电池智能充电方法
【专利摘要】本发明是一种电池智能充电方法，可用于解决远距离电池供电系统的充电，延长电池供电系统的适用距离，保障系统的输入电源稳定。同时本发明可以减少系统对于电池充电的管理负担。本发明的主要优点：精准的恒定小电流控制，减小了大电流充电对电池的伤害，抑制了远距离传输下的电压纹波，有利于系统输入电源的稳定，提升了相同输入电压下充电线缆的距离范围；宽泛的输入电压范围使此充电系统的适用范围更广。其自动的充电逻辑控制，免去了系统对于电池的管理负担，有效的节省了系统资源。
【专利说明】电池智能充电方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种电池智能充电方法，可应用于对各种远距离/近距离电池供电系统 进行充电的系统。
【背景技术】
[0002] 对于电子系统来说，电源供电，从来都是必不可少的。一个系统的稳定与否，电源 起到决定性的作用。越是精密的系统，对稳定性的要求将越高，对电源的要求也将越高。
[0003] 电源电力输送，目前存在着诸多的限制。近距离的系统供电，精度、电压稳定度都 不成问题。但对于远距离供电，问题也就随之而来了。纹波过高，电压不稳，线上损耗而导 致传输距离不能太长，这些都给系统带来了极大的使用限制。为了得到稳定的电源，使用电 池供电是一个不错的选择。从经济性的角度来说，一次性电池不存在重复利用的价值。而 使用可充电电池的话，对电池的管理就变的尤为重要。一个可充电电池的使用寿命，最主要 受充电电流影响，同时充电电流过大，电流不稳定，过充，欠充，是电池使用时最应考虑的因 素。
[0004] 针对上面的问题，本充电管理系统设计了精准的恒定充电电流、智能的充电开启 关闭控制等功能，基于这些功能我们可以很好的解决上面的问题。
[0005] 本发明是一种应用于远距离系统供电时的电池智能充电方法，旨在延长充电系统 的适用距离，使得远距离供电系统可以获得稳定的充电电流；同时也提供一种自动的充电 控制电路，减轻系统对于充电的逻辑控制负担。
【发明内容】
[0006] 本发明通过精准恒定的充电电流，避免了大电流充电带来的诸多不良和不稳定因 素，给电池提供了良好的使用保障，并利用低输入电流，达到在相同的输入电压下，充电线 缆的距离可以更长。
[0007] 同时，我们通过智能充电控制模块，直接检测电池的电压，当电压低于充电开始阀 值电压时自动充电。当检测到电池电压达到充满阀值电压时，将自动关闭充电路径。这样 就能有效的防止过充的现象发生。通过这一机制，可以免去系统对电池充电管理的额外负 担，节省系统资源。
[0008] 本发明是一种电池智能充电方法，其特性在于包括以下模块： 低压差稳压器，开关电路，恒流电路及电压检测反馈控制电路。
[0009] 所述的电池智能充电方法，其特征在于其输入端使用了一个宽输入电压范围的低 压差稳压器。
[0010] 所述的电池智能充电方法，其特征在于：通过LD0及电压基准源来实现恒流电路。 其恒定电流可以通过更换限流电阻来调整，其可控范围在（5mA~500mA)之间，精度范围为 ±5%。使用LD0及电压基准源来搭建电路能有效地抑制了系统的温飘问题。
[0011] 所述的电池智能充电方法，其特征在于：通过检测电池的电压值，判断是否达到充 电开始或结束的阀值电压，将检测结果反馈给逻辑控制系统，从而自动的对恒流充电进行 开关控制。此自动控制有效的保证了电池的正常工作电压范围，使其避免发生过压或者欠 压保护。
[0012] 本发明的主要优点：精准的恒定小电流控制，减小了大电流充电对电池的伤害，抑 制了远距离传输下的电压纹波，有利于系统输入电源的稳定，提升了相同输入电压下充电 线缆的距离范围；宽泛的输入电压范围使此充电系统的适用范围更广。其自动的充电逻辑 控制，免去了系统对于电池的管理负担，有效的节省了系统资源。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为系统应用简图。
[0014] 图2为恒流20mA的电池充电电路。
[0015] 图3为D触发器控制电路： 3-1充电停止输入信号； 3-2充电开启输入信号； 3-3输出打开或者关闭充电路径的控制信号。
[0016] 图4智能充电控制模块。
[0017] 图5触发器真值表 其中：Η表示高电平，L表示低电平，X表示不管什么状态，丨表示上升沿跳变。
【具体实施方式】
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合电路简图和流程 图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发 明，但并不作为对本发明的限定。
[0019] 图1为系统应用简图。用电池作为系统主供电电源，外部供电仅用于电池充电。 根据系统所需的平均耗电流，可以选择相对应的充电电流（在满足系统平均耗电流的情况 下，使用较耗电流稍大的小电流对电池进行充电）。由于输入电源只用于电池充电，所以小 的充电电流意味着小的输入电流。由欧姆定律U=IR可知，在线缆自身电阻R-定的情况 下，输入电流I越小，线缆上所消耗的电压U也就越小。从另外一个角度来说，当输入电压 一定时，输入电流越小，系统能耐受的线缆带入的阻值就可以越大。系统能适用于线损越大 的输入线缆上，也就意味着系统可以在离输入电源越远的环境下使用。
[0020] 另外，使用电池作为系统的主电源，而不使用远端供电作为系统主电源，是因为电 池供电稳定，可以瞬间提供大电流给系统。这样，即使系统瞬间需要抽取大电流时也能保证 系统电源的足够稳定。
[0021] 而对于一个电池来说,充电电流越大，电池的发热越大，电池的寿命也将越短。所 以我们使用小电流充电，虽然充电时间会更长，但对于远距离且没有人工维护的系统来说， 稳定性才是最重要的。良好的电池状态，对系统稳定起到至关重要的作用。
[0022] 对于整个智能充电控制系统来说，前端我们使用了一个低压差稳压器，它可适应 各种宽电压的输入情况，而相比较其它的电源输出方式来说（比如DC/DC电源)，它的最主要 优点是它的输出纹波小。纹波一直以来都是系统稳定一大难题。所以我们选择了一个纹波 小的低压差稳压器，这样就能很好的保障系统的稳定性，给恒流精度提供了良好的条件。
[0023] 图2为恒流20mA的电池充电电路. 使用另一个低压差稳压器（LM317)与精密电阻进行恒流限压（即图1中的恒流电路模 块)。低压差稳压器都是通过保持"电压调整脚ADJ"与输入的地极或者"电压输出脚OUT" 之间的电压不变，来达稳压输出的功能。LM317保持的是"ADJ"与"OUT"之间的电压恒定， (该电压我们称为 Reference voltage，LM317 的 Reference voltage 是 1.25V)。我们利用 该不变的Reference voltage，来进行恒流控制。如图，放置一个电阻R20在"ADJ"与"OUT" 之间，（电阻R9忽略不看。）这样，恒定不变的Reference voltage全部加载在R20身上，电 阻R20两端获得恒定不变的电压（1. 25V)，那么流过R20的电流I也就是恒定不变的。
[0024] 这里，我们放置的电阻R20为60. 4 Ω，由欧姆定律I=U/R可的，电流 1=1. 25/60. 4=20. 6mA。如果调整R20的阻值，可以达到不同的恒流输出值。由于恒流精度 的需要，R20可使用精度为1%。的电阻。
[0025] 后端使用U2 (电压基准源TL431)进行电压检测，N沟道M0S管Q2来进行限压控 制。前面我们通过LM317与精密电阻，得到恒流输出。这个恒流输出直接提供给电池充电 (即图中的VBAT信号)。然后，通过一个N沟道的M0S管Q3,我们来VBAT的电池电压。（对 于N沟道M0S管来说，当它的gate极，有电压时，它的D极和S极导通)。Q3的gate极，通 过电阻R11连接至前面的前端LD0的10V输出电压电源，也即当10V电源存在时，该M0S管 Q3的D极和S极一直处于导通状态，我们可以把Q3的D极和S极相当短接看待，也即VBAT 可看成直接作用在电阻R14上面。然后电池电压被电阻R14和R13分压，随着电池电压上 升，电阻R13通过分压得到的电压也随之上升。而当电阻R13上面的电压达到了电压基准 源U2的阈值时，电压基准源U2将导通。作为一个电压基准源，当它的基准电压（Ref脚上 电压）达到它的阈值时，它的阳极（A极）和阴极（C极）就会导通。即如图U2的与R13相 连的Ref脚，达到电压阈值(我们使用的TL431，他的电压阈值是2. 5V)，U2的另外两极A极 和C极就会导通，而由于U2的A极与系统的地相连，导通就相当于C极也就变成了低电压 了。这样，与U2的C极相连的M0S管Q4,它的脚1就会得到一个低电压，而Q4是一个P沟 道的M0S管，当它的gate极(脚1)若为低电平时，它的D极与S极就会导通。也就是说Q4 的脚2与脚3将导通。这样，Q4的脚3就获得高电平，即信号FP0WER为高电平，而通过电 阻R10与Q2的脚1相连，Q2是N沟道M0S管，它的脚1为gate极。当N沟道的M0S管的 gate极获得高电平时，它的D极和S极将导通。由此，Q2的脚1 (gate极）获得高电平，他 的脚2与脚3导通后，Q2的脚3就变成了低电平了。而Q3的脚3与我们前面讲的低压差 稳压器LM317 (U1)相连，这样，LM317的ADJ被强制拉成低电平了。而LM317的ADJ与OUT 之间的电压是恒定不变的1. 25V，那么，就会把LM317的OUT脚给强制拉成1. 25V 了，1. 25V 低于后端的VBAT电压则D8无法导通，从而保证了 LM317不会在电池电压充满后继续输出 高电压。
[0026] 与此同时，我们刚刚获得到一个FP0WER信号，将作为一个"满电信号"用于后级的 充电开启关闭控制。
[0027] 图3为控制充电开关的逻辑电路 此控制电路主要基于D触发器的逻辑关系来设计的。
[0028] D触发器，是由输入脚--PR、--CLR、CP、D的不同状态组合，来控制输出脚Q 与--Q的不同输出。我们可以从它的真值表（图5)中看出他的作用。
[0029] 我们主要利用到D触发器的两个状态：①、当一一PR为低电平，--CLR为高电 平时，不管CP与D处于什么状态，输出脚Q都将输出高电平。②、当--PR和--CLR都为 高电平时，输入脚D处于"1状态"，也即低电平状态时，CP若出现上升沿跳变，输出脚Q就 将输出低电平。
[0030] 我们将D触发器的输入信号D，连接至地，让它一直处于低电平，输入信号--CLR 连接至VBAT，让它一直处于高电平。这样，当电池电压很低，需要对电池进行充电时，外围的 控制信号（即图中的3-2标示信号）将会把D触发器的--PR脚拉成低电平。结合前面我 们讲到的①，--PR脚被拉成低电平，那么D触发器将在输出脚Q上输出一个高电平，这 个高电平将用于打开充电开关，结合图2来说即+10V_C0NTR0L信号为10V输入电压。当 电池充满电后，我们前面在图2的说明部分有提到过的满电信号FP0WER，将通过一些状态 转换开关，来提供给（D触发器的输入脚)CP -个上升沿跳变信号。而此时，D触发器的-- CLR处于高电平状态，CP的跳变将使得D触发器的输出脚Q输出一个低电平信号。这个信 号将会把充电路径断开，也即+10V_C0NTR0L电压为0V，从而结束充电。
[0031] 在电池需要开始充电，和充满需要结束充电的两种状态，都是通过D触发器的输 出脚Q输出一个控制信号，"开始充电控制信号"是一个高电平信号，"充电停止控制信号" 是一个低电平。这个信号作为一个电源开关管的控制信号，此控制信号为高时，电源开关管 打开，从而+10V_C0NTR0L的电压为10V，开启充电。控制信号为低时，电源开关管关闭，从 而+10V_C0NTR0L的电压为0V，结束充电。
[0032] 以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明 的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种电池智能充电方法，其特性在于包括以下模块： 低压差稳压器，开关电路，恒流电路及电压检测反馈控制电路。
2. 根据权利要求1所述的电池智能充电方法，其特征在于其输入端使用了一个宽输入 电压范围的低压差稳压器。
3. 根据权利要求1所述的电池智能充电方法，其特征在于：通过LDO及电压基准源来 实现恒流电路； 其恒定电流可以通过更换限流电阻来调整，其可控范围在（5mA~500mA)之间，精度范 围为±5%; 使用LDO及电压基准源来搭建电路能有效地抑制了系统的温飘问题。
4. 根据权利要求1所述的电池智能充电方法，其特征在于：通过检测电池的电压值，判 断是否达到充电开始或结束的阀值电压，将检测结果反馈给逻辑控制系统，从而自动的对 恒流充电进行开关控制； 此自动控制有效的保证了电池的正常工作电压范围，使其避免发生过压或者欠压保 护。
【文档编号】H02J7/00GK104218622SQ201310208203
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2013年5月30日
【发明者】董德福, 华国富, 封梅全 申请人:德信无线通讯科技（北京）有限公司