CN113141034A - 电池充电控制电路及电池保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池充电控制电路及电池保护系统，包括：控制模块，提供调整信号；调整模块，基于调整信号调整充电开关的控制端电压；稳压模块，稳定充电开关的控制端电压；充电开关，连接于电池正极与充电器正极之间；还包括控制器，基于电池电压输出电池充电、放电控制电路的控制信号；电池充电控制电路，连接于电池正极与充电器正极之间；电池放电控制电路，连接于负载负极与电池负极之间。本发明的充电过程单独控制，充电开关管的规格要求及数量要求降低，成本降低；采用PWM信号控制，充电开关在充电时才导通，可降低功耗；采用嵌入式控制，合格充电器接入且满足充电条件时才充电，保证充电过程安全运行；实现过程原理简单，易于量产实施。

Description

电池充电控制电路及电池保护系统

技术领域

本发明涉及电池保护领域，特别是涉及一种电池充电控制电路及电池保护系统。

背景技术

电池在日常生活中的使用非常广泛，但其需要在一定的条件下才能够安全可靠运行，并保证充足的放电能力及使用寿命。因此，电池都会配备一套保护系统(即BMS系统，BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)来保证电池工作在特定条件下。对于BMS系统，要求其能够保护电池避免在过压、欠压、过温、过流及短路等状态下工作，并要求BMS系统能够对电池充电过程进行控制。还要求BMS系统具有低功耗的特点，要求其功耗在百uA级之内，由此才能保证其充满电后BMS系统耗电量足够小，长时间放置能够保证充足的放电能力。

当前锂电保护方案多为纯硬件系统，按照充放电方式可以分为同口及异口两种形式，无论哪种形式依旧存在可以优化的地方。首先，对于同口形式而言，其充放电过程都要经过充电MOS管回路，因此充放电一般使用相同型号相同数量的功率MOS管；但是由于电池放电电流大，常在1～3C之间，且时间长，技术上需要大电流、低Rds(on)的功率MOS管，且多采用多管并联的方式才能满足功耗、温升及短路的设计要求，而一般充电电流常在0.5C以下，相对放电电流而言小得多，因此充放电使用同种型号的MOS将造成充电设计冗余过大，产品成本高昂的问题。其次，无论同口形式还是异口形式，目前电池保护方案在正常条件下充电功率MOS管都在开通状态，因此需要控制IC持续输出充电功率MOS管控制端控制电压，将严重影响系统功耗。

因此，如何避免充电设计冗余，降低成本，同时减小系统功耗，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电池充电控制电路及电池保护系统，用于解决现有技术中充电设计冗余，成本高，系统功耗大等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电池充电控制电路，连接于电池与充电器之间，所述电池充电控制电路至少包括：

控制模块、调整模块、稳压模块及充电开关；

所述控制模块接收控制信号，为所述调整模块提供调整信号；

所述调整模块连接所述控制模块、所述充电开关的控制端及电池正极，基于所述调整信号调整所述充电开关的控制端电压；

所述稳压模块连接所述充电开关的控制端及电池正极，用于稳定所述充电开关的控制端电压；

所述充电开关连接于电池正极与充电器正极之间。

可选地，所述控制模块包括下拉管，所述下拉管的一端连接所述调整模块，另一端接地，控制端连接所述控制信号。

更可选地，所述控制模块还包括第一电阻及第二电阻；所述第一电阻的一端连接所述控制信号，另一端连接所述下拉管的控制端；所述第二电阻的一端连接所述下拉管的控制端，另一端接地。

可选地，所述调整模块包括第一稳压二极管、第一电容、第三电阻、第四电阻及二极管；所述第一稳压二极管的正极连接所述控制模块，负极经由所述第三电阻连接所述充电开关的控制端；所述第一电容并联于所述第一稳压二极管的两端；所述二极管的正极连接电池正极，负极连接所述充电开关的控制端；所述第四电阻的一端连接所述第一稳压二极管的正极，另一端连接电池正极。

可选地，所述稳压模块包括第二稳压二极管及第五电阻；所述第二稳压二极管的正极连接所述电池正极，负极连接所述充电开关的控制端；所述第五电阻并联于所述第二稳压二极管的两端。

更可选地，所述稳压模块还包括第二电容，所述第二电容并联于所述第二稳压二极管的两端。

可选地，所述充电开关为NMOS管。

可选地，所述控制信号为PWM信号。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电池保护系统，所述电池保护系统至少包括：

控制器，上述电池充电控制电路及电池放电控制电路；

所述控制器接收电池电压及充电器通讯信号，并连接所述电池充电控制电路及所述电池放电控制电路，基于所述电池电压及充电器通讯信号输出所述电池充电控制电路及所述电池放电控制电路的控制信号；

所述电池充电控制电路连接于电池正极与充电器正极之间；

所述电池放电控制电路连接于负载负极与电池负极之间，电池负极接地。

可选地，充电器负极连接电池负极。

如上所述，本发明的电池充电控制电路及电池保护系统，具有以下有益效果：

1、本发明的电池保护系统充电过程单独控制，优化充电控制电路，对充电开关管的规格要求及数量要求大大降低，进而极大地降低了成本。

2、本发明的电池充电控制电路及电池保护系统采用PWM信号控制，充电过程不再保持常开，只有检测到合格充电器接入后才开始充电，芯片引脚非充电期间保持关断状态，降低功耗。

3、本发明的电池充电控制电路及电池保护系统采用嵌入式控制，只有检测到合格充电器接入，并且满足充电条件时才能给电池充电，保证充电过程安全运行。

4、本发明的电池充电控制电路及电池保护系统实现过程原理简单，易于量产实施。

附图说明

图1显示为本发明的电池充电控制电路的结构示意图。

图2显示为本发明的电池保护系统的结构示意图。

图3显示为本发明的电池充电控制电路的工作原理示意图。

元件标号说明

1 电池保护系统

11 电池充电控制电路

111 控制模块

112 调整模块

113 稳压模块

114 充电开关

12 电池放电控制电路

13 控制器

2 电池

3 负载

4 充电器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种电池充电控制电路11，连接于电池与充电器之间，所述电池充电控制电路11包括：

控制模块111、调整模块112、稳压模块113及充电开关114。

如图1所示，所述控制模块111接收控制信号，为所述调整模块112提供调整信号。

具体地，在本实施例中，所述控制模块111接收PWM信号，通过PWM信号的高低电平为所述调整模块112提供到地通路，进而控制所述调整模块112调整所述充电开关114的控制端电压。在本实施例中，所述控制模块111包括下拉管Q1，所述下拉管Q1的一端连接所述调整模块112，另一端接地，控制端连接所述控制信号；通过PWM信号的高低电平控制所述下拉管Q1的通断，在本实施例中，所述PWM信号为高电平时所述下拉管Q1导通，所述PWM信号为低电平时所述下拉管Q1关断。所述下拉管Q1包括但不限于NPN三极管(所述NPN三极管的集电极连接所述调整模块112，发射极接地，基极连接所述控制信号)，任意可受控导通及关断的器件均适用于本发明；在本实施例中，所述NPN三极管的集电极连接所述调整模块112，发射极接地，基极连接所述控制信号。

具体地，作为本发明的一种实现方式，所述控制模块111还包括第一电阻R1及第二电阻R2。所述第一电阻R1的一端连接所述控制信号，另一端连接所述下拉管Q1的控制端；所述第二电阻R2的一端连接所述下拉管Q1的控制端，另一端接地。所述第一电阻R1及所述第二电阻R2组成分压电路，并限制所述NPN三极管的输入电流，防止所述NPN三极管的基极B-发射极E间发生过压击穿，并保证所述NPN三极管开通时处于放大区。

如图1所示，所述调整模块112连接所述控制模块111、所述充电开关114的控制端及电池正极P+，基于所述调整信号调整所述充电开关114的控制端电压。

具体地，所述调整模块112调整所述充电开关114的控制端电压，保证充电过程中所述充电开关114处于开通状态。在本实施例中，所述调整模块112包括第一稳压二极管Dz1、第一电容C1(自举电容)、第三电阻R3、第四电阻R4及二极管D。所述第一稳压二极管Dz1的正极连接所述控制模块111，负极经由所述第三电阻R3连接所述充电开关114的控制端。所述第一电容C1并联于所述第一稳压二极管Dz1的两端；所述二极管D的正极连接所述电池正极P+，负极连接所述充电开关114的控制端。所述第四电阻R4的一端连接所述第一稳压二极管Dz1的正极，另一端连接所述电池正极P+。当下拉管Q1导通时所述第一稳压二极管Dz1的正极拉低至地，所述电池正极P+通过所述二极管D及所述第三电阻R3给所述第一电容C1充电，当所述第一电容C1上的电压超过所述第一稳压二极管Dz1的第一预设电压Vp时所述第一稳压二极管Dz1发生击穿，将所述第一电容C1两端的电压稳定在Vp，防止所述第一电容C1上的电压过高。所述第三电阻R3及所述第四电阻R4两端用于限制所述第一电容C1的充放电电流；作为示例，所述第三电阻R3一般为KΩ级，所述第四电阻R4一般为MΩ级，当所述下拉管Q1导通时，充电电流从所述电池正极P+经过所述二极管D并通过所述第三电阻R3给所述第一电容C1充电，经过所述第四电阻R4的漏电流很小，主要基于所述第三电阻R3限制所述第一电容C1充放电过程中的电流。所述二极管D2的作用为控制所述第一电容C1充放电电流的方向；所述第一电容C1充电时，充电电流从所述二极管D2流向所述第一电容C1，为充电电流提供通路；所述第一电容C1放电时，D2所述二极管截止，防止所述第一电容C1、所述第三电阻R3及所述第四电阻R4形成放电回路。

如图1所示，所述稳压模块113连接所述充电开关114的控制端及所述电池正极P+，用于稳定所述充电开关114的控制端电压。

具体地，所述稳压模块113稳定所述充电开关114的控制端电压，防止所述充电开关114发生过压击穿。在本实施例中，所述稳压模块113包括第二稳压二极管Dz2及第五电阻R5。所述第二稳压二极管Dz2的正极连接所述电池正极P+，负极连接所述充电开关114的控制端。所述第五电阻R5并联于所述第二稳压二极管Dz2的两端。所述第二稳压二极管Dz2用于稳定在所述第一电容C1放电过程中的所述充电开关114的控制端与所述电池正极P+之间的电压，防止过压击穿。所述第五电阻R5与所述第三电阻R3共同限制所述第一电容C1的放电电流，并为所述充电开关114关断时提供控制端电荷释放的通路。

具体地，作为本发明的一种实现方式，所述稳压模块113还包括第二电容C2，所述第二电容C2并联于所述第二稳压二极管Dz2的两端。所述第二电容C2用于滤除所述充电开关114控制端与所述电池正极P+之间的电压尖峰。

如图1所示，所述充电开关114连接于所述电池正极P+与充电器正极C+之间。

具体地，所述充电开关114为电池提供充电通路。在本实施例中，所述充电开关114为NMOS管，所述NMOS管的源极连接所述电池正极P+，栅极连接所述调整模块112及所述稳压模块113，漏极连接所述充电器正极C+。在实际使用中，所述充电开关114的器件类型可根据设计需要进行设定，不以本实施例为限。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种电池保护系统1，所述电池保护系统1包括：

电池充电控制电路11、电池放电控制电路12及控制器13。

如图2所示，所述控制器13接收电池电压及充电器通讯信号，并连接所述电池充电控制电路11及所述电池放电控制电路12，基于所述电池电压及所述充电器通讯信号输出所述电池充电控制电路11及所述电池放电控制电路12的控制信号。

具体地，所述电池电压从电池2获取，所述电池2为单节锂电池或多节锂电池构成的电池组，所述电池电压包括单节电池两端的电压、电池组两端的电压或电池组中各单节电池的端电压。

具体地，所述控制器13与充电器4通讯，从所述充电器4获取充电器通讯信号。

具体地，所述控制器13基于所述电池电压及所述充电器通讯信号获取系统的工作状态，并据此得到所述电池充电控制电路11及所述电池放电控制电路12的控制信号。更具体地，基于所述充电器通讯信号所述控制器13可判断包括但不限于是否接入合格的充电器，基于所述电池电压所述控制器13可判断包括但不限于是否处于过温保护状态、是否处于低温保护状态、是否处于过压保护状态、是否处于过流保护状态，在此不一一赘述。

如图2所示，所述电池充电控制电路11连接于电池正极P+与充电器正极C+之间。

具体地，所述电池充电控制电路11用于控制所述充电器4向所述电池2充电。所述电池充电控制电路11的电路结构如实施例一所述，在此不一一赘述。

如图2所示，所述电池放电控制电路12连接于负载负极P-与电池负极B-之间。

具体地，所述电池放电控制电路12用于控制所述电池2向负载3放电。所述电池放电控制电路12包括放电开关，所述放电开关串联于所述负载负极P-与所述电池负极B-之间，基于所述控制器13提供的控制信号调整所述放电开关的控制端电压，进而实现放电控制，具体电路结构在此不一一赘述，任意可现实放电控制的电路均适用于本发明。

如图2所示，所述电池2的正极连接所述电池充电控制电路11及所述负载3的正极，负极接地。

如图2所示，所述负载3的正极连接所述电池2的正极，负极连接所述电池放电控制电路12。

如图2所示，所述充电器4的正极连接所述电池充电控制电路11，负极连接所述电池负极B-。

如图3所示，所述电池充电控制电路11的工作原理如下：

不充电时，所述控制信号为低电平，所述第一电容C1上的电压Vc1为0，所述充电开关114处于关断状态；当检测到合格充电器接入，且满足充电条件时，所述控制信号输出PWM信号，控制所述充电开关114导通，进而进入充电状态。

需要说明的是，所述充电条件包括但不限于系统不处于充电过温保护状态，系统不处于充电低温保护状态，系统不处于过压保护状态及系统不处于充电过流保护状态；在此不一一赘述。

具体地，T1时刻，所述PWM信号跳变为高电平，所述下拉管Q1导通，所述电池2为所述第一电容C1充电，所述第一电容C1上的电压Vc1逐渐增大，当所述第一电容C1上的电压Vc1大于第二预设电压V1时，所述充电开关114导通，所述充电器4开始给所述电池2充电。

T2时刻，所述第一电容C1上的电压Vc1上升至所述第一预设电压Vp，所述PWM信号跳变为低电平，所述下拉管Q1断开，所述第一电容C1停止充电，并开始给所述充电开关114的控制端持续提供电压使其持续导通，保证所述电池2持续充电。

T3时刻，所述第一电容C1上的电压Vc1下降至所述第二预设电压V1，所述PWM信号跳变为高电平，所述第一电容C1重新开始充电。如此反复，直至Tn时刻，所述电池2充满电，所述控制信号保持为低电平，所述第一电容C1上的电压Vc1减小至0，充电过程结束。

所述电池放电控制电路12的工作原理如下：

当检测到合格负载接入，且满足放电条件时，所述电池放电控制电路12中放电开关导通，所述电池2为所述负载3供电，进而进入放电状态。具体放电过程在此不一一赘述。

所述电池保护系统1将充放电过程剥离，对充电过程单独控制，用于降低充电控制电路的成本，降低系统功耗，并保障充电过程处于安全条件下进行。

综上所述，本发明提供一种电池充电控制电路，包括控制模块、调整模块、稳压模块及充电开关；所述控制模块接收控制信号，为所述调整模块提供调整信号；所述调整模块连接所述控制模块、所述充电开关的控制端及电池正极，基于所述调整信号调整所述充电开关的控制端电压；所述稳压模块连接所述充电开关的控制端及电池正极，用于稳定所述充电开关的控制端电压；所述充电开关连接于电池正极与充电器正极之间。还提供一种电池保护系统，包括控制器，上述电池充电控制电路及电池放电控制电路；所述控制器接收电池电压，并连接所述电池充电控制电路及所述电池放电控制电路，基于所述电池电压输出所述电池充电控制电路及所述电池放电控制电路的控制信号；所述电池充电控制电路连接于电池正极与充电器正极之间；所述电池放电控制电路连接于负载负极与电池负极之间。本发明的电池保护系统充电过程单独控制，优化充电控制电路，对充电开关管的规格要求及数量要求大大降低，进而极大地降低了成本；采用PWM信号控制，充电过程不再保持常开，只有检测到合格充电器接入后才开始充电，芯片引脚非充电期间保持关断状态；采用嵌入式控制，只有检测到合格充电器接入，并且满足充电条件时才能给电池充电，保证充电过程安全运行；实现过程原理简单，易于量产实施。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电池充电控制电路，连接于电池与充电器之间，其特征在于，所述电池充电控制电路至少包括：

控制模块、调整模块、稳压模块及充电开关；

所述控制模块接收控制信号，为所述调整模块提供调整信号；

所述调整模块连接所述控制模块、所述充电开关的控制端及电池正极，基于所述调整信号调整所述充电开关的控制端电压；

所述稳压模块连接所述充电开关的控制端及电池正极，用于稳定所述充电开关的控制端电压；

所述充电开关连接于电池正极与充电器正极之间。

2.根据权利要求1所述的电池充电控制电路，其特征在于：所述控制模块包括下拉管，所述下拉管的一端连接所述调整模块，另一端接地，控制端连接所述控制信号。

3.根据权利要求2所述的电池充电控制电路，其特征在于：所述控制模块还包括第一电阻及第二电阻；所述第一电阻的一端连接所述控制信号，另一端连接所述下拉管的控制端；所述第二电阻的一端连接所述下拉管的控制端，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的电池充电控制电路，其特征在于：所述调整模块包括第一稳压二极管、第一电容、第三电阻、第四电阻及二极管；所述第一稳压二极管的正极连接所述控制模块，负极经由所述第三电阻连接所述充电开关的控制端；所述第一电容并联于所述第一稳压二极管的两端；所述二极管的正极连接电池正极，负极连接所述充电开关的控制端；所述第四电阻的一端连接所述第一稳压二极管的正极，另一端连接电池正极。

5.根据权利要求1所述的电池充电控制电路，其特征在于：所述稳压模块包括第二稳压二极管及第五电阻；所述第二稳压二极管的正极连接电池正极，负极连接所述充电开关的控制端；所述第五电阻并联于所述第二稳压二极管的两端。

6.根据权利要求5所述的电池充电控制电路，其特征在于：所述稳压模块还包括第二电容，所述第二电容并联于所述第二稳压二极管的两端。

7.根据权利要求1所述的电池充电控制电路，其特征在于：所述充电开关为NMOS管。

8.根据权利要求1所述的电池充电控制电路，其特征在于：所述控制信号为PWM信号。

9.一种电池保护系统，其特征在于，所述电池保护系统至少包括：

控制器，如权利要求1～8任意一项所述的电池充电控制电路及电池放电控制电路；

所述控制器接收电池电压及充电器通讯信号，并连接所述电池充电控制电路及所述电池放电控制电路，基于所述电池电压及所述充电器通讯信号输出所述电池充电控制电路及所述电池放电控制电路的控制信号；

所述电池充电控制电路连接于电池正极与充电器正极之间；

所述电池放电控制电路连接于负载负极与电池负极之间，电池负极接地。

10.根据权利要求9所述的电池保护系统，其特征在于：充电器负极连接电池负极。

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