CN207994703U - 一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，充电器包括顺次连接的市电接口、功率变换电路、继电器和充电接口，待充电的电池通过充电接口充电；还包括恒压恒流输出控制模块：包括单片机模块、供电模块、电池电压采集模块和输出电流采集模块，其中，电池电压采集模块和输出电流采集模块用于采集电池的电压电流传输至单片机模块，单片机模块发送控制信号至继电器；电池电压采集模块包括电压偏置电路，采集的电压信号通过该电压偏置电路增加正向电压偏置，使单片机模块可以采集电池的负电压信号；本实用新型在电池发生过放保护时也能准确识别出电池的连接状态，从而启动充电，适用面更广，使用便捷性更优更智能。

Description

一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充 电器

技术领域

本实用新型属于大功率锂电池充电器技术领域，具体涉及一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器。

背景技术

目前市场上的大功率充电器，为了实现反接、短路和开路保护，充电器内部输出端使用继电器作保护开关，此开关需要在正确连接电池后，由电池端取一定大小的电流(通常为数十mA)来激活继电器，以此启动充电。若需要充电的锂电池已经发生了过放电保护，则因为电池不能提供此保护开关的激活电流，从而造成无法充电的问题。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型目的在于提供一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，包括顺次连接的市电接口、功率变换电路、继电器和充电接口，待充电的电池通过充电接口充电；还包括恒压恒流输出控制模块，该恒压恒流输出控制模块包括单片机模块、供电模块、电池电压采集模块和输出电流采集模块，其中，电池电压采集模块和输出电流采集模块的采集端接到继电器的输出端用于采集电池的电压电流且采集输出端接到单片机模块的信号采集端，单片机模块的控制输出端还与继电器的控制输入端连接，用于发送控制信号至继电器；所述电池电压采集模块包括电压偏置电路，所述采集的电压信号通过该电压偏置电路增加正向电压偏置，使单片机模块可以采集电池的负电压信号；所述输出电流采样模块包括采集电池电流的采集端IS+、采样电阻和差分放大器，采样电阻的两端分别连接采集端IS+和地，采集端IS+通过电阻R613连接差分放大器的同相输入端，对采样电阻得到的信号经过差分放大器后传输至单片机模块的信号采集端。

智能充电器由AC输入交流市电(110V或220V)，经过EMC滤波器整流得到约300V直流电压，然后由PWM芯片控制在功率变换器内将直流电压斩波为交流方波，然后通过变压器转换到次级，最后通过整流输出模块整流滤波得到需要的直流电能量。

输出电流采样模块的主要功能就是将采集端IS+和地之间的电压差(就是采样电阻两端的电压差)放大到适合单片机采样的范围。以提高电流采样的精确度，也节约了单片机计算实际电流所需的软件资源。

具体地，所述电压偏置电路包括相互串联后连接于直流电与地之间的采集电阻R802和采集电阻R804以及与采集电阻R804并联的稳压二极管ZD801，电压偏置电路还包括与采集电阻R802串联的分压二极管D801；所述采集电阻R802和采集电阻R804之间的节点通过相互串联的分压电阻R303和分压电阻R304连接至电池用于采集电池的电压信号，并将采集的电池电压信号传输至单片机模块的信号采集端。

分压二极管D801、采集电阻R802和采集电阻R804增加了正向电压偏置，可使单片机可以采集负电压信号。

进一步地，所述功率变换电路包括顺次连接的EMC滤波器、整流滤波器、功率变换器和整流输出模块；所述EMC滤波器的电压输入端与市电接口连接，整流输出模块的电压输出端与继电器的电压输入端连接，继电器的电压输出端与充电接口的电压输入端连接；所述功率变换器的输入端还连接有PWM芯片。

更进一步地，所述单片机模块包括由单片机、复位、供电以及外部晶振构成的最小系统，所述单片机采用芯片STM8S103。

更进一步地，所述单片机还连接有快充开关。实现快速充电。所述单片机还连接有程序仿真和下载接口；所述单片机还连接有指示灯模块；所述单片机还连接有通讯模块，该通讯模块包括通信芯片ADM483和与通信芯片ADM483连接的RS485通讯接口。

一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器还包括温度采集模块，所述温度采集模块的采集端接到功率变换电路用于采集功率变换电路的温度且采集输出端与单片机模块连接用于传输温度信号至单片机模块内，单片机模块的控制输出端还连接有散热风扇。所述温度采集模块包括温度传感器，该温度传感器连接至单片机模块的信号采集端，所述温度传感器采用NTC。

一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器的实现方法，包括步骤：

S1、每个系统工作周期中，底层任务对充电状态信号实时采集；

S2、中层任务对步骤S1中采集得到的充电状态信号作计算并分析，然后传输至顶层；

S3、顶层任务对该智能充电器作控制；

所述步骤S1-S3通过如下主程序流程实现，主程序流程，包括步骤：

A1、开始，延时等待系统稳定；

A2、采集按键消息，根据键值作相应控制，退出按键采集，继续采集充电状态信号；

A3、采集RTC(实时时钟)消息，刷新指示灯状态，退出RTC采集，继续采集充电状态信号；

A4、采集电压采集消息，换算实际电压值0.1V/bit，退出电压采集，继续采集充电状态信号；

A5、采集电流采集消息，换算实际电流值0.1A/bit，退出电流采集，继续采集充电状态信号；

A6、采集温度采集消息，换算温度值，执行充电控制程序，退出温度采集，继续采集充电状态信号；

A7、若均未采集到步骤A2-A6中的消息，则喂狗，退出，继续采集充电状态信号。

根据底层任务传递的消息执行相应的应用程序，以实现不同的功能。

进一步地，所述充电控制程序流程，包括步骤：

B1、开始，执行风扇控制子程序；

B2、判断温度是否高于过温度保护值，若是，则进入过温度保护状态ChgMode＝OTP，关闭PWM芯片，关闭输出端继电器，返回主程序；若否，则执行步骤B3；

B3、判断是否检测到负电压，若是，则进入反接保护状态ChgMode＝RCP，关闭PWM芯片，关闭输出继电器，返回主程序；若否，则执行步骤B4；

B4、检测电压是否低于0.5V，若是，则无电池连接，关闭PWM芯片，关闭输出继电器，返回主程序；若否，则执行步骤B5；

B5、等待，设置一个小电流充电，若实际充电电流大于充满电电流的一半，则认为电池连接正确，执行标准充电模式，并返回主程序；

B6、在过温度保护状态或者反接保护状态下，等待故障解除后，执行等待，并返回主程序；

B7、标准充电模式，若充电电流小于充满电流，则电池充满，断开充电回路，若快充开关按下，则进入快充模式，并返回主程序；

B8、快充模式，若充电电流小于充满电流，则电池充满，断开充电回路，若快充开关断开，则进入标准充电模式，并返回主程序；

B9、电池充满，延时后检测电池电压，若大于2.5V，执行等待，并返回主程序；

B10、测试模式，使能PWM，闭合输出端继电器，设置为最大电流输出，并返回主程序；

B11、若未执行步骤B5-B10，则返回主程序。

更进一步地，所述系统工作周期由Timer1的2ms中断服务程序设定，所述Timer1的2ms中断服务程序设定流程，包括步骤：

C1、标志位清零，等待下次中断；

C2、判断计数是否达250次，若是，则先进入RTC子程序，然后再进入底层任务循环；若否，则直接进入底层任务循环，并返回主程序。

再进一步地，所述电压采集、电流采集和温度采集按系统工作周期每10ms进行一次，每次采集值存入对应数组中。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型可以在电池发生过放保护时也能准确识别出电池的连接状态，从而启动充电，相对现有的大功率充电器而言，适用面更广，使用便捷性更优，更智能。

本实用新型硬件上具有以下创新点：第一、由于电池电压采集增加了正向电压偏置，使单片机可以采集负电压值；第二、由于分压电阻阻值的取值，能让采集电路只需要极小的采集电流(nA级)就可以工作。

本实用新型软件上具有以下创新点：第一、电压、电流和温度采集、滤波和换算的实现方式，其中，每10ms对电压、电流和温度采集一次，并存入对应的数组，换算时对最近的10次采集值去掉最大最小值后取平均值，实现滑动滤波，对周期性干扰有良好的抑制作用，数据平滑度高。

本实用新型还提供了快充开关，在需要使用快充时，按下此快充开关后可以使用更大电流对电池快速充电。

附图说明

图1是本实用新型的系统框图。

图2是本实用新型的电路原理图。

图3是本实用新型的主程序流程图。

图4是本实用新型的充电控制程序流程图。

图5是本实用新型的Timer1的2ms中断服务程序流程图。

图6是本实用新型的底层任务流程图。

图7是本实用新型的电压采集流程图。

图8是本实用新型的反接保护的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步阐述。

如图1-2所示，本实施例的一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，包括市电接口、功率变换电路、继电器、充电接口，待充电的电池通过该充电接口充电。

在本实施例中，功率变换电路包括顺次连接的EMC滤波器、整流滤波器、功率变换器和整流输出模块，其中，EMC滤波器的电压输入端与市电接口连接，整流输出模块的电压输出端与继电器的电压输入端连接，继电器的电压输出端与充电接口的电压输入端连接。

在本实施例中，功率变换器的输入端还连接有PWM芯片。

智能充电器由AC输入交流市电(110V或220V)，经过EMC滤波器整流得到约300V直流电压，然后由PWM芯片控制在功率变换器内将直流电压斩波为交流方波，然后通过变压器转换到次级，最后通过整流输出模块整流滤波得到需要的直流电能量。

智能充电器，还包括恒压恒流输出控制模块，该恒压恒流输出控制模块包括单片机模块、供电模块、电池电压采集模块和输出电流采集模块，其中，电池电压采集模块和输出电流采集模块的采集端接到继电器的输出端用于采集电池的电压电流，电池电压采集模块和输出电流采集模块的采集输出端接到单片机模块的信号采集端，单片机模块的控制输出端还与继电器的控制输入端连接，用于发送控制信号至继电器。

智能充电器，还包括温度采集模块，温度采集模块的采集端接到功率变换电路用于采集功率变换电路的温度，温度采集模块的采集输出端与单片机模块连接用于传输温度信号至单片机模块内，单片机模块的控制输出端还连接有散热风扇。

单片机模块用于电压、电流和温度信号采集与分析，单片机模块根据得到的信号判断出智能充电器的工作状态，然后根据需要实时调整智能充电器的工作状态。

在本实施例中，供电模块包括三端稳压器，该三端稳压器将输入的电源转换成5V直流电并滤波后输出为整个恒压恒流输出控制模块供电。

在本实施例中，单片机模块包括由单片机、复位、供电以及外部晶振构成的最小系统，还包括一些需要的功能接口。单片机采用芯片STM8S103。

在本实施例中，电池电压采集模块包括由相互串联后连接于5V直流电与地之间的采集电阻R802和采集电阻R804以及与采集电阻R804并联的稳压二极管ZD801组成的电压偏置电路，该电压偏置电路还包括与采集电阻R802串联的分压二极管D801，采集电阻R802和采集电阻R804之间的节点通过相互串联的分压电阻R303和分压电阻R304连接至电池用于采集电池的电压信号，并在滤波后将采集的电池电压信号传输至单片机的信号采集端(14引脚)。

分压二极管D801、采集电阻R802和采集电阻R804增加了正向电压偏置，可使单片机可以采集负电压信号，本实施中，采集电阻R802和采集电阻R804的阻值均为47K，分压电阻R303和分压电阻R304的阻值均为470K，采集电阻的阻值经过多次反复试验得到，使其对有过放电保护的电池识别更好，更准确地识别出电池是否正确连接、是否有短路故障，同时还可节约软件对电压计算的资源。

在本实施例中，输出电流采样模块包括采集电池电流的采集端IS+、采样电阻和差分放大器，采样电阻的两端分别连接采集端IS+和地，采集端IS+通过电阻R613连接差分放大器的同相输入端，对采样电阻得到的信号经过差分放大器后传输至单片机模块的信号采集端(20引脚)。输出电流采样模块的主要功能就是将采集端IS+和地之间的电压差(就是采样电阻两端的电压差)放大到适合单片机采样的范围。以提高电流采样的精确度，也节约了单片机计算实际电流所需的软件资源。

在本实施例中，温度采集模块包括温度传感器，该温度传感器连接至单片机的信号采集端(19引脚)。使用NTC作为温度传感器，将温度信号转换为电压信号提供给单片机采集。

单片机的控制输出端(15引脚)与继电器的控制输入端连接，继电器还连接有上拉电阻R811，单片机的控制输出端(12引脚)与散热风扇的控制输入端连接，散热风扇还连接有上拉电阻R812，加上拉电阻，加强了IO口的驱动能力。

单片机还连接有快充开关K801，实现快速充电。单片机还连接有测试模式按键S1。单片机还连接有程序仿真和下载接口SWIM，用于烧录单片机程序。

单片机的10引脚输出Iset，Iset用于控制输出充电电流大小，当快速充电和标准充电时，充电电流大小不一样，需要Iset来控制。

单片机的11引脚输出FaultSgn，FaultSgn是一个故障信号，可接LED或蜂鸣器，在智能充电器发生故障时可以作声光报警。

单片机还连接有指示灯模块，该指示灯模块与单片机的17引脚连接，为了节约单片机的IO口，本实施例使用一只PNP三极管实现只需要一个IO口来控制双色LED的点亮。PNP三极管的基极通过一个电阻R818与单片机的17引脚连接，PNP三极管的集电极通过一个电阻R805与双色LED的1引脚连接，单片机的17引脚通过一个电阻R810与双色LED的3引脚连接。

单片机还连接有通讯模块，该通讯模块包括通信芯片ADM483和与通信芯片ADM483连接的RS485通讯接口，可用于该智能充电器与其他设备之间的通讯。

一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器的实现方法，包括步骤：

S1、每个系统工作周期中，底层任务对充电状态信号实时采集；

S2、中层任务对步骤S1中采集得到的充电状态信号作计算并分析，然后传输至顶层；

S3、顶层任务对该智能充电器作控制。

如图3所示，图3为主程序流程图，即实现方法整体流程图。

中层任务在单片机模块内进行。

顶层任务通过单片机模块分别发送控制信号至继电器的控制输入端和散热风扇的控制输入端控制其工作。

主程序流程，包括步骤:

A1、开始，延时等待系统稳定；

A2、采集按键消息，根据键值作相应控制，退出按键采集，继续采集充电状态信号；

A3、采集RTC(实时时钟)消息，刷新指示灯状态，退出RTC采集，继续采集充电状态信号；

A4、采集电压采集消息，换算实际电压值0.1V/bit，退出电压采集，继续采集充电状态信号；

A5、采集电流采集消息，换算实际电流值0.1A/bit，退出电流采集，继续采集充电状态信号；

A6、采集温度采集消息，换算温度值，执行充电控制程序，退出温度采集，继续采集充电状态信号；

A7、若均未采集到步骤A2-A6中的消息，则喂狗，退出，继续采集充电状态信号。

根据底层任务传递的消息执行相应的应用程序，以实现不同的功能。

如图4所示，图4为充电控制程序流程图。

充电控制程序流程，包括步骤：

B1、开始，执行风扇控制子程序；

B2、判断温度是否高于过温度保护值，若是，则进入过温度保护状态ChgMode＝OTP，关闭PWM芯片，关闭输出端继电器，返回主程序；若否，则执行步骤B3；

B3、判断是否检测到负电压，若是，则进入反接保护状态ChgMode＝RCP，关闭PWM芯片，关闭输出继电器，返回主程序；若否，则执行步骤B4；

B4、检测电压是否低于0.5V，若是，则无电池连接，关闭PWM芯片，关闭输出继电器，返回主程序；若否，则执行步骤B5；

B5、等待，设置一个小电流充电，若实际充电电流大于充满电电流的一半，则认为电池连接正确，执行标准充电模式，并返回主程序；

B6、在过温度保护状态或者反接保护状态下，等待故障解除后，执行等待，并返回主程序；

B7、标准充电模式，若充电电流小于充满电流，则电池充满，断开充电回路，若快充开关按下，则进入快充模式，并返回主程序；

B8、快充模式，若充电电流小于充满电流，则电池充满，断开充电回路，若快充开关断开，则进入标准充电模式，并返回主程序；

B9、电池充满，延时后检测电池电压，若大于2.5V，执行等待，并返回主程序；

B10、测试模式，使能PWM，闭合输出端继电器，设置为最大电流输出，并返回主程序；

B11、若未执行步骤B5-B10，则返回主程序。

软件系统工作周期由Timer1的2ms中断服务程序设定，如图5所示，图5为Timer1的2ms中断服务程序流程图。

Timer1的2ms中断服务程序流程，包括步骤：

C1、标志位清零，等待下次中断；

C2、判断计数是否达250次(50ms)，若是，则先进入RTC子程序，然后再进入底层任务循环；若否，则直接进入底层任务循环，并返回主程序。

底层任务由5个基本子任务组成，每次执行一个任务，如果6所示，图6为底层任务流程图。

5个基本子任务包括检测按键、电压采集、电流采集、温度采集和指示灯状态刷新。

电压采集、电流采集和温度采集按系统工作周期每10ms进行一次，每次采集值存入对应数组中，以电压采集流程图示例，如图7所示，图7为电压采集流程图。

电压采集流程，包括步骤：

D1、开始，判断ADC功能是否被使能，若是，则执行步骤D2；若否，则返回主程序；

D2、判断++V_ADCCounter＝10？若是，则执行V_ADCCounter＝0；若否，则开始单次ADC采集；

D3、等待采集完成，将采集值存入电压采集值数组；

D4、送出电压采集消息，并返回主程序。

电压换算中，根据是否大于电压偏置值来确定是否反接，从而给出反接标志，如图8所示，图8为反接保护的流程图。

反接保护的流程，包括步骤：

E1、开始，判断ADC功能是否被使能，若是，则执行步骤E2，若否，则返回主程序；

E2、求出电压采集值数组中的最大最小值，并求和；

E3、减去最大最小值，然后求平均值；

E4、判断是否小于电压偏置值，若是，则设置反接标志位为真，并执行步骤E5；若否，则执行步骤E5；

E5、减去偏置值后按实际电路分压计算出实际电压值，结束。

本实用新型不局限于上述可选实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本实用新型权利要求界定范围内的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，其特征在于：包括顺次连接的市电接口、功率变换电路、继电器和充电接口，待充电的电池通过充电接口充电；

还包括恒压恒流输出控制模块，该恒压恒流输出控制模块包括单片机模块、供电模块、电池电压采集模块和输出电流采集模块，其中，电池电压采集模块和输出电流采集模块的采集端接到继电器的输出端用于采集电池的电压电流且采集输出端接到单片机模块的信号采集端，单片机模块的控制输出端还与继电器的控制输入端连接，用于发送控制信号至继电器；

所述电池电压采集模块包括电压偏置电路，所述采集的电压信号通过该电压偏置电路增加正向电压偏置，使单片机模块可以采集电池的负电压信号；

所述输出电流采样模块包括采集电池电流的采集端IS+、采样电阻和差分放大器，采样电阻的两端分别连接采集端IS+和地，采集端IS+通过电阻R613连接差分放大器的同相输入端，对采样电阻得到的信号经过差分放大器后传输至单片机模块的信号采集端。

2.根据权利要求1所述的一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，其特征在于：所述电压偏置电路包括相互串联后连接于直流电与地之间的采集电阻R802和采集电阻R804以及与采集电阻R804并联的稳压二极管ZD801，电压偏置电路还包括与采集电阻R802串联的分压二极管D801；

所述采集电阻R802和采集电阻R804之间的节点通过相互串联的分压电阻R303和分压电阻R304连接至电池用于采集电池的电压信号，并将采集的电池电压信号传输至单片机模块的信号采集端。

3.根据权利要求1所述的一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，其特征在于：所述功率变换电路包括顺次连接的EMC滤波器、整流滤波器、功率变换器和整流输出模块；

所述EMC滤波器的电压输入端与市电接口连接，整流输出模块的电压输出端与继电器的电压输入端连接，继电器的电压输出端与充电接口的电压输入端连接；

所述功率变换器的输入端还连接有PWM芯片。

4.根据权利要求3所述的一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，其特征在于：所述单片机模块包括由单片机、复位、供电以及外部晶振构成的最小系统，所述单片机采用芯片STM8S103。

5.根据权利要求4所述的一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，其特征在于：所述单片机还连接有快充开关；

所述单片机还连接有程序仿真和下载接口；

所述单片机还连接有指示灯模块；

所述单片机还连接有通讯模块，该通讯模块包括通信芯片ADM483和与通信芯片ADM483连接的RS485通讯接口。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器，其特征在于：

一种可检测过放保护电池组连接并自动启动充电的智能充电器还包括温度采集模块，所述温度采集模块的采集端接到功率变换电路用于采集功率变换电路的温度且采集输出端与单片机模块连接用于传输温度信号至单片机模块内，单片机模块的控制输出端还连接有散热风扇；

所述温度采集模块包括温度传感器，该温度传感器连接至单片机模块的信号采集端，所述温度传感器采用NTC。