一种宽电压充电转换电路、系统、充电控制方法及设备与流程

1.本发明涉及充电技术领域，尤其涉及一种宽电压充电转换电路、系统、充电控制方法及设备。


背景技术：

2.储能电源(如电池)的dc(直流)充电场景愈加丰富，使用车充充电、太阳能充电器充电和使用各种适配器充电已成为基本需求,不同场景、不同输出功率的充电器/适配器其额定功率和额定输出电压存在差异，如何使电池在宽电压范围(如不同充电器/适配器下)内保持稳定安全的高充电效率是当前急需解决的技术问题。
3.现有技术中，为保护电池，通过在充电器/适配器与电池之间设置充电转换电路将充电器/适配器的输出电压、输出电流限定在电池允许范围内。
4.现有的充电转换电路如图1所示，充电转换电路的输入端vin与充电器/适配器的输出端连接，充电转换电路的输出端vout与电池的充电端连接；充电转换电路包括boost电路和pwm控制芯片电路，boost电路包括电感l0、mos开关q0、二极管d0和电容c0；pwm控制芯片输出pwm信号控制mos开关q0的通断。pwm控制芯片电路通常包括电流控制环，或者包括电流控制环和电压控制环；电压控制环用于检测boost输出电压vout并进行过压保护；电流控制环通过电流监测端上连接的电流检测电阻rsense检测流通mos开关q0的电流，并将该电流与设定的限流值比较，具体的，比较电流检测电阻rsense的采样电压与芯片内部设定电压(设定电压与限流值对应)比较，当达到内部设定电压时减小pwm信号占空比，进而减小充电电流，实现电流限流保护，若没有达到内部设定电压，则可根据电流检测电阻rsense的采样电压的大小反相关调节pwm信号占空比。但是，如图1所示，电流检测电阻rsense通常为固定阻值，在电流检测电阻rsense设定后，电流控制环的限流值就固定了，如果限流值设置较小，大功率充电器/适配器无法满电流输出，充电效率低下，无法满电流充电；如果限流值设置较大，对于小功率充电器，输入电压会被下拉，充电器/适配器输出功率也会被降低，存在安全隐患。可见，电流检测电阻rsense为固定阻值时，不能在不同的充电器/适配器上均表现良好，导致电池无法在宽电压范围内稳定安全地高效率充电。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，提供一种宽电压充电转换电路、系统、充电控制方法及设备。
6.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种宽电压充电转换电路，包括boost电路、具有电流控制环的pwm控制芯片电路、电压调节电路、以及检测充电功率的电池检测电路；充电电源输出的电信号通过boost电路处理后输入电池充电端；pwm控制芯片电路的pwm输出端与boost电路的mos开关管的通断控制端连接，pwm控制芯片电路的电流监测端与电压调节电路的输出端连接，电压调节电路的输入端与控制器的调节信号输出端连接；pwm控制芯片为uc2843a或bq24165；所述电池检测电路与控制器连
接。
7.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种宽电压充电转换系统，包括控制器和本发明第一方面所述的宽电压充电转换电路，所述控制器分别与宽电压充电转换电路中的电压调节电路、电池检测电路、充电开关单元、充电电源输入检测电路和电池温度检测电路连接。
8.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种设备，包括本发明第二方面所述的宽电压充电转换系统和电池，所述电池的充电端与所述宽电压充电转换系统中boost电路的输出端连接。
9.上述技术方案：本发明提供的宽电压充电转换电路、系统和设备，pwm控制芯片的电流监测端不再连接固定阻值的电流检测电阻，通过电压调节电路实现了pwm控制芯片的电流监测端电压可控可调，从而pwm控制芯片输出的pwm信号占空比基于电流监测端电压可控可调，进而pwm控制芯片的最大限流值根据电流监测端电压可控可调；通过电池检测电路能够获取实时充电功率，便于基于实时充电功率调节电压调节电路的输出电压，进而调节pwm控制芯片输出pwm信号的占空比，实现了跟随充电功率动态设置pwm控制芯片的最大限流值，这样能够自适应地用于不同种类(如额定输出功率不同)的适配器/充电器，以允许的最大充电功率充电，实现了电池在宽电压范围内高效率、高稳定性的安全可靠充电。
10.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第四个方面，本发明提供了一种基于本发明第二方面所述的宽电压充电转换系统的充电控制方法，包括：步骤s1，通过充电电源输入检测电路的输出信号判断充电电源是否接入，若充电电源接入，进入步骤s2，否则继续执行步骤s1；步骤s2,控制电压调节电路增大pwm控制芯片电路的电流监测端电压直至pwm控制芯片电路的pwm输出端输出的pwm信号占空比低于或等于第一占空比阈值，第一占空比阈值小于等于10％，启动充电；步骤s3，控制电压调节电路不断减小pwm控制芯片电路的电流监测端电压，通过电池检测电路获取实时充电功率，同步监测异常事件是否发生，若异常事件发生，执行步骤s4，若异常事件未发生，执行步骤s5，所述异常事件包括充电重复开启断开和/或电池温度异常；步骤s4，控制电压调节电路不断增大pwm控制芯片电路的电流监测端电压直到异常事件消失；步骤s5，判断实时充电功率是否达到最大充电功率，若实时充电功率达到最大充电功率，停止减小pwm控制芯片电路的电流监测端电压，若实时充电功率未达到最大充电功率，返回继续执行步骤s3。
11.上述技术方案：该充电控制方法先将pwm控制芯片的pwm信号占空比设为较低或者0，再启动充电，从小到大地逐步增加pwm控制芯片的pwm信号占空比，逐步增大充电电流，并同步监控充电功率和异常事件，以保证充电功率达到安全允许的最大，实现了高效率安全稳定可靠充电，确保大、小功率的充电器/适配器均能工作在允许的安全的最大输出功率，实现了电池宽电压范围内的高效安全充电。
附图说明
12.图1是现有技术中充电转换电路的结构示意图；
13.图2是本发明实施例1中宽电压充电转换电路的一种优选结构示意图；
14.图3是本发明实施例1中宽电压充电转换电路的另一种优选结构示意图；
15.图4是本发明实施例1中宽电压充电转换电路一种具体实施方式中的电路示意图。
具体实施方式
16.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
18.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
19.实施例1
20.本实施例公开了一种宽电压充电转换电路，在一种优选实施方式中，如图2所示为其结构示意图，宽电压充电转换电路包括boost电路、具有电流控制环的pwm控制芯片电路、电压调节电路、以及检测充电功率的电池检测电路；充电电源输出的电信号通过boost电路处理后输入电池充电端；pwm控制芯片电路的pwm输出端与boost电路的mos开关管的通断控制端连接，pwm控制芯片电路的电流监测端与电压调节电路的输出端连接，电压调节电路的输入端与控制器的调节信号输出端连接；电池检测电路与控制器连接。
21.在本实施例中，具有电流控制环的pwm控制芯片为uc2843a或bq24165。
22.在本实施例中，图4中给出了pwm控制芯片u1分别与充电电源连接端con1和boost电路的连接电路示意图。图4中第七电感l7、第一二极管d1、第二十九mos开关管q29和第一百四十五电容c145组成了boost电路。充电电源的输出端分别与第七电感l7第二端和pwm控制芯片u1的供电端连接，为防止电流倒灌和限流，在充电电源的输出端与pwm控制芯片u1的供电端之间串接有第十一二极管d11和限流电阻r142。pwm控制芯片u1的output管脚输出pwm信号至boost电路的第二十九mos开关管q29的栅极。pwm控制芯片u1的电流监测端为isense管脚，该管脚与图1所示的现有电路不同的是，其与mos开关管q29断开连接，单独连接电压调节电路，实现了根据电压调节电路输出电压调节pwm控制芯片输出的pwm信号的占空比，从而控制mos开关管q29的通断频率，进而实现充电电流大小控制。
23.在实施例中，如图4所示，在充电电源的输出端与boost电路的第七电感l7之间还串接有过流保护熔断器f5，以及还设置了用于电源信号滤波的多个并联的滤波电容，即第一百四十八电容c148、第一百四十七电容c147、第一百四十一电容c141。
24.在本实施例中，电压调节电路优选但不限于为连接导线或低通滤波单元，当为连接导线或低通滤波单元时，连接导线或低通滤波单元的输入端均与控制器的d/a模块输出管脚连接，连接导线或低通滤波单元的输出端与pwm控制芯片u1的isense管脚连接。
25.在本实施例中，为实现与控制器端有效隔离以及降低控制器输出信号的抗干扰性，进一步优选地，电压调节电路包括依次连接的电压跟随单元和低通滤波单元，电压跟随单元的输入端与控制器的调节信号输出端连接，低通滤波单元的输出端与pwm控制芯片电
路的电流监测端连接。低通滤波单元优选但不限于为单级或两级以上级联的rc低通滤波电路，如图4所示。如图4所示电压跟随单元u2为运放负反馈电路，其具有隔离作用并且能够提高调节信号的驱动能力，实现pwm控制芯片与控制器端的阻抗匹配。控制器的调节信号输出端输出pwm信号，通过调节该pwm信号的占空比能够实现电压调节电路输出不同大小的直流电压。
26.在本实施例中，优选地，电池检测电路包括检测电池充电电流的电池电流检测单元和检测电池充电电压的电池电压检测单元；电池电流检测单元的输出端与控制器的电池电流输入端连接，电池电压检测单元的输出端与控制器的电池电压输入端连接，优选地，控制器通过计算电池电压和电池电流的乘积获得实时充电功率。
27.在本实施例中，如图4所示，电池电流检测单元优选但不限于为霍尔电流检测芯片及其外围电路，霍尔芯片串接在电池充电通路中。电池电压检测单元优选但不限于为串联电阻分压网络，如图4所示，串联电阻分压网络由第一电阻r1和第三电阻r3串联组成，将第一电阻r1和第三电阻r3之间的连接点作为电池电压检测单元的输出端与控制器的电池电流输入端连接。
28.在本实施例的一种优选实施方式中，如图4所示，boost电路的mos开关管的漏极连接boost电路的电感的第一端，mos开关管的栅极与pwm控制芯片电路的pwm输出端连接，mos开关管的源极与公共端连接；为吸收mos开关管在开断时的尖峰干扰，在mos开关管的漏极还连接有rc串联电路的第一端，和/或，为吸收mos开关管关断导致的电感l7处的电压尖峰，在boost电路的电感l7的第一端还连接有rc串联电路的第一端，rc串联电路的第二端与公共端连接，以保护电池。
29.在本实施方式中，如图4所示，由第一百四十三电阻r143和第一百五十三电容c153串联的串联支路并联在mos开关管q29的漏极和源极。由第一百三十七电阻r137和第一百四十九电容c149串联的串联支路连接在boost电路的电感l7的第一端处。
30.在本实施例的一种优选实施方式中，如图3所示，在boost电路的输出端与电池的充电端的连接通路上串接有充电开关单元，充电开关单元的通断控制端与控制器的充电控制端连接。充电开关单元优选但不限于为pmos开关管或者继电器。
31.在本实施方式中，为实现较大充电电流的安全通断，优选地，充电开关单元电路结构如图4所示，包括继电器jk2和继电器jk2线圈驱动控制电路，继电器jk2的开关触点串接在boost电路的输出端与电池的充电端的连接通路上。
32.在本实施方式中，如图4所示，继电器jk2线圈驱动控制电路包括第一三十五电阻r135、稳压管z3、三极管q26、第一百四十电容c140、第一百三十八电容c138、第一百三十七电容c137、第十二极管d10、三极管q27、第一百三十四电阻r134、第一百三十六电阻r136、 12v电源， 12v电源分别与第一三十五电阻r135的第一端、三极管q26的集电极连接，第一三十五电阻r135的第二端分别与稳压管z3的第一端、第一百四十电容c140的第一端和三极管q26的基极连接，稳压管z3的第二端和第一百四十电容c140的第二端与公共端连接，三极管q26的发射极分别与第一百三十八电容c138的第一端、第一百三十七电容c137的第一端、第十二极管d10的阴极、继电器jk2线圈的第一端连接，第一百三十八电容c138的第二端和一百三十七电容c137的第二端均与公共端连接；三极管q27的发射极分别与公共端、第一百三十四电阻r134的第一端连接，三极管q27的基极分别与第一百三十四电阻r134的第二端和
第一百三十六电阻r136的第一端连接，第一百三十六电阻r136的第二端与控制器的充电控制端连接，三极管q27的集电极分别与第十二极管d10的阳极和继电器jk2线圈的第二端连接。第十二极管d10用于为线圈提供回流回路，提高安全性。采用三极管驱动电路驱动线圈，能够提供较强电流，保证线圈稳定可靠工作。当控制器的充电控制端输出高电平时，三极管q27导通，线圈供电回路通电，线圈吸合继电器开关触点闭合，启动充电，当控制器的充电控制端输出低电平时，三极管q27截止，线圈供电回路断电，线圈无法吸合继电器开关触点闭合，继电器开关触点断开，停止充电。
33.在本实施方式中，优选地，为消除继电器jk2开关吸合、断开时的浪涌，如图4所示，在继电器jk2的开关触点两端并联有电阻电容串接支路，电阻电容串接支路上串联有第一百四十六电容c146和第一百三十九电阻r139。
34.在本实施例的一种优选实施方式中，如图3所示，还包括充电电源输入检测电路，充电电源输入检测电路用于检测充电电源是否接入和/或充电电源的输入电压，充电电源输入检测电路的输出端与控制器的输入检测端连接。充电电源优选但不限于为车充充电器、太阳能充电器或各种适配器。
35.在本实施方式中，优选地，充电电源输入检测电路包括输入电压检测电路和输入判断电路，输入电压检测电路能够检测到充电电源的输出电压，输入判断电路能够判断充电电源是否接入。
36.在本实施方式中，输入电压检测电路优选但不限于为电阻分压检测网络，具体的，如图4所示，输入电压检测电路包括第一百三十八电阻r138、第一百四十电阻r140和第一百五十电容c150，第一百三十八电阻r138的第一端与充电器的输出端连接，第一百三十八电阻r138的第二端分别与第一百四十电阻r140的第一端和第一百五十电容c150的第一端连接，第一百四十电阻r140的第二端和第一百五十电容c150的第二端均与公共端连接。第一百四十电阻r140的第一端和第一百五十电容c150的第一端作为输入电压检测电路的输出端与控制器的第一输入检测端连接。通过第一百三十八电阻r138、第一百四十电阻r140对充电电源的输出电压进行分压，分压后的电压信号通过第一百五十电容c150进行滤波后可输入控制器的a/d采集端，控制器根据获取的电压的高低判断是否插入充电电源，控制器还能根据获取的电压大小判断充电电源电压是否异常。
37.在本实施方式中，输入判断电路优选但不限于采用光耦隔离检测单元，以便进行隔离检测，提高可靠性。具体的，如图4所示，光耦隔离检测单元包括第一百三十二电阻r132、光耦器件u20、第一百三十一电阻r131和第一百三十三电阻r133，充电器的输出端与第一百三十二电阻r132的第一端连接，第一百三十二电阻r132的第二端与光耦器件u20的输入端连接，光耦器件u20的输出端与第一百三十三电阻r133的第一端连接，第一百三十三电阻r133的第二端与控制器的第二输入检测端连接。第一百三十一电阻r131的第一端与3.3v电源连接，第一百三十一电阻r131的第二端与光耦器件u20的上拉端连接。当充电电源插入后，光耦器件u20输入端输入高电平使发光二极管点亮，光耦器件u20的光电三极管导通，光耦器件u20输出高电平至控制器的第二输入检测端，当充电电源没有插入时，光耦器件u20的光电三极管感应不到光线截止，光耦器件u20输出低电平至控制器的第二输入检测端。
38.在本实施例的一种优选实施方式中，如图3所示，还包括电池温度检测电路，电池
温度检测电路的输出端与控制器的电池温度输入端连接。具体的，如图4所示，连接端子con2的管脚2表示电池的ntc管脚，电池温度检测电路包括第十一电阻r11、第十二电阻r12和第三电容c3，第十一电阻r11的第一端和第十二电阻r12的第一端均与ntc管脚连接，第十一电阻r11的第二端连接3.3v，第十二电阻r12的第二端与控制器的电池温度输入端连接，控制器的电池温度输入端优选为a/d管脚，电池温度检测电路随着电池温度变化输出不同的模拟电压至a/d管脚，控制器根据模拟电压与电池温度的对应关系表获得电池温度。
39.在本实施例中，优选地，pwm控制芯片还可包括电压控制环，如图4所示，在boost电路输出端连接电压反馈电路，电压反馈电路包括串联的第二电阻r2和第四电阻r4，第二电阻r2的第一端与boost电路输出端连接，第二电阻r2的第二端与第四电阻r4的第一端连接，第四电阻r4的第二端与公共端连接，第二电阻r2的第二端还与pwm控制芯片的电压反馈管脚vfb连接，实时监控boost输出电压，当电压超出允许范围，如高压过压或低压过压时，启动保护机制，使mos开关管q29处于闭合状态，停止向电池充电。
40.本实施例中，在一种应用场景中，还包括印制电路板，印制电路板上设有上述宽电压充电转换电路，以及还设置有控制器连接端口、充电电源连接端口和电池连接端口，控制器连接端口包括需要与控制器的电池温度输入端连接的第一端子、与控制器的第一输入检测端连接的第二端子、与控制器的第二输入检测端连接的第三端子、与控制器的调节信号输出端连接的第四端子、与控制器的电池电压输入端连接的第五端子、与控制器的电池电流输入端连接的第六端子。
41.实施例2
42.本实施例公开了一种宽电压充电转换系统，包括实施例1提供的宽电压充电转换电路和控制器，控制器分别与宽电压充电转换电路中的电压调节电路、电池检测电路、充电开关单元、充电电源输入检测电路和电池温度检测电路连接。控制器优选但不限于为单片机、arm等微处理器。
43.实施例3
44.本实施例还公开了一种基于实施例2的宽电压充电转换系统的充电控制方法，包括：
45.步骤s1，通过充电电源输入检测电路的输出信号判断充电电源是否接入，若充电电源接入，进入步骤s2，否则继续执行步骤s1；具体的，可通过图4中的输入电压检测电路和输入判断电路两者中至少一者来进行充电电源输入检测，若输入电压检测电路输出高电平和/或输入判断电路输出高电平，则认为充电电源输入。若输入电压检测电路输出低电平或输入判断电路输出低电平，则认为充电电源没有输入。
46.步骤s2,控制电压调节电路增大pwm控制芯片电路的电流监测端电压直至pwm控制芯片电路的pwm输出端输出的pwm信号占空比低于或等于第一占空比阈值，第一占空比阈值小于等于10％，启动充电。电压调节电路输出电压与pwm控制芯片电路的pwm输出端输出的pwm信号占空比反相关。当电压调节电路输出电压达到pwm控制芯片内部设定的电压阈值时，pwm输出端输出的pwm信号占空比为0，当pwm控制芯片为uc2843a时，电压阈值为1v，因此当电压调节电路输出电压大于等于1v时，pwm输出端输出的pwm信号占空比为0。先将pwm控制芯片电路的pwm输出端输出的pwm信号占空比调低有利于确保对任意充电器/适配器均从低充电电流开始，随着充电电流增加有利于寻找到最大充电功率，且安全可靠。优选地，在
pwm信号占空比低于或等于第一占空比阈值时，控制充电开关单元导通，如控制继电器jk2开关触点闭合。
47.步骤s3，控制电压调节电路不断减小pwm控制芯片电路的电流监测端电压，即调低电压调节电路的输出电压，这样pwm控制芯片电路的pwm输出端输出的pwm信号占空比逐渐增大，通过电池检测电路获取实时充电功率，同步监测异常事件是否发生，若异常事件发生，执行步骤s4，若异常事件未发生，执行步骤s5，异常事件包括充电重复开启断开和/或电池温度异常，优选地，为提高充电安全性，充电重复开启断开和电池温度异常两者中至少一者发生则认为异常事件发生。充电重复开启断开一般是当前的充电电流超过了充电电源的额定输出功率，充电电源的输出电压被下拉，启动了pwm控制芯片的电压保护环切断充电，当切断充电后，充电器/适配器的电压回升解除电压环保护，如此重复表现为充电重复开启断开。电池温度异常一般是由于充电电流较大使得电池升温过快过高导致。
48.若电池电流检测单元的输出信号重复高低变化，或者电池电压检测单元输出信号重复高低变化，或者电池电流检测单元输出信号重复高低变化，则认为发生了充电重复开启断开异常事件。当控制器根据电池温度检测电路的输出信号获得的电池温度达到电池最高温度阈值时，认为电池温度异常事件发生。
49.步骤s4，控制电压调节电路不断增大pwm控制芯片电路的电流监测端电压直到异常事件消失；控制电压调节电路的输出电压不断增大，pwm控制芯片的pwm信号占空比下降，充电电流减小，若异常事件消失则停止增大pwm控制芯片电路的电流监测端电压，控制电压调节电路保持pwm控制芯片电路的电流监测端电压不变，此时获得的充电功率为保证安全的情况下的最优充电功率。
50.步骤s5，判断实时充电功率是否达到最大充电功率，若实时充电功率达到最大充电功率，停止减小pwm控制芯片电路的电流监测端电压，若实时充电功率未达到最大充电功率，返回继续执行步骤s3。实时充电功率是否达到最大充电功率优选但不限于通过如下方法判断：周期地获取实时充电功率，若本周期的充电功率相比上一周期充电功率没有增加或增加量小于等于3％，则认为达到了最大充电功率。
51.实施例4
52.本实施例提供了一种设备，该设备包括实施例2的宽电压充电转换系统和电池，电池的充电端与宽电压充电转换系统中boost电路的输出端连接。该设备可以是各种带可充电电池的设备，如移动手机、移动电脑等。
53.在本实施例中，优选地，该设备采用实施例3的充电控制方法对电池进行充电。
54.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
55.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。