CN110752648B - 一种检测电压负增量的电池智能充电方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测电压负增量的电池智能充电方法和电路，包括在开关电源的副边设置单片机电源给主控单片微计算机U1供电，设置一开关管Q4受U1的一个引脚控制或开或关，使U1的另一引脚所连接电压取样单元，取回被充电电池的ocv电压进行AD转换，U1的又一引脚连接充电负极V‑，通过AD转换取回充电电流值，U1的再一个引脚输出PWM信号控制充电电压。本发明遵循电化学材料的充电特性，在U1中装载了模拟理想充电过程的检测控制程序，通过检测电池的端电压和电池温度来控制充电电流以及终止充电过程。本发明解决了现有技术电池过充后严重发热所导致的电解液干涸、可充电次数减少、寿命缩短的弊端及其他安全隐患。本发明成本低廉。

Description

一种检测电压负增量的电池智能充电方法和电路

技术领域

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种检测电压负增量的电池智能充电方法和相关的电路。

背景技术

随着手机平板及各种带电池的手持设备增多,可再充电池使用量非常大,电池的容量也是越做越大。例如生活常用的智能手机，其内置的电池从当初的1000mAh，到现在的5000mAh的大电池，容量在不断增加。

而人们对这些电池的充电速度的要求越来越高，都是希望充电速度越快越好，同时对充电安全的期望值也越来越高。因此，既要保证充电器的充电速度，又要保证充电器的安全，是充电器生产厂家孜孜以求的目标。

现市面上流行的电池主要分为两类，一类是锂离子Li-ion或锂聚合物Li-Polymer电池，另一类是镍氢Ni-MH电池；两种电池各有特色和优缺点。但作为电化学材料，其性质决定了充电的过程要求是很高的，目前现有充电器大都没有采用检测电压负增量的智能控制, 缺少电池电压过低的预充电苏醒阶段和涓流补充充电阶段，还缺少充电截止设定,只要充电器与电池相连,就一直给电池充电,经常导致电池过充。

如果充电不当，会引起电能转化学能效率降低，电池发热严重。电池的温度过高，导致电池内电解液干涸，可充电次数急剧较少、寿命缩短，严重的会导致漏液爆炸等安全事故。

如何完美地实现电化学材料充电过程所期望的曲线，目前的专利文献和技术期刊都未在成本、速度、安全综合指标统一考量前提下给出满意的解决方案。

因此，要设计一种兼顾成本、速度、安全综合指标的检测电压负增量的电池智能充电方法和电路。

发明内容

本发明的目的在于提出一种兼顾成本、速度、安全综合指标的检测电压负增量的电池智能充电方法和电路，满足人们对该类产品的需求。

为达到目的，本发明采用以下技术方案：

实施一种检测电压负增量的电池智能充电方法，所述方法包括：

第一步、首先在开关电源的副边电路设置单片机电源、取样开关控制单元、电压取样单元、充电电压调整单元、主控单片微计算机U1和温度检测单元，所述主控单片微计算机由单片机电源供电，取样开关控制单元的开关管受主控单片微计算机的第6引脚控制，加在充电电池正极的充电电压V+通过开关管与开关电源副边的输出端连接，主控单片微计算机的第5脚连接充电电压调整单元，控制充电电压V+的高低；主控单片微计算机U1的第2引脚连接电压取样单元的取样点，主控单片微计算机U1的第1引脚连接温度检测单元，主控单片微计算机的第3引脚连接充电负极V-，充电负极V-通过充电电流取样电阻接地；

第二步、然后在主控单片微计算机内部的主控程序存储器中装载包括取样时间设置程序模块、取样开关驱动程序模块、取样电压AD转换程序模块、取样电压分析程序模块、充电电压分析结果处理程序模块、电池温度检测程序模块、电池温度数据分析程序模块，电池温度数据处理程序模块、电池充电状态显示程序模块、计时器程序模块，所述各个程序模块的指令适于由主控处理器加载并执行；

第三步、开关电源开始工作，充电电池接在V+和V-之间，主控单片微计算机U1内的计时器程序模块开始计时；

第四步、取样时间设置程序模块设置每间隔充电时间t1，开关管被关断一个关断时隙t2，这个关断动作由取样开关驱动程序模块驱动取样开关控制单元执行，在关断时隙t2期间，主控单片微计算机通过电压取样单元将充电电池的端电压数值通过取样电压AD转换程序模块取回，连续做N次取样，建立一个取样数据组，取样数据组内数据按先后顺序存放；

第五步、通过取样电压分析程序模块分析充电电池的端电压是否低于额定值下限；

若低于额定值下限，则充电电池属于苏醒激活预充阶段，主控单片微计算机启动充电电压分析结果处理程序模块，通过充电电压调整单元和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流设定为小电流预充模式；

第六步、若充电电池的端电压高于额定值下限，则此时应进入恒流快充模式，主控单片微计算机启动充电电压分析结果处理程序模块，通过充电电压调整单元和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流调整为恒流快充模式时的电流值；

第七步、接下来，在恒流快充模式阶段，主控单片微计算机调用第四步的取样步骤，不断取得取样数据组，通过取样电压分析程序模块分析组内电压数据按取样顺序是否是持平或是递增的，如果是，就重复本步骤，如果组内电压数据按取样顺序出现递减，就进行下一步；

第八步、接下来，因组内电压数据按取样顺序出现递减，说明充电电池即将进入过充状态，此时主控单片微计算机调用通过充电电压调整单元和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流调整为涓流充电模式时的电流值；

第九步、从第三步开始，即启动计时器，之后各个步骤便始终检测计时器的累计计时时间，如计时时间未达到设定时间，则转第三步运行，若达到或超过设定时间则转第十步；

第十步、结束充电，此时彻底关断开关管。

上述方法所述充电时间t1在0.5秒～3秒之间选择，关断时隙t2在5毫秒～30毫秒之间选择。

上述方法所述N次取样，次数在3～20次间选择。

在上述方法的第三步到第八步期间，温度检测贯穿始终，主控单片微计算机调用电池温度检测程序模块、电池温度数据分析程序模块运行，若温度超限，电池温度数据处理程序模块运行，直接转第十步。

在上述方法的第三步到第八步期间，主控单片微计算机调用电池充电显示程序模块，将第7引脚置零，关断LED2点亮LED1。

根据上述方法设计一种检测电压负增量的电池智能充电电路，所述电池智能充电电路包括：

在开关电源的副边电路设置单片机电源、取样开关控制单元、电压取样单元、充电电压调整单元、主控单片微计算机和温度检测单元，所述主控单片微计算机由单片机电源供电，取样开关控制单元的开关管受主控单片微计算机的第6引脚控制，加在充电电池正极的充电电压V+通过开关管与开关电源副边的输出端连接，主控单片微计算机的第5脚连接充电电压调整单元，控制充电电压V+的高低；主控单片微计算机的第2引脚连接电压取样单元的取样点，主控单片微计算机的第1引脚连接温度检测单元，主控单片微计算机的第3引脚连接充电负极V-，充电负极V-通过充电电流取样电阻接地。

所述充电电流取样电阻一端与充电负极V-连接，另一端接地。

所述主控单片微计算机的第2引脚内部是内设的AD转换电路。

所述主控单片微计算机的第5引脚是输出PWM信号。

所述主控单片微计算机的第3引脚内部是内设的AD转换电路。

本发明的有益效果是：遵循了电化学材料所要求的充电特性，设置主控单片微计算机和相关检测电路单元，并在主控单片微计算机中装载了模拟了电化学材料充电过程所期望曲线的检测控制程序，通过检测被充电电池的端电压和检测电池温度来控制充电电流以及终止充电过程。本发明解决了电池过热所导致的电解液干涸、可充电次数减少、寿命缩短的弊端及其他安全隐患，更加突出的优点是本发明成本低廉，充电速度快。

附图说明

图1是本发明一种检测电压负增量的电池智能充电方法和电路所涉及的电原理示意图；

图2是本发明一种检测电压负增量的电池智能充电方法和电路中镍氢Ni-MH电池的充电特性曲线示意图；

图3是本发明一种检测电压负增量的电池智能充电方法和电路所涉及的主控单片微计算机内装载的程序模块原理方框图；

图4是本发明一种检测电压负增量的电池智能充电方法和电路所涉及的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过最佳实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图2所示， 可充电电池理想的充电程序是：

1、当电池电压低于額定值，用“小电流预充”苏醒激活；

2、当电池的电压达到额定值下限之后，就转入“恒流快充”；

3、随着充电的进行，当电池电压上升到特定较高点，并出现有下降趋势一个“拐点”处，电池的温度会上升很快，电芯压力急剧上升，如果仍继续以同样的电流充电，非但不能将电能转换成化学能，这时电能就都转换成了无效的热能，导致电池温度升高明显，电芯压力暴增，甚至有爆炸危险。

本身正常合理充电条件下，锂电可充次数只有600次左右，镍氢电池可充次数只有800次左右，如果不合理地控制电池方案，将导致电池温度反复过热，电解的电芯压力暴增，电解液干枯，可充电寿命次数急剧缩短。

4、因此当电池电压上升到较高点，并出现有下降趋势一个拐点处，转成“涓流充电”。

5、设定充电截止时间，出于安全考虑，不任充电结果如何，到达设定时间充电过程关断。

而上述理想的充电过程单靠硬件是无法做到的，因此要借助主控单片微计算机来实现：

如图1所示，本发明设置主控单片微计算机U1做智能检测和控制，图中取样开关控制单元16和电压取样单元15检测电池的开路电压OCV（open circuit voltage）；通过实时检测电池OCV，用 -dV/dt充电算法；每秒检测一次，检测时间10ms（当然这两个时间可以增加或减少）；当检测到电池在拐点处连续7个周期（当然周期个数可以增加或减少）出现电池OCV电压负增加（递减），就判断电池到了拐点，主控单片微计算机U1第5脚调整充电电压，将充电状态从恒流快充阶段转成涓流补充充电阶段，防止电池过充温度升高。

因为每个周期关断时间只有10ms，只占周期1s的1%，对充电效能影响很小。

因为电池有内阻，充电时检测到电池两端的电压是闭路电压CCV（closed circuitvoltage），不接入充电电路时，电池两端的电压是OCV， CCV = OCV + Ic ﹡ Rb，Ic为充电电流，Rb为电池内阻。所以始终是 OCV < CCV，只有在不充电状态下检测的电压值才是电池真实的电压，如果不用开关断电做检测，检测的电压是充电器的输出电压，不是电池真实的电压，就会导致电池过充。

本专利技术的充电器有截止充电时间设置，更具备安全性。

A.当端电压达到电压阈值并且充电电流降至的恒流快充充电电流的3%时表明电池已充满，此时结束充电。

B.不任充电状态如何，到了截止充电时间就结束充电。

如图1、图3、图4所示，实施检测电压负增量的电池智能充电方法，所述方法包括：

第一步、首先在开关电源17的副边电路设置单片机电源14、取样开关控制单元16、电压取样单元15、充电电压调整单元18、主控单片微计算机U1和温度检测单元19，所述主控单片微计算机U1由单片机电源14供电，取样开关控制单元16的开关管Q4受主控单片微计算机U1的第6引脚控制，加在充电电池20正极的充电电压V+通过开关管Q4与开关电源17副边的输出端连接，主控单片微计算机U1的第5脚连接充电电压调整单元18，控制充电电压V+的高低；主控单片微计算机U1的第2引脚连接电压取样单元15的取样点，主控单片微计算机U1的第1引脚连接温度检测单元19，主控单片微计算机U1的第3引脚连接充电负极V-，充电负极V-通过充电电流取样电阻接地；

第二步、然后在主控单片微计算机U1内部的主控程序存储器11中装载包括取样时间设置程序模块111、取样开关驱动程序模块112、取样电压AD转换程序模块113、取样电压分析程序模块114、充电电压分析结果处理程序模块115、电池温度检测程序模块116、电池温度数据分析程序模块117，电池温度数据处理程序模块118、电池充电状态显示程序模块119、计时器程序模块120，所述各个程序模块的指令适于由主控处理器12加载并执行；

第三步、开关电源17开始工作，充电电池20接在V+和V-之间，主控单片微计算机U1内的计时器程序模块120开始计时；

第四步、取样时间设置程序模块111设置每间隔充电时间t1，开关管Q4被关断一个关断时隙t2，这个关断动作由取样开关驱动程序模块112驱动取样开关控制单元16执行，在关断时隙t2期间，主控单片微计算机U1通过电压取样单元15将充电电池20的端电压数值通过取样电压AD转换程序模块113取回，连续做N次取样，建立一个取样数据组，取样数据组内数据按先后顺序存放；

第五步、通过取样电压分析程序模块114分析充电电池20的端电压是否低于额定值下限；

若低于额定值下限，则充电电池20属于苏醒激活预充阶段，主控单片微计算机U1启动充电电压分析结果处理程序模块115，通过充电电压调整单元18和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流设定为小电流预充模式；

第六步、若充电电池20的端电压高于额定值下限，则此时应进入恒流快充模式，主控单片微计算机U1启动充电电压分析结果处理程序模块115，通过充电电压调整单元18和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流调整为恒流快充模式时的电流值；

第七步、接下来，在恒流快充模式阶段，主控单片微计算机U1调用第四步的取样步骤，不断取得取样数据组，通过取样电压分析程序模块114分析组内电压数据按取样顺序是否是持平或是递增的，如果是，就重复本步骤，如果组内电压数据按取样顺序出现递减，就进行下一步；

第八步、接下来，因组内电压数据按取样顺序出现递减，说明充电电池20即将进入过充状态，此时主控单片微计算机U1调用通过充电电压调整单元18和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流调整为涓流充电模式时的电流值；

第九步、从第三步开始，即启动计时器，之后各个步骤便始终检测计时器的累计计时时间，如计时时间未达到设定时间，则转第三步运行，若达到或超过设定时间则转第十步；

第十步、结束充电，此时彻底关断开关管Q4。

所述充电时间t1在0.5秒～3秒之间选择，关断时隙t2在5毫秒～30毫秒之间选择。

所述N次取样，次数在3～20次间选择。

在第三步到第八步期间，温度检测贯穿始终，主控单片微计算机U1调用电池温度检测程序模块116、电池温度数据分析程序模块117运行，若温度超限，电池温度数据处理程序模块118运行，直接转第十步。

在第三步到第八步期间，主控单片微计算机U1调用电池充电显示程序模块119，将第7引脚置零，关断LED2点亮LED1。

实现上述最佳实施例的方法的一种检测电压负增量的电池智能充电电路，所述电池智能充电电路包括：

在开关电源17的副边电路设置单片机电源14、取样开关控制单元16、电压取样单元15、充电电压调整单元18、主控单片微计算机U1和温度检测单元19，所述主控单片微计算机U1由单片机电源14供电，取样开关控制单元16的开关管Q4受主控单片微计算机U1的第6引脚控制，加在充电电池20正极的充电电压V+通过开关管Q4与开关电源17副边的输出端连接，主控单片微计算机U1的第5脚连接充电电压调整单元18，控制充电电压V+的高低；主控单片微计算机U1的第2引脚连接电压取样单元15的取样点，主控单片微计算机U1的第1引脚连接温度检测单元19，主控单片微计算机U1的第3引脚连接充电负极V-，充电负极V-通过充电电流取样电阻接地。

所述充电电流取样电阻一端与充电负极V-连接，另一端接地。

所述主控单片微计算机U1的第2引脚内部是内设的AD转换电路。

所述主控单片微计算机U1的第5引脚是输出PWM信号。

所述主控单片微计算机U1的第3引脚内部是内设的AD转换电路。

如图1示，控制LED指示灯的颜色，发光状态，分别对应充电状态或做异常告警。

因为是单片微计算机编程控制，可按需要做充电状态指示修改。单片微计算机内部自带晶振，可编程预设充电截止时长。

本发明充电状态LED指示灯工作状态对照按：

A.无连接电池 LED：固绿。

B.连接了电池，电池电压低时做预充, LED：以1Hz频率红色闪烁。

C.恒流快充，LED：以2Hz频率红色闪烁。

D.涓流充电LED：以0.5Hz频率红色闪烁。

E.电池温度过高，电池反接等，LED：以8Hz频率红色快速闪烁。

F.充电时间截止， LED: 关OFF。

在上述最佳实施例中，主控单片微计算机U1选用的是ATMEI- TINY- 13型号，在其他实施方式中，可以选用STC15W401AS系列，能够完成一模一样的功能。除了这两种单片微计算机，还有许许多多的单片机都能胜任本发明的控制方法，在此不一一例举，因此本发明为了说明原理和便于阅读者的理解，用ATMEI –TINY- 13型号的管脚标号来进行说明，不代表仅仅限定该器件。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式和应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种检测电压负增量的电池智能充电方法，其特征存于，所述方法包括：

第一步、首先在开关电源（17）的副边电路设置单片机电源（14）、取样开关控制单元（16）、电压取样单元（15）、充电电压调整单元（18）、主控单片微计算机U1和温度检测单元（19），所述主控单片微计算机U1由单片机电源（14）供电，取样开关控制单元（16）的开关管Q4受主控单片微计算机U1的第6引脚控制，加在充电电池（20）正极的充电电压V+通过开关管Q4与开关电源（17）副边的输出端连接，主控单片微计算机U1的第5脚连接充电电压调整单元（18），控制充电电压V+的高低；主控单片微计算机U1的第2引脚连接电压取样单元（15）的取样点，主控单片微计算机U1的第1引脚连接温度检测单元（19），主控单片微计算机U1的第3引脚连接充电负极V-，充电负极V-通过充电电流取样电阻接地；

第二步、然后在主控单片微计算机U1内部的主控程序存储器（11）中装载包括取样时间设置程序模块（111）、取样开关驱动程序模块（112）、取样电压AD转换程序模块（113）、取样电压分析程序模块（114）、充电电压分析结果处理程序模块（115）、电池温度检测程序模块（116）、电池温度数据分析程序模块（117），电池温度数据处理程序模块（118）、电池充电状态显示程序模块（119）、计时器程序模块（120），所述各个程序模块的指令适于由主控处理器（12）加载并执行；

第三步、开关电源（17）开始工作，充电电池（20）接在V+和V-之间，主控单片微计算机U1内的计时器程序模块（120）开始计时；

第四步、取样时间设置程序模块（111）设置每间隔充电时间t1，开关管Q4被关断一个关断时隙t2，这个关断动作由取样开关驱动程序模块（112）驱动取样开关控制单元（16）执行，在关断时隙t2期间，主控单片微计算机U1通过电压取样单元（15）将充电电池（20）的端电压数值通过取样电压AD转换程序模块（113）取回，连续做N次取样，建立一个取样数据组，取样数据组内数据按先后顺序存放；

第五步、通过取样电压分析程序模块（114）分析充电电池（20）的端电压是否低于额定值下限；

若低于额定值下限，则充电电池（20）属于苏醒激活预充阶段，主控单片微计算机U1启动充电电压分析结果处理程序模块（115），通过充电电压调整单元（18）和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流设定为小电流预充模式；

第六步、若充电电池（20）的端电压高于额定值下限，则此时应进入恒流快充模式，主控单片微计算机U1启动充电电压分析结果处理程序模块（115），通过充电电压调整单元（18）和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流调整为恒流快充模式时的电流值；

第七步、接下来，在恒流快充模式阶段，主控单片微计算机U1调用第四步的取样步骤，不断取得取样数据组，通过取样电压分析程序模块（114）分析组内电压数据按取样顺序是否是持平或是递增的，如果是，就重复本步骤，如果组内电压数据按取样顺序出现递减，就进行下一步；

第八步、接下来，因组内电压数据按取样顺序出现递减，说明充电电池（20）即将进入过充状态，此时主控单片微计算机U1调用通过充电电压调整单元（18）和检测充电电流取样电阻上的电压，将充电电流调整为涓流充电模式时的电流值；

第九步、从第三步开始，即启动计时器，之后各个步骤便始终检测计时器的累计计时时间，如计时时间未达到设定时间，则转第三步运行，若达到或超过设定时间则转第十步；

第十步、结束充电，此时彻底关断开关管Q4。

2.根据权利要求1所述的检测电压负增量的电池智能充电方法，其特征在于，所述充电时间t1在0.5秒～3秒之间选择，关断时隙t2在5毫秒～30毫秒之间选择。

3.根据权利要求1所述的检测电压负增量的电池智能充电方法，其特征在于，所述N次取样，次数在3～20次间选择。

4.根据权利要求1所述的检测电压负增量的电池智能充电方法，其特征在于，在第三步到第八步期间，温度检测贯穿始终，主控单片微计算机U1调用电池温度检测程序模块（116）、电池温度数据分析程序模块（117）运行，若温度超限，电池温度数据处理程序模块（118）运行，直接转第十步。

5.根据权利要求1所述的检测电压负增量的电池智能充电方法，其特征在于，在第三步到第八步期间，主控单片微计算机U1调用电池充电显示程序模块（119），将第7引脚置零，关断LED2点亮LED1。