CN105281406A - 一种车载自适应优化供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述自适应优化供电装置包括一功率变换器，功率变换器的输出功率通过一个导体和一输出端口向移动用电器输出充电功率，一个微处理器接收功率变换器的输出电压和电流信号，并控制功率变换器的输出电压在多个预设电压间变换，通过功率变换器的输出功率判断移动用电器充电的额定电压，并根据该额定电压进行充电。在充电过程中，微处理器通过多个采样点的采样选择具有最大功率输出的采样点，并根据该采样点对应的电压和电流对移动用电器进行充电。

Description

一种车载自适应优化供电装置

技术领域

本发明属于电池供电装置，具体涉及一种车载的自适应快速供电装置。

背景技术

随着各种移动用电器如手机、笔记本电脑、iPAD等的普及，这些移动用电器中的电池容量成为使用中的关键指标。为了维持运行，用户需要频繁充电，有时甚至一天需要多次充电，在有紧急情况需要携带手机外出时，更需要尽快的使用电器快速充满电池电量。为了快速充电，很多芯片生产商在规定了各自的快速充电协议，比如联发科(MTK)推出的PE+协议和高通推出的QC2.0/3.0协议，这些协议规定了不同情况下的各自的充电电流，以及用电器与供电装置直接通信内容的规范。但是这些协议都有很大的局限性，这些协议只支持采用各自芯片的手机等用电器，所以对其它用电器来说不支持这些协议；这些协议规定的充电方法中都是设置了一个稳定的充电电压，通过设定不同阶段的电流来快速充电。由于实际充电电路结构如图1a所示，包括供电装置10和移动用电器20，供电装置10包括电源输入端11,电连接到直流或者交流电源。供电装置10还包括一根输出线15以及位于输出线端部的USB接口17，图1b所示为图1a中A处的USB接口截面图，USB接口包括环绕在外部起屏蔽作用的导体175和四个导电管脚171-174分别为PWR+、D+、D-、GND，其中171和174为功率输出线，172、173为数据通信用途。供电装置10内还包括一个功率变换电路12，功率变换电路的输出电压能够匹配用电器20额定输入电压。功率变换电路12通过内部导体13连接到输出线15内电导线。移动用电器20包括一个USB输入接口21，输入接口21通过用电器20内部的导体23连接到待充电电池24。部分类型的用电器内USB输入接口21和电池24之间还串联有降压电路，用于降低输入到电池的电压，并提高输入到电池的电流。在电池电量很低时，实际电池的开路电压很低，以5伏电压的电池为例，在电池电量耗尽时实际电压只有2.7伏左右，所以如果充电器内功率变换电路12按照5伏电压输出的话，初始充电时2伏左右的电压会加载在从导体13到接口17、21、导体23这一导电通路的电阻上，大量的功率浪费在导电通路上没有被有效的送人电池24中。

另外一方面，由于不同的移动用电器具有不同的充电电压，比如手机电池一般是5伏，显示器是12伏，笔记本电脑为19伏，其它还有少数24甚至48伏的用电器。充电规范还不同，除了上述提到的联发科和高通定义的快充协议，其它厂商也有内部规定的协议，而且这些协议还会随着版本更新经常变动。移动用电器内部的电源管理系统也不同，有的会在内部对充电电流、电压、功率能做一些变换或者限制，有些移动用电器则没有。所以这些不同的设置导致充电器/供电装置只能给匹配的少数型号的移动用电器充电，如果混用会导致无法充电或者充电效率低下。在车辆如汽车、电动车等移动交通工具上由于用户不会长期在车辆上充电所以需要更快速充电，而且不同车辆的各种用户会使用各种型号、品牌的用电器，在有限的空间内不可能为了快速充电设置各种不同的专用供电装置，所以在车辆上更需要一种车载自适应优化供电装置。这一供电装置不仅能够满足不同类型用电器的充电需求，而且能够更快速的给这些用电器内的电池器充电。

发明内容

本发明提供了一种车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述车载自适应优化供电装置包括：一个功率变换器，所述功率变换器接受车载电源的电功率，并输出充电功率到一输出导体，所述输出导体通过一个输出端输出充电功率到移动用电器；一微处理器包括一个输入端电连接到所述输出导体，以检测输出电压、电流信号，还包括一个输出端输出控制信号到所述功率变换器，以控制功率变换器的输出电压和电流，其特征在于：所述自适应优化供电装置在向移动用电器充电过程中，包括输出负载判断步骤，在所述输出负载判断步骤中，所述微处理器控制功率变换器的输出电压从第一预定电压到第二预定电压依次变换，所述微处理器检测到输出导体上的充电功率大于预设阈值时判断输出负载的额定电压为所述第一预定电压或者第二预定电压，在输出负载判断步骤中获得移动用电器的额定电压后，进入快速充电步骤，对移动用电器中的电池充电。其中充电功率的预设阈值为0.5W，当检测到的输出功率大于预设阀值时，判断当前输出电压为用电器电池额定充电电压。

其中微处理器在输出负载判断步骤中同时检测所述输出端上的通信信号，根据通信信号判断用电器的充电协议，并根据所述充电协议控制所述功率变换器的输出电压和电流。

其中快速充电步骤中包括最大功率采样步骤和最大功率输出步骤，所述最大功率采样步骤中，微处理器控制功率变换器的输出电压在多个采样点之间变化，同时存储每个采样点的对应输出功率，比较所述多个采样点的输出功率，获得具有最大输出功率P1的采样点；获得具有最大输出功率的采样点后，进入最大功率输出步骤，在最大功率输出步骤中微处理器控制功率变换器以具有最大输出功率P1的采样点的电压和输出功率向移动用电器充电。

其中最大功率采样步骤中的采样点电压数值覆盖所述移动用电器的有效充电电压范围，有效充电电压范围可以根据检测到的电池额定电压和电池参数的数据库来综合选择。

其中微处理器监测功率变换器的输出功率，当输出功率小于所述最大功率输出P1的85％时，再次进入所述最大功率采样步骤和最大功率输出步骤。

本发明功率变换器还可以包括至少一个电感或者一个变压器，所述电感或变压器通过一个无线充电驱动电路电连接到至少一个无线充电线圈，并通过该无线充电线圈对用电器进行充电。

其中所述功率变换器接受的车载电源包括车载12V直流电源。

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1a是现有技术供电装置与移动用电器的连接结构示意图；

图1b是现有技术中USB接口截面图；

图2是本发明供电装置与移动用电器的连接结构示意图；

图3是本发明供电装置与移动用电器的连接结构的第二实施例示意图；

图4是本发明供电装置输出电压和输出功率变换波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种自适应优化供电装置，能够用于对具有不同额的电压、不同充电标准的移动用电器通过USB接口快速充电。

图2示出了本发明实施例的供电装置与移动用电器的连接结构示意图，本发明与图1所示的现有技术相比主要区别在于：本发明在供电装置中设置了一个微处理器14，微处理器14通过导线组16或者与导线组16串联的探测器电连接到导体13上，检测导体13上输出的电压和电流，并根据电压和电流数值换算出功率变换器12输出的功率。同时导线组16还需要与USB中数据通信管脚172、173相连接以实现与移动用电器20的通信。同时微处理器14还包括至少一条控制信号线18输出控制信号到功率变换器12，控制信号线也可以用如光耦等无线方式代替。功率变换器12接收到控制信号后，将控制信号作为参考电压控制输出电压的幅度，最终实现输出电压随着控制信号的变化而变化。本发明的功率变换器需要选择能够在大幅度范围内变化的功率变换器，比如升降压电路(buck-boost)或者反激变换器(Flyback)、SPEIC电路等，这些电路的选择属于现有技术中的常用手段即可完成，在此不再赘述。

本发明供电装置在工作中首先需要判断移动用电器20的额定充电电压和充电协议，为了实现这一目的本发明提出一种特殊的判断程序：

A步骤：功率变换器输出5v电压，微处理器通过信号管脚172、173上的D+、D-信号与用电器通信，如果D+端上的电压为2.0，D-上的电压为2.7则判断出用电器的充电电压为5V，充电电流1.2A；如果D+为2.7V，D-上为2.0V则判断用电器的充电电压为5V，充电电流为2A；同样的，通过D+、D-端口的通信还能够判断用电器执行的是联发科或者高通的充电协议，控制功率变换器12输出电压保持在5V，同时输出电流根据用电器协议要求执行。如果上述信号通信后没有发现符合规范的信号，同时微处理器通过导线组16检测导体13上存在足够的功率输出，如大于0.5W的功率输出，则判断移动用电器内的电池是额定5v的电池，而且移动用电器没有特殊的充电协议，可以开始进行下一步快速充电程序。如果微处理器没有监测到导体13上存在足够的功率输出，则判断用电器具有高于5v的额定电压需要转入下一判断步骤。

B步骤：微处理器控制功率变换器12的输出电压升到12V，再次执行上述判断步骤，通过监测导体13上的输出功率，以及信号管脚172、173上的通信数据判断用电器20内的电池额定电压和充电协议，如果无法有效输出功率(如小于0.5W)则进入下一个判断步骤，如果能够检测到足够功率输出，则判断用电器的额定电压为12V，开始进入快速充电步骤中。

C步骤，微处理器控制变换器12的输出电压上升到19V，再次执行上述判断步骤，通过监测导体13上的输出功率，以及信号管脚172、173上的通信数据判断用电器20内的电池额定电压和充电协议，如果无法有效输出功率(如小于0.5W)则进入下一个判断步骤，如果能够检测到足够功率输出，则判断用电器的额定电压为19V，开始进入快速充电步骤中。

同样的步骤还可以进一步检测24V甚至48V的功率输出情况，完成所有本发明功率变换器能够支持的所以用电器电压类型的扫描与判断，确定用电器电池的额定电压和充电协议，进入快速充电阶段。进入快速充电阶段后，如果已知用电器具20有快速充电协议的，微处理器将控制功率变换器12根据协议要求给用电器20充电，如果没有充电协议微处理器将控制功率变换器12执行最大功率追踪充电方法。本发明最大功率追踪充电方法能够根据微处理器14检测到的导体13上的输出功率调整功率变换器12的输出电压和电流的组合，以获得最大功率输出。下面以对用电器20内额定电压为12V的电池充电过程为例来说明本发明的最大功率追踪充电方法。

如图4所示，在获知充电电池额定电压为12V后，首先快速扫描功率变换器的输出电压从12V以每个电压取步骤相差0.1V的速度逐渐的降低，每个取样点的采样时间长度为1ms，这样从12V到6.5V全程扫描也只需要55ms，相对整个快速充电过程需要的时间几十分钟来说基本对整体充电效率没有影响。在每个采样步骤中，在功率变换器12输出稳定电压的同时还需要微处理器检测该采样步骤中能够获得的最大输出电流，计算出最大输出功率并存入微处理器内部的存储器中。然后通过在上述每个采样点功率的比较找到最大功率输出点，比如图4中所示的8V作为初始最大功率输出电压，如果出现两个以上接近的最大功率，可以选择输出电压较低的点，比如10V*1.2A和8V*1.5A输出功率相同，选择8V*1.5A作为最大功率输出，因为最终对电池进行充电是实际电流，而且如果手机内存在降压电路的话，更低的输入电压可以提高降压电路的整体效率。在获得了适合当前电池电量状态的最佳功率点后，微处理器14控制功率变换器12的输出电压和电流迅速切换到最大功率点上开始进入第一快速充电段，同时微处理器14继续监控功率变换器12的输出。如图4所示在进入快速充电段一定时间长度(比如大于3分钟后)，由于电池电压开始上升，原有的功率变换器12的输出功率开始下降，微处理器判断功率变换器12的输出功率下降超过预定限值如15％时再次开始扫描搜索最大功率点。再次扫描时输出电压是从现有输出电压8V向上逐个采样，直到额定电压12V，通过逐个采样获得最佳输出电压为11V，输出电流为1.1A，确定新的最佳输出功率点后微处理器14再次控制功率变换器输出在该最佳功率点上，进入第二快速充电段。

如此多次变迁的最大功率输出点，功率变换器12就能以最大的输出功率、最快速的对移动用电器20内的电池进行充电。直到电池内的电流接近充满(比如大于85％)时，充电过程可以进入最后的慢速充电步骤，使充电电压接近额定的12V，充电电流也相应的降低到小于500mA，以延长电池使用寿命。

上述采样点的采样时间1ms，最大功率点的电压电流组合，充电时间段的长度等仅作为示例，并不代表实际使用中的参数，实际应用中可以根据各个电路参数需要进行优化选择。

本发明应用场合中，为了实现对各种移动用电器通用充电，供电装置10对外接的用电器内的电池型号、充电协议初始是未知的，同时由于各个用电器内部电路各不相同，本发明供电装置也无法获知实际用电器内的电池的开路电压。在如此多不确定因素下本发明仍能根据最佳的电路结构和内部处理流程依次检测出用电器内的电池的额定电压和适用充电协议，并以此为依据进一步的扫描最佳充电电压和电流的组合实现最大功率输出，最终实现对各种供电装置的自动快速充电。

本发明供电装置处理可以是如图2所示的直接电连接的充电结构，还可以是如图3所示的设置一个无线充电装置，该无线充电装置包括充电线圈124，充电线圈连接到一个驱动电路122，驱动电路122电连接到功率变换器12内的电感或者变压器121，当充电线圈124没有检测到具有无线充电功能的移动用电器20靠近时驱动电路122断开连接使得充电线圈上没有功率流入。充电线圈检测到具有无线充电功能的用电器被放置到对应的充电位置时驱动电路122开始驱动充电线圈向外发射交流电磁场，用电器开始接受来自电磁场的能量进行充电。本发明无线充电可以和图2所示的有线充电同时进行，微处理器14可以检测驱动电路122的输出功率进行最大功率点追踪，从而保证整体的充电速度。

本发明供电装置能够对各种移动用电器进行自适应的充电，而且即使充电协议发生变化，甚至移动用电器具有特殊的电池类型，只需要更新本发明微处理器中的存储数据，不需要更改任何电路结构就能使得本发明继续适用于新的移动用电器，有效减少了浪费。

本发明由于能够自动识别用电器的充电电压和充电协议，而且能够追踪最大功率对用电器内的电池进行快速充电，所以车内只需要一个本发明充电器就能实现对各种用电器自适应优化充电。现有技术中如果采用了通用充电器则充电速度不能保证，如果采用了专用充电器则无法在不同用电器上通用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述车载自适应优化供电装置包括：

一个功率变换器，所述功率变换器接受车载电源的电功率，并输出充电功率到一输出导体，所述输出导体通过一个输出端输出充电功率到移动用电器；

一微处理器包括一个输入端电连接到所述输出导体，以检测输出电压、电流信号，还包括一个输出端输出控制信号到所述功率变换器，以控制功率变换器的输出电压和电流，

其特征在于：所述自适应优化供电装置在向移动用电器充电过程中，包括输出负载判断步骤，在所述输出负载判断步骤中，所述微处理器控制功率变换器的输出电压从第一预定电压到第二预定电压依次变换，所述微处理器检测到输出导体上的充电功率大于预设阈值时判断输出负载的额定电压为所述第一预定电压或者第二预定电压，

在输出负载判断步骤中获得移动用电器的额定电压后，进入快速充电步骤，对移动用电器中的电池充电。

2.根据权利要求1所述的车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述微处理器在输出负载判断步骤中同时检测所述输出端上的通信信号，根据通信信号判断用电器的充电协议，并根据所述充电协议控制所述功率变换器的输出电压和电流。

3.根据权利要求1所述的车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述快速充电步骤中包括最大功率采样步骤和最大功率输出步骤，

所述最大功率采样步骤中，微处理器控制功率变换器的输出电压在多个采样点之间变化，同时存储每个采样点的对应输出功率，比较所述多个采样点的输出功率，获得具有最大输出功率P1的采样点；

获得具有最大输出功率的采样点后，进入最大功率输出步骤，在最大功率输出步骤中微处理器控制功率变换器以具有最大输出功率P1的采样点的电压和输出功率向移动用电器充电。

4.根据权利要求1任所述的车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述其中采样点的电压数值覆盖所述移动用电器的有效充电电压范围。

5.根据权利要求3所述的车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述最大功率输出步骤中，微处理器监测功率变换器的输出功率，当输出功率小于所述最大功率输出P1的85％时再次进入所述最大功率采样步骤和最大功率输出步骤。

6.根据权利要求3所述的车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述快速充电步骤结束后进入慢速充电步骤。

7.根据权利要求1所述的车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述功率变换器包括至少一个电感或者一个变压器，所述电感或变压器通过一个无线充电驱动电路电连接到至少一个无线充电线圈。

8.根据权利要求1所述的车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述功率变换器接受的外部电源包括车载12V直流电源。

9.根据权利要求1所述的车载自适应优化供电装置，其特征在于，所述充电功率的预设阈值为0.5W。