专利名称：一种充电电路及其充电方法和均衡充电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种充电器，尤其涉及一种充电电路及充电方法，以及应用该充电电路的均衡充电器。
背景技术：
随着可充电池在各种领域越来越广泛的应用，可充电池的使用寿命和安全性也越来越被人们所关注。可充电池因其本身的特点，过充会缩短电池的寿命，更严重的是可能发生爆炸，尤其是锂离子电池，因电池内部含有有机溶剂，其能承受的过充能力更小，更容易发生安全事故。一般在充电器中会设计一个自身过压保护电路，但当充电器发生故障时，其自身过压保护电路不再起作用，仍然会导致电池充电过高，造成可充电池过充，从而引发该可充电池不安全。为了提供更大动力和使每节电池容量在其寿命周期内保持一致，人们利用均衡充电器来进行充电，一般在每个单节充电器中设计有如上所述的自身过压保护电路，但当某节充电器自身过压保护电路发生故障时，该节充电器无法控制该节电池的过充。
发明内容本发明的主要目的就是为了解决现有技术中无法确保可充电池充电安全的问题，提供一种充电电路及其充电方法，在充电器自身过压保护电路发生故障时，仍然能够有效保护可充电池不被过充，安全可靠。
本发明的主要目的就是提供一种均衡充电器，在某节充电器自身过压保护电路发生故障时，仍然能够有效保护该节电池不被过充。
为实现上述目的，本发明提出了一种充电电路，包括充电单元输入端与电源连接，输出端B+、B-分别用于连接被充电池的正负极；第一过压保护单元分别连接所述充电单元的输出端B+、B-，以采样被充电池的充电电压，与第一参考电压相比较，用来在充电电压VC上升超过第一参考电压V1时产生控制信号11耦合至充电单元，终止对被充电池继续充电，其中VC为被充电池的充电电压，V1为第一参考电压；第二过压保护单元充电电压采样端21、22分别连接所述充电单元的输出端B+、B-，以采样被充电池的充电电压，与第二参考电压相比较，用来在充电电压VC上升超过第二参考电压V2时产生关断信号Poff 1耦合至充电单元的电源控制开关，使充电单元自动关断，其中V2为第二参考电压，所述V2＞V1。
作为本发明的进一步改进，还包括第三过压保护单元，所述第三过压保护单元的充电电压采样端31、32分别连接所述充电单元的输出端B+、B-，以采样被充电池的充电电压，与第三参考电压相比较，用来在充电电压VC上升超过第三参考电压V3时产生关断信号Poff 2耦合至充电单元的的电源控制开关，控制充电单元自动关断，其中V3为第三参考电压，所述V3＞V2＞V1。
为实现上述目的，本发明还提出了一种充电方法，包括以下步骤电压采集步骤在对被充电池充电过程中，各保护电路分别采样被充电池的的充电电压VC，其中VC为被充电池的充电电压；第一保护步骤将被充电池的的充电电压VC与充电器自身过压保护单元的第一参考电压V1相比较，当VC＜V1时，继续充电，当VC＞V1时，终止对可充电池继续充电；第二保护步骤将被充电池的的充电电压VC与第二过压保护单元的第二参考电压V2相比较，当VC＜V2时，第二过压保护单元不动作，当VC＞V2时，第二过压保护单元发送关断信号至充电单元的电源控制开关，使充电单元自动关断，其中V2＞V1。
作为本发明的进一步改进，还包括第三保护步骤将被充电池的的充电电压VC与第三过压保护单元的第三参考电压V3相比较，当VC＜V3时，第三过压保护单元不动作，当VC＞V3时，第三过压保护单元发送关断信号至充电单元的电源控制开关，使充电单元自动关断，其中V3＞V2＞V1。
为了更好的利用上述充电电路，本发明提供了一种均衡充电器，包括两个或两个以上的并联在一起的相同充电电路，所述充电电路包括充电单元输入端与电源连接，输出端(B+、B-)分别用于连接被充电池的正负极；第一过压保护单元分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压，与第一参考电压相比较，用于在充电电压VC上升超过第一参考电压V1时产生控制信号(11)至充电单元，终止对被充电池继续充电，其中VC为被充电池的充电电压，V1为第一参考电压；其特征在于还包括第二过压保护单元充电电压采样端(21、22)分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压，与第二参考电压相比较，用于在充电电压VC上升超过第二参考电压V2时产生关断信号(Poff 1)耦合至充电单元的电源控制开关，使充电单元自动关断，其中V2为第二参考电压，所述V2＞V1。
更好的应用是均衡充电器还包括第三过压保护单元，所述第三过压保护单元的充电电压采样端(31、32)分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压，与第三参考电压相比较，用于在充电电压VC上升超过第三参考电压V3时产生关断信号(Poff 2)耦合至充电单元的的电源控制开关，控制充电单元自动关断，其中V3为第三参考电压，所述V3＞V2＞V1。
第一过压保护单元在电池充电的过程中，不断检测被充电池的充电电压，并与设定的第一参考电压比较，在被充电池的充电电压达到设定的第一参考电压时，对充电电池进行第一层保护。为防止单节充电器自身过压保护电路发生故障，本发明还设计了第二过压保护单元，在电池充电的整个过程中，第二过压保护单元也在不断检测被充电池的充电电压，并不断与第二参考电压比较，当VC＞V2时，发送关断信号至充电单元，控制该充电单元自动关断充电回路。由于设定的第二过压保护单元的第二参考电压大于第一参考电压，所以当第一过压保护单元正常时，第二过压保护单元不起保护作用；当第一过压保护单元发生故障、不起保护作用时，第二过压保护单元才起保护作用。
为了给充电电池以更可靠的保护，本发明还包括第三过压保护单元，所述第三过压保护单元不断采样被充电池的充电电压，与第三参考电压V3相比较，当VC＞V3时，发送关断信号至的充电单元，控制该充电单元自动关断充电回路。由于V3＞V2＞V1，所以第三过压保护单元在第一过压保护单元和第三过压保护单元都失控时才起保护作用。
本发明的优选设计是第一过压保护单元是充电器原有的自身过压保护单元，第二过压保护单元是通过嵌有过压保护程序的MCU(微控制器)来实现，第三过压保护单元是通过硬件即过充保护专用芯片实现。
本发明的有益效果是1)本发明除了第一过压保护单元外，还增加了第二过压保护单元，当第一过压保护单元发生故障的情况下，第二过压保护单元对充电电池进行保护，以保证充电电池不过充，防止发生安全事故。2)为了更可靠的保护，本发明设计了三层保护，三层过压保护单元不但在参考电压上逐渐增大，而且在实现方式上也越来越可靠，第二层保护通过软件实现，准确性、可靠性较第一过压保护单元好，但软件在受到误操作或接收到错误信号时容易失控，而第三层保护通过过压保护专用芯片实现，不但准确性、可靠性好，而且克服了第二层保护的程序易失控的问题，所以本发明从软件和硬件两种方式确保电池的充电过程安全可靠。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
图1表示本发明充电电路的最佳实施例的电路图；图2表示本发明充电方法的最佳实施例的充电过压保护流程图；图3表示本发明均衡充电器的最佳实施例的电路图。
具体实施方式具体实施例一、如图1所示为本发明充电电路的最佳实施例，现有充电器5包括充电单元和自身过压保护单元即第一过压保护单元，充电单元的输入断连接交流市电，可以根据需要连接220VAC或380VAC，经过变压、整流和稳压后，其输出端B+、B-连接被充电池的正负极。充电器自身过压保护单元的充电电压采集端分别连接输出端B+、B-。第二过压保护单元的充电电压采集端21、22分别连接输出端B+、B-，用于产生关断信号Poff 1的关断信号脚23耦合至逻辑或电路的第一输入端子。第三过压保护单元的充电电压采集端31、32分别连接输出端B+、B-，用于产生关断信号Poff 2的关断信号脚33耦合至逻辑或电路的第二输入端子，逻辑或电路的输出端耦合至充电单元的电源控制开关。
当充电器自身过压保护单元检测到被充电池的充电电压大于第一参考电压V1时，对被充电池进行保护，使充电电流很小，被充电池的充电回路保持一种动态平衡，充电电压基本维持在第一参考电压V1上。充电器自身过压保护单元也可以在检测到被充电池的充电电压大于第一参考电压V1时，直接控制充电器终止充电。所述第二过压保护单元可以是嵌入有过压保护程序的MCU，MCU先将采样到的充电电压进行模数转换，再通过软件与第二参考电压V2比较，根据比较结果发出控制信号；第二过压保护单元也可以是过压保护的专用芯片，通过硬件实现过压保护，例如包括比较电路，比较电路的第一输入端响应充电电压VC，第一输入端响应第三参考电压V3，当VC＜V3时，比较电路输出第一电平，当VC＞V3时，比较电路翻转，输出第二电平，第二电平即关断信号Poff2控制充电单元的电源控制开关关断；专用芯片还可以是芯片S-8241ABCMC 4.35V/2.3V。
所述第三过压保护单元同样可以是嵌入有过压保护程序的MCU，也可以是过压保护的专用芯片。
第二过压保护单元和第三过压保护单元的最佳配合方式是第二过压保护单元是嵌入有过压保护程序的MCU，实现软件保护；第三过压保护单元是过压保护的专用芯片，实现硬件保护。
本发明的充电流程如图2所示，包括以下步骤1)充电单元对电池充电，各过压保护单元采样电池的充电电压VC；2)第一过压保护单元将VC与第一参考电压V1比较，如果VC＜V1，则继续充电和采样充电电压，如果VC＞V1，则第一过压保护单元作用，使充电单元保持动态平衡；3)一旦第一过压保护单元发生故障，则电池被继续充电，各保护电路继续采样被充电池的充电电压VC；4)第二过压保护单元MCU将VC与第二参考电压V2比较，如果VC＜V2，则继续充电和采样充电电压，如果VC＞V2，则第二过压保护单元MCU发出关断信号Poff 1，关断信号Poff 1与关断信号Poff 2逻辑或运算后耦合至充电单元的单元控制开关，电源控制开关响应该逻辑或信号自动关断该充电单元；
5)一旦第二过压保护单元MCU失控，则电池被继续充电，各保护电路继续采样被充电池的充电电压VC；6)过压保护专用芯片将VC与第三参考电压V3比较，如果VC＜V3，则继续充电和采样充电电压，如果VC＞V3，则过压保护专用芯片发出关断信号Poff 2，关断信号Poff2与关断信号Poff 1逻辑或运算后耦合至充电单元的单元控制开关，电源控制开关响应该逻辑或信号自动关断该充电单元。
为使第二保护电路能可靠地起到保护作用，第二参考电压V2与第一参考电压V1的关系也很重要，通常将第二参考电压设置为V2＝V1+0.15V，第三参考电压设置为V3＝V2+0.1V。例如对于锂离子电池组均衡充电系统，可以设置第一参考电压V1＝4.1V，第二参考电压V2＝4.25V，第三参考电压V3＝4.35V。
当然，第二过压保护单元的关断信号脚23和第三过压保护单元的关断信号脚33还可以分别直接耦合至充电单元的电源控制开关。
具体实施例二、在实际充电应用中，由于各节电池容量均有差异，因此通过节节均充来弥补，以保证每节电池容量通过均充达到一致。在均充过程中，保证每节电池独立充电，充电电流为小于0.2C。现有的均衡充电器中，一般都具有单节充电器自身过压保护电路，采样每节被充电电池的充电电压，当检测到某节电池的充电电压大于第一参考电压V1时，单节充电器自身过压保护电路对该节电池进行保护，使充电电流很小，该节电池的充电回路保持一种动态平衡，充电电压基本维持在第一参考电压V1上。
本发明的均衡充电器包括两个或两个以上的并联在一起的上述充电电路。每个单节充电电路至少包括两层过压保护单元，以便在第一层过压保护单元发生故障时，第二层过压保护单元对充电电池继续监控，防止电池过充。
本发明的均衡充电器的最佳实施例如图3所示均衡器包括两个或两个以上(可以多达80个)的并联在一起的相同充电电路，充电电路包括单节充电器、第二过压保护单元、第三过压保护单元，单节充电器包括充电单元、第一过压保护单元，每个单节充电器的输入端与交流市电源连接，输出端连接被充电池的正负极，第二过压保护单元和第三过压保护单元的电压采样端分别连接充电单元的输出端，其关断信号脚分别通过逻辑或电路耦合或直接耦合至该单节充电器。
第二过压保护单元为内部嵌入有过充保护程序的MCU，在均衡充电器中，为了监控每节电池的充电状态并进行相应控制，设计有均衡充电管理系统单片机，均衡充电管理系统单片机与所管理的被充电池连接，为了节约元件和空间，将过充保护程序嵌入到均衡充电管理系统单片机中，通过软件检测、判断和控制均衡充电管理系统单片机发出关断相应单节充电器的信号。所述均衡充电管理系统单片机的充电电压采样脚分别与充电单元的输出端相连，关断信号脚耦合至相应单节充电器。将上述的各个均衡充电管理系统单片机通过总线连接在一起，并与主MCU(即主微控制器)连接用于通过CAN总线与其他模块产生通讯。
第三过压保护单元为过压保护专用的电池管理芯片S-8241ABCMC4.35V/2.3V，该芯片的充电电压采样脚分别与充电单元的输出端相连，输出信号脚耦合至相应单节充电器相连。所述各个锂离子专用芯片S-8241ABCMC4.35V/2.3V之间通过总线连接，并与主MCU连接用于通过CAN总线与其他模块产生通讯。
本发明对充电电池进行层层保护，并且第二、三保护电路采用软件和硬件相结合的保护，节约了充电器的体积，电路工作的可靠性也提高。
权利要求
1.一种充电电路，包括充电单元输入端与电源连接，输出端(B+、B-)分别用于连接被充电池的正负极；第一过压保护单元分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压VC，与第一参考电压V1相比较，用于在充电电压VC上升超过第一参考电压V1时产生控制信号(11)耦合至充电单元，终止对被充电池继续充电；其特征在于还包括第二过压保护单元充电电压采样端(21、22)分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压VC，与第二参考电压V2相比较，用于在充电电压VC上升超过第二参考电压V2时产生关断信号(Poff1)耦合至充电单元的电源控制开关，使充电单元自动关断，所述V2＞V1。
2.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于还包括第三过压保护单元，所述第三过压保护单元的充电电压采样端(31、32)分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压VC，与第三参考电压V3相比较，用于在充电电压VC上升超过第三参考电压V3时产生关断信号(Poff2)耦合至充电单元的的电源控制开关，控制充电单元自动关断，所述V3＞V2＞V1。
3.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于所述第二过压保护单元为内部嵌入有过充保护程序的MCU，所述MCU的充电电压采样脚分别与充电单元的输出端(B+、B-)相连，关断信号脚耦合至充电单元的电源控制开关。
4.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于所述第二过压保护单元为过压保护专用芯片，所述芯片包括将充电电压VC与第三参考电压V3进行比较的比较电路，所述芯片的输出信号根据比较电路的比较结果变化而翻转，所述芯片的输出信号耦合至充电单元的电源控制开关。
5.如权利要求2所述的充电电路，其特征在于所述第二过压保护单元为内部嵌入有过充保护程序的MCU，所述MCU的充电电压采样脚分别与充电单元的输出端(B+、B-)相连，关断信号脚耦合至充电单元的电源控制开关；所述第三过压保护单元为过充保护专用芯片，所述芯片包括将充电电压VC与第三参考电压V3进行比较的比较电路，所述芯片的输出信号根据比较电路的比较结果变化而翻转，所述芯片的输出信号耦合至充电单元的电源控制开关。
6.如权利要求5所述的充电电路，其特征在于所述充电电路还包括逻辑或电路，第二过压保护单元的关断信号脚(23)和第三过压保护单元的输出信号脚(33)分别耦合至所述逻辑或电路的第一输入端和第二输入端，逻辑或电路的输出端耦合至充电单元的电源控制开关。
7.如权利要求5所述的充电电路，其特征在于所述第二参考电压V2＝V1+0.15V，第三参考电压V3＝V2+0.1V。
8.一种充电方法，其特征在于包括以下步骤电压采集步骤在对被充电池充电过程中，各保护电路分别采样被充电池的的充电电压VC，其中VC为被充电池的充电电压；第一保护步骤将被充电池的的充电电压VC与充电器自身过压保护单元的第一参考电压V1相比较，当VC＜V1时，继续充电，当VC＞V1时，终止对可充电池继续充电；第二保护步骤将被充电池的的充电电压VC与第二过压保护单元的第二参考电压V2相比较，当VC＜V2时，第二过压保护单元不动作，当VC＞V2时，第二过压保护单元发送关断信号至充电单元的电源控制开关，使充电单元自动关断，其中V2＞V1。
9.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于还包括第三保护步骤将被充电池的的充电电压VC与第三过压保护单元的第三参考电压V3相比较，当VC＜V3时，第三过压保护单元不动作，当VC＞V3时，第三过压保护单元发送关断信号至充电单元的电源控制开关，使充电单元自动关断，其中V3＞V2＞V1。
10.如权利要求9所述的充电方法，其特征在于所述第二过压保护单元的关断信号与第三过压保护单元的关断信号在发送至充电单元的电源控制开关之前先进行逻辑或运算，逻辑或运算的结果用来控制充电单元的电源控制开关。
11.一种均衡充电器，包括两个或两个以上的并联在一起的相同充电电路，其特征在于所述充电电路包括充电单元输入端与电源连接，输出端(B+、B-)分别用于连接被充电池的正负极；第一过压保护单元分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压VC，与第一参考电压V1相比较，用于在充电电压VC上升超过第一参考电压V1时产生控制信号(11)耦合至充电单元，终止对被充电池继续充电；其特征在于还包括第二过压保护单元充电电压采样端(21、22)分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压VC，与第二参考电压V2相比较，用于在充电电压VC上升超过第二参考电压V2时产生关断信号(Poff1)耦合至充电单元的电源控制开关，使充电单元自动关断，所述V2＞V1。
12.如权利要求11所述的均衡充电器，其特征在于还包括第三过压保护单元，所述第三过压保护单元的充电电压采样端(31、32)分别连接所述充电单元的输出端(B+、B-)，以采样被充电池的充电电压VC，与第三参考电压V3相比较，用于在充电电压VC上升超过第三参考电压V3时产生关断信号(Poff2)耦合至充电单元的电源控制开关，控制充电单元自动关断，所述V3＞V2＞V1。
13.如权利要求12所述的均衡充电器，其特征在于所述第二过压保护单元为内部嵌入有过充保护程序的MCU，所述MCU的充电电压采样脚分别与充电单元的输出端(B+、B-)相连，关断信号脚耦合至充电单元的电源控制开关；所述第三过压保护单元为过充保护专用芯片，所述芯片包括将充电电压VC与第三参考电压V3进行比较的比较电路，所述芯片的输出信号根据比较电路的比较结果变化而翻转，所述芯片的输出信号耦合至充电单元的电源控制开关。
全文摘要
本发明涉及充电器，提出了一种充电电路，包括自身过压保护单元、第二过压保护单元、第三过压保护单元，三重保护单元分别采样被充电池的充电电压，分别与第一、第二、三参考电压V1、V2、V3相比较，当VC大于参考电压时，相应的过压保护单元进行保护，所述V3＞V2＞V1。本发明设计了三重过压保护电路，可确保电池的充电过程安全可靠。
文档编号H02J7/02GK1700558SQ200410022608
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月18日 优先权日2004年5月18日
发明者张建华, 张金涛 申请人:比亚迪股份有限公司