CN101572425A - 一种升降压可调快速充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在12V直流车载电源下升降压可调快速充电器，12V车载电源分别连接电源电压检测电路、电源转换电路、功率开关驱动模块和升降压可调控制电路；电源转换电路的输出连接功率开关驱动模块；微处理器分别外接电源电压检测电路的输出、充电模式设置模块的输出、电压电流检测电路的输出以及功率开关驱动模块的输入；功率开关驱动模块的输出依次连接升降压可调控制电路、电池以及电压电流检测电路的输入。本发明集升降压功能于一体，在12V固定输入电源条件下自动转换升降压模式，并调节充电电流，实现对不同电压要求的电池的分阶段充电，电路简单，控制方便，满足0～20V的各种电池的充电要求，从而解决了人们自驾车旅途中的充电问题。

Description

一种升降压可调快速充电器
技术领域
本发明涉及快速充电器，尤其涉及在12V直流车载电源下，可进行升降压可调的快速充电器。
背景技术
在自驾车旅游中，存在对各种电池的充电问题。首先，在自驾车上没有外部电源，通常所用的在输入端要接上220V市电的充电器无法使用，因此无法利用车载12V电源实现各种电池充电的充电器。其次，各种电池的规格要求不一样，有的需高于12V车载电源的充电电压，有的却需低于12V的充电电压，还有的两种充电电压都需要。目前市场上出现的输出电压可调型充电器的缺陷是：有的是输出可调电压高于输入电压的升压型充电器，有的是输出可调电压低于输入电压的降压型充电器，没有集升、降压于一体的可调型充电器，无法满足多种充电电压的要求。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术问题，针对各种电池不同充电电压的要求，提供了一种集升、降压于一体的可调型快速充电器，可在自驾车上只有12V直流车载电源的条件下，为0~20V的各种电池提供能量利用率较高的直流充电器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：12V车载电源分别连接电源电压检测电路、电源转换电路、功率开关驱动模块和升降压可调控制电路；电源转换电路的输出连接功率开关驱动模块；微处理器分别外接电源电压检测电路的输出、充电模式设置模块的输出、电压电流检测电路的输出以及功率开关驱动模块的输入；功率开关驱动模块的输出依次连接升降压可调控制电路、电池以及电压电流检测电路的输入。
本发明的有益效果是：
1、本发明集升降压功能于一体，在12V固定输入电源条件下，自动转换升降压模式，并调节充电电流，实现对不同电压要求的电池的分阶段充电，电路简单，控制方便；满足0～20V的各种电池的充电要求，从而解决了人们自驾车旅途中的充电问题。
2、可用于检测电池周围环境温度，并将检测结果传送给微处理器处理。
3、在微处理器控制下，可显示充电状态。
4、本发明利用电感的储能功能，把储存的能量释放给电池，避免了传统利用电阻充电时能量的大量消耗，大大提高了能量的利用率。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。
图1是本发明的电路结构框图。
图2是图1的电路连接原理图。
图3是图2中电压电流检测电路5的电路连接原理图。
具体实施方式
如图1所示，该充电器包括电源电压检测电路1、电源转换电路2、功率开关驱动模块3、升降压可调控制电路4、电压电流检测电路5、环境温度检测电路6、充电模式设置模块7、微处理器8和充电状态显示模块9。其中，12V车载电源分别连接电源电压检测电路1、电源转换电路2、和功率开关驱动模块3和升降压可调控制电路4。电源转换电路2的输出连接功率开关驱动模块3。微处理器8分别外接电源电压检测电路1的输出、充电模式设置模块7的输出、电压电流检测电路5的输出、充电状态显示模块9的输入、环境温度检测电路6的输出以及功率开关驱动模块3的输入。功率开关驱动模块3的输出依次连接升降压可调控制电路4、电池以及电压电流检测电路5的输入。电源电压检测电路1用于检测输入电源电压，并将检测结果传送给微处理器8处理；电源转换电路2用于完成对固定直流12V车载电源的电压转换，提供充电器中其它电路模块的工作电源。功率开关驱动模块3为升降压可调控制电路4中的每个功率开关提供对应的驱动信号，并在微处理器8的控制下，驱动对应的功率开关。升降压可调控制电路4受功率开关驱动模块驱动，在驱动信号控制下，实现对固定12V车载电源的升降压，为电池提供可控的充电电流或充电电压。电压电流检测电路5实现电池电压检测或电流检测，并将检测结果送给微处理器8。环境温度检测电路6用于检测电池周围环境温度，并将检测结果传送给微处理器8处理。充电模式设置模块7用于设定充电模式。微处理器8根据充电模式设置模块7的设定控制充电器进入对应的充电模式，在充电过程中根据电压电流检测结果控制充电电流或充电电压。充电状态显示模块9在微处理器8控制下，用于显示充电状态。
图2是根据本发明的电路原理图，电源电压检测电路1输入端通过保险丝F1和电感L2连接12V车载电源，输出端连接微处理器8的电源电压检测输入口ADC0。12V车载电源经过可恢复电子保险丝F1和电感L2后输送给充电器，电源电压检测电路1首先对输入的固定12V车载电源进行电压检测，通过电阻R1、R2的分压和电容C1、C2、C3的滤波，检测12V车载电源电压，并把检测值传输给微处理器8的电源电压检测输入口ADC0。微处理器8采用宏晶公司生产的型号为STC12C5404AD的单片机。单片机将该电压与设定的参考电压10V进行比较，若小于10V，通过脉宽调制输出口PWM0、PWM1关断对应的功率开关MOS管Q9、Q8，停止充电。反之，正常充电。电源转换电路2是由一个集成稳压管和电容C11、C12、C13构成的稳压电路，利用集成稳压管LM7805和电容C11、C12、C13构成的稳压电路把12V固定电源转换为5V直流电，输出5V直流电至功率开关驱动模块3。
功率开关驱动模块3包括分别连接升降压可调控制电路4中的场效应管(即MOS管)Q9和场效应管Q8的第一、第二驱动电路，第一、第二驱动电路提供驱动信号。每个驱动电路都包括倒相电路和电流放大电路。第一驱动电路从晶体管Q1的基极连接微处理器8的输出口PWM0，接收单片机发送的PWM0信号。晶体管Q1和其基极偏置电阻R3、集电极电阻R4组成倒相电路连接晶体管Q2、Q3的基极，利用晶体管Q1和其基极偏置电阻R3、集电极电阻R4组成的共发射极电路实现对PWM0信号的一次倒相。晶体Q2、Q3的基极和发射极分别短接，短接的发射极输出连接场效应管Q9的栅极，倒相的PWM0信号传输给晶体管Q2、Q3通过基极和发射极分别短接组成的互补型电压跟随器的基极，经电流放大后从其短接的发射极输出放大的PWM0驱动信号，驱动场效应管Q9。第二驱动电路由晶体管Q4的基极连接微处理器8的输出口PWM1，晶体管Q4、Q5和偏置电阻R5、R6、R7组成的二级倒相电路连接晶体管Q6、Q7的基极，晶体管Q6、Q7的基极和发射极分别短接，短接的发射极输出连接场效应管Q8的栅极。本发明从晶体管Q4的基极接收单片机发送的PWM1信号，利用晶体管Q4、晶体管Q5和它们的偏置电阻R5、R6、R7组成的两极共发射极-共发射极电路实现对PWM1信号的两次倒相，然后PWM1信号传输给晶体管Q6、Q7通过基极和发射极分别短接组成的互补型电压跟随器的基极，经电流放大后从其短接的发射极输出放大的PWM1驱动信号，驱动场效应管Q8。互补型电压跟随器放大了电流信号，提高了驱动能力，改善了PWM波形的前后沿，使场效应管迅速饱和导通和关断截止，处于开关状态，减小场效应管的功耗。
升降压可调控制电路4包括MOS管Q8、Q9，还包括续流二极管D1、二极管D2、电感L1，每一MOS管的开关状态分别受与其对应的驱动信号控制，MOS管Q8的栅极接收PWM1驱动信号，源极连接12V输入电源的正极，其漏极分别连接续流二极管D1的负极和电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接MOS管Q9的漏极和二极管D2的正极，二极管D2的负极连接电池的正极，提供控制电路输出的正端。MOS管Q9的栅极接收PWM0驱动信号，其源极和续流二极管D1的正极一起接地，提供控制电路输出的负端。当MOS管Q8在PWM1驱动信号下保持饱和导通时，MOS管Q9、电感L1和二极管D2组成升压型控制电路，当MOS管Q9在PWM0驱动信号控制下饱和导通时，输入的12V固定电源通过电感L1和MOS管Q9形成回路，电感L1进行储能，回路中电流逐渐上升，当MOS管Q9关断截止时，由于电感具有电流不能突变的特性，电感L1通过二极管D2释放能量，12V输入电源和电感L1的的串联电压大于12V，释放的能量流至电池，随着能量释放的进行，充电电流逐渐减小，电感两端的电压将降低直至MOS管Q9再次饱和导通；当MOS管Q9在PWM0驱动信号下保持截止关断时，MOS管Q8、电感L1、二极管D2和续流二极管D1组成降压型控制电路，当MOS管Q8饱和导通时，12V输入电源通过电感L1对电池充电，同时电感L1进行储能，由于电感对电流的阻碍作用，电感L1的反电动势和12V输入电源的串联电压小于12V，同时充电电流渐增，当MOS管Q8关断截止时，由于电感的电流保持功能，电感L1通过二极管D2和续流二极管D1释放能量，能量流至电池，随着能量释放的进行，充电电流逐渐减小，电感两端的电压将降低直至MOS管Q8再次饱和导通。在升降压电路中，电感L1工作在动态的储存或释放能量，储能的大小主要取决于驱动信号PWM的脉宽大小。升降压可调控制电路根据电压电流检测电路的检测值，在单片机的控制下，自动转换升降压方式，并调节充电电流，实现对不同电压要求的电池的分阶段充电。
电压电流检测电路5包括电压检测和电流检测单元。电压电流检测电路单元的电路原理图如图3所示，包括由分压电阻R8、R9、R11、R12和滤波电容C4、C5、C6、C8组成的检测电路连接电池的正负极，该检测电路的输出连接微处理器8的输入口ADC1、ADC3，连接在该检测电路中的电阻R10和滤波电容C7的两端连接一个放大电路，该放大电路由电阻R13、R14、R15和电容C9、C10、电感W1以及运算放大器LM358组成，该放大电路的输出连接微处理器8的输入口ADC2。本发明电压检测单元通过电阻R8、R9的分压和电阻R11、R12的分压以及电容C4、C5、C6、C8的滤波，检测电池电压，并把检测结果传输给单片机的电池电压检测输入口ADC1、ADC3；电流检测单元将流经电阻R10的电流转换为电压检测，流经电阻R10的电流即电池电流，电阻R10和滤波电容C7两端的电压经过集成运算放大电路放大20倍后，传输给单片机的电池电流检测输入口ADC2。
单片机根据电池电压电流检测结果，控制充电电压和电流，控制过程如下：首先，单片机根据电池电压检测值，显示充电模式；模式确认后，单片机通过电池电压检测结果判断电池电压是否满额，如已满额，则停止充电，否则正常充电；在充电过程中，单片机不断检测电池电压，根据检测结果选择升压或降压充电方式，同时根据电压检测结果选择与之匹配的充电电流，并根据电流检测结果判定实际电池电流与选择的匹配充电电流是否一致，若一致，则不做调节；若实际电池电流大于匹配电流，则减小对MOS管(降压电路中对应MOS管Q8，升压电路中对应MOS管Q9)发出的PWM信号的脉宽；若实际电池电流小于匹配电流，则增大对应的PWM信号的脉宽。
环境温度检测电路6由单线数字温度传感器DS18B20和电阻R18组成，温度传感器DS18B20的1脚接地，3脚接5V电源，2脚输出的温度数字信号传输到单片机STC12C5404AD的温度检测输入端口P2.0，单片机将该温度与设定的基准温度进行比较，如果温度过高，通过PWM0、PWM1口控制升降压电路，实时降低充电电压和充电电流以保护电池。
充电模式设置模块7包括与单片机充电模式输入端口P2.3连接的按钮开关AN、电容C16和电阻R17，通过按钮可设置三种充电模式：给4节1.2V的镍氢电池组充电，给8节1.2V的镍氢电池组充电，给1个12V的铝酸电瓶充电。当按纽开关AN一次按下时间小于规定时间，单片机顺序选择一种充电模式，并通过充电状态显示模块对应的双色LED指示灯显示绿色；反之，单片机确定对应充电模式，并使对应双色LED指示灯显示绿闪。
充电状态显示模块9包括三个双色发光二极管LED1～LED3，对应三种充电模式，三个双色发光二极管的正极分别通过电阻R19、R20、R21接电源，负极分别与单片机的充电状态显示输出端口P1.4～P1.7、P2.6、P2.7连接。当选择某种充电模式时，对应双色LED指示灯显示绿色；当进行某种模式充电时，对应LED指示灯显示绿闪；当某种模式充电结束时，对应LED双色指示灯显示红色。
充电器在给4节1.2V的镍氢电池组充电时，在单片机的控制下，仅进行降压型充电。而在给8节1.2V的镍氢电池组和1个12V的铝酸电瓶充电时，需先通过电压电流检测电路5检测电池电压，单片机根据检测值选择所需充电电压：若所需充电电压高于12V，则仅进行升压型充电；若所需充电电压低于12V，则先进行降压型充电，随着充电的进行，电池两端电压上升，当所需充电电压已高于12V，再进行升压型充电。

Claims (8)

1.一种升降压可调快速充电器，连接在12V车载电源上，其特征在于：12V车载电源分别连接电源电压检测电路(1)、电源转换电路(2)、功率开关驱动模块(3)和升降压可调控制电路(4)；电源转换电路(2)的输出连接功率开关驱动模块(3)；微处理器(8)分别外接电源电压检测电路(1)的输出、充电模式设置模块(7)的输出、电压电流检测电路(5)的输出以及功率开关驱动模块(3)的输入；功率开关驱动模块(3)的输出依次连接升降压可调控制电路(4)、电池以及电压电流检测电路(5)的输入。
2.根据权利要求1所述的一种升降压可调快速充电器，其特征在于：微处理器(8)外接充电状态显示模块(9)的输入以及环境温度检测电路(6)的输出。
3.根据权利要求1所述的一种升降压可调快速充电器，其特征在于：所述电源电压检测电路(1)包括串接的分压电阻(R1、R2)和滤波电容(C1、C2、C3)，输入端通过保险丝(F1)和电感(L2)连接12V车载电源，输出端连接微处理器(8)的输入口(ADCO)。
4.根据权利要求1所述的一种升降压可调快速充电器，其特征在于：所述电源转换电路(2)是由一个集成稳压管和电容(C11、C12、C13)构成的稳压电路，输出5V直流电至功率开关驱动模块(3)。
5.根据权利要求1所述的一种升降压可调快速充电器，其特征在于：所述功率开关驱动模块(3)包括分别连接升降压可调控制电路(4)中的场效应管(Q9)和场效应管(Q8)的第一、第二驱动电路，其中第一驱动电路由晶体管(Q1)的基极连接微处理器(8)的输出口(PWMO)，晶体管(Q1)和其基极偏置电阻(R3)、集电极电阻(R4)组成倒相电路连接晶体管(Q2、Q3)的基极，晶体管(Q2、Q3)的基极和发射极分别短接，短接的发射极输出连接场效应管(Q9)的栅极；第二驱动电路由晶体管(Q4)的基极连接微处理器(8)的输出口(PWM1)，晶体管(Q4、Q5)和偏置电阻(R5、R6、R7)组成的二级倒相电路连接晶体管(Q6、Q7)的基极，晶体管(Q6、Q7)的基极和发射极分别短接，短接的发射极输出连接场效应管(Q8)的栅极。
6.根据权利要求1所述的一种升降压可调快速充电器，其特征在于：所述升降压可调控制电路(4)包括场效应管(Q8)的栅极接收输出口(PWM1)驱动信号、源极连接12V输入电源的正极、漏极分别连接续流二极管(D1)的负极和电感(L1)的一端，电感(L1)的另一端分别连接场效应管(Q9)的漏极和二极管(D2)的正极，二极管(D2)的负极连接电池的正极；场效应管(Q9)的栅极接收输出口(PWMO)驱动信号、源极和续流二极管(D1)的正极共接地。
7.根据权利要求1所述的一种升降压可调快速充电器，其特征在于：所述电压电流检测电路(5)包括由分压电阻(R8、R9、R11、R12)和滤波电容(C4、C5、C6、C8)组成的检测电路连接电池的正负极，该检测电路的输出连接微处理器(8)的输入(ADC1、ADC3)，连接在该检测电路中的电阻(R10)和滤波电容(C7)的两端连接一个放大电路，该放大电路由电阻(R13、R14、R15)、电容(C9、C10)、电感(W1)和运算放大器(LM358)组成，该放大电路的输出连接微处理器(8)的输入口(ADC2)。
8.根据权利要求1所述的一种升降压可调快速充电器，其特征在于：所述充电模式设置模块(7)包括与微处理器(8)的输入口(P2.3)连接的按钮开关(AN)、电容(C16)和电阻(R17)。
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