CN112383121B - 一种电池充电保护装置 - Google Patents

Abstract

一种电池充电保护装置，包括外输入源、充电电路、充电电池，所述外输入源通过充电电路与充电电池连接；所述充电电路包括稳压保护电路、反向保护电路、电压检测电路、充电控制电路和充电失效保护电路；所述外输入源与充电控制电路输入端连接，所述充电控制电路输出端与稳压电路的输入端连接，所述稳压电路的输出端与反向保护电路的一端连接，所述反向保护电路的另一端还与电压检测电路和充电电池连接，所述充电失效保护电路的输出端与充电控制电路的控制端连接；上述技术方案通过设计稳压保护电路、反向保护电路、电压检测电路、充电控制电路和充电失效保护电路，能够保证充电电流的稳定，并防止电池反向电路中放电。提升了电池充电的安全性。

Description

一种电池充电保护装置

技术领域

本发明涉及充电技术领域，尤其涉及一种提升充电安全的电池充电保护装置。

背景技术

镍氢电池的工作时间(充电次数和放电次数)主要取决于工作条件。操作时间随着深度和放电速率的增加而降低。运行时间取决于充电速度和控制方法。根据镍氢电池类型，工作模式和工作条件，电池可提供500-1000的放电周期，放电深度为80％，使用寿命为3–5年。为确保镍氢电池在保修期内可靠运行，应该关注温度环境。避免过放电(低于1V)和短路。

在镍氢电池的应用中，镍氢电池往往被用于备用电池来使用。备用电池一般都不使用，但是要求电量一般要保持在80％以上，这样才能达到备用电池应有的效果。实际应有的时候，电路上还会出现各种类似过压，过流反接等现象。传统的镍氢电池充放电往往没有考虑到实际使用，这样容易让电池出现损坏，甚至报废。在现有的充电保护技术中，如ZL200820138048.9的技术方案中仅是利用单一功率晶体管，在ZL 201610203475.X的技术方案中仅能够实现过流保护，无法满足安全性的要求。

发明内容

为此，需要提供一种新型的电池充电保护装置。提升充电电路的稳定性。

为实现上述目的，发明人提供了一种电池充电保护装置，包括外输入源、充电电路、充电电池，所述外输入源通过充电电路与充电电池连接；

所述充电电路包括稳压保护电路、反向保护电路、电压检测电路、充电控制电路和充电失效保护电路；所述外输入源与充电控制电路输入端连接，所述充电控制电路输出端与稳压电路的输入端连接，所述稳压电路的输出端与反向保护电路的一端连接，所述反向保护电路的另一端还与电压检测电路和充电电池连接，所述充电失效保护电路的输出端与充电控制电路的控制端连接；

所述稳压保护电路用于输出幅值稳定的电压，所述反向保护电路用于防止充电电池向充电电路放电，所述电压检测电路用于检测充电电池充电所需要的电压，所述充电失效保护电路用于在电路工作异常时断开充电控制电路。

进一步地，还包括过压保护电路，所述过压保护电路用于在外输入源过压的时候断开充电电路。

具体地，所述充电控制电路的输入端与外输入源连接，所述充电控制电路的输入端还与电容C1的一端、电容C2的一端、开关管Q1的使能端和一工作端以及开关管Q2的一工作端连接，所述开关管Q1的另一工作端与充电控制电路的输出端连接，所述开关管Q2的使能端与充电控制电路的控制端连接。

进一步地，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端接地。

具体地，所述过压保护电路的输出端与开关管Q2的使能端连接，所述过压保护电路的检测端与充电控制电路的输出端连接，所述过压保护电路的检测端还与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与开关管Q3的控制端连接，电阻R7的另一端还通过电阻R9与Q3的一工作端连接并接地，所述Q3的另一工作端与过压保护电路的输出端连接；所述过压保护电路的输入端与GPIO信号端连接。

具体地，所述充电失效保护电路的输出端与开关管Q2的使能端连接，所述充电失效保护电路的检测端与保护检测单元的信号端口连接，所述充电失效保护电路的检测端还与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与开关管Q4的控制端连接，电阻R8的另一端还通过电阻R10与Q3的一工作端连接并接地，所述Q4的另一工作端与充电失效保护电路的输出端连接；所述充电失效保护电路的输入端与GPIO信号端连接。

具体地，所述稳压电路的输入端与LDO的输入端连接，所述LDO的输出端经过滤波电路与稳压电路的输出端连接。

具体地，所述反向保护电路为二极管D1。

具体地，所述电压检测电路的输入端与电阻R3的一端、以及电压检测电路的输出端连接；所述电阻R3的另一端通过电阻R4接地，所述电阻R3的另一端还与基准电压ADC连接。

区别于现有技术，上述技术方案通过设计稳压保护电路、反向保护电路、电压检测电路、充电控制电路和充电失效保护电路，能够保证充电电流的稳定，并防止电池反向电路中放电。更好地提升了电池充电的安全性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式所述的电池充电保护装置示意图；

图2为本发明具体实施方式所述的电池充电保护装置电路图；

图3位本发明具体实施方式所述的输出电源切换应用电路。

附图标记说明：

1、外输入源；

2、充电电路；

21、充电控制电路；

22、稳压保护电路；

23、过压保护电路；

24、反向保护电路；

25、电压检测电路；

26、充电失效保护电路。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1，为本发明的一种电池充电保护装置模块示意图，包括外输入源1、充电电路2、充电电池3，所述外输入源通过充电电路与充电电池连接；所述充电电路包括充电控制电路21、稳压保护电路22、反向保护电路24、电压检测电路25和充电失效保护电路26；所述外输入源1与充电控制电路输入端连接，所述充电控制电路输出端与稳压电路的输入端连接，所述稳压电路的输出端与反向保护电路的一端连接，所述反向保护电路的另一端还与电压检测电路和充电电池连接，所述充电失效保护电路的输出端与充电控制电路的控制端连接；所述稳压保护电路用于输出幅值稳定的电压，所述反向保护电路用于防止充电电池向充电电路放电，所述电压检测电路用于检测充电电池充电所需要的电压，所述充电失效保护电路用于在电路工作异常时断开充电控制电路。通过上述方案，我们设计稳压保护电路、反向保护电路、电压检测电路、充电控制电路和充电失效保护电路，能够保证充电电流的稳定，并防止电池反向电路中放电。更好地提升了电池充电的安全性。

在另一些如图1所示的具体实施例中，还包括过压保护电路23，所述过压保护电路用于在外输入源过压的时候断开充电电路。过压保护电路可以直接连接到外输入源，用以检测外输入源的电压，过压保护电路可以控制充电控制电路的控制端，以达到断开电路的技术效果。在我们的技术方案中，还可以设置过压保护电路输入端接入到充电控制电路的输出端，根据充电控制电路的输出对充电控制电路进行反馈调节来调整充电控制电路的通断。通过上述设计，达到了保护充电电路的电压输出不会波动的技术效果。

在另一些具体的实施例中，如图2所示，我们的充电控制电路可以采用如下方式设计：所述充电控制电路的输入端与外输入源VDD连接，所述充电控制电路的输入端还与电容C1的一端、电容C2的一端、开关管Q1的使能端1和一工作端以及开关管Q2的一工作端2连接，其中充电控制电路的输入端还可以是通过电阻R2与开关管Q1的使能端1连接。所述开关管Q1的另一工作端与充电控制电路的输出端连接，所述开关管Q2的使能端与充电控制电路的控制端连接。进一步的设计方案中，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端接地。这里接入电容C1，C2为了保证输入电压稳定，本文中的开关管可以为PMOS管，也可以是其他如晶体管、三极管等类似的实施方式。以当Q1的1脚为低电平时，Q1的2脚和3脚导通。此时图中VDD_IN＝VDD，并可以为稳压保护单元的输入电压，此时充电电路开始工作。当Q1的1脚为高电平时，Q1的2脚和3脚不导通。VDD_IN＝0，没有输入电源，此时充电电路不工作。所有充电电路是否充电，取决于Q1的1脚的电平。Q2的3脚与Q1的1脚相连，所以Q2的3脚的电平高低决定了充电电路是否工作。Q2为NMOS管，当Q2的1脚为高电平时，Q2的2脚和3脚导通，Q1的1脚为低电平，充电电路正常工作。当Q2的1脚为低电平时，Q2的2脚和3脚不导通，Q1的1脚为高电平，充电电路停止工作。通过上述充电控制电路，能够达到控制向电池充电或关闭的技术效果。

在图2所示的另一些具体的实施例中，我们还可以看到，所述过压保护电路的输出端与开关管Q2的使能端连接，所述过压保护电路的检测端与充电控制电路的输出端连接(图2中VDD_IN位置)，所述过压保护电路的检测端还与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与开关管Q3的控制端连接，电阻R7的另一端还通过电阻R9与Q3的一工作端连接并接地，所述Q3的另一工作端与过压保护电路的输出端连接；所述过压保护电路的输入端与GPIO信号端连接。这里的GPIO(英语：General-purpose input/output)指通用输入输出信号，该信号可以是常态高电平信号，也可以是单片机发生的通用输出工作电平信号。同样以开关管为MOS管为例，当保护电路中Q3的1脚为高电平→Q3的3脚为低电平→Q2的1脚为低电平→Q2的2脚和3脚不导通→Q1的1脚为高电平→充电电路停止工作。同时我们可以通过配比Y1和Y2的电阻阻值和选择相应Q3的导通电压，来控制Q3的2脚和3脚的通断。例如：VDD是输入电压在9-36V，VDD_IN＝36V选取的Q3的导通电压为V＝2V。

V÷Y2＝VDD_IN÷(Y1+Y2) ①

通过式①得出Y1/Y2＞18。Y1和Y2的配比可以为20。通过配比Y1和Y2，从而实现当输入电压过高或者不稳定时，起到保护电路的作用。上述方案设计实现过压保护电路，能够使得VDD_IN位置，即输入电压过高时实现对充电控制电路的关断效果，保护充电电路的安全性。

具体的另一些实施例中，所述充电失效保护电路的输出端与开关管Q2的使能端连接，所述充电失效保护电路的检测端与保护检测单元的信号端口连接，所述充电失效保护电路的检测端还与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与开关管Q4的控制端连接，电阻R8的另一端还通过电阻R10与Q3的一工作端连接并接地，所述Q4的另一工作端与充电失效保护电路的输出端连接；所述充电失效保护电路的输入端与GPIO信号端连接。Q4的1脚为高电平→Q4的3脚为低电平→Q2的1脚为低电平→Q2的2脚和3脚不导通→Q1的1脚为高电平→充电电路停止工作。Q4的原理与Q3的原理一样，也是通过配比X1和X2的阻值来控制Q4的通断。保护检测单元可以通过多种传感器检测电路的温度、电池电量等方式依照预设的方式从检测端口(图中OUT部分或TP4位置)输出信号保护检测单元的信号端口从而实现充电电路出现故障时，起到保护电路的作用。

在其他一些具体的实施例中，如图2所示，稳压保护电路可以包括一个LDO(lowdropout regulator，低压差线性稳压器)来完成稳压工作，还可以将图中的LDO替换为charge_ic LM317；charge_ic LM317的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容，就能输出稳定的电压，在图中的外接手段也可以与LDO直接替换。也可以采用稳压二极管、或传统线性稳压器。在进一步的实施例中，如图2中所示，采用所述稳压电路的输入端与LDO的输入端连接，所述LDO的输出端经过滤波电路与稳压电路的输出端连接。滤波电路的连接方式具体为，LDO的输出端与电容C3的一端和电容C4的一端连接，LDO的输出端还通过电阻R1与电容C5的一端和LDO的ADJ引脚连接，电容C3的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端与稳压管D2的一端连接，稳压管D2的另一端与电容C5的一端、稳压电路的输出端连接。上述滤波电路能够滤掉LDO的输出纹波，稳压管D2在反向击穿时，在一定的电流范围内(或者说在一定功率损耗范围内)，端电压几乎不变，表现出稳压特性，通过上述稳压保护保护电路的设计，能够达到平稳地向电池充电的技术效果。

其他一些具体的实施例中，所述反向保护电路为二极管D1。能够防止电池向电路内反向充电，所述电压检测电路的输入端与电阻R3的一端、以及电压检测电路的输出端连接；所述电阻R3的另一端通过电阻R4接地，所述电阻R3的另一端还与基准电压ADC连接。在这一实施例中，我们还能够按照电池的个数(个数决定了电池电压)来选取充电IC的型号。电阻R3、R4为了采集当前电池电压。根据不同单片机的ADC采集的基准参照电压和电池的个数，来确定电阻R3与R4的阻值配比Z1/Z2。例如：单片机的ADC采集的基准参照电压为Vadc＝2.5V。此时电池的个数为5个，当镍氢电池充满电后，电池电压Vbat＝7V。

Vadc÷Z2＝Vbat÷(Z1+Z2) ②

根据式子②得出：Z1/Z2＝9/5。通过上述电压检测电路，我们能够达到有效检测电池是否充满的技术效果，可以利用此设计充满之后充电电路断电的结构，节约电力的消耗。

在图3所示的实施例中，是主电源和镍氢电池放电之间的输出电源切换应用电路。

具体地，电池电源VBAT与升压电路BOOST-ic的输入端连接，升压电路BOOST-ic的输出端与开关管Q5的一工作端连接，所述Q5的控制端与外输入源VDD、电阻R11的一端和开关管Q6的一工作端连接，Q5的另一工作端与Q6的另一工作端、电容C7、电容C8的一端和输出电压POWER连接，电阻R11的另一端还与电容C6的一端连接，电容C6的另一端还与Q5的使能端、稳压管D3的负端连接，D3的正端通过电阻R12连接到开关管Q7的控制端，Q7的一工作端与Q6的控制端连接，Q7的一工作端还通过电阻R13与Q6的另一工作端连接，Q7的另一工作端接地。

图3所示的电路工作通过如下方式：1.主电源VDD正常电压都比较高。所以在镍氢电池放电的过程中，需要加入一个升压电路BOOST-ic，把电压升到与主电源VDD一样的电压。

2.当主电源VDD不供电时，pmos管Q5的1脚为底电平，Q5的2脚和3脚导通(电阻R11下拉到地，为了保证Q5的1脚电平足够低，这样才能保证Q5的2脚和3脚完全导通)，电池电源VBAT经过升压后给出输出电源POWER。Nmos管Q7的1脚为低电平，Q7的2脚和3脚不导通。Q7的2脚和pmos管Q6的1脚由于串接了电阻R13，所有为高电平。Q6的2脚和3脚不导通。所有Q5的1脚不会受到其他电平的影响。结论：主电源VDD不供电时，电池电源VBAT经过升压后，给出供电电源POWER。

3.当主电源VDD有供电时，Q5的1脚为高电平，Q5的2脚和3脚不导通，电池电源VBAT不供电。此时Q7的1脚为高电平，Q7的2脚和3脚导通，由于3脚接地，所有Q7的2脚与Q6的1脚都为低电平。Q6的2脚和3脚导通。结论：当主电源VDD供电时，电池VBAT转化为备用电池，主电源VDD负责供电。

其中电容C6为100uf，负责蓄电，当主电源不稳定时，负责稳定电源。稳压管D3的作用：当主电源VDD不供电时，由于主电源VDD电源下降有一个线性过程，主电源总会下降到PMOS管Q6可变电阻区。当主电源VDD下降到PMOS管Q6可变电阻区时，PMOS管Q5由于体二极管的存在大于主电源VDD电压时，会形成一个闭环，即PMOS管Q6无法截止，PMOS管Q5无法完全导通，处在一个非正常的工作模式，加了稳压管D3可以避免当主电源VDD在降压过程中，出现以上现象。电容C7，C8为滤波电容。

综上

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，包括但不限于：个人计算机、服务器、通用计算机、专用计算机、网络设备、嵌入式设备、可编程设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，包括但不限于：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机设备以特定方式工作的计算机设备可读存储器中，使得存储在该计算机设备可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机设备上，使得在计算机设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电池充电保护装置，其特征在于，包括外输入源、充电电路、充电电池，所述外输入源通过充电电路与充电电池连接；

所述充电电路包括稳压保护电路、反向保护电路、电压检测电路、充电控制电路和充电失效保护电路；所述外输入源与充电控制电路输入端连接，所述充电控制电路输出端与稳压电路的输入端连接，所述稳压电路的输出端与反向保护电路的一端连接，所述反向保护电路的另一端还与电压检测电路和充电电池连接，所述充电失效保护电路的输出端与充电控制电路的控制端连接；

所述稳压保护电路用于输出幅值稳定的电压，所述反向保护电路用于防止充电电池向充电电路放电，所述电压检测电路用于检测充电电池充电所需要的电压，所述充电失效保护电路用于在电路工作异常时断开充电控制电路；

所述充电控制电路的输入端与外输入源连接，所述充电控制电路的输入端还与电容C1的一端、电容C2的一端、开关管Q1的使能端和一工作端以及开关管Q2的一工作端连接，所述开关管Q1的另一工作端与充电控制电路的输出端连接，所述开关管Q2的使能端与充电控制电路的控制端连接，过压保护电路的输出端与开关管Q2的使能端连接，所述过压保护电路的检测端与充电控制电路的输出端连接，所述过压保护电路的检测端还与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与开关管Q3的控制端连接，电阻R7的另一端还通过电阻R9与Q3的一工作端连接并接地，所述Q3的另一工作端与过压保护电路的输出端连接；所述过压保护电路的输入端与GPIO信号端连接；所述充电失效保护电路的输出端与开关管Q2的使能端连接，所述充电失效保护电路的检测端与保护检测单元的信号端口连接，所述充电失效保护电路的检测端还与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与开关管Q4的控制端连接，电阻R8的另一端还通过电阻R10与Q3的一工作端连接并接地，所述Q4的另一工作端与充电失效保护电路的输出端连接；所述充电失效保护电路的输入端与GPIO信号端连接。

2.根据权利要求1所述的电池充电保护装置，其特征在于，还包括过压保护电路，所述过压保护电路用于在外输入源过压的时候断开充电电路。

3.根据权利要求1所述的电池充电保护装置，其特征在于，所述电容C1的另一端和所述电容C2的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的电池充电保护装置，其特征在于，所述稳压电路的输入端与LDO的输入端连接，所述LDO的输出端经过滤波电路与稳压电路的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的电池充电保护装置，其特征在于，所述反向保护电路为二极管D1。

6.根据权利要求1所述的电池充电保护装置，其特征在于，所述电压检测电路的输入端与电阻R3的一端、以及电压检测电路的输出端连接；所述电阻R3的另一端通过电阻R4接地，所述电阻R3的另一端还与基准电压ADC连接。

Images