CN108063486A - 适于多种电池充电的充电器及其充电方法、电能变换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供适于多种电池充电的充电器及其充电方法，以及电能变换电路。所述充电器包括控制单元、电池连接器和充电单元，所述电池连接器、所述充电单元均与所述控制单元连接，所述充电单元与所述电池连接器连接，还包括电池检测单元，所述电池检测单元包括依次连接的上拉电阻和接地电容，所述上拉电阻的一端用于与电源连接，另一端与所述接地电容连接。所述方法包括：检测电池的电压；根据电池的电压选择充电模式。所述电能变换电路可执行上述方法。本发明可以给不同的电池充电，电路结构简单，易于实现。

Description

适于多种电池充电的充电器及其充电方法、电能变换电路
技术领域
本发明涉及充电领域，特别涉及适于多种电池充电的充电器及其充电方法，以及电能变换电路。
背景技术
随着电子技术的发展，充电器在各个领域几乎都有应用。例如在无人机领域，无人机的遥控器和无人机机载电池，其中无人机机载电池分为普通锂电池和高压锂电池，就存在三种电池，给这三种电池充电需要配备不同的充电器，主要是因为现有的充电器无法为分辨不同的电池。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术无法为不同的电池充电的问题，提出一种适于多种电池充电的充电器及其充电方法，以及电能变换电路。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
适用于多种电池充电的充电器，包括控制单元、电池连接器和充电单元，所述电池连接器、所述充电单元均与所述控制单元连接，所述充电单元与所述电池连接器连接，还包括电池检测单元，所述电池检测单元包括依次连接的上拉电阻和接地电容，所述上拉电阻的一端用于与电源连接，另一端与所述接地电容连接；所述控制单元设置有电压检测端和电池检测端，所述电池检测端连接在所述上拉电阻和所述接地电容之间，所述电压检测端和所述电池检测端均与所述电池连接器连接；所述电池连接器设有与地连接的接地端，所述电池连接器用于将所述电压检测端、所述电池检测端和所述接地端与电池连接；所述控制单元用于通过所述电池检测单元和所述电压检测端检测出不同的电池，从而给不同的电池充电。
在一些优选的实施方式中，还包括电压平衡电路，所述电压检测端通过所述电压平衡电路与所述电池连接器连接，所述电压平衡电路包括开关管和开关管外围电路；所述控制单元设有控制端，所述控制端与所述开关管连接，所述控制端用于控制所述开关管的开通以对电池进行放电。
本发明还提供一种充电器的充电方法，采用上述的充电器，包括如下步骤：
检测电池的电压；
根据电池的电压选择充电模式：若电池的电压小于第一电压值，则选择预充电模式；若电池的电压在第一电压值以上且小于第二电压值，则选择恒流充电模式；若电池的电压在第二电压值以上，则选择恒压充电模式。
在一些优选的实施方式中，电池的数量为两个以上，在恒压充电模式下，检测电池之间的压差，若电池之间的压差大于第一压差值，则启动电压平衡模式使电池放电到平衡电压值且电池之间的压差在目标压差值以下。
在进一步优选的实施方式中，所述平衡电压值按如下方式确定：在一个周期内连续采集每个电池的N个电压值，去掉最大电压值和最小电压值，对剩余的电压值求平均得到所述平衡电压值。
在一些优选的实施方式中，在恒压充电模式下，充电电流变小直至达到恒压电流值。
在一些优选的实施方式中，在预充电模式下，计算充电时间，若充电时间超过预充电时间则告警。
在一些优选的实施方式中，在恒流充电模式下，检测电池的温度，若电池的温度超过恒流充电温度则降低充电电流。
在一些优选的实施方式中，计算充电时间，若充电时间超过设定充电时间则告警。
本发明还提供一种电能变换电路，包括处理器、存储器和一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述处理器执行，所述程序包括用于执行上述方法的指令。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
电池检测单元包括依次连接的上拉电阻和接地电容，电池检测端连接在上拉电阻和接地电容之间，上拉电阻的一端与电源连接，如此，电池检测端可以检测到电信号。而电池连接器用于将电压检测端、电池检测端和接地端与电池连接，根据不同的电池，电池检测端会出现如下情况：被直接短路到地、悬空或者与电池连接，这些情况会改变电池检测单元的电信号，也就使得电池检测端检测到的电信号不一样，从而分辨出不同的电池，对于电池检测端悬空的情况，若电压检测端检测到电压，则表明有电池与充电器连接，如此便可给不同的电池充电。
附图说明
图1为本发明的电路结构图；
图2为本发明的控制单元的电路结构图；
图3示出本发明的电池检测单元的电路结构图；
图4示出本发明的电池连接器的电路结构图；
图5为本发明的一种变型方式的电路结构图；
图6示出本发明的电压平衡电路的电路结构图；
图7为本发明的控制单元的一种变型方式的电路结构图；
图8为本发明的另一种变型方式的电路结构图；
图9为本发明的充电方法的流程图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参考图1，适用于多种电池充电的充电器包括控制单元100、电池连接器200、充电单元300和电池检测单元400，电池连接器200、充电单元300和电池检测单元400均与控制单元100连接，充电单元300和电池检测单元400均与电池连接器200连接。
电池连接器200用于与电池连接，具体形式可以为插头；充电单元300用于为电池充电，通过电池连接器200与电池连接；电池检测单元400用于检测电池的种类。
参考图3，电池检测单元400包括依次连接的上拉电阻R40和接地电容C25，上拉电阻R40的一端用于与电源连接，比如与5V的电源连接，另一端则与接地电容R25连接，接地电容R25与地连接。参考图2，控制单元100设置有电压检测端CH和电池检测端EP；参考图3，电池检测端EP连接在上拉电阻R40和接地电容R25之间，而上拉电阻R40与电源连接，电池检测端EP会检测到电信号。电压检测端CH和电池检测端EP均与电池连接器200连接，参考图2和图4，电池连接器200设有与地连接的接地端GND2，电池连接器200用于将电压检测端CH、电池检测端EP和接地端GND2与电池连接。
控制单元100用于通过电池检测单元400和电压检测端检测出不同的电池，从而给不同的电池充电。
根据不同的电池，电池检测端EP会出现如下情况：被直接短路到地、悬空或者与电池连接，这些情况会改变电池检测单元400的电信号，也就使得电池检测端EP检测到的电信号不一样，从而分辨不同的电池，对于电池检测端EP悬空的情况，若电压检测端CH检测到电压，则表明有电池与充电器连接，如此便可给不同的电池充电。电池检测单元400包括上拉电阻R40和接地电容R25，结构简单，易于实现。
具体的，对于一些充电对象，比如无人机的遥控器，是由两个串联的电池组成的，在充电时，电压检测端CH和接地端GND2与遥控器连接，而电池检测端EP会被直接短路到地以实现恒流充电，电池检测端EP检测到的电压为0V。对于普通锂电池，在充电时，电压检测端CH和接地端GND2与锂电池连接，而电池检测端EP则悬空以实现恒压充电，电池检测端EP检测到的电压为5V，电池检测端EP悬空时，若电压检测端CH检测到电压，则表明有电池与充电器连接，如此，控制单元100控制充电器给电池充电。对于高压锂电池，会比普通锂电池多出一根外接线，在这根外接线上设置有一个外置电阻，在充电时，电压检测端CH和接地端GND2与锂电池连接，电池检测端EP则与高压锂电池的外接线连接，使得上拉电阻R40与高压锂电池的外置电阻串联，电池检测端EP检测到的电压为外置电阻与上拉电阻R40分压后的电压，上拉电阻的阻值范围是1KΩ至20KΩ，外置电阻通常是10KΩ，为了方便计算，上拉电阻R40也采用10KΩ，如此，电池检测端EP检测到的电压为2.5V。也就是说，不同的电池与充电器有不同的接法，这些不同的接法会使得电池检测端EP检测到不同的电压，再结合电压检测端CH是否检测到电压，可以分辨出不同的电池，从而为不同的电池充电。
参考图5，适用于多种电池充电的充电器还包括电压平衡电路500，电压检测端CH通过电压平衡电路500与电池连接器200连接，电压平衡电路500包括开关管和开关管外围电路；控制单元100设有控制端，控制端与开关管连接，控制端用于控制开关管的开通以对电池进行放电，从而实现电池的电压平衡。
具体的，以三节电池为例对本发明作说明：
参考图6，每节电池的电压平衡电路对应不同的开关管和开关管外围电路开关管为双极结型晶体管基极和发射极之间设有拉高关断电阻以保证开关管的正常工作。第一节电池的电压平衡电路包括开关管Q12及其外围电路510；第二节电池的电压平衡电路包括开关管Q11、Q10及开关管Q10的外围电路520，开关管Q11的集电极与开关管Q10的基极连接；第三节电池的电压平衡电路包括开关管Q13、Q7及开关管Q7的外围电路530，开关管Q13的集电极与开关管Q7的基极连接。不同电池的电压平衡电路之间是这样连接的：开关管Q7的集电极通过限流电阻R38与开关管Q10的发射极连接；开关管Q10的集电极通过限流电阻R39与开关管Q12的集电极连接。
参考图7，控制单元100为微控制单元(MCU)，设有三个电压检测端，用于分别检测三节电池的电压，分别是B1_CH、B2_CH和B3_CH，三个电压检测端分别与外围电路510、520和530连接。参考图4，电池连接器200为接头，设有五个接口，这五个接口分别对应电池链接端B1、B2和B3、电池检测端EP、接地端GND2。电压检测端B1_CH、B2_CH和B3_CH连接到电压平衡电路500后与电池链接端B1、B2和B3分别连接，以检测不同电池的电压。相应的，控制单元100设有三个控制端B1_ON、B2_ON和B3_ON，分别与开关管Q12、Q11和Q13的基极连接。
电压平衡电路500是这样工作的：基于控制单元100的控制，控制端B1_ON在电压检测端B1_CH的电压高于三节电池的平均电压时为高电位，使开关管Q12导通，第一节电池放电到平衡电压。控制端B2_ON在电压检测端B2_CH的电压高于三节电池的平均电压时为高电位，使开关管Q10、Q11导通，第二节电池放电到平衡电压。控制端B3_ON在电压检测端B3_CH的电压高于三节电池的平均电压时为高电位，使开关管Q7、Q13导通，第三节电池放电到平衡电压。
以上对本发明进行了说明，但本发明还可以有一些变型的形式，比如：
电压检测端的数量还可以是两个或者四个以上；
参考图7和图8，还包括指示单元600，指示单元600用于指示充电器的工作状态，相应的控制单元100设有指示端LED_R和LED_G，指示单元600与指示端LED_R和LED_G连接,指示单元600采用LED灯进行指示；
参考图7和图8，还包括温度检测单元700，控制单元100设有温度检测端NTC，温度检测端NTC与温度检测单元700连接，从而对充电器的温度进行检测。
参考图9，上述充电器采用如下充电方法：
S100、检测电池的电压。
S200、根据电池的电压选择充电模式：若电池的电压小于第一电压值，则选择预充电模式；若电池的电压在第一电压值以上且小于第二电压值，则选择恒流充电模式；若电池的电压在第二电压值以上，则选择恒压充电模式。
在预充电模式，用小电流对电池进行预充，可以在充电的过程中保护电池，防止电池损坏；在恒流充电模式，用大电流对电池进行充电，符合电池的充电特性，特别是锂电池的充电特性，可以快速完成充电；在恒压充电模式，充电电压不变，但充电电流减少，可以使每节电池充电完成后电压相差不大，有助于延长电池的供电时间。
第一电压值和第二电压值可以根据不同的电池进行设定，以额定电压为4.2V的锂电池为例：第一电压值为3V，第二电压值为4.2V。
预充电模式的充电电流可以为30mA至100mA；恒流充电模式的充电电流可以为3.5A；在恒压充电模式下，充电电流变小直至达到恒压电流值，恒压电流值可以为100mA。
当电池的数量为两个以上时，在恒压充电模式下，检测电池之间的压差，若电池之间的压差大于第一压差值，则启动电压平衡模式使电池放电到平衡电压值且电池之间的压差在目标压差值以下。如此，每节电池充电完成后的压差得到控制，每节电池在工作的过程中就可以几乎同时达到最低电压，避免某节电池提前到达最低电压后而其它电池的电压还处于正常值，也就避免电池管理软件提前使所有电池停止工作，从而使电池的供电时间最大化。
对于额定电压为4.2V的锂电池，第一压差值可以为20mV至30mV，目标压差值可以为10mV至15mV，特别是对于无人机的锂电池，这样的压差值范围可以取得很好的效果，使无人机的单次飞行时间可以最大化。
平衡电压值按如下方式确定：在一个周期内连续采集每个通道(也即电压检测端B1_CH、B2_CH和B3_CH)的N个电压值，去掉最大电压值和最小电压值，对剩余的电压值求平均得到平衡电压值。在一个周期内采集到的数据更接近真实值。根据实验数据显示，该方式可以提高充电器的可靠性，有效控制电池的压差范围。
在预充电模式下，计算充电时间，若充电时间超过预充电时间则告警。比如，预充电时间超过25分钟，发出报警声或者闪烁红灯。如果电池一直处于预充电模式，电池可能出现了问题，发出告警可以提醒用户检查。
在恒流充电模式下，检测电池的温度，若电池的温度超过恒流充电温度则降低充电电流。这样可以避免电池的温度过高，防止电池被损坏。恒流充电温度可以设置为60°至70°，在这个温度范围内，充电电流可以降至原来的70％至80％，等恢复到正常温度后，充电电流再恢复到原来的大小。
在充电器开始充电的时候，也同时开始计算充电时间，若充电时间超过设定充电时间则告警。可以防止电池长时间充电出现意外。
本发明还提供一种电能变换电路，该电路包括处理器、存储器和一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行上述方法的指令。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.适于多种电池充电的充电器，包括控制单元、电池连接器和充电单元，所述电池连接器、所述充电单元均与所述控制单元连接，所述充电单元与所述电池连接器连接，其特征在于：还包括电池检测单元，所述电池检测单元包括依次连接的上拉电阻和接地电容，所述上拉电阻的一端用于与电源连接，另一端与所述接地电容连接；所述控制单元设置有电压检测端和电池检测端，所述电池检测端连接在所述上拉电阻和所述接地电容之间，所述电压检测端和所述电池检测端均与所述电池连接器连接；所述电池连接器设有与地连接的接地端，所述电池连接器用于将所述电压检测端、所述电池检测端和所述接地端与电池连接；所述控制单元用于通过所述电池检测单元和所述电压检测端检测出不同的电池，从而给不同的电池充电。
2.根据权利要求1所述的充电器，其特征在于：还包括电压平衡电路，所述电压检测端通过所述电压平衡电路与所述电池连接器连接，所述电压平衡电路包括开关管和开关管外围电路；所述控制单元设有控制端，所述控制端与所述开关管连接，所述控制端用于控制所述开关管的开通以对电池进行放电。
3.一种充电器的充电方法，采用如权利要求1或2所述的充电器，其特征在于包括如下步骤：
检测电池的电压；
根据电池的电压选择充电模式：若电池的电压小于第一电压值，则选择预充电模式；若电池的电压在第一电压值以上且小于第二电压值，则选择恒流充电模式；若电池的电压在第二电压值以上，则选择恒压充电模式。
4.根据权利要求3所述的充电方法，其特征在于：电池的数量为两个以上，在恒压充电模式下，检测电池之间的压差，若电池之间的压差大于第一压差值，则启动电压平衡模式使电池放电到平衡电压值且电池之间的压差在目标压差值以下。
5.根据权利要求4所述的充电方法，其特征在于所述平衡电压值按如下方式确定：在一个周期内连续采集每个电池的N个电压值，去掉最大电压值和最小电压值，对剩余的电压值求平均得到所述平衡电压值。
6.根据权利要求3或4所述的充电方法，其特征在于：在恒压充电模式下，充电电流变小直至达到恒压电流值。
7.根据权利要求3所述的充电方法，其特征在于：在预充电模式下，计算充电时间，若充电时间超过预充电时间则告警。
8.根据权利要求3所述的充电方法，其特征在于：在恒流充电模式下，检测电池的温度，若电池的温度超过恒流充电温度则降低充电电流。
9.根据权利要求3所述的充电方法，其特征在于：计算充电时间，若充电时间超过设定充电时间则告警。
10.一种电能变换电路，包括处理器、存储器和一个或多个程序，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求3至9任一项所述方法的指令。
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