CN110739752B - 一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路及方法，该电路包括交流输入电源、适配器、稳压控制模块以及电池模块，适配器为快充适配器，稳压控制模块的电压电流检测端检测电池模块的电池电压及充电电流，稳压控制模块根据检测到的电池电压信号及充电电流信号产生反馈信号，并输出至快充适配器，快充适配器根据反馈信号输出调整电压信号至稳压控制模块，以控制稳压控制模块输出电压。该方法应用于上述的充电电路。本发明可以根据电池电压自动调整快充适配器的输出电压，以提高充电的功率和效率，减小发热和缩短充电时间。
Description
【技术领域】
本发明涉及电源充电技术领域，具体的，涉及一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路以及应用于该电路的充电方法。
【背景技术】
目前，锂离子电池以其优良的特性，被广泛应用于各种便携式设备，如手机、摄录像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。
锂电池由于充电后可以重复多次使用的，所以有很多锂电池充电方案，有时为了能输出更高的功率，会使用2串或3串或者更多串锂电池供电。市面上对多串锂电池充电，一般采用两种方式，一种是降压充电的方式，即是输入充电电压从较高的电压供电，通过降压DCDC来实现给多串电池充电；一种是通过USB 5v供电，经过升压DCDC把5V电压转换为给多串电池充电的电压。
然而，在不同的电池串数应用，以及电池从低电到充满的电压变化过程中间，输入5V电压是固定的，当电池电压和输入电压相差较大时，充电的效率比较低，从而导致锂离子电池充电时间过长。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供一种可以提升充电效率、减小发热和缩短充电时间的根据电池电压自动调整电压输入的充电电路。
本发明的另一目的是提供一种可以提升充电效率、减小发热和缩短充电时间的根据电池电压自动调整电压输入的充电方法。
为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路包括交流输入电源、适配器、稳压控制模块以及电池模块，所述适配器的输入端与所述交流输入电源电连接，所述适配器的输出端与所述稳压控制模块的输入端连接，所述稳压控制模块的输出端与所述电池模块电连接，所述适配器为快充适配器，所述稳压控制模块的电压电流检测端检测所述电池模块的电池电压及充电电流，所述稳压控制模块根据检测到的电池电压信号及充电电流信号产生反馈信号，并输出至所述快充适配器，所述快充适配器根据所述反馈信号输出调整电压信号至所述稳压控制模块，以控制所述稳压控制模块输出电压。
进一步的方案是，所述快充适配器包括开关控制电路、第一PD协议控制模块、输出母座，所述开关控制电路与所述第一PD协议控制模块之间连接有光耦，所述开关控制电路与所述交流输入电源之间连接有整流模块，所述开关控制电路与所述输出母座之间连接有变压器，所述第一PD协议控制模块与所述输出母座电连接。
更进一步的方案是，所述稳压控制模块包括输入母座、第二PD协议控制模块、DCDC升压模块，所述DCDC升压模块的充电电流检测端用于检测所述充电电流信号，所述DCDC升压模块的电池电压检测端用于检测所述电池电压信号，所述第二PD协议控制模块与所述第一PD协议控制模块之间通过握手协议进行通信。
更进一步的方案是，所述稳压控制模块还包括电感线圈、第一MOS管以及第二MOS管，所述输入母座的输入电压端连接至所述电感线圈的第一端，所述电感线圈的第二端分别连接至所述第一MOS管的漏极、所述第二MOS管的源极，所述第一MOS管的栅极、所述第二MOS管的栅极分别连接至所述DCDC升压模块的输入端。
由此可见，本发明提供的充电电路主要包括交流输入电源、快充适配器、稳压控制模块等，由交流输入电源输出220V交流电到快充适配器，在经过整流变压后，输出5V-12V的可变电压到输出母座，快充适配器可以通过快充协议来跟所充电的设备进行快充协议握手，当满足快充协议要求后，就可以根据设备要申请的电压，来调整快充适配器的输出电压，以提高充电的功率和效率。
另外，在充电的过程中，稳压控制模块会实时检测充电的电压和电流，当符合设定的快充要求，就会与快充适配器进行快充协议握手，要求申请更高的输入电压，从而提升充电效率，缩短充电时间。
为了实现上述的另一目的，本发明还提供的一种根据电池电压自动调整电压输入的充电方法，应用于一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路，该方法包括：当对电池模块进行交流充电时，由稳压控制模块检测在充电过程中的充电输入电压Vin1和充电输出电压Vout1，并且判断是否符合快充请求条件，若判断结果为是，则第二PD协议控制模块与第一PD协议控制模块通过握手协议进行通信，并向快充适配器发送快充请求信号，所述快充适配器根据快充请求信号向交流输入电源请求充电输入电压Vin2；在确定达到预定的输入电压稳定时间后，检测当前充电输入电压Vin3，若当前充电输入电压Vin3等于充电输入电压Vin2，则可确定电池模块进入快充状态，并对电池模块进行快充操作。
进一步的方案是，在电池模块处于快充状态的充电过程中，通过快充适配器逐渐增大充电电流直至预设的电流阈值，以对电池模块进行快充操作。
更进一步的方案是，在通过快充适配器逐渐增大充电电流的过程中，实时检测当前的充电电流和充电输入电压Vin3，若当前充电输入电压Vin3无法维持在要求的充电输入电压Vin2，则可确定本次快充请求失败，并且返回正常充电状态。
更进一步的方案是，所述快充请求条件包括：若当前的充电输出电压Vout1比当前的充电输入电压Vin1高出设定电压阈值后，则可确定电池模块符合快充请求条件。
更进一步的方案是，若确定电池模块不符合快充请求条件，则根据当前的充电输出电压Vout1和当前的充电输入电压Vin1产生一个电压差阈值Vth，且将电压差阈值Vth增加步进电压，并且在确定充电输出电压升高至下个检测阈值后再次判断是否符合快充请求条件。
更进一步的方案是，当刚开始对电池模块进行交流充电时，快充适配器与稳压控制模块之间、稳压控制模块与电池模块之间通过TYPE-C标准的USB线缆建立CC连接，快充适配器默认输出5V输入电压至电池模块，电池模块进入传统的BUCK模式进行低电流慢速充电。
由此可见，本发明提供的充电方法实时监测在充电过程中的充电输出电压和输出电流，并根据不同的充电输出电压，来尝试申请不同的充电输入电压。如果供电使用的适配器是支持快充协议的，就可以将充电输入电压提高，降低升压DCDC的输入输出电压差，提高整个充电系统的转换效率，从而提升充电效率，缩短充电时间。
所以，本发明可以根据不同的电池电压，申请不同的输入电压，使充电系统的输入输出电压差持续保持在较小的范围内，能提升充电效率、减小发热和缩短充电时间。
另外，如果供电使用的是普通的电源适配器，仍然可以用5V充电电压输入，以较低的效率来充电。
【附图说明】
图1是本发明一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路实施例的原理图。
图2是本发明一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路实施例中快充适配器的电路原理图。
图3是本发明一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路实施例中稳压控制模块的电路原理图。
图4是本发明一种根据电池电压自动调整电压输入的充电方法实施例的流程框图。
【具体实施方式】
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限用于本发明。
一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路实施例：
参见图1，本发明的充电电路包括交流输入电源、适配器、稳压控制模块以及电池模块，适配器的输入端与交流输入电源电连接，适配器的输出端与稳压控制模块的输入端连接，稳压控制模块的输出端与电池模块电连接，适配器为快充适配器10，稳压控制模块20的电压电流检测端检测电池模块30的电池电压及充电电流，稳压控制模块20根据检测到的电池电压信号及充电电流信号产生反馈信号，并输出至快充适配器10，快充适配器10根据反馈信号输出调整电压信号至稳压控制模块20，以控制稳压控制模块20输出电压。
如图2所示，快充适配器10包括开关控制电路11、第一PD协议控制模块12、输出母座13，开关控制电路11与第一PD协议控制模块12之间连接有光耦14，开关控制电路11与交流输入电源之间连接有整流模块15，开关控制电路11与输出母座13之间连接有变压器TC，第一PD协议控制模块12与输出母座13电连接。本实施例中的输出母座13为Type-C母座或USB A口母座，220V的交流电在经过整流模块15、变压器TC的整流变压后输出5V-12V的可变电压到Type-C母座或USB A口母座。其中，快充适配器10可以通过第一PD协议控制模块12(如DP/DM上的高通QC快充、CC1/CC2上的Type-C PD快充协议)来跟所充电的设备进行快充协议握手。
如图3所示，稳压控制模块20包括输入母座21、第二PD协议控制模块22、DCDC升压模块23，DCDC升压模块23的充电电流检测端用于检测充电电流信号，DCDC升压模块23的电池电压检测端用于检测电池电压信号，第二PD协议控制模块22与第一PD协议控制模块12之间通过握手协议进行通信。具体地，稳压控制模块20包括1个DCDC升压模和PD协议控制模块，其电压电流检测端包括充电电流检测端、电池电压检测端，充电电流检测端用于检测充电电流信号，电池电压检测端用于检测电池电压信号。在充电的过程中，会检测充电的电压和电流，符合设定的要求，就会通知快充协议识别与控制模块，要求申请更高的输入电压。
其中，稳压控制模块20还包括电感线圈L1、MOS管Q1以及MOS管Q2、MOS管Q3，输入母座的输入电压端连接至电感线圈L1的第一端，电感线圈L1的第二端分别连接至MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的源极，MOS管Q1的栅极、MOS管Q2的栅极分别连接至DCDC升压模块23的输入端。
其中，上述充电电路主要包括快充适配器10以及通过连接线连接至适配器并由适配器提供电能的用电装置，快充适配器10与用电装置之间连接有稳压控制模块20，快充适配器10输出DP与DM信号、或者CC1与CC2信号、或者DP与DM与CC1与CC2信号至稳压控制模块20。
由此可见，本发明提供的充电电路主要包括交流输入电源、快充适配器10、稳压控制模块20等，由交流输入电源输出220V交流电到快充适配器10，在经过整流变压后，输出5V-12V的可变电压到输出母座，快充适配器10可以通过快充协议来跟所充电的设备进行快充协议握手，当满足快充协议要求后，就可以根据设备要申请的电压，来调整快充适配器10的输出电压，以提高充电的功率和效率。
另外，在充电的过程中，稳压控制模块20会实时检测充电的电压和电流，当符合设定的快充要求，就会与快充适配器10进行快充协议握手，要求申请更高的输入电压，从而提升充电效率，缩短充电时间。
一种根据电池电压自动调整电压输入的充电方法实施例：
一种根据电池电压自动调整电压输入的充电方法，应用于上述的充电电路。如图4所示，该方法在对用电设备进行充电时，首先，执行步骤S1，当对电池模块30进行交流充电时，由稳压控制模块20检测在充电过程中的充电输入电压Vin1和充电输出电压Vout1。其中，当刚开始对电池模块30进行交流充电时，快充适配器10与稳压控制模块20之间、稳压控制模块20与电池模块30之间通过TYPE-C标准的USB线缆建立CC连接，快充适配器10默认输出5V输入电压至电池模块30，电池模块30进入传统的BUCK模式进行低电流慢速充电。
然后，执行步骤S2，判断是否符合快充请求条件，若判断结果为是，则执行步骤S3，第二PD协议控制模块与第一PD协议控制模块通过握手协议进行通信，并向快充适配器10发送快充请求信号。其中，所述快充请求条件包括：若当前的充电输出电压Vout1比当前的充电输入电压Vin1高出设定电压阈值后，则可确定电池模块30符合快充请求条件。
在本实施例中，若确定电池模块30不符合快充请求条件，则根据当前的充电输出电压Vout1和当前的充电输入电压Vin1产生一个电压差阈值Vth，且将电压差阈值Vth增加步进电压，并且在确定充电输出电压升高至下个检测阈值后再次判断是否符合快充请求条件。
接着，在确定电池模块30符合快充请求条件之后，执行步骤S4，快充适配器10根据快充请求信号向交流输入电源请求充电输入电压Vin2。
在确定达到预定的输入电压稳定时间后，执行步骤S5，检测当前充电输入电压Vin3。
然后，执行步骤S6，若当前充电输入电压Vin3等于充电输入电压Vin2，则可确定电池模块30进入快充状态，并对电池模块30进行快充操作。其中，在电池模块30处于快充状态的充电过程中，通过快充适配器10逐渐增大充电电流直至预设的电流阈值，以对电池模块30进行快充操作。
进一步的，在通过快充适配器10逐渐增大充电电流的过程中，实时检测当前的充电电流和充电输入电压Vin3，若当前充电输入电压Vin3无法维持在要求的充电输入电压Vin2，则可确定本次快充请求失败，并且返回正常充电状态。
在实际应用中，该充电系统初始化上电后，刚开始是按默认的5V输入电压对电池进行低电流慢速充电，随着充电的继续，充电输出端的电池电压会缓慢上升。
由稳压控制模块20持续检测充电输入电压Vin1和充电输出电压Vout1，当充电输出电压Vout1比充电输入电压Vin1高出设定的电压阈值Vth后，这时候说明输出电压已经远高于输入电压，充电系统的效率已经变低，即可确定电池模块30符合快充请求条件，可以尝试申请更高的输入电压，来缩小输出电压和输入电压的电压差。
具体地，首先，将充电电流降为较小的电流值，然后，通过快充协议请求快充适配器10改变电压(通过DP/DM或CC1/CC2等信号)，向交流输入电源申请更高的输入电压，申请的充电输入电压Vin2＝Vin1+(Vout1-Vin1)/2。
在经过预定的时间T后，等充电输入电压上升并稳定后，检测当前充电输入电压Vin3，如果充电输入电压Vin3已经是要申请的充电输入电压(充电输入电压Vin2)，则说明输入电压申请成功；否则，输入电压申请失败，返回普通充电状态。
在输入电压申请成功后，初步增大充电电流，直到充电电流达到设定的最大值。在充电电流增大的过程中，实时检测实际充电电流和输入电压，如果输入电压无法维持在要求的目标电压，则也认为该次申请更高输入电压失败，返回普通充电状态。
在本实施例中，若申请更高输入电压失败，就需要将电压差阈值Vth增加步进△V，等待充电输出电压升高到下个检测阈值后再申请更高输入电压。
当然，本实施例的输出输入电压差阈值Vth、电压差增加步进△V、充电电流增加步进△I，需要根据充电管理系统的实际性能参数来设定。
由此可见，本发明提供的充电方法实时监测在充电过程中的充电输出电压和输出电流，并根据不同的充电输出电压，来尝试申请不同的充电输入电压。如果供电使用的适配器是支持快充协议的，就可以将充电输入电压提高，降低升压DCDC的输入输出电压差，提高整个充电系统的转换效率，从而提升充电效率，缩短充电时间。
所以，本发明可以根据不同的电池电压，申请不同的输入电压，使充电系统的输入输出电压差持续保持在较小的范围内，能提升充电效率、减小发热和缩短充电时间。
另外，如果供电使用的是普通的电源适配器，仍然可以用5V充电电压输入，以较低的效率来充电。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种根据电池电压自动调整电压输入的充电方法，其特征在于，应用于一种根据电池电压自动调整电压输入的充电电路，该电路包括：根据电池电压自动调整电压输入的充电电路，包括交流输入电源、适配器、稳压控制模块以及电池模块，所述适配器的输入端与所述交流输入电源电连接，所述适配器的输出端与所述稳压控制模块的输入端连接，所述稳压控制模块的输出端与所述电池模块电连接：
所述适配器为快充适配器，所述稳压控制模块的电压电流检测端检测所述电池模块的电池电压及充电电流，所述稳压控制模块根据检测到的电池电压信号及充电电流信号产生反馈信号，并输出至所述快充适配器，所述快充适配器根据所述反馈信号输出调整电压信号至所述稳压控制模块，以控制所述稳压控制模块输出电压；
该方法包括当对电池模块进行交流充电时，由稳压控制模块检测在充电过程中的充电输入电压Vin1和充电输出电压Vout1，并且判断是否符合快充请求条件，若判断结果为是，则第二PD协议控制模块与第一PD协议控制模块通过握手协议进行通信，并向快充适配器发送快充请求信号，所述快充适配器根据快充请求信号向交流输入电源请求充电输入电压Vin2；
在确定达到预定的输入电压稳定时间后，检测当前充电输入电压Vin3，若当前充电输入电压Vin3等于充电输入电压Vin2，则可确定电池模块进入快充状态，并对电池模块进行快充操作；
其中，在通过快充适配器逐渐增大充电电流的过程中，实时检测当前的充电电流和充电输入电压Vin3，若当前充电输入电压Vin3无法维持在要求的充电输入电压Vin2，则可确定本次快充请求失败，并且返回正常充电状态；
若确定电池模块不符合快充请求条件，则根据当前的充电输出电压Vout1和当前的充电输入电压Vin1产生一个电压差阈值Vth，且将电压差阈值Vth增加步进电压，并且在确定充电输出电压升高至下个检测阈值后再次判断是否符合快充请求条件；
所述快充请求条件包括：若当前的充电输出电压Vout1比当前的充电输入电压Vin1高出设定电压阈值后，则可确定电池模块符合快充请求条件。
2.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于：
所述快充适配器包括开关控制电路、第一PD协议控制模块、输出母座，所述开关控制电路与所述第一PD协议控制模块之间连接有光耦，所述开关控制电路与所述交流输入电源之间连接有整流模块，所述开关控制电路与所述输出母座之间连接有变压器，所述第一PD协议控制模块与所述输出母座电连接。
3.根据权利要求2所述的充电方法，其特征在于：
所述稳压控制模块包括输入母座、第二PD协议控制模块、DCDC升压模块，所述DCDC升压模块的充电电流检测端用于检测所述充电电流信号，所述DCDC升压模块的电池电压检测端用于检测所述电池电压信号，所述第二PD协议控制模块与所述第一PD协议控制模块之间通过握手协议进行通信。
4.根据权利要求3所述的充电方法，其特征在于：
所述稳压控制模块还包括电感线圈、第一MOS管以及第二MOS管，所述输入母座的输入电压端连接至所述电感线圈的第一端，所述电感线圈的第二端分别连接至所述第一MOS管的漏极、所述第二MOS管的源极，所述第一MOS管的栅极、所述第二MOS管的栅极分别连接至所述DCDC升压模块的输入端。
5.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于：
在电池模块处于快充状态的充电过程中，通过快充适配器逐渐增大充电电流直至预设的电流阈值，以对电池模块进行快充操作。
6.根据权利要求1至5任一项所述的充电方法，其特征在于：
当刚开始对电池模块进行交流充电时，快充适配器与稳压控制模块之间、稳压控制模块与电池模块之间通过TYPE-C标准的USB线缆建立CC连接，快充适配器默认输出5V输入电压至电池模块，电池模块进入传统的BUCK模式进行低电流慢速充电。
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