CN107742910A - 电池充电电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池充电电路和方法，电池充电电路，包括：功率级电路、第一开关和第二开关；所述功率级电路的第一输入端连接输入电压的高电位端，所述功率级电路的第二输入端连接输入电压的低电位端，所述功率级电路的第一输入端连接所述第一开关的一端，所述第一开关的另一端连接所述第一电池的正极，所述第一电池的负极连接所述第二电池的正极，所述第二电池的负极连接所述第二开关的一端，所述第二开关的另一端连接所述功率级电路的第二输入端，所述功率级电路的输出端连接所述第一电池和所述第二电池的公共端。本发明解决了被动均衡中电池充电损耗较高的问题，完成了分时充电和主动均衡两项功能，提高了电池充电效率，降低了充电损耗。

Description

电池充电电路和方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体的说，涉及一种电池充电电路和方法。
背景技术
现有技术中需要对由多节电池组成的电池组进行充电，如果同时对电池组中所有的电池一起进行充电，则会造成电池组中各节电池的电压不相同的情况，进而造成某些电池过冲，影响电池的寿命。
现有技术一般会用被动均衡技术来解决上述问题，所谓被动均衡指的是，利用电阻放热或者泄放电路将高容量电池“多出的电量”进行释放，从而达到均衡的目的，但是由于其是将能量耗散型，故被动均衡中的电池充电损耗比较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电池充电电路和方法，用于解决现有技术存在的充电时存在电池过冲问题以及被动均衡中电池充电损耗较高的问题。
本发明提供了一种电池充电电路，包括功率级电路、第一开关和第二开关；所述功率级电路的第一输入端连接输入电压的高电位端，所述功率级电路的第二输入端连接输入电压的低电位端，所述功率级电路的第一输入端连接所述第一开关的一端，所述第一开关的另一端连接所述第一电池的正极，所述第一电池的负极连接所述第二电池的正极，所述第二电池的负极连接所述第二开关的一端，所述第二开关的另一端连接所述功率级电路的第二输入端，所述功率级电路的输出端连接所述所述第一电池和所述第二电池的公共端。
可选的，所述的功率级电路包括第一开关管、第二开关管和储能电感，所述第一开关管的第一端作为功率级电路的第一输入端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端作为功率级电路的第二输入端，所述储能电感的一端连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端，所述储能电感的另一端作为功率级电路的输出端。
可选的，分时充电模式下，所述第一开关管和所述第二开关管均工作在高频开关状态，当所述第一开关闭合，所述第二开关断开时，对第一电池充电；当所述第一开关断开，所述第二开关闭合时，对第二电池充电。
可选的，所述分时充电模式存在两个阶段，第一个阶段：对所述第一电池和第二电池交替充电，二者的充电时间相等；第二个阶段：检测所述第一电池和所述第二电池的电压，当两者压差超过第一阈值时，使得电压小的电池充电时间延长，电压大的电池充电时间缩短，直到两者的压差等于第一阈值后回到第一个阶段的充电模式。
可选的，均衡模式下，所述第一开关管和所述第二开关管均工作在高频开关状态，当第一电池的电压大于第二电池的电压第二阈值时，电感电流从所述第一开关管和所述第二开关管的公共端流向所述第一电池和所述第二电池的公共端或第一开关管为主管，第二开关管为辅管，第一电池会对第二电池充电；当第一电池的电压小于第二电池的电压第三阈值时，电感电流从所述第一电池和所述第二电池的公共端流向所述第一开关管和所述第二开关管的公共端或第一开关管为辅管，第二开关管为主管，第二电池会对第一电池充电。
可选的，所述的第一开关为第一双向阻断开关管，所述第二开关为第二双向阻断开关管，用于防止电池反接。
可选的，所述的第一双向阻断开关管包括第三开关管和第四开关管，所述的第二双向阻断开关管包括第五开关管和第六开关管，所述第四开关管的控制端连接到第一电池的正极，所述第六开关管的控制端连接第二电池的负极，检测第一电池和第二电池公共端的电压，当所述公共端的电压小于所述第二开关管第二端的电压时，则判断所述第二电池反接，并关断所述第五开关管；当所述公共端的电压大于所述第一开关管第一端的电压时，则判断所述第一电池反接，并关断所述第三开关管。
可选的，所述第一开关管和所述第二开关管是N型MOS管，所述的第一端为N型MOS管的漏极，所述的第二端为N型MOS管的源极。
本发明还提供一种电池充电方法，基于一种电池充电电路，所述充电电路包括包括功率级电路、第一开关和第二开关，所述功率级电路的第一输入端连接输入电压的高电位端，所述功率级电路的第二输入端连接输入电压的低电位端，所述功率级电路的第一输入端连接所述第一开关的一端，所述第一开关的另一端连接所述第一电池的正极，所述第一电池的负极连接所述第二电池的正极，所述第二电池的负极连接所述第二开关的一端，所述第二开关的另一端连接所述功率级电路的第二输入端，所述功率级电路的输出端连接所述所述第一电池和所述第二电池的公共端，其特征在于：所述充电方法包括分时充电过程和均衡过程。
可选的，所述的功率级电路包括第一开关管、第二开关管和储能电感，所述第一开关管的第一端作为功率级电路的第一输入端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端作为功率级电路的第二输入端，所述储能电感的一端连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端，所述储能电感的另一端作为功率级电路的输出端。
可选的，所述分时充电过程包括，所述第一开关管和所述第二开关管均工作在高频开关状态，当所述第一开关闭合，所述第二开关断开时，对第一电池充电；当所述第一开关断开，所述第二开关闭合时，对第二电池充电。
可选的，所述分时充电模式存在两个阶段，第一个阶段：对所述第一电池和第二电池交替充电，二者的充电时间相等；第二个阶段：检测所述第一电池和所述第二电池的电压，当两者压差超过第一阈值时，使得电压小的电池充电时间延长，电压大的电池充电时间缩短，直到两者的压差等于第一阈值后回到第一个阶段的充电模式。
可选的，所述均衡过程包括，所述第一开关管和所述第二开关管均工作在高频开关状态，当第一电池的电压大于第二电池的电压第二阈值时，电感电流从所述第一开关管和所述第二开关管的公共端流向所述第一电池和所述第二电池的公共端或第一开关管为主管，第二开关管为辅管，第一电池会对第二电池充电；当第一电池的电压小于第二电池的电压第三阈值时，电感电流从所述第一电池和所述第二电池的公共端流向所述第一开关管和所述第二开关管的公共端或第一开关管为辅管，第二开关管为主管，第二电池会对第一电池充电。
与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：本发明针对现有技术中充电时存在电池过冲问题以及被动均衡中电池充电损耗较高的问题，提出了一种电池充电电路，利用开关的闭合和关断可以分时对电池进行充电，解决充电过程中存在的电池过冲问题；并且该电路可以利用主动均衡对充电完成的电压进行调整，使得电压高的电池对电压低的电池进行充电。本发明可以可以避免电池过冲问题，并且提高了电池充电效率，降低了充电损耗。
附图说明
图1为本发明电池充电电路实施例一的部分结构示意图；
图2为本发明电池充电电路实施例二的部分结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所述，示意了本发明电池充电电路实施例一的部分结构示意图。所述电池充电电路包括第一开关管M1、第二开关管M2、第一开关S1、第二开关S2、第一电池V1、第二电池V2、储能电容L。所述第一开关管M1的漏极连接输入电压的高电位端，所述第一开关管M1的源极连接第二开关管M2的漏极，所述第二开关管M2的源极连接输出电压的低电位端，所述第一开关管M1的漏极连接第一开关S1的一端，所述第一开关S1的另一端连接第一电池V1的正极，所述第一电池V1的负极连接第二电池V2的正极，所述第二电池V2的负极连接所述第二开关S2的一端，所述第二开关S2的另一端连接所述第二开关管M2的源极，所述储能电感L的一端连接所述第一开关管M1和所述第二开关管M2的公共端，所述储能电感L的另一端连接所述第一电池V1和所述第二电池V2的公共端。所述的输入电压可以通过USB接口接入电路。
图1中的电路可以完成两个功能，分时充电和主动均衡。
一、分时充电过程
1.分时充电：
1.1第一开关S1闭合，第一开关管M1，第二开关管M2均工作在高频开关状态，此时电路对第一电池V1进行充电。
1.2第二开关S2闭合，第一开关管M1，第二开关管M2均工作在高频开关状态，此时电路对第二电池V2进行充电。
2.分时充电过程存在两个阶段，
第一个阶段：对所述第一电池和第二电池交替充电，二者的充电时间相等；
第二个阶段：检测所述第一电池和所述第二电池的电压，当两者压差超过第一阈值时，使得电压小的电池充电时间延长，电压大的电池充电时间缩短，直到两者的压差等于第一阈值后回到第一个阶段的充电模式。
图1所示电路中的充电功能已经可以解决电池过冲的问题，并且对于第一电池V1和第二电池V2的电压进行粗略的调节，该电路还可以利用主动均衡对第一电池V1和第二电池V2的电压进行进一步调节。
二、主动均衡
2.1当第一电池的电压大于第二电池的电压第二阈值时，即UV1＞UV2时，第一开关管M1，第二开关管M2均工作在高频开关状态，当第一开关管M1为主管，第二开关管M2为辅管，或者电感电流从所述第一开关管和所述第二开关管的公共端流向所述第一电池和所述第二电池的公共端时，即电路中电流方向如φ2所示时，
图1中的电路类似为一个降压电路(Buck电路)，输入为第一电池V1的电压和第二电池V2的电压之和，即UV1+UV2，输出为第二电池V2的电压UV2，则第一电池V1会对第二电池V2进行充电，使得第一电池V1的电压下降而第二电池V2的电压升高直至两者相等。
2.2当第一电池的电压小于第二电池的电压第三阈值时，即UV1＜UV2时，第一开关管M1，第二开关管M2均工作在高频开关状态，当第一开关管为辅管，第二开关管为主管，或者电感电流从所述第一电池和所述第二电池的公共端流向所述第一开关管和所述第二开关管的公共端时，即电路中电流方向如φ1所示，
图1中的电路类似为一个升压电路(Boost电路)，输入为第二电池的电V2的电压，输出为第一电池V1的电压和第二电池V2的电压之和，即UV1+UV2，则第二电池V2会对第一电池V1进行充电，使得第二电池V2的电压下降而第一电池V1的电压升高直至两者相等。
2.3重复2.1，2.2过程使得对第一电池V1的电压和第二电池V2的电压动态相等。
本发明中的第一阈值，第二阈值，第三阈值理论上可以为任意值，实际中可以结合实际场景设定合适的值。
本发明中的开关指的是广义的开关，可以是开关，开关管，或者开关和开关管的组合等。本实施例中利用开关来进行选择分时充电，但完成相同的开关功能的其他器件也在本发明的保护范围内。例如：图2给出了本发明电池充电电路实施例二的部分结构示意图。
即将图1中的所述的第一开关S1在图2中为第一双向阻断开关管，图1中所述第二开关S2在图2中为第二双向阻断开关管，这里利用双向阻断开关管可以防止电池反接，是图1的升级。
图2的电路也可以完成分时充电和主动均衡两项功能，具体过程和图1相同。在这里不再赘述，主要说明下图2防止电池反接的功能。
如图2所示，所述的第一双向阻断开关管为P型开关管，包括第三开关管Q3和第四开关管Q4，所述的第二双向阻断开关管为N型开关管，包括第五开关管Q5和第六开关管Q6，所述第四开关管Q4的控制端连接到第一电池V1的正极，所述第六开关管Q6的控制端连接第二电池V2的负极，检测第一电池V1和第二电池V2公共端的电压，即C点电压VC，
当VC小于A点电压VA即第二开关管M2源极的电压时，判断下电池反接，关断第五开关管Q5，从而防止下电池反接；
当VC大于B点电压VB即第一开关管M1漏极的电压时，判断上电池反接，关断第三开关管Q3，从而防止上电池反接。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电池充电电路，包括功率级电路、第一开关和第二开关，其特征在于：
所述功率级电路的第一输入端连接输入电压的高电位端，所述功率级电路的第二输入端连接输入电压的低电位端，所述功率级电路的第一输入端连接所述第一开关的一端，所述第一开关的另一端连接所述第一电池的正极，所述第一电池的负极连接所述第二电池的正极，所述第二电池的负极连接所述第二开关的一端，所述第二开关的另一端连接所述功率级电路的第二输入端，所述功率级电路的输出端连接所述所述第一电池和所述第二电池的公共端。
2.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述的功率级电路包括第一开关管、第二开关管和储能电感，所述第一开关管的第一端作为功率级电路的第一输入端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端作为功率级电路的第二输入端，所述储能电感的一端连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端，所述储能电感的另一端作为功率级电路的输出端。
3.根据权利要求2所述的电池充电电路，其特征在于：分时充电模式下，所述第一开关管和所述第二开关管均工作在高频开关状态，
当所述第一开关闭合，所述第二开关断开时，对所述第一电池充电；
当所述第一开关断开，所述第二开关闭合时，对所述第二电池充电。
4.根据权利要求3所述的电池充电电路，其特征在于：所述分时充电模式存在两个阶段，第一个阶段：对所述第一电池和第二电池交替充电，二者的充电时间相等；第二个阶段：检测所述第一电池和所述第二电池的电压，当两者压差超过第一阈值时，使得电压小的电池充电时间延长，电压大的电池充电时间缩短，直到两者的压差等于第一阈值后回到第一个阶段的充电模式。
5.根据权利要求2所述的电池充电电路，其特征在于：均衡模式下，所述第一开关管和所述第二开关管均工作在高频开关状态，
当第一电池的电压大于第二电池的电压第二阈值时，电感电流从所述第一开关管和所述第二开关管的公共端流向所述第一电池和所述第二电池的公共端或所述第一开关管为主管，所述第二开关管为辅管，所述第一电池会对所述第二电池充电；
当第一电池的电压小于第二电池的电压第三阈值时，电感电流从所述第一电池和所述第二电池的公共端流向所述第一开关管和所述第二开关管的公共端或所述第一开关管为辅管，所述第二开关管为主管，所述第二电池会对所述第一电池充电。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的电池充电电路，其特征在于：所述的第一开关为第一双向阻断开关管，所述第二开关为第二双向阻断开关管。
7.根据权利要求6所述的电池充电电路，其特征在于：所述的第一双向阻断开关管包括第三开关管和第四开关管，所述的第二双向阻断开关管包括第五开关管和第六开关管，所述第四开关管的控制端连接到第一电池的正极，所述第六开关管的控制端连接第二电池的负极，检测所述第一电池和所述第二电池公共端的电压，
当所述公共端的电压小于所述第二开关管第二端的电压时，则判断所述第二电池反接，并关断所述第五开关管；
当所述公共端的电压大于所述第一开关管第一端的电压时，则判断所述第一电池反接，并关断所述第三开关管。
8.根据权利要求2-5任意一项所述的电池充电电路，其特征在于：所述第一开关管和所述第二开关管是N型MOS管，所述的第一端为N型MOS管的漏极，所述的第二端为N型MOS管的源极。
9.本发明还提供一种电池充电方法，基于一种电池充电电路，所述充电电路包括包括功率级电路、第一开关和第二开关，所述功率级电路的第一输入端连接输入电压的高电位端，所述功率级电路的第二输入端连接输入电压的低电位端，所述功率级电路的第一输入端连接所述第一开关的一端，所述第一开关的另一端连接所述第一电池的正极，所述第一电池的负极连接所述第二电池的正极，所述第二电池的负极连接所述第二开关的一端，所述第二开关的另一端连接所述功率级电路的第二输入端，所述功率级电路的输出端连接所述所述第一电池和所述第二电池的公共端，其特征在于：所述充电方法包括分时充电过程和均衡过程。
10.根据权利要求9所述的电池充电方法，其特征在于：所述的功率级电路包括第一开关管、第二开关管和储能电感，所述第一开关管的第一端作为功率级电路的第一输入端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端作为功率级电路的第二输入端，所述储能电感的一端连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端，所述储能电感的另一端作为功率级电路的输出端。
11.根据权利要求10所述的电池充电方法，其特征在于：所述分时充电过程包括，所述第一开关管和所述第二开关管均工作在高频开关状态，
当所述第一开关闭合，所述第二开关断开时，对第一电池充电；
当所述第一开关断开，所述第二开关闭合时，对第二电池充电。
12.根据权利要求11所述的电池充电方法，其特征在于：所述分时充电模式存在两个阶段，第一个阶段：对所述第一电池和第二电池交替充电，二者的充电时间相等；第二个阶段：检测所述第一电池和所述第二电池的电压，当两者压差超过第一阈值时，使得电压小的电池充电时间延长，电压大的电池充电时间缩短，直到两者的压差等于第一阈值后回到第一个阶段的充电模式。
13.根据权利要求10所述的电池充电方法，其特征在于：所述均衡过程包括，所述第一开关管和所述第二开关管均工作在高频开关状态，
当第一电池的电压大于第二电池的电压第二阈值时，电感电流从所述第一开关管和所述第二开关管的公共端流向所述第一电池和所述第二电池的公共端或所述第一开关管为主管，所述第二开关管为辅管，所述第一电池会对所述第二电池充电；
当第一电池的电压小于第二电池的电压第三阈值时，电感电流从所述第一电池和所述第二电池的公共端流向所述第一开关管和所述第二开关管的公共端或所述第一开关管为辅管，所述第二开关管为主管，所述第二电池会对所述第一电池充电。
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CN109378873A (zh) * 2018-11-02 2019-02-22 上海芯凌微电子有限公司 一种电池充电系统及充电方法
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