電動車充電控制電路及其校準方法
【專利摘要】本發明提供一種電動車充電控制電路，其包括帶隙基準源、集成運放單元以及數模轉換模塊，其中集成運放的參考電壓由帶隙基準源經過數模轉換之后提供，所述數模轉換模塊為可編程數模轉換模塊，調整數模轉換模塊可調整所述數模轉換模塊輸出的參考電壓。本發明的電動車控制電路與現有的由三端可調基準電壓源器件組成的基準電壓源、由電阻網絡分壓產生的參考電壓和專用運算放大器電路組成的控制電路相比，使用的元器件少，而且校準效率高。
【專利說明】電動車充電控制電路及其校準方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及電路設計領域，特別是關于一種電動車充電控制電路的改進及其校準 方法。

【背景技術】
[0002] 電動車充電器控制電路是通過電流負反饋的方式來實現充電端的恒壓恒流控制 的，請參閱圖1所示，其顯示現有的電動車充電控制電路的系統框圖。如圖1中所示，變壓 器的源端采用電流控制方式的脈寬調制器件101外加場效應開關管102來控制輸入功率的 大小；變壓器次端的輸出電壓(或電流）經過采樣分壓后連接到運算放大器103的負端作為 采樣電壓（Vin)，三端可調器件產生的基準電壓源經過電阻網絡分壓后連接到運算放大器 103的正端作為參考電壓（Vref)，運算放大器103的輸出端接光耦104發光端的負極，運算 放大器103的輸出電壓大小可以改變光f禹104的發光強弱，同時也可以控制光f禹另一端流 過的電流，進而控制變壓器源端開關管102導通的頻率來影響輸入功率。
[0003] 在這個系統框圖中，基準電壓源是由三端可調基準電壓源器件（比如可控精密穩 壓源TL431)、電阻網絡和濾波電容組成；Rx為可調電阻，用來在校準階段手工調整對運放 的參考電壓進行校準。以恒壓階段為例，整個系統的工作過程大體如下面所描述的：假定電 池充滿電時的狀態為平衡態，此時的Vref-Vin差值為Va;充電階段開始時，由于此時Vbat 小于電池充滿電時的電壓，因此，Vref-Vin>Va，使得輸出的Vout大于平衡態時的電壓，因 此光耦的發光變弱，la變小，脈寬調制（PWM)頻率變快，使得輸入功率變強，充電電壓逐漸 向平衡態時的電壓靠近；同樣地，若Vbat高于電池充滿電的電壓，因此Vref-Vin〈Va，Vout 小于平衡態時的電壓，因此光耦發光變強，la變強，PWM頻率變慢，使得輸入功率變弱，充電 電壓下降，通過這種負反饋的方式可以使最終的充電電壓維持在平衡態附近，實現恒壓控 制。
[0004] 以充電恒壓階段為例，由上述分析可知，由于參考電壓Vref的大小直接決定了恒 壓階段Vbat的大小，理論上講，相同的Vref必然會產生相同的Vbat，但在實際應用中，由于 產生采樣電壓Vin分壓電阻的參數誤差以及所用元器件的工藝偏差，使得相同的Vref會產 生不同的恒壓階段Vbat的值，由于要求相同產品恒壓階段的Vbat必須一致，所以對每臺產 品的參考電壓Vref都必須進行微調，所以每臺產品都需要經過一個校準的過程，Rx的作用 就體現在這里。
[0005] 圖1為目前市場上廣泛采用的電動車充電器恒壓充電的電路原理框圖，圖1所示 充電器電路有兩個突出的問題：一，基準電壓源以及參考電壓Vref的產生均需要經過電阻 網絡，這就使得產品的硬件設計需要用到更多的阻容器件，會給產品的尺寸大小、加工焊接 帶來了更多的成本，更為重要的是，由于不同的電池其恒壓恒流的參數各不相同，這就使得 針對每種電池需要重新設計電阻網絡和調整電阻的參數，這就增加了產品硬件開發的成本 和時間；二，特別需要注意的是，由于電阻本身的參數誤差以及器件的工藝偏差，使得每件 產品均需要對Vref進行微調，這個微調過程是通過調整可變電阻Rx的大小并且由人工完 成的！這樣就不可避免的造成生產效率的低下和人為錯誤的產生。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于提供一種電動車充電器的充電控制電路，其產品器件少，并且 參考電壓校準過程效率高。
[0007] 本發明的另一目的在于提供一種電動車充電電路，其產品器件少，并且效率高。
[0008] 本發明的再一目的在于提供一種電動車充電器的充電控制電路的參考電壓校準 的方法。
[0009] 為實現上述本發明的目的，本發明提供了一種電動車充電控制電路，其包括一個 集成運放單元，其中該集成運放單元的一個輸入端接收采樣到的充電電壓，另一個輸入端 接收參考電壓，經比較之后輸出充電控制信號；所述充電控制電路的參考電壓由帶隙基準 源經數模轉換模塊轉換之后提供，所述數模轉換模塊為可編程數模轉換模塊，調整數模轉 換模塊可調整所述數模轉換模塊輸出的參考電壓。
[0010] 根據本發明的一個實施例，所述充電控制電路為一個微控制單元，其包括所述帶 隙基準源、集成運放單元以及數模轉換模塊，所述集成運放單元為可配置為前述集成運放 功能的差分比較器模塊。
[0011] 根據本發明的一個實施例，所述微處理單元還包括可編程存儲器，可以對控制過 程進行編程自動控制。
[0012] 根據本發明的一個實施例，當充電電池處于恒壓充電時，數模轉換模塊提供恒壓 充電參考電壓，當充電電池處于恒流充電時，數模轉換模塊提供恒流充電參考電壓。
[0013] 為達成前述另一目的，本發明提供一種電動車充電電路，其包括：變壓器、電流型 脈寬調制器件、場效應開關管、充電控制電路以及光藕，其中充電電池的充電電壓經過采樣 分壓后連接到充電控制電路，充電控制電路將采樣到的充電電壓Vin與參考電壓Vref比較 之后輸出控制信號控制光藕的電流大小，光耦流過的電流控制脈寬調制器件的輸出頻率， 進而控制變壓器源端場效應開關管導通的頻率來影響變壓器的輸入功率；所述充電控制電 路的參考電壓由帶隙基準源經過數模轉換模塊（DAC)轉換之后提供。
[0014] 根據本發明的一個實施例，所述充電控制電路包括一個集成運放單元，其中該集 成運放單元的一個輸入端接收所述采樣到的充電電壓，另一個輸入端接收所述參考電壓， 集成運放單元比較所述充電電壓與參考電壓之后輸出控制信號控制光藕的電流大小。
[0015] 根據本發明的一個實施例，所述充電控制電路為一個微控制單元（MCU)，其包括所 述帶隙基準源、集成運放單元以及數模轉換模塊，所述集成運放單元為可配置為前述集成 運放功能的差分比較器模塊。
[0016] 根據本發明的一個實施例，所述微處理單元還包括可編程存儲器，可以對控制過 程進行編程自動控制。
[0017] 為達成前述再一目的，本發明提供一種電動車充電控制電路參考電壓的校準方 法，其包括：
[0018] 提供一種電動車充電控制電路，其中所述電動車充電控制電路包括帶隙基準源、 集成運放單元以及數模轉換模塊，其中該集成運放的一個輸入端接收采樣到的充電電壓， 另一個輸入端接收參考電壓，經比較之后輸出充電控制信號，所述參考電壓由帶隙基準源 經過數模轉換模塊轉換后提供；
[0019] 向數模轉換模塊寫入一個初始值，使其輸出一個低于電池充滿電時參考電壓的電 壓值，
[0020] 再步進增加數模轉換模塊的數值，同時測試充電電壓的大小，當充電電壓等于充 滿電時的平衡態電壓時，記錄下當時的數模轉換模塊的數值，該數值所對應的數模轉換模 塊輸出就作為正常工作狀態下的參考電壓。
[0021] 根據本發明的一個實施例，所述電動車充電控制電路為微處理單元，其還包括可 編程存儲器，可以對控制過程進行編程自動控制。
[0022] 本發明提供的利用DAC參與負反饋實現電動車充電控制的方法和電路，以可編程 DAC輸出的電壓替代之前由電阻網絡分壓產生的充電階段恒流與恒壓參考電壓值，可節省 許多元器件，如果考慮到貼片加工的成本，則本發明整體方案節省的費用更為可觀，同時可 以使得產品的布線和外形更為簡潔和美觀。
[0023] 本發明提供的電動車充電器控制電路參考電壓自動校準方法，通過設置步進DAC 輸出電壓自動尋找恒流與恒壓參考電壓替代了之前由人工調整可變電阻器尋找參考電壓 的校準方法，由于上述校準過程完全可以實現程序自動控制，不需要人工參與，不僅可以節 省大量的人工成本，且校準的效率以及可靠性都大大地提高了。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是現有的電動車充電器恒壓充電的電路原理框圖；
[0025] 圖2是本發明的電動車充電電路的結構示意圖；
[0026] 圖3是本發明的電動車充電電路的控制電路的結構示意圖；
[0027] 圖4是本發明的電動車充電電路的一個具體實施例的結構框圖。

【具體實施方式】
[0028] 如圖2所示，其顯示本發明的電動車充電系統的系統框圖，如圖2所示，本發明的 電動車充電系統其主要包括變壓器(未標號)、電流型脈寬調制器件1、場效應開關管2、充電 控制電路3以及光藕4。
[0029] 其中變壓器的源端采用電流控制方式的脈寬調制器件1外加場效應開關管2來控 制輸入功率的大小；變壓器次端的輸出電壓(或電流）經過采樣分壓后連接到充電控制電 路3,充電控制電路3將采樣到的充電電壓Vin與參考電壓Vref比較之后輸出控制信號控 制光藕4的電流大小，同時也可以控制光耦另一端流過的電流，從而控制脈寬調制器件1的 輸出頻率，進而控制變壓器源端場效應開關管2導通的頻率來影響變壓器的輸入功率。
[0030] 整個系統的工作過程大體如下面所描述的：假定電池充滿電時的狀態為平衡態， 此時的Vref-Vin差值為Va;充電階段開始時，由于此時Vbat小于電池充滿電時的電壓，因 此，Vref_Vin>Va，使得輸出的Vout大于平衡態時的電壓，因此光耦的發光變弱，la變小， 脈寬調制（PWM)頻率變快，使得輸入功率變強，充電電壓逐漸向平衡態時的電壓靠近；同樣 地，若Vbat高于電池充滿電的電壓，因此Vref-Vin〈Va，Vout小于平衡態時的電壓，因此光 耦發光變強，la變強，脈寬調制器件的頻率變慢，使得輸入功率變弱，充電電壓下降，通過這 種負反饋的方式可以使最終的充電電壓維持在平衡態附近，實現恒壓控制。
[0031]請參閱圖3所示，其顯示本發明的充電系統的充電控制電路的結構框圖。為簡化 說明，此處圖示僅僅示出充電控制電路的主要基本結構來進行示例性說明，充電控制電路 的其他結構并未在圖中示出。如圖3所示，本發明的充電控制電路3主要包括一個集成運 放31，該集成運放31是一個包括兩個輸入端一個輸出端的電壓比較器。其中該集成運放31 的一個輸入端的輸入電壓Vin是充電電壓Vbat經過分壓后的采樣電壓，集成運放31的另 一個輸入端輸入的電壓是標準參考電壓Vref。在本發明中所采用的標準參考電壓Vref是 由帶隙基準電壓經過數模轉換器（DAC) 32轉換之后輸出的參考電壓。所述數模轉換器32 為可編程數模轉換器，調整數模轉換器可調整所述數模轉換器輸出的參考電壓。
[0032]在本發明的一個施例中，本發明的充電控制電路可以是一個微控制單元（Micro ControlUnit，MCU)，該MCU是將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數器和多種I/O接口集成 在一片芯片上，形成芯片級的計算機，關于MCU的基本結構此處不再詳細說明。如前所述， 本發明的充電控制電路3主要包括基準電壓源、集成運放31以及DAC模塊32,所以為實現 本發明的充電控制，本發明所使用的MCU必須具備下述功能：自帶帶隙基準源(溫漂系數小 于50ppm)、可配置為運放功能的差分比較器模塊以及自帶DAC模塊。另外，較佳地，該MCU 還帶有可編程存儲器，可以對控制過程進行編程自動控制。
[0033] 現有的充電控制電路的參考電壓的校準是通過手動調整可調電阻來對運放的參 考電壓進行校準。而本發明的參考電壓是由帶隙基準電壓經過DAC模塊轉換之后輸出提供 的，在需要對參考電壓進行校準時，通過設置MCU內部的程序，先使MCU進入到校準模式，向 DAC寫入一個初始值，使其輸出一個低于電池充滿電時參考電壓的電壓值，這時，再緩慢的 步進增加DAC的數值，步進的頻率可以是1位1位的步進，同時測試輸出端的電壓大小（即 圖1中電池所在的位置)，當輸出電壓等于平衡態時的電壓，記錄下當時的DAC數值，該數值 所對應的DAC輸出就作為正常工作狀態下的Vref。由于上述過程完全可以實現程序自動控 制，不需要人工參與，因此，校準的效率以及可靠性都大大地增加了。
[0034] 這里需要關注一下DAC的精度問題，DAC主要用于產生充電器恒壓充電階段和恒 流充電階段的參考電壓，以市場上較為普遍的一款充電器加以說明，該充電器的恒流恒壓 參數分別為1. 8A±0. 1A和58. 8V±0. 3V，允許的誤差分別為5. 6%和0. 5%，因此只需要8位 精度(允許誤差為1/256,即約等于0. 4%)的DAC即可滿足該要求，再考慮到參數冗余，10位 精度的DAC可完全滿足電動車充電器的應用場合。
[0035]請參閱圖4所示，其顯示本發明的一個具體實施例的充電系統框圖，其中充電控 制電路采用的是一款MCU作為該方案的主控芯片，該芯片擁有溫漂系數50ppm的內置帶隙 基準源、IKword的編程空間（滿足校準程序與正常工作程序的編程空間需要)、可配置為運 放的差分比較器模塊以及12bit精度的DAC模塊。該電路在校準程序和一些外部設備的幫 助下，可完成自動校準功能。具體的實現方案系統框圖如圖4所示，其中該主控芯片有14 個引腳，該芯片的9腳為電壓采樣輸入管腳，11腳為電流采樣輸入管腳，這兩個管腳可通過 芯片內部的選擇開關分別接到運放的負端（圖3中的Vin)，當處于充電恒壓狀態時，設置第 9腳與MCU內的差分比較器運放的負端相連，此時設置DAC數值為恒壓狀態電壓參考值，整 個系統處于恒壓控制狀態；當處于充電恒流狀態時，設置第11腳與差分比較器運放的負端 相連，設置DAC數值為恒流狀態電壓參考值，此時整個系統處于恒流控制狀態。
[0036] 本發明提供的利用DAC參與負反饋實現電動車充電控制的方法和電路，以可編程 DAC輸出的電壓替代之前由電阻網絡分壓產生的充電階段恒流與恒壓參考電壓值，采用本 發明的方法和電路對于產品硬件設計的精簡是顯而易見的，與本發明作出之前通用的技術 方案比較，本發明至少可節省的元器件見下表：
[0037]

【權利要求】
1. 一種電動車充電控制電路，其包括一個集成運放單元，其中該集成運放單元的一個 輸入端接收采樣到的充電電壓，另一個輸入端接收參考電壓，經比較之后輸出充電控制信 號；其特征在于；所述充電控制電路的參考電壓由帶隙基準源經數模轉換模塊轉換之后提 供，所述數模轉換模塊為可編程數模轉換模塊，調整數模轉換模塊可調整所述數模轉換模 塊輸出的參考電壓。
2. 如權利要求1所述的電動車充電控制電路，其特征在于：所述充電控制電路為一個 微控制單元，其包括所述帶隙基準源、集成運放單元W及數模轉換模塊，所述集成運放單元 為可配置為前述集成運放功能的差分比較器模塊。
3. 如權利要求2所述的電動車充電控制電路，其特征在于：所述微處理單元還包括可 編程存儲器，可W對控制過程進行編程自動控制。
4. 如權利要求1所述的電動車充電控制電路，其特征在于：當充電電池處于恒壓充電 時，數模轉換模塊提供恒壓充電參考電壓，當充電電池處于恒流充電時，數模轉換模塊提供 恒流充電參考電壓。
5. -種電動車充電電路，其包括；變壓器、電流型脈寬調制器件、場效應開關管、充電 控制電路W及光截，其中充電電池的充電電壓經過采樣分壓后連接到充電控制電路，充電 控制電路將采樣到的充電電壓Vin與參考電壓Vref比較之后輸出控制信號控制光截的電 流大小，光禪流過的電流控制脈寬調制器件的輸出頻率，進而控制變壓器源端場效應開關 管導通的頻率來影響變壓器的輸入功率；其特征在于；所述充電控制電路的參考電壓由帶 隙基準源經過數模轉換模塊（DAC)轉換之后提供。
6. 如權利要求5所述的電動車充電電路，其特征在于：所述充電控制電路包括一個集 成運放單元，其中該集成運放單元的一個輸入端接收所述采樣到的充電電壓，另一個輸入 端接收所述參考電壓，集成運放單元比較所述充電電壓與參考電壓之后輸出控制信號控制 光截的電流大小。
7. 如權利要求6所述的電動車充電電路，其特征在于：所述充電控制電路為一個微控 制單元(MCU)，其包括所述帶隙基準源、集成運放單元W及數模轉換模塊，所述集成運放單 元為可配置為前述集成運放功能的差分比較器模塊。
8. 如權利要求7所述的電動車充電電路，其特征在于：所述微處理單元還包括可編程 存儲器，可W對控制過程進行編程自動控制。
9. 一種電動車充電控制電路參考電壓的校準方法，其包括： 提供一種電動車充電控制電路，其中所述電動車充電控制電路包括帶隙基準源、集成 運放單元W及數模轉換模塊，其中該集成運放的一個輸入端接收采樣到的充電電壓，另一 個輸入端接收參考電壓，經比較之后輸出充電控制信號，所述參考電壓由帶隙基準源經過 數模轉換模塊轉換后提供； 向數模轉換模塊寫入一個初始值，使其輸出一個低于電池充滿電時參考電壓的電壓 值， 再步進增加數模轉換模塊的數值，同時測試充電電壓的大小，當充電電壓等于充滿電 時的平衡態電壓時，記錄下當時的數模轉換模塊的數值，該數值所對應的數模轉換模塊輸 出就作為正常工作狀態下的參考電壓。
10. 如權利要求9所述的電動車充電控制電路參考電壓的校準方法，其特征在于：所述 電動車充電控制電路為微處理單元，其還包括可編程存儲器，可w對控制過程進行編程自 動控制。
【文檔編號】H02J7/02GK104348194SQ201310318273
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月26日 優先權日:2013年7月26日
【發明者】戈亦余 申請人:無錫華潤矽科微電子有限公司