CN202435059U

CN202435059U - 锂电池充放电管理电路

Info

Publication number: CN202435059U
Application number: CN2011204840166U
Authority: CN
Inventors: 李伟岚; 姜萌
Original assignee: SHANGHAI LONALIVE ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI LONALIVE ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2021-11-29

Abstract

本实用新型涉及一种电池充放电管理电路，尤其是一种锂电池充放电管理电路.该电路包括：一输入电流调节电路，同充电电池形成限流回路；一电压电流检测电路，连接于充电电池两端，以检测充电电池的电流和电压；上述电路及锂电池形成充电管理电路；一选择开关元件；一分压元件；一中央控制器，两端为负载外供电路接口，其输入端同电压电流检测电路的电压、电流检测输出端相连以获取充电电池的电压电流及充电管理电路两端电压数据，中央控制器通过选择开关元件同分压元件或充电管理电路形成回路。本实用新型通过输入电流调节电路对总输入电流限流减小压差、减少能耗提高效率，对锂电池电压电流进行实时监控并提供了锂电池过放或过充保护。

Description

锂电池充放电管理电路

技术领域

本实用新型涉及一种电池充放电管理电路，尤其是一种锂电池充放电管理电路。

背景技术

近几年来，随着便携式电子产品的迅猛发展，锂离子电池的市场占用率很高，据资料记载，在笔记本电脑和移动电话领域分配越为90％和60％，促进了电池技术的更新换代。锂电池的增长率快速取代传统的镍铬和镍氢电池市场。

锂电池对保护电路的要求比较高，在使用过程中如果出现过充电、过放出现象怎么办？放电电流过大怎么办，会导致什么后果？如果电池电压或温度超出制造商允许的范围，怎么禁止充电？其中锂电池怎么满足以高能量密度、高内阻、高电池电压、高循环次数、低自放电等特性成为当前高端电子设备发展亟需解决的需求。以下就锂电池特性及充放电原理作一扼要的说明。

请参阅图1，锂离子电池在充电时，首先要在充电开始之前需要检测电池的电压和温度，判断是否可充。在一个充电周期内，如果锂离子电池的电池电压、或温度超出制造商允许的范围，则禁止充电。允许充电的电压范围是：每节电池2.5V～4.2V；温度范围是：2.5℃～50℃。在电池处于深放电的情况下，必须要求充电器具有预充过程，使电池满足快速充电的条件；然后，根据电池厂商推荐的快速充电速率，一般为1C，充电器对电池进行恒流充电，电池电压缓慢上升。一般而言，锂电池的放电速率不应大于0.2C。

如果一旦电池电压达到所设定的终止电压(一般为4.1V或4.2V)，恒流充电终止，充电电流快速衰减，充电进入满充过程；在满充过程中，充电电流逐渐衰减，直到充电速率降低到C/10以下或满充时间超时时，转入顶端截止充电，顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补允能量。顶端截止充电一段时间后，关闭充电。

一般而言，锂电池的安全电压下限为2.4V，其所要求的误差精准度并不如充电电压精确，但亦必须配合适当的过放电延迟时间，以同时兼顾最大使用电量与过放电保护的要求。当电池进行放电动作、电池电压低于过放电保护电压时，应当关闭电池放电，避免电池过放电现象发生。当放电电流过大，保护电路应该关闭电池放电，执行过放电电流保护功能。至于保护电流的大小，可以根据负载的大小加以设定。值得注意的是：保护电路不能因为负载需要短时间的大电流而误动作，保护电路必须提供不同的过放电电流保护延迟时间，提高工作的稳定性。

实用新型内容

为了解决上述锂电池充放电管理的问题，本实用新型提供了以下技术方案：

锂电池充放电管理电路，包括

一输入电流调节电路，同充电电池形成回路，以作限流之用；

一电压电流检测电路，连接于充电电池两端，以检测充电电池的电流和电压，设有电压、电流检测输出端；

上述输入电流调节电路、电压电流检测电路及充电电池形成充电管理电路；

一选择开关元件；

一分压元件；

一中央控制器，两端为负载外供电路接口，其输入端同电压电流检测电路的电压、电流检测输出端相连以获取充电电池的电压电流及充电管理电路两端电压数据，中央控制器通过选择开关元件同分压元件或充电管理电路形成回路：当外供电压过低时，中央控制器同电压控制元件连通形成回路，电管理电路两端电压充电；当外供电压符合要求、且充电电池电压过低时，中央控制器同充电管理电路连通形成回路，充电电池充电。

进一步，所述电路还设有温度检测器以检测温度电路，并将温度数据输送至中央控制器，以便基于温度对充电管理电路进行调节。

进一步，选择开关元件同分压原件通过莫斯管实现。

进一步，所述电流调节电路、电流检测电路由MAX1758芯片实现。

进一步，所述中央控制器由单片机实现。

本实用新型通过输入电流调节电路对总输入电流限流减小压差、减少能耗提高效率，并通过电压电流检测电路对锂电池电压、电流进行实时监控以符合充电电池所需电压电流，进一步为中央控制器提供实时数据以便通过选择开关元件及时开启或关闭充电电路，以达到过放或过充保护。且本实用新型进一步设置了温度检测器对锂电池进行高温保护。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型一步说明。

图1是锂电池充放电过程的电压时间图。

图2是锂电池充放电管理电路图。

图3是锂电池充放电管理电路实现图

图4是锂电池充放电管理的流程转换图。

具体实施方式

在设计充电和放电电路时，由于锂离子电池对保护电路要求比较高，应该充分考虑到可能出现的各种情况，并加以保护，以确保电池安全工作。在实际设计中，需要将锂离子电池应用在长期无人看守的仪器中，要求充放电管理电路可自动监测锂离子电池、外部供电以及负载的状态，并做出相应的动作，以确保负载长期稳定地工作，锂电池安全有效地工作。本实施例选择MAXIM公司生产的锂离子充电管理芯片MAX1758和PHILIPS公司生产的低功耗单片机P87LPC767来实现对锂离子电池的充电和放电管理，以及对电池工作状态的实时监测，完成外部供电电压和内部电池电压的实时切换。

请参阅图2，如图所示电路的上半部分是用MAX1758构成的1～4节锂离子电池充电管理电路。MAX1758芯片内部电路包括：输入调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。

输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流和充电电流。当检测到输入电流大于设定的限流门限时，通过降低充电电流可达到限制输入电流的目的。因为工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源(墙上适配器或其它直接电源)必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和。这将使电池的成本增高、体积增大。而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源的设计。图2中利用MAX1758的CSSP引脚与CSSN引脚之间的外接电阻R1来检测输入电流，ISETIN引脚设置检测门限。需要注意的是：电阻R1上的压差使充电器的功耗较大、效率降低。为减小压差，一般应选择较小的电阻值；但过小的阻值会使内部输入检流放大器的失调电压增大，从而降低电流检测精度。因此，应综合考虑，选择适当的R1值。

电压检测电路可与电流检测电路分别对电池电压和充电电流进行调节、监测。最大充电电流由ISETOUT引脚的电压值确定，电池充电终止电压限定为4.2V，通过VADJ引脚的外接分压电压在4.0V～4.4V之间调节。电池节数由CELL引脚设置，CELL引脚接GND、浮空、接REF、接VL分别表示电池节数为1节、2节、3节、4节。MAX1758的电压检测精度为±0.8％。电压检测和电流检测结果送入内部主控制，主控制器通过驱动内部MOSFET导通或断开以达到控制电流或限制电池电压的目的。

定时器和温度检测器为电流充电提供附加保护。由于充电效率达不到100％，充电时间限定值应留而余量。温度传感器应接在THM和GND之前，靠近电池安装。温度传感器可选择具而负温度系数的热敏电阻，+25℃时阻值为10kΩ。Philips、Cornerstone传感器公司、Fenwall电子公司均可提供适当的产品。MAX1758以1.2Hz的频率检测电池温度。

其中，充电参数设置如下：

1电池终点电压设置

通过MAX1758的VADJ引脚外接分压电阻可以设置电池充电终止电压，分压电阻应选择阻值低于100kΩ、精度为1％以上的精密电阻。电池充电终止电压与电池的化学特性和内容构造而关，具体参数由电池厂商提供。VADJ引脚的电压(VVADJ)与电池充电终止电压(VBATTR)、电池节数(N)、基准电压(VREF)之间的关系由下式确定：

VVADJ＝(9.5VBATTR/N)-(9.0×VREF)

2充电电流设置

快充过程的充电电流由ISETOUT引脚的电压值(VIESTOUT)决定，该电压由连接在RET和GND之间的分压电阻调节。当ISETOUT引脚接REF时，电流为最大值(1.5A)。ICHG与VIESTOUT的关系如下：

ICHG＝1.5A×(VIESTOUT/VREF)

3输入电流限制

输入限流门限IIN由ISETIN引脚的电压确定，根据下式可确定IIN的值。

IIN＝IFSS(VISETIN/VREF)

式中，IFSS＝0.1V/R1。

4选择电感

电感值与电流纹波的大小而关。选用较大的电感时电流弹头波较小，但如果电感的物理尺寸相同时，电感值越大，通常电感的等效串联电阻和额定电流较小。从总体指标考虑，电流纹波一般设置为平均充电电流的30％～50％。假设纹波电流与直流充电电流之比为LIR，则电感值由下式确定：

L＝[VBATT(VDCIN(MAX)-VBATT)]/[VDCIN(MAX)×fosc×ICHG×LIRI

式中：fosc为充电器内部DC/DC变换器的开关频率，为300kHz。电感额定电流应大于ICHG[1+LIR/2

5充电时间设置

MAX1758内含4个定时时间设置功能，即预充、快充、满充、顶端截止充电时间。在TIMER1外接电容可设置预充、满充和顶端截止充电过程的时间限制，在TIMER2上外接电容可设置快充时间限制。充电速率为1C时，典型充电时间设置为(TIMER1与TIMER2的外接电容均为1nF)：预充时间7.5分钟、快充时间为90分钟、满充时间为90分钟、顶端终止充电时间为45分钟。

过充、过放保护

单片机P87LPC767的主要功能是实时监测外供电电压、电池电压、负载电压和电池温度，并根据监视参数的状态实现对电池过充、过放、过温、负载过流的保护，以及与主CPU进行参数交换。P87LPC767而四个A/D转换接口，分别用于监测外供电电压、电池电压、负载电压和电池温度。工作时P87LPC767每20毫秒就对外供电电压进行一次A/D转换，读取外供电电压值。一旦外供电压低于设定值时，P87LPC767就打开功率MOSFET Q1，将负载供电切换到电池上，如图3。P87LPC767每秒钟检测一次电池电压、负载电压和电池温度，判断电池是否需要充电。若电池电压低于设定的值，而外供电电压和温度都满足充电的条件，则打开MAX1758，对电流充电，补充电池能量。当电池给负载供电，电池电压低于安全放电的电压值(每节电池电压低于2.4V)时，P87LPC767立刻将Q1关断，防止电池过放，并将负载、MAX1758等外围电路关闭，转入低功耗工作模式，以节省耗电，等待外供电压恢复正常时，再重新启动。如果检测到负载电压过低，会认为是过流引起的，也将立即关闭负载，转入低功耗工作模式，等待外部唤醒。这样，P87LPC767可以实现电池以及负载电路的保护，使得仪器在外部供电电源不太稳定的环境下可以长期稳定地工作。

综上所述仅为实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本实用新型的技术范畴。

Claims

1.锂电池充放电管理电路，其特征在于，包括

一选择开关元件；

一分压元件；

2.如权利要求1所述的放电管理电路，其特征在于，所述电路还设有温度检测器以检测温度电路，并将温度数据输送至中央控制器，以便基于温度对充电管理电路进行调节。

3.如权利要求1所述的放电管理电路，其特征在于，选择开关元件同分压原件通过莫斯管实现。

4.如权利要求1所述的放电管理电路，其特征在于，所述电流调节电路、电流检测电路由MAX1758芯片实现。

5.如权利要求1所述的放电管理电路，其特征在于，所述中央控制器由单片机实现。