本实用新型属于锂电池充电器领域，具体涉及一种具有多模式充电功能的锂电池充电器。
背景技术：
随着新能源产业的发展，锂电池逐渐在电动工具、特种车辆等行业得到广泛应用；与此同时，锂电池充电器大量上市。
传统的锂电池充电器大都采用两段式充电模式，即电池电压较低时恒流充电，电池电压接近额定上限时为恒压充电，并且两个充电模式的切换是在电流控制器饱和后自动完成模式切换的。如图1所示，后级dc-dc变换器的控制回路包括电流控制器和电压控制器，任意时刻只有一个控制器在起调节作用，但何时相互切换完全由环路参数决定。这种充电方案有如下不足：1)当电池过放，电池电压过低时，采用大电流恒流充电容易损坏锂电池；2)恒流充电转恒压充电的动态转换过程受电流环和电压环参数影响，也与充电器功率电路的动态响应特性有关，难以精确控制，这使得整个充电过程充电时间不可控，例如，有些产品因为控制回路参数的离散型原因，导致过早向恒压充电转换，使得充电电流提早降低，最终使得充电时间延长。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种具有多模式充电功能的锂电池充电器，其具有三种充电模式，对锂电池具有保护效果、充电时间短、系统可靠性高。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种具有多模式充电功能的锂电池充电器，包括ac/dc变换器、dc/dc变换器、第一控制电路和第二控制电路，第一控制电路用于控制ac/dc变换器的输出，第二控制电路用于控制dc/dc变换器的输出；交流电连接至ac/dc变换器的输入，ac/dc变换器的输出连接dc/dc变换器，dc/dc变换器的输出用于为锂电池供电；第二控制电路包括电流控制器、电压控制器和光耦，充电器输出端电流检测信号ibatt-sample输入至电流控制器的电流反馈输入端，充电器输出端电压检测信号vbatt-sample输入至电压控制器的电压反馈输入端，电流控制器和电压控制器的输出端相连接，并接至光耦原边发光二极管的阴极，光耦副边信号输出至dc/dc变换器；还包括继电器支路、pwm信号发生电路和电压检测与分段电路；
所述继电器支路设置在dc/dc变换器输出与锂电池输入之间，包括并联连接的第一支路和第二支路，第一支路包括串联连接的第一继电器k1和限流电阻r，第二支路设置有第二继电器k2；
pwm信号发生电路，用于输出两路不同占空比的方波信号pwm1和pwm2，pwm1和pwm2信号输入至电压控制器；pwm1信号的输出端连接第一mos管q1的漏极，第一mos管q1的源极接地；pwm2信号的输出端连接第二mos管q2的漏极，第二mos管q2的源极接地；
电流控制器和电压控制器的输出端分别串接第三mos管q3和第四mos管q4，电流控制器的输出端连接第三mos管q3的漏极，电压控制器的输出端连接第四mos管q4的漏极，第三mos管q3和第四mos管q4的源极相连并接至光耦原边发光二极管的阴极；
所述电压检测与分段电路，包括依次连接的电压检测单元、电压比较单元和第一组合逻辑单元；锂电池的正极连接至电压检测单元的输入，电压检测单元输出锂电池电压检测信号；电压比较单元包括并联连接的第一比较器和第二比较器，第一比较器的基准电压为高门限电压vh，第二比较器的基准电压为低门限电压vl，第一比较器和第二比较器分别输出两路电压比较信号xh和xl；第一组合逻辑单元输出3路逻辑信号，分别为yh、ym和yl，用于表示锂电池电压分段区间信息；
第一组合逻辑单元的3路逻辑信号输入至第二组合逻辑单元，第二组合逻辑单元输出6路控制信号cont-pwm1、cont-pwm2、cont-i、cont-v、cont-1和cont-2，分别连接至第一mos管q1的栅极、第二mos管q2的栅极、第三mos管q3的栅极、第四mos管q4的栅极、第一继电器k1的驱动信号控制端和第二继电器k2的驱动信号控制端。
进一步地，pwm信号发生电路采用555芯片及其外围电路构成。
进一步地，电压检测单元采用电阻分压电路。
进一步地，第一控制电路采用基于ucc28019a芯片的控制电路。
进一步地，第二控制电路采用基于l6599a芯片的控制电路。
本实用新型的有益效果：(1)本实用新型根据硬件检测锂电池电压，并区分出其所处的电压段，以及通过硬件电路实现控制回路的直接切换，同时配合对充电器输出侧限流支路的切换，实现不同充电模式，具体的充电模式包括电池过放后的小电流激活充电、正常电池电压范围的恒流快充和电池电压接近额定上限时的恒压充电。这种分段充电方案不仅有效防止了对锂电池的潜在损害，而且通过准确的切换充电操作可以有效缩短充电时间。
(2)本实用新型采用纯硬件实现三段式充电，系统可靠性更高，充电曲线的一致性也更好。
附图说明
图1为现有技术中锂电池充电器结构图；
图2为本实用新型的整体结构图；
图3为图2中继电器支路的电路图；
图4为本实用新型的pwm信号发生电路的电路图；
图5为图2第二控制电路中电流控制器和电压控制器的电路示意图；
图6为本实用新型的电压检测与分段电路的电路图；
图7为本实用新型的第二组合逻辑单元的电路图。
具体实施方式
为使本实用新型的内容更加清楚，下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。
实施例1：
本实用新型提供的一种具有多模式充电功能的锂电池充电器，如图2所示，包括ac/dc变换器、dc/dc变换器、第一控制电路和第二控制电路，第一控制电路用于控制ac/dc变换器的输出，第二控制电路用于控制dc/dc变换器的输出；交流电连接至ac/dc变换器的输入，ac/dc变换器的输出连接dc/dc变换器，dc/dc变换器的输出用于为锂电池供电；第二控制电路包括电流控制器、电压控制器和光耦，充电器输出端电流检测信号ibatt-sample输入至电流控制器的电流反馈输入端，充电器输出端电压检测信号vbatt-sample输入至电压控制器的电压反馈输入端，电流控制器和电压控制器的输出端相连接，并接至光耦原边发光二极管的阴极，光耦副边信号输出至dc/dc变换器；还包括继电器支路、pwm信号发生电路和电压检测与分段电路。
所述ac/dc变换器采用boost变换器，第一控制电路采用基于ucc28019a芯片的控制方案，实现380v输出，为后级dc/dc变换器提供稳定电压，并实现输入侧的单位功率因数校正。
所述dc/dc变换器采用llc半桥隔离型变换器，第二控制电路采用基于l6599a芯片的控制方案，实现直流输出电压或输出电流的控制。
如图3所示，所述继电器支路设置在dc/dc变换器输出与锂电池输入之间，包括并联连接的第一支路和第二支路，第一支路包括串联连接的第一继电器k1和限流电阻r，第二支路设置有第二继电器k2；
其工作原理为：dc/dc变换器的输出侧通过第一继电器k1和第二继电器k2并联方式接锂电池，其中，第一继电器k1串联一只限流电阻r，此电阻为功率电阻；两只继电器互补导通，接入锂电池后，任意时刻只有一路继电器是导通状态。激活模式时，第一继电器k1导通；恒流和恒压模式时，第二继电器k2导通。
如图4所示，pwm信号发生电路，用于输出两路不同占空比的方波信号pwm1和pwm2，pwm1和pwm2信号输入至电压控制器；同时，pwm1信号的输出端连接第一mos管q1的漏极，第一mos管q1的源极接地；pwm2信号的输出端连接第二mos管q2的漏极，第二mos管q2的源极接地；其中，pwm信号发生电路采用555芯片及其外围电路构成；
其工作原理为：采用555芯片及外围辅助电路，可以生成2路不同占空比的方波信号pwm1和pwm2，这两路信号的输出端分别连接mos管的漏极，当mos管断开时，pwm信号有效输出，当mos管导通时，pwm信号被强行拉低；这两路pwm信号输入至电压控制器，决定dc/dc变换器输出电压值。
如图5所示，电流控制器和电压控制器的输出端分别串接第三mos管q3和第四mos管q4，电流控制器的输出端连接第三mos管q3的漏极，电压控制器的输出端连接第四mos管q4的漏极，第三mos管q3和第四mos管q4的源极相连并接至光耦原边发光二极管的阴极；
其工作原理为：电流控制器和电压控制器的输出端分别串接了第三mos管q3和第四mos管q4，两个mos管互补导通，即任意时刻有且只有一个mos管能够导通；其中，第三mos管用于恒流阶段充电，通过对输出电流的闭环控制，实现恒流充电；第四mos管用于激活和恒压充电节点，通过输出电压反馈，实现输出电压稳定。
如图6所示，所述电压检测与分段电路，包括依次连接的电压检测单元、电压比较单元和第一组合逻辑单元；锂电池的正极连接至电压检测单元的输入，电压检测单元输出锂电池电压检测信号；电压比较单元包括并联连接的第一比较器和第二比较器，第一比较器的基准电压为高门限电压vh，第二比较器的基准电压为低门限电压vl，第一比较器和第二比较器分别输出两路电压比较信号xh和xl；第一组合逻辑单元输出3路逻辑信号，分别为yh、ym和yl，用于表示锂电池电压分段区间信息；
其工作原理为：电压检测单元得到锂电池的电压数据后，通过第一比较器和第二比较器，分别与高门限电压vh和低门限电压vl比较，其中，vl为激活转恒流模式的切换电压，vh为恒流转恒压模式的切换电压。两个比较器的输出值通过第一组合逻辑单元，得到3个逻辑信号yh、ym和yl；当锂电池电压vbatt<vl时，yl＝1、yh＝ym＝0；当vl<vbatt<vh时，ym＝1、yh＝yl＝0；当锂电池电压vbatt>vh时，yh＝1、ym＝yl＝0。这样，根据yh、ym和yl的逻辑值，即可知道目前锂电池的电压所在范围段。
如图7所示，第一组合逻辑单元的3路逻辑信号输入至第二组合逻辑单元，第二组合逻辑单元输出6路控制信号cont-pwm1、cont-pwm2、cont-i、cont-v、cont-1和cont-2，分别连接至第一mos管q1的栅极、第二mos管q2的栅极、第三mos管q3的栅极、第四mos管q4的栅极、第一继电器k1的驱动信号控制端和第二继电器k2的驱动信号控制端；
其工作原理为：当yl＝1、yh＝ym＝0时，cont-pwm2＝cont-v＝cont-1＝1、cont-pwm1＝cont-i＝cont-2＝0；
当ym＝1、yh＝yl＝0时，cont-i＝cont-2＝1、cont-pwm1＝cont-pwm2＝cont-v＝cont-1＝0；
当yh＝1、ym＝yl＝0时，cont-pwm1＝cont-v＝cont-2＝1，cont-pwm2＝cont-i＝cont-1＝0。
本实用新型中第一控制电路和第二控制电路的供电由锂电池提供，锂电池经三端稳压电路实现12v、5v等辅助电源输出，为控制电路的运放、逻辑芯片等器件供电；当锂电池未接入时，控制电路不工作，从而降低了功耗。
本实用新型的工作原理：当充电器交流充电接入后，若锂电池未接入，则充电器的控制电路及输出继电器都处于断开状态，系统待机功耗很低；当锂电池接入后，电压检测电路检测锂电池的电压，实现锂电池电压的分段，使得第一组合逻辑单元的yh、ym和yl中只有一个高电平输出；在此基础上，第二组合逻辑单元形成6路控制信号：
当锂电池电压处于低压段时，yl＝1，此时，cont-v＝1、cont-i＝0，第三mos管q3断开，第四mos管q4导通，使得充电器的电压环起作用，恒压输出；cont-pwm1＝0，cont-pwm2＝1，第一mos管q1断开，第二mos管q2导通，使得pwm2信号强行变为低电平，pwm1信号使得后级输出较低电压；且cont-1＝1、cont-2＝0，使得输出侧通过限流电阻r限流后再输出，从而实现激活模式充电；
当锂电池电压处于中压段时，ym＝1，此时，cont-v＝0，cont-i＝1，第三mos管q3导通，第四mos管q4断开，使得充电器的电流环起作用，在电流控制器作用下实现横流充电；cont-pwm1＝0，cont-pwm2＝0，第一mos管q1和第二mos管q2都断开；且cont-1＝0、cont-2＝1，使得输出侧直接与锂电池相连接；从而，使得充电器处于恒流充电模式；
当锂电池电压处于高压段时，yh＝1，此时，cont-v＝1,cont-i＝0，第三mos管q3断开，第四mos管q4导通，使得充电器的电压环起作用，恒压输出；cont-pwm1＝1、cont-pwm2＝0，第一mos管q1导通，第二mos管q2断开，使得pwm1强行变为低电平，pwm2信号使得后级输出较高电压；且cont-1＝0、cont-2＝1，使得输出侧直接与锂电池相连接；从而，使得充电器处于恒压充电模式。即使用户不拔下电池，最终的充电电压也不会超过由pwm2决定的输出电压值。
以上仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种具有多模式充电功能的锂电池充电器，包括ac/dc变换器、dc/dc变换器、第一控制电路和第二控制电路，第一控制电路用于控制ac/dc变换器的输出，第二控制电路用于控制dc/dc变换器的输出；交流电连接至ac/dc变换器的输入，ac/dc变换器的输出连接dc/dc变换器，dc/dc变换器的输出用于为锂电池供电；第二控制电路包括电流控制器、电压控制器和光耦，充电器输出端电流检测信号ibatt-sample输入至电流控制器的电流反馈输入端，充电器输出端电压检测信号vbatt-sample输入至电压控制器的电压反馈输入端，电流控制器和电压控制器的输出端相连接，并接至光耦原边发光二极管的阴极，光耦副边信号输出至dc/dc变换器；其特征在于：还包括继电器支路、pwm信号发生电路和电压检测与分段电路；
所述继电器支路设置在dc/dc变换器输出与锂电池输入之间，包括并联连接的第一支路和第二支路，第一支路包括串联连接的第一继电器k1和限流电阻r，第二支路设置有第二继电器k2；
pwm信号发生电路，用于输出两路不同占空比的方波信号pwm1和pwm2，pwm1和pwm2信号输入至电压控制器；pwm1信号的输出端连接第一mos管q1的漏极，第一mos管q1的源极接地；pwm2信号的输出端连接第二mos管q2的漏极，第二mos管q2的源极接地；
电流控制器和电压控制器的输出端分别串接第三mos管q3和第四mos管q4，电流控制器的输出端连接第三mos管q3的漏极，电压控制器的输出端连接第四mos管q4的漏极，第三mos管q3和第四mos管q4的源极相连并接至光耦原边发光二极管的阴极；
所述电压检测与分段电路，包括依次连接的电压检测单元、电压比较单元和第一组合逻辑单元；锂电池的正极连接至电压检测单元的输入，电压检测单元输出锂电池电压检测信号；电压比较单元包括并联连接的第一比较器和第二比较器，第一比较器的基准电压为高门限电压vh，第二比较器的基准电压为低门限电压vl，第一比较器和第二比较器分别输出两路电压比较信号xh和xl；第一组合逻辑单元输出3路逻辑信号，分别为yh、ym和yl，用于表示锂电池电压分段区间信息；
第一组合逻辑单元的3路逻辑信号输入至第二组合逻辑单元，第二组合逻辑单元输出6路控制信号cont-pwm1、cont-pwm2、cont-i、cont-v、cont-1和cont-2，分别连接至第一mos管q1的栅极、第二mos管q2的栅极、第三mos管q3的栅极、第四mos管q4的栅极、第一继电器k1的驱动信号控制端和第二继电器k2的驱动信号控制端。
2.根据权利要求1所述的具有多模式充电功能的锂电池充电器，其特征在于：pwm信号发生电路采用555芯片及其外围电路构成。
3.根据权利要求1所述的具有多模式充电功能的锂电池充电器，其特征在于：电压检测单元采用电阻分压电路。
4.根据权利要求1所述的具有多模式充电功能的锂电池充电器，其特征在于：第一控制电路采用基于ucc28019a芯片的控制电路。
5.根据权利要求1所述的具有多模式充电功能的锂电池充电器，其特征在于：第二控制电路采用基于l6599a芯片的控制电路。
技术总结