CN1453920A - 一种热插拔充电装置及其充电控制方法 - Google Patents

Abstract

一种热插拔充电装置及其充电控制方法，包括至少一个以上的充电模块及并联在充电模块内部输出端之间的电解电容，充电模块的输出支路中串联一个由可控开关电路和缓冲网络并联组成的热插拔保护电路。本发明由于巧妙地在充电模块输出支路中串联有由可控开关电路和缓冲网络并联组成的热插拔保护电路，充分利用可控开关电路来阻断电流的双向流动，以有效避免大电流冲击对充电器造成的损伤。

Description

一种热插拔充电装置及其充电控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别是涉及一种适用于连接电池并给电池充电的电源领域，如通信电源系统、UPS系统，或者多个整流模块并联的直流输出稳压电源系统等。

背景技术

电池充电电路广泛应用于汽车、家电、通信电源、计算机电源等领域，在现有的充电器电路和直流输出模块电路中，输出端口一般设有电解电容等滤波电路和其他器件。如图1所示：在这种结构的电路中，充电器和电池连接时，由于充电器的电压和电池电压不一定完全相同，此时会引起电池对充电器内部电解电容放电，对电解电容产生大电流冲击；多个直流输出直流电源模块并联工作时，也会出现由于在系统运行时增加整流模块时，模块之间由于电压不同引起的大电流冲击现象。这种大电流冲击会引起连接件产生电弧烧毁或对电解电容造成损伤。针对上述问题，现有的解决方案有：

(一)在充电回路外串联二极管，如图2所示，这种结构的电路引用简单，二极管可以阻断电池电流向电容充电，保护充电器在插拔过程中内部电路不受冲击电流损坏，但这种电路的缺点是：

1)由于二极管的导通压降为0.7V以上，因此大电流会在二极管上引起很大的损耗，降低充电器的效率；

2)二极管引起充电器的负载调整率等指标降低，难以满足需要高性能电源系统的供电要求；

3)二极管隔离引起充电器的输出端口峰峰值等杂音指标增大，对被供电设备产生干扰，难以满足通信设备等的供电需求。

(二)在输出端串联继电器触点的电路，如图3所示，这种结构的电路是在输出回路中串联一个继电器，该继电器可以在充电器主电路工作后，输出电压上升到额定输出电压后再吸合，从而减小电流冲击。但是这种电路仍有如下缺点：

1、冲击电流不可能完全消除，因为电池电压不可能和充电器电压完全相同，因此冲击电流仍然较大。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种可有效避免大电流冲击的热插拔充电装置及其充电控制方法。在此基础上，本发明的进一步目的是提供一种可有效防止因电池反接或者整流模块反接造成的充电器或整流模块损坏的防止电池反接的热插拔充电装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，一种热插拔充电装置，包括至少一个以上的充电模块及并联在充电模块输出端之间的电解电容，其特征在于充电模块的输出支路中串联有一个由可控开关电路和缓冲网络并联组成的热插拔保护电路。

其中上述缓冲网络可由单个电阻D₁或者单个电感L₁组成。为实现本实用新型的进一步目的，以有效避免因电池反接或整流模块反接造成的充电器损坏，上述缓冲网络也可以是由二极管D₁、电阻R₁串联或者是由二极管D₁、电感L₁串联组成。由于电阻上的电流等于电压除以电阻，因此单个电阻可以起到限制回路电流的作用；由于单个电感上的电流不能突变，使用电感时，电感上的电流从零开始上升，给模块内部电解电容充电，因此电感也可以起到电流缓冲的作用。电感或者电阻上串联二极管主要是限制电流的单相流动，上述的电流缓冲作用仍然存在。

上述可控开关电路由可控开关K1和压差检测控制电路组成，其中可控开关的输入端和输出端分别与充电模块和电池或负载的一端连接，压差检测控制电路的两输入端分别连接在可控开关的输入端和输出端，压差检测控制电路的输出端与可控开关的一控制端连接，且可控开关的另一控制端与一电源连接。

另一方面本发明所述的热插拔充电装置的充电控制方法及工作原理如下：

在充电模块的其中一输出支路中串联一个电可控开关电路和缓冲网络并联组成的热插拔保护电路；在充电模块与电池或负载连接的瞬间，可控开关K1不吸合；安装好充电模块后，电池或其他正在工作的整流模块通过缓冲网络向充电模块内部电解电容充电；当压差控制电路检测到电池电压和充电模块内部电压的压差小于某值时，控制可控开关闭合，启动充电模块工作，向电池充电或向负载供电。其中可控开关的闭合条件也可以是检测可控开关两端的电压小于某较小的数值，或者是一设定时间的延时。延时时间的确定需要保证在这段时间内，缓冲网络对电解电容充分充电，可控开关触点两端的电压差足够小，闭合可控开关不会引起大的电流冲击。

本发明由于巧妙地在充电模块输出支路中串联有由可控开关电路和缓冲网络并联组成的热插拔保护电路，充分利用可控开关电路来阻断电流的双向流动。在充电模块与电池连接的瞬间或者整流模块并联连接的瞬间，可控开关不闭合，因而不会产生大电流冲击，并可通过缓冲网络向充电模块内部电路充电，直到压差检测电路检测到电池与充电模块内部的压差达到某一值时才闭合可控开关并启动充电模块工作，向电池充电或向负载供电；或者经过一定的延时，等待模块内部的电压和外部电压相同时闭合可控开关并启动充电模块工作。

以下结合附图详细说明本发明的基本组成与工作原理：

附图说明

图1是现有技术的结构示意图；

图2是现有改进方案I的结构示意图；

图3是现有改进方案II的结构示意图；

图4是本发明实施方案I的结构示意图；

图5是本发明实施方案II的结构示意图。

具体实施方式

如图4所示，本发明包括充电模块和电池或者可并联工作的整流模块；在充电模块输出端之间并联有电解电容。其特点是充电模块的其中一输出支路中串联有一个由可控开关电路和缓冲网络组成的热插拔保护电路。其中所述缓冲网络可以是串联在充电模块的正极输出支路中，也可以是串联在充电模块的负极输出支路中。当其串联在充电模块的正极输出支路中时，使用单个电阻R₁作为缓冲网络电路简单，电阻R₁的阻值选取可以根据电容容量大小有很多选择，其取值保证电解电容的冲击电流和接插件的冲击电流在允许范围内，并保证电阻R₁不会被冲击电流损坏；在允许冲击电流较大的场合，可以选取电感L₁作为缓冲网络。

对于应用于需要电池反接或整流模块反接保护的电路，缓冲网络需要选用电阻和二极管串联或者电感和二极管串联的方式，控制电路也需要选用压差检测的电路。在电池反接或整流模块反接时，由于压差检测控制电路检测到的压差总是很大，使可控开关无法闭合，达到保护反接的充电器或整流模块的作用，同时串联有二极管的缓冲网络可以阻断反向电流，保护充电器或者整流模块不被损坏。如果缓冲网络需要选用电阻，则电阻阻值需要选取较大，以保证流过电解电容的电流小于电解电容反向电流允许值。其中本实施例中所述缓冲网络选用如图4所示的一种拓朴，其由二极管D₁、电阻R₁串联组成，其中二极管D₁的正极端与负载一端连接，其另一端串接电阻R1后与充电模块的一输出端连接。在某些特殊的应用场合，可能会出现在安装过程中，充电器或整流模块内部电解电容上有一定的较高的电压，这样在使用串联有二极管的缓冲网络时，会出现充电器或整流模块的电压无法释放，因此在可控开关闭合时，由于充电器或整流模块内部的电压高于外部电压，仍会产生电弧，或者由于有压差存在而无法闭合可控开关。在此串联二极管的网络上再增加一个阻值较大的电阻可以避免这种情况的发生。为进一步使本发明更可靠地保护充电模块和电池或负载，如图5所示，此时所述的缓冲网络还包括有电阻R₂，该电阻R₂并联在由电阻R₁和二极管D₁串联组成的电路的两端。其中并联电阻R2的作用如下：

1、在充电器输出电压为零并且和电池连接时，电阻R2和R1为并联状态，可以在充电器工作前进一步减小充电器和电池电压平衡的时间；

2、当充电器刚工作完毕又重新开始工作但是电池电压较低，或其他可能情况，导致充电器内部电解电容电压高于电池电压。这种情况下，并联的电阻R2可以将电解电容上的电压泄放，使充电器内部电解电容电压和电池电压达到平衡。

此电阻的选择需要考虑在施加2倍的充电器最高输出电压或电池电压时电阻本身不会被损坏，并且在电池反接时流过电解电容的电流很小，不会引起充电器内部电解电容损坏，因此一般情况下R₂阻值远大于R₁。

当上述缓冲网络串联在充电模块的负极输出支路中时，上述二极管D₁应反向连接。

上述可控开关电路由可控开关K₁和压差检测控制电路组成，其中可控开关K₁的输入端和输出端分别与充电模块和负载的一端连接，可控开关为可通过控制信号控制其主电路断开或者连通的继电器或可控硅晶闸管或功率晶体管或功率场效应管等。其中压差检测控制电路的两输入端分别连接在可控开关的输入端和输出端，压差检测控制电路的输出端与可控开关的一控制端连接，且可控开关的另一控制端与一电源连接。压差检测控制电路为现有技术，可以有多种实现方式，本领域所属的普通技术人员均可以不作创造性劳动地选择设计出多种结构，本实施例中所述压差检测控制电路由电阻R₃、R₄、R₅、R₆、R₇，比较器U₁、三极管Q₁组成，其中电阻R₃、R₄串联组成分压电路，其一端与充电模块一端连接，其另一端接地，其分压点与比较器U₁的正极输入端连接，电阻R₅、R₆串联组成另一分压电路，该分压电路的一端与负载端连接，其另一端接地，其分压点与比较器U₁的负极输入端连接，电阻R₇并联在比较器U₁的负极输入端与输出端之间且比较器U₁的输出端与三极管Q₁的基极连接，三极管Q₁的发射极接地，其集电极与可控开关K₁的一控制端连接。其中本实施例中，比较器U₁可以选用LM324等通用运算放大器，三极管Q₁可以选用2N4401等通用三极管。

本发明所述的防止电池反接的热插拔充电装置的充电控制方法及工作原理如下：

1)在充电模块的其中一输出支路中串联一个由可控开关电路和缓冲网络并联组成的热插拔保护电路；

2)在充电模块和电池或载连接的瞬间，可控开关电路的可控开关不吸合，使电池不会对充电模块及其中的电解电容产生大电池冲击；

3)安装好整个充电电路后，电池通过缓冲网络向充电模块反向充电当压差控制控制电路检测电池电压和充电模块内部电压压差小于某值时，或者是控制电路经过一设定时间的延迟后，才使可控开关闭合，启动充电模块工作，向电池充电或向负载供电。

Claims (9)

1、一种热插拔充电装置，包括充电模块及并联在充电模块输出端之间的电解电容，其特征在于充电模块的输出支路中串联有一个由可控开关电路和缓冲网络并联组成的热插拔保护电路。

2、根据权利要求1所述的热插拔充电装置，其特征在于上述缓冲网络由电阻R₁或电感L₁与二极管D₁组成。

3、根据权利要求1所述的热插拔充电装置，其特征在于上述缓冲网络由电阻R₁或电感L₁串联组成。

4、根据权利要求1或2或3所述的热插拔充电装置，其特征在于上述缓冲网络还包括有电阻R₂，该电阻R₂并联在由电阻R₁或电感L₁和二极管D₁串联组成的电路的两端。

5、根据权利要求1或2或3所述的热插拔充电装置，其特征在于上述可控开关电路由可控开关K1和压差检测控制电路组成，其中可控开关的两端分别与充电模块和电池或负载的一端连接，压差检测控制电路的两输入端分别连接在可控开关的输入端和输出端，压差检测控制电路的输出端与可控开关的一控制端连接，且可控开关的另一控制端与一电源连接。

6、根据权利要求5所述的热插拔充电装置，其特征在于上述可控开关为可通过控制信号控制其主电路断开或者连通的继电器或可控硅晶闸管或功率晶体管或功率场效应管或IGBT或其他可能出现的电子器件。

7、根据权利要求5所述的热插拔充电装置，其特征在于上述压差检测控制电路由电阻R₃、R₄、R₅、R₆、R₇，比较器U₁、三极管Q₁组成，其中电阻R₃、R₄串联组成分压电路，其一端与充电模块一端连接，其另一端接地，其分压点与比较器U₁的正极输入端连接，电阻R₅、R₆串联组成另一分压电路，该分压电路的一端与负载端连接，其另一端接地，其分压点与比较器U₁的负极输入端连接，电阻R₇并联在比较器U₁的负极输入端与输出端之间且比较器U₁的输出端与三极管Q₁的基极连接，三极管Q₁的发射极接地，其集电极与可控开关K₁的一控制端连接，比较器U₁选用LM324通用运算放大器，三极管Q₁选用2N4401通用三极管。

8、根据权利要求1或2或3或5所述的热插拔充电装置，其特征在于上述充电模块为单个充电电路或多个输出并联的整流模块。

9、如权利要求1所述热插拔充电装置的充电控制方法，其特征在于：在充电模块和电池或负载连接的瞬间，可控开关电路的可控开关断开，使电池不会对充电模块及其中的电解电容产生大电流冲击；

控制电路检测电池电压和充电电压模块压差，当压差小于某设定值时或者是控制电路经过一设定时间的延迟后可控开关闭合，启动充电模块工作，向电池充电或向负载供电。

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