CN107979123B

CN107979123B - 一种电源自适应锂电池充电管理电路

Info

Publication number: CN107979123B
Application number: CN201710672268.3A
Authority: CN
Inventors: 樊晓微; 陈杰
Original assignee: Shanghai Shiningic Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Shiningic Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2024-03-22
Anticipated expiration: 2037-08-08
Also published as: CN107979123A

Abstract

本发明公开了一种电源自适应锂电池充电管理电路，包括基准电压电路、恒流充电电路、电池电压采样网络、充电终止电路、电源电压采样网络、电源自适应充电控制电路、涓流充电电路、恒压充电电路、恒温充电电路和四路受控开关。本发明可以自动适应和匹配电源的输出能力，当电源输出能力强时，充电电路以恒流充电方式工作；当电源输出能力弱时，以电源提供的电流充电。并且针对锂电池的特点，本发明提供满足于对锂电池充电的三段式充电管理，即涓流充电、恒流充电和恒压充电管理及过热保护的恒温充电管理，从而可以有效利用电源提供的能量，特别适合于类似太阳能电池一样供电能力不稳定的供电设备对锂电池充电的应用中。

Description

一种电源自适应锂电池充电管理电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及电源管理技术，尤其是太阳能供电的锂电池充电管理技术。

背景技术

随着新能源技术的发展，太阳能电池作为一种供电能源，应用越来越普及，太阳能发电，太阳能路灯、便携式充电设备等，都采用太阳能电池作为供电能源。但太阳能电池会受季节、天气和昼夜变化影响，使得其发电输出电流不稳定，在阳光充足的时候，太阳能电池输出电流大，在阳光不足的时候，太阳能电池输出电流小，夜晚时太阳能电池几乎没有电流输出。因此太阳能电池无法单独作为供电电源给设备供电，需要搭配可充电电池一起使用，由可充电电池为设备供电，并由太阳能电池作为电量补充设备给充电电流充电。

可充电电池一般为镍氢电池、镍镉电池、锂电池等，特别是锂电池，具有最大的比容量，目前在便携产品上得到了广泛应用。但锂电池由于其化学活性特别活泼，对充放电的电压、电流和环境条件要求都很高，否则容易引起爆炸、起火等危险。因此锂电池都需要专门的充放电管理电路对其充放电进行控制，以防止对电池造成损坏和产生危险。传统的充电管理电路一般都采用恒流、恒压充电方式，限定电池的最大充电电流，保证其充电的安全性。但这种充电方式存在一个问题，当电源能量不足，即电源输出电流远小于设计的充电电流时，相当于电源加入重载，电源将会被拉低，导致电源低于正常的充电管理电路工作电压范围，从而无法达到对电池充电的目的，或者会存在反复充电——断电——充电的循环过程，这种情况的充电效率会大大下降，并且锂电池的寿命与充电次数相关，这样的充电方式也会影响锂电池的使用寿命。而太阳能电池作为供电电源时，就会存在这种电源能量不足的情况。

由于太阳能电池的输出电流不稳定性，其提供给锂电池的电流在不同时间大小不同，这样会导致正常的恒流、恒压充电管理电路工作不正常，当太阳能电池的输出电流达到恒流充电电路的电流能力时，可以充电；当太阳能电池远低于恒流充电电路的电流能力时，充电将会被关闭，无法对充电电池充电。

为了最大限度的利用太阳能电池产生的电量，特别是在阳光不足，太阳能电池输出电流较小时，也能有效收集太阳能电池产生的电量，这就需要充电管理电路能够适应电源输出电流，当电源输出电流大于恒流充电电流时，以恒流方式对锂电池充电；当电源输出电流小于恒流充电电流时，以电源输出电流对锂电池充电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电源自适应锂电池充电管理电路，可以自动适应和匹配电源的输出能力，当电源输出能力强时，电源能提供的电流能力大于设定的恒流充电电流，充电电路以恒流充电方式工作；当电源输出能力弱时，电源能提供的电流能力小于设定的恒流充电电流，以电源提供的电流充电，同时能提供满足于对锂电池充电的三段式管理，即涓流充电、恒流充电和恒压充电管理及过热保护的恒温充电管理，使本发明适用于太阳能供电的锂电池充电管理应用。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种电源自适应锂电池充电管理电路，包括基准电压电路、恒流充电电路、电池电压采样网络、充电终止电路、电源电压采样网络、电源自适应充电控制电路、涓流充电电路、恒压充电电路、恒温充电电路和第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、第四受控开关；

所述基准电压电路输出基准电压，供其它电路做电压参考；所述恒流充电电路的第一输入端与所述第一受控开关、所述第三受控开关、所述第四受控开关的第二端相连，所述恒流充电电路的第二输入端与所述第二受控开关的第二端相连，所述恒流充电电路的第三输入端与所述基准电压输出端相连，所述恒流充电电路的第四输入端与所述充电终止电路的输出端相连，所述恒流充电电路的第一输出端与所述电池电压采样网络的第一输入端相连，并连接于外部锂电池正极，所述恒流充电电路的第二输出端与所述电池电压采样网络的第二输入端相连，并连接于外部锂电池的负极，所述恒流充电电路的第三输出端与所述充电终止电路的第四输入端相连；所述电池电压采样网络的第一输出端与所述充电终止电路的第一输入端相连，所述电池电压采样网络的第二输出端与所述涓流充电电路的第一输入端相连，所述电池电压采样网络的第三输出端与所述恒压充电电路的第一输入端相连；所述充电终止电路的第二输入端与所述基准电压电路的输出端相连，所述充电终止电路的第三输入端与所述电源自适应充电控制电路的第一输出端相连；所述电源自适应充电控制电路的第一输入端与所述电源电压采样网络的输出端相连，所述电源自适应充电控制电路的第二输入端与所述基准电压电路的输出端相连，所述电源自适应充电控制电路的第二输出端与所述第一受控开关的第一端相连；所述涓流充电电路的第二输入端与所述基准电压电路的输出端相连，所述涓流充电电路的第一输出端与所述第二受控开关的第一端相连，所述涓流充电的第二输出端与所述充电终止的第五输入端相连；所述恒压充电电路的第二输入端与所述基准电压电路的输出端相连，所述恒压充电电路的输出端与所述第三受控开关的第一端相连；所述恒温充电电路的输入端与所述基准电压电路的输出端相连，所述恒温充电电路的输出端与所述第四受控开关的第一端相连。

所述基准电压电路输出的基准电压可以是一路，也可以大于一路，每路输出电压值不同，即恒流充电电路、充电终止电路、电源自适应充电控制电路、涓流充电电路、恒压充电电路和恒流充电电路所接入的基准电压可以是同一电压值，也可以是不全部相同的电压值，或者全不相同的电压值，当为不同电压值时，可以通过基准电压电路的不同输出端得到。

所述恒流充电电路在锂电池恒流充电阶段，完成对锂电池的恒流充电控制；在其它阶段，分别与所述充电终止电路、电源自适应充电控制电路、涓流充电电路、恒压充电电路或恒温充电电路共同完成对锂电池的涓流充电、恒压充电、恒温充电、电源自适应充电或充电终止；恒流充电状态表示锂电池电压处于某一电压区间时，锂电池以某一恒定的电流充电的充电方式。

所述电池电压采样网络用于检测锂电池两端电压值，并将锂电池电压值或锂电池电压的分压值反馈给充电终止电路、涓流充电电路和恒压充电电路。

所述充电终止电路通过采样充电电流的大小或者通过比较所述电池电压采样网络反馈的电压与基准电压的大小完成对锂电池的充电终止控制，当充电电流小于某一值时，或者锂电池电压高于某一值时，充电终止电路通过控制恒流充电电路结束对锂电池的充电；当所述电源自适应充电控制电路控制充电电路工作时，所述充电终止电路通过电压采样方式终止充电；当所述电源自适应充电控制电路未控制充电电路工作时，所述充电终止电路通过电流采样方式终止充电。

所述电源电压采样网络用于检测电源两端电压值，并将电源电压值或电源电压的分压值反馈给电源自适应充电控制电路。

所述电源自适应充电控制电路通过比较所述电源电压采样网络反馈的电压值与基准电压的大小，当电源电压高于某一电压值时，控制第一受控开关关闭，使所述恒流充电电路不受所述电源自适应充电控制电路的控制；当电源电压低于某一电压值时，控制第一受控开关开启，使所述电源自适应充电控制电路控制所述恒流充电电路处于电源自适应充电状态，不再处于恒流充电状态；电源自适应充电状态为当电源提供的电流小于恒流充电电流时，根据电源提供的电流大小，自动调整充电电流的大小，使充电电流的大小适应电源提供的电流大小。

所述涓流充电电路通过比较所述电池电压采样网络反馈的电压与基准电压的大小，当锂电池电压高于某一电压值时，所述涓流充电电路控制所述第二受控开关关闭，所述恒流充电电路不受所述涓流充电电路控制；当锂电池电压低于某一电压值时，控制第二受控开关开启，使所述涓流充电电路控制所述恒流充电电路处于涓流充电状态，不再处于恒流充电状态；涓流充电状态表示充电电流以低于恒流充电电流的某一恒定电流值下充电；在涓流充电状态下，所述充电终止电路受所述涓流充电电路控制不起作用。

所述恒压充电电路通过比较所述电池电压采样网络反馈的电压与基准电压的大小，当锂电池电压低于某一电压值时，所述恒压充电电路控制所述第三受控开关关闭，所述恒流充电电路不受所述恒压充电电路的控制；当锂电池电压高于某一电压值时，所述恒压充电电路控制所述第三受控开关开启，使所述恒压充电电路控制所述恒流充电电路处于恒压充电状态，不再处于恒流充电状态；恒压充电状态表示锂电池电压高于某一电压值后，充电电压缓慢增加或保持不变，使充电电流从原来恒流充电的电流大小逐渐减小的充电方式。

所述恒温充电电路通过比较其内部温度传感器产生的电压与基准电压的大小来判断温度的高低，当温度传感器感应温度低于某一温度值时，所述恒温充电电路控制所述第四受控开关关闭，所述恒流充电电路不受所述恒温充电电路的控制；当温度传感器感应温度高于某一温度值时，所述恒温充电电路控制所述第四受控开关开启，使所述恒温充电电路控制所述恒流充电电路处于恒温充电状态，不再处于恒流充电状态；恒温充电状态表示温度传感器感应温度高于某一温度值后，充电温度保持恒定不变，使充电电流从原来恒流充电的电流大小逐渐减小的充电方式。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明电源自适应锂电池充电管理电路可以自动适应和匹配电源的输出能力，当电源输出能力强时，电源能提供的电流能力大于设定的恒流充电电流，充电电路以恒流充电方式工作；当电源输出能力弱时，电源能提供的电流能力小于设定的恒流充电电流，以电源提供的电流充电。并且针对锂电池的特点，本发明提供满足于对锂电池充电的三段式充电管理，即涓流充电、恒流充电和恒压充电管理及过热保护的恒温充电管理，从而可以有效利用电源提供的能量，特别适合于类似太阳能电池一样供电能力不稳定的供电设备对锂电池充电的应用中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明电源自适应锂电池充电管理电路的结构示意图。

图2是图1的一个具体实施例的电路原理图。

图3是基准电压电路的一个具体实施例的电路原理图。

附图中：101、基准电压电路；102、恒流充电电路；103、电池电压采样网络；104、充电终止电路；105、电源电压采样网络；106、电源自适应充电控制电路；107、受控开关S1；108、涓流充电电路；109、受控开关S2；110、恒压充电电路；111、受控开关S3；112、恒温充电电路；113、受控开关S4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种电源自适应锂电池充电管理电路，图1是该电路的结构示意图。

如图1所述，该电源自适应锂电池充电管理电路包括：基准电压电路101、恒流充电电路102、电池电压采样网络103、充电终止电路104、电源电压采样网络105、电源自适应充电控制电路106、受控开关S1 107、涓流充电电路108、受控开关S2 109、恒压充电电路110、受控开关S3 111、恒温充电电路112、受控开关S4 113。

本发明的电源自适应锂电池充电管理电路主要完成对锂电池的充电管理功能。由于锂电池的化学特性非常活泼，因此对其充电需要对电压电流控制，以保证其安全性。一般的充电管理要求带有三段式充电管理部分，即涓流充电、恒流充电和恒压充电。当锂电池电压很低时，采用小电流的涓流充电方式对锂电池充电，例如一般锂电池电压在2.8V以下时采用涓流充电；当锂电池电压高于涓流充电电压、低于饱和电压时，采用大电流的恒流充电方式，从而保证对锂电池的快速充电；当锂电池的电压接近饱和时，由于采用恒流充电的大电流方式可能导致锂电池实际电量并未充满，所以此时采用恒压方式充电，即电池电压基本保持不变，逐渐降低充电电流，从而达到将锂电池电量完全充满的状态。由于对锂电池大电流充电可能会导致电路温度过高，因此又加入恒流充电方式，保证电路不致温度过高，又可使电路能够连续为锂电池充电。当采用太阳电池能供电时，由于太阳能电池的输出电流能力不稳定，在阳光不足时，太阳能电池的输出电流小于恒流充电电流，采用电源自适应充电控制方式使充电电池适应太阳能电池输出的电流大小进行充电，因此可以有效利用太阳能电池产生的电量。

本电路的具体实施方式参照图2实施例的电路原理图。

基准电压电路101一般情况下为带隙基准电路，用于产生一路或多路基准电压，给其它电路做电压参考，此基准电压一般不受外接电源、温度等外界环境影响。基准电压电路的具体实施方式参照图3的电路原理图。

恒流充电电路102为锂电池充电的主回路，在恒流充电电路102不受其它充电方式控制时，电路进入恒流充电控制模式，此时电路对锂电池的充电电流最大。

当电池电压过低时，如低于2.8V时，电池处于涓流充电状态，此时涓流充电电路108控制受控开关S2 109开启，涓流充电电路108控制恒流充电电路102进入涓流充电模式，此时的充电电流降到涓流充电电流的大小。当锂电池电压大于涓流充电电压时，涓流充电电路108控制受控开关S2 109关闭，此时涓流充电电路108不作用于恒流充电电路102上，如果无其它电路作用于恒流充电电路102，此时以恒流方式充电。

当电源自适应充电控制不起作用且恒流充电电路102不起作用时，当锂电池电压接近饱和电压时，如4.2V，恒压充电电路110控制受控开关S3 111开启，恒压充电电路110控制恒流充电电路102进入恒压充电模式，此时保持充电电压近似恒定，减小充电电流，直到充电终止电路判断充电电流小于某一电流值时，充电终止电路104控制恒流充电电路102结束充电，充电完成。

当充电时电路温度过高时，恒温充电电路112控制受控开关S4 113开启，恒温充电电路112控制恒流充电电路102进入恒温充电模式，此时保持电路温度近似恒定，减小充电电流，电流减小，电路温度会降低，如果外部环境未发生改变，此时将达到温度平衡，维持恒温充电。如果外部环境改变，如增加散热等，使电路温度降低，则恒温充电电路112关闭受控开关S4 113，恒温充电电路112不作用于恒流充电电路102上，恢复恒流充电模式。

当电源输出电流能力有限时，电源输出电流小于恒流充电电流的大小，此时以恒流方式充电时，电源电压会被拉低，电路判断出这种情况时，会启动电源自适应充电控制，电源自适应充电控制电路106控制受控开关S1 107开启，从而使电源自适应充电控制电路106控制恒流充电电路102工作于电源自适应充电模式，降低充电电流到电源能提供的电流能力大小，此时充电终止电路104受电源自适应充电控制，采用检测锂电池电压的方式，而不是检测充电电流的方式来结束充电，例如检测当锂电池电压大于4.2V时结束充电。

电池电压采样网络103用于检测锂电池两端电压值，并将锂电池电压值或锂电池电压的分压值反馈给充电终止电路104、涓流充电电路108和恒压充电电路110。

电源电压采样网络105用于检测电源两端电压值，并将电源电压值或电源电压的分压值反馈给电源自适应充电控制电路106。

受控开关S1、S2、S3和S4或者为二极管开关，或者三极管开关，或者场效应管（MOS）开关。

图2中若干关键电路的详述如下：

电源电压采样网络105，包括电阻R1、R2；电阻R1、R2的第一端相接，并接于电源自适应充电控制电路106的输入端；电阻R1的第二端外接电源电压；电阻R2的第二端外接地。

电源自适应充电控制电路106，包括运算放大器A1；运算放大器A1的第一输入端外接电源电压采样网络105的输出端，运算放大器A1的第二输入端外接基准电压；运算放大器A1的输出端与受控开关S1 107的输入端相接。

恒流充电电路102，包括MOS管M1、M2、M3，运算放大器A2、A3和电阻R3、R4；MOS管M1和M2的第一端相接，外接电源电压；MOS管M1和M2的第二端相接，并接于运算放大器A2的输出端，MOS管M1的第三端与MOS管M3的第一端及运算放大器A3的第一输入端相接，MOS管M2的第三端与运算放大器A3的第二输入端相接，并外接于BAT输出端，与锂电池正极相接；MOS管M3的第二端与运算放大器A3的输出端相接，MOS管M3的第三端与电阻R3、R4的第一端相接；电阻R3的第二端外接地；电阻R4的第二端与运算放大器A2的第一输入端相接，并接于受控开关S1 107的输出端；运算放大器A2的第二输入端外接基准电压。

本发明电源自适应锂电池充电管理电路解决了传统锂电池充电控制电路在电源输出能力不足的情况下无法对锂电池充电，或充电反复通断的不正常工作情况，可应用于太阳能电池供电的设备上，提高了太阳能电池应用的效率，实用性强。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本专利。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：包括基准电压电路、恒流充电电路、电池电压采样网络、充电终止电路、电源电压采样网络、电源自适应充电控制电路、涓流充电电路、恒压充电电路、恒温充电电路和第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、第四受控开关；

2.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述基准电压电路输出的基准电压可以是一路，也可以大于一路，每路输出电压值不同，即恒流充电电路、充电终止电路、电源自适应充电控制电路、涓流充电电路、恒压充电电路和恒流充电电路所接入的基准电压可以是同一电压值，也可以是不全部相同的电压值，或者全不相同的电压值，当为不同电压值时，可以通过基准电压电路的不同输出端得到。

3.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述恒流充电电路在锂电池恒流充电阶段，完成对锂电池的恒流充电控制；在其它阶段，分别与所述充电终止电路、电源自适应充电控制电路、涓流充电电路、恒压充电电路或恒温充电电路共同完成对锂电池的涓流充电、恒压充电、恒温充电、电源自适应充电或充电终止；恒流充电状态表示锂电池电压处于某一电压区间时，锂电池以某一恒定的电流充电的充电方式。

4.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述电池电压采样网络用于检测锂电池两端电压值，并将锂电池电压值或锂电池电压的分压值反馈给充电终止电路、涓流充电电路和恒压充电电路。

5.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述充电终止电路通过采样充电电流的大小或者通过比较所述电池电压采样网络反馈的电压与基准电压的大小完成对锂电池的充电终止控制，当充电电流小于某一值时，或者锂电池电压高于某一值时，充电终止电路通过控制恒流充电电路结束对锂电池的充电；当所述电源自适应充电控制电路控制充电电路工作时，所述充电终止电路通过电压采样方式终止充电；当所述电源自适应充电控制电路未控制充电电路工作时，所述充电终止电路通过电流采样方式终止充电。

6.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述电源电压采样网络用于检测电源两端电压值，并将电源电压值或电源电压的分压值反馈给电源自适应充电控制电路。

7.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述电源自适应充电控制电路通过比较所述电源电压采样网络反馈的电压值与基准电压的大小，当电源电压高于某一电压值时，控制第一受控开关关闭，使所述恒流充电电路不受所述电源自适应充电控制电路的控制；当电源电压低于某一电压值时，控制第一受控开关开启，使所述电源自适应充电控制电路控制所述恒流充电电路处于电源自适应充电状态，不再处于恒流充电状态；电源自适应充电状态为当电源提供的电流小于恒流充电电流时，根据电源提供的电流大小，自动调整充电电流的大小，使充电电流的大小适应电源提供的电流大小。

8.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述涓流充电电路通过比较所述电池电压采样网络反馈的电压与基准电压的大小，当锂电池电压高于某一电压值时，所述涓流充电电路控制所述第二受控开关关闭，所述恒流充电电路不受所述涓流充电电路控制；当锂电池电压低于某一电压值时，控制第二受控开关开启，使所述涓流充电电路控制所述恒流充电电路处于涓流充电状态，不再处于恒流充电状态；涓流充电状态表示充电电流以低于恒流充电电流的某一恒定电流值下充电；在涓流充电状态下，所述充电终止电路受所述涓流充电电路控制不起作用。

9.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述恒压充电电路通过比较所述电池电压采样网络反馈的电压与基准电压的大小，当锂电池电压低于某一电压值时，所述恒压充电电路控制所述第三受控开关关闭，所述恒流充电电路不受所述恒压充电电路的控制；当锂电池电压高于某一电压值时，所述恒压充电电路控制所述第三受控开关开启，使所述恒压充电电路控制所述恒流充电电路处于恒压充电状态，不再处于恒流充电状态；恒压充电状态表示锂电池电压高于某一电压值后，充电电压缓慢增加或保持不变，使充电电流从原来恒流充电的电流大小逐渐减小的充电方式。

10.根据权利要求1所述的电源自适应锂电池充电管理电路，其特征在于：所述恒温充电电路通过比较其内部温度传感器产生的电压与基准电压的大小来判断温度的高低，当温度传感器感应温度低于某一温度值时，所述恒温充电电路控制所述第四受控开关关闭，所述恒流充电电路不受所述恒温充电电路的控制；当温度传感器感应温度高于某一温度值时，所述恒温充电电路控制所述第四受控开关开启，使所述恒温充电电路控制所述恒流充电电路处于恒温充电状态，不再处于恒流充电状态；恒温充电状态表示温度传感器感应温度高于某一温度值后，充电温度保持恒定不变，使充电电流从原来恒流充电的电流大小逐渐减小的充电方式。