一种可用于电池组的充电器的制作方法

本发明涉及充电器领域，更具体地涉及可用于电池组的充电器结构。

背景技术：

目前，诸如锂离子电池等可充电电池已经广泛应用于各个领域，诸如便携电子设备、电动车辆等等。常见的可充电电池的充电包括三种模式：当电池电压低于某一低值VL时，充电电流恒定地保持在某一低值（诸如0.1C）下，以防止电池因过热而受到损害，即所谓“恒定涓流电流模式”；当电池电压高于低值VL但低于高值VH时，充电电流恒定地保持在某一较高值（诸如0.1-1C）下，以缩短充电时间，即所谓“恒定大电流模式”；当电池电压升高至高值VH时，充电电流将下降至截止值（0.02-0.07C），此时充电过程结束，即所谓“恒定电压模式”。

目前很多充电器的电路设计可以提供恒定的输出电源电压，但是由于其中使用功率MOSFET造成高的功率损耗，因此它们具有相对低的功率效率。为了改善功率效率，充电器电路的电源电压通过利用受控的电源电压电路与电池电压相适配。原则上，借助逻辑电路来实现充电模式控制器以获得高的精度、低的功耗和小的芯片尺寸。每种模式由响应的控制信号进行控制。因此，在过渡期间，当之前模式的一个控制信号从“On”变为“Off”，且下一模式的另一控制信号从“Off”变为“On”时，充电电流会发生尖峰现象。具体而言，如果在后一模式的控制信号变为On之前，控制前一模式的信号变为Off，则电流会在很短时间内突然变小，从而形成负尖峰。相反地，如果控制前一模式的信号变为Off是在后一模式的控制信号变为On之后，则电流会显著变大，从而形成正尖峰。这种尖峰电流现象的发生将对系统的操作及电池寿命造成不利的影响。

另外，对于包括多个电池（诸如N个）的电池组，电池组中的各个电池在经过一定的充放电循环后往往会表现出不同的电池特性，甚至这些电池的初始性能参数就存在不一致，电池组中各电池的性能特性的这种不一致性将严重影响电池组的输出稳定性和使用寿命等，诸如可能加速电池组的性能恶化。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种用于电池组的充电器，其可以包括充电电路、均衡控制电路以及外部减震结构。所述充电电路可被用于利用外部功率对电池组进行充电，且可以包括AC/DC变换器、充电模式控制器、参考电流发生器、充电电流控制器、电流传感器、误差放大器、电平转换电路、光学隔离器以及反激自激式变换器。所述均衡控制电路可被用于使得所述电池组中的各个电池在同一个放电过程中经历相同的放电深度。所述外部减震结构包括上壳体和下壳体，所述上壳体上设置有缓冲部，以便与设置于所述下壳体上的弹性部件相互抵接从而提供缓冲作用。

进一步地，所述充电模式控制器可被构造成根据电池电压Vbattery与两个预设电压值VH、VL的比较结果输出三个充电模式控制信号VTC、VLC和VCV，分别用于控制所述三种充电模式之一的触发，所述三种充电模式分别为恒定涓流电流模式、恒定大电流模式和恒定电压模式。所述三个充电模式控制信号VTC、VLC和VCV中的一个VCV保持恒定，且当所述电池电压Vbattery与所述预设电压值VH、VL的相对大小关系发生变化时，所述三个充电模式控制信号VTC、VLC和VCV中的剩余两个中的一个相应发生变化。此外，所述充电模式控制器还被构造成接收充电过程结束信号Vend，并且根据所述充电状态控制信号Vend以及所述电池电压Vbattery与所述两个预设电压值VH、VL的比较结果输出两个电流源控制信号Vs1和Vs2，用于控制选择与充电模式对应的电流源。

更进一步地，所述充电模式控制器可以包括两个比较器C1、C2以及两个逻辑电路I1、I2。其中，所述比较器C1、C2的反相输入端将分别连接所述恒定电压VH、VL，所述电池电压Vbattery连接至所述比较器C1、C2的同相输入端，所述比较器C1的输出端为所述控制信号Vcv的输出端。所述比较器C2的输出端为所述控制信号VLC的输出端，所述控制信号VTC的输出端连接一恒定电压。所述逻辑电路I1的两个输入端分别接收所述比较器C1的输出信号和所述充电过程结束信号Vend，输出端为所述电流源控制信号Vs1的输出端。所述逻辑电路I2的两个输入端分别接收所述比较器C2的输出信号和所述逻辑电路I1的输出信号，输出端为所述电流源控制信号Vs2的输出端。

进一步地，所述参考电流发生器可被构造成根据所述充电模式控制器输出的三个所述充电模式控制信号VTC、VLC和VCV，输出两个电流信号，即参考电流Ich-ref和截止电流Icut-off。其中，所述参考电流Ich-ref对应于所述充电模式控制信号所确定的充电模式，所述截止电流Icut-off用于生成所述充电过程结束信号Vend。

更进一步地，所述参考电流发生器可以包括多个恒定电流生成电路和多个可变电流生成电路。其中，所述多个恒定电流生成电路可以包括电流Iref生成电路、电流ILC生成电路、电流ITC生成电路和截止电流Icut-off生成电路。所述多个可变电流生成电路可以包括电流ILC生成电路和参考电流Ich-ref生成电路，其中所述电流ILC和所述参考电流Ich-ref的大小与所述控制信号VLC和VCV有关。具体地，所述电流Iref生成电路可以由运算放大器O1、MOSFET管M1及电阻器Rref构成，所述电流ILC生成电路、电流ITC生成电路和截止电流Icut-off生成电路可以为分别由MOSFET管M2、M3和M4构成的镜像电路。所述电流Ich-ref和电流ICV的生成电路可以为由所述控制信号VLC和VCV控制的多个MOSFET管构成，其被配置成使得，且在对应于所述恒定涓流电流模式的控制信号VLC和VCV下，ICV=0且Ich-ref=ITC；在对应于恒定大电流模式的控制信号VLC和VCV下，ICV=0且Ich-ref=ITC+ ILC；在对应于恒定电压模式的控制信号VLC和VCV下，ICV= ITC+ ILC且Ich-ref=0。

进一步地，所述充电电流控制器可被构造成根据所述电流源控制信号Vs1和Vs2、所述参考电流Ich-ref、以及所述电流传感器输出的感测电流Is，输出两个电流源选择信号Vg1和Vg2，用于选通相应的电流源；并且根据所述截止电流Icut-off以及所述感测电流Is输出所述充电过程结束信号Vend，用于控制充电过程的结束。

更进一步地，所述充电电流控制器可以包括电流源选择信号生成电路和充电过程结束信号生成电路。所述电流源选择信号生成电路可以包括跨导运算放大器OTA和由四个MOSFET管构成的传输门电路，其中所述跨导运算放大器OTA的输出端的信号Vg随着所述参考电流Ich-ref和所述感测电流Is的变化而改变，且输出端与所述传输门电路的最低电压电平相连接，所述传输门电路根据所述信号Vg、Vs1及Vs2生成两个电流源选择信号Vg1和Vg2。所述充电过程结束信号生成电路可以包括两个由MOSFET管构成的镜像电路，用于将所述感测电流Is与所述截止电流Icut-off进行比较以生成所述信号Vend。

进一步地，所述电流源可以包括两个功率晶体管Mp1和Mp2。其中，所述功率晶体管Mp1用于所述恒定涓流电流模式，所述功率晶体管Mp1和Mp2用于所述恒定大电流模式，所述功率晶体管Mp1和Mp2的漏极电压低于其源极电压。

进一步地，所述均衡控制电路可被构造成在利用外部功率对所述电池组进行充电之前，检测所述电池组中剩余电压最低的电池，并且利用所述电池组中其它电池提供的均衡电流对所述剩余电压最低的电池进行充电。

更进一步地，所述均衡控制电路中可以包括一个DC-DC变换器、MOSFET管及开关阵列。其中，所述电池组包括N个电池，所述开关阵列由N+1个固态继电器和一个单刀双掷开关构成，所述N个电池共用所述DC-DC变换器，且所述电池组的总输出电压作为所述DC-DC变换器的输入，所述DC-DC变换器的输出通过所述开关阵列连接所述电池。

附图说明

现在，将参考附图以示例的方式详细描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的充电器的充电电路的电路示意图；

图2是根据本发明的充电模式控制器的电路示意图；

图3是根据本发明的参考电流发生器的电路示意图；

图4是根据本发明的充电电流控制器的电路示意图；

图5是根据本发明的电流源和电流传感器的电路示意图；

图6是根据本发明的均衡控制电路的电路示意图；以及

图7是根据本发明的充电器的外部减震结构的示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种新型的充电器控制器设计方案，其中在过渡模式中，只需一个控制信号改变状态来实现充电模式的切换，使得在整个充电过程中，系统的操作更为稳定，充电电流更为平稳。

本发明的充电器主要包括充电电路和均衡控制电路，分别用于控制充电过程以及实现电池组各电池的状态均衡控制。

图1示出了根据本发明的充电电路的框架图，该充电电路包括AC/DC变换器、充电模式控制器、参考电流发生器、充电电流控制器、电流传感器、误差放大器、电平转换电路、光学隔离器以及反激自激式变换器等。其中，在本发明的充电电路中，将主要介绍充电模式控制器、参考电流发生器、充电电流控制器及电流传感器等，这些子电路将共同实现借助单个控制信号状态变化来切换充电模式的充电模式切换方式，而其他子电路可以采用本领域已知的方式实现，在此不再赘述。

本发明的充电模式切换方式的基本原理如下。通过将感测到的电池电压Vbattery与充电模式控制器中的两个参考电压VH和VL进行比较来确定操作模式。参考电流发生器生成参考电流Ich-ref和截止电流Icut-off，其中参考电流Ich-ref的大小将受到充电模式控制器输出的控制信号控制。在充电电流控制器中，参考电流Ich-ref和截止电流Icut-off分别与电流传感器输出的电流Is进行比较，并输出电压信号Vg1、Vg2和Vend，其中电压信号Vg1、Vg2用于控制并联的电流源Ich1和Ich2，电压信号Vend用于判断充电过程的结束。此外，充电模式控制器还将输出两个电压信号Vs1、Vs2，用于选择与充电模式相对应的电流源Ich1和Ich2。

本发明的充电模式控制器被构造成根据电池电压Vbattery与两个预设电压值VH、VL的比较结果输出三个充电模式控制信号VTC、VLC和VCV，分别用于控制“恒定涓流电流模式”（TC）、“恒定大电流模式”（LC）和“恒定电压模式”（CV）这三种充电模式之一的触发。其中，三个充电模式控制信号VTC、VLC和VCV中的一个VCV保持恒定，且当Vbattery与VH、VL的相对大小关系发生变化时，三个充电模式控制信号VTC、VLC和VCV中的剩余两个中的一个相应发生变化。例如，可以将控制信号VTC设置为保持恒定且为高电平H，当时，控制信号VLC和VCV均被示出为低电平L，此时，控制信号VTC、VLC和VCV将触发充电器进入涓流恒流充电模式；当时，控制信号VLC将被输出为高电平H，控制信号VCV仍被输出为低电平L，此时，控制信号VTC、VLC和VCV将触发充电器进入大电流恒流充电模式；当时，控制信号VLC和VCV将被输出为高电平H，此时，控制信号VTC、VLC和VCV将触发充电器进入恒压充电模式。

此外，该充电模式控制器还被构造成接收充电过程结束信号Vend，并且根据充电状态控制信号Vend以及电池电压Vbattery与两个预设电压值VH、VL的比较结果输出两个电流源控制信号Vs1和Vs2，用于控制选择与充电模式对应的电流源。

图2示出了根据本发明的充电模式控制器的一个示例性实施例。如图所示，充电模式控制器主要包括两个比较器C1、C2以及两个逻辑电路I1、I2。比较器C1、C2的反相输入端将分别连接预先设定的恒定电压VH、VL，电池电压Vbattery将被连接至比较器C1、C2的同相输入端。比较器C1的输出端为控制信号Vcv的输出端，比较器C2的输出端为控制信号VLC的输出端，控制信号VTC的输出端连接一恒定电压。逻辑电路I1的两个输入端分别接收比较器C1的输出信号和充电过程结束信号Vend，输出端为电流源控制信号Vs1的输出端。逻辑电路I2的两个输入端分别接收比较器C2的输出信号和逻辑电路I1的输出信号，输出端为电流源控制信号Vs2的输出端。

本发明的参考电流发生器被构造成根据充电模式控制器输出的三个充电模式控制信号VTC、VLC和VCV，输出两个电流信号，即参考电流Ich-ref和截止电流Icut-off，其中，参考电流Ich-ref对应于充电模式控制信号所确定的充电模式，截止电流Icut-off用于生成充电过程结束信号Vend。

图3示出了根据本发明的参考电流发生器的一个示例性实施例。如图所示，参考电流发生器包括多个恒定电流生成电路和多个可变电流生成电路。多个恒定电流生成电路包括电流Iref生成电路、电流ILC生成电路、电流ITC生成电路和截止电流Icut-off生成电路。多个可变电流生成电路包括电流ILC生成电路和参考电流Ich-ref生成电路，其中电流ILC和参考电流Ich-ref的大小与控制信号VLC和VCV有关。电流Iref生成电路由运算放大器O1、MOSFET管M1及电阻器Rref构成，用于设定恒定的电流值Iref。电流ILC生成电路、电流ITC生成电路和截止电流Icut-off生成电路为分别由MOSFET管M2、M3和M4构成的镜像电路，通过合适地选择MOSFET管M1、M2、M3和M4使得在电流Iref、ILC、ITC和Icut-off形成合适的比例，使得电流ILC、ITC和Icut-off分别为与LC、TC和充电过程结束模式相对应的恒定值。

如图所示，电流Ich-ref和电流ICV的生成电路为由控制信号VLC和VCV控制的多个MOSFET管构成，其被配置成使得，在对应于TC模式的控制信号VLC和VCV下，ICV=0且Ich-ref=ITC；在对应于LC模式的控制信号VLC和VCV下，ICV=0且Ich-ref=ITC+ ILC；在对应于CV模式的控制信号VLC和VCV下，ICV= ITC+ ILC且Ich-ref=0。即，在对应于不同充电模式的控制信号下，参考电流发生器输出不同的参考电流值Ich-ref。

本发明的充电电流控制器被构造成根据充电模式控制器输出的电流源控制信号Vs1和Vs2、参考电流发生器输出的参考电流Ich-ref、以及电流传感器输出的感测电流Is，输出两个电流源选择信号Vg1和Vg2，用于选通相应的电流源；并且根据参考电流发生器输出的截止电流Icut-off以及电流传感器输出的感测电流Is输出充电过程结束信号Vend，用于控制充电过程的结束。

图4示出了根据本发明的充电电流控制器的一个示例性实施例。如图所示，充电电流控制器包括电流源选择信号生成电路和充电过程结束信号生成电路。电流源选择信号生成电路包括跨导运算放大器OTA和由四个MOSFET管构成的传输门电路，其中跨导运算放大器OTA的输出端的信号Vg随着其输入端的两个电流Ich-ref和Is的变化而改变，且该输出端与传输门电路的最低电压电平相连接，该传输门电路根据信号Vg、Vs1及Vs2生成两个电流源选择信号Vg1和Vg2。充电过程结束信号生成电路包括两个由MOSFET管构成的镜像电路，其将感测电流Is与截止电流Icut-off进行比较以生成控制信号Vend。

本发明的电流源采用功率晶体管来对应不同充电模式生成不同的充电电流。例如，可以在TC模式下生成0.1C的充电电流，在LC模式下生成0.5C的充电电流，而在充电结束状态下输出的电流逐渐下降至截止电流，例如0.02C。图5示出了根据本发明的电流源和电流传感器的一个示例性实施例。如图所示，电流源包括两个功率晶体管Mp1和Mp2，其中功率晶体管Mp1用于TC模式，功率晶体管Mp1和Mp2用于LC模式。采用这种双功率晶体管的设计，可以满足在TC模式下输出低电流且在LC模式下输出足够高的电流，从而保证充电电池的使用寿命。其中，可以使功率晶体管Mp1和Mp2的漏极电压始终低于其源极电压，以便提高充电器的功率效率。电流传感器包括两个PMOS管，其用于感测来自功率晶体管Mp1和Mp2的电流。

本发明的均衡控制电路被构造成在利用外部功率对电池组进行充电之前，检测电池组中剩余电压最低的电池，并且利用电池组中其它电池提供的均衡电流对该剩余电压最低的电池进行充电。图6示出了根据本发明的均衡控制电路的一个示例性实施例。该均衡控制电路中包括一个DC-DC变换器、MOSFET管及开关阵列。其中，构成电池组的所有N个电池共用该DC-DC变换器，且电池组的总输出电压作为该DC-DC变换器的输入，变换器的输出通过开关阵列连接各个电池。开关阵列由N+1个固态继电器和一个单刀双掷开关构成。所述MOSFET管用于调节均衡电流。借助该均衡控制电路，电池组中各个电池的剩余电压均被检测，且与剩余电压最低的电池相对应的开关被导通，该电池被连接至变换器且受到充电。通过这种方式，可以使得电池组中各个电池在同一个放电过程中经历相同的放电深度，从而改善电池组中各个电池的一致性。

图7示出了根据本发明的充电器的外部减震结构。该减震结构包括上壳体和下壳体，其中上壳体上设置有缓冲部，以便与设置于下壳体上的弹性部件相互抵接从而提供缓冲作用。

如图所示，上壳体的侧壁111的下端设有厚度变小的凸耳112。缓冲部上形成有与凸耳112形状互补的开口部124，沿开口部124向下突出的突出部126，以及远离开口部124朝向外壳结构外侧延伸的延伸部125。其中，开口部124被用于与凸耳112形成过盈配合连接以便将缓冲部固定连接于上壳体上，突出部126用于与弹性部件抵接，延伸部125用于与下壳体的侧壁形成接触。

下壳体的侧壁上形成有用于容纳弹性部件的凹槽形结合部，用以诸如卡扣的方式将弹性部件固定容纳于其中。弹性部件包括具有彼此相对的第一端和第二端的平面段131。沿内侧方向，从平面段131的第一端上弯曲向上延伸形成弹性抵触部133。在外侧方向，从第二端向下弯折延伸形成卡扣部，用于插入卡扣在下壳体的凹槽形结合部中的相应插孔中以将弹性部件固定在下壳体上。

弹性部件和缓冲部可以由相同或不同的弹性材料制成，优选地，弹性部件的弹性要大于缓冲部的弹性。在装配状态下，弹性部件的抵触部133与上壳体的缓冲部的突出部126发生抵触，从而形成紧密密封，同时能够在水平和竖直方向上提供较好的缓冲作用。

在本发明所公开的充电器构造中，通过优化的充电电路设计消除了充电模式切换过程中可能出现的尖峰现象，提高了充电功率效率，使得充电电流更为平稳，操作更为稳定，有利于保证充电电池的使用寿命。此外，还通过均衡控制电路的设计，简单有效地实现了电池组中各个电池的状态在使用过程中均衡控制，保证了各个电池的性能参数的一致性，确保各个电池的退化速度一致以避免电池组的使用寿命因某一个电池快速退化而变短。

上述实施例仅是以举例的方式说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，其仍然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分特征进行等同替换，而这些修改或者等同替换，并不使得相应技术方案的本质脱离本发明实施例的技术方案的范围。