一种适用于串联电池组合的充放电实现方法与流程

1.本发明属于电池管理充电技术领域，具体的说是涉及一种适用于串联电池组合的充放电实现方法。


背景技术：

2.基于2s电池组合的充放电拓扑架构如图1(a)所示，适配器输出电源vac经过一个降压电感式dc-dc buck给系统电源vsys供电，同时通过batfet开关和1：2电荷泵cp给电池组充电，batfet开关可以起到调节充电电流作用，cp将batfet输出vbatl经过1：2升压后连接到电池。当适配器vac不在位时，电池组进入放电模式，batfet选择配置直通模式，电池电压经过2：1降压后给系统电源vsys供电。
3.电荷泵电路拓扑如图1(b)所示，主要由四个功率开关和一个fly电容组成，在充电模式下，phase1 qc2和qc4导通，vbatl对fly电容充电，phase2 qc1和qc3导通，fly电容对电池vbath放电；在放电模式下，phase1 qc1和qc3导通，电池vbath对fly电容充电，phase2 qc2和qc4导通，fly电容对输出vbatl放电。
4.2s电池组合充放电电路拓扑如图2(a)所示，qb0、qb1和电感lb组成buck结构，当双电池处于超低电量或者死电池状态时，vbath节点通常表现为很低的电压(e.g.vbath《2v)，此时系统关机，vbatl和vsys电压均处于下电状态。当适配器vac插入，vbatl电压被buck charger的充电环路充起来直至vbat cv状态(cv电压通常设计在4.4v左右)，在vbatl升压过程中由于电荷泵还没有缓启响应，因此batfet充电电流(快充过程batfet充电电流通常会达到4a量级)会通过qc1和qc2的体二极管进入到电池组，等到vbatl电压达到cv点后充电电流最终降到低电流状态。
5.在死电池状态下通常需要用涓流充电(涓流电流通常小于100ma)来激活电池，以此来达到提高电池安全性和延长电池寿命的目的，上述充电解决方案的缺点在于，电池死电池状态下可能会出现快充模式大电流。在插入适配器启动激活死电池的过程中，快充电流会通过两个功率管的体二极管进入到电池组，进而影响到电池的安全性和寿命。


技术实现要素：

6.本发明提出一种线性充电和电荷泵模式相结合的充电方案，在电池低压状态下采用线性充电模式来对电池进行涓流充电，与此同时，在batfet输出端增加下拉电流源来达到vbatl电压钳位的目的。当电池电压充到达到激活锂电池保护开关的电平后，系统判断退出线性充电机制，进入开关电容充电模式。
7.针对上述问题，本发明的技术方案是：
8.一种适用于串联电池组合的充放电实现方法，在适配器插入时采用线性充电和电荷泵充放电相结合的方式为串联电池组充放电；
9.所述采用线性充电的条件为，适配器插入后，检测电池组电压是否低于预设的第一阈值电压vth1，若是，则进入线性充电阶段，否则继续判断电池电压是否高于预设的第二
阈值电压vth2，若是，则进入电荷泵放电模式，否则进入电荷泵充电模式；
10.所述线性充电的实现方法是，在电荷泵的低压输出侧连接第一电流源，第一电流源由第一开关管控制，第一电流源的输出端接地，输入端通过第一开关管后接电荷泵的低压输出侧，第一电流源用于钳位，为下拉电流源；在电荷泵的高压输出侧连接第二电流源，第二电流源由第二开关管控制，第二电流源的输入端通过第二开关管接适配器电压，第二电流源的输出端接电荷泵的高压输出侧和串联电池组的正极，第二电流源为限流环路；当检测到电池组电压低于第一阈值电压vth1后，第一开关管和第二开关管导通，电荷泵的低压输出侧保持被下拉电流源钳位的状态，电池电压线性上升；
11.电荷泵充电的方式是，当电池组电压大于第一阈值电压vth1并小于第二阈值电压vth2时，退出线性充电模式并进入电荷泵充电模式，此时第一开关管保持导通，第二开关管断开，电荷泵进入软启动模式；当电荷泵软起动结束，第一开关管和第二开关管均断开，进入电荷泵充电模式；
12.电荷泵放电的方式是，当电池组电压大于第二阈值电压vth2或者适配器拔出时，进入电荷泵放电模式。
13.本发明的有益效果是：本发明提出线性充电和电荷泵模式相结合的充电方案，在电池低压状态下采用线性充电模式来对电池进行涓流充电，当电池电压充到达到激活锂电池保护开关的电平后，系统判断退出线性充电机制，进入开关电容充电模式，此种充电方案可以较好的解决死电池状态下可能出现的大电流问题，以此提高充电安全性和可靠性。
附图说明
14.图1为传统充放电拓扑架构，其中，(a)为2s电池组合的充放电拓扑架构，(b)为电荷泵电路拓扑；
15.图2为2s电池组合充放电电路，其中(a)为电路拓扑结构，(b)为电池耗电量状态充电i-v曲线；
16.图3为适配器电压vac、vbatl、vbath充电全流程电压波形示意图；
17.图4为本发明的线性充电实现方案；
18.图5为sink电流源和线性充电电路，其中，(a)为线性充电环路，(b)为sink电流环路；
19.图6为系统状态机示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
21.实施例
22.本例以基于两节串联电池组合的充放电方案对本发明进行说明，本例方法包括：适配器插入，系统判断进入充电模式，降压电感式dc-dc输出第一支路给系统pmic供电，第二支路通过batfet开关经过1：2电荷泵升压后给电池组充电，batfet所在的限流环路可以起到调节充电电流的作用；适配器拔出，电池电压满足一定的电压检测要求，系统判断进入放电模式，电池组经过2：1电荷泵降压后通过batfet开关给系统供电，batfet保持直通状态。
23.本例中，当系统检测到适配器插入且电池电压低于第一阈值电压时，状态机判断进入线性充电模式；当系统检测到适配器插入且电池电压高于第一阈值电压时，状态机判断进入电荷泵充电模式；当系统检测到电池电压高于第二阈值电压时，适配器插入时状态机判断为电荷泵充电模式，适配器拔出时状态机判断自动切换进入放电模式。
24.本例的线性充电模式实现：在电荷泵低压输出侧vbatl设计sink电流源来起到钳位的作用，电流源下拉能力需要高于前级charger涓流充电能力，下拉电流源开关阻抗设计需要满足vbatl钳位电压不高于2v；在电荷泵高压输入侧vbath设计线性限流环路给电池充电，限流环路可以从适配器vac取电。
25.本例中，电荷泵输入输出保持1：2转换比关系，电池充电电流等于二分之一batfet限流值。
26.充电全流程vac、vbatl、vbath电压波形如图3所示，适配器vac插入，当检测到电池电压vbath低于vth1时，状态机判断进入线性充电阶段，vbatl电压保持被下拉电流源钳位的状态，电池电压vbath线性上升；当电池电压vbath上升到高于vth1后，退出线性充电模式，进入电荷泵充电模式，电压vbath和vbatl保持2：1转换比，当电池电压vbath充到高于vth2后，电荷泵可以自动切入到放电模式。
27.线性充电的具体实施方案如图4所示，en_sink信号控制sink电流开启或者关闭，en_lnchg信号控制充电电流开启或者关闭；具体地，sink电流源和线性充电电路实现如图5所示，所述电流源可以由基准电流ib和电阻放大比例实现。
28.系统状态机如图6所示，状态机检测到适配器插入且电池电压vbath低于第一阈值电压vth1时，状态机判断进入线性充电模式，逻辑信号en_sink和en_lnchg被置高，当线性充电持续时间超过超时保护时间则系统上报time-out状态，停止充电；当电池电压被充到高于第一阈值电压vth1后，系统判断退出线性充电模式，逻辑信号en_sink保持置高状态，en_lnchg被置低，电荷泵进入软启动模式；当电荷泵软起动结束，逻辑信号en_sink和en_lnchg均被低，进入电荷泵充电模式；当电池电压vbath被充到高于第二阈值电压vth2时，适配器vac拔出后系统自动判断进入放电模式；在电荷泵放电模式下当出现过载或者输出短路等异常情况时，触发系统保护，电荷泵功率级被关断，系统进入等待状态，等待计时器记满后再重新启动状态机检测。
29.需要说明的是，本发明的方案不限于两节电池组，只要电荷泵满足n:1转换比关系，同样适用于n级电池组。