CN113612291A - 一种可配置的恒流充电管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于充电管理的技术领域，公开了一种可配置的恒流充电管理系统，包括充电电源，所述充电电源通过恒流单元与待充电器件连接，所述恒流单元包括并联在一起的多条恒流支路，每个所述恒流支路均包括连接在一起的使能触发模块和可恢复保险丝PPTC，所述待充电器件的两端还并联有电压检测模块，所述电压检测模块用于检测待充电器件两端的电压信号，所述电压检测模块、多个使能触发模块、温度检测模块均与处理器连接，所述温度检测模块用于检测环境温度，所述处理器用于根据接收的环境温度和电压信号，通过多个使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对待充电器件的恒流充电。

Description

一种可配置的恒流充电管理系统

技术领域

本发明属于充电管理的技术领域，具体涉及一种可配置的恒流充电管理系统。

背景技术

随着超级电容的使用越来越普及，超级电容的充放电管理变得越来越重要了，特别是在汽车电子领域，对超级电容的充电电路的性能要求非常高，既要求极低的辐射和传导骚扰水平，又要求价格低、体积小，因此各种各样的新型低成本充电电路应用而生。

传统的降压型恒流充电电路基本上采用两种方式，一种是PWM控制的方式，例如BUCK,BUCK-BOOST等拓扑结构，对于小容量的超级电容的充放管理(容量小于20F的超容)而言，其辐射和传导需要花费比较高的成本才能满足汽车电子的要求，而且体积较大，不是一种理想的方案；另外一种是线性的充电电路，缺点也很明显，当超容从0V开始充电时，输入电压到输出电压的压降比较大，压降和损耗全部由线性电路承担，因此线性电路的损耗是个大问题，同时需要比较大型的散热装置，所以体积和散热成为一个问题，而且线性电路的成本会随着充电电流的上升成倍增加，无法满足客户的需求。

发明内容

本发明提供了一种可配置的恒流充电管理系统，既可以解决电磁辐射问题，又可以减少体积，降低成本，能够很好的满足客户的需求。

本发明可通过以下技术方案实现：

高分子可恢复保险丝PPTC又经常被人们称为自恢复保险丝，由于具有独特的正温度系数电阻特性，因而极为适合用作过流保护器件，其使用方法像普通保险丝一样，是串联在电路中使用的，当电路正常工作时，可恢复保险丝PPTC的温度与室温相近、电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电路因故障而出现过电流时，可恢复保险丝PPTC由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过开关温度ts时，其阻值瞬间剧增进入高阻状态，回路中的电流迅速减小到安全值。

但是可恢复保险丝PPTC的这一特性不仅仅可以作为保护器件使用，还可以用于恒流充电电路中，因此，参照附图1，本发明提供了一种可配置的恒流充电管理系统，包括充电电源，所述充电电源通过恒流单元与待充电器件连接，所述恒流单元包括并联在一起的多条恒流支路，每个所述恒流支路均包括连接在一起的使能触发模块和可恢复保险丝PPTC，所述待充电器件的两端还并联有电压检测模块，所述电压检测模块用于检测待充电器件两端的电压信号，

所述电压检测模块、多个使能触发模块、温度检测模块均与处理器连接，所述温度检测模块用于检测环境温度，所述处理器用于根据接收的环境温度和电压信号，通过多个使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对待充电器件的恒流充电。

这样，借助进入高阻状态的可恢复保险丝PPTC，可以确保整个电路中的充电电流即可恢复保险丝PPTC的维持电流保持恒定不变，具体的充电电流可以根据待充电器件如超级电容、蓄电池等的要求，选择不同维持电流的可恢复保险丝PPTC，从而能够很好地实施对待充电器件的恒流充电，但是由于可恢复保险丝PPTC是一种对温度敏感的直热式、阶跃型传感器电阻，其电阻变化过程与自身的发热和散热情况有关，因而其维持电流ihold、动作电流itrip及动作时间受环境温度影响。考虑到这一情况，本发明通过并联的形式将多个可恢复保险丝PPTC连接在一起，从而弥补环境温度变化对可恢复保险丝PPTC的影响，确保完成对待充电器件整个过程的恒流充电。

该恒流充电的具体过程即为该处理器根据接收的电压信号，控制一个使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，开始对对待充电器件进行恒流充电，然后，判断接收的环境温度是否高于25度，若是，则控制另外一个或多个使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对待充电器件的恒流充电。

为了进一步提高控制精度，我们还在整个电路中增设了电流检测模块，该充电电源依次通过电流判断模块、恒流单元与待充电器件连接，该电流判断模块还与处理器连接，用于判断当前的充电电流是否处于规定范围内，该处理器用于接收电流判断模块的判断结果，再结合环境温度，控制另外一个或多个使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对待充电器件的恒流充电。

具体地，该电流检测模块包括差分放大器，该差分放大器的输出端与处理器连接，正相输入端与充电电源连接，负相输入端与开关保护单元连接，该正相输入端通过采样电阻与负相输入端连接；

该使能触发模块包括串联在一起的第一、第二分压电阻，其一端与处理器连接，另一端与充电电源的负极连接，其中间节点与第二场效应管的栅极连接，所述第二场效应管的源极与充电电源的负极连接，漏极通过第三分压电阻与带体二极管的第一场效应管的栅极连接，第一场效应管的漏极与对应的可恢复保险丝PPTC连接，源极与并联在一起的缓冲电容、稳压二极管、第四分压电阻的一端连接，另一端与第一场效应管的栅极连接。

经过多次试验验证，所述规定范围设置为标准充电电流的70％～130％。

由于可恢复保险丝PPTC的电阻可恢复，因而可以重复多次使用，电阻一般在十几秒到几十秒中即可恢复到初始值1.6倍左右的水平，此时可恢复保险丝PPTC的维持电流已经恢复到额定值，就可以再次使用了，但是由于其自身的物理特性，可恢复保险丝PPTC的开关寿命的次数在6000次到8000次，在某些应用中，对开关次数有较高要求，例如要求能够达到10000次以上，此时就需要考虑各个可恢复保险丝PPTC的配合工作，因此，我们在整个电路中增设了计数器，该计数器用于对各个可恢复保险丝PPTC的触发次数进行累计计数，这样，处理器根据接收的累计值信息，对各个可恢复保险丝PPTC进行由低到高排序，按照排序次序，通过使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，这样，通过各个可恢复保险丝PPTC之间的配合工作，使它们可以交替工作，进而使它们的开关次数可以类似累积方式叠加在一起，成倍增加，从而提高整个充电电路的使用寿命，满足客户需要。

由于每个可恢复保险丝PPTC都有开关次数极限，为了确保其能够在额定状态下工作，该处理器在所述可恢复保险丝PPTC进入高阻状态后，利用电流检测模块检测当前的充电电流是否小于阈值，说明此时已经或即将达到开关次数极限，若是，则通过使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC关闭，继续进行下一个可恢复保险丝PPTC的触发工作。当然，我们也可以增加计数器的记录结果进行判断。

该阈值的具体设置要根据可恢复保险丝PPTC的物理特性而定，如0.1A。

本发明还提供了一种基于上文所述的可配置的恒流充电管理系统的充电管理方法，检测待充电器件两端的电压是否低于设定值，若是，则按照各个恒流支路的触发次数的累计值排序，先触发累计值最低的恒流支路开始工作，然后判断环境温度是否超过25度，若是，再触发累计值第二低的恒流支路开始工作，确保完成对待充电器件的恒流充电。

为了提高控制精度，若所述环境温度大于25度，则检测当前的充电电流是否处于规定范围内，若是，再触发次数第二低的恒流支路开始工作，确保完成对待充电器件的恒流充电。

由于每个可恢复保险丝PPTC都有开关次数极限，在对累计值进行排序时，先判断累计值是否超过可恢复保险丝PPTC的触发次数极限，若是，则将对应的恒流支路从排序中删除。

本发明有益的技术效果如下：

借助进入高阻状态的可恢复保险丝PPTC，可以确保整个电路中的充电电流即可恢复保险丝PPTC的维持电流保持恒定不变，从而能够很好地实施对待充电器件的恒流充电，同时，通过并联的形式将多个可恢复保险丝PPTC连接在一起，从而弥补环境温度变化对可恢复保险丝PPTC的影响，确保完成对待充电器件整个过程的恒流充电，再结合对各个可恢复保险丝PPTC的触发次数进行累计计数，按照由低到高的排序次序，通过使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，这样，通过各个可恢复保险丝PPTC之间的配合工作，使它们可以交替工作，进而使它们的开关次数可以类似累积方式叠加在一起，成倍增加，从而提高整个充电电路的使用寿命，满足客户需要。

采用本发明的恒流充电管理系统，由于没有开关电源的频繁开关MOSFET的PWM信号，因此可以有效的避免Di/Dt的变化引起的电磁传导和辐射问题，同时使用了可恢复保险丝PPTC能够通过自身发热而增大阻抗的特点，不需要像线性电路一样需要解决电压差导致的功率消耗，线性电路一般需要采用大体积的散热器才能解决初始充电时由于压差大而导致功率消耗。因此和开关电源类型的充电电路相比，解决了EMC问题，和线性电路相比解决了体积大的问题。

附图说明

图1为本发明的基础的降压型恒流充电电路的结构示意图；

图2为本发明的可配置的降压型恒流充电电路的结构示意图；

图3为本发明的包含两套可配置的降压型恒流充电电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施案例详细说明本发明的具体实施方式。

首先，我们介绍一下基础的降压型恒流充电电路的工作原理，其电路结构如图1所示，电阻R1、R2组成待充电器件如超级电容的电压采集模块，场效应管M1、M2，稳压二极管D1，电阻R3、R4、R5、R6、缓冲电容C2组成充电电路的使能触发模块，处理器Controller用于采集外部电压、环境温度、电流等信号，做相应的逻辑控制，NTC sensor用于采集环境温度，传送到处理器controller，其工作过程如下：

首次上电后，处理器先通过电阻R1和R2组成的分压电路检测超级电容的电压，如果超级电容的电压低于设定值，如我们设定为13.5V，然后通过输出高电平，驱动分压电阻R5、R6，打开M2，稳压二极管D1用于保护场效应管M1，C2用于缓慢开启M1，从而避免开通时峰值电流过大，当M2开通后，输入电压通过分压电阻R3、R4和M2形成通路，从而打开M1，此时开始充电，当Controller检测到超容的电压达到13.5V时，关断M1,从而关断M2，停止充电。

恒流充电工作过程如下：

初始状态下，超容的电压为0V，当打开M2后，由于可恢复保险丝PPTC在没有达到触发电流时，阻抗是0.15欧姆，在这个电路中，我们选择的PPTC性能如下：

触发电流：2.5A，维持电流：0.5A，常态阻抗：0.15欧姆。

由于电容C2和R4组成的电路使得M2缓慢开通,流过M2的电流会缓慢上升，直到达到可恢复保险丝PPTC的触发电流2.5A,然后可恢复保险丝PPTC开始进入高阻状态，维持电路中流过的电流为0.5A，阻抗根据功耗自动调整，根据下面的公式：

其中，输入电压为Uin，输出电压Ucap，可恢复保险丝PPTC触发后的维持电流为I，可恢复保险丝PPTC的阻抗为Rptc。

当输入电压为13.5V，而超容两端的电压大于13.425V时，维持电流才会小于0.5A，此时可恢复保险丝PPTC退出高阻模式，恢复低阻抗模式，在此之前整个充电过程是恒流的。如果需要改变充电电流的大小，可以通过选择不同维持电流的可恢复保险丝PPTC器件来实现。

上述基础的降压型恒流充电电路结构在环境温度低于25℃时，可恢复保险丝PPTC的维持电流能保持基本恒定，当环境温度超过25℃时，可恢复保险丝PPTC的维持电流就会下降，因此我们使用可配置的降压型恒流充电电路来保持恒流，如图2所示，即采用两路同样配置的电路通过并联方式来实现。

当NTC sensor检测到环境温度高于25℃时，反馈给处理器controller，该处理器controller同时打开M1和M3，让包含PPTC1的充电支路和包含PPTC2的充电支路同时工作，从而实现输出电流叠加，解决由于温升造成的可恢复保险丝PPTC维持电流下降的问题。

另外，我们可以增设电流检测模块，包括差分放大器，该差分放大器的输出端与处理器连接，正相输入端与充电电源连接，负相输入端与开关保护单元连接，该正相输入端通过采样电阻与负相输入端连接，这样通过采样电阻R7，检测当前的充电电流，若当前的充电电流和标准充电电流相比下降30％，打开包含PPTC2的充电支路，若当前的充电电流回升到标准充电电流130％，关闭包含PPTC2的充电支路，从而实现恒流控制。当然，也可以通过检测电流和温度的组合来进行综合诊断，从而提高控制精度。

由于可恢复保险丝PPTC的开关寿命的次数在6000次到8000次，在某些应用中，对开关次数有要求，例如，开过次数要求能够达到10000次以上，用前面的两路可配置的降压型恒流充电电路就无法满足需求了，因此我们发展了多路可配置的降压型恒流充电电路，如图3所示，使用两套可配置的降压型恒流充电电路，其中每套包含两路降压型恒流充电支路，可以实现开关次数的成倍增加，从而满足客户的需求。控制原理如下：

初次上电时，开通M1，处理器内部的存储单元x1记录PPTC1充电支路的上电次数，或者用额外的计数器实现累计计数，根据环境温度和电流的大小决定是否打开M3，处理器内部的存储单元x2记录PPTC2充电支路的上电次数，其他两路也采用同样的记录方法，处理器内部的存储单元x3记录PPTC3充电支路的上电次数，处理器内部的存储单元x4记录PPTC4充电支路的上电次数，以后每次上电时，先读取存储单元x1、x2、x3、x4内部的数据，并由高到低进行排序，然后根据排序顺序，进行开关M1、M3、M5、M7的动作，从而使能PPTC1、PPTC2,PPTC3、PPTC4充电支路工作与否，例如x1>x2>x3>x4，那么本次上电后，先开通M7，让PPTC4充电支路先工作起来，根据环境温度和充电电流的大小，再决定本次充电是否开启PPTC3充电支路。

这样使用两套可配置的降压型恒流充电电路，充电电路的开关寿命可以轻松达到12000次以上。如果需要更长的开关寿命，可以通过增加多套可配置的降压型恒流充电电路来实现，计算方法如下：

6000*套数＝可靠的开关寿命次数

考虑到每个可恢复保险丝PPTC都有开关次数极限，为了确保其能够在额定状态下工作，每次上电都开启PPTC1充电支路，之后先利用电流检测模块检测当前的充电电流，如果当前的充电电流低于0.1A，就认为是PPTC1充电支路已经失效，其中的可恢复保险丝PPTC已经达到或者即将达到开关次数极限，然后关闭PPTC1充电支路，开启PPTC2充电支路，如果电流满足0.5A，就正常工作，如果充电电流还是小于0.1A，则关闭PPTC2充电支路，开启PPTC3充电支路，以此类推，直到开通PPTC4充电支路。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种可配置的恒流充电管理系统，其特征在于：包括充电电源，所述充电电源通过恒流单元与待充电器件连接，所述恒流单元包括并联在一起的多条恒流支路，每个所述恒流支路均包括连接在一起的使能触发模块和可恢复保险丝PPTC，所述待充电器件的两端还并联有电压检测模块，所述电压检测模块用于检测待充电器件两端的电压信号。

所述电压检测模块、多个使能触发模块、温度检测模块均与处理器连接，所述温度检测模块用于检测环境温度，所述处理器用于根据接收的环境温度和电压信号，通过多个使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对待充电器件的恒流充电。

2.根据权利要求1所述的可配置的恒流充电管理系统，其特征在于：所述处理器根据接收的电压信号，控制一个使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，开始对对待充电器件进行恒流充电，然后，判断接收的环境温度是否高于25度，若是，则控制另外一个或多个使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对待充电器件的恒流充电。

3.根据权利要求2所述的可配置的恒流充电管理系统，其特征在于：所述充电电源依次通过电流判断模块、恒流单元与待充电器件连接，所述电流判断模块还与处理器连接，用于判断当前的充电电流是否处于规定范围内，所述处理器用于接收电流判断模块的判断结果，再结合环境温度，控制另外一个或多个使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对待充电器件的恒流充电。

4.根据权利要求3所述的可配置的恒流充电管理系统，其特征在于：所述电流检测模块包括差分放大器，所述差分放大器的输出端与处理器连接，正相输入端与充电电源连接，负相输入端与开关保护单元连接，所述正相输入端通过采样电阻与负相输入端连接；

所述使能触发模块包括串联在一起的第一、第二分压电阻，其一端与处理器连接，另一端与充电电源的负极连接，其中间节点与第二场效应管的栅极连接，所述第二场效应管的源极与充电电源的负极连接，漏极通过第三分压电阻与带体二极管的第一场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的漏极与对应的可恢复保险丝PPTC连接，源极与并联在一起的缓冲电容、稳压二极管、第四分压电阻的一端连接，另一端与第一场效应管的栅极连接。

5.根据权利要求3所述的可配置的恒流充电管理系统，其特征在于：所述规定范围设置为标准充电电流的70％～130％。

6.根据权利要求3所述的可配置的恒流充电管理系统，其特征在于：还包括计数器，所述计数器用于对各个可恢复保险丝PPTC的触发次数进行累计计数，所述处理器根据接收的累计值信息，对各个可恢复保险丝PPTC进行由低到高排序，按照排序次序，通过使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态。

7.根据权利要求6所述的可配置的恒流充电管理系统，其特征在于：所述处理器在所述可恢复保险丝PPTC进入高阻状态后，利用电流检测模块检测当前的充电电流是否小于阈值，若是，则通过使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC关闭，继续进行下一个可恢复保险丝PPTC的触发工作。

8.一种基于权利要求1所述的可配置的恒流充电管理系统的充电管理方法，其特征在于：检测待充电器件两端的电压是否低于设定值，若是，则按照各个恒流支路的触发次数的累计值排序，先触发累计值最低的恒流支路开始工作，然后判断环境温度是否超过25度，若是，再触发累计值第二低的恒流支路开始工作，确保完成对待充电器件的恒流充电。

9.根据权利要求8所述的可配置的恒流充电管理系统的充电管理方法，其特征在于：若所述环境温度大于25度，则检测当前的充电电流是否处于规定范围内，若是，再触发次数第二低的恒流支路开始工作，确保完成对待充电器件的恒流充电。

10.根据权利要求8所述的可配置的恒流充电管理系统的充电管理方法，其特征在于：在对累计值进行排序时，先判断累计值是否超过可恢复保险丝PPTC的触发次数极限，若是，则将对应的恒流支路从排序中删除。

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