CN104777432A - 充电电池安全性检测方法、充电电池安全性检测电路及充电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充电电池安全性检测方法、充电电池安全性检测电路及具有充电电池安全性检测电路充电器。本发明通过采样充电电流信号，获得充电库伦信号，并将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，来判断电池是否发生故障，并在超过预设值时判断发生故障，并发出故障判断信号，阻止向电池继续充电，本发明不但简单易行，而且避免了爆炸等危险的发生，有效的提高了电池使用过程中的安全性。

Description

充电电池安全性检测方法、充电电池安全性检测电路及充电器

技术领域

本发明涉及一种充电电池安全性检测方法、充电电池安全性检测电路及具有充电电池安全性检测电路充电器。

背景技术

充电电池在多次反复使用后，往往会因为电池内部老化而损坏，如果对已经老化的电池继续充电，可能导致爆炸、自燃、起火等危险，因此有必要在对电池的日常使用中，及时检测出老化或故障电池，并禁止对其充电，从而改善电池使用的安全性。

申请号为201410063213.9的发明专利，提供了一种锂离子电池组健康状态的评估方法，定义了SOH＝Ccal/Cexp，其中Cexp＝(SOCchgf-SOCchg0)XCr，其中Cr为电池的标称容量，SOCchgf为充满时的电量值，一般为1即100％；SOCchg0为开始充电时的电量值，例如x％。即Ccal为开始充电至满充电截止时的充入电量。上述定义可知，其对于电池安全性评估需要将电池充电至满充电截止状态(电池电压达到VreatedXN且I<＝0.1C)。对于有些坏电池，由于其内部隔膜已经存在局部微穿刺，出现局部内部短路现象，则无论充多久，电池电压都小于VreatedXN或者I>＝0.1C，这样如果按照对比文件工作，会出现充电至电池爆炸都没有等到计算出表征电池健康状态的SOH值，即对比文件实施方式为了计算SOH值，往往会将电池充爆，因此这一方法具有一定的危险性。

发明内容

本发明克服了上述缺点，提供了一种简单易行、安全可靠的充电电池安全性检测方法、充电电池安全性检测电路及具有充电电池安全性检测电路充电器。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种充电电池安全性检测方法，包括如下步骤：

对充电电流进行采样，获得采样充电电流信号的步骤；

将获得的采样充电电流信号对充电时间积分，获得采样充电库伦信号的步骤；

将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，若超过所述预设值，则发出故障判断信号的步骤。

一种充电电池安全性检测电路，包括

充电电流采样单元，用于对充电电流进行采样，获得采样充电电流信号；

积分单元，用于将获得的采样充电电流信号对充电时间积分，获得采样充电库伦信号；

比较单元，用于将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，若超过所述预设值，则发出故障判断信号，否则不发出信号或发出安全判断信号；

所述充电电流采样单元、积分单元和比较单元顺序连接。

所述充电电流采样单元包括采样电阻、运算放大器和PMOS管，所述采样电阻串联在待充电电池所在回路中，所述采样电阻的一端连接所述运算放大器的一个输入端，另一端经另一电阻连接到所述运算放大器的另一输入端，并同时连接到所述PMOS管的源极，所述PMOS管的栅极连接所述所述运算放大器的输出端，漏极作为所述充电电流采样单元的输出端，输出采样充电电流信号，并连接所述积分单元的输入端。

所述积分单元包括一个电容、一个与所述电容并联的开关和一个反相器，所述反相器的输入端连接并接收启动充电信号，输出端与所述开关的控制端相连接，所述电容一端接地，另一端作为所述积分单元的输入端，与所述充电电流采样单元的输出端相连接，并同时作为所述积分单元的输出端，与所述比较单元的输入端相连。

所述比较单元为由另一运算放大器构成的比较器，所述比较器的一个输入端作为比较单元的输入端，与所述积分电流的输出端相连接，另一输入端连接所述预设值信号，输出端则作为所述比较单元的输出端。

所述充电电流采样单元包括采样电阻和模数转换器，所述采样电阻串联在待充电电池所在回路中，所述模数转换器用于将流经所述采样电阻的采样充电电流信号，转换为表征采样充电电流的数字信号；所述积分单元采用数字低通滤波器，用于对所述表征采样充电电流的数字信号的实现积分效果，所述比较单元采用数字比较器。

一种具有充电电池安全性检测电路的充电器，包括与充电电路，还包括顺序连接的充电电流采样单元、积分单元和比较单元，

所述充电电流采样单元，用于对充电电流进行采样，获得采样充电电流信号；

所述积分单元，用于将获得的采样充电电流信号对充电时间积分，获得采样充电库伦信号；

所述比较单元，用于将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，若超过所述预设值，则发出故障判断信号，否则不发出信号或发出安全判断信号；

所述充电电流采样单元包括采样电阻，所述采样电阻串联在所述充电电流的输入端或输出端，所述比较单元的输出端连接并控制所述充电电路，当所述比较单元发出故障判断信号时，所述充电电路停止向待充电电池输出充电电流。

所述预设值为nA/K，其中n为系数，取值为2.5～3.5，A为电池的标称容量，K为充电电流信号与采样充电电流信号的采样比。

本发明通过采样充电电流信号，获得充电库伦信号，并将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，来判断电池是否发生故障，并在超过预设值时判断发生故障，并发出故障判断信号，阻止向电池继续充电，本发明不但简单易行，而且避免了爆炸等危险的发生，有效的提高了电池使用过程中的安全性。

附图说明

图1为本发明中具有充电电池安全性检测电路的充电器的原理框图；

图2为一种优选实施例中，充电电流采样单元的电路原理图；

图3为一种优选实施例中，积分单元和比较单元的电路原理图；

图4为另一优选实施例的原理框图。

具体实施方式

首先，定义充电电流信号对充电时间的积分为充电库伦信号，即充电电荷量，单位为库伦，而采样充电电流信号对充电时间的积分为充电库伦信号，即采样充电电荷量，且与充电电荷量成固定比例，为减少功耗，采样电流一般在被采样电流中占有很小的比例。

经过大量试验发现：假设电池标称容量为A，采样比为K，即充电电流信号/采样充电电流信号为K/1，采样的充电电荷量为B，则B>nA/K可以作为判断故障电池的标准，其中n为系数，取值为2.5～3.5，较佳值为3。一般标称容量为新电池(应为正常电池)从满电状态(即无法充入电流状态)放电至无电状态(即无法输出电流状态)能释放出的电荷量。因此，本发明的原理是采用电池充电电流对时间的积分，得到充电库仑来判断电池是否已经损坏，判断电池故障的上限值即为3A/K。

基于上述理论，结合下面具体实施方式，对本发明内容加以详细描述。

本发明提供了一种充电电池安全性检测方法，包括如下步骤：

对充电电流进行采样，获得采样充电电流信号的步骤；

将获得的采样充电电流信号对充电时间积分，获得采样充电库伦信号的步骤；

将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，若超过所述预设值，则发出故障判断信号，进而阻止对电池继续充电，否则不发出信号或发出安全判断信号。

其中，所述预设值为nA/K，其中n为系数，取值为2.5～3.5，较佳值为3，A为电池的标称容量，K为充电电流信号与采样充电电流信号的采样比，例如采样比例为1000:1。即当充电电流为1A时，采样到的电流为1mA。

本发明还提供了一种具有充电电池安全性检测电路的充电器，如图1中所示，为所述具有充电电池安全性检测电路的充电器的原理框图，包括用于向电池BAT充电的充电电路，还包括顺序连接的充电电流采样单元、积分单元和比较单元，为了简化描述，图中省略了充电器中的其他一些不相关的电路单元。

所述充电电流采样单元，用于对充电电流进行采样，获得采样充电电流信号Ics；在所述充电电路的输入端或输出端串联有采样电阻(图中未标示)，即可以采样由电源端VCHG流入充电电路的电流或采样充电电路向电池BAT流出的电流，对于不存在额外系统耗电的情况，由VCHG流入充电电流的电流与充电电路向电池BAT流出的电流相等；在存在额外系统耗电的情况，由VCHG流入的电流可能大于充电电路向BAT流出的电流，对这种情况，应采用采样充电电路向BAT流出电流的方式，即将所述采样电阻设置在充电电路向电池BAT充电的输出端。

所述积分单元，用于将获得的采样充电电流信号对充电时间积分，获得采样充电库伦信号Ccs；

所述比较单元，用于将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，若超过所述预设值，则发出故障判断信号，否则不发出信号或发出安全判断信号；同理，所述预设值为取3A/K。

所述比较单元的输出端连接并控制所述充电电路，当所述比较单元发出故障判断信号stop时，所述充电电路停止向待充电电池输出充电电流，阻止向电池继续充电。所述充电电路为现有技术，而通过接收的故障判断信号，控制所述充电电路停止充电，也是本领域技术人员利用熟知的技术手段所能够实现的，因此对其具体电路结构不再赘述。

一种优选实施例中，所述具有充电电池安全性检测电路的充电器采用模拟电路实现上述技术方案。

如图2中所示，为图1中充电器的充电电流采样单元的电路原理图，包括采样电阻Rs、运算放大器OP1和PMOS管MPS1，所述采样电阻Rs串联在充电电流的输出端，即待充电电池BAT所在回路中，所述采样电阻Rs的一端连接所述运算放大器OP1的一个输入端，另一端经另一电阻R2连接到所述运算放大器OP1的另一输入端，并同时连接到所述PMOS管MPS1的源极，所述PMOS管MPS1的栅极连接所述所述运算放大器OP1的输出端，漏极作为所述充电电流采样单元的输出端，输出采样充电电流信号Ics，并连接所述积分单元的输入端。通过将所述运算放大器OP1的两个输入端，即B点电压调整至与A点电压相等，由于电阻Rs的另一端(即N点)与电阻R2的另一端(即N点)连接在一起，所以电阻Rs上的电压降等于电阻R2上的电压降，因此：V_Rs＝V_R2，其中V_Rs为电阻Rs上的电压降；V_R2为电阻R2上的电压降。根据欧姆定律:V_Rs＝I_Rs*R_Rs，V_R2＝I_R2*R_R2.其中I_Rs为Rs的电流，R_Rs为电阻Rs的电阻值，I_R2为电阻R2的电流值，R_R2为电阻R2的电阻值。可见:I_R2＝I_Rs*(R_Rs/R_R2)。如果设计Rs/R2＝1/1000000，即采样比K＝1000000，则I_R2＝I_R2/1000000，另外，根据基尔霍夫定律，PMOS管MPS1的漏极电流等于电阻R2的电流。

如图3中所示，为图1中积分单元和比较单元的电路原理图，所述积分单元包括一个电容C1、一个与所述电容C1并联的开关K1和一个反相器inva，所述反相器inva的输入端连接并接收一个启动充电信号start，所述反相器inva的输出端与所述开关K1的控制端相连接，所述电容C1一端接地，另一端作为所述积分单元的输入端，与所述充电电流采样单元的输出端相连接，接收采样充电电流信号Ics，并同时作为所述积分单元的输出端，与所述比较单元的输入端相连，输出采样充电库伦信号Ccs。

所述比较单元为由另一运算放大器构成的比较器com1，所述比较器com1的一个输入端作为比较单元的输入端，与所述积分电流的输出端相连接，接收所述采样充电库伦信号Ccs，另一输入端连接所述预设值信号Vc，输出端则作为所述比较单元的输出端。

当充电器不充电时(例如未插入充电器、充电器输入电源VCHG无电，或者被控制禁止充电时)，启动充电信号start为低电平，此时反相器inva的输出信号为高电平，控制开关K1导通，将所述电容C1短路到地电平。当启动充电信号start变为高电平时，控制开关K1断开，此时采样充电电流信号Ics对电容C1进行充电。如果充电库仑信号Ccs超过预设值，则输出故障判断信号stop来禁止充电电路对电池BAT充电，从而避免了电池爆炸等危险的发生，。

根据B>3A/K可知，如对于标称容量为10mA.H的电池，本实施例中设定的充电库仑上限值为10mA.H*3＝30mA.H，如果电流采样比例为1:1000000(即K＝1000000)时，则采样的充电电荷量上限应设置为30mA.H/1000000.，而所述比较单元设定的库仑比较阈值为U_VC*C_C1，其中U_VC为参考电压VC(连接于比较器的负输入端)的电压值，C_C1为电容C1的电容值。为了满足本发明原理U_VC*C_C1＝30mA.H/1000000，因此可以设计为U_VC＝3V，C_C1＝36微法。

另一种优选实施例中，所述具有充电电池安全性检测电路的充电器采用数字电路实现上述技术方案。

如图4中所示，为所述另一优选实施例的原理框图。

所述充电电流采样单元包括采样电阻(图中未标示，与上一实施例原理相同)和模数转换器，所述采样电阻串联在待充电电池BAT所在回路中，所述模数转换器用于将流经所述采样电阻的采样充电电流信号，转换为表征采样充电电流信号Ics的数字信号；所述积分单元采用数字低通滤波器，用于对所述表征采样充电电流的数字信号实现对充电时间的积分效果，并获得采样充电库伦信号Ccs的数字信号，所述比较单元采用数字比较器，将数字形式的采样充电库伦信号Ccs与预设值进行比较，如果超过所述预设值，则将输出信号故障判断信号stop，控制充电电路停止充电。

本发明还提供了一种充电电池安全性检测电路，包括顺序连接的充电电流采样单元、积分单元和比较单元，如图1中所示的虚线框内的部分内，所述充电电流采样单元，用于对充电电流进行采样，获得采样充电电流信号；所述积分单元，用于将获得的采样充电电流信号对充电时间积分，获得采样充电库伦信号；所述比较单元，用于将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，若超过所述预设值，则发出故障判断信号，否则不发出信号或发出安全判断信号；

以上对本发明所提供的充电电池安全性检测方法、充电电池安全性检测电路及具有充电电池安全性检测电路充电器。进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种充电电池安全性检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

对充电电流进行采样，获得采样充电电流信号的步骤；

将获得的采样充电电流信号对充电时间积分，获得采样充电库伦信号的步骤；

将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，若超过所述预设值，则发出故障判断信号的步骤。

2.根据权利要求1所述的充电电池安全性检测方法，其特征在于：所述预设值为nA/K，其中n为系数，取值为2.5～3.5，A为电池的标称容量，K为充电电流信号与采样充电电流信号的采样比。

3.一种充电电池安全性检测电路，其特征在于：包括

充电电流采样单元，用于对充电电流进行采样，获得采样充电电流信号；

积分单元，用于将获得的采样充电电流信号对充电时间积分，获得采样充电库伦信号；

比较单元，用于将所述采样充电库伦信号与预设值进行比较，若超过所述预设值，则发出故障判断信号，否则不发出信号或发出安全判断信号；

所述充电电流采样单元、积分单元和比较单元顺序连接。

4.根据权利要求3所述的充电电池安全性检测电路，其特征在于：所述预设值为nA/K，其中n为系数，取值为2.5～3.5，A为电池的标称容量，K为充电电流信号与采样充电电流信号的采样比。

5.根据权利要求3或4所述的充电电池安全性检测电路，其特征在于：所述充电电流采样单元包括采样电阻、运算放大器和PMOS管，所述采样电阻串联在待充电电池所在回路中，所述采样电阻的一端连接所述运算放大器的一个输入端，另一端经另一电阻连接到所述运算放大器的另一输入端，并同时连接到所述PMOS管的源极，所述PMOS管的栅极连接所述所述运算放大器的输出端，漏极作为所述充电电流采样单元的输出端，输出采样充电电流信号，并连接所述积分单元的输入端。

6.根据权利要求3或4所述的充电电池安全性检测电路，其特征在于：所述积分单元包括一个电容、一个与所述电容并联的开关和一个反相器，所述反相器的输入端连接并接收启动充电信号，输出端与所述开关的控制端相连接，所述电容一端接地，另一端作为所述积分单元的输入端，与所述充电电流采样单元的输出端相连接，并同时作为所述积分单元的输出端，与所述比较单元的输入端相连。

7.根据权利要求3或4所述的充电电池安全性检测电路，其特征在于：所述比较单元为由另一运算放大器构成的比较器，所述比较器的一个输入端作为比较单元的输入端，与所述积分电流的输出端相连接，另一输入端连接所述预设值信号，输出端则作为所述比较单元的输出端。

8.根据权利要求3或4所述的充电电池安全性检测电路，其特征在于：所述充电电流采样单元包括采样电阻和模数转换器，所述采样电阻串联在待充电电池所在回路中，所述模数转换器用于将流经所述采样电阻的采样充电电流信号，转换为表征采样充电电流的数字信号；所述积分单元采用数字低通滤波器，用于对所述表征采样充电电流的数字信号的实现积分效果，所述比较单元采用数字比较器。

9.一种具有充电电池安全性检测电路的充电器，包括充电电路，其特征在于：其具有如权利要求3中所述的充电电池安全性检测电路，包括顺序连接的充电电流采样单元、积分单元和比较单元，所述充电电流采样单元包括采样电阻，所述采样电阻串联在所述充电电流的输入端或输出端，所述比较单元的输出端连接并控制所述充电电路，当所述比较单元发出故障判断信号时，所述充电电路停止向待充电电池输出充电电流。