处，其同相输入端通过电阻R19与开关元件Q5的非控制端口连接、通过电阻R20接入参考电压Vref，并在该同相输入端设置节点CP;开关元件Q5的控制端通过电阻R17与微处理器模块6的对应管脚连接。其电路工作原理如下：当充电电流增加时，比较器U1B的反相输入端电压会上升，当超过节点CP的电压时，则比较器U1B输出低电平，从而强制三极管Q1的基极电压降低，致使开关元件QC1关闭，充电电流降低，最终使得比较器U1B的反相输入端电压会下降；当低于节点CP的电压时，则比较器U1B输出高阻，这时CH_PWM又恢复工作，从而继续控制开关元件QC1的开关动作。其中，图中的电阻R23和电容C8的数值需根据反馈的需求进行调整，以保证此反馈循环稳定性的要求，通常情况下，电阻R23和电容C8组成的滤波器，其充放电时间常数t = R*C应小于电信号CH_PWM的输出周期。

反馈电路模块7中设置有一比较器U1C，所述比较器U1C的反相输入端连接至电阻R24和电阻R25之间的节点处，并通过电阻R24连接至比较器U1C的输出端，其同相输入端通过上拉电阻R27接入参考电压Vref，串联在充电接口逻辑地端与地端之间的电流采样电阻RCS1通过两端分别接入电阻R25电阻R26后与电容C9并联，并最后连接于所述比较器U1C的反相输入端与其同相输入端之间；所述比较器U1C的输出端通过电阻R22、电阻R23与微处理器模块6的对应管脚连接。 电流采样放大反馈的工作原理是：微处理器U3的AD转换管脚读取当前经过放大后稳定的充电电流平均值，并当此充电电流低于小电流关断设定值后，则结束充电。

其中，参考电压Vref为稳定的参考源电压。

电阻R6～R11、稳压管Z1和三极管Q1～Q3组成驱动电路模块3，用于对开关元件QC1进行开关控制。二极管D1、电容C1、开关元件QC1、二极管D2、电感L1、电容C2及微处理器U3组成一个降压型的DC/DC转换线路。当开关元件QC1打开后，电源适配器通过电感L1给电容C2充电，从而电容C2电压升高；当QC1关闭后，由于电感L1的电流不会突变，其继续通过二极管D2给电容C2充电，从而使得电感L1的电流逐步减少，如此不断循环，就组成了DC/DC的电压转换。其中，微处理器U3通过相应管脚输出电信号CH_PWM用以控制开关元件QC1的通断，以达到降压的功能。

本发明的具体实施例还提供一种多串锂电池充电控制方法，该方法为：

S1、插入电源；

S2、检测并判断电源适配器是否匹配，若是，执行下一步操作，否则，结束充电过程；

其中,步骤S2包括以下步骤：

S21、电源管理系统检测充电器的空载输出电压；

S22、当空载输出电压落入预设区间内时，可判断为电源适配器与充电器匹配，否则判断为不匹配。

当插入电源适配器后，微处理器模块6中的U3通过AD转换读取电信号CH_IN的电压，电信号CH_IN的电压为电阻R1与电阻R2之间的节点电压；根据由电阻R1和电阻R2组成的分压网络的电阻分配比例，就可以得到电源适配器此时的空载电压。需要说明的是，没有开始充电前，开关元件QC1处于关闭状态。如果空载输出电压过高或过低，则认为电源适配器不匹配，不进行充电操作。

S3、检测并判断电池电压是否小于充电恢复电压，若是，执行下一步操作，否则，结束充电过程；

其中,电池电压可通过在电池包2正极处设置节点VBAT+,利用微处理器U3的AD转换管脚读取节点VBAT+的电压值。一般情况下，充电恢复电压会比过充门限电压低0.2V，假设过充门限电压为4.25V，则充电恢复电压为4.05V，当电池电压高于充电恢复电压时，则认为电池已经充满，不会启动充电。

S4、检测并判断单节电池电压是否小于预充门限电压，若是，执行下一步操作，否则，进入快充模式并循环执行此步骤；

其中, 在快充模式下，充电电流恒定，设置为0.5C或1C。

C为电池容量，假设电池容量为2000mAh，则快充电流最佳数值应设置为1A或2A。

本实施例中，预充门限电压设置为3.0V。

S5、检测并判断单节电池电压是否小于涓流充电门限电压，若是，进入预充模式并执行步骤S4，否则，进入涓流充电模式。

其中,在预充模式下，充电电流恒定，设置为0.1C。

C为电池容量，假设电池容量为2000mAh，则预充电流最佳数值应设置为200mA。

一般情况下，涓流充电门限电压会低于过充门限电压0.1V，假设过充门限电压为4.25V, 则涓流充电门限为4.15V

在涓流模式下，充电器会调整输出，以涓流电流进行充电，同时，充电器要进入恒压保护状态，防止过充电，也就是充电器需要进入恒流恒压状态。通常涓流起始充电电流与预充电流相同。

在步骤S5中所述涓流充电模式下，包含以下步骤：

Sa1、以涓流起始充电电流开始充电，并检测实时充电电流和单节电池电压；

Sa2、当实时充电电流小于过充门限电流值和/或单节电池电压高于过充门限电压时，停止充电，并指示充电结束，否则，持续恒压充电；

其中，涓流起始充电电流设置为0.1C。

过充门限电流值一般为涓流起始电流的0.5倍。

需要说明的是，1C是个逻辑概念而非绝对值，因此根据1C折算的快充慢充也是一个相对值。

预充电流，快充电流，涓流电流为预设值。由于预充电流，快充电流，涓流电流在一般情况下是不相同的，因此需要控制节点CP的电压不同，从而实现不同的电流控制。本实施例中，预充电流，涓流电流相同。图中通过电阻R17、电阻R18、电阻R19和MOS管Q5来实现。具体工作过程如下：

当微处理器的输出电信号SEL_CUR为低电平时，MOS管Q5关断，此时为快充电流设置，节点CP的电压为：

Vcp = Vref *R21/(R20+R21)

当微处理器的输出电信号SEL_CUR为高电平时MOS管，Q5开启，此时为预充或涓流电流设置，节点CP的电压为：

Vcp = Vref *（R21//R19）/(R20+R21//R19)。

本发明的具体实施例还提供一种充电器，该充电器内置上述的充电控制电路。

需要说明的是，在本实施例中，未详细展开进行阐述的地方，均为本领域技术人员可根据现有公知常识与实践经验来实现,如:对单节电池电压的读取为现有技术。

以上所述为本发明的较佳实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。需要说明的是，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种多串锂电池充电控制电路，包括通过DC/DC转换模块（1）与充电接囗正极相连的由多节锂电池组组成的电池包（2）,与充电接口连接的驱动电路模块（3），连接在电池包正负极的恒定电压控制模块（4）和恒定电流控制模块（5），其特征在于：还包括微处理器模块（6）和反馈电路模块（7），其中，所述恒定电压控制模块的输入控制端与充电器接口相连，所述恒定电流控制模块的输入控制端连接至微处理器模块的相应管脚，所述反馈电路模块连接在电池包负极与微处理器模块的相应管脚之间，所述驱动电路模块的输入控制端分别与微处理器模块的相应管脚、恒定电压控制模块的输出端和恒定电流控制模块的输出端连接；所述恒定电压控制模块（4）中设置有一比较器U1A，所述比较器U1A的反相输入端通过电阻R13与开关元件Q4非控制端口连接，其同相输入端通过电阻R15接入参考电压Vref、通过电阻R16与微处理器模块的对应管脚连接，并在该同相输入端设置节点VP；开关元件Q4的控制端通过电阻R3与充电器接口相连。

2.根据权利要求1所述的多串锂电池充电控制电路，其特征在于，所述恒定电流控制模块（5）中设置有一比较器U1B，所述比较器U1B的反相输入端连接至电阻R22和电阻R23之间的节点处，其同相输入端通过电阻R19与开关元件Q5的非控制端口连接、通过电阻R20接入参考电压Vref，并在该同相输入端设置节点CP;开关元件Q5的控制端通过电阻R17与微处理器模块的对应管脚连接。

3.根据权利要求1所述的多串锂电池充电控制电路，其特征在于，所述反馈电路模块（7）中设置有一比较器U1C，所述比较器U1C的反相输入端连接至电阻R24和电阻R25之间的节点处，并通过电阻R24连接至比较器U1C的输出端，其同相输入端通过上拉电阻R27接入参考电压Vref，串联在充电接口逻辑地端与地端之间的电流采样电阻RCS1通过两端分别接入电阻R25电阻R26后与电容C9并联，并最后连接于所述比较器U1C的反相输入端与其同相输入端之间；所述比较器U1C的输出端通过电阻R22、电阻R23与微处理器模块的对应管脚连接。

4.一种通用型充电器，其特征在于，该充电器内置权利要求1-3中任一所述的充电控制电路。