用于电池充电的交流信号功率变换系统、充电系统及方法与流程

本发明总体涉及电路领域，更具体地，涉及一种用于电池充电的交流信号功率变换系统、充电系统及方法。

背景技术：

锂电池是现今社会各类便携式设备不可或缺的组成部分，广泛用于手机、笔记本、平板电脑、无人机、扫地机等。锂电池为充电次数有限的可充电电池，需要配合相应的充电器来使用。由于不同的锂电池具有不同的电池特性，因此，充电器对其进行充电的方式需要与电池的特性相符，否则会影响电池的寿命及容量。

由于成本或设计原因，充电器的充电方式多种多样，不同的充电方法对充电器的线路有不同的要求。但是传统的充电器至少包括交流到直流(ac-dc)恒压转换器、直流到直流(dc-dc)恒流转换器以及电压检测和控制器，由此也导致了传统充电器结构复杂和体积大等问题。因此，存在设计适于携带的体积较小的充电器的需要。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供了一种用于电池充电的交流信号功率变换系统，该交流信号功率变换系统包括：市电整流滤波电路，该市电整流滤波电路接收交流电信号，并且对所接收的交流电信号进行整流和滤波；功率变换电路，该功率变换电路从市电整流滤波电路接收经整流和滤波的电信号，并且对所接收的电信号进行功率变换；输出整流滤波电路，该输出整流滤波电路从功率变换电路接收经功率变换的电信号，对所接收的电信号进行整流和滤波以得到直接用于对电池充电的直流电信号；以及恒压恒流分档电路，该恒压恒流分档电路从交流信号功率变换系统的外部接收电流档级指令，并且根据电流档级指令控制功率变换电路以实现对电池的分档恒流充电。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于电池充电的充电系统，该充电系统包括：上述交流信号功率变换系统；以及电压检测和控制电路，该电压检测和控制电路对电池中的一个或多个电芯中的每个电芯进行实时检测以获得每个电芯的实时电压，并且基于预定充电模型和实时电压来生成并输出电流档级指令；其中，交流信号功率变换系统中的恒压恒流分档电路通过控制输入功率变换电路的电流来对直流电信号进行分档恒流控制。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于电池充电的方法，该方法包括：通过市电整流滤波电路接收交流电信号并且对所接收的交流电信号进行整流和滤波；通过功率变换电路从市电整流滤波电路接收经整流和滤波的电信号并且对所接收的电信号进行功率变换；通过输出整流滤波电路从功率变换电路接收经功率变换的电信号，并且对所接收的电信号进行整流和滤波以得到直接用于对电池充电的直流电信号；以及通过恒压恒流分档电路从交流信号功率变换系统的外部接收电流档级指令，并且根据电流档级指令控制功率变换电路以实现对电池的分档恒流充电。

本发明实施例所提供的用于电池充电的交流信号功率变换系统、充电系统及方法不仅能够实现充电的恒压恒流分档控制，而且充电系统结构简单，成本较低。此外，本发明实施例所提供的交流信号功率变换系统和充电系统能够用于由多个电芯串联而成电池充电。

附图说明

结合以下附图，根据本发明的实施例的描述可以更好地理解本发明，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于电池充电的充电系统的框图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的预定充电模型。

图3示出了根据本发明的一个实施例的电流档级指令。

图4示出了根据本发明的另一实施例的电流档级指令。

图5示出了根据本发明的另一实施例的用于电池充电的充电系统的原理示意图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的用于电池充电的方法流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明各个方面的特征和示例性实施例。下面的描述涵盖了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更清楚的理解。本发明绝不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了相关元素或部件的任何修改、替换和改进。

电池通常具有一个或多个电芯。例如，一些便携式设备(例如，无人机)由于工作电压较高，通常需要多个电芯串联来构成电池。在无特别说明的情况下，本申请适用于具有一个电芯的电池或者具有一个或多个电芯的电池。

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于电池充电的充电系统的框图。如图1所示，充电系统100包括：交流信号功率变换系统120和电压检测和控制电路104。

在一个实施例中，充电系统100还可以包括信号隔离电路105，该信号隔离电路105位于交流信号功率变换系统120和电压检测和控制电路104之间。

交流信号功率变换系统120可以包括：市电整流滤波电路101、功率变换电路102、输出整流滤波电路103、以及恒压恒流分档电路106。信号在充电系统100中的传送方向如图1中的箭头方向所示。

市电整流滤波电路101可以接收交流电信号，并且对所接收的交流电信号进行整流和滤波。

功率变换电路102可以从市电整流滤波电路101接收经整流和滤波的电信号，并且对所接收的电信号进行功率变换。

输出整流滤波电路103可以从功率变换电路102接收经功率变换的电信号，对所接收的电信号进行整流和滤波以得到直接用于对电池110充电的直流电信号，而无需再对电流进行其他变换。

电压检测和控制电路104对电池110中的一个或多个电芯中的每个电芯进行实时检测以获得每个电芯的实时电压，并且基于预定充电模型和所检测到的实时电压来生成并输出电流档级指令。

恒压恒流分档电路106(例如，经由信号隔离电路105)接收来自电压检测和控制电路104的电流档级指令，并且根据该电流档级指令控制功率变换电路实现对电池的分档恒流充电。具体地，恒压恒流分档电路106通过控制输入功率变换电路102的电流来对为电池110充电的直流电信号进行分档恒流控制。

也就是说，在交流信号功率变换系统120与电池110之间无需传统的dc-dc恒流变换器，交流信号功率变换系统120中的输出整流滤波电路103输出的电信号可作为直接对电池进行充电的直流电信号。传统的dc-dc恒流变换器所具有的恒流和/或分档功能由恒压恒流分档电路106协同信号隔离电路105、电压检测和控制电路104以及功率变换电路102来完成。

图2示出了根据本发明的一个实施例的预定充电模型。不同的电池具有不同的特性。图2示出的是针对一种锂电池的预定充电模型。

该锂电池的电芯过充到电压高于预定电压值后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。针对该锂电池而言，最理想的充电电压上限为4.2v。如图2所示，该电芯的电压最低为2.4v。根据该预定充电模型，该电池的充电过程经过恒流充电过程和恒压充电过程。

由于对于特定的电池，其最低电压和最高电压是已知的，电压检测和控制电路104可以在监测到电芯电压后，根据电压值来判断要充电的电芯个数。

在一个实施例中，恒压恒流分档电路106可以具有多个电压基准，从而能够输出相应的多个电流，以实现对直流电信号的分档恒流控制。

在一个实施例中，电流档级指令可以包括经脉冲宽度调制的信号。例如，图3示出了根据本发明的一个实施例的电流档级指令。图4示出了根据本发明的另一实施例的电流档级指令。但是，电流档级指令的具体类型并不限于本发明的实施例。

在一个实施例中，电流档级指令包括电流升档指令和电流降档指令。例如，图3中示出的电流档级指令可以是电流升档指令，而图4中示出的电流档级指令可以是电流降档指令。电流升档指令和电流降档指令可以采用特殊的编码方式来防止误动作，但并不限于本发明中所示出的示例。

在一个实施例中，充电系统100还可以包括充电开关电路(图中未示出)。充电开关电路的第一端子与输出整流滤波电路103的输出端相连接，充电开关电路的第二端子与电池110相连接，也就是说，充电开关电路处于输出整流滤波电路103和电池110之间来作为对电池110充电的开关。而且，充电开关电路的第三端子与电压检测和控制电路104相连接。当电压检测和控制电路104检测到电池110一个或多个电芯中的任一电芯的电压处于预定范围内时，充电开关电路开启以对该电芯进行充电。

上述电压检测和控制电路104、信号隔离电路105、以及恒压恒流分档电路106可以构成隔离式反激变换器，其具有上述电压检测和控制电路104、信号隔离电路105、以及恒压恒流分档电路106的功能。

图5示出了根据本发明的另一实施例的用于电池充电的充电系统的原理示意图。如图5所示，充电系统200包括：市电整流滤波电路201、功率变换电路202、输出整流滤波电路203、电压检测和控制电路204、信号隔离电路205、以及恒压恒流分档电路206。上述电路的功能与针对图1所描述的电路功能相同，在此不再赘述。

在一个实施例中，如图5所示，市电整流滤波电路201可以包括由四个二极管组成的整流电路db1和由电容器c1构成的滤波电路c1，其分别用于对交流电信号进行整流和滤波。

在一个实施例中，如图5所示，功率变换电路202可以包括开关电路q1和变压电路t1。在一个实施例中，开关电路q1可以是场效应管，q1的栅极与功率变换电路202的第一端子相连接，q1的源极与功率变换电路202的第二端子相连接。但开关电路q1不限于图5所示的示例。

在一个实施例中，如图5所示，输出整流滤波电路203可以包括整流二极管d1和电容器c2，分别用于整流和滤波。

在一个实施例中，如图5所示，电压检测和控制电路204可以包括芯片u2和电池电压采样电路2041。电池电压采样电路2041可以由电阻r6、r7、r8、r9、r10、r11组成，其连接方式如图5所示。图5中示出的电池210包括3个电芯b1、b2和b3。所串联的电芯的数目并不限于图5所示，本发明的实施例在该方面不受限。

在一个实施例中，芯片u2可以是微控制器(mcu)，其可以包括具有数据处理能力的中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计数器、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等中的一者或多者。如图5所示，通过电池电压采样电路2041对3个电芯b1、b2和b3进行电压采样，芯片u2例如通过引脚17、18和19接收所采样的电压。芯片u2还可以包括用于其他功能的其他引脚。

在一个实施例中，如图5所示，信号隔离电路205可以是由发光二极管u3a和光敏三极管u3b封装在一起的光耦隔离电路。光耦隔离电路使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的安全问题。例如，信号隔离电路205用于防止其左侧高压电路与其右侧低压电路之间的安全隔离。

在一个实施例中，如图5所示，恒压恒流分档电路206的第一端子与功率变换电路202的第一端子相连接，恒压恒流分档电路206的第二端子与功率变换电路202的第二端子相连接。恒压恒流分档电路206可以包括控制芯片u1和第一电阻r1。

在一个实施例中，如图5所示，控制芯片u1可以包括引脚gate和引脚cs。引脚gate可以作为电流输出控制脚，引脚cs可以作为电流取样脚。引脚gate与恒压恒流分档电路206的第一端子相连接，也即，与功率变换电路202的第一端子相连接。引脚cs与恒压恒流分档电路206的第二端子相连接，也即，与功率变换电路202的第二端子相连接。第一电阻r1的第一端子与恒压恒流分档电路206的第二端子相连接，并且第一电阻r1的第二端子接地。控制芯片u1还可以包括引脚adj，用于接收电流分档指令以触发恒压恒流分档电路206进行恒压恒流分档控制。控制芯片u1中设置有多个电压基准来实现多级电流。例如，在一个实施例中，控制芯片u1中设置有8个基准电压。但本发明的实施例在该方面不进行限制。

在一个实施例中，控制芯片u1是电流可外部通讯编程控制的脉冲宽度调制恒流恒压集成电路，可以通过外部编程来实现相应功能。

一些便携式设备由于工作电压较高，通常需要多个电芯串联来构成电池。在对这种电池进行充电的过程中，每个电芯由于容量和自放电率存在差异而使得每个电芯的电压具有差异，此时需采取均衡措施来确保安全性和稳定性，防止过充。因此，在一个实施例中，充电系统200可以包括平衡电路(图中未示出)。例如，平衡电路可以由电阻和场效应管串联构成，与相应的电芯并联，用于在电芯充电达到预定电压值时开启场效应管来分流，从而使得流过电芯的电流减小，以防止过充。

本发明中描述的充电系统可以支持具有不同个数的电芯的电池充电，可以通过更换充电系统与电池之间相应的连接线来实现对具有不同个数的电芯的电池进行充电。

图6示出了根据本发明的一个实施例的用于电池充电的方法300流程图。如图6所示，电池充电方法300可以包括如下步骤：

步骤s301：通过市电整流滤波电路接收交流电信号并且对所接收的交流电信号进行整流和滤波；

步骤s302：通过功率变换电路从市电整流滤波电路接收经整流和滤波的电信号并且对所接收的电信号进行功率变换；

步骤s303：通过输出整流滤波电路从功率变换电路接收经功率变换的电信号，并且对所接收的电信号进行整流和滤波以得到直接用于对电池充电的直流电信号；和

步骤s304：通过恒压恒流分档电路从交流信号功率变换系统的外部接收电流档级指令，并且根据电流档级指令控制功率变换电路以实现对电池的分档恒流充电。

在电池充电方法300中，恒压恒流分档电路具有多个电压基准，从而能够输出相应的多个电流，以实现分档恒流控制。

在电池充电方法300中，电流档级指令可以包括经脉冲宽度调制的信号。

在电池充电方法300中，电流档级指令包括电流升档指令和电流降档指令。

在电池充电方法300中，恒压恒流分档电路的第一端子与功率变换电路的第一端子相连接，恒压恒流分档电路的第二端子与功率变换电路的第二端子相连接。

在电池充电方法300中，恒压恒流分档电路包括控制芯片和第一电阻，控制芯片包括引脚gate和引脚cs，引脚gate作为电流及功率变换输出控制脚，引脚cs作为电流取样脚。

在电池充电方法300中，引脚gate与恒压恒流分档电路的第一端子相连接，引脚cs与恒压恒流分档电路的第二端子相连接，第一电阻的第一端子与恒压恒流分档电路的第二端子相连接，并且第一电阻的第二端子接地。

在电池充电方法300中，该控制芯片是电流可外部通讯编程控制的脉冲宽度调制恒流恒压集成电路。

在一个实施例中，电池充电方法300还可以包括：通过电压检测和控制电路对电池中的一个或多个电芯中的每个电芯进行实时检测以获得每个电芯的实时电压，并且基于预定充电模型和实时电压来生成并输出电流档级指令；其中，交流信号功率变换系统中的恒压恒流分档电路通过控制输入功率变换电路的电流来对直流电信号进行分档恒流控制。

在一个实施例中，电池充电方法300还可以包括：通过信号隔离电路从电压检测和控制电路接收电流档级指令并且将电流档级指令传送给恒压恒流分档电路。

在电池充电方法300中，输出整流滤波电路的输出端与充电开关电路的第一端子相连接，充电开关电路的第二端子与电池相连接，并且充电开关电路的第三端子与电压检测和控制电路相连接。电池充电方法300还可以包括：当电压检测和控制电路检测到一个或多个电芯中的任一电芯的电压处于预定范围内时，充电开关电路开启以对该电芯进行充电。

下面以图5中所示的充电系统200为例，来对根据本发明的实施例中的充电系统实现恒压恒流分档控制的方式进行详细说明。

当充电系统200连接充电插座和待充电的电池210之后，开始对电池210进行充电。电压检测和控制电路204检测电芯b1、b2和b3的实时电压，如果三个电芯的电压均大于2.4v(最低电压)并且小于4.2v(最大电压)，则电压检测和控制电路204生成电流升档指令，并且该通过引脚20发送该电流升档指令至信号隔离电路205。信号隔离电路205将该电流升档指令传送至恒压恒流分档电路206，例如，由恒压恒流分档电路206中的控制芯片u1的adj引脚接收该电流升档指令。该电流升档指令指示恒压恒流分档电路206将电流升档一级。电压检测和控制电路204可以发送多个电流升档指令来指示电流升档多级。

如上所述，控制芯片u1中设置有多个电压基准，可以实现多级电流控制。控制芯片u1的cs引脚对流过r1的电流进行采样，基于所采样的电流和r1的电阻值得到r1的电压值。基于电流升档指令和预设充电模型可以得到该电流升档指令所对应的电压基准值，将r1的电压值与该电压基准值进行比较，来控制gate引脚的脉冲宽度，通过场效应管q1控制功率的变换，即控制变压器t1的输出恒流电流，从而影响输入到电池210的充电电流大小。

例如，当电芯b3的电压首先达到4.2v时，降档指令传送至恒压恒流分档电路降到最低档，电芯b3所对应的平衡电路开关开启，从而对流过电芯b3的电流分流，以防止电芯b3过充，此时，电芯b3进入以平衡电路分流充电阶段。由于电芯b1和电芯b2未达到最大电压，因此对电芯b1和电芯b2继续以如上所述最小档位电流的方式进行充电，直到达到最大电压4.2v，关闭充电。上述示例仅仅对充电系统200的充电方法的工作原理进行示例性描述，并不进行限制。

本发明实施例所提供的用于电池充电的交流信号功率变换系统、充电系统及方法省去了传统充电器中的dc-dc转换电路，不仅能够实现充电的恒压恒流分档控制，而且结构简单，成本较低。此外，本发明实施例所提供的交流信号功率变换系统和充电系统能够用于由多个电芯串联而成电池充电。

本发明实施例提供的用于电池充电的交流信号功率变换系统、充电系统及方法可以适用于各种电池，尤其是无人机的电池。

上文中提到了“一个实施例”、“另一实施例”、“又一实施例”，然而应理解，在各个实施例中提及的特征并不一定只能应用于该实施例，而是可能用于其他实施例。一个实施例中的特征可以应用于另一实施例，或者可以被包括在另一实施例中。

上文中提到了“第一”、“第二”….等序数词，然而应理解，这些表述仅是为了叙述和引用的方便，所限定的对象并不存在次序上的先后关系。

应理解，上文中提到的器件和电路的数字下标也是为了叙述和引用的方便，并不存在次序上的先后关系。

以上参考本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员均了解，可以对这些具体实施例进行各种修改、组合和变更，而不会脱离由所附权利要求或其等同物限定的本发明的精神和范围。