CN102097850B - 一种多重安全防护及节能充电的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种多重安全防护及节能充电的控制方法，其在充电系统的前、中、后设置三级可控制开关，同时在充电系统置入电池管理电路(BMS)，将电池状态与充电工作作为控制的对象，当电池与充电状态符合要求则进行充电，当电池状态异常，则按其先后顺序实现充电的关闭操作，首先关断中级控制开关，使充电系统处于轻载状态，然后关断前后级开关，如此可避免重载大电流在触点上产生拉弧现象而损坏触点，延长了触点的工作寿命。本发明还提供了实现上述方法的装置，其能实现大功率充电待机时的输入“零功耗”、充电端口输出“零电压”的节能、防护控制技术。

Description

一种多重安全防护及节能充电的控制方法及装置

技术领域

本发明属于电子电路领域，具体涉及一种多重安全防护及节能充电的控制方法及装置。

背景技术

国际电气安全标准规定的安全电压应低于或等于42V。而众多领域需要42V以上的电池组方能满足动力需求，充电待机时充电端口外露，难免接触到人体，这时必须采取措施，防止超过安全规范的电压发生电击伤人的安全事故。大功率充电的对象电池价格昂贵，并且存在爆炸性安全隐患，常有充电控制防护不足发生电池爆炸事故，且大功率充电系统的无功消耗大、待机时间长，其节能问题突出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大功率充电待机输入“零功耗”、充电端口输出“零电压”的节能、防护控制技术及实现其技术的装置，其在充电系统的前、中、后设置三级可控制开关，同时在充电系统置入电池管理电路(BMS)，将电池状态与充电工作作为控制的对象。

本发明所述的多重安全防护及节能充电的控制方法，包括以下步骤：

1)制备一交流输入端、启动限流电阻器、输入整流滤波电路、输入PFC电路、功率转换电路、电源管理电路、输出整流滤波电路、充电管理电路、电池管理电路、耦合反馈电路、充电端口和电池组；

2)在交流输入端与启动限流电阻器之间、功率转换电路与电源管理电路之间、输出整流滤波电路与充电端口之间、电源管理电路与提供电源管理电路的电压端之间分别设置一可控制开关器件，并设置一可控制开关器件与启动限流电阻器并联，各可控制开关器件控制各处电流电压的通断；

3)当所述电池管理电路侦测到充电端口接入电池时，所述交流输入端与启动限流电阻器之间的可控制开关器件闭合向后级供电；

4)充电系统启动时进行充电启动限流，充电启动限流完毕时所述与启动限流电阻器并联的可控制开关器件闭合旁路所述启动限流电阻器；

5)当所述电池管理电路侦测到充电端口接入电池且判定待充电池的初始状态符合充电设定的条件时，所述电源管理电路与电压供应端之间与功率转换电路与电源管理电路之间的可控制开关器件闭合；

6)当输出整流滤波电路有输出电压、所述电池管理电路侦测到充电端口接入电池且输出整流滤波电路输出电压与待充电池的初始状态匹配时，所述输出整流滤波电路与充电端口之间的可控制开关器件闭合。

本发明所述的多重安全防护及节能充电的控制装置，包括交流输入端、启动限流电阻器、输入整流滤波电路、输入PFC电路、功率转换电路、电源管理电路、提供电源管理电路的电压端、输出整流滤波电路、充电管理电路、电池管理电路、耦合反馈电路、充电端口和电池组，其特征在于，还包括连接交流输入端与启动限流电阻器的第一控制开关、与启动限流电阻器并联的第二控制开关、连接输出整流滤波电路与充电端口的第五控制开关，输出整流滤波电路经处理后的直流电压连接所述电池管理电路。

所述装置还包括连接电源管理电路与提供电源管理电路工作电压的电压端Vcc之间的第三控制开关和连接功率转换电路与电源管理电路之间的第四控制开关，或者只包括所述两个控制开关的其中之一。

所述第一控制开关包括一继电器、导通开关、设置指令开关及电池管理控制开关，交流输入端经处理后的直流电压经一电阻依次连接所述设置指令开关管、电池管理控制开关管和地端，同时依次连接继电器线圈、设置指令开关管及电池管理控制开关管同时连通而导通的导通开关、电阻和地端，所述设置指令开关连接定时充电信号端及消费定额信号端，电池管理控制开关连接电池管理控制电路，继电器的触点开关连接于交流输入端与启动限流电阻器之间。

所述第二控制开关包括一继电器，所述继电器经一电阻连接处理整流滤波电路输出后的直流电压端，触点开关连接于第一控制开关与启动限流电阻器之间。

所述第三控制开关包括一导通开关、设置指令开关及电池管理控制开关，PFC电路经处理后的直流电压经一电阻依次连接所述设置指令开关管、电池管理控制开关管和地端，同时依次连接一电阻、设置指令开关管及电池管理控制开关管同时连通而导通的导通开关和电源管理电路，所述设置指令开关连接定时充电信号端及消费定额信号端，电池管理控制开关连接电池管理电路。

所述第四控制开关包括一导通开关、设置指令开关及电池管理控制开关，功率转换电路依次连接一电阻、设置指令开关管、电池管理控制开关管和地端，同时依次连接设置指令开关管及电池管理控制开关管同时连通而导通的导通开关、电源管理电路，所述设置指令开关连接定时充电信号端及消费定额信号端，电池管理控制开关连接电池管理电路。

所述第五控制开关包括一继电器及三极管，所述三极管基极连接电池管理电路的最终状态输出端，发射极接地，集电极依次连接所述继电器、电阻及输出整流滤波电路输出端，所述继电器的触点连接于输出整流滤波电路输出端与充电端口之间。

本发明在电池管理电路BMS侦测到充电端口接入电池且判定电池状态符合启动充电的条件时闭合K1，且闭合K3或K4，D点输出电压Vd；将侦测到的电池状态信号与预先设定的标准进行比较、分析并发出不同的控制指令，在分析判定完成前K5仍处于关断状态，分析比较符合所有条件则闭合K5进行充电。其侦测到的电池状态有：欠压、严重欠压、电池开路、电池短路、电池温度异常、电池电压变化异常等，可执行相应的动作。

使用本发明能够达到的有益效果是：根椐类别划分控制次序，在电池未接入充电端口时，即使其它启动充电的控制指令发生，供电开关依然关断，输入“零功耗”；同时后级开关分别关断电源输出和端口通路，使充电端口“零电压”。充电时，只要充电完成、电池状态异常的信号有一个激活，可控开关会依次序断开，即使充电电压高于安全电压、人体接触到充电端口的金属端子，也不会发生电击伤人的安全事故，且恢复“零功率”、“零电压”状态。

下面结合附图与实施例，对本发明作进一步的详细说明：

附图说明

图1为本发明总的设计电路方框图；

图2为控制开关K2的电路图；

图3-1为K1中Q1用PNP三极管的电路图；

图3-2为K1中Q1用P-MOS管的电路图；

图4-1～4-3为K1中Q1用NPN三极管的各种变换电路图；

图5-1为利用光电耦合器代替三极管时的引脚指示；

图5-2和图5-3为Q2、Q3共同或单一使用光电耦合器的电路示意图；

图6-1～6-3为K3中Q1用NPN三极管的各种变换电路图；

图7-1为K3中Q1用PNP三极管的电路图；

图7-2为K3中Q1用P-MOS管的电路图；

图8为控制开关K5的电路图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明所述的多重安全防护及节能充电的控制方法，包括以下步骤：

1)制备一交流输入端、启动限流电阻器RT、输入整流滤波电路、输入PFC电路、功率转换电路、电源管理电路BMS、输出整流滤波电路、充电管理电路、电池管理电路、耦合反馈电路、充电端口和电池组；

2)在交流输入端与启动限流电阻器之间、电源管理电路与提供电源管理电路、功率转换电路与电源管理电路之间、输出整流滤波电路与充电端口之间的电压端之间分别设置一可控制开关器件K1、K3、K4、K5，并设置一可控制开关器件K2与启动限流电阻器并联，各可控制开关器件控制各处电流电压的通断；

3)当所述电池管理电路BMS侦测到充电端口接入电池时，所述交流输入端与启动限流电阻器之间的可控制开关器件K1闭合向后级供电；

4)充电系统启动工作前，K2处于断开状态，系统后级呈现低阻，充电系统启动瞬间产生的冲击电流，足以破坏后级的电路器件，RT为限制启动冲击电流需求设置的限流电阻，充电启动限流完毕时所述与启动限流电阻器RT并联的可控制开关K2闭合，旁路所述启动限流电阻器RT；

5)当所述电池管理电路侦测到充电端口接入电池且判定待充电池的初始状态符合充电设定的条件时，所述电源管理电路与电压供应端之间与功率转换电路与电源管理电路之间的可控制开关器件K3、K4闭合；

6)当输出整流滤波电路有输出电压、所述电池管理电路侦测到充电端口接入电池且输出整流滤波电路输出电压与待充电池的初始状态匹配时，所述输出整流滤波电路与充电端口之间的可控制开关器件K5闭合。

如图1和图8所示，本发明所述的多重安全防护及节能充电的控制装置，包括交流输入端A、启动限流电阻器RT、输入整流滤波电路、输入PFC电路、功率转换电路、电源管理电路、提供电源管理电路的电压端Vcc、输出整流滤波电路、充电管理电路、电池管理电路BMS、耦合反馈电路、充电端口和电池组，其特征在于，还包括连接交流输入端与启动限流电阻器RT的控制开关K1、与启动限流电阻器RT并联的控制开关K2、连接输出整流滤波电路与充电端口的控制开关K5，输出整流滤波电路经处理后的直流电压Vdd连接所述电池管理电路BMS。

所述装置还包括连接电源管理电路与提供电源管理电路工作电压的电压端Vcc之间的控制开关K3和连接功率转换电路与电源管理电路之间的控制开关K4，或者只包括K3、K4两个控制开关其中之一。

如图3-1所示，所述控制开关K1包括一继电器J1、导通开关Q1、设置指令开关管Q2及电池管理控制开关Q3，所述导通开关Q1为PNP三极管，Q2、Q3为NPN三极管，继电器的触点开关连接于交流输入端与启动限流电阻器RT之间，交流输入端经处理后的直流电压Vaa经电阻R1依次连接所述三极管Q2的集电极、发射极、三极管Q3的集电极、发射极和地端，同时依次连接继电器线圈J1、三极管Q1、电阻R2和地端，所述三极管Q1在三极管Q2及Q3同时导通的情况下实现导通，线圈J1因通电而令触点开关闭合，即连通交流输入端与启动限流电阻器RT电路，当Q2或Q3其中有一截止，Q1即截止，从而实现K1的关断，所述设置指令开关Q2连接定时充电信号端及消费定额信号端，电池管理控制开关连接电池管理控制电路BMS。

如图2所示，所述控制开关K2包括一继电器，所述继电器线圈J2经电阻Rj连接处理整流滤波电路输出后的直流电压端Vbb，触点开关连接于控制开关K1与启动限流电阻器RT之间。

如图7-1所示，所述控制开关K3连接电路与控制开关K1连接电路大致相同，而不同之处在于把PFC电路经处理后的直流电压Vcc替换控制开关K1电路中的Vaa，并去掉继电器J1同时把Vcc依次连接电阻R2、Q1的发射极、集电极与电源管理电路，所述Q1代替继电器J1的触点开关作为控制开关K3。

所述控制开关K4连接电路与控制开关K3连接电路大致相同，而不同之处在于把电源管理电路输出端替换控制开关K3电路中的Vcc，并短路R1，所述Q1作为控制开关K4。

所述控制开关K3、K4主要用以管理电源的间歇振荡，当充电过程中电池管理电路BMS侦测线侦测到电池电压消失、明显下跌或高于标准设定、电池温度异常等现象即判定电池状态异常，其首先间歇输出信号至所述控制开关的电池管理控制开关Q3，断开K3或K4请求电源管理“间歇振荡”，此时继续侦测及判定电池，在设定周期内如果电池状态恢复正常则恢复充电；如果在设定周期内电池状态不能恢复正常，BMS关断K3或K4使Vd＝0，从而令Q5截止而关断K5，保证端口输出“零电压”，K5关断后接而关断K1、K2，系统的输入供电恢复“零功率”并报警。

如图8，所述控制开关K5包括一继电器J5及三极管Q5，所述三极管Q5基极连接电池管理电路的最终状态输出端，发射极接地，集电极依次连接所述继电器线圈、电阻R8及输出整流滤波电路输出端Vd，所述继电器的触点开关连接于输出整流滤波电路输出端D与充电端口之间，所述电池管理电路经一电池侦测线连接充电端口，检测并分析电池的状态：其首先判定电池与充电端口是否可靠连接，其次判定接入待充电池的初始状态是否符合充电设定的条件，然后判定Vd是否与待充电池的初始状态匹配，不匹配时请求充电管理电路将Vd调整到与电池电压匹配，当上述过程条件均成立时，电池管理电路BMS的最终状态输出端输出一个高电平指令，导通Q5而令继电器的触点开关K5闭合。

上述为本发明各开关K1～K5使用的最佳实施例，为实现其效果，其还可以利用以下列举的各种实施例，

以下为利用各种MOS管或三极管不同组合实现的各个实施例：

实施例2：

如同3-2所示，所述控制开关K1中的导通开关Q1可替换为P-MOS管。

或者所述控制开关K1中的导通开关Q1可替换为NPN三极管，如图4-1所示，导通开关Q1的基极改由经一电阻R3连接至Q3的发射极，Q3发射极经两电阻R3、R4接地，Q1发射极经电阻R2接地。

另一种方式如图4-2，其添加一个三极管Q4，其发射极接地，集电极经Q2发射极、集电极和电阻R1连接Vaa，基极经电阻R6及R7分别连接Q3集电极和地端；Q1的基极经电阻R4连接至Q2发射极同事经电阻R5接地，其他部分与图3-1接法一致；Q3集电极经电阻R3连接Vaa，其他部分与图3-1接法一致。

另一种方式如图4-3，其添加一个三极管Q4，发射极接地，基极经电阻R6依次连接Q2及Q3的集电极和发射极并接地，集电极经一电阻R4接Q1基极，Q1、Q2、Q3其他部分接法与图3-1接法一致。

所述Q1、Q2、Q3、Q4均可用N-MOS管替代，其电路相应改动少许，凡实现Q2、Q3同时接收信号时接通Q1的效果均落入本实施例范围内。

实施例3：

如图5-2和图5-3所示，所述控制开关K1、K3、K4中设置指令开关管Q2及电池管理控制开关Q3可用光电耦合器代替，其可同时替代或替代其中之一，图5-1示出光电耦合器代替三极管时的引脚指示。

实施例4：

如图7-2所示，所述控制开关K3中的导通开关Q1可替换为P-MOS管。

或者所述控制开关K3中的导通开关Q1可替换为NPN三极管，如图6-1所示，导通开关Q1的基极改由经一电阻R3连接至Q3的发射极，Q3发射极经两电阻R3、R4接地，Q1发射极经电阻R2接地。

另一种方式如图6-2，其添加一个三极管Q4，其发射极接地，集电极经Q2发射极、集电极和电阻R1连接Vcc，基极经电阻R6及R7分别连接Q3集电极和地端；Q1的基极经电阻R4连接至Q2发射极同事经电阻R5接地，其他部分与图7-1接法一致；Q3集电极经电阻R3连接Vcc，其他部分与图7-1接法一致。

另一种方式如图6-3，其添加一个三极管Q4，发射极接地，基极经电阻R6依次连接Q2及Q3的集电极和发射极并接地，集电极经一电阻R4接Q1基极，Q1、Q2、Q3其他部分接法与图7-1接法一致。

所述控制开关K4接法与K3大多一致，其不同之处在于把电源管理电路输出端替换控制开关K3电路中的Vcc，并短路R1。

所述Q1、Q2、Q3、Q4均还可用N-MOS管替代，Q2、Q3也可用光电耦合器替代，其电路相应改动少许，凡实现Q2、Q3同时接收信号时接通Q1的效果均落入本实施例范围内。

实施例5：

当只使用K3或K4其中一个控制开关时，将所述电路中Q2的集电极与发射极短路即可。

以上所述实施例2～实施例5由于在电路中无重复冲突器件部分，因而可部分选用以合并利用并代替实施例1中对应部分。

K1、K2、K5属于大电流功率控制开关，关断时其触点容易拉弧、粘连；与K1、K2、K5相比，K3、K4属于信号控制开关，关断时不存在触点拉弧、粘连等现象，其开关控制更容易实现。本发明按其先后顺序实现充电的关闭操作，首先关断K3或K4从而中止功率转换电路工作，使充电系统处于轻载状态，然后关断K1、K2、K5，如此可避免重载大电流在触点上产生拉弧现象而损坏触点，延长了触点的工作寿命。

以上发明所述仅为本发明的个别实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明基础上所作的修改、替换或改进，以相同或相近逻辑电路实现相同功能均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多重安全防护及节能充电的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备一交流输入端、启动限流电阻器、输入整流滤波电路、输入PFC电路、功率转换电路、电源管理电路、输出整流滤波电路、充电管理电路、电池管理电路、耦合反馈电路、充电端口和电池组；

2)在交流输入端与启动限流电阻器之间、功率转换电路与电源管理电路之间、输出整流滤波电路与充电端口之间、电源管理电路与提供电源管理电路的电压端之间分别设置一可控制开关器件，并设置一可控制开关器件与启动限流电阻器并联，各可控制开关器件控制各处电流电压的通断；

3)当所述电池管理电路侦测到充电端口接入电池时，所述交流输入端与启动限流电阻器之间的可控制开关器件闭合向后级供电；

4)充电系统启动时进行充电启动的限流，充电启动限流完毕时所述与启动限流电阻器并联的可控制开关器件闭合旁路启动限流电阻器；

5)当所述电池管理电路侦测到充电端口接入电池且判定待充电池的初始状态符合充电设定的条件时，所述电源管理电路与电压端之间与功率转换电路与电源管理电路之间的可控制开关器件闭合；

6)当输出整流滤波电路有输出电压、所述电池管理电路侦测到充电端口接入电池且输出整流滤波电路输出电压与待充电池的初始状态匹配时，所述输出整流滤波电路与充电端口之间的可控制开关器件闭合。

2.一种实施权利要求1所述的多重安全防护及节能充电的控制方法的控制装置，包括交流输入端、启动限流电阻器、输入整流滤波电路、输入PFC电路、功率转换电路、电源管理电路、供应电源管理电路的工作电压端、输出整流滤波电路、充电管理电路、电池管理电路、耦合反馈电路、充电端口和电池组，其特征在于，还包括连接交流输入端与启动限流电阻器的第一控制开关、与启动限流电阻器并联的第二控制开关、连接输出整流滤波电路与充电端口的第五控制开关，输出整流滤波电路经处理后的直流电压连接所述电池管理电路。

3.根据权利要求2所述的多重安全防护及节能充电的控制方法的控制装置，其特征在于，所述装置还包括所述供应电源管理电路的工作电压端与电源管理电路之间连接的第三控制开关和所述功率转换电路与电源管理电路之间连接的第四控制开关。

4.根据权利要求2所述的多重安全防护及节能充电的控制方法的控制装置，其特征在于，所述第一控制开关包括一继电器、导通开关、设置指令开关及电池管理控制开关，交流输入端经处理后的直流电压经一电阻依次连接所述设置指令开关、电池管理控制开关和地端，同时交流输入端经处理后的直流电压依次连接继电器线圈、设置指令开关及电池管理控制开关同时连通而导通的导通开关和地端，所述设置指令开关连接定时充电信号端及消费定额信号端，电池管理控制开关连接电池管理电路，继电器的触点开关连接于交流输入端与启动限流电阻器之间。

5.根据权利要求2所述的多重安全防护及节能充电的控制方法的控制装置，其特征在于，所述第二控制开关包括一继电器，所述继电器经一电阻连接处理整流滤波电路输出后的直流电压端，触点开关连接于第一控制开关与启动限流电阻器之间。

6.根据权利要求3所述的多重安全防护及节能充电的控制方法的控制装置，其特征在于，所述第三控制开关包括一导通开关、设置指令开关及电池管理控制开关，PFC电路经处理后的直流电压经一电阻依次连接所述设置指令开关、电池管理控制开关和地端，同时PFC电路经处理后的直流电压依次连接一电阻、设置指令开关及电池管理控制开关同时连通而导通的导通开关和电源管理电路，所述设置指令开关连接定时充电信号端及消费定额信号端，电池管理控制开关连接电池管理电路。

7.根据权利要求3所述的多重安全防护及节能充电的控制方法的控制装置，其特征在于，所述第四控制开关包括一导通开关、设置指令开关及电池管理控制开关，功率转换电路依次连接一电阻、设置指令开关、电池管理控制开关和地端，同时功率转换电路依次连接设置指令开关及电池管理控制开关同时连通而导通的导通开关、电源管理电路，所述设置指令开关连接定时充电信号端及消费定额信号端，电池管理控制开关连接电池管理电路。

8.根据权利要求2所述的多重安全防护及节能充电的控制方法的控制装置，其特征在于，所述第五控制开关包括一继电器及三极管，所述三极管基极连接电池管理电路的最终状态输出端，发射极接地，集电极依次连接所述继电器、电阻及输出整流滤波电路输出端，所述继电器的触点连接于输出整流滤波电路输出端与充电端口之间。

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