电池充电电路及具有其的DC-DC变换器的制作方法

电池充电电路及具有其的dc-dc变换器
技术领域
1.本实用新型涉及电池充电技术领域，尤其是涉及一种电池充电电路及具有其的dc-dc变换器。


背景技术：

2.如图1所示为锂电池的恒流恒压充电过程，充电过程中，先以恒定电流进行恒流充电，当充电电压达到预定值时，则转为恒压充电；在恒压充电过程中，充电电流会逐渐减小，当充电电流下降到预定值时，电池完全充满。在锂电池的充电过程中，为了实现恒流和恒压充电，一般都是对充放电的电流进行调节控制，通过调节充电电流来保持恒流和恒压。
3.在现有技术中，为电池充电的dc-dc变换器一般采用的都是boost、buck、boost-buck等拓扑电路，如图2所示为常见的一种boost拓扑电路。这些拓扑电路，一般都是采用电压源来提供充电电流；然而，在电池的充电过程中，无论是恒流充电还是恒压充电阶段，本质都是通过调节充电电流来实现恒流和恒压的，而采用电压源作为输入，对充电电流的控制不够直接，调节速度不够快。
4.此外，现有的拓扑电路，在调节充电电压时需要一定的恢复时间，存在响应速度不够快的问题。如图2所示出的boost拓扑电路，该电路想要输出电压升高时，需要增大开关管s3的导通时间，但是在第一个周期时，由于s3的导通时间增加，s4的导通时间反而减小，输出电压反而减小，需要一定的时间才能恢复到稳态电压。为了避开这种boost拓扑电路的非最小相位特性对系统稳定性的影响，一般的方法是设计系统闭环带宽使其远远小于右半平面零点的转折频率，但这无疑是以牺牲了系统动态响应的快速性为代价的。而在电池充电过程中，由于电池电压一直在变化，所以要保持恒压充电的话，就需要系统具有比较快的响应速度。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出了一种电池充电电路，响应速度较快，能够有效实现对电池的恒流恒压充电。
6.本实用新型还提出了一种具有上述电池充电电路的dc-dc变换器。
7.第一方面，根据本实用新型实施例的电池充电电路，包括受控电流源、第一开关模块、第二开关模块和控制模块；所述第一开关模块的第一端与所述受控电流源的输出端电性连接，所述第一开关模块的第二端与电池的正极端电性连接；所述第二开关模块的第一端分别与所述电池的负极端和所述受控电流源的输入端电性连接，所述第二开关模块的第二端与所述受控电流源的输出端电性连接；所述控制模块用于采集所述第一开关模块的第二端与所述第二开关模块的第一端之间的第一电压，并根据所述第一电压控制所述第一开关模块和所述第二开关模块的导通和断开，从而对所述受控电流源的输出电流进行斩波控制，以实现对所述电池的恒压充电。
8.根据本实用新型实施例的电池充电电路，至少具有如下有益效果：通过采用受控
电流源来提供充电电流，通过控制模块来控制第一开关模块和第二开关模块的导通时间，进而实现对电池的恒流恒压充电；整个电路的响应速度较快，充电电流直接受控、易于调节，充电电流的精度更高，不易出现过充的情况。
9.根据本实用新型的一些实施例，所述第一开关模块包括第一开关管，所述第二开关模块包括第二开关管。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述第一开关管和/或所述第二开关管采用mos管。
11.根据本实用新型的一些实施例，还包括滤波单元，所述滤波单元设置于所述第一开关模块及所述第二开关模块两者与所述电池之间。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述滤波单元包括第一电容和第一电感，所述第一电容的一端与所述第一开关模块的第二端电性连接，所述第一电容的另一端分别与所述电池的负极端和所述第二开关模块的第一端电性连接；所述第一电感的一端与所述第一电容的一端电性连接，所述第一电感的另一端与所述电池的正极端电性连接。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述滤波单元采用π型滤波器。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述控制模块包括滞环比较器和驱动单元，所述滞环比较器的正向输入端连接所述第一电压，所述滞环比较器的反向输入端连接参考电压；所述驱动单元的输入端与所述滞环比较器的输出端电性连接，所述驱动单元的输出端分别与所述第一开关模块的受控端和所述第二开关模块的受控端电性连接。
15.根据本实用新型的一些实施例，还包括电流源生成模块，所述电流源生成模块用于生成所述受控电流源。
16.根据本实用新型的一些实施例，所述电流源生成模块采用三电平buck电路或全桥拓扑电路。
17.第二方面，根据本实用新型实施例的dc-dc变换器，包括如本实用新型上述第一方面实施例的电池充电电路。
18.根据本实用新型实施例的dc-dc变换器，至少具有如下有益效果：通过采用上述的电池充电电路，响应速度较快，充电电流直接受控、易于调节，充电电流的精度更高，不易出现过充的情况，能够有效实现对电池的恒流恒压充电。
19.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
20.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
21.图1为锂电池充电过程的原理示意图；
22.图2为现有技术的boost拓扑电路的电路原理图；
23.图3为本实用新型实施例的电池充电电路的电路原理示意图；
24.图4为图3示出的电池充电电路在第一开关模块导通时的电路原理示意图；
25.图5为图3示出的电池充电电路在第二开关模块导通时的电路原理示意图；
26.图6为本实用新型第一种实施例的电池充电电路的具体电路原理图；
27.图7为本实用新型第二种实施例的电池充电电路的具体电路原理图；
28.图8为图7示出的电池充电电路在恒压充电过程中的工作原理示意图；
29.图9为图7示出的电池充电电路在恒压充电过程中的充电电压和充电电流的波形变化示意图；
30.图10为本实用新型实施例的三电平buck电路的电路原理图；
31.图11为本实用新型实施例的全桥拓扑电路的电路原理图；
32.附图标记：
33.第一开关模块100、第二开关模块200、开关模块300、滤波单元400。
具体实施方式
34.本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
35.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
36.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
37.第一方面，参照图3至图7，根据本实用新型实施例的电池充电电路，包括受控电流源、第一开关模块100、第二开关模块200和控制模块300；其中，第一开关模块100的第一端与受控电流源的输出端电性连接，第一开关模块100的第二端与电池的正极端电性连接；第二开关模块200的第一端分别与电池的负极端和受控电流源的输入端电性连接，第二开关模块200的第二端与受控电流源的输出端电性连接；控制模块300用于采集第一开关模块100的第二端与第二开关模块200的第一端之间的第一电压uo，并根据第一电压uo控制第一开关模块100及第二开关模块200的导通和断开，从而对受控电流源的输出电流进行斩波控制，以实现对电池的恒压充电。
38.根据本实用新型实施例的电池充电电路，采用受控电流源来提供充电电流；如图3至图5所示，在恒流充电过程中，只需闭合第一开关模块100，并断开第二开关模块200，受控电流源即可为电池提供恒定的充电电流，实现恒流充电；在恒流充电过程中，充电电压持续上升，当充电电压到达预定值时，转为恒压充电；在恒压充电过程中，如图7至图9所示，预先设定上限电压值ua和下限电压值ub，控制模块300采集第一电压uo，当第一电压uo上升到上限电压值ua时，控制模块300控制第一开关模块100断开、第二开关模块200导通，此时受控电流源所提供的电流不经过电池，不对电池进行充电，第一电压uo逐渐下降；当第一电压uo下降到下限电压值ub时，控制模块300控制第一开关模块100导通、第二开关模块200断开，受控电流源继续对电池充电，使第一电压uo逐渐上升至ua，再切换第一开关模块100和第二开关模块200的状态，使第一电压uo重新下降至ub；持续重复上述过程，直至完成对电池的
充电。在对电池进行恒压充电的过程中，通过不断切换第一开关模块100和第二开关模块200的导通状态，从而控制充电电流的脉冲，进而控制电池的平均充电电流，最终实现电池的平均充电电压保持不变；即通过对受控电流源的输出电流进行斩波控制，从而实现对电池的恒压充电。如图8和图9所示，在恒压充电过程中，随着充电进程的进行，电池被充入越来越多的电量，电池的电压越来越高，与充电电压的压差就越小，能充入的电流也就越小；第一开关模块100的导通时间逐渐减小，第二开关模块200的导通时间逐渐增加，平均充电电流逐渐减小，电池充电电流也逐渐减小，直至电池充满电；整个阶段一直保持着锂电池的恒压充电。其中，在恒压充电过程中，充电电压会有很微小的波动，但在图9中将充电电压的波形以直线表示。
39.由此可见，根据本实用新型实施例的电池充电电路，通过采用受控电流源来提供充电电流，通过控制模块300来控制第一开关模块100和第二开关模块200的导通时间，进而实现对电池的恒流恒压充电；整个电路的响应速度较快，充电电流直接受控、易于调节，充电电流的精度更高，不易出现过充的情况，而且整个电路的结构和控制方法均较为简单可靠。
40.需要说明的是，关于上限电压值ua和下限电压值ub的具体取值，本领域技术人员可以根据电池的充电电压进行合理选择。假设电池所需的充电电压为5v，则可以设定ua为5.05v，ub为4.95v；当然，ua和ub也可以是其它较为合理的取值。
41.如图6和图7所示，在本实用新型的一些实施例中，第一开关模块100包括第一开关管s1，第二开关模块200包括第二开关管s2。其中，第一开关管s1和第二开关管s2可以采用mos管，如si类mos管、gan类mos管等。可以理解的是，第一开关模块100和第二开关模块200也可以采用其它常见的开关元件，如继电器等，而不限于此。
42.如图6和图7所示，在本实用新型的一些实施例中，还包括滤波单元400，滤波单元400设置于第一开关模块100和第二开关模块200两者与电池之间。
43.具体地，如图6所示，滤波单元400包括第一电容c1和第一电感l1，第一电容c1的一端与第一开关模块100的第二端电性连接，第一电容c1的另一端分别与电池的负极端和第二开关模块200的第一端电性连接；第一电感l1的一端与第一电容c1的一端电性连接，第一电感l1的另一端与电池的正极端电性连接。第一电容c1和第一电感l1组成滤波单元400，对充电电流进行滤波，得到平滑的电流信号，再为电池充电。
44.或者，如图7所示，滤波单元400也可以采用π型滤波器。π型滤波器包括电容c2、电感l2和电容c3，电容c2的一端与第一开关模块100的第二端电性连接，电容c2的另一端分别与电池的负极端和第二开关模块200的第一端电性连接；电感l2的一端与电容c2的一端电性连接，电感l2的另一端分别与电池的正极端和电容c3的一端电性连接，电容c3的另一端分别与电池的负极端和电容c2的另一端电性连接。电容c2、电感l2和电容c3组成滤波单元400，对充电电流进行滤波，得到平滑的电流信号，再为电池充电。
45.可以理解的是，滤波单元400也可以采用其他常见的滤波回路，而不限于此。
46.如图7所示，在本实用新型的一些实施例中，控制模块300包括滞环比较器和驱动单元，滞环比较器的正极端连接第一电压uo，滞环比较器的负极端连接参考电压vref；驱动单元的输入端与滞环比较器的输出端电性连接，驱动单元的输出端分别与第一开关模块100的受控端和第二开关模块200的受控端电性连接。其中，驱动单元可以采用现有的igbt
模块或是常见的驱动芯片，用于控制第一开关模块100和第二开关模块200的导通时间。
47.如图8和图9所示，在恒压充电过程中，t0时刻第一电压uo下降到ub，此时滞环比较器的正向输入端连接的第一电压uo低于反向输入端连接的参考电压vref，滞环比较器输出高电平，驱动单元控制第一开关模块100导通，第二开关模块200断开，受控电流源为电池充电，第一电压uo上升。在t1时刻，滞环比较器的同向输入端的第一电压uo已经增加到等于反向输入端的参考电压vref，但是根据滞环比较器的特点，此时滞环比较器还将继续保持原来的状态；这种状态一直将维持到uo上升到ua时，即t2时刻，此时滞环比较器翻转，输出低电平，驱动单元控制第一开关模块100断开，第二开关模块200导通，受控电流源不对电池充电，充电电流下降，第一电压uo下降，这种状态将一直维持到t3时刻。随后重复循环上述过程，最终完成对锂电池的恒压充电过程。
48.如图10和图11所示，在本实用新型的一些实施例中，还包括电流源生成模块，电流源生成模块用于生成受控电流源。电流源生成模块可以采用三电平buck电路、全桥拓扑电路，或者是其它现有的开关电源电路。
49.如图10所示为三电平buck电路，生成受控电流源的原理如下：第一阶段，开关管s5和s7导通，开关管s6和s8关断，电压源通过开关管s5、电容c5、开关管s7和电感l4，电容c5上的电压vc上升，电感l4上的电流上升，输出电流上升；第二阶段，开关管s5和s6关断，开关管s7和s8导通，由于电容c5不能构成回路，所以电压vc保持不变，而电感l4上的电流则线性下降，输出电流下降；第三阶段，开关管s6和s8导通，开关管s5和s7关断，电容c5通过开关管s6向负载提供能量，电压vc下降，电感l4上的电流上升，输出电流上升；第四阶段，开关管s5和s6关断，开关管s7和s8导通，由于电容c5不能构成回路，所以电压vc保持不变，而电感l4上的电流线性下降，输出电流下降。通过增加开关管s5和s6的导通时间可以增加电流，减小s5、s6的导通时间可以减小电流，从而实现对受控电流源的充电和放电。
50.如图11所示为全桥拓扑电路，生成受控电流源的原理如下：当开关管s9和s12导通，开关管s10和s11关断时，变压器t1原边的电流从上往下流动，通过变压器t1的耦合，开关管s13和s16导通，开关管s14和s15断开，实现能量的整流，电感l5的电流上升，输出电流上升；当开关管s9、s10、s11和s12断开时，开关管s13、s14、s15和s16断开，电感l5的电流逐渐下降，输出电流下降；当开关管s9和s12断开，开关管s10和s11导通时，变压器t1的原边电流从下往上流动，通过变压器的耦合，开关管s13和s16断开，s14和s15导通实现能量的整流，电感l5的电流上升，输出电流上升；当开关管s9、s10、s11和s12关断时，开关管s13、s14、s15和s16关断，电感l5的电流逐渐下降，输出电流下降。通过增加开关管s9和s12或者开关管s10和s3的导通时间可以增加电流，减小开关管s9和s12或者开关管s10和s11的导通时间可以减小电流，从而实现对受控电流源的充电和放电。
51.第二方面，根据本实用新型实施例的dc-dc变换器，通过采用上述的电池充电电路，响应速度较快，充电电流直接受控、易于调节，充电电流的精度更高，不易出现过充的情况。
52.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“进一步实施例”、“一些具体实施例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
53.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。