CN103701183B - 多支路反馈充电器电路及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多支路反馈充电器电路和多支路反馈充电器的充电方法，充电器电路包括功率转换电路和闭环反馈电路，闭环反馈电路包括反馈控制单元、第一反馈支路、第二反馈支路和反馈支路切换器，第一反馈支路包括电压保护模块，第二反馈支路包括微控制器、电流检测器和电压检测器，电压保护模块、电流检测器和电压检测器分别与功率转换电路相连，电流检测器和电压检测器的输出端分别与微控制器相连，电压保护模块和微控制器的输出端分别与反馈控制单元相连，反馈控制单元与功率转换电路相连，微控制器通过反馈支路切换器与电压保护模块相连。本发明在微控制器不工作情况下，避免了充电器输出电流大、大电流持续时间长的问题。

Description

多支路反馈充电器电路及充电方法

技术领域

本发明涉及数字控制充电器技术领域，尤其涉及一种多支路反馈充电器电路及充电方法。

背景技术

市场上常见的数字控制充电器，如TL431(可控精密稳压源)配合微控制器MCU的充电器，该类充电器在充电时一般包括恒流、恒压和浮充三种充电模式。若以该充电器给规格为48V17AH的电池充电，可见如下描述的具体充电过程，如果电池的端电压较低，在接入充电器的时候，工作在恒流充电的模式，即充电器输出电流恒定，一般为2.5A，输出电压随着充电的持续而慢慢上升，直到输出电压达到设定值58V，则进入恒压充电模式，这时候，充电器的输出电压维持在58V不变，随着充电的进行，电池的电量逐渐上升，即电池的端电压越来越大，故系统的输出电流就越来越小，当充电电流降到500mA的时候，系统将输出电压由58V调整至55V并维持不变，进入浮充模式，一直到充电结束。该充电器的具体电路见图1，具体包括功率转换电路2’和闭环反馈电路，闭环反馈电路包括原边控制器1’、电流检测器8’、微控制器5’、电平转换器7’、电压控制器6’、低通滤波器4’和光电耦合器3’。闭环反馈电路根据功率转换电路2’的输出电压和输出电流，提供反馈信号，使功率转换电路2’的输出电压恒定。其中，电平转换器7’将输出电压稳定在58V或者55V,即恒压或者浮充模式。微控制器5’主要是通过电流检测器8’采集输出电流，如果系统输出电流小于500mA，则控制电平转换器7’将输出电压稳定在55V；如果系统输出电流在500mA～2.5A，则控制电平转换器7’将输出电压稳定在58V。

上述充电器在恒压或者浮充模式下，微控制器5’不会产生PWM(脉冲宽度调制)反馈信号，功率转换电路2’的反馈只能由电压控制器6’来完成。当电流检测器8’采样到的输出电流大于2.5A时，微控制器5’才产生PWM反馈信号，该信号经过低通滤波器4’后变成较平稳的电压信号，该电压信号又经过单向导通器输出端与电压反馈信号进行叠加，使得传入电压控制器6’的反馈信号总量增大，从而减小输出电压值，最终达到维持输出电流恒定的效果，即恒流充电模式。

该充电电路在系统刚上电的时候，微控制器5’并没有完成启动和软件初始化过程，不能进行信号反馈，所以，功率转换电路2’的输出电压是55V或58V，输出电压根据微控制器5’缺省的IO状态不同，电压不一样。参照图2的电压电流波形图，以55V为例，若负载电池等效电阻为15Ω，则输出电流为3.67A，比2.5A额定值高出很多，如果电池电量更小，则其输出电流会更大，对负载电池寿命和性能有较大影响。而该大电流的持续时间直接取决于微控制器5’的启动时间和运算速度，比较难把握。另外，如果该系统在运行过程中遇到微控制器5’不工作的情况，在功率允许的范围内，则其输出电压会一直维持55V，若负载电池等效电阻为15Ω，则在很长的一段时间内，充电电流都会维持在3.67A，其电压电流波形图参照图3，这会严重影响电池寿命和性能，甚至发生电池鼓包、损坏甚至爆炸；还有，由于此系统的电压反馈由模拟电路来实现，微控制器5’并没有采集输出电压并进行实时调节，所以需要额外的反馈控制电路进行闭环控制，一般采用以TL431为核心的反馈电路结构，成本较高，电路器件较多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有充电器存在因微控制器启动时间限制或不工作等因素造成充电器的输出电流大、大电流持续时间长的问题，提供了一种在微控制器不工作情况下，能限制充电输出电流过大，并且成本较低的多支路反馈充电器电路和多支路反馈充电器的充电方法。

为解决上述问题，本发明的一种技术方案是：

一种多支路反馈充电器电路，包括功率转换电路及与之相连的闭环反馈电路，其特征在于，所述闭环反馈电路包括反馈控制单元、用于控制功率转换电路输出电压的第一反馈支路及用于控制功率转换电路输出电压和输出电流的第二反馈支路，反馈控制单元分别与第一反馈支路和第二反馈支路相连，第一反馈支路与第二反馈支路之间连接有用于控制第一反馈支路开启与关闭的反馈支路切换器，所述第一反馈支路包括用于检测功率转换电路输出电压并输出第一反馈信号的电压保护模块，第二反馈支路包括微控制器、用于检测功率转换电路输出电流的电流检测器和用于检测功率转换电路输出电压的电压检测器，所述电压保护模块、电流检测器和电压检测器的输入端分别与功率转换电路的输出端相连，电流检测器和电压检测器的输出端分别与微控制器相连，电压保护模块和微控制器的输出端分别与反馈控制单元相连，反馈控制单元与功率转换电路相连，微控制器通过反馈支路切换器与电压保护模块相连；所述电压保护模块根据功率转换电路的输出电压产生第一反馈信号并输出到反馈控制单元中，反馈控制单元接收处理

第一反馈信号，并将处理后的信号反馈到功率转换电路中；微控制器根据电流检测器和电压检测器检测的电流和电压产生并输出第二反馈信号到反馈控制单元中，反馈控制单元接收处理第二反馈信号，并将处理后的信号反馈到功率转换电路中，同时微控制器输出控制信号到反馈支路切换器。

优选地，所述反馈控制单元包括依次相连的低通滤波器、反馈信号传输模块和原边控制器，低通滤波器与微控制器相连，反馈信号传输模块与电压保护模块相连，低通滤波器过滤微控制器输出的第二反馈信号，反馈信号传输模块接收第二反馈信号或电压保护模块输出的第一反馈信号，原边控制器接收并处理反馈信号传输模块的输出信号，并将处理后的信号输出到功率转换电路中。

优选地，所述反馈信号传输模块为光电耦合器。

优选地，所述电压保护模块包括三极管Q1、电阻R1和稳压管D1，三极管Q1的基极通过电阻R1与稳压管D1的正向导通端相连，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与反馈信号传输模块的输入端相连，稳压管D1的反向端与功率转换电路的输出端相连，三极管Q1的基极与反馈支路切换器的输出端相连。

优选地，所述电压保护模块包括三端稳压管Q3、电阻R4、电阻R5和电容C1，三端稳压管Q3的阴极通过电容C1和电阻R4与功率转换电路的输出端相连，电容C1和电阻R4的连接处与电阻R5相连，电阻R5的另一端接地，三端稳压管Q3的阳极接地，三端稳压管Q3的参考极与电容C1和电阻R4的连接处相连，三端稳压管Q3的参考极还与反馈支路切换器的输出端相连，三端稳压管Q3的阴极与反馈信号传输模块的输入端相连。

优选地，所述反馈支路切换器包括三极管Q2、电阻R2和电阻R3，三极管Q2的集电极与电压保护模块相连，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极通过电阻R2与微控制器相连，三极管Q2的基极通过电阻R3接地。

相比较于现有技术，本发明的多支路反馈充电器电路采用两条信号反馈支路来反馈调节充电器的输出电流和输出电压，以切换不同的信号反馈支路应对充电器在不同工作模式下的具体情况，消除了微控制器在启动过程中，充电电路产生的大电流，消除了现有技术中，因微控制器故障而产生的持续大电流，降低了大电流对充电电池的损坏，避免了电池因持续大电流而造成的鼓包甚至爆炸，提高了安全性能；另一方面，本发明采用的反馈支路，成本更为低廉。

本发明的另一种技术方案是：

一种多支路反馈充电器的充电方法，所述充电方法基于上述提及的多支路反馈充电器电路，所述充电方法包括如下步骤：

步骤a：充电器上电，微控制器进入初始化状态；

步骤b：电压保护模块实时检测功率转换电路的输出电压，当检测到功率转换电路的输出电压大于最小电压时，电压保护模块输出第一反馈信号到反馈控制单元中，反馈控制单元根据第一反馈信号降低功率转换电路的输出电压，使功率转换电路的输出电压小于或等于最小电压，所述最小电压为待充电电池恒流充电时允许的最大充电电流与待充电电池充分放电后对应的等效电阻的乘积；

步骤c：若微控制器进入正常工作状态，则进入步骤d，否则，返回步骤b；

步骤d：微控制器输出控制信号到反馈支路切换器，由反馈支路切换器关闭第一反馈支路；

步骤e：微控制器控制电流检测器和电压检测器实时采集功率转换电路的输出电流和输出电压，并根据采集到的输出电流和输出电压产生第二反馈信号，第二反馈信号由反馈控制单元处理后反馈到功率转换电路中，对功率转换电路的输出电流和输出电压的进行反馈调节；

步骤f：重复步骤e，一直到充电结束；

在上述充电过程中，若微控制器出现异常，则进入步骤b。

相比较于现有技术，本发明的多支路反馈充电器的充电方法采用两条信号反馈支路来反馈调节充电器的输出电流和输出电压，在微控制器工作或不工作的情况下，切换不同的信号反馈支路进行反馈调节，消除了微控制器在启动过程中，充电电路产生的大电流，消除了现有技术中，因微控制器故障而产生的持续大电流，降低了大电流对充电电池的损坏，避免了电池因持续大电流而造成的鼓包甚至爆炸，提高了安全性能。

附图说明

图1是现有技术中充电器的电路原理框图。

图2是现有技术中充电器在15Ω负载情况下，充电器上电时的输出电压电流波形图。

图3是现有技术中充电器在15Ω负载情况下，充电器遇到微控制器MCU不工作时的输出电压电流波形图。

图4是本发明多支路反馈充电器电路的电路原理框图。

图5是本发明多支路反馈充电器电路的电路原理图。

图6是本发明多支路反馈充电器电路在15Ω负载情况下，充电器上电时的输出电压电流波形图。

图7是本发明多支路反馈充电器电路在15Ω负载情况下，充电器遇到微控制器MCU不工作时的输出电压电流波形图。

图8是本发明多支路反馈充电器电路另一种实施方式的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。

参照图4，本发明的多支路反馈充电器电路，包括功率转换电路2和闭环反馈电路，闭环反馈电路用于提供反馈信号，并调节功率转换电路2的输出电流和输出电压，闭环反馈电路与功率转换电路2相连，实现闭环信号反馈。其中，闭环反馈电路包括反馈控制单元、第一反馈支路、第二反馈支路和反馈支路切换器，第一反馈支路和第二反馈支路的输入端与功率转换电路2的输出端相连，第一反馈支路和第二反馈支路的输出端与反馈控制单元的输入端相连，反馈支路切换器连接在第一反馈支路与第二反馈支路之间，反馈控制单元与功率转换电路2相连，以提供最终的反馈信号。

所述第一反馈支路包括电压保护模块6，电压保护模块6根据功率转换电路2输出电压的不同，产生不同的第一反馈信号，以调节输出电压。第二反馈支路包括微控制器5、电流检测器8和电压检测器9，电流检测器8用于检测功率转换电路2的输出电流，电压检测器9用于检测功率转换电路2的输出电压，微控制器5根据电流检测器8和电压检测器9检测到的数据，产生相应的PWM反馈信号，即第二反馈信号。所述电压保护模块6、电流检测器8和电压检测器9的输入端分别与功率转换电路2的输出端相连，电流检测器8和电压检测器9的输出端分别与微控制器5相连，电压保护模块6和微控制器5的输出端分别与反馈控制单元相连，微控制器5通过反馈支路切换器7与电压保护模块6相连，反馈支路切换器7根据微控制器5输出的高低电平，控制电压保护模块6产生或不产生反馈作用。

所述反馈控制单元包括依次相连的低通滤波器4、反馈信号传输模块3和原边控制器1，低通滤波器4与微控制器5相连，反馈信号传输模块3与电压保护模块6相连，原边控制器1与功率转换电路2相连。低通滤波器4用于将PWM信号滤成平稳的电压信号，反馈信号传输模块3将低通滤波器4输出端的信号或者电压保护模块6产生的第一反馈信号传输至原边控制器1中，作为原边控制器1的输入信号。其中，反馈信号传输模块3为光电耦合器。

参照图5，所述电压保护模块6包括三极管Q1、电阻R1和稳压管D1，三极管Q1的基极通过电阻R1与稳压管D1的正向导通端相连，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与反馈信号传输模块3的输入端相连，稳压管D1的反向端与功率转换电路的输出端相连，三极管Q1的基极与反馈支路切换器的输出端相连。反馈支路切换器7包括三极管Q2、电阻R3和电阻R2，三极管Q2的集电极与三极管Q1的基极相连，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极通过电阻R2与微控制器5相连，三极管Q2的基极通过电阻R3接地。功率转换电路2、低通滤波器4、电流检测器8和电压检测器9均采用现有技术中的常见技术手段，在此不再赘述。

本发明的多支路反馈充电器的充电方法，包括如下步骤：

步骤a：充电器上电，即功率转换电路2接入市电，此时，微控制器5没有完成上电初始化和程序初始化，进入开始初始化状态，功率转换电路2的输出电压逐步升高；

步骤b：第一反馈支路进入工作状态，即电压保护模块6实时检测功率转换电路2的输出电压，当检测到功率转换电路2的输出电压大于最小电压时，电压保护模块6输出第一反馈信号到反馈控制单元的原边控制器1中，反馈控制单元根据第一反馈信号降低功率转换电路2的输出电压，使功率转换电路2的输出电压小于或等于最小电压，从而将功率转换电路2的输出电压维持在一个较小值，所述最小电压为待充电电池恒流充电时允许的最大充电电流与待充电电池充分放电后对应的等效电阻的乘积，由于最小电压值较小，即使负载电池电量很少，也不会产生大电流；

步骤c：若微控制器5进入正常工作状态，则进入步骤d，否则，返回步骤b；微控制器5的正常工作状态包括微控制器初始化完成的状态，以及微控制器的异常恢复状态。

步骤d：当微控制器5正常工作时，第二反馈支路处于工作状态，即微控制器5输出控制信号到反馈支路切换器7，由反馈支路切换器7关闭第一反馈支路，第一反馈支路不参与信号反馈；

步骤e：微控制器5控制电流检测器8和电压检测器9实时采集功率转换电路2的输出电流和输出电压，并根据采集到的输出电流和输出电压传输到微控制器5中处理，微控制器5产生并输出第二反馈信号，即PWM反馈信号并输出至低通滤波器4中，低通滤波器4将该第二反馈信号滤成平稳的电压信号，反馈信号传输模块3将该第二反馈信号隔离传输至原边控制器1中，最后反馈到功率转换电路2中，对功率转换电路2的输出电流和输出电压的进行反馈调节；

步骤f：重复步骤e，一直到充电结束；

在上述充电过程中，若微控制器5出现异常，如微控制器5突然出现不工作，此时，则进入步骤b，支路切换器7将自动打开第一反馈支路，构成一个反馈过程，使输出电压又维持在一个较低值，从而保证微控制器5在工作与不工作情况下，均能稳定的控制充电输出电流。

其中，最小电压为待充电电池恒流充电时允许的最大充电电流与待充电电池充分放电后对应的等效电阻的乘积，待充电电池恒流充电时允许的最大充电电流在下文中简称为最大充电电流。在电池充电过程中，允许的电流一般用电池容量与充电系数的乘积来确定，充电系数一般为0.1-0.2，即待充电电池恒流充电时允许的充电电流为0.1C-0.2C，C为电池电容，即最大充电电流为0.2C。然而，基于电池充电速度和使用寿命的综合考虑，一般采用0.15C作为恒流时的充电电流”。例如规格为48V17AH的电池，恒流充电时允许的充电电流为1.7A-3.4A，最大充电电流为3.4A，在实际使用中一般会采用2.5A进行恒流充电。

下面以规格为48V17AH的电池充电为例说明本发明的效果，假设系统上电时电池经过了充分放电，即电池端电压较低，可视作其等效电阻较小，取值15Ω。电池恒流充电时允许的最大电流为3.4A，根据V＝I*R得到电压为51V，即最小电压为51V。如采用0.15C即2.5A作为恒流充电电流，则电压为37.5V。

通过在步骤b对本发明充电器上电时的电压和电流检测，同时对比现有技术中的图2，可以清楚的看出本发明对输出电流和输出电压的控制效果，具体参照图6的输出电压电流波形图，在第一反馈支路的作用下，功率转换电路2的输出电压均稳定在51V以下，输出电流稳定在3.4A以下，即消除了存在大电流的情况。

在充电器遇到微控制器5突然不工作的情况下，通过对其输出电压和电流检测，同时对比现有技术中的图3，可以清楚的看出本发明对输出电流和输出电压的控制效果，具体参照图7的电压电流波形图，在第一反馈支路的作用下，功率转换电路2的输出电压均稳定在51V以下，输出电流稳定在3.4A以下，即消除了存在大电流的情况。

综上所述，本发明多支路反馈充电器对比常见的TL431配合微控制器MCU的充电器，采用两条信号反馈支路来反馈调节充电器的输出电流和输出电压，以切换不同的信号反馈支路应对充电器在不同工作模式下的具体情况，消除了微控制器在启动过程中，充电电路产生的大电流，消除了现有技术中，因微控制器故障而产生的持续大电流，降低了大电流对充电电池的损坏，避免了电池因持续大电流而造成的鼓包甚至爆炸，提高了安全性能。也省去了传统的TL431等控制芯片，成本更低廉。

参照图8，本发明中的电压保护模块6也可以采用现有技术中的TL431来完成，将上述电压保护模块的具体电路替换成如下电路，该电压保护模块6包括三端稳压管Q3、电阻R4、电阻R5和电容C1，三端稳压管Q3的阴极通过电容C1和电阻R4与功率转换电路的输出端相连，电容C1和电阻R4的连接处与电阻R5相连，电阻R5的另一端接地，三端稳压管Q3的阳极接地，三端稳压管Q3的参考极与电容C1和电阻R4的连接处相连，三端稳压管Q3的参考极还与三极管Q2的集电极相连，三端稳压管Q3的阴极与反馈信号传输模块的输入端相连。利用现有技术中的TL431来完成第一反馈支路的信号反馈，并结合微控制器5的实现第二反馈支路的信号反馈，同样能消除了现有技术中，因微控制器故障而产生的持续大电流，也降低了大电流对充电电池的损坏。

上述说明中，凡未加特别说明的，均采用现有技术中的技术手段。

Claims (7)

1.一种多支路反馈充电器电路，包括功率转换电路及与之相连的闭环反馈电路，其特征在于，所述闭环反馈电路包括反馈控制单元、用于控制功率转换电路输出电压的第一反馈支路及用于控制功率转换电路输出电压和输出电流的第二反馈支路，反馈控制单元分别与第一反馈支路和第二反馈支路相连，第一反馈支路与第二反馈支路之间连接有用于控制第一反馈支路开启与关闭的反馈支路切换器，所述第一反馈支路包括用于检测功率转换电路输出电压并输出第一反馈信号的电压保护模块，第二反馈支路包括微控制器、用于检测功率转换电路输出电流的电流检测器和用于检测功率转换电路输出电压的电压检测器，所述电压保护模块、电流检测器和电压检测器的输入端分别与功率转换电路的输出端相连，电流检测器和电压检测器的输出端分别与微控制器相连，电压保护模块和微控制器的输出端分别与反馈控制单元相连，反馈控制单元与功率转换电路相连，微控制器通过反馈支路切换器与电压保护模块相连；

所述电压保护模块根据功率转换电路的输出电压产生第一反馈信号并输出到反馈控制单元中，反馈控制单元接收处理第一反馈信号，并将处理后的信号反馈到功率转换电路中；微控制器根据电流检测器和电压检测器检测的电流和电压产生并输出第二反馈信号到反馈控制单元中，反馈控制单元接收处理第二反馈信号，并将处理后的信号反馈到功率转换电路中，同时微控制器输出控制信号到反馈支路切换器。

2.根据权利要求1所述的多支路反馈充电器电路，其特征在于，所述反馈控制单元包括依次相连的低通滤波器、反馈信号传输模块和原边控制器，低通滤波器与微控制器相连，反馈信号传输模块与电压保护模块相连，低通滤波器过滤微控制器输出的第二反馈信号，反馈信号传输模块接收第二反馈信号或电压保护模块输出的第一反馈信号，原边控制器接收并处理反馈信号传输模块的输出信号，并将处理后的信号输出到功率转换电路中。

3.根据权利要求2所述的多支路反馈充电器电路，其特征在于，所述反馈信号传输模块为光电耦合器。

4.根据权利要求1所述的多支路反馈充电器电路，其特征在于，所述电压保护模块包括三极管Q1、电阻R1和稳压管D1，三极管Q1的基极通过电阻R1与稳压管D1的正向导通端相连，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与反馈信号传输模块的输入端相连，稳压管D1的反向端与功率转换电路的输出端相连，三极管Q1的基极与反馈支路切换器的输出端相连。

5.根据权利要求1所述的多支路反馈充电器电路，其特征在于，所述电压保护模块包括三端稳压管Q3、电阻R4、电阻R5和电容C1，三端稳压管Q3的阴极通过电容C1和电阻R4与功率转换电路的输出端相连，电容C1和电阻R4的连接处与电阻R5相连，电阻R5的另一端接地，三端稳压管Q3的阳极接地，三端稳压管Q3的参考极与电容C1和电阻R4的连接处相连，三端稳压管Q3的参考极还与反馈支路切换器的输出端相连，三端稳压管Q3的阴极与反馈信号传输模块的输入端相连。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的多支路反馈充电器电路，其特征在于，所述反馈支路切换器包括三极管Q2、电阻R2和电阻R3，三极管Q2的集电极与电压保护模块相连，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极通过电阻R2与微控制器相连，三极管Q2的基极通过电阻R3接地。

7.一种多支路反馈充电器的充电方法，其特征在于，所述充电方法基于权利要求1-5中任意一项所述的多支路反馈充电器电路，所述充电方法包括如下步骤：

步骤a：充电器上电，微控制器进入初始化状态；

步骤b：电压保护模块实时检测功率转换电路的输出电压，当检测到功率转换电路的输出电压大于最小电压时，电压保护模块输出第一反馈信号到反馈控制单元中，反馈控制单元根据第一反馈信号降低功率转换电路的输出电压，使功率转换电路的输出电压小于或等于最小电压，所述最小电压为待充电电池恒流充电时允许的最大充电电流与待充电电池充分放电后对应的等效电阻的乘积；

步骤c：若微控制器进入正常工作状态，则进入步骤d，否则，返回步骤b；

步骤d：微控制器输出控制信号到反馈支路切换器，由反馈支路切换器关闭第一反馈支路；

步骤e：微控制器控制电流检测器和电压检测器实时采集功率转换电路的输出电流和输出电压，并根据采集到的输出电流和输出电压产生第二反馈信号，第二反馈信号由反馈控制单元处理后反馈到功率转换电路中，对功率转换电路的输出电流和输出电压的进行反馈调节；

步骤f：重复步骤e，一直到充电结束；

在上述充电过程中，若微控制器出现异常，则进入步骤b。