CN210327080U - 蓄电池充电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种蓄电池充电电路，该充电电路主电路采用LLC拓扑电路，具有电能转换效率高的优点，采用单片机对电压、电流、温度参数进行采样计算并控制LLC拓扑电路，为研究和探索新充电方式提供硬件基础；LLC拓扑电路的控制电路采用国产普通的PWM控制芯片，通过***电路的拓展，实现了PFM+PWM功能，简化了电路结构，避免了采用国外专用LLC集成电路芯片带来的维护成本、购置成本及供货风险问题，同时也达到了比专用LLC集成电路芯片更好的工作效果。采用3个LED数码管集成显示充电电流、充电电压、环境温度、充电机内部温度及充电状态，方便使用者直观观察。

Description

蓄电池充电电路

技术领域

本实用新型涉及蓄电池充电技术领域，具体的说是一种蓄电池充电电路。

背景技术

蓄电池广泛应用于生产和生活中的各个领域，蓄电池充电技术直接影响着电池的寿命和使用安全性。常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。

本案申请人研究蓄电池充电技术多年，认为现有的充电方式和充电电路存在如下几个问题，同时，本案申请人研发出了一种新的充电电路。

1）无论是常规充电还是快速充电，其充电电路均没有对温度进行检测的相关电路，使得在充电方法的设计和研发中无法涉及温度因素，而温度却是充电过程中的一个重要因素。

2）在AC-DC变化电路控制方面，本充电电路采用电能转换效率很高的LLC电路框架，通常的LLC电路采用PFM（频率调制）控制，在输出功率很小的时候采用“打嗝”的方式实现，本充电电路在AC-DC变换的LLC电路采用PFM（频率调制）和PWM（脉冲宽度调制）混合调制方法，对于LLC变换电路（AC-DC）实现在大功率输出时PFM（频率调制控制），小功率输出时PWM（脉冲宽度调制）控制，用一个国产的开关电源集成控制电路（PWM脉冲宽度调制电路）通过电路的拓展，变为PFM+PWM的控制方法的电路，替代了进口开关电源集成控制电路的功效。

3）在蓄电池充电显示方面，一般用LED灯显示，或者用LED数码管显示充电电流和电压，未对电池充电的三个主要参数电流、电压、温度全部进行显示，充电电路采用多位LED数码管分时段分别显示充电电路，充电电压，环境温度，机器内部温度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种安全可靠、稳定性高、实现方便、功能齐全的蓄电池充电电路。

为解决上述技术问题，本实用新型的蓄电池充电电路包括依次连接的交流输入端口、整流滤波输入电路、LLC谐振变换电路、整流滤波输出电路、充电输出接口，其结构特点是该电路还包括PWM-PFM控制电路、电流取样电路、电压取样电路，内部温度取样电路、外部温度取样电路、单片机电路和数码管显示电路；其中：LLC谐振变换电路与PWM-PFM控制电路连接，PWM-PFM控制电路与单片机电路连接；PWM-PFM控制电路包括PWM电源控制电路和***扩展电路；电流取样电路的取样信号经运算放大器放大后分成三路，其中一路经滤波后与单片机的其中一个信号输入端口连接，第二路经电压比较器比较后向PWM电源控制电路输出高/低电平使能信号，第三路与PWM-PFM控制电路的***扩展电路连接；电压取样电路、内部温度取样电路、外部温度取样电路经滤波后与单片机的信号输入端口对应连接；数码管显示电路与单片机的信号输出端口连接。

所述交流输入端口与整流滤波输入电路之间设置保险丝和防浪涌电流热敏电阻；整流滤波输入电路包括一个低通滤波电路和一个桥式整流电路。

所述LLC谐振变换电路包括功率驱动单元和LLC振荡单元；功率驱动单元包括多个电阻和一个变压器，LLC振荡单元包括两个MOS管、两个二极管、两个谐振电感和一个谐振电容。

所述PWM-PFM控制电路包括PWM控制芯片，PWM控制芯片的9脚和10脚为电源端，连接到12V的辅助电源，PWM控制芯片的8脚和11脚为MOS管驱动信号输出端，PWM控制芯片的4脚连接缓冲电容，PWM控制芯片的5脚输出5V基准电压经电容滤波后连接到两个电阻进行分压，分压电压连接到PWM控制芯片的的6脚并经过电容滤波后构成IC1内部比较器的基准电压；PWM控制芯片的14脚和15脚连接调频用主电阻，PWM控制芯片的2脚连接调频用电容；***扩展电路包括A支路和B支路，A支路包括串连的第一可控硅和第一止逆二极管，B支路包括第二可控硅和第二止逆二极管，A支路与B支路并联后再与调频用副电阻串连形成阻值可调支路，阻值可调支路与调频用主电阻并联；第一可控硅的控制端为A端点，第二可控硅的控制端为B端点，A端点与电流取样电路的第三路输出连接，充电输出电压通过两个电阻在B端点分压且B端点与单片机电路连接。

所述单片机电路包括用于提供5V电源的辅助电源，辅助电源采用7805三端稳压器，稳压器的输入端和输出端均设置滤波电容。

所述内部温度取样电路和外部温度取样电路均采用热敏电阻；数码管显示电路为多位七段数码管。

本实用新型充电电路的优点效果是：本实用新型的充电电路主电路采用LLC拓扑电路，具有电能转换效率高的优点，采用单片机对电压、电流、温度参数进行采样计算并控制LLC拓扑电路，很好的实现了本实用新型的充电方法；LLC拓扑电路的控制电路采用国产普通的PWM控制芯片，通过***电路的拓展，实现了PFM+PWM功能，简化了电路结构，避免了采用国外专用LLC集成电路芯片带来的维护成本、购置成本及供货风险问题，同时也达到了比专用LLC集成电路芯片更好的工作效果。采用3个LED数码管集成显示充电电流、充电电压、环境温度、充电机内部温度及充电状态，方便使用者直观观察。

综上所述，本实用新型的充电方法和充电电路具有安全可靠、稳定性高、实现方便、功能齐全的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1为本实用新型充电电路的主电路的电路原理示意图；

图2为本实用新型充电电路的PWM-PFM控制电路和电流取样电路的电路原理示意图；

图3为本实用新型充电电路的电压取样电路、温度取样电路、单片机电路和数码管显示电路的电路原理示意图。

具体实施方式

参照附图，本实用新型的充电电路包括依次连接的交流输入端口1、整流滤波输入电路2、LLC谐振变换电路3、整流滤波输出电路4、充电输出接口5，充电电路还包括PWM-PFM控制电路6、电流取样电路7、电压取样电路8，内部温度取样电路9、外部温度取样电路10、单片机电路11和数码管显示电路12；其中：LLC谐振变换电路3与PWM-PFM控制电路6连接，PWM-PFM控制电路6与单片机电路11连接；PWM-PFM控制电路6包括PWM电源控制电路61和***扩展电路62；电流取样电路7的取样信号经运算放大器放大后分成三路，其中一路经滤波后与单片机IC3-1的其中一个信号输入端口连接，第二路经电压比较器比较后向PWM电源控制电路61输出高/低电平使能信号，第三路与PWM-PFM控制电路6的***扩展电路62连接；电压取样电路8、内部温度取样电路9、外部温度取样电路10经滤波后与单片机IC3-1的信号输入端口对应连接；数码管显示电路12与单片机IC3-1的信号输出端口连接。

由于本实用新型充电电路的整体电路图过大，因此电路图分为三大部分，分别如图1-图3所示。图1的主电路中设置了PWM-PFM控制电路接口和单片机电路接口，分别连接图2和图3电路中的PWM-PFM控制电路接头和单片机电路接头。PWM-PFM控制电路接口与单片机电路接口的接口之间、以及两者与充电输出接口之间也有线路连接。下面分别对各部分电路进行详细说明。

参照图1，交流输入端口1与整流滤波输入电路2之间设置保险丝F1-1和防浪涌电流热敏电阻R1-1；整流滤波输入电路2包括一个低通滤波电路和一个桥式整流电路。

参照图1，LLC谐振变换电路3包括功率驱动单元和LLC振荡单元；功率驱动单元包括多个电阻R1-2、R1-3、R1-4、R1-5、R1-6、R1-7和一个变压器T1-2，LLC振荡单元32包括两个MOS管Q1、Q2、两个二极管D1-1、D1-2、两个谐振电感Lr、Lm和一个谐振电容Cr。

如图1所示，市电由交流输入端口1经保险丝F-1和防浪涌电流热敏电阻R1-1进入低通滤波与桥式整流部分，电容C1-1、电感T1-1、电容C1-1、电容C1-2、电容C1-3构成交流低通滤波电路，此电路有两个作用，其一，防止输入电源窜入噪声干扰，同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入；其二，阻值、限制开关电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线反馈进入电网，污染电网。整流桥B1是由整流二极管组成，与电解电容C1-4构成整流滤波电路，将交流市电变为高压直流。

如图1所示，LLC谐振变换部分是由电阻R1-2、R1-3、R1-4、R1-5、R1-6、1-及变压器T1-2组成的功率驱动电路；由MOS管Q1、Q2，二极管D1-1、D1-2，谐振电感Lr、Lm，谐振电容Cr,以上元件组成LLC谐振变换电路。LLC谐振电路是开关电源领域零电压开关的一种，其特点是电路结构简单，功率转换效率高，在中功率开关电源中应用十分广泛，其工作原理是通过改变MOS管Q1、Q2的开关频率调整电感Lr、Lm及电容Cr上的分压比来调整变压器T3的输出电压，在调整过程中通过电感Lr、Lm与电容Cr进入谐振工作状态，保证MOS管Q1、Q2及整流输出二极管D1-3、D1-4在零电压下开关，降低了开关损耗，提高了能量转换效率。对于LLC谐振变换的工作原理和时序，其为现有技术，在此不再赘述。可参考“南京航空航天大学、作者为石祥花的《半桥LLC谐振变换器设计与仿真》”。

图2包括电流取样电路和PWM-PFM控制电路。如图所示，电流取样电路中，充电电流取样信号经PWM-PFM控制电路接口的1脚进入充电电流取样处理部分，经电阻R2-1及电容C2-2低通滤波后送入运输放大器IC2-2的同向输入端，IC2-2与电阻R2-5、R2-6及电容C2-3组成同向运算放大器，放大倍数为（1+R2-6/R2-5）,产生的电流放大信号经电容C2-4滤波后同时连接到三个功能区：第一经电阻R2-2通过PWM-PFM控制电路接头的2脚送到单片机电路，由单片机电路中的单片机IC3-1进行A/D转换等处理（详细介绍在单片机电路中介绍）；第二路第二送到由IC2-3、电阻R2-3、R2-7构成的比较器的同向输入端，当放大后的电流取样信号大于由电阻R2-3、R2-7组成的分压电压[12V×R7/(R2-3+R2-7)],IC2-3的输出端变为高电平，并将此高电平送入IC2-1的16脚，让IC2-1停止工作，达到过流或短路保护的功能；第三路送到IC2-4的2脚（A点）。

对于PWM-PFM控制电路，如图2所示，PWM-PFM控制电路包括PWM控制芯片IC2-1，PWM控制芯片IC2-1的9脚和10脚为电源端，连接到12V的辅助电源，PWM控制芯片IC2-1的8脚和11脚为MOS管驱动信号输出端，PWM控制芯片IC2-1的4脚连接缓冲电容C2-9，PWM控制芯片IC2-1的5脚输出5V基准电压经电容滤波后连接到两个电阻进行分压，分压电压连接到PWM控制芯片IC2-1的的6脚并经过电容滤波后构成IC1内部比较器的基准电压；PWM控制芯片IC2-1的14脚和15脚连接调频用主电阻R2-10，PWM控制芯片IC2-1的2脚连接调频用电容C2-8；***扩展电路包括A支路和B支路，A支路包括串连的第一可控硅IC2-4和第一止逆二极管D2-1，B支路包括第二可控硅IC2-5和第二止逆二极管D2-2，A支路与B支路并联后再与调频用副电阻R2-4串连形成阻值可调支路，阻值可调支路与调频用主电阻R2-10并联；第一可控硅IC2-4的控制端为A端点，第二可控硅IC2-5的控制端为B端点，A端点与电流取样电路的第三路输出连接，充电输出电压通过两个电阻在B端点分压且B端点与单片机电路11连接。

下面对PWM- PFM控制电路的工作原理进行详细介绍，如图2所示，PWM- PFM控制电路中集成电路IC2-1是传统的PWM（脉冲宽度调制）芯片，具体的芯片型号为CW494，传统用法是只能工作在固定频率下，工作频率由电阻R2-10和电容C2-8的大小决定,电阻R2-11的大小决定输出脉宽的最大占空比，IC2-1的9脚和10脚为电源端，连接到12V的辅助电源，IC2-1的8脚和11脚为MOS管驱动信号输出端，IC2-1的4脚连接的电容C2-9是缓启的作用，C2-1的5脚输出5V基准电压经电容C2-10滤波连接到电阻R2-12、R2-13进行分压，分压电压为2.52V，连接到IC2-1的6脚并经过电容C2-12滤波，构成IC2-1内部比较器的基准电压。本实用新型的关键点是将传统PWM电源控制芯片经过***电路的拓展，变为PWM(脉冲宽度调制)和PFM（频率调制）混合调制芯片。

PWM- PFM控制电路的工作原理如下：

1）送到A点的电流放大信号大于设定值2.5V时，IC2-4的内阻R（IC2-4）变小, R（IC2-4）经过二极管D2-1串联电阻R2-4后与电阻R2-10并联，这样与R2-10的并联电阻阻值变小，使IC2-1的振荡频率变高，从而IC2-1的11脚和8脚的MOS管驱动信号的开关频率变高。当送到A点的电流放大信号小于设定值2.5V时，IC2-4的内阻R（IC2-4）变大,R（IC2-4）经过二极管D2-1串联电阻R2-4后与电阻R2-10并联，这样与R2-10的并联电阻阻值变大，使IC2-1的振荡频率变低，从而IC2-1的11脚和8脚的MOS管驱动信号的开关频率变低。从而实现了充电电流的PFM（频率调制）控制。

2）充电输出电压经PWM-PFM控制电路接头的5脚连接到电阻R2-8、R2-9，在B点产生分压电压Vb1，通过PWM-PFM控制电路接头的4脚将B点与单片机电路中单片机D/A变换的输出Vb2连接,设计正常情况下Vb1远小于Vb2。单片机IC3-1根据检测的环境温度的高低及充电电压的高低，时时改变Vb2的大小。当Vb2小于设定值2.5V 时，IC2-5的内阻R（IC2-5）变大,R（IC2-5）经过二极管D2-2串联电阻R2-4后与电阻R2-10并联，这样与R2-10的并联电阻阻值变大，使IC2-1的振荡频率变低，从而IC2-1的11脚和8脚的MOS管驱动信号的开关频率变低。当2.5V＜Vb2≤2.52V 时，IC2-5的内阻R（IC2-5）变小,R（IC2-5）经过二极管D2-2串联电阻R2-4后与电阻R2-10并联，这样与R2-10的并联电阻阻值变小，使IC2-1的振荡频率变高，从而IC2-1的11脚和8脚的MOS管驱动信号的开关频率变高。当Vb2＞2.52V时，IC2-5的内阻R（IC2-5）变为最小,R（IC2-5）经过二极管D2-2串联电阻R2-4后与电阻R2-10并联，这样与R2-10的并联电阻阻值变为最小，使IC2-1的振荡频率变为设定最高值，从而IC2-1的11脚和8脚的MOS管驱动信号的开关频率变为设定最高值，Vb2经电阻R2-14连接到IC2-1的7脚，7脚的电压大于6脚电压（电阻R2-12、R2-13的串联分压）使2-进入输出脉冲的占空比变小，进入PWM（脉冲宽度调制）状态。此情况是在开关频率变为设定值最高值仍不能稳定输出电压的情况下进行的。从而实现PWM（脉冲宽度调制）和PFM（脉冲频率调制）的混合调制控制。

参照图3，单片机电路11包括用于提供5V电源的辅助电源，辅助电源采用7805三端稳压器IC3-2，稳压器的输入端和输出端均设置滤波电容C3-7、C3-8。内部温度取样电路9和外部温度取样电路10均采用热敏电阻；数码管显示电路12为多位七段数码管。

如图3所示，电压、电流、温度取样部分中电阻R3-13、R3-16组成充电机内部温度取样电路，其中电阻R3-16为热敏电阻；电阻R3-14、R3-17组成外部温度取样电路，其中电阻R3-17为热敏电阻；电阻R3-15、R3-18组成充电电压取样电路，电容C3-6对来自PWM-PFM控制电路的电流放大信号进行滤波，三路取样电路和电流放大信号分别送入单片机IC3-1的3、4、6、7脚的A/D转换单元进行数模转换。

其中，单片机的具体型号为SH79F083。单片机中的A/D转换单元电压、电流、温度取样中的电流、电压、内部温度、外部温度的取样信号转换为数字信号，由程序控制，对以上四个参数进行显示，电阻R3-1、R3-2、R3-3、R3-4、R3-5、R3-6、R3-7、R3-8、R3-9、R3-10、R3-11及三极管P1、P2、P3和三位数码管LED1构成三位数码管动态显示部分。单片机IC1根据外部温度按照不同性质的电池组计算出最大充电电压，单片机IC1根据计算出的做大充电电压、充电电流、充电电压来控制内部D/A转换电路输出不同的电压，通过二极管D3-1、C3-2输出到PWM-PFM控制电路进行控制。

本实用新型的充电电路主电路采用LLC拓扑电路，具有电能转换效率高的优点，采用单片机对电压、电流、温度参数进行采样计算并控制LLC拓扑电路，很好的实现了本实用新型的充电方法；LLC拓扑电路的控制电路采用国产普通的PWM控制芯片，通过***电路的拓展，实现了PFM+PWM功能，简化了电路结构，避免了采用国外专用LLC集成电路芯片带来的维护成本、购置成本及供货风险问题，同时也达到了比专用LLC集成电路芯片更好的工作效果。采用3个LED数码管集成显示充电电流、充电电压、环境温度、充电机内部温度及充电状态，方便使用者直观观察。

其中，本实用新型的核心改进点在于电路结构的改进，所涉及的单片机的功能为简单的信号采集和处理以及显示控制，至于利用本充电电路的充电方法和充电方法中需要涉及的计算机程序，需根据具体方法进行具体设计和编辑，该部分内容并不是本案的重点，本案是为探索和研发充电新方法提供一种功能更多且更可靠的硬件电路。也即，本案的核心在于充电电路的具体电路的具体电路连接结构的改进，不在于计算机程序的改进，更不是一种方法的改进。

综上所述，本实用新型不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的前提下，可做若干更改或修饰，上述更改或修饰均落入本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种蓄电池充电电路，包括依次连接的交流输入端口（1）、整流滤波输入电路（2）、LLC谐振变换电路（3）、整流滤波输出电路（4）、充电输出接口（5），其特征是该电路还包括PWM-PFM控制电路（6）、电流取样电路（7）、电压取样电路（8），内部温度取样电路（9）、外部温度取样电路（10）、单片机电路（11）和数码管显示电路（12）；其中：

LLC谐振变换电路（3）与PWM-PFM控制电路（6）连接， PWM-PFM控制电路（6）与单片机电路（11）连接；

PWM-PFM控制电路（6）包括PWM电源控制电路（61）和***扩展电路（62）；

电流取样电路（7）的取样信号经运算放大器放大后分成三路，其中一路经滤波后与单片机（IC3-1）的其中一个信号输入端口连接，第二路经电压比较器比较后向PWM电源控制电路（61）输出高/低电平使能信号，第三路与PWM-PFM控制电路（6）的***扩展电路（62）连接；

电压取样电路（8）、内部温度取样电路（9）、外部温度取样电路（10）经滤波后与单片机（IC3-1）的信号输入端口对应连接；

数码管显示电路（12）与单片机（IC3-1）的信号输出端口连接。

2.如权利要求1所述的蓄电池充电电路，其特征是所述交流输入端口（1）与整流滤波输入电路（2）之间设置保险丝（F1-1）和防浪涌电流热敏电阻（R1-1）；整流滤波输入电路（2）包括一个低通滤波电路和一个桥式整流电路。

3.如权利要求1所述的蓄电池充电电路，其特征是所述LLC谐振变换电路（3）包括功率驱动单元和LLC振荡单元；功率驱动单元包括多个电阻（R1-2、R1-3、R1-4、R1-5、R1-6、R1-7）和一个变压器（T1-2），LLC振荡单元（32）包括两个MOS管（Q1、Q2）、两个二极管（D1-1、D1-2）、两个谐振电感（Lr、Lm）和一个谐振电容（Cr）。

4.如权利要求1所述的蓄电池充电电路，其特征是所述PWM-PFM控制电路包括PWM控制芯片（IC2-1），PWM控制芯片（IC2-1）的9脚和10脚为电源端，连接到12V的辅助电源，PWM控制芯片（IC2-1）的8脚和11脚为MOS管驱动信号输出端，PWM控制芯片（IC2-1）的4脚连接缓冲电容（C2-9），PWM控制芯片（IC2-1）的5脚输出5V基准电压经电容滤波后连接到两个电阻进行分压，分压电压连接到PWM控制芯片（IC2-1）的6脚并经过电容滤波后构成IC1内部比较器的基准电压；PWM控制芯片（IC2-1）的14脚和15脚连接调频用主电阻（R2-10），PWM控制芯片（IC2-1）的2脚连接调频用电容（C2-8）；***扩展电路包括A支路和B支路，A支路包括串连的第一可控硅（IC2-4）和第一止逆二极管（D2-1），B支路包括第二可控硅（IC2-5）和第二止逆二极管（D2-2），A支路与B支路并联后再与调频用副电阻R（2-4）串连形成阻值可调支路，阻值可调支路与调频用主电阻（R2-10）并联；第一可控硅（IC2-4）的控制端为A端点，第二可控硅（IC2-5）的控制端为B端点，A端点与电流取样电路的第三路输出连接，充电输出电压通过两个电阻在B端点分压且B端点与单片机电路（11）连接。

5.如权利要求1所述的蓄电池充电电路，其特征是所述单片机电路（11）包括用于提供5V电源的辅助电源，辅助电源采用7805三端稳压器（IC3-2），稳压器的输入端和输出端均设置滤波电容（C3-7、C3-8）。

6.如权利要求1所述的蓄电池充电电路，其特征是所述内部温度取样电路（9）和外部温度取样电路（10）均采用热敏电阻；数码管显示电路（12）为多位七段数码管。

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