CN2702364Y

CN2702364Y - 电池管理器

Info

Publication number: CN2702364Y
Application number: CN 200420027214
Authority: CN
Inventors: 谢少军; 许爱国; 毛玲
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2014-05-20

Abstract

一种涉及便携式消费电子产品领域的电池管理器，采用单片机控制加Buck降压充电方案，充电管理和放电管理共用一主回路；采用小功率电阻进行电流采样；采用比较器构成的电流峰值限制电路以及RC充电确定功率管关断延时电路实现变换器的恒流控制；采用MCU进行电池充电状态判断与控制。其电路的组成包括由两个功率场效应管(M1)、电阻(R8)、电感(L1)、续流二极管(D1)和小电流充电电路组成的功率主电路和由充放电切换电路、放电同步整流电路、功率管关断定时电路、电流峰值限制电路、单片机(MCU)控制电路、信号综合电路、驱动电路及放电截止控制电路所组成的控制电路。本电池管理器与其它方案相比，功率器件少，成本低，充电效率高。

Description

电池管理器

技术领域

本实用新型的电池管理器涉及到便携式消费电子产品领域。

背景技术

电池供电系统是便携式消费电子产品的重要组成部分之一。随着便携式消费电子产品的发展，对电池供电系统的使用寿命、安全性以及成本的要求也越来越高。在便携式消费电子产品中，电池供电系统一般都有专门的管理器对电池的充放电进行管理，以达到电池的安全、高效使用。

电池快速充电一般都采用恒流充电，根据充电电池的电压特性曲线判断电池是否充足，从而使电池充电过程安全、高效。目前，采用的管理方法大致分为两种：

(1)采用专用线性充电管理器件进行恒流控制，并对充电过程进行实时监控。由于充电过程中输入电压与电池电压的压差由线性器件以发热的形式消耗掉，该方案效率不高。同时，由于采用专用器件，电路成本较高。

(2)采用降压电路恒流充电。采用降压电路把输入电压变换到适当的值再对电池充电。可用专用器件实现恒流控制和充电终止控制；也可以用分离元件搭建控制实现恒流充电，采用单片机(MCU)控制充电过程。由于运用开关型功率变换技术，该方案效率较高。

由于成本的原因，现在使用最多的是恒流降压型(Buck)变换器加单片机(MCU)控制。恒流控制时采用较大功率的电阻采样，压降大，效率低，且不能串于电池的放电回路。

电池的放电一般由另一通道进行管理，电池的充电和放电使用不同的回路。

由于目前实用的电池管理方案中采用充电和放电二路分离控制，需应用二组功率场效应管，成本还是较高。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供成本较低的电池管理器方案，它实现了充电和放电的同一回路工作，并对变换器的恒流控制电路进行设计，以适应与放电管理的协调工作。

本实用新型的电池管理器具有放电管理和充电管理功能，其特点在于充电回路包含放电回路，采用一组由两个漏极相联的功率场效应管切换控制实现；采用由小电阻采样输入的比较器构成的峰值电流限制电路以及电阻电容充电实现功率管关断延时电路实现变换器的恒流控制；采用单片机进行充电过程的管理。电路的具体组成包括功率主电路和控制电路两部分，功率主电路由两个功率场效应管漏极相连后依次串联电感和电阻与电池构成串联电路，续流二极管反向并联在电池与电阻、电感的串联电路上，在两个功率场效应管与电感、电阻的串联电路上还并联一个小电流充电电路；控制电路包括与供电电源相连的充放电切换电路的输出端分别连于电流峰值限制电路输入端和单片机控制电路输入端及放电同步整流控制电路输入端；功率管关断定时电路的输出端和电流峰值限制电路输出端各自连于信号综合电路的输入端，信号综合电路输出端和单片机控制电路输出端各自连于驱动电路输入端，驱动电路输出端和放电同步整流电路输出端各自与第一功率场效应管相连；放电截止控制电路连于第二功率场效应管。

本电池管理器电路由于在电流峰值限制电路中采用了比较器，故电流采样信号可以很小，可串于放电回路。第一功率管控制充电的过程，充电时第二功率管处于同步整流状态；第二功率管控制放电，放电时充电信号为低，第一功率管工作在同步整流状态。

用单片机控制第一功率管驱动电路的使能即可控制充电过程。

本实用新型方案由于只使用一组功率器件，节约了成本，且电流采样电阻功率小，充电效率得到了提高。

附图说明：

图1、本实用新型电路框图

图2、本实用新型具体电路原理图

图2中符号名称：U1为78L05稳压器件，U2为单片机，M1为一组功率场效应管MOSFET，N为可调分流稳压器TL431，U3A为比较器LM393，IN为输入输出插头，Q1～Q8为晶体三极管。

具体实施方法

如图1所示，本实用新型电路主要由功率主电路、充放电切换控制电路、电流峰值限制电路、功率管关断定时电路、信号综合、第一功率管T1驱动电路、单片机MCU控制、放电同步整流、放电截止控制电路和小电流充电回路。

充放电切换电路主要完成电池充电和放电两种状态的切换，当处于充电状态时，给电流峰值限制电路和MCU控制电路等供电，即使能充电控制模块；当处于放电状态时，切断电流峰值限制电路和MCU控制电路等的电源，从而减少电池搁置时通过管理器电路的放电电流。充放电切换电路由图2中的电阻R1、R2、可调分流稳压器N、电阻R3、R4、R5、晶体三极管Q1、稳压器件U1等组成，电阻R1和R2分压阀值在输入电压和电池电压之间。设在8.7V左右，当输入电压高于8.7V，电阻R1，R2的分压值高于2.5V，可调分流稳压器TL431的2脚输出低，晶体三极管Q1导通，稳压器件U1(78L05)输出5V，从而充电控制系统工作。当输入低于8.7V时，电阻R1，R2分压值低于2.5V，可调分流稳压器TL431的2脚与3脚之间高阻，晶体三极管Q1关断，稳压器件U1(78L05)不消耗电流。由此充放电布尔逻辑由可调分流稳压器TL431的2脚提供，高为放电，低为充电。

电流峰值限制电路完成电流的峰值限制功能，当电流达到或超过设定值时切断功率管。功率管关断定时电路保持功率管关断一定时间后，功率管重新开通。电流峰值限制电路和功率管关断定时电路完成充电电流的控制功能。如图2，本实用新型充电时Buck变换器的恒流控制原理：当功率场效应管T1开通时，电流上升，电阻R8用于电流检测，电阻R34和电阻R33分压设定电流峰值，当电阻R8＝0.1Ω时，分压值设为0.14V左右，当电阻R8二端电压达到设定的阀值时，比较器输出低，功率场效应管T1关断，电流下降；功率场效应管T1关断后电感L1电流从续流二极管D1续流，同时电容C5充电，充电电流流过电阻R11和电阻R11电压超过0.7V，晶体三极管Q6导通，使功率场效应管T1维持关断，一定时间后电容C5充电结束，电流下降到一定值，功率场效应管T1重新开通。使用适当的电感，使开关管工作在30kHz左右。从而使电流限定在一定范围之内，基本达到恒流的目的。

信号综合电路由晶体三极管Q5、Q6、电阻R23、R25、R26、R27和电阻R11等组成。当比较器U3A输出低时，晶体三极管Q5输出高，经晶体三极管Q6反相后，即为低逻辑。电压下降时，比较器U3A输出高，晶体三极管Q5呈高阻状态，晶体三极管Q6的导通取决于电容C5充电电流在电阻R11上形成的压降，电容C5充电，电阻R27、R11分压使晶体三极管Q6导通，输出维持低逻辑。

第一功率管T1驱动电路采用晶体三极管Q7、Q8组成的图腾柱结构，增强驱动能力，加速功率场效应管T1开通和关断。处于放电状态时，驱动电路呈现高阻状态，功率场效应管T1控制端取决于电阻R18和电阻R19组成的分压电路。

MCU控制部分即采用单片机U2监控电池的充电过程，当电池充满电时(充满电的判断条件根据电池的特性制定)切断第一功率管T1驱动电路的电源，停止充电，并指示充电过程结束。单片机输入信号有充电电流、电池电压和电池温度。电流采样电路由电阻R8、R9、R24和电容C2组成，电阻R9、R24和电容C2起纹波滤除的作用。电压采样回路由电阻R6、R7和电阻C3组成。温度采样由电阻R10和负温度系数温度传感器NTC组成。单片机MCU输出控制由晶体三极管Q3、Q4、电阻R28、R29和电阻R30等部分组成。当允许充电时，单片机MCU输出高，晶体三极管Q4导通输出高，第一功率管T1驱动电路使能；当停止充电时，单片机MCU输出低，晶体三极管Q4截止，禁止第一功率管T1驱动电路。单片机的程序可以根据电池的充电特性曲线和使用需求定制。

放电截止控制电路由稳压管Z1、电阻R15、R16、R17、R20和晶体三极管Q2组成。当输出端低于放电截止设定值时，稳压管Z1截断，晶体三极管Q2截止，第二功率管T2控制极为低，第二功率管T2关断，切断电池输出端。当输出端电压高于设定值时，晶体三极管Q2导通，第二功率管T2导通。

放电同步整流电路由电阻R18和电阻R19构成。取自充放电切换电路的信号(TL431的2脚)经电阻R18和电阻R19分压后加到第一功率管T1控制端。当处于放电状态时，可调分流稳压器TL431的2脚输出高，图腾柱高阻，电阻R18、R19分压后为高电平，第一功率管T1处于同步整流状态。充电状态时，可调分流稳压器TL431与图腾柱之间有电阻R18，不影响图腾柱输出。

小电流充电回路用于电池长期欠压时激活电池。由电阻R21和二极管D3组成。

本实用新型的充电和放电工况时电路的协调工作原理：

如图2，当输入电压为9.4V时，可调分流稳压器TL431的2脚输出低电平，晶体三极管Q1导通，5V电源工作，即处于充电状态，单片机7脚输出高，第一功率管T1驱动电路(晶体三极管Q7、Q8组成的图腾柱结构)工作。由比较器LM393等构成的电流峰值限制电路以及由电容C5和电阻R27组成的功率管关断延时电路实现功率电路的恒流降压控制，其信号相或再经晶体三极管Q6非逻辑后提供给图腾柱驱动电路。第一功率管T1处于斩波状态，控制电池的充电。此时，输入电压高于放电截止电压，第二功率管T2处于同步整流状态。

如图2，电池放电时，可调分流稳压器TL431的2脚呈高电平，5V电源不工作，第一功率管T1的GS两端电压由分压电阻R18、R19提供，第一功率管T1处于同步整流状态。第二功率管T2管控制放电的截止。

整个电路的参数可以根据实际需求进行调整。

Claims

1、一种电池管理器，其特征在于充电回路中包含放电回路，采用一组由两个漏极相联的功率场效应管(MOSFET)切换控制实现；采用由小电阻采样输入的比较器构成的峰值电流限制电路以及电阻、电容(RC)充电实现功率管关断延时电路实现变换器的恒流控制；采用单片机(MCU)进行充电过程的管理，其电路组成包括功率主电路和控制电路，功率主电路由两个功率场效应管漏极相连后依次串联电感和电阻与电池构成串联电路，续流二极管反向并联在电池与电阻、电感的串联电路上，在两个功率场效应管与电感、电阻的串联电路上还并联一个小电流充电电路；控制电路包括与供电电源相连的充放电切换电路的输出端分别连于电流峰值限制电路输入端和单片机控制电路输入端及放电同步整流控制电路输入端；功率管关断定时电路的输出端和电流峰值限制电路输出端各自连于信号综合电路的输入端，信号综合电路输出端和单片机控制电路输出端各自连于驱动电路输入端，驱动电路输出端和放电同步整流电路输出端各自与第一功率场效应管相连；放电截止控制电路连于第二功率场效应管。