CN116073497B - 一种电池充电电路及电池充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池充电电路及电池充电方法，涉及电路设计领域。所述充电电路包括脉冲变压模块、脉宽调制模块和检测控制模块；脉冲变压模块与检测控制模块电连接，用于将高压脉冲降压为低压脉冲；脉宽调制模块与检测控制模块电连接，用于将输入的直流电转换为高频的脉动直流电；检测控制模块包括恒流控制单元以及断电控制单元；恒流控制单元用于调节脉宽调制芯片的输出占空比，以及控制降温风扇；断电控制单元与恒流控制单元电连接，用于控制指示灯和定时断电。本发明通过微型控制单元检测电流，提供定时自动断电的功能，并且定时自动断电功能的预设时长可通过编程控制，以满足用户的多样化的需求。

Description

一种电池充电电路及电池充电方法

技术领域

本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种电池充电电路及电池充电方法。

背景技术

蓄电池在人们日常生活中随处可见，其应用广泛却不乏安全隐患。物品因充电起火的新闻屡见不鲜，此类隐患时刻都有可能影响到人身财产安全。因此，蓄电池充电的安全问题需要人们额外关注。

如图1所示，公开号为CN204391868U的实用新型专利提出了一种自断电充电电路，包括脉冲变压器和全桥整流电路，市电经过全桥整流电路整流后送往脉冲变压器，该电路还包括按钮开关、电容、第一二极管、第二二极管、第一继电器、第二继电器和第一至三三极管。

该充电电路利用第一继电器启动充电电路，第二继电器得电后保证第一、二继电器正常维持为电动车持续充电，当电动车充电完成后，指示灯亮，通过第三三极管控制第一继电器掉电，切断电源。该充电电路实现了自动断电功能，但无法控制自动断电的时间。其自动断电的原理基于微电流检测，因此在充电过程中进入涓流充电阶段时，该电路可能会直接自动断电，导致电池无法充满，并且该充电电路功能比较单一，缺乏对电路的保护，容易缩短产品的使用寿命且存在较高的安全隐患。

发明内容

本发明目的在于提出一种电池充电电路及电池充电方法，以解决上述问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种电池充电电路，包括脉冲变压模块、脉宽调制模块和检测控制模块；

所述脉冲变压模块与所述检测控制模块电连接，用于将高压脉冲降压为低压脉冲；

所述脉宽调制模块与所述检测控制模块电连接，用于将输入的直流电转换为高频的脉动直流电；

所述检测控制模块包括恒流控制单元以及断电控制单元；恒流控制单元用于调节脉宽调制芯片的输出占空比，以及控制降温风扇；断电控制单元与恒流控制单元电连接，用于控制指示灯和定时断电；所述断电控制单元包括微型控制单元U2，所述微型控制单元U2包括可编程存储器和定时器；

其中，所述断电控制单元包括光电耦合器U6和单向可控硅SCR1；微型控制单元U2用于监测所述指示灯的转灯并在预设时间后向所述光电耦合器U6输出高电平；光电耦合器U6用于控制所述单向可控硅SCR1的导通。

作为优选方案，所述光电耦合器U6包括输入端U6a和输出端U6b；所述输入端U6a采用发光二极管，所述输出端采用光敏三极管。

作为优选方案，所述脉宽调制模块包括脉宽调制芯片U1和场效应开关管VT1；所述脉宽调制芯片的输出引脚与所述场效应开关管VT1的基极电连接。

作为优选方案，所述光电耦合器U6的输入端与所述微型控制单元U2的输出引脚电连接；所述光电耦合器U6的输出端与所述单向可控硅SCR1的控制极电连接；所述单向可控硅SCR1的阳极与脉宽调制芯片U1的电源正极引脚连接，所述单向可控硅SCR1的阴极接地。

作为优选方案，所述恒流控制单元包括电压比较器U3、电压比较器U4、光电耦合器U5和降温风扇FAN；所述电压比较器U4的输出端与光电耦合器U5的输入端电连接；所述光电耦合器U5的输出端与所述脉宽调制芯片U1电连接；所述电压比较器U3与所述降温风扇FAN电连接。

作为优选方案，电池充电电路还包括整流滤波模块；所述整流滤波模块与脉宽调制模块电连接，用于整流和滤波。

作为优选方案，所述检测控制模块还包括电压控制单元，用于限制所述充电电路的输出电压。

作为优选方案，所述检测控制模块还包括防反接单元；防反接单元用于防止用户将电池正负极接反。

本发明还提供了一种电池充电方法，包括如下步骤：

提供一种电池充电电路，其中所述电池充电电路包括微型控制单元，所述微型控制单元包括可编程存储器和定时器；

编程设置微型控制单元的预设断电时间；

电池开始充电，充电期间所述微型控制单元监测所述充电电路的充电状态；当所述充电电路开始涓流充电时，所述定时器开始计时；

定时器计时达到所述预设断电时间，所述微型控制单元控制电路断开，停止充电。

进一步地，所述电池充电电路还包括光电耦合器、单向可控硅和脉宽调制单元；其中，所述微型控制单元的高电平输出引脚与所述光电耦合器的输入端连接；所述单向可控硅的控制极与所述光电耦合器的输出端连接，所述单向可控硅的阴极接地，阳极与所述脉宽调制芯片的电源正极引脚连接。

所述微型控制单元控制电路断开，具体包括：

所述微型控制单元与光电耦合器连接的引脚输出高电平，使光电耦合器的输入端内的发光管发光，从而使光电耦合器的输出端导通；

光电耦合器U6的输出端导通使单向可控硅SCR1导通，即脉宽调制芯片的电源正极引脚接地，充电电路停止工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.通过微型控制单元检测电流，提供定时自动断电的功能；

2.定时自动断电功能的预设时长可通过编程控制，以满足用户的多样化需求；

3.通过防反接单元和电压控制单元等电路保护设计，延长产品使用寿命，减少产品的安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的自断电充电电路的结构示意图；

图2为本发明的电池充电电路的结构框图；

图3为本发明实施例的电池充电电路的结构原理图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图2，本发明提供了一种电池充电电路，包括整流滤波模块、脉冲变压模块、脉宽调制模块和检测控制模块。

整流滤波模块用于整流和滤波。

脉冲变压模块用于将高压脉冲降压为低压脉冲。

脉宽调制模块用于将输入的直流电转换为高频的脉动直流电。

检测控制模块包括防反接单元、恒流控制单元以及断电控制单元。防反接单元用于防止误操作将电源正负极接反；恒流控制单元用于调节脉宽调制芯片的输出占空比，以及控制降温风扇；断电控制单元与恒流控制单元连接，用于控制指示灯以及控制自动断电。

充电电路还包括交流输入端和与电池连接的充电输出端。交流输入端用于连接外部电源后输入电流；充电输出端用于输出充电电流。

其中，整流滤波模块分别与交流输入端、脉宽调制模块和脉冲变压模块连接；脉宽调制模块还与脉冲变压模块和检测控制模块连接；脉冲变压模块还与检测控制模块和充电输出端连接。

为解决现有技术中存在的问题无法定时断电的问题，上述断电控制单元包括微型控制单元，微型控制单元包括可编程存储器和定时器。由上述内容可知，微型控制单元至少具备定时输出电信号以及通过编程设置定时时长的功能。

在本发明充电电路的实施过程中，交流输入端的输入电流经过整流滤波模块的整流和滤波以及脉宽调制模块的转换传输至脉冲变压模块，脉冲变压模块将电流传输至检测控制模块进行采样处理后由充电输出端输出。在上述过程中，检测控制模块可根据采样电压或电流调节脉宽调制模块的输出占空比、开启降温风扇、控制指示灯以及控制自动断电。

下面将结合图3对上述电池充电电路的具体结构进行详细说明。

请参阅图3，整流滤波模块包括电阻R1、热敏电阻R2、桥式整流器(图中未标号)和电容C2。其中，电阻R1的一端与交流输入端L连接，热敏电阻R2的一端与电阻R1的另一端连接，热敏电阻R2的另一端与桥式整流器的第一引脚连接。桥式整流器的第二引脚与交流输入端N连接，桥式整流器的第三引脚和第四引脚与电容C2并联连接。

整流滤波模块中的桥式整流器用于将交流电变换为直流电；电容C2用于滤波抑制干扰；热敏电阻R2采用负温度系数热敏电阻，根据负温度系数热敏电阻常温状态下阻值较高的特性，热敏电阻R2在电路中用于限制电容C2引起的浪涌电流。

在一实施例中，脉宽调制模块包括脉宽调制芯片U1和场效应开关管VT1。其中，脉宽调制芯片的输出引脚与场效应开关管VT1的基极电连接。通过脉宽调制芯片U1控制场效应管VT1的导通与截止，脉宽调制模块将输入电流转换为高频的脉动直流电。

基于上述实施例，脉宽调制模块还包括电容C4，脉宽调制芯片U1可采用KA3842芯片。脉宽调制芯片U1的1号引脚分别与光电耦合器U5的输出端、电容C7和电阻R12的一端连接，其中1号引脚为电源正极引脚；脉宽调制芯片U1的2号引脚和5号引脚接地。电容C4连接脉宽调制芯片U1的7号引脚。当充电电路开始通电时，电容C4两端的电压迅速上升。当电容C4两端的电压超过脉宽调制模块的工作电压时脉宽调制芯片U1启动。工作中的脉宽调制芯片U1经过6号引脚输出一定频率的开关信号驱动场效应开关管VT1使脉冲变压模块工作。

基于上述实施例，脉冲变压模块包括电阻R3、电阻R14、电容C1、电容C9、电容C10、电容C13、二极管D2、二极管D10、二极管D13、变压器T1和变压器T2。并联连接的电阻R3和电容C1的一端与变压器T1初级侧的一端连接，并联连接的电阻R3和电容C1的另一端与二极管D2的一端连接，二极管D2的另一端连接场效应开关管VT1、变压器T1初级侧的另一端以及变压器T2初级侧的一端，而变压器T2初级侧的另一端接地。变压器T1次级侧的一端连接二极管D13的一端和电阻R14的一端，电阻R14的另一端与电容C9的一端连接，电容C9的另一端连接二极管D13的另一端和电容C10的一端，而电容C10的另一端与变压器T1次级侧的另一端连接并且接地。变压器T2次级侧的一端连接二极管D10的一端，变压器T2次级侧的另一端与电容C13的一端连接并接地；此外，模拟信号电源VCC分别与二极管D10和电容C13的另一端连接。

变压器T1输出的电压经过整流和滤波后与充电输出端正极OUT+连接。变压器T2用于为工作状态下的脉宽调制芯片U1供电。其中，当场效应开关管VT1导通时，变压器T1不向负载提供功率输出，变压器T1的初级侧进行储能；当场效应开关管VT1断开时，变压器T1向负载提供功率输出。此外，并联在二极管D13两端的串联的电容C9和电阻R14用于吸收二极管D13截止时产生的反峰电压。

进一步地，检测控制模块还包括电压控制单元，用于限制充电电路的充电输出端电压。电压控制单元包括电阻R19、电阻R24、电阻R25、电容C11、电容C12、齐纳二极管D4和光电耦合器U5。优选的，齐纳二极管D4采用TL431型号。充电输出端电压经过电阻R19和电阻R25分压输入齐纳二极管D4的基准端，当输入的电压超过齐纳二极管D4的基准电压值时，齐纳二极管D4导通使光电耦合器U5的输出端U5b导通，从而使脉宽调制芯片U1停止工作，以控制脉宽调制芯片U1输出的占空比。

请继续参阅图3，恒流控制单元包括电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、三极管Q2、电压比较器U4、、电容C17、二极管D9、电压比较器U3和降温风扇FAN。其中，电压比较器U4的输出端与光电耦合器U5的输入端电连接；光电耦合器U5的输出端与脉宽调制芯片U1电连接；电压比较器U3与降温风扇FAN电连接。电压比较器U4、电压比较器U3和降温风扇FAN通过变压器T2供电。当电压比较器U4的反向输入端电压大于同向输入端电压，即流经电阻R23的电流偏高时，电压比较器U4输出低电平，齐纳二极管D4导通，通过导通光电耦合器的输出端使脉宽调制芯片U1停止工作，以控制脉宽调制芯片U1输出的占空比。当电压比较器U3的同向输入端电压大于反向输入端电压，即流经电阻R23的电流偏高时，电压比较器U3输出高电平，使降温风扇FAN工作，以达到散热效果。电压比较器U3还用于通过与断电控制单元连接控制指示灯。

基于上述实施例，防反接单元包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、单向可控硅SCR2、双向触发二极管DIAC和三极管Q1。若电池与充电输出端正确连接，三极管Q1的基极为低电平，发射极为高电平，三极管Q1导通，电流通过PNP型三极管Q1和双向触发二极管DIAC为单向可控硅SCR2供电，使单向可控硅SCR2导通，为电池正常充电。若电池与充电输出端错误连接，三极管Q1截止，因此单向可控硅SCR2截止，充电输出端无法提供电流输出。因此，本实施例的充电电路提供了防反接功能，防止用户误操作造成电路损坏。

请继续参阅图3，断电控制单元包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、微型控制单元U2、指示灯LED1和指示灯LED2。在本发明一实施例中，微型控制单元U2采用一款具备可编程存储器和定时器的单片机，具体为FMD FT60E21X单片机。微型控制单元U2的5号引脚与电压比较器U3的反向输入端连接，用于采样电压基准；微型控制单元U2的2号引脚与指示灯LED2连接，模拟信号电源VCC与电阻R32和电阻R31的一端连接，电阻R31的另一端连接微型控制单元U2的1号引脚，电阻R32的另一端连接指示灯LED1的一端，指示灯LED1的另一端与电阻R33的一端以及指示灯LED2的另一端连接，电阻R33的另一端接地。

由上述内容可知，指示灯LED1可视为由电源电压VCC供电。指示灯LED2连接微型控制单元U2的2号引脚为高电平引脚。指示灯LED1和指示灯LED2分别表示绿色指示灯和红色指示灯，用于提醒用户充电电路当前的工作状态。在本实施例充电电路中，转灯控制通过指示灯内部压降的差异实现。指示灯LED1和指示灯LED2可视为并联连接，且该并联电路经过电阻R33接地。因此，通过电阻R33分压，指示灯LED1和指示灯LED2中仅有压降更低的指示灯发光。在本实施例中选用的指示灯LED1内部压降大于指示灯LED2内部压降，当指示灯LED2发光时，指示灯LED1熄灭；当指示灯LED2熄灭时，指示灯LED1发光。

进一步地，断电控制单元还包括电阻R9、电阻R10、电阻R34、电阻R35、电容C3、电容C16、光电耦合器U6和单向可控硅SCR1。其中，光电耦合器U6包括输入端U6a和输出端U6b；输入端U6a采用发光二极管，输出端U6b采用光敏三极管。微型控制单元U2的3号引脚与电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端与电容C16和光电耦合器U6的输入端U6a连接。电阻R35的一端接地，电阻R35的另一端与电容C16以及微型控制单元U2的4号引脚连接，微型控制单元U2的4号引脚还与电压比较器U3的输出端连接。

具体的，微型控制单元U2通过4号引脚监测电压比较器U3的输出，并依此判断指示灯LED1和指示灯LED2的发光状态。当电压比较器U3的输出高电平时，指示灯LED2开始发光，微型控制单元U2启动内部计时器，当内部计时器计时达到一定预设时间时，与光电耦合器U6连接的3号引脚输出高电平，使光电耦合器U6的输入端U6a内的发光管发光，光电耦合器U6的输出端导通。请继续参阅图3，光电耦合器U6的输出端与单向可控硅SCR1的控制极连接，单向可控硅SCR1的阳极与脉宽调制芯片U1的电源正极引脚连接，且单向可控硅SCR1的阴极接地。因此，光电耦合器U6的输出端导通将使单向可控硅SCR1导通，即脉宽调制芯片U1的电源正极引脚接地。因单向可控硅在直流电路中触发导通后只需通过的电流大于最小维持电流即可维持导通状态的特性，充电电路停止工作。

由以上说明可知，本发明的充电电路通过引入微型控制单元实现了定时自动断电的功能，并且能通过编程控制定时自动断电功能的预设时长。

本发明还提供了一种电池充电方法，包括如下步骤：

S1、提供一种电池充电电路，该电池充电电路包括微型控制单元，所述微型控制单元包括可编程存储器和定时器；

S2、编程设置微型控制单元的预设断电时间；

S3、电池开始充电，充电期间所述微型控制单元监测所述充电电路的充电状态；当所述充电电路开始涓流充电时，所述定时器开始计时；

S4、定时器计时达到所述预设断电时间，微型控制单元控制电路断开，停止充电。

进一步地，电池充电电路还包括光电耦合器、单向可控硅和脉宽调制单元；其中，微型控制单元的高电平输出引脚与光电耦合器的输入端连接。单向可控硅的控制极与光电耦合器的输出端连接，单向可控硅的阴极接地，阳极与脉宽调制芯片的电源正极引脚连接。

微型控制单元控制电路断开具体包括：

微型控制单元与光电耦合器连接的引脚输出高电平，使光电耦合器的输入端内的发光管发光，从而使光电耦合器的输出端导通；

光电耦合器U6的输出端导通将使单向可控硅SCR1导通，即将脉宽调制芯片的电源正极引脚接地，充电电路停止工作。

以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电池充电电路，其特征在于：包括脉冲变压模块、脉宽调制模块和检测控制模块；

所述脉冲变压模块与所述检测控制模块电连接，用于将高压脉冲降压为低压脉冲；

所述脉宽调制模块与所述检测控制模块电连接，用于将输入的直流电转换为高频的脉动直流电；所述脉宽调制模块包括脉宽调制芯片U1；

所述检测控制模块包括恒流控制单元以及断电控制单元；恒流控制单元用于调节脉宽调制芯片U1的输出占空比，以及控制降温风扇；断电控制单元与恒流控制单元电连接，用于控制指示灯和定时断电；所述断电控制单元包括微型控制单元U2，所述微型控制单元U2包括可编程存储器和定时器；

所述恒流控制单元包括电压比较器U3和降温风扇FAN；所述电压比较器U3与所述降温风扇FAN电连接；

所述断电控制单元还包括模拟信号电源VCC、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电容C16、光电耦合器U6、单向可控硅SCR1、指示灯LED1和指示灯LED2；

所述微型控制单元U2与电压比较器U3的反向输入端连接，用于采样电压基准；所述微型控制单元U2的高电平引脚与指示灯LED2连接，模拟信号电源VCC与电阻R32和电阻R31的一端连接，电阻R31的另一端连接微型控制单元U2，电阻R32的另一端连接指示灯LED1的一端，指示灯LED1的另一端与电阻R33的一端以及指示灯LED2的另一端连接，电阻R33的另一端接地；所述指示灯LED1的内部压降大于指示灯LED2的内部压降；

所述光电耦合器U6包括输入端U6a和输出端U6b；所述微型控制单元U2的第一I/O引脚与电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端与电容C16和光电耦合器U6的输入端U6a连接；电阻R35的一端接地，另一端与电容C16以及微型控制单元U2的第二I/O引脚连接，微型控制单元U2的第二I/O引脚还与电压比较器U3的输出端连接；所述光电耦合器U6的输出端与单向可控硅SCR1的控制极连接，所述单向可控硅SCR1的阳极与脉宽调制芯片U1的电源正极引脚连接，且单向可控硅SCR1的阴极接地；

所述微型控制单元U2通过第二I/O引脚监测电压比较器U3的输出；当电压比较器U3输出高电平时，微型控制单元U2启动内部计时器；当内部计时器计时达到一定预设时间时，第一I/O引脚输出高电平，光电耦合器U6的输出端导通使单向可控硅SCR1导通，充电电路停止工作。

2.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述输入端U6a采用发光二极管，所述输出端U6b采用光敏三极管。

3.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述脉宽调制模块还包括场效应开关管VT1；所述脉宽调制芯片U1的输出引脚与所述场效应开关管VT1的基极电连接。

4.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述恒流控制单元还包括电压比较器U4和光电耦合器U5；所述电压比较器U4的输出端与光电耦合器U5的输入端电连接；所述光电耦合器U5的输出端与所述脉宽调制芯片U1电连接。

5.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：还包括整流滤波模块；所述整流滤波模块与脉宽调制模块电连接，用于整流和滤波。

6.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述检测控制模块还包括电压控制单元，用于限制所述充电电路的输出电压。

7.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述检测控制模块还包括防反接单元；防反接单元用于防止用户将电池正负极接反。

8.一种电池充电方法，其特征在于：应用于如权利要求1-7任一项所述的电池充电电路，包括如下步骤：

编程设置微型控制单元U2的预设断电时间；

电池开始充电，充电期间所述微型控制单元U2监测所述充电电路的充电状态；当所述充电电路开始涓流充电时，所述定时器开始计时；

定时器计时达到所述预设断电时间，所述微型控制单元U2控制电路断开，停止充电；

所述微型控制单元U2控制电路断开，具体包括：

所述微型控制单元U2与光电耦合器U6连接的引脚输出高电平，使光电耦合器U6的输入端内的发光管发光，从而使光电耦合器U6的输出端导通；

光电耦合器U6的输出端导通使单向可控硅SCR1导通，即脉宽调制芯片的电源正极引脚接地，充电电路停止工作。