CN113394861A - 基于动态调节的llc智能充电器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及充电器领域，公开了一种基于动态调节的llc智能充电器，包括控制器、PFC电路、LLC电路和检测电路；所述PFC电路的控制端与控制器相连，所述控制器对所述PFC电路功率因数进行校正，对PFC电路输出值进行调整；所述PFC电路的输出端与LLC电路的输入端相连，所述LLC电路的控制端与控制器相连，所述LLC电路对PFC电路的输出值进行隔离转换输出；所述检测电路的输入端用于采集电池充电时的电压或/和电流值，所述检测电路的输出端与控制器相连。本发明PFC输出电压根据蓄电池电压进行动态调节。蓄电池电压范围内，LLC工作频率为谐振频率。电路损耗低，充电效率高，电能利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及充电器领域，具体涉及基于动态调节的llc智能充电器。
背景技术
目前市场公知的蓄电池充电器为了提高充电效率，提高电能的利用率，LLC电路拓扑被越来越多工程师所采用。LLC电路拓扑可以实现原边功率管ZVS开启，近似ZCS关闭(关断电流为励磁电流)，降低功率管开关损耗；实现副边整流二极管ZCS，减小二极管关断损耗；进而提高充电器整体充电效率。
但LLC拓扑只有当开关频率处于谐振工作点时，电路效率才能达到最佳，若开关频率不是谐振点，整体效率会降低。蓄电池电压不是恒定值，根据蓄电池电量发生波动，蓄电池电量高，则蓄电池电压高，蓄电池电压低，则蓄电池电压低，如此导致LLC电路拓扑开关频率会跟随蓄电池电压做变化而变化，而现有的充电器电路在工作时不能使LLC的开关频率始终处于谐振频率点，导致充电效率不能处于最佳。
发明内容
本发明的目的在于提供基于动态调节的llc智能充电器。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：基于动态调节的llc智能充电器，包括控制器、PFC电路、LLC电路和检测电路；
所述PFC电路的控制端与控制器相连，所述控制器对所述PFC电路进行功率因数进行校正，对PFC电路输出值进行调整；
所述PFC电路的输出端与LLC电路的输入端相连，所述LLC电路的控制端与控制器相连，所述LLC电路对PFC电路的输出值进行隔离转换输出；
所述检测电路的输入端用于采集电池充电时的电压或/和电流值，所述检测电路的输出端与控制器相连。
优选的，所述PFC电路包括EMC滤波电路、整流电路、校正电路和第一驱动电路，所述EMC滤波电路的输出端与整流电路的输入端相连，所述整流电路的输出端与校正电路的输入端相连，所述第一驱动电路的输入端与控制器相连，所述第一驱动电路的输出端与校正电路的控制端相连。
优选的，所述校正电路包括校正芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R10、二极管D5、二极管D6、二极管D8、二极管ZD1、二极管D9、变压器TF2、三极管Q1、电感L1、电容C4、电容C5、电容C17、电容C18和电容C19；
所述校正芯片U1的一脚和八脚均与电容C4一脚和电容C5一脚相连，所述校正芯片U1的二脚与电阻R4的一脚相连，所述电阻R4的二脚与第一驱动电路的输出端相连；
所述校正芯片U1的五脚分别与电阻R3的一脚、三极管Q1的源极相连，所述校正芯片U1的六脚和七脚均与电阻R2的一脚相连，所述电阻R2的二脚分别与电阻R3的二脚、三极管Q1的栅极相连，所述三极管Q1的漏极与变压器TF2一次侧的一脚相连，所述变压器TF2一次侧的二脚分别与二极管D6正极、电感L1的一脚相连，所述电感L1的二脚分别与整流电路的输出端、二极管D5的正极相连；
所述二极管D5的负极分别与二极管D6的负极、电容C17的正极、电容C18的正极、电容C19的正极相连，且二极管D5的负极为校正电路的输出端；
所述变压器TF2二次侧的一脚分别与二极管ZD1的负极、电阻R10的一脚相连，所述变压器TF2二次侧的二脚分别与二极管D9的负极、二极管D8的正极相连，所述二极管D8的负极与电阻R10的二脚相连，所述二极管D9的正极与二极管ZD1的正极相连；
所述电容C4的二脚、电容C5的二脚、电阻R10的一脚、电容C17的负极、电容C18的负极、电容C19的负极均接地。
优选的，所述第一驱动电路包括隔离驱动芯片U5、电阻R39、电阻R40、电容C100、电容C101；
所述隔离驱动芯片U5的二脚分别与电阻R39一脚、电阻R40一脚相连，所述电阻R39的二脚与控制器相连；
所述隔离驱动芯片U5的六脚和七脚均与电阻R4的二脚相连，所述隔离驱动芯片U5的八脚分别与电容C100一脚、电容C101正极相连；
所述电容C100二脚、电容C101负极、电阻R40二脚、隔离驱动芯片U5的三脚和五脚均接地。
优选的，还包括辅助电源电路、短路保护电路、显示电路、短路保护电路、恒压恒流电路；
所述辅助电源电路的输入端与PFC电路的输出端相连，所述辅助电源电路的输出电压为控制器、PFC电路、LLC电路和检测电路提供辅助电源；
所述短路保护电路的检测端与LLC电路相连，所述短路保护电路的输出端与控制器相连；
所述显示电路与控制器相连；
所述恒压恒流电路的输入端与LLC电路相连，所述恒压恒流电路的控制端和反馈输出端均与控制器相连。
优选的，所述检测电路包括电压检测单元、电流检测单元、温度检测单元，所述电压检测单元包括蓄电池电压检测子单元和PFC电路输出电压检测子单元，所述蓄电池电压检测子单元输出端、PFC电路输出电压检测子单元输出端均与控制器相连，所述电流检测单元的输入端与LLC电路相连，所述电流检测单元的输出端与控制器相连；
所述温度检测单元与控制器相连，用于检测充电温度和环境温度。
优选的，所述控制器采用DSP控制器。
本发明的有益效果集中体现在：
1、本发明PFC输出电压根据蓄电池电压进行动态调节。
2、蓄电池电压范围内，LLC工作频率为谐振频率。
3、电路损耗低，充电效率高，电能利用率高。
附图说明
图1是本发明整体电路框图；
图2是本发明PFC电路的EMC滤波电路和整流电路原理图；
图3是本发明校正电路原理图；
图4是本发明第一驱动电路原理图；
图5是本发明LLC电路原理图；
图6是本发明第三驱动电路和第四驱动电路原理图；
图7是本发明辅助电源电路原理图；
图8是本发明短路保护电路原理图；
图9是本发明显示电路原理图；
图10本发明控制器及外围电路原理图；
图11是本发明恒流恒压电路原理图；
图12是本发明电流检测单元原理图；
图13是本发明电压检测单元原理图；
图14是本发明温度检测单元原理图；
图15是本发明充电控制流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，基于动态调节的llc智能充电器，包括控制器、PFC电路、LLC电路和检测电路；在本实施例中控制器优选采用DSP控制器，也可选用STC12系列的单片机等；
所述PFC电路的控制端与控制器相连，所述控制器对所述PFC电路输入的市电的功率因数进行校正，对PFC电路输出至进行调整，即根据蓄电池电压，控制器动态调节PFC输出直流高压；
所述PFC电路的输出端与LLC电路的输入端相连，所述LLC电路的控制端与控制器相连，所述LLC电路对PFC电路的输出值进行隔离转换输出，即LLC电路在DSP控制电路的控制下，实现DC-DC能量的隔离转换，通过高频隔离变压器转变为可供对蓄电池充电的充电电流或充电电压；
所述检测电路的输入端用于采集电池充电时的电压或/和电流值，所述检测电路的输出端与控制器相连。
如图15所示，在本实施例中的充电控制方法为：
S1：充电连接：将充电器与电源相连，充电器的输出对蓄电池进行充电；
S2：蓄电池电压检测：测量出蓄电池当前电压值V_bat1；
S3：功率因数校正：确定充电器的PFC电路输出的直流高压DC_BUS，通过充电器的控制器对PFC电路功率因数进行校正，使PFC电路输出的直流高压调整值与蓄电池当前电压值相匹配；
S4：恒流充电：利用充电器的LLC电路对直流高压调整值进行隔离转换输出，并对蓄电池进行恒流充电；
S5：重复判定：充电一段时间后，判断蓄电池的电压是否发生变化，若出现变化，重复步骤S2～S4；若未出现变化，保持步骤S4持续对蓄电池进行充电。
在本实施例中在步骤S3中，所述直流高压调整值V_bus1与蓄电池当前电压值V_bat1的关系为：V_bus1＝N*V_bat1，其中N为充电器的隔离变压器匝数比，如图2所示，即为隔离变压器TF1的匝数比。
在本实施例中，所述蓄电池的额定电压为12V，且蓄电池的充电电压为10VDC-15VDC，同时所述V_bat1的取值范围为：10VDC-15VDC。
在步骤S5中，蓄电池的电压变化判断方法具体为：首先测量出蓄电池充电一段时间后的下一时刻电压当前值V_bat2，且将V_bat1作为蓄电池充电一段时间后的上一时刻电压当值，再判断V_bat2和V_bat1是否相等。
进一步的，如图2-4所示，所述PFC电路包括EMC滤波电路、整流电路、校正电路和第一驱动电路，所述EMC滤波电路的输出端与整流电路的输入端相连，所述整流电路的输出端与校正电路的输入端相连，所述第一驱动电路的输入端与控制器相连，所述第一驱动电路的输出端与校正电路的控制端相连。
具体的，如图3所示，所述校正电路包括校正芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R10、二极管D5、二极管D6、二极管D8、二极管ZD1、二极管D9、变压器TF2、三极管Q1、电感L1、电容C4、电容C5、电容C17、电容C18和电容C19；
所述校正芯片U1的一脚和八脚均与电容C4一脚和电容C5一脚相连，所述校正芯片U1的二脚与电阻R4的一脚相连，所述电阻R4的二脚与第一驱动电路的输出端相连；
所述校正芯片U1的五脚分别与电阻R3的一脚、三极管Q1的源极相连，所述校正芯片U1的六脚和七脚均与电阻R2的一脚相连，所述电阻R2的二脚分别与电阻R3的二脚、三极管Q1的栅极相连，所述三极管Q1的漏极与变压器TF2一次侧的一脚相连，所述变压器TF2一次侧的二脚分别与二极管D6正极、电感L1的一脚相连，所述电感L1的二脚分别与整流电路的输出端、二极管D5的正极相连；
所述二极管D5的负极分别与二极管D6的负极、电容C17的正极、电容C18的正极、电容C19的正极相连，且二极管D5的负极为校正电路的输出端；
所述变压器TF2二次侧的一脚分别与二极管ZD1的负极、电阻R10的一脚相连，所述变压器TF2二次侧的二脚分别与二极管D9的负极、二极管D8的正极相连，所述二极管D8的负极与电阻R10的二脚相连，所述二极管D9的正极与二极管ZD1的正极相连；电阻R10的一脚为电流采样端，校正芯片U1对该端进行电流采样，实现功率因数的校正；
所述电容C4的二脚、电容C5的二脚、电阻R10的一脚、电容C17的负极、电容C18的负极、电容C19的负极均接地。
进一步的，如图4所示，所述第一驱动电路包括隔离驱动芯片U5、电阻R39、电阻R40、电容C100、电容C101；在本实施例中隔离驱动芯片U5采用光耦隔离芯片；
所述隔离驱动芯片U5的二脚分别与电阻R39一脚、电阻R40一脚相连，所述电阻R39的二脚与控制器相连；
所述隔离驱动芯片U5的六脚和七脚均与电阻R4的二脚相连，所述隔离驱动芯片U5的八脚分别与电容C100一脚、电容C101正极相连；
所述电容C100二脚、电容C101负极、电阻R40二脚、隔离驱动芯片U5的三脚和五脚均接地。
如图5、6所示，所述LLC电路包括二极管D3、二极管D4、二极管D1、二极管D2、二极管D21、二极管D22、隔离变压器TF5、变压器TF4、变压器TF3、三极管Q3、三极管Q4、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R48、电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R43，三极管Q101、三极管Q105、电容C112、电容C110、电容C111、电容C40、电容C21、电容C22、电容C23、电容C26、电容C27、电容Y5、电容Y6、电容Y7、电容Y8和第二电感L2；具体的连接关系如图5所示，在本实施例中三极管Q101和三极管Q105采用PNP三极管，三极管Q3和三极管Q4采用MOS管；其中二极管D4的正极为该电路的第一控制端、二极管D2的正极为该电路的第二控制端，三极管Q4的漏极与PFC电路的输出端相连；第一控制端和第二控制端分别连接有第三驱动电路和第四驱动电路，第三驱动电路和第四驱动电路的输入端均与控制器相连，第三驱动电路和第四驱动电路如图6所示。
进一步的，本发明的充电器还包括辅助电源电路、短路保护电路、显示电路、恒压恒流电路；
如图7所示，所述辅助电源电路的输入端与PFC电路的输出端相连，所述辅助电源的输出电压为控制器、PFC电路、LLC电路和检测电路提供辅助电源；在本实施例中辅助电源电路采用EPC19高频变压器，该辅助电源电路可将PFC电路输出的电压转换为+15V，同时再将+15V的电压转换为+5V，以及将+5V电压转换为+3.3V。
如图8所示，短路保护电路用于当电路发生短路时，快速关闭相关电路，防止电路损坏而造成的相关损失以及不安全因素；具体的，所述短路保护电路包括三极管Q9、三极管Q8、三极管Q5、电阻R160、电阻R176、电阻R174、电阻R175、电阻R169、电容C95、电容C90、电容C91、电容C92；
电阻R176一脚与LLC电路的电阻R48的其中一脚相连，电阻R176二脚分别与电阻R174一脚、电容C95一脚相连，所述电阻R174的二脚分别与三极管Q8的发射极、电容C91的一脚、三极管Q5的基极相连，所述三极管Q8的集电极分别与电阻R160的一脚、电容C90一脚、三极管Q5的集电极、三极管Q4的基极相连，所述三极管Q8的基极分别与电容C91的二脚、电阻R175的一脚、三极管Q5的发射极相连；三极管Q9的集电极分别与电阻R169的一脚、电容C92一脚相连，且该端与控制器相连。
如图9所示，显示电路用于完成相关信息的显示，并可通过按键设置充电电流，蓄电池类型选择以及对蓄电池进行修复等功能。
如图11所示，恒流恒压电路用于完成电路恒压以及恒流功能的自动控制，将DSP发出的阶段控制信号转变为可控制MOS管的PWM信号，并通过驱动电路最终实现蓄电池的充电；电路中的VDEM端、以及IDEM端分别与控制器相连，VF端为电压反馈信号，VCS端为电流反馈信号，VF端与LLC电路的变压器TF2二次侧的三脚相连；VCS端连接在电阻R43的两端。
进一步的，所述检测电路包括电压检测单元、电流检测单元、温度检测单元；
如图13所示，所述电压检测单元包括蓄电池电压检测子单元(图13的上部分电路)和PFC电路输出电压检测子单元(图13下部分电路)，所述蓄电池电压检测子单元输出端、PFC电路输出电压检测子单元输出端均与控制器相连；
如图12所示，所述电流检测单元的输入端与LLC电路相连，所述电流检测单元的输出端与控制器相连；
如图14所示，所述温度检测单元与控制器相连，用于检测充电温度和环境温度。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
Claims (7)
1.基于动态调节的llc智能充电器，其特征在于：包括控制器、PFC电路、LLC电路和检测电路；
所述PFC电路的控制端与控制器相连，所述控制器对所述PFC电路的功率因数进行校正，对PFC电路输出值进行调整；
所述PFC电路的输出端与LLC电路的输入端相连，所述LLC电路的控制端与控制器相连，所述LLC电路对PFC电路的输出值进行隔离转换输出；
所述检测电路的输入端用于采集电池充电时的电压或/和电流值，所述检测电路的输出端与控制器相连。
2.根据权利要求1所述的基于动态调节的llc智能充电器，其特征在于：所述PFC电路包括EMC滤波电路、整流电路、校正电路和第一驱动电路，所述EMC滤波电路的输出端与整流电路的输入端相连，所述整流电路的输出端与校正电路的输入端相连，所述第一驱动电路的输入端与控制器相连，所述第一驱动电路的输出端与校正电路的控制端相连。
3.根据权利要求2所述的基于动态调节的llc智能充电器，其特征在于：所述校正电路包括校正芯片U1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R10、二极管D5、二极管D6、二极管D8、二极管ZD1、二极管D9、变压器TF2、三极管Q1、电感L1、电容C4、电容C5、电容C17、电容C18和电容C19；
所述校正芯片U1的一脚和八脚均与电容C4一脚和电容C5一脚相连，所述校正芯片U1的二脚与电阻R4的一脚相连，所述电阻R4的二脚与第一驱动电路的输出端相连；
所述校正芯片U1的五脚分别与电阻R3的一脚、三极管Q1的源极相连，所述校正芯片U1的六脚和七脚均与电阻R2的一脚相连，所述电阻R2的二脚分别与电阻R3的二脚、三极管Q1的栅极相连，所述三极管Q1的漏极与变压器TF2一次侧的一脚相连，所述变压器TF2一次侧的二脚分别与二极管D6正极、电感L1的一脚相连，所述电感L1的二脚分别与整流电路的输出端、二极管D5的正极相连；
所述二极管D5的负极分别与二极管D6的负极、电容C17的正极、电容C18的正极、电容C19的正极相连，且二极管D5的负极为校正电路的输出端；
所述变压器TF2二次侧的一脚分别与二极管ZD1的负极、电阻R10的一脚相连，所述变压器TF2二次侧的二脚分别与二极管D9的负极、二极管D8的正极相连，所述二极管D8的负极与电阻R10的二脚相连，所述二极管D9的正极与二极管ZD1的正极相连；
所述电容C4的二脚、电容C5的二脚、电阻R10的一脚、电容C17的负极、电容C18的负极、电容C19的负极均接地。
4.根据权利要求3所述的基于动态调节的llc智能充电器，其特征在于：所述第一驱动电路包括隔离驱动芯片U5、电阻R39、电阻R40、电容C100、电容C101；
所述隔离驱动芯片U5的二脚分别与电阻R39一脚、电阻R40一脚相连，所述电阻R39的二脚与控制器相连；
所述隔离驱动芯片U5的六脚和七脚均与电阻R4的二脚相连，所述隔离驱动芯片U5的八脚分别与电容C100一脚、电容C101正极相连；
所述电容C100二脚、电容C101负极、电阻R40二脚、隔离驱动芯片U5的三脚和五脚均接地。
5.根据权利要求1所述的基于动态调节的llc智能充电器，其特征在于：还包括辅助电源电路、短路保护电路、显示电路、恒压恒流电路；
所述辅助电源电路的输入端与PFC电路的输出端相连，所述辅助电源电路的输出电压为控制器、PFC电路、LLC电路和检测电路提供辅助电源；
所述短路保护电路的检测端与LLC电路相连，所述短路保护电路的输出端与控制器相连；
所述显示电路与控制器相连；
所述恒压恒流电路的输入端与LLC电路相连，所述恒压恒流电路的控制端和反馈输出端均与控制器相连。
6.根据权利要求1所述的基于动态调节的llc智能充电器，其特征在于：所述检测电路包括电压检测单元、电流检测单元、温度检测单元，所述电压检测单元包括蓄电池电压检测子单元和PFC电路输出电压检测子单元，所述蓄电池电压检测子单元输出端、PFC电路输出电压检测子单元输出端均与控制器相连，所述电流检测单元的输入端与LLC电路相连，所述电流检测单元的输出端与控制器相连；
所述温度检测单元与控制器相连，用于检测充电温度和环境温度。
7.根据权利要求1所述的基于动态调节的llc智能充电器，其特征在于：所述控制器采用DSP控制器。
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