一种充电电池及其充放电控制装置的制作方法

1.本发明属于电池技术领域，具体涉及一种锂离子充电电池及其充放电控制装置。


背景技术：

2.电池种类繁多，用量极大，而最常用的电池是5号(aa)电池和7号(aaa)电池。5号或7号电池又可分为一次性干电池和可充电电池，其中一次性干电池包括碳性电池和碱性电池等，碱性电池的特点是容量大且可大电流放电；5号或7号充电电池包括镍镉电池和镍氢电池等，镍镉电池已逐渐被镍氢电池所替代。碱性等干电池的标称电压为1.5v，可用于几乎所有以电池为能量来源的电子产品，但输出电压在使用过程中会随着电池放电而逐渐下降，对工作电压要求较高的电子产品，当电池电压下降到1.2v或更低时，虽然电池还有剩余电量但也无法继续使用，且这类电池最大的问题是不能充电重复使用。5号或7号镍氢充电电池等虽然可以充电重复使用，但由于充满电后的标称电压只能达到1.2v，因此不能用于对工作电压要求较高的电子产品，且这类电池的充电时间较长，一般需要8～12小时的充电时间，对使用也不够方便。
3.目前有公司开发了一种新型的5号或7号充电电池，该电池采用标称电压为3.7v的可充电锂离子电芯，结合智能充放电及降压控制电路，实现了1.5v恒压输出和快充，但实测表明，目前这种新型电池的放电电流在超过约1000ma时，输出电压将急剧下降甚至没有电压输出，这就无法用于需要提供大电流供电的电子产品中。针对最常用的5号和7号电池，能否提出一种创新技术，使其不但具有大容量、1.5v恒压输出、大电流放电的特点，而且具有可充电重复使用和快速充电的特点呢？
4.本发明正是基于上述问题提出了一种创新的充电电池及其充放电控制装置。采用本发明所述技术方案的5号或7号电池，兼具碱性电池、镍氢电池和锂离子电池的优点，而克服了前述三种电池各自的不足，具有大容量、1.5v恒压输出、大电流放电、可快充重复使用、重量轻、环保等优势特点，而且控制电路静态功耗低并具有多重保护功能。因此本发明有望替代现有5号、7号电池，有很好的实际应用价值。


技术实现要素：

5.基于上述情况，本发明提供一种充电电池及其充放电控制装置。
6.所述充电电池及其充放电控制装置如附图1，包括电池壳体5、锂离子电芯3及控制电路等，其中控制电路包括逻辑控制单元1、充电单元2、电压转换单元4、开关k1、开关k2。控制电路安装在印刷电路板(pcb)上，并与锂离子电芯电气相连后组装在5号或7号电池的壳体内。电池壳体5上有v 和v-两个电池电极，v 为电池正极1.5v输出与充电输入的共用端子，v-为电池负极。将控制电路设计安装在pcb上并与锂离子电芯一并组装在电池壳体内，本领域的普通技术人员对此应该理解，故不作为本发明的要点进行累述。
7.电池电极v-与控制电路的地和锂离子电芯的负极32相连，电池电极v 与开关k1的输入端k11、开关k2的输出端k21和逻辑控制单元1的输入端11相连；开关k1的输出端k12与
充电单元2的输入端21相连，开关k1的控制端k13与逻辑控制单元1的输出端13相连；开关k2的输入端k22与电压转换单元4的输出端42相连，开关k2的控制端k23与逻辑控制单元1的输出端14相连；锂离子电芯3的正极31与逻辑控制单元1的输入端12、充电单元2的输出端22、电压转换单元4的输入端41相连。
8.锂离子电芯3为单节锂离子电芯，标称电压为3.7v，充电终止电压为4.2v，放电截止电压为2.8v；电压转换单元4的输入电压大于特定的数值时开启工作，并可在锂离子电芯3的电压变化范围内输出稳定的1.5v电压，小于特定的数值时电压转换单元停止工作，输出电压为零；充电单元2在输入外加的充电电压时对锂离子电芯3进行充电，一般地，充电单元2具有恒流充电、恒压充电、过充保护、过热保护、充电指示等锂离子电池充电管理功能；逻辑控制单元1对锂离子电芯3的正极电压和电池电极v 电压进行大小比较，并输出逻辑控制信号控制开关k1和开关k2的通断。当锂离子电芯3的正极电压大于电池电极v 电压时，逻辑控制单元1输出控制信号使开关k2闭合，开关k1断开，锂离子电芯3的电压经电压转换单元4降压至1.5v并经开关k2输出到电池电极v 端，此时本发明所述电池可作为能源为电子产品提供稳定的1.5v电压；当通过电池电极v 端输入外加的充电电压时，由于外加的充电电压大于锂离子电芯3的正极电压，逻辑控制单元1输出控制信号使开关k2断开，开关k1闭合，此时电池电极v 端输入的外加充电电压经开关k1、充电单元2对锂离子电芯3进行充电，当锂离子电芯3充电满时，充电单元2停止充电。特别地，通过选择锂离子电芯的容量，可得到大容量的5号或7号电池(以1000毫安时的锂离子电芯为例，电池容量可达3700毫瓦时)；通过设置充电单元2的充电电流，可实现快速充电(以500毫安的充电电流为例，1000毫安时的锂离子电芯充满电仅约2小时)；通过选择电压转换单元4和开关k2的电流参数，电池可持续输出2安培以上的大电流。由此可见，本发明所述电池的电极v 端既可以为内部电芯输入充电电压，也可以输出1.5v电压，且本发明所述电池具有恒压大电流输出、快充重复使用、大容量等性能特点。
9.本发明的有益效果：本发明所提供的一种充电电池及其充放电控制装置，解决了现有5号或7号电池要么输出电压不恒定且不能充电重复使用，要么输出电压偏低且充电时间长，要么不能持续提供大电流输出的问题。且基于本发明所述技术方案的5号或7号电池，具有重量轻、环保、多重安全保护、静态功耗低等优点。因此本发明可以作为一种性能更优的5号或7号电池广泛用于以电池为能量来源的各种电子产品，具有很好的技术价值和实用价值。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1本发明所述充电电池及其充放电控制装置
12.图2本发明所述充电电池及其充放电控制装置的实施例
具体实施方式
13.本发明所述充电电池及其充放电控制装置的实施例如图2，包括电池壳体、单节锂离子电芯bt及控制电路等。其中锂离子电芯bt的容量850毫安时，标称电压为3.7v，充电终止电压为4.2v，放电截止电压为2.8v；控制电路包括作为逻辑控制的电压比较器u1、充电单元u2、电压转换单元u3及作为电子开关的mos管t1和mos管t2。控制电路安装在印刷电路板(pcb)上，并与锂离子电芯电气连接后组装在5号或7号电池的壳体内。电池壳体上有v 和v-两个电池电极，v 为电池正极1.5v输出与5v充电输入的共用端子，v-为电池负极。
14.电池电极v-与控制电路的地和锂离子电芯的负极相连，电池电极v 与mos管t1的源极s1、mos管t2的漏极d2和电压比较器u1的负输入端相连；mos管t1的漏极与充电单元u2的电源输入端vcc相连；mos管t2的源极s2与电压转换单元u3的电压输出端v15相连；电压比较器u1的输出端vo与mos管t1的栅极g1和mos管t2的栅极g2相连；锂离子电芯bt的正极与电压比较器u1的正输入端和电源输入端vdd及充电单元u2的充电输出端vchg、电压转换单元u3的电源输入端vpp相连。
15.充电单元u2可选用单节锂离子电池充电管理芯片，本实施例选用mp26029，该芯片具有涓流、恒流、恒压充电及过充、过热保护和充电状态指示等功能，输入电压范围4.05v～6.05v，充电电流可设置(本实施例设置为950ma)，充电截止电压4.2v。电压转换单元u3可选用dc/dc电源芯片，本实施例选用mp2131，该芯片输入电压范围2.8v～5.5v，输出电压可设置(本实施例设置为1.5v)，输出电流可达4a，电压转换效率大于80％，静态功耗约19ua，具有输出短路保护功能。电压比较器u1可选用超低功耗、封装尺寸小的芯片，本实施例选用sgm8701。电压比较器u1、充电单元u2、电压转换单元u3也可以选用与前述功能相似的其他芯片型号，芯片使用方法及其外围元件的具体连接，遵照相应芯片的技术手册即可，本领域普通技术人员对此应易于理解，在此不一一列举并详述。
16.通常情况，电压比较器u1的正端电压(即锂离子电芯电压)大于负端电压(即电池正极v 电压)，电压比较器u1的输出端vo为高电平，使mos管t2导通，mos管t1截止，锂离子电芯电压经电压转换单元4(dc/dc电源芯片)降至1.5v，并经mos管t2输出到电池电极v 端，此时本发明所述电池可为电子产品提供能源。由于dc/dc电源芯片的稳压作用及高达4a的持续电流负载能力，尽管在使用过程中随着锂离子电芯的放电，其电压从满充时的4.2v将逐渐下降到2.8v，但电池电极v 端仍保持1.5v的恒定电压输出。当锂离子电芯放电到低于dc/dc电源芯片的最低工作电压2.8v时，电池电极v 端不再有电压输出，需对电池充电。充电时，电池电极v 端输入5v充电电压(用输出电压4.5v～5.5v、输出电流1a的普通充电适配器即可)，此时由于电压比较器u1的正端电压(即锂离子电芯电压，最高4.2v)大于负端电压(即电池正极v 端输入的充电电压，最低4.5v)，电压比较器u1的输出端vo为低电平，使mos管t2截止，mos管t1导通，从而电池电极v 端输入的充电电压经mos管t1施加到充电单元u2(充电管理芯片)的电源输入端vcc，对锂离子电芯进行充电，当锂离子电芯充电满时，充电管理芯片停止充电。由于本实施例的锂离子电芯容量为850mah，充电电流设置为950ma，因此电池从放电截止电压到充满电所需时间不到1小时。
17.本领域的普通技术人员应该理解，本发明所述技术方案中的控制电路，不限于实施例中所列举的元器件规格型号，也不限于采用现有成熟的元件或芯片，鉴于5号和7号电池巨大的使用量，也可以将其中部分或全部功能单元集成在一个专门设计的新芯片中，甚
至本发明所述技术方案还可以用于5号或7号以外其他外形形态的电池产品。
18.本发明所述充电电池及其充放电控制装置，提供了一种具有1.5v恒压大电流输出、可快充重复使用、容量大、重量轻、安全、环保等性能特点的电池技术方案，解决了现有5号或7号电池要么输出电压不恒定且不能充电重复使用，要么输出电压偏低且充电时间长，要么不能持续提供大电流输出的问题。因此本发明可以作为一种性能优异的5号或7号电池广泛用于以电池为能量来源的各种电子产品，具有很好的技术价值和实用价值。