CN110061546A - 一种车载使用锂电池充电放电电路 - Google Patents

一种车载使用锂电池充电放电电路 Download PDF

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张继文
李想
陈荣
杨轩
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Abstract

本发明公开了电子信息技术领域内的一种车载使用锂电池充电放电电路，包括充电电路，所述充电电路和充电防止电流倒灌电路相连，所述充电防止电流倒灌电路与保护电路相连，所述保护电路与升压电路相连，所述升压电路与放电电路相连；所述充电电路包括充电芯片TPS7B7701‑Q，充电芯片TPS7B7701‑Q的输入VIN管脚与12V电压相连，充电芯片TPS7B7701‑Q的使能EN管脚经电阻R7与MCU的LI_CHG_CTL信号管脚连接并由MCU控制其开关；可以通过配合外围电路实现锂电池的充电、放电，同时降低了使用电池专业充放电芯片的成本，使得锂电池能够在车载行业大规模应用，降低了设计要求，本发明可以用于车载电源。

Description

一种车载使用锂电池充电放电电路
技术领域
本发明涉及一种车载电池电路。
背景技术
随着汽车工业和电子技术的进步，车载电气设备日益增多。随着用户要求的不断提高，车载电子产品不断发展，越来越多的场合需要 一种可靠的不间断电源为车载电子设备、可移动终端等提供电源保障。如今车载备用电池较多使用镍氢电池，而锂电池与镍氢电池充电方式不同，镍氢电池需要恒流充电，而锂电池需要先恒流充电再恒压充电。镍氢电池使用过程环保，在车载行业有成熟方案，但是其成本高，占用体积大，电池容量小，放电电流小；而锂电池优点体积小，成本低，电池容量大，放电电流大，但是车载行业使用比较少，对设计要求较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载使用锂电池充电放电电路，可以通过配合外围电路实现锂电池的充电、放电，同时降低了使用电池专业充放电芯片的成本，使得锂电池能够在车载行业大规模应用，降低了设计要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种车载使用锂电池充电装置，包括充电电路，所述充电电路和充电防止电流倒灌电路相连，所述充电防止电流倒灌电路与保护电路相连，所述保护电路与升压电路相连，所述升压电路与放电电路相连；所述充电电路包括充电芯片TPS7B7701-Q，充电芯片TPS7B7701-Q的输入VIN管脚与12V电压相连，充电芯片TPS7B7701-Q的使能EN管脚经电阻R7与MCU的LI_CHG_CTL信号管脚连接并由MCU控制其开关，充电芯片TPS7B7701-Q的SENSE_EN管脚通过电阻R76下拉到GND，充电芯片TPS7B7701-Q的VCC管脚经电容C67与GND连接，充电芯片TPS7B7701-Q的ERR管脚经电阻R3与MCU的LIFEPO4_ERR信号管脚相连，可反馈充电芯片TPS7B7701-Q的故障信息到MCU，充电芯片TPS7B7701-Q的LIM管脚为经电阻R83和R82与GND连接，充电芯片TPS7B7701-Q的SENSE管脚经并联设置的电容C56和电阻R77与MCU的LIFEPO4_SENSE1信号管脚，充电芯片TPS7B7701-Q的FB管脚分别与电阻R79和R78连接，所述充电芯片TPS7B7701-Q的OUT管脚与电阻R79的另一端相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，锂电池的规格为3.2V/1.5Ah ，充电电压为3.6±0.1V，充电电流≤1A，充电方式CC/CV，充电截止电流为12-30mA，正常放电电流≤0.7A，最大持续电流0.7-1A(≤5min)，放电截止电压约2.5V，锂电池先从3.4V（锂电池电压设定低于3.4V开始充电）到3.65V进行恒流（CC）充电，充电电流为0.1C（150mA），充到3.65V之后转恒压（CV）充电，恒压充电过程中充电电流从0.1C降到0.01C（150mA降到15mA）即停止充电，再通过放电电路进行放电，可以通过配合外围电路实现锂电池的充电、放电，同时降低了使用电池专业充放电芯片的成本，使得锂电池能够在车载行业大规模应用，降低了设计要求，本发明可以用于车载电源。
作为本发明的进一步改进，所述充电防止电流倒灌电路包括三极管Q2，所述三极管Q2的基极与MCU的LI_CHG_CTL信号管脚连接，所述三极管Q2的发射极与GND相连，所述三极管Q2的集电极与和MOS管Q5的栅极端相连，所述MOS管Q5的漏极端与充电芯片TPS7B7701-Q的OUT管脚相连，所述MOS管Q5的源极端与锂电池的LIFEPO4_BAT端相连，这样当充电的时候打开，充满了则关闭，此时LIFEPO4_BAT处的电压（即锂电池电压）不会倒灌回充电芯片的输出管脚LIFEPO4_OUT处，确保电池的使用安全性。
作为本发明的进一步改进，所述保护电路包括锂电池插座，所述锂电池插座的接口一与锂电池的LIFEPO4_BAT端和电阻R35相连，所述电阻R35经并联设置的电阻R32以及电容C62与MCU的LIFEPO4_BAT_BAT_AD的信号管脚相连，所述锂电池插座的接口二分别与MCU的LIFEPO4_BAT_NTC管脚和热敏电阻R73相连，所述锂电池插座的接口三与GND相连，这样通过R35和R32电阻分压限流之后转成AD信号LIFEPO4_BAT_BAT_AD给MCU，MCU可以通过这点的电压值判断锂电池是否充满，LIFEPO4_BAT_NTC为锂电池热敏电阻检测信号，MCU可以通过这点的电压值判断锂电池是否处于过热状态而进行保护措施。
作为本发明的进一步改进，所述升压电路包括升压芯片TPS61236PRWLR，所述升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚与锂电池的LIFEPO4_BAT端相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的EN使能管脚与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的EN使能管脚与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚之间连接有电阻R266,所述电阻R266与 GND相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的FB管脚分别与电阻R116和R259相连，所述电阻R116的另一端与所述升压芯片TPS61236PRWLR的VOUT管脚相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的CC管脚、AGND管脚和PGND管脚与电阻R259的另一端相连，述电阻R259的另一端与GND相连，这样当锂电池本身的3.65V电压不满足需求，则可使用此升压电路，升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚为锂电池电压3.65V，信号为LIFEPO4_BAT，输出电压通过FB两端电阻算出电压值：Vout=1.244*(1+R116/R259)=5.014V，信号为LI_BOOST_5V，只需软件配置EN使能管脚EN_LIFEPO4_BAT信号即可，高电平打开升压，低电平关闭升压。
作为本发明的进一步改进，所述放电电路包括三极管Q7，所述三极管Q7的基极与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚相连，所述三极管Q7的发射极与GND相连，所述三极管Q2的集电极与和MOS管Q3的栅极端相连，所述MOS管Q3的漏极端与升压芯片TPS61236PRWLR的VOUT管脚相连，所述MOS管Q3的源极端输出5V电压，这样升压的时候即打开放电，升压截止即关闭放电，放电电压通过BU5V供给系统所需电路。
作为本发明的进一步改进，所述升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚与并联设置的电容C159和C195相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的SW管脚经电感L3与升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚相连，述电阻R259的另一端和电阻R116的另一端并联连接有电容C160、电容C174以及电容C179，这样可以起到整流的作用，使得升压芯片的输入电压和输出电压更加稳定。
作为本发明的进一步改进，所述充电芯片TPS7B7701-Q的输入VIN管脚经与相连相互并联连接的整流电容C63、C46、C42、C81、C60与12V电压相连，所述整流电容C63的一端与GND相连，这样可以通过电容进行整流，使得输入电压更稳定。
作为本发明的进一步改进，电阻R79的另一端和R78的另一端并联连接有电容C55、电容C77、电容C73以及电容C65，所述电容C55、电容C77、电容C73以及电容C65与R78的另一端相连的一端与GND连接，所述电容C55和电容C77之间串接有磁珠FB1，这样可以提高整流滤波效果，使得输出电压更稳定。
附图说明
图1为本发明中充电电路图。
图2为本发明中充充电防止电流倒灌电路图。
图3为本发明中保护电路图。
图4为本发明中升压电路图。
图5为本发明中放电电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如图1-5所示的一种车载使用锂电池充电放电电路，包括充电电路，充电电路和充电防止电流倒灌电路相连，充电防止电流倒灌电路与保护电路相连，保护电路与升压电路相连，升压电路与放电电路相连；
充电电路包括充电芯片TPS7B7701-Q，充电芯片TPS7B7701-Q的输入VIN管脚与12V电压相连，充电芯片TPS7B7701-Q的使能EN管脚经电阻R7与MCU的LI_CHG_CTL信号管脚连接并由MCU控制其开关，充电芯片TPS7B7701-Q的SENSE_EN管脚通过电阻R76下拉到GND，充电芯片TPS7B7701-Q的VCC管脚经电容C67与GND连接，充电芯片TPS7B7701-Q的ERR管脚经电阻R3与MCU的LIFEPO4_ERR信号管脚相连，可反馈充电芯片TPS7B7701-Q的故障信息到MCU，充电芯片TPS7B7701-Q的LIM管脚为经电阻R83和R82与GND连接，充电芯片TPS7B7701-Q的SENSE管脚经并联设置的电容C56和电阻R77与MCU的LIFEPO4_SENSE1信号管脚，充电芯片TPS7B7701-Q的FB管脚分别与电阻R79和R78连接，充电芯片TPS7B7701-Q的OUT管脚与电阻R79的另一端相连。
充电防止电流倒灌电路包括三极管Q2，三极管Q2的基极与MCU的LI_CHG_CTL信号管脚连接，三极管Q2的发射极与GND相连，三极管Q2的集电极与和MOS管Q5的栅极端相连，MOS管Q5的漏极端与充电芯片TPS7B7701-Q的OUT管脚相连，MOS管Q5的源极端与锂电池的LIFEPO4_BAT端相连。
保护电路包括锂电池插座，锂电池插座的接口一与锂电池的LIFEPO4_BAT端和电阻R35相连，电阻R35经并联设置的电阻R32以及电容C62与MCU的LIFEPO4_BAT_BAT_AD的信号管脚相连，锂电池插座的接口二分别与MCU的LIFEPO4_BAT_NTC管脚和热敏电阻R73相连，锂电池插座的接口三与GND相连。
升压电路包括升压芯片TPS61236PRWLR，升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚与锂电池的LIFEPO4_BAT端相连，升压芯片TPS61236PRWLR的EN使能管脚与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚相连，升压芯片TPS61236PRWLR的EN使能管脚与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚之间连接有电阻R266,电阻R266与 GND相连，升压芯片TPS61236PRWLR的FB管脚分别与电阻R116和R259相连，电阻R116的另一端与升压芯片TPS61236PRWLR的VOUT管脚相连，升压芯片TPS61236PRWLR的CC管脚、AGND管脚和PGND管脚与电阻R259的另一端相连，述电阻R259的另一端与GND相连。
放电电路包括三极管Q7，三极管Q7的基极与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚相连，三极管Q7的发射极与GND相连，三极管Q2的集电极与和MOS管Q3的栅极端相连，MOS管Q3的漏极端与升压芯片TPS61236PRWLR的VOUT管脚相连，MOS管Q3的源极端输出5V电压。
升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚与并联设置的电容C159和C195相连，升压芯片TPS61236PRWLR的SW管脚经电感L3与升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚相连，述电阻R259的另一端和电阻R116的另一端并联连接有电容C160、电容C174以及电容C179。
充电芯片TPS7B7701-Q的输入VIN管脚经与相连相互并联连接的整流电容C63、C46、C42、C81、C60与12V电压相连，整流电容C63的一端与GND相连。
电阻R79的另一端和R78的另一端并联连接有电容C55、电容C77、电容C73以及电容C65，电容C55、电容C77、电容C73以及电容C65与R78的另一端相连的一端与GND连接，电容C55和电容C77之间串接有磁珠FB1。
本发明中， 充电电路的充电芯片TPS7B7701-Q的输入VIN脚为12V，使能EN脚由MCU控制开关，高电平打开，低电平关闭。充电芯片TPS7B7701-Q的SENSE_EN管脚通过10K电阻下拉到GND，VCC管脚接1uF电容到GND，ERR反馈芯片的故障信息给到MCU，LIM管脚为芯片充电电流限值，充电电流限值计算公式为：I(lim)=1.233V/(R83+R82)*198=150mA，即0.1C，SENSE管脚输出电流值给MCU的AD采样口，可以读出当前充电电流值，计算公式为：
I(sense)max=I(out)max/198=150/198=0.757575.， V(sense)max=I(out)max/198*R77=150/198=0.757575...*2.4=1.818181...，
输出OUT管脚通过FB端两颗电阻可以算出电压值：Vout=1.233*(R78+R79)/R78=3.65V。
软件相关配置如下：MCU检测到锂电池电压LIFEPO4_BAT在3.4V以下，即LIFEPO4_BAT_BAT_AD为1.7V（由R32电阻与R35电阻分压得到）以下时开始充电，打开使能LI_CHG_CTL（置高），此时为恒流150mA充电，充电芯片处于限流状态，LIFEPO4_SENSE1检测口电压在2.4to 2.65 V之间，实测2.55V（不报故障），LIFEPO4_ERR输出低电平，实测为0。当锂电池电压LIFEPO4_BAT充到3.65V时，即LIFEPO4_BAT_BAT_AD为1.825V，充电芯片转为恒压充电，芯片从恒流转恒压过程MCU不做判断，充电芯片自身做切换。恒压充电过程中，充电电流从150mA慢慢降到15mA，LIFEPO4_ERR输出高电平，实测3.3V，切换瞬间LIFEPO4_SENSE1电压从2.55V降到1.8181V，之后随着电流减小而减小，当充电电流降到15mA时, MCU检测到LIFEPO4_SENSE1电压降到0.1818V，此时充电结束，关掉使能LI_CHG_CTL（置低）。
充电防止电流倒灌电路：
该电路硬件由三极管、MOS管等器件组构而成，对于软件配置管脚跟充电电路使能管脚使用同一个信号管脚LI_CHG_CTL，充电的时候打开，充满了关闭，此时LIFEPO4_BAT处的电压（即锂电池电压）不会倒灌回充电芯片的输出管脚LIFEPO4_OUT处。
保护电路：
J3为锂电池插座，其中1脚是锂电池正极，2脚是NTC热敏电阻，3脚是锂电池负极。LIFEPO4_BAT为锂电池正极信号，通过R35\R32电阻分压限流之后转成AD信号LIFEPO4_BAT_BAT_AD给MCU，MCU可以通过这点的电压值判断锂电池是否充满，LIFEPO4_BAT_NTC为锂电池热敏电阻检测信号，MCU可以通过这点的电压值判断锂电池是否处于过热状态而进行保护措施，锂电池负极信号接地
升压电路：
此电路看需求选择添加或不加，如果锂电池本身的3.65V电压不满足需求，则可使用此升压电路。升压芯片采用TPS61236PRWLR，输入VIN管脚为锂电池电压3.65V，信号为LIFEPO4_BAT，输出电压通过FB两端电阻算出电压值：Vout=1.244*(1+R116/R259)=5.014V，信号为LI_BOOST_5V。软件只需要配置EN使能管脚EN_LIFEPO4_BAT信号即可，高电平打开升压，低电平关闭升压。
放电电路：
该电路硬件由三极管、MOS管等器件组构而成，与充电防止电流倒灌电路类似，对于软件配置管脚跟升压电路使能管脚使用同一个信号管脚EN_LIFEPO4_BAT，升压的时候即打开放电，升压截止即关闭放电，放电电压通过BU5V供给系统所需电路。具体放电软件配置如下：当MCU检测到车身蓄电池断开,即当车载蓄电池电压低于5V(此时蓄电池通过降压限流方式给到MCU检测口某个电压限值)时，立即打开锂电池放电使能EN_LIFEPO4_BAT，此时锂电池开始放电，放电开始电压LIFEPO4_BAT为3.65V，即LIFEPO4_BAT_BAT_AD为1.825V，当锂电池放电至LIFEPO4_BAT为2.5V时，即LIFEPO4_BAT_BAT_AD为1.25V时，停止放电，关闭使能EN_LIFEPO4_BAT，放电结束。
锂电池故障检测：
锂电池故障检测需要在锂电池充电或放电的时候才可以检测，除了过放是在放电中检测，其他三点均在充电时检测(电池开路在充电前检测)。软件开启定时充电使能，即每30s打开一次充电使能LI_CHG_CTL，打开之后1s（增加1s延时是防止刚打开瞬间检测有误）开始检测锂电池是否有故障，这样既可以保证锂电池时时被检测，也可以弥补锂电池自放电的损耗。另外锂电池的充电和放电是不能共存的，同一时间最多只能有一种状态。
a、电池对地短路
即LIFEPO4_BAT=0，LI_CHG_CTL需设置为高电平，此时检测LIFEPO4_BAT_BAT_AD=0，充电电流为最大150mA, LIFEPO4_SENSE1=2.55V（2.4V-2.65V）。
b、电池开路
即充电芯片输出端开路，LI_CHG_CTL需设置为低电平，此时检测LIFEPO4_BAT=0V，LIFEPO4_BAT_BAT_AD=0V，且充电电流为0，LIFEPO4_SENSE1=0V。
c、电池过放
即电池在放电过程中检测，当电池电压LIFEPO4_BAT降到2.4V时，LIFEPO4_BAT_BAT_AD=1.2V，判断电池过放。
d、电池失效
电池失效判断条件为：
a、电池对地短路
b、电池开路
以上两种情况出现至少一种时，即判断电池失效。
本发明不局限于上述实施例，在本公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种车载使用锂电池充电放电电路，其特征在于：包括充电电路，所述充电电路和充电防止电流倒灌电路相连，所述充电防止电流倒灌电路与保护电路相连，所述保护电路与升压电路相连，所述升压电路与放电电路相连；
所述充电电路包括充电芯片TPS7B7701-Q，充电芯片TPS7B7701-Q的输入VIN管脚与12V电压相连，充电芯片TPS7B7701-Q的使能EN管脚经电阻R7与MCU的LI_CHG_CTL信号管脚连接并由MCU控制其开关，充电芯片TPS7B7701-Q的SENSE_EN管脚通过电阻R76下拉到GND，充电芯片TPS7B7701-Q的VCC管脚经电容C67与GND连接，充电芯片TPS7B7701-Q的ERR管脚经电阻R3与MCU的LIFEPO4_ERR信号管脚相连，可反馈充电芯片TPS7B7701-Q的故障信息到MCU，充电芯片TPS7B7701-Q的LIM管脚为经电阻R83和R82与GND连接，充电芯片TPS7B7701-Q的SENSE管脚经并联设置的电容C56和电阻R77与MCU的LIFEPO4_SENSE1信号管脚，充电芯片TPS7B7701-Q的FB管脚分别与电阻R79和R78连接，所述充电芯片TPS7B7701-Q的OUT管脚与电阻R79的另一端相连。
2.根据权利要求1所述的一种车载使用锂电池充电装置，其特征在于：所述充电防止电流倒灌电路包括三极管Q2，所述三极管Q2的基极与MCU的LI_CHG_CTL信号管脚连接，所述三极管Q2的发射极与GND相连，所述三极管Q2的集电极与和MOS管Q5的栅极端相连，所述MOS管Q5的漏极端与充电芯片TPS7B7701-Q的OUT管脚相连，所述MOS管Q5的源极端与锂电池的LIFEPO4_BAT端相连。
3.根据权利要求2所述的一种车载使用锂电池充电放电电路，其特征在于：所述保护电路包括锂电池插座，所述锂电池插座的接口一与锂电池的LIFEPO4_BAT端和电阻R35相连，所述电阻R35经并联设置的电阻R32以及电容C62与MCU的LIFEPO4_BAT_BAT_AD的信号管脚相连，所述锂电池插座的接口二分别与MCU的LIFEPO4_BAT_NTC管脚和热敏电阻R73相连，所述锂电池插座的接口三与GND相连。
4.根据权利要求3所述的一种车载使用锂电池充电放电电路，其特征在于：所述升压电路包括升压芯片TPS61236PRWLR，所述升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚与锂电池的LIFEPO4_BAT端相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的EN使能管脚与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的EN使能管脚与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚之间连接有电阻R266,所述电阻R266与 GND相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的FB管脚分别与电阻R116和R259相连，所述电阻R116的另一端与所述升压芯片TPS61236PRWLR的VOUT管脚相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的CC管脚、AGND管脚和PGND管脚与电阻R259的另一端相连，述电阻R259的另一端与GND相连。
5.根据权利要求4所述的一种车载使用锂电池充电放电电路，其特征在于：所述放电电路包括三极管Q7，所述三极管Q7的基极与MCU的EN_LIFEPO4_BAT管脚相连，所述三极管Q7的发射极与GND相连，所述三极管Q2的集电极与和MOS管Q3的栅极端相连，所述MOS管Q3的漏极端与升压芯片TPS61236PRWLR的VOUT管脚相连，所述MOS管Q3的源极端输出5V电压。
6.根据权利要求5所述的一种车载使用锂电池充电放电电路，其特征在于：所述升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚与并联设置的电容C159和C195相连，所述升压芯片TPS61236PRWLR的SW管脚经电感L3与升压芯片TPS61236PRWLR的输入VIN管脚相连，述电阻R259的另一端和电阻R116的另一端并联连接有电容C160、电容C174以及电容C179。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种车载使用锂电池充电放电电路，其特征在于：所述充电芯片TPS7B7701-Q的输入VIN管脚经与相连相互并联连接的整流电容C63、C46、C42、C81、C60与12V电压相连，所述整流电容C63的一端与GND相连。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的一种车载使用锂电池充电放电电路，其特征在于：电阻R79的另一端和R78的另一端并联连接有电容C55、电容C77、电容C73以及电容C65，所述电容C55、电容C77、电容C73以及电容C65与R78的另一端相连的一端与GND连接，所述电容C55和电容C77之间串接有磁珠FB1。
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