本发明涉及buck电路领域，特别是涉及一种基于buck模式的锂电池充电电路。
背景技术：
：最初的充电电池为铅酸蓄电池，传统铅酸酸蓄电池，使得设备变得更为便携，但是随之而来的是大量的废电池的处理问题。随着电池领域的发展，后来出现了锂电池，由于锂电池相比铅酸蓄电池体积更小、使用寿命更长，能够节约成本并且在一定程度上缓解废旧电池处理的问题，因此得到了迅速的推广和发展。由于锂电池和铅酸蓄电池的化学性质和物理性质都不相同，因此传统铅酸蓄电池的充电方式在锂电池中难以得到运用，另一方面由于锂电池的能量密度更大，也需要更为严格的充电管理方案。目前成熟的锂电池充电方式都是基于锂电池充电管理芯片进行设计的，但是这些充电方式适用的锂电池电压都比较低，一般都在20v以下，48v及以上的大功率锂电池的充电方案并不完善。因此需要一种能够适用大功率锂电池的充电电路。技术实现要素：本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种基于buck模式的锂电池充电电路，结构简单，使用方便，能够实现大功率锂电池的逐级充电。一种基于buck模式的锂电池充电电路，包括前级控制电路以及降压充电电路，前级控制电路的输出端连接降压充电电路的输入端；前级控制电路包括emc滤波电路、整流滤波电路以及buck模式pfc电路；整流滤波电路设置于emc滤波电路以及buck模式pfc电路之间。进一步的，所述emc滤波电路包括emc滤波器，emc滤波器的输入端连接电源电压，emc滤波器的输出端连接整流滤波电路的输入；整流滤波电路包括整流桥以及滤波电容e1；整流桥为全桥整流电路，包括二极管d1、d2、d3以及d4；整流桥输出端的正负极之间连接有滤波电容e1，滤波电容e1位于整流桥与buck模式pfc电路之间。进一步的，所述buck模式pfc电路包括pfc控制芯片、电阻r1、电阻r2、开关管q1、二极管d5、电感l1以及电容e2；二极管d5的负极与整流滤波电路输出端的正极连接，二极管d5的负极与开关管q1的漏极连接，开关管q1的源极与电阻r2连接，电阻r2的另一端与整流滤波电路输出端的负极连接，开关管q1为n沟道的mos管；开关管q1的栅极与pfc控制芯片的输出端连接，在pfc控制芯片与开关管q1的栅极之间设置有下拉电阻r1；在二极管d5的正极与开关管q1的漏极之间还连接有电感l1的一端，电感l1的另一端连接电容e2的一端，电容e2的另一端连接二极管d5的负极；buck模式pfc电路中将电容e2的两端作为输出。进一步的，所述降压充电电路包括单片机、电阻r3、电阻r4、开关管q2、二极管d6以及电感l2；二极管d6的负极与buck模式pfc电路输出端的正极连接，二极管d6的负极与开关管q2的漏极连接，开关管q2的源极与电阻r4连接，电阻r4的另一端与buck模式pfc电路输出端的负极连接；开关管q2为n沟道的mos管；开关管q2的栅极与单片机的输出端连接，在单片机与开关管q2的栅极之间设置有下拉电阻r3；二极管的正极与开关管q2的漏极之间连接有电感l2的一端，电感l2的另一端以及二极管d6的负极作为降压充电电路的输出。一种基于buck模式的锂电池充电电路的充电方法，包括如下步骤：步骤一：单片机判断锂电池的电池电压是否低于电池满电电压；若电池电压低于电池满电电压则进入步骤二；否则，进入睡眠模式，在睡眠模式中间隔时间t1后，返回步骤一；其中锂电池为n节单节电池组成的电池串；单节电池的电压范围为2.75v-4.2v，电池满电电压为4.2nv；步骤二：单片机判断锂电池的电池电压是否低于设定的预充电电压阈值；预充电电压阈值为3nv；若电池电压低于预充电电压阈值，则通过充电电路进行涓流充电，直至电池电压达到预充电电压阈值，进入步骤三，其中涓流充电的充电电流值为0.01c；c为电池标称容量对照电流的表示方式；若电池电压高于或等于预充电电压阈值，则进入步骤三；步骤三：通过充电电路对锂电池进行恒流充电，恒流充电的充电电流值为0.2c-1c；直至电池电压达到电池满电电压；步骤四：单片机判断电池充至满电电压后，转换为恒压充电，此时充电电流逐渐下降，直至充电电流下降至0.01c时，结束充电；步骤五：单片机间隔设定时间t2判断电池电压是否低于再充电电压阈值；若电池电压低于设定的再充电电压阈值，则返回步骤二；若电池电压不低于再充电电压阈值，则返回步骤五。进一步的，所述步骤一中间隔时间t1为0，在睡眠模式中单片机实时监测电池电压并判断电池电压是否低于电池满电电压。进一步的，所述步骤五中设定时间t2为0，单片机实时判断电池电压是否低于再充电电压阈值。进一步的，所述充电电路包括前级控制电路以及降压充电电路；前级控制电路中的开关管q1的开关频率设置为100khz，开关管q1的开关占空比d的范围与buck模式pfc电路的输入电压uin和输出电压uout有关，表示为其中dmax表示最大占空比，dmin表示最小占空比；uinmin表示buck模式pfc电路中的最小输入电压，uinmax表示buck模式pfc电路中的最大输入电压；uout表示buck模式pfc电路的输出电压。进一步的，所述降压充电电路包括开关管q2，开关管q2的开关频率设置为100khz。进一步的，所述步骤二中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比小于10％，实现涓流充电；步骤三中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比范围为40％—60％，实现恒流充电；在步骤四中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比逐渐下降，直至充电结束，实现恒压充电。本发明的有益效果为：通过设置emc滤波电路、整流滤波电路以及buck模式pfc电路组成前级控制电路，使后续的降压充电电路可以采用更低耐压的滤波电容、更低耐压的功率开关管以及更低的电感量的电感，同时能够获得更高的转换效率，使电源的整体体积也得到缩小；通过将开关管q1以及q2的开关频率设置为100khz，使开关管q1和q2开关产生的电磁干扰emi的范围高于100khz，避免对锂电池的充电产生干扰；通过设置涓流充电、恒流充电以及恒压充电的逐级充电模式，在保证能够完成快速实现充电的同时更好的保护锂电池，延长锂电池的使用寿命。附图说明图1为本发明实施例一的结构框图；图2为本发明实施例一的前级控制电路拓扑；图3为本发明实施例一的降压充电电路拓扑；图4为本发明实施例一的充电方法流程图；图5为本发明实施例一的锂电池充电曲线示意图；图6为本发明实施例一的开关管q1工作时buck模式pfc电路的电流电压波形图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例一：如图1所示，一种基于buck模式的锂电池充电电路，包括前级控制电路以及降压充电电路。前级控制电路的输出端连接降压充电电路的输入端。所述前级控制电路包括emc滤波电路、整流滤波电路以及buck模式pfc电路。整流滤波电路设置于emc滤波电路以及buck模式pfc电路之间；emc电路用于抑制和消除工业自动化系统现场的强电磁干扰和电火花干扰；整流滤波电路用于将经过emc滤波电路的交流电转换为直流电，并进行滤波使直流电压波形平滑；buck模式pfc电路用于将整流滤波电路的输出电压进行降压处理，并对功率因素进行校正，提高电路的功率因素。如图2所示，所述emc滤波电路包括emc滤波器，emc滤波器的输入端连接电源电压，在本例中为110vac—230vac的市电，emc滤波器的输出端连接整流滤波电路的输入。整流滤波电路包括整流桥以及滤波电容e1，其中整流桥为常规的全桥电路，包括二极管d1、d2、d3以及d4。整流桥输出端的正负极之间连接有滤波电容e1，滤波电容e1位于整流桥与buck模式pfc电路之间。buck模式pfc电路包括pfc控制芯片、电阻r1、电阻r2、开关管q1、二极管d5、电感l1以及电容e2。其中二极管d5的负极与整流滤波电路输出端的正极连接，二极管d5的负极与开关管q1的漏极连接，开关管q1的源极与电阻r2连接，电阻r2的另一端与整流滤波电路输出端的负极连接，其中开关管q1为n沟道的mos管，在一些其他实施方式中也可以采用p沟道的mos管。开关管q1的栅极与pfc控制芯片的输出端连接，在pfc控制芯片与开关管q1的栅极之间设置有电阻r1，电阻r1用作下拉电阻。在二极管d5的正极与开关管q1的漏极之间还连接有电感l1的一端，电感l1的另一端连接电容e2的一端，电容e2的另一端连接二极管d5的负极。在buck模式pfc电路中将电容e2的两端作为输出。如图3所示，所述降压充电电路包括单片机、电阻r3、电阻r4、开关管q2、二极管d6以及电感l2。其中二极管d6的负极与buck模式pfc电路输出端的正极连接，二极管d6的负极与开关管q2的漏极连接，开关管q2的源极与电阻r4连接，电阻r4的另一端与buck模式pfc电路输出端的负极连接，其中开关管q2为n沟道的mos管，在一些其他实施方式中中也可以采用p沟道的mos管。开关管q2的栅极与单片机的输出端连接，在单片机与开关管q2的栅极之间设置有电阻r3，电阻r3用作下拉电阻。在二极管的正极与开关管q2的漏极之间还连接有电感l2的一端，电感l2的另一端以及二极管d6的负极作为降压充电电路的输出。在实施的过程中，通过前级控制电路将110v—230v的交流电调整为100v及以下的直流电，使得降压充电电路可以采用较低耐压的滤波电容、较低耐压的功率开关管以及较低的电感量的电感，同时能够获得较高的转换效率，在电源的整体体积上也更上一个层次。在降压充电电路中，若开关管q2开通，电流从v 经锂电池bat、电感l2、开关管q2、最后经采样电阻r4回到v-端；若开关管q2关闭，电感l2上存储的电动势会使电流通过快恢复二极管d6到锂电池bat的正极，从而完成对锂电池的充电；通过调节开关管q2占空比，调节充电电流。如图4、5所示，一种基于buck模式的锂电池充电方法，包括如下步骤：步骤一：单片机判断锂电池的电池电压是否低于电池满电电压；若电池电压低于电池满电电压则进入步骤二；否则，进入睡眠模式，在睡眠模式中间隔时间t1后，返回步骤一；锂电池为n节单节电池组成的电池串；单节电池的电压范围为2.75v-4.2v；电池满电电压表示锂电池电量为100％时的电池电压，为4.2nv；步骤二：单片机判断锂电池的电池电压是否低于设定的预充电电压阈值；在本实施例中预充电电压阈值为3nv；若电池电压低于预充电电压阈值，则通过充电电路进行涓流充电，直至电池电压达到预充电电压阈值，进入步骤三，其中涓流充电的充电电流值为0.01c；c是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是20ah的容量，1c就是充电电流20a；若电池电压高于或等于预充电电压阈值，则进入步骤三；步骤三：通过充电电路对锂电池进行恒流充电，恒流充电的充电电流值为0.2c-0.3c；直至电池电压达到电池满电电压；步骤四：单片机判断电池充至满电电压后，转换为恒压充电，此时充电电流逐渐下降，直至充电电流下降至0.01c时，结束充电；步骤五：单片机间隔设定时间t2判断电池电压是否低于再充电电压阈值；若电池电压低于设定的再充电电压阈值，则返回步骤二；若电池电压不低于再充电电压阈值，则返回步骤五；再充电电压阈值为3.89nv。所述电池电压通过电压检测设备进行检测，并将检测的结果传输到单片机。所述步骤一中单节电池的电池电量和电池电压的关系如表一所示：表一、电池电量与电池电压关系表电池剩余电量0％5％25％50％75％100％电池电压2.75v3.50v3.73v3.85v3.95v4.20v当锂电池的电池电压为3nv时，此时单节电池的电池电压为3v，电池电量在0％-5％之间；当锂电池的电池电压在4.2nv时，单节电池的电池电压为4.2v，电池电量为100％；当锂电池的电池电压在3.89nv时，单节电池的电池电压为3.89v，电池的电量在50％-75％之间。需要说明的是在步骤一中间隔时间t1可以为0，若间隔时间t1为0则表示在睡眠模式中单片机实时监测电池电压并判断电池电压是否低于电池满电电压。在步骤五中设定时间t2可以为0，若设定时间t2为0则表示单片机实时判断电池电压是否低于再充电电压阈值。如图6所示，所述步骤二中的充电电路包括前级控制电路以及降压充电电路，其中前级控制电路中的开关管q1的开关频率设置为100khz，使开关管q1开关产生的电磁干扰emi的范围高于100khz。其中开关管q1的开关占空比d受pfc控制芯片的控制。开关管q1的开关占空比d的范围与buck模式pfc电路的输入电压uin和输出电压uout有关，表示为其中dmax表示最大占空比，dmin表示最小占空比；uinmin表示buck模式pfc电路中的最小输入电压，uinmax表示buck模式pfc电路中的最大输入电压；uout表示buck模式pfc电路的输出电压，在本例中为100vdc。其中整流滤波电路的输入电压为110vac—230vac，经过全桥的整流滤波电路后输出为155vdc—310vdc，因此在本例中uinmin为155vdc，uinmax为310vdc，得到q1的开关占空比范围为32.25％—64.5％。通过pfc控制芯片能够调节q1的开关占空比，使buck模式pfc电路的输出电压稳定为100vdc。在整流滤波电路中，电源电压经过emc滤波器经d1、d2、d3、d4全桥整流后将电能存储在电容e1上。在buck模式pfc电路中，当uin＞uout时，电流从电容e1的正极流经电容e2，在经过电感l1，通过功率开关管q1，采样电阻r2，返回电容e1的负极；当uin＜uout时，电流从电容e2的正极出发，向电容e1的正极充电，再由e1的负极经采样电阻r2，开关管q1的续流二极管，电感l1后返回到电容e2的负极；当uin＝uout，此时，pfc控制芯片的开关信号无意义，同时，由于前级控制电路输入电压vin小于uin，d1、d2、d3、d4组成的整流桥处于截止状态。其中前级控制电路的输出电压vout与uout相等。需要说明的是在本例中由于buck模式pfc电路为降压电路，因此uin始终大于uout。在步骤二中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比小于10％，实现涓流充电；在步骤三中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比范围为40％—60％，实现恒流充电；在步骤四中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比逐渐下降，直至充电结束，此时占空比为0，实现恒压充电。开关管q2的频率范围与所选的单片机和开关管的型号有关；在本例中开关管q2的开关频率设置为100khz，目的是为了避免电磁干扰。在本例中步骤一的锂电池13节单节电池组成的电池串，n为13，因此预充电电压阈值为39v；同理电池的满电电压为54.6v；设置再充电电压阈值为50.6v，此时单节电池的电压为3.89v，单节电池的电量在50％-75％之间，为60％。在实施的过程中，如果锂电池的电池电压低于39v则进行涓流充电；如果锂电池的电池电压高于或等于39v并且低于54.6v，则进行恒流充电，完成恒流充电后，进行恒压充电，逐步降低充电电流，直至停止充电；若再次检测到电池电压低于50.6v，则进行充电，并根据上述规则进行判断。通过在电池低电量时先进行涓流充电，使锂电池中的活性物质活化，在锂电池达到一定电量后进行恒流充电，实现快充，能够在保证锂电池安全的情况下，完成对锂电池的充电。在一些其他实施方式中也能够检测电池电量来划分涓流充电、恒流充电以及再充电标准。以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本
发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种基于buck模式的锂电池充电电路，其特征在于，包括前级控制电路以及降压充电电路，前级控制电路的输出端连接降压充电电路的输入端；前级控制电路包括emc滤波电路、整流滤波电路以及buck模式pfc电路；整流滤波电路设置于emc滤波电路以及buck模式pfc电路之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于buck模式的锂电池充电电路，其特征在于，所述emc滤波电路包括emc滤波器，emc滤波器的输入端连接电源电压，emc滤波器的输出端连接整流滤波电路的输入；整流滤波电路包括整流桥以及滤波电容e1；整流桥为全桥整流电路，包括二极管d1、d2、d3以及d4；整流桥输出端的正负极之间连接有滤波电容e1，滤波电容e1位于整流桥与buck模式pfc电路之间。
3.根据权利要求2所述的一种基于buck模式的锂电池充电电路，其特征在于，所述buck模式pfc电路包括pfc控制芯片、电阻r1、电阻r2、开关管q1、二极管d5、电感l1以及电容e2；二极管d5的负极与整流滤波电路输出端的正极连接，二极管d5的负极与开关管q1的漏极连接，开关管q1的源极与电阻r2连接，电阻r2的另一端与整流滤波电路输出端的负极连接，开关管q1为n沟道的mos管；开关管q1的栅极与pfc控制芯片的输出端连接，在pfc控制芯片与开关管q1的栅极之间设置有下拉电阻r1；在二极管d5的正极与开关管q1的漏极之间还连接有电感l1的一端，电感l1的另一端连接电容e2的一端，电容e2的另一端连接二极管d5的负极；buck模式pfc电路中将电容e2的两端作为输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于buck模式的锂电池充电电路，其特征在于，所述降压充电电路包括单片机、电阻r3、电阻r4、开关管q2、二极管d6以及电感l2；二极管d6的负极与buck模式pfc电路输出端的正极连接，二极管d6的负极与开关管q2的漏极连接，开关管q2的源极与电阻r4连接，电阻r4的另一端与buck模式pfc电路输出端的负极连接；开关管q2为n沟道的mos管；开关管q2的栅极与单片机的输出端连接，在单片机与开关管q2的栅极之间设置有下拉电阻r3；二极管的正极与开关管q2的漏极之间连接有电感l2的一端，电感l2的另一端以及二极管d6的负极作为降压充电电路的输出。
5.一种基于buck模式的锂电池充电电路的充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：单片机判断锂电池的电池电压是否低于电池满电电压；若电池电压低于电池满电电压则进入步骤二；否则，进入睡眠模式，在睡眠模式中间隔时间t1后，返回步骤一；其中锂电池为n节单节电池组成的电池串；单节电池的电压范围为2.75v-4.2v，电池满电电压为4.2nv；
步骤二：单片机判断锂电池的电池电压是否低于设定的预充电电压阈值；预充电电压阈值为3nv；若电池电压低于预充电电压阈值，则通过充电电路进行涓流充电，直至电池电压达到预充电电压阈值，进入步骤三，其中涓流充电的充电电流值为0.01c；c为电池标称容量对照电流的表示方式；若电池电压高于或等于预充电电压阈值，则进入步骤三；
步骤三：通过充电电路对锂电池进行恒流充电，恒流充电的充电电流值为0.2c-1c；直至电池电压达到电池满电电压；
步骤四：单片机判断电池充至满电电压后，转换为恒压充电，此时充电电流逐渐下降，直至充电电流下降至0.01c时，结束充电；
步骤五：单片机间隔设定时间t2判断电池电压是否低于再充电电压阈值；若电池电压低于设定的再充电电压阈值，则返回步骤二；若电池电压不低于再充电电压阈值，则返回步骤五。
6.根据权利要求5所述的一种基于buck模式的锂电池充电电路的充电方法，其特征在于，所述步骤一中间隔时间t1为0，在睡眠模式中单片机实时监测电池电压并判断电池电压是否低于电池满电电压。
7.根据权利要求5所述的一种基于buck模式的锂电池充电电路的充电方法，其特征在于，所述步骤五中设定时间t2为0，单片机实时判断电池电压是否低于再充电电压阈值。
8.根据权利要求5所述的一种基于buck模式的锂电池充电电路的充电方法，其特征在于，所述充电电路包括前级控制电路以及降压充电电路；前级控制电路中的开关管q1的开关频率设置为100khz，开关管q1的开关占空比d的范围与buck模式pfc电路的输入电压uin和输出电压uout有关，表示为
其中dmax表示最大占空比，dmin表示最小占空比；uinmin表示buck模式pfc电路中的最小输入电压，uinmax表示buck模式pfc电路中的最大输入电压；uout表示buck模式pfc电路的输出电压。
9.根据权利要求8所述的一种基于buck模式的锂电池充电电路的充电方法，其特征在于，所述降压充电电路包括开关管q2，开关管q2的开关频率设置为100khz。
10.根据权利要求9所述的一种基于buck模式的锂电池充电电路的充电方法，其特征在于，所述步骤二中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比小于10％，实现涓流充电；步骤三中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比范围为40％—60％，实现恒流充电；在步骤四中单片机输出pwm波控制开关管q2的占空比逐渐下降，直至充电结束，实现恒压充电。
技术总结本发明为一种基于BUCK模式的锂电池充电电路及充电方法，其中充电电路包括前级控制电路以及降压充电电路，前级控制电路的输出端连接降压充电电路的输入端；前级控制电路包括EMC滤波电路、整流滤波电路以及BUCK模式PFC电路；整流滤波电路设置于EMC滤波电路以及BUCK模式PFC电路之间；通过设置EMC滤波电路、整流滤波电路以及BUCK模式PFC电路组成前级控制电路，使后续的降压充电电路可以采用更低耐压的滤波电容、更低耐压的功率开关管以及更低的电感量的电感，同时能够获得更高的转换效率，使电源的整体体积也得到缩小。
技术研发人员：郑军;朱优优;林鹏;尹绍杰;杨扬戬
受保护的技术使用者：浙江大学台州研究院
技术研发日：2020.11.16
技术公布日：2021.03.12
