CN106451707A - 一种恒流恒压控制的充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种恒流恒压控制的充电电路，半桥电路用以接收第一直流电，并在输出端连接第一滤波电路从而将第一直流电转换为第二直流电，第二直流电用以给充电负载充电；双闭环控制电路用以采样所述半桥电路输出端的输出电流和采样第一滤波电路输出端的输出电压，将所输出电压与设定电压值比较后输出，输出信号与输出电流进行比较后限流输出，限流输出信号控制半桥电路的开关电路的开关占空比，在所述输出电压小于设定电压值时控制占空比使得输出电流大致恒定不变而输出电压增大，在输出电压等于设定电压值时控制减小占空比，使得输出电流减小而输出电压大致恒定不变。本发明充电时间短，且能够防止过充，从而可延长蓄电设备的使用寿命。

Description

一种恒流恒压控制的充电电路

技术领域

本发明涉及充电电路领域，特别涉及的是基于恒压恒流控制的充电电路。

背景技术

电动汽车充电装置以开关电源为基础，通过整流滤波，高频逆变等过程将交流电转化为装置需要的直流电，从而给蓄电池进行充电。在充电过程中，电动汽车作为充电负荷会影响配电网损耗，对配电网的三项负载平衡和电压器寿命都会产生影响，所以在充电装置设计过程中要考虑对电网的影响，减少谐波污染。动力技术和控制器技术一直是制约电动汽车进一步推广的关键因素，主要表现为充电时间过长，控制算法不成熟两方面。

目前市场采用充电桩来解决电动汽车的充电问题，但是充电桩等基础设施建设费用过高，充电策略还无法将充电过程压缩到一个合理的时间范围内，充电过程中的控制算法还不够成熟，无法对充电过程相关参数进行实时有效的监测控制，使得充电效率无法得到有效提升，也在一定程度上延长了充电时间。此外，充电的开始阶段电流过大，和结束阶段蓄电池过充，都会影响蓄电池的正常使用，此问题在充电装置的设计过程中被考虑到的不多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种恒流恒压控制的充电电路，充电时间短，且能够防止过充，从而可延长蓄电设备的使用寿命。

为解决上述问题，本发明提出一种恒流恒压控制的充电电路，包括：

整流电路，用以接收交流电并将其预处理转换为第一直流电输出；

半桥电路，用以接收所述第一直流电，并在半桥电路的输出端连接第一滤波电路从而将第一直流电转换为第二直流电，所述第一滤波电路的输出端输出第二直流电，所述第二直流电用以给充电负载充电；以及

双闭环控制电路，用以采样所述半桥电路输出端的输出电流和采样所述第一滤波电路输出端的输出电压，将所述输出电压与设定电压值比较后输出，输出信号与输出电流进行比较后限流输出，限流输出信号控制所述半桥电路的开关电路的开关占空比，在所述输出电压小于设定电压值时控制占空比使得所述输出电流大致恒定不变而输出电压增大，在所述输出电压等于设定电压值时控制减小占空比，使得所述输出电流减小而输出电压大致恒定不变。

根据本发明的一个实施例，所述半桥电路包括：

第一开关管，其第一端连接所述整流电路的第一输出端，其控制端由所述双闭环控制电路控制；

第二开关管，其第一端连接所述整流电路的第二输出端，其控制端由所述双闭环控制电路控制，其第二端连接所述第一开关管的第二端；

变压器，其原边绕组的同向端连接所述第一开关管的第二端，其原边绕组的反向端连接整流电路的第二输出端，其副边绕组的反向端和其辅助绕组的同向端相接；

第一二极管，其正极连接所述变压器的副边绕组的同向端；

第二二极管，其正极连接所述变压器的辅助绕组的反向端，其负极和所述第一二极管的负极连接，并作为所述半桥电路的输出端。

根据本发明的一个实施例，所述双闭环控制电路包括：

电压采样器，用以对所述第一滤波电路输出端的输出电压进行采样，其输出端输出采样电压；

第一减法器，其负输入端连接所述电压采样器的输出端，其正输入端接收所述设定电压值，其输出端输出所述设定电压值和输出电压的差值信号；

电流采样器，用以对所述半桥电路输出端的输出电流进行采样，其输出端输出采样电流；

第二减法器，其负输入端连接所述电流采样器的输出端，其正输入端连接所述第一减法器的输出端，其输出端输出所述第一减法器输出的差值信号和采样电流的差值信号；

第一比较器，其第一输入端接收所述第二减法器的输出值，其第二输入端接收第一比较阈值，在第二减法器输出的差值信号大于所述第一比较阈值时，第一比较器的输出端输出第一驱动信号以驱动所述第一开关管导通；

第二比较器，其第一输入端接收所述第二减法器的输出值，其第二输入端接收第二比较阈值，在第二减法器输出的差值信号小于所述第二比较阈值时，第二比较器输出端输出第二驱动信号以驱动所述第二开关管导通，所述第一比较阈值大于第二比较阈值；

其中，在充电初始阶段，所述第一滤波电路输出端的输出电压小于所述设定电压值，第二减法器的输出使得所述第一开关管和第二开关管交替导通过程中的死区时间较短，充电过程为恒流充电，输出电压呈增长趋势；当所述第一滤波电路输出端的输出电压达到所述设定电压值时，第二减法器的输出使得所述第一开关管和第二开关管交替开启过程中的死区时间较长，输出电流呈减小趋势，充电过程为恒压充电。

根据本发明的一个实施例，在所述第一减法器和第二减法器之间还包括第一PI控制器，用以对所述第一减法器输出的进行稳态调节。

根据本发明的一个实施例，在第一PI控制器和第二减法器之间还包括第一限幅器，用以对第一PI控制器的输出值进行限幅。

根据本发明的一个实施例，在所述第二减法器和比较器之间还包括第二PI控制器，用以对所述第二减法器输出的差值信号进行稳态调节。

根据本发明的一个实施例，在第二PI控制器和比较器之间还包括第二限幅器，用以对第二PI控制器的输出值进行限幅。

根据本发明的一个实施例，所述第一滤波电路包括：电感，其第一端连接所述半桥电路的输出端；电容，其第一端连接所述电感的第二端并作为所述第一滤波电路的输出端，电容的第二端连接变压器副边绕组的反向端。

根据本发明的一个实施例，所述充电负载为蓄电池。

根据本发明的一个实施例，所述整流电路包括：

全桥整流电路，接收220v交流电并将其转换为直流电；

第二滤波电路，接收所述全桥整流电路输出的直流电并进行滤波，以输出所述第一直流电。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：通过双闭环控制电路采样半桥电路的输出，作为反馈信号控制半桥电路中开关部分的占空比，在初始充电时，由于半桥电路输出电压较小，开关占空比较大，开关部分均截止的时间较短，也就是死区时间较短，则半桥电路中的电流呈保持恒定，输出电压呈增大趋势，当充电到一定程度，半桥电路输出电压较大，反馈信号控制开关占空比减小，开关部分均截止的时间变长，也就是死区时间变长，则半桥电路中的电流因而减小，输出电压保持恒定，由此，通过电流反馈环路和电压反馈环路的双闭环控制电路，实现了恒压恒流控制，能够防止过充，延长充电负载的使用寿命，且充电时间缩短。

附图说明

图1是本发明实施例的恒压恒流控制的充电电路的结构框图；

图2是本发明实施例的恒压恒流控制的充电电路的电路结构示意图；

图3是本发明实施例的恒压恒流控制的充电电路的充电电压波形示意图；

图4是本发明实施例的恒压恒流控制的充电电路的充电电流波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1示出了本发明实施例的一种恒流恒压控制的充电电路，包括整流电路、半桥电路、滤波电路和双闭环控制电路。在使用时，还连接充电负载。在一个实施例中，充电负载为蓄电池，蓄电池用来为电动汽车蓄电充电。

其中，整流电路用以接收交流电并将其预处理转换为第一直流电输出。交流电可以是220v交流电，普通市电。在一个实施例中，参看图2，整流电路包括全桥整流电路和第二滤波电路。全桥整流电路接收220v交流电并将其转换为直流电，全桥整流电路包括二极管D1、D2、D3和D4，二极管D1的负极连接二极管D3的负极，二极管D2的负极连接二极管D1的正极，二极管D3的正极连接二极管D4的负极，二极管D4的正极连接二极管D2的正极，二极管D1和D2的连接点与二极管D3和二极管D4的连接点之间连接输入的交流电。第二滤波电路接收全桥整流电路输出的直流电并进行滤波，以输出第一直流电，第二滤波电路包括电感L1和电容C1，电感L1一端连接二极管D1的负极，电感L1的另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接D2的正极。整流电路还可以采用其他能够用来对交流电整流成直流的电路形式，图2示出的电路实施例并不作为限制。

半桥电路连接在整流电路之后，用来接收整流电路输出的第一直流电，由于半桥电路一般和滤波电路同时使用，因而在半桥电路的输出端连接第一滤波电路，从而实现将第一直流电转换为第二直流电，第一滤波电路的输出端输出第二直流电，第二直流电用以给充电负载充电。

参看图2，在一个实施例中，半桥电路包括：第一开关管Q1，第二开关管Q2，变压器T，第一二极管D5和第二二极管D6。第一开关管Q1的第一端连接整流电路的第一输出端，第一开关管Q1的控制端由双闭环控制电路控制，从而控制第一开关管Q1的导通与关断；第二开关管Q2的第一端连接整流电路的第二输出端，第二开关管Q2的控制端由双闭环控制电路控制，第二开关管Q2的第二端连接第一开关管Q1的第二端；变压器T的原边绕组的同向端连接所述第一开关管Q1的第二端，变压器T的原边绕组的反向端连接整流电路的第二输出端，变压器T的副边绕组的反向端和变压器T的辅助绕组的同向端相接；第一二极管D5的正极连接所述变压器的副边绕组的同向端；第二二极管D6的正极连接所述变压器T的辅助绕组的反向端，第二二极管D6的负极和所述第一二极管的负极连接，并作为所述半桥电路的输出端。

在一个实施例中，变压器T的原边绕组即一次侧，副边绕组和辅助绕组构成二次侧，较佳的，如图2所示，变压器T的匝数比为1:2:2，但不作为限制，改变匝数比可以相应改变输出电压值。开关电源拓扑结构可以分为隔离型和非隔离型变换器两大类，隔离型直流-直流变换器是在非隔型的基础上，引入变压器，进行电气隔离，通过改变输入输出电压的变比，调节输出电压的大小。半桥隔离型直流-直流变换器，起到电气隔离、方便控制电路开关的作用。

第一开关管Q1和第二开关管Q2例如可以是场效应晶体管，结型晶体管，晶闸管等能够实现开关功能的开关管，较佳的，第一开关管Q1和第二开关管Q2为高电平控制导通，低电平控制截止。

双闭环控制电路包括电压反馈环路和电流反馈环路。双闭环控制环路采样半桥电路输出端的输出电流，还采样第一滤波电路输出端的输出电压，将输出电压与设定电压值比较后输出，输出的比较信号与输出电流比较实现限流输出，限流输出信号控制半桥电路的开关电路的开关占空比，在输出电压小于设定电压值时控制占空比使得输出电流大致恒定不变，在输出电压等于设定电压值时控制减小占空比，使得输出电流减小而输出电压大致恒定不变。半桥电路包含开关电路，因而输出一脉冲信号，调整其开关占空比也就是调整该脉冲信号的脉宽，当占空比较大，即脉宽较大时，死区时间较短(死区时间是指开关电路均截止的时间，在开关电路的各开关交替导通过程中，会出现开关均截止的情况，死区时间变长，将导致后面电路电流的减小)，因而半桥电路的输出电流保持不变，第一滤波电路的输出电压(也就是充电电压)则保持增长，此过程为恒流充电过程，可以提高充电效率，缩短充电时间；而当第一滤波电路的输出电压增大到设定电压值时，输出电压与设定电压值比较值较小，因而与输出电流比较时，限流更多，导致死区时间变长，导致半桥电路及其后的电流减小，也就是输出电流减小，而输出电压保持不变，此过程为恒压充电过程，可以防止过充。

由此，本发明采用双闭环控制，通过对输出侧电流电压采样，将信息反馈到开关上进行双闭环控制，提高了充电效率。恒流充电在结束阶段存在蓄电池过充的问题，恒压充电在开始阶段充电电流过大，而本发明解决上述两问题，不存在过充问题，同时使得充电效率较高。

继续参看图2，在一个实施例中，双闭环控制电路包括：电压采样器VS，第一减法器M1，电流采样器IS，第二减法器M2，第一比较器A1和第二比较器A2。

电压采样器VS用以对所述第一滤波电路输出端的输出电压进行采样，电压采样器VS的输出端输出采样电压；第一减法器M1的负输入端连接所述电压采样器VS的输出端，第一减法器M1的正输入端接收所述设定电压值，第一减法器M1的输出端输出所述设定电压值和输出电压的差值信号；电流采样器IS用以对所述半桥电路输出端的输出电流进行采样，电流采样器IS的输出端输出采样电流；第二减法器M2的负输入端连接所述电流采样器IS的输出端，第二减法器M2的正输入端连接所述第一减法器M1的输出端，第二减法器M2的输出端输出所述第一减法器M1输出的差值信号和采样电流的差值信号；第一比较器A1的第一输入端接收所述第二减法器M2的输出值，第一比较器A1的第二输入端接收第一比较阈值，在第二减法器M2输出的差值信号大于所述第一比较阈值时，第一比较器M1的输出端输出第一驱动信号以驱动所述第一开关管Q1导通；第二比较器A2的第一输入端接收所述第二减法器M2的输出值，第二比较器A2的第二输入端接收第二比较阈值，在第二减法器M2输出的差值信号小于所述第二比较阈值时，第二比较器A2输出端输出第二驱动信号以驱动所述第二开关管Q2导通，所述第一比较阈值大于第二比较阈值。

其中，在充电初始阶段，所述第一滤波电路输出端的输出电压小于所述设定电压值，因而第一减法器M1输出的差值信号较大(电流电压)，在第二减法器中与采样电压比较，进行限流，第二减法器M2的输出端同时连接到第一比较器A1和第二比较器A2的一输入端上，当第二减法器M2输出信号大于第一比较器的第一比较阈值时，第一比较器输出高电平，从而控制第一开关管Q1导通，而与此同时，第二比较器A2输出的是低电平，第二开关管Q2截止；当第二减法器M2输出信号小于第二比较器的第二比较阈值时，第二比较器A2输出高电平，从而控制第二开关管导通，与此同时，第一比较器A1输出的是低电平，第一开关管Q1截止，如此重复，第一开关管Q1和第二开关管Q2交替导通与截止。由于第二减法器M2在初始阶段时，输出值脉宽较大，因而使得第一开关管和第二开关管交替导通过程中的死区时间较短(与恒压充电过程相比而言，两开关管同时截止的时间较短)，充电过程为恒流充电，输出电压呈增长趋势，而恒流充电，可实现快速充电；当第一滤波电路输出端的输出电压达到设定电压值时，第一减法器的输出值变得较小，在第二减法器限流之后，第二减法器的输出值脉宽较小，经比较器比较之后，使得第一开关管和第二开关管交替开启过程中的死区时间较长，导致半桥电路及其后的电路中的电路减小，因而输出电流呈减小趋势，充电过程为恒压充电，防止过充。第二减法器使得电压电流的变化接近同相。

较佳的，在第一减法器M1和第二减法器M2之间还包括第一PI(proportionalintegral controller，比例调节和积分调节)控制器PI1，用以对M1第一减法器M1输出的进行稳态调节。更佳的，在第一PI控制器和第二减法器M2之间还包括第一限幅器LIM1，用以对第一PI控制器的输出值进行限幅。

较佳的，在第二减法器M2和比较器A1A2之间还包括第二PI控制器PI2，用以对所述第二减法器M2输出的差值信号进行稳态调节。更佳的，在第二PI控制器PI2和比较器A1A2之间还包括第二限幅器LIM2，用以对第二PI控制器的输出值进行限幅。

对电路中的电压电流进行PI控制，使得电压电流达到理想的输出效果，提高响应速度，提高装置稳定性。可以提升充电电路的功率因数，减少电流、电压谐波畸变从而提高充电效益。

在一个实施例中，继续参看图2，第一滤波电路包括：电感L2和电容C2。电感L2的第一端连接半桥电路的输出端；电容C2的第一端连接所述电感L2的第二端并作为第一滤波电路的输出端，电容C2的第二端连接变压器副边绕组的反向端。

参看图3，在充电开始阶段，起始电压为260V，充电电路进入恒流充电阶段，随着充电的进行，输出电压不断上升，当电压达到340V时，输出电压逐渐保持稳定，充电电路进入恒压充电阶段。同时参看图4，在充电开始阶段，充电电流稳定在8A左右，充电过程进入恒流充电阶段，当充电达到3小时左右，充电电流不断下降，表明充电过程进入恒压充电阶段。通过图3和图4两个波形可以看出，在充电的开始阶段，充电电路进行恒流充电，以8A的电流对蓄电池进行充电，此过程中输出电压不断上升。当充电进行到3小时左右，装置进行恒压充电，充电电流不断减小，以保证电池不至于过充。在充电过程中，电压电流的变化大致符合恒压恒流充电要求，充电时间在5小时左右，较7小时减少明显，双闭环控制和功率因数矫正控制的作用得到了体现。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，包括：

整流电路，用以接收交流电并将其预处理转换为第一直流电输出；

半桥电路，用以接收所述第一直流电，并在半桥电路的输出端连接第一滤波电路从而将第一直流电转换为第二直流电，所述第一滤波电路的输出端输出第二直流电，所述第二直流电用以给充电负载充电；以及

双闭环控制电路，用以采样所述半桥电路输出端的输出电流和采样所述第一滤波电路输出端的输出电压，将所述输出电压与设定电压值比较后输出，输出信号与输出电流进行比较后限流输出，限流输出信号控制所述半桥电路的开关电路的开关占空比，在所述输出电压小于设定电压值时控制占空比使得所述输出电流大致恒定不变而输出电压增大，在所述输出电压等于设定电压值时控制减小占空比，使得所述输出电流减小而输出电压大致恒定不变。

2.如权利要求1所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，所述半桥电路包括：

第一开关管，其第一端连接所述整流电路的第一输出端，其控制端由所述双闭环控制电路控制；

第二开关管，其第一端连接所述整流电路的第二输出端，其控制端由所述双闭环控制电路控制，其第二端连接所述第一开关管的第二端；

变压器，其原边绕组的同向端连接所述第一开关管的第二端，其原边绕组的反向端连接整流电路的第二输出端，其副边绕组的反向端和其辅助绕组的同向端相接；

第一二极管，其正极连接所述变压器的副边绕组的同向端；

第二二极管，其正极连接所述变压器的辅助绕组的反向端，其负极和所述第一二极管的负极连接，并作为所述半桥电路的输出端。

3.如权利要求1或2所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，所述双闭环控制电路包括：

电压采样器，用以对所述第一滤波电路输出端的输出电压进行采样，其输出端输出采样电压；

第一减法器，其负输入端连接所述电压采样器的输出端，其正输入端接收所述设定电压值，其输出端输出所述设定电压值和输出电压的差值信号；

电流采样器，用以对所述半桥电路输出端的输出电流进行采样，其输出端输出采样电流；

第二减法器，其负输入端连接所述电流采样器的输出端，其正输入端连接所述第一减法器的输出端，其输出端输出所述第一减法器输出的差值信号和采样电流的差值信号；

第一比较器，其第一输入端接收所述第二减法器的输出值，其第二输入端接收第一比较阈值，在第二减法器输出的差值信号大于所述第一比较阈值时，第一比较器的输出端输出第一驱动信号以驱动所述第一开关管导通；

第二比较器，其第一输入端接收所述第二减法器的输出值，其第二输入端接收第二比较阈值，在第二减法器输出的差值信号小于所述第二比较阈值时，第二比较器输出端输出第二驱动信号以驱动所述第二开关管导通，所述第一比较阈值大于第二比较阈值；

其中，在充电初始阶段，所述第一滤波电路输出端的输出电压小于所述设定电压值，第二减法器的输出使得所述第一开关管和第二开关管交替导通过程中的死区时间较短，充电过程为恒流充电，输出电压呈增长趋势；当所述第一滤波电路输出端的输出电压达到所述设定电压值时，第二减法器的输出使得所述第一开关管和第二开关管交替开启过程中的死区时间较长，输出电流呈减小趋势，充电过程为恒压充电。

4.如权利要求3所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，在所述第一减法器和第二减法器之间还包括第一PI控制器，用以对所述第一减法器输出的进行稳态调节。

5.如权利要求4所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，在第一PI控制器和第二减法器之间还包括第一限幅器，用以对第一PI控制器的输出值进行限幅。

6.如权利要求3所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，在所述第二减法器和比较器之间还包括第二PI控制器，用以对所述第二减法器输出的差值信号进行稳态调节。

7.如权利要求6所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，在第二PI控制器和比较器之间还包括第二限幅器，用以对第二PI控制器的输出值进行限幅。

8.如权利要求2所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，所述第一滤波电路包括：电感，其第一端连接所述半桥电路的输出端；电容，其第一端连接所述电感的第二端并作为所述第一滤波电路的输出端，电容的第二端连接变压器副边绕组的反向端。

9.如权利要求1所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，所述充电负载为蓄电池。

10.如权利要求1所述的恒流恒压控制的充电电路，其特征在于，所述整流电路包括：

全桥整流电路，接收220v交流电并将其转换为直流电；

第二滤波电路，接收所述全桥整流电路输出的直流电并进行滤波，以输出所述第一直流电。