本實(shí)用新型涉及電源和充電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及機(jī)器人、無人機(jī)等智能設(shè)備的充電裝置。

背景技術(shù)：

如今越來越多的電子設(shè)備靠可充電電池進(jìn)行供電，常見的可充電電池包括鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池等。對(duì)不同電池的充電有不同的充電方法，本質(zhì)上都是需要充電電路提供所需要的穩(wěn)定的充電電流和電壓，使得電池能夠快速安全的進(jìn)行充電。

目前的充電器一般有兩種，一種是脈寬調(diào)制(PWM)方式，即通過開關(guān)的方式，在一個(gè)周期內(nèi)的某一段時(shí)間直接把電源電壓加到電池上，這種方式控制簡(jiǎn)單，但對(duì)電池的壽命影響比較大；還有一種是目前主流的充電方式，即通過控制線性調(diào)節(jié)器或者開關(guān)型直流變換器，輸出所需電流或者電壓。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)在無電池管理專用芯片的電子系統(tǒng)，采用控制開關(guān)型直流變換器的方式，充分利用系統(tǒng)微控制器的現(xiàn)有資源，通過數(shù)字控制方式，靈活、低成本實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電。本實(shí)用新型由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種智能設(shè)備的充電裝置，其特征在于：包括微控制器、直流變換器、電壓傳感器及電流傳感器；電壓傳感器的一端連接可充電電池的正極，另一端連接微控制器的第一ADC輸入端；電流傳感器的一端連接可充電電池的負(fù)極，另一端連接微控制器的第二ADC輸入端；直流變換器的控制端連接微控制器的脈寬調(diào)制信號(hào)輸出端，輸入端連接電源V_IN，輸出端連接可充電電池的正極。

作為具體的技術(shù)方案，所述微控制器包括第一ADC模塊、第二ADC模塊、第一減法器、第二減法器、第一數(shù)字PID模塊、第二數(shù)字PID模塊及數(shù)字PWM模塊；所述第一減法器的一個(gè)輸入連接第二ADC模塊的輸出，另一個(gè)輸入接一個(gè)設(shè)定的充電電流Iref，輸出連接第一數(shù)字PID模塊；第二接減法器的一個(gè)輸入連接第一ADC模塊的輸出，另一個(gè)輸入連接第一數(shù)字PID模塊的輸出，輸出連接第二數(shù)字PID模塊；數(shù)字PWM模塊的輸入連接第二數(shù)字PID模塊的輸出，輸出連接直流變換器的輸入端。

作為具體的技術(shù)方案，所述電壓傳感器包括電壓采集電阻R1及R2；所述電壓采集電阻R1和電阻R2串接于可充電電池的正極與地之間，電壓采集電阻R1和電阻R2的節(jié)點(diǎn)連接所述第一ADC模塊。

作為具體的技術(shù)方案，所述電流傳感器包括電流采集電阻Rs及放大器；電流采集電阻Rs一端連接可充電電池的負(fù)極及放大器的輸入端，另一端接地，放大器的輸出端連接所述第二ADC模塊。

作為具體的技術(shù)方案，所述直流變換器包括驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)管Q1、二極管D1、電感L及電容Co；驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接所述數(shù)字PWM模塊的輸出；開關(guān)管Q1為PMOS管，G極連接驅(qū)動(dòng)器的輸出端，S極連接電源V_IN，D極連接電感L一端，電感L另一端連接可充電電池的正極；二極管D1的正極接地，負(fù)極連接開關(guān)管Q1的D極；電容Co一端連接電感L的另一端，另一端接地。

本實(shí)用新型的有益效果在于：跟傳統(tǒng)的通過PWM控制功率開關(guān)導(dǎo)通直接把輸入電壓加到電池上這種充電方法相比，本實(shí)用新型能實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流和電壓的精確控制，降低了對(duì)充電適配器的要求，提高了充電的安全和電池使用壽命。此外，本實(shí)用新型還可以用于適配器電壓低于電池電壓的情況。跟用使用專用充電控制芯片系統(tǒng)相比，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低。而且本實(shí)用新型配置靈活方便，對(duì)于不同適配器電壓V_IN或者不同節(jié)數(shù)的電池，只需要根據(jù)情況重新計(jì)算兩個(gè)PID方程，簡(jiǎn)單改變軟件參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的充電裝置的模塊構(gòu)成圖。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的充電裝置的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，本實(shí)施例提供的充電裝置包括微控制器101、直流變換器102、電壓傳感器103及電流傳感器105。電壓傳感器103的一端連接可充電電池104的正極，另一端連接微控制器101的第一ADC輸入端；電流傳感器105的一端連接可充電電池104的負(fù)極，另一端連接微控制器101的第二ADC輸入端；微控制器101的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)輸出端連接直流變換器的控制端，直流變換器的輸入端連接電源V_IN，直流變換器的輸出端連接可充電電池的正極。

如圖2所示，具體地，微控制器101包括第一ADC模塊204、第二ADC模塊205、第一減法器、第二減法器、第一數(shù)字PID模塊201(數(shù)字PID1)、第二數(shù)字PID模塊202(數(shù)字PID2)及數(shù)字PWM模塊203；電壓傳感器103包括電壓采集電阻R1及電壓采集電阻R2；電流傳感器105包括電流采集電阻Rs及放大器；直流變換器102包括驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)管Q1、二極管D1、電感L及電容Co。電壓采集電阻R1和電阻R2串接于可充電電池104的正極與地之間，電壓采集電阻R1和電阻R2的節(jié)點(diǎn)連接第一ADC模塊204；電流采集電阻Rs一端連接可充電電池104的負(fù)極及放大器的輸入端，另一端接地，放大器的輸出端連接第二ADC模塊205；第一減法器的一個(gè)輸入連接第二ADC模塊205的輸出，另一個(gè)輸入接一個(gè)設(shè)定的充電電流Iref，輸出連接第一數(shù)字PID模塊201；第二接減法器的一個(gè)輸入連接第一ADC模塊204的輸出，另一個(gè)輸入連接第一數(shù)字PID模塊201的輸出，輸出連接第二數(shù)字PID模塊202；數(shù)字PWM模塊203的輸入連接第二數(shù)字PID模塊202的輸出，輸出連接驅(qū)動(dòng)器的輸入端；開關(guān)管Q1為PMOS管，其G極連接驅(qū)動(dòng)器的輸出端，S極連接電源V_IN，D極連接電感L一端，電感L另一端連接可充電電池的正極；二極管D1的正極接地，負(fù)極連接開關(guān)管Q1的D極；電容Co一端連接電感L的另一端，另一端接地。

結(jié)合圖1及圖2，上述實(shí)施例提供的充電裝置的充電系統(tǒng)的工作原理及工作過程(對(duì)電池的充電方法)說明如下：

在有單片機(jī)、DSP和應(yīng)用處理器等微控制器(MCU)的電子系統(tǒng)中，把電池電壓和充電電流通過傳感器采集后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字PID處理后產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)控制直流變換器，使充電電流和充電電壓穩(wěn)定在設(shè)定的值。

具體地，整個(gè)充電控制系統(tǒng)是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電壓控制，外環(huán)為電流控制。通過電阻Rs采樣充電電流，經(jīng)放大器放大后送給ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的充電電流跟設(shè)定的充電電流Iref相減，數(shù)字PID1對(duì)電流差值進(jìn)行運(yùn)算后生成參考電壓Vref，作為電壓控制環(huán)路的參考電壓。參考電壓Vref的最大值設(shè)置為充電終止電壓，可以實(shí)現(xiàn)充電的恒壓控制。電池電壓通過R1和R2分壓后給ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電池電壓跟充電電流控制環(huán)路產(chǎn)生的考電壓Vref相減后，數(shù)字PID2對(duì)電壓差值進(jìn)行運(yùn)算后生成脈沖寬度信號(hào)，送給數(shù)字PWM模塊產(chǎn)生所需要的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。PWM信號(hào)送到直流變換器的驅(qū)動(dòng)器的控制端，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流和電壓的控制。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流和電壓的穩(wěn)定控制，充電電流控制環(huán)的帶寬設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)小于電壓控制環(huán)的帶寬(工程上一般十分之一可認(rèn)為遠(yuǎn)小于)。由于充電控制系統(tǒng)對(duì)瞬態(tài)要求不高，系統(tǒng)的帶寬可以設(shè)計(jì)的比較低，從而減輕了數(shù)字PID1和PID2的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

數(shù)字PID1算法的生成過程如下：在s域，由電池?cái)?shù)學(xué)模型和電流控制環(huán)路的其他參數(shù)，得到環(huán)路傳輸函數(shù)，再根據(jù)所需帶寬和環(huán)路穩(wěn)定性要求，得到s域的PID控制方程；把此方程離散化后，便得到所需的數(shù)字PID算法。數(shù)字PID2算法的生成過程也類似，由所用的直流變換器拓?fù)浣涣髂Ｐ秃碗妷嚎刂骗h(huán)路的其他參數(shù)，得到環(huán)路傳輸函數(shù)，再根據(jù)所需帶寬和環(huán)路穩(wěn)定性要求，得到s域的PID控制方程；把此方程離散化后，便得到所需的數(shù)字PID算法。

需要說明的是，圖2所示的降壓直流變換器、電流傳感器和電壓傳感器只是方便舉例說明，實(shí)際上其他的直流變換器拓?fù)浜推渌娏麟妷簷z測(cè)方法對(duì)本實(shí)用新型也同樣適用。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

跟傳統(tǒng)的通過PWM控制功率開關(guān)導(dǎo)通直接把輸入電壓加到電池上這種充電方法相比，本實(shí)用新型能實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流和電壓的精確控制，降低了對(duì)充電適配器的要求，提高了充電的安全和電池使用壽命。此外，本實(shí)用新型還可以用于適配器電壓低于電池電壓的情況。

跟用使用專用充電控制芯片系統(tǒng)相比，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低。而且本實(shí)用新型配置靈活方便，對(duì)于不同適配器電壓V_IN或者不同節(jié)數(shù)的電池，只需要根據(jù)情況重新計(jì)算兩個(gè)PID方程，簡(jiǎn)單改變軟件參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的控制帶寬比較小，大大降低了對(duì)兩個(gè)PID計(jì)算的需求，計(jì)算開銷很小，對(duì)微控制器的要求極低。當(dāng)然，本實(shí)用新型也適用控制帶寬大的情況。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的充電控制系統(tǒng)代碼量極小，增加的成本對(duì)微控制器可以忽略。結(jié)合上述情況，整個(gè)充電系統(tǒng)的整體成本很低。

以上實(shí)施例僅為充分公開而非限制本實(shí)用新型，凡基于本實(shí)用新型的創(chuàng)作主旨、未經(jīng)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等效技術(shù)特征的替換，應(yīng)當(dāng)視為本申請(qǐng)揭露的范圍。