CN103457323B - 充电电路和具有该充电电路的充电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电电路，该充电电路包括开关电源电路、电流采集电路、信号转换电路、控制模块和电压保护电路，其中，开关电源电路，用于对被充电电池进行充电；电流采集电路，用于实时采集开关电源电路的输出电流，并将输出电流转换成与该输出电流对应的电压模拟信号，并发送电压模拟信号；信号转换电路，用于接收电压模拟信号，并将电压模拟信号转换成与该电压模拟信号对应的电压数字信号，并发送电压数字信号；控制模块，用于接收电压数字信号，并根据电压数字信号，确定与该电压数字信号对应的输出电流的变化情况，并且还用于根据输出电流的变化情况，控制电压保护电路对开关电源电路与被充电电池之间的充电回路进行控制。

Description

充电电路和具有该充电电路的充电器

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，具体来说，涉及一种充电电路和具有该充电电路的充电器。

背景技术

目前，由于电瓶车自燃导致的重大火灾事故屡见不鲜，给国家和人民造成巨大的灾难损失，而大多数电瓶车自燃都是由充电插头接触不良而产生的电弧引发火灾的。在充电电路中，当充电器插头接触不良时，由于导体接触面积很小，接触电阻增大，回路中的电压降大部分将落在体积很小接触体两端，因此大部分能量也将耗在接触金属体上，此时将导致接触金属体迅速发热，当温度达到一定程度，接触体金属被氧化燃烧，同时周围气体被高温烧成能导电的等离子体，即便此时两个电极拉开微小的缝隙，电流也将持续，电流产生的热量维持周围的气体处于高温等离子状态，成为稳定的放电回路，这就是接触不良产生的拉弧机理。由于电弧温度很高，瞬间可以将金属熔化，如果遇上可燃物便能迅速燃烧。

然而，针对相关技术中因充电器接触不良而产生拉弧引发火灾的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中因充电器接触不良而产生拉弧引发火灾的问题，本发明提出一种充电电路和具有该充电电路的充电器，能够完全避免充电电路和被充电电池之间因插头接触不良而造成的拉弧现象，消除因拉弧而引发的火灾事故。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种充电电路。

该充电电路包括开关电源电路、电流采集电路、信号转换电路、控制模块和电压保护电路，其中，

开关电源电路，用于对被充电电池进行充电；

电流采集电路，用于实时采集开关电源电路的输出电流，并将输出电流转换成与该输出电流对应的电压模拟信号，并发送电压模拟信号；

信号转换电路，用于接收电压模拟信号，并将电压模拟信号转换成与该电压模拟信号对应的电压数字信号，并发送电压数字信号；

控制模块，用于接收电压数字信号，并根据电压数字信号，确定与该电压数字信号对应的输出电流的变化情况，并且还用于根据输出电流的变化情况，控制电压保护电路对开关电源电路与被充电电池之间的充电回路进行控制。

此外，该充电电路还包括运算放大电路，用于根据预先配置的信号放大策略，对电流采集电路发送的电压模拟信号进行放大，并将经放大后的电压模拟信号发送至信号转换电路。

另外，该充电电路还包括信号滤波电路，用于对信号转换电路发送的电压数字信号进行滤波处理，以过滤电压数字信号中的高频噪声，并将经滤波处理后的电压数字信号发送至控制模块。

其中，在根据电压数字信号信号，确定与该电压数字信号对应的输出电流的变化情况时，可根据电压数字信号，计算出与该电压数字信号对应的输出电流的变化斜率。

其中，在根据输出电流的变化情况，控制电压保护电路对开关电源电路与被充电电池之间的充电回路进行控制时，可在变化斜率为负值时，控制电压保护电路断开开关电源电路与被充电电池之间的充电回路。

此外，该充电电路还包括电压控制电路，用于在充电回路断开后，降低开关电源电路的输出电压，促使开关电源电路的输出电压低于被充电电池的最低充电电压。

其中，控制模块还用于在充电电路断开的时间达到预定时间时，控制电压保护电路恢复开关电源电路与被充电电池之间的充电回路。

其中，控制模块还用于在充电回路恢复后，控制开关电源电路根据预定电压输出策略，以递增的方式输出电压。

其中，控制模块还用于在充电回路的断开次数达到预定次数时，控制开关电源电路停止输出电压。

根据本发明的另一方面，提供了一种充电器，该充电器包括上述的充电电路。

本发明通过实时采集开关电源电路的输出电流，并根据输出电流对应的电压数字信号来确定输出电流的变化情况，然后根据输出电流的变化情况来实时控制开关电源电路与被充电电池之间的充电回路，从而从根本上杜绝了在充电过程中因接触不良而导致的拉弧的现象发生，消除了因拉弧而引发的火灾事故，减少了国家和人民的财产损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。

图1是根据本发明实施例的充电电路的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的充电电路的工作流程示意图；

图3是根据本发明实施例的充电电路的系统架构图；

图4是根据本发明实施例的充电电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种充电电路。

如图1所示，根据本发明实施例的充电电路包括开关电源电路11、电流采集电路12、信号转换电路13、控制模块14和电压保护电路15，其中，

开关电源电路11，用于对被充电电池进行充电；

电流采集电路12，用于实时采集开关电源电路的输出电流，并将输出电流转换成与该输出电流对应的电压模拟信号，并发送电压模拟信号；

信号转换电路13，用于接收电压模拟信号，并将电压模拟信号转换成与该电压模拟信号对应的电压数字信号，并发送电压数字信号；

控制模块14，用于接收电压数字信号，并根据电压数字信号，确定与该电压数字信号对应的输出电流的变化情况，并且还用于根据输出电流的变化情况，控制电压保护电路对开关电源电路与被充电电池之间的充电回路进行控制.

此外，该充电电路还包括运算放大电路（未示出），用于根据预先配置的信号放大策略，对电流采集电路发送的电压模拟信号进行放大，并将经放大后的电压模拟信号发送至信号转换电路。

另外，该充电电路还包括信号滤波电路（未示出），用于对信号转换电路发送的电压数字信号进行滤波处理，以过滤电压数字信号中的高频噪声，并将经滤波处理后的电压数字信号发送至控制模块。

其中，在根据电压数字信号信号，确定与该电压数字信号对应的输出电流的变化情况时，可根据电压数字信号，计算出与该电压数字信号对应的输出电流的变化斜率。

其中，在根据输出电流的变化情况，控制电压保护电路对开关电源电路与被充电电池之间的充电回路进行控制时，可在变化斜率为负值时，控制电压保护电路断开开关电源电路与被充电电池之间的充电回路。

此外，该充电电路还包括电压控制电路（未示出），用于在充电回路断开后，降低开关电源电路的输出电压，促使开关电源电路的输出电压低于被充电电池的最低充电电压。

其中，控制模块14还用于在充电电路断开的时间达到预定时间时，控制电压保护电路恢复开关电源电路与被充电电池之间的充电回路。

其中，控制模块14还用于在充电回路恢复后，控制开关电源电路根据预定电压输出策略，以递增的方式输出电压。

其中，控制模块14还用于在充电回路的断开次数达到预定次数时，控制开关电源电路停止输出电压。

根据本发明的实施例，还提供了一种充电器，根据本发明实施例的充电器包括上述的充电电路。

在实际应用时，可以根据实际情况采用不同的电气元件来实现本发明的上述技术方案，例如，如图2所示的流程，图2是充电电路的工作流程示意图，从图2中可以看出，在实际应用时，可以用功率采样电阻采集充电电流，将充电电流转变成电压信号，再经过运算放大器组成的放大电路将弱小的采样信号放大至单片机处理器ADC输入端口的量程范围；然后用单片机通过ADC对经过放大以后的端口输入信号进行采样，并进行低通数字滤波运算，过滤由电路和ADC引发的高频噪声数据，转换成平滑的数字流，反应充电器充电电流真实变化情况。最后用数字微分算法对电流数据流进行处理，得到充电电流的变化斜率（当充电电流递增时，得到的斜率数值为正，充电电流递减时，得到的斜率数值为负），当变化斜率为负时，则表示电流突然减小，这时有可能是充电电池断开或者接触不良。此时处理器立即通过保护电路关断输出MOSFET管，电弧失去了赖以生存的条件。

在关断输出MOSFET管后，单片机可将充电器的充电电压降低至电池最低充电电压以下，再接通MOSFET，此时即便是电池接入回路，但由于电池电压大于充电器输出电压，充电器整流二极管截止，回路无电流。

当然，处理器还可通过定时器（延时50ms）中断将输出电压逐渐调高，直到正常输出，此时充电器的充电电流逐渐增大，直到达到恒流充电电流。如果又出现接触不良，流程又回到第一步。

而当连续五次出现接触不良导致电流突变减小，则锁定充电器，禁止输出，直到重新上电。

图3是充电电路的系统架构图，从图3中可以看出，本发明通过电流采样电路、信号放大电路、硬件滤波电路，将充电器的充电电流转变为单片机ADC输入量程范围内的电压，无电流时，运放输出接近于0V，充电器最大输出电流时，运放输出为5V。另外，本发明还通过ADC采样电路、数字低通滤波电路、数字微分电路、电流负跳变判断电路、输出电压设定电路等几个模块，上述电压变化成数字信号，然后经过数字低通滤波、数字微分运算以后得到充电电流的变化斜率，当斜率为负时，对输出MOSFET管进行关断控制，并将输出电压降低到最低值，然后接通MOSFET管，再将输出电压逐渐提高到正常电压。通过这种保护措施，电弧失去了赖以生存的条件，从而避免了拉弧现象的发生。

以下从充电电路的电路原理角度对本发明的上述技术方案进行详细说明。

图4是充电电路的电路原理图，在图4中，MOSFET管Q1是充电器输出控制器件，用于切断充电器输出，而MOSFET管Q1由三极管Q2控制，当三极管截至时，上拉电阻R7为MOSFET管Q1提供正向栅极电压，MOSFET管Q1导通，而当三极管Q2导通时，将MOSFET管Q1栅极电压拉低至三极管的饱和电压，MOSFET管Q1截至，充电器无输出。稳压二极管D1是用来将MOSFET管Q1栅极电压钳制在15V以内，防止VCC超过MOSFET最大输入电压。

从图4中可以看出，通过R16、R17并联对充电电流采样，采样结果经过LM324组成的同相比例放大器放大后输出到单片机的ADC引脚；单片机输出的PWM数字脉冲经过由R8、C3、R9、C2、R3、R14组成的RC积分和滤波电路转变成直流电压（其中R3和R14是直流偏置电阻，目的是将RC积分和滤波电路输出的直流电压偏置到直流反馈电压附近，并有单片机PWM小范围调整，从而提高了调整精度），再由R1、R2和R13组成电阻串联分压电路将充电器输出电压转换为低压反馈信号，输入到由LM324运算放大器设计的误差放大器正向输入端，误差放大器将低压反馈信号进行放大，发送到单片机的AD输入端口的量程范围，单片机通过ADC对经过放大以后的端口输入信号进行采样（采样频率为1Ksps），并通过定时器中断对充电电流信号进行高速采样，采样数据经过数字低通滤波器进行处理（过滤高频噪声）。数字微分电路对数字数据流进行微分运算，从而获取充电电流的变化斜率，当斜率为负值则说明电流减小，当减小幅度超过一定值则说明是电流突变，如果连续5个样点都为电流突变，则可确认电池断开或者接触不良。当确认为电池断开或者接触不良时，单片机通过IO端口控制三极管Q2基极，使Q2导通，MOSFET管Q1栅极驱动电压被拉到零，Q1截止切断充电器输出回路。

同时，为了保证再次接通充电器时充电电路的正常工作，可通过控制电压反馈回路N1A反相端的电压偏置，将充电器输出电压设置为低于电池电压的最小值，再次接通充电器输出，此时由于充电器输出电压低于电池电压，充电回路中无电流。

而在再次接通充电器时，单片机可通过定时器延时50ms以后再逐渐增加输出电压，当输出电压达到电池两端电压时，电流开始逐渐增加，直到达到恒流充电电流，如果电池已经到达恒压充电阶段，充电器电压达到正常输出电压时，电压不再增加，充电器开始正常工作。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过实时采集开关电源电路的输出电流，并根据输出电流对应的电压数字信号来确定输出电流的变化情况，然后根据输出电流的变化情况来实时控制开关电源电路与被充电电池之间的充电回路，从而从根本上杜绝了在充电过程中因接触不良而导致的拉弧的现象发生，消除了因拉弧而引发的火灾事故，减少了国家和人民的财产损失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种充电电路，其特征在于，包括开关电源电路、电流采集电路、信号转换电路、控制模块和电压保护电路，其中，

开关电源电路，用于对被充电电池进行充电；

电流采集电路，用于实时采集所述开关电源电路的输出电流，并将所述输出电流转换成与该输出电流对应的电压模拟信号，并发送所述电压模拟信号；

信号转换电路，用于接收所述电压模拟信号，并将所述电压模拟信号转换成与该电压模拟信号对应的电压数字信号，并发送所述电压数字信号；

控制模块，用于接收所述电压数字信号，并根据所述电压数字信号，确定与该电压数字信号对应的输出电流的变化情况，并且还用于根据所述输出电流的变化情况，控制所述电压保护电路对所述开关电源电路与所述被充电电池之间的充电回路进行控制；

运算放大电路，用于根据预先配置的信号放大策略，对所述电流采集电路发送的所述电压模拟信号进行放大，并将经放大后的电压模拟信号发送至所述信号转换电路；

信号滤波电路，用于对所述信号转换电路发送的电压数字信号进行滤波处理，以过滤所述电压数字信号中的高频噪声，并将经滤波处理后的电压数字信号发送至所述控制模块；

其中，根据所述电压数字信号，确定与该电压数字信号对应的输出电流的变化情况包括：

根据所述电压数字信号，计算出与该电压数字信号对应的输出电流的变化斜率；以及

根据所述输出电流的变化情况，控制所述电压保护电路对所述开关电源电路与所述被充电电池之间的充电回路进行控制包括：

在所述变化斜率为负值时，控制所述电压保护电路断开所述开关电源电路与所述被充电电池之间的充电回路。

2.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，进一步包括：

电压控制电路，用于在所述充电回路断开后，降低所述开关电源电路的输出电压，促使所述开关电源电路的输出电压低于所述被充电电池的最低充电电压。

3.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述控制模块还用于在所述充电电路断开的时间达到预定时间时，控制所述电压保护电路恢复所述开关电源电路与所述被充电电池之间的充电回路。

4.根据权利要求3所述的充电电路，其特征在于，所述控制模块还用于在所述充电回路恢复后，控制所述开关电源电路根据预定电压输出策略，以递增的方式输出电压。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的充电电路，其特征在于，所述控制模块还用于在所述充电回路的断开次数达到预定次数时，控制所述开关电源电路停止输出电压。

6.一种充电器，其特征在于，包括权利要求1至5任意一项所述的充电电路。