一種磷酸鐵鋰電池快速充電器的製作方法

2023-05-22 02:54:56

專利名稱：一種磷酸鐵鋰電池快速充電器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及鋰電池快速充電器，尤其是一種磷酸鐵鋰電池快速充電器。
背景技術：
隨著科學技術的發展及電化學材料及工藝技術的進步，人們不斷地研究、開發出新型電池材料及新型電池。繼鎳鎘、鎳氫可充電電池之後，在1991年開發出可充電的鋰離子電池，1995年又推出性能更好的聚合物鋰電池，到2002年後，新型磷酸鐵鋰電池問世，磷酸鐵鋰電池的全名應是磷酸鐵鋰鋰離子電池，由於該電池非常適用於作動力電池，所以往往稱它為磷酸鐵鋰動力電池，本文簡寫成LiFePCM電池。目前市場上的鋰離子電池的正極材料主要是氧化鈷鋰(LiCo02)，另外還有少數採用氧化錳鋰(LiMn204)及氧化鎳鋰(LiNiC^)作正極材料，新型磷酸鐵鋰電池是一種用磷酸鐵鋰(Lii^ePCM)作電池正極，用石墨作負極的鋰離子電池，它的工作原理與鋰離子電池完全相同，是鋰離子電池家族中的新成員。在上述幾種鋰離子電池正極材料中，以金屬元素鈷(Co)最貴，並且世界上儲藏量不多、其次是鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜、而鐵(Fe)最便宜，正極材料的價格也與這些金屬材料的價格行情一致，因此，LiFePCM電池應是最便宜的，LiFePCM電池還具有放電平臺特別平坦、能用大放電率放電(5-10C)、特別安全(不會因過充電、過放電、甚至短路時發生燃燒或爆炸)、循環壽命長、對環境無汙染等特點，作為大電流輸出的動力電池，它的性能是最佳的。市場上鋰電池充電器分為兩類一種是如圖1所示的0. 2C充電率的充電器，即只能提供2A充電電流，0. 2C的充電率將電池充滿需要6-8小時，時間太長了對用戶來說不是很方便，同時該種類型充電器也沒有完全將Lii^ePCM可以接受大電流充電的特性發揮出來。另一種是如圖2所示的0. 5C充電率的充電器，這種類型的充電器基本上都沒有採用功率因數校正，0. 5C充電率的充電器功率達到200W以上，沒有高功率因數校正(PFC， Power Factor Correction，功率因數校正)功能時，充電器就是個電磁幹擾源，對其它同時使用的電器及用電線路有很強的汙染，另因是半橋結構如要實現寬電壓輸入，實現方式只能採用人工手動開關方式，對普通用戶來說是很不方便的。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種磷酸鐵鋰電池快速充電器，其採用0. 5C充電率， 不但提高電能的利用率，降低電磁幹擾，還可以很方便的實現寬電壓輸入。為達到上述目的，本實用新型是通過以下技術方案來實現的一種磷酸鐵鋰電池快速充電器，其包括交流輸入電路、橋式整流電路、充電管理電路，其中，還包括高功率因數校正(PFC)電路和準諧振反激式變換電路，交流輸入電路連接橋式整流電路，橋式整流電路連接高功率因數校正(PFC)電路，高功率因數校正電路連接準諧振反激式變換電路，準諧振反激式變換電路再連接充電管理電路。其中，高功率因數校正(PFC)電路可採用集成電路SG6961。其中，準諧振反激式變換電路採用FSCQ1565電路。其中，充電管理電路可採用PIC12F6^加LM358。本實用新型由於採用了高功率因數校正(PFC)電路，因此可以提高電能利用率， 還可以很方便的實現寬電壓輸入，由於採用了準諧振反激式變換電路，該電路因為是過零開關從而降低了開關損耗提高了電源效率及可靠性，而且準諧振技術使諧波含量降低從而降低了電磁(EMI)幹擾。

下面根據附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。圖1為現有技術的一種0. 2C充電率的充電器的框圖；圖2為現有技術的一種0.5C充電率的充電器的框圖；圖3為本實用新型的磷酸鐵鋰電池快速充電器的框圖；圖4為本實用新型的磷酸鐵鋰電池快速充電器的具體電路；圖4. a-圖4. d為圖4的分塊圖；圖5為充電管理中理想的充電曲線圖；圖6為實現圖5中理想充電曲線圖所採用的硬體電路；圖6. a-圖6. d為圖6的分塊圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本實用新型的技術方案做進一步的描述。首先介紹一下本實用新型所涉及相關概念。功率因數校正(PFC)是供用電系統的一項重要技術經濟指標，用電設備在消耗有功功率的同時，還需大量的無功功率由電源送往負荷，功率因數反映的是用電設備在消耗一定的有功功率的同時所需的無功功率，即是指交流電源推動負載時如果負載呈容性或感性，會使電流波形與電壓波形之間發生相移，結果推動負載的有用功率小於在該電流波形下系統消耗的總功率，它們的比值就是功率因數。功率因數小的時候可能達到0. 6以下(目前的充電器都是如此)，這就意味著40%以上的電能都損耗在線路上了，而這個電能是不會記錄到一般的電度表上的，產生的費用是由國家承擔的，所以國際標準、國家標準都越來越嚴格地對電器的功率因數做出限制，一般要求達到0.8以上，也就是說用電質量的好壞直接取決於功率因數的大小。節能環保已經成為全球經濟發展的主旋律，隨著國家電荒現狀的日益凸顯，消費者的節能意識也越來越強，提高用電設備的功率因數是實現節能環保的一大舉措，國家對大部分的家電產品現在強制執行CCC認證，對功率因數提出了要求。電動車充電器遲早是要納入家電產品並要執行CCC認證的。如圖3所示，在本實用新型的快速充電器中，交流輸入電路連接橋式整流電路，橋式整流電路連接作為高功率因數校正(PFC)電路的SG6961電路，SG6961電路再連接作為準諧振反激式變換電路的FSCQ1565電路，FSCQ1565電路最後再連接充電管理電路，充電管理電路採用了 PIC12F6^加LM358。
4[0028]LiFePCM電池的充電率一般在0. 2C-1C，考慮到綜合成本的原因，本實用新型充電器採用0. 5C充電率。SG6961的主要特色具極佳功因及總諧波表現，用於臨界電流模式下的電流轉換操作，適用於70 200W的電源轉換，除整合多項保護電路，如過電壓(OVP)、輸出過電壓、電壓過低鎖定(UVLO)、斷迴路鎖定等功能外，並提供快速動態響應及過壓鉗制功能。引腳功能簡介1腳(INV)誤差放大器反向輸入端。PFC輸出電壓由分壓電阻分壓後送入該，該腳用於過電壓鉗位和開環反饋保護；2腳(comp)誤差放大器輸出端。補償網絡設置在該腳與INV端以完成電壓控制環路的穩定性和保證有高度PF值與低端諧波失真(THD)；3腳(MOT)在該引腳與GND之間連接一隻電阻，用於確定外部開關(MOSFET)的最大導通時間，該引腳用於替代傳統IC中一象限乘法器；4腳(CS)過電流保護比較器的輸入端。當電流檢測電阻上的電壓達到內部0.8V 的閥值時開關將關斷；5腳(Z⑶)過零電流檢測端。該引腳經過一隻電阻連接到變壓器輔助繞組，一旦檢測到開關電流過零，將開始新的開關周期；6 腳(GND)地；7腳(⑶)柵極驅動輸出；8腳(VCC)電壓供給。FSCQ1565是一款優化的準諧振轉化器，具有多重保護功能，並且將功率管集成到晶片內部，設計的要點集中在變壓器上。引腳功能簡介1腳(Drain):內置高壓功率管漏極連接點；2 腳(GND)接地；3腳(VCC)正電源輸入，提供晶片啟動和穩定運行；4腳(VFB)反饋信號輸入，該腳電壓達到7. 5V，過載保護觸發電源關閉；5腳(SYNC)準諧振轉換檢測；PIC12F629是美國MICROCHIP公司的8引腳內存8位的CMOS單片機，該單片機最大特點是器件內部內置了一個模擬比較器，利用這個比較器的資源配合相應程序實現電池
充電管理。本實用新型的快速充電器具體工作原理如下參考圖4，在接通交流供電電源後，電源先經過EMI、橋式整流濾波電路後通過電阻R3-R4對SG6961的VCC腳上的電容ECl充電，同時有部分電流流入VCC腳，在ECl上的電壓達到欠電壓關斷電平(9. 5V)之前，IC的啟動電流只有IOuA(這在同類IC中是最小的)。 一旦電容ECl上的電壓達到啟動門限典型值12V，IC則啟動開始工作，ECl放電。在ECl 上的電壓降至IC的關斷閥值(典型值是9. 5V)之前，變壓器輔佐繞組、CC2、R5、D1、ZD1等組成輔佐電源電路給IC的VCC腳提供穩定的工作電流。因SG6961的啟動電流很小R3-R4 用0. 25W的電阻就可以了。當IC弓丨腳5通過R6檢測到變壓器輔佐繞組的電流過零信號時，IC引腳7就輸出一個驅動脈衝推動開關MOSFET (Ql)導通，流過Tl變壓器初級繞組的電流從零線性增加到峰值，而Ql開始截至。初級繞組中的儲能因Ql的截至而釋放，經D4整流EC2濾波後加到準諧振反激變換器的功率變壓器的輸入端，R12-R15分壓取樣經IC的1腳送入IC內部誤差放大器的反相端，誤差放大器的同相輸入端連接內部2. 5V的固定電壓參考，二者的比較結果反映在IC的2腳，2腳外接補償迴路，2腳的信號與3腳設定的信號進行比較來控制Ql 導通的時間從而決定輸出電壓為穩定的400V高壓。通過變壓器初級的電流線性減小至零， MOSFET將再一次導通，新的開關周期開始，如此周而復始，在每一個開關周期中電感峰值電流都追蹤交流輸入電壓的變化軌跡，高頻電感電流被輸入電容CCl濾波掉高頻成分從而得到呈正弦波形的輸入平均電流。這就是高功率因數的關鍵。RS是接在Ql源極上的用來檢測開關電流，將檢測到的開關電流送到IC的4腳，該腳上的逐周電流限制保護點門限為0. 82V，只要引腳上的輸入電壓高於這個閥值，電流開關周期則立即終止。穩定的400V高壓通過功率變壓器T2接到FSCQ1565的1腳(Drain)，另一路通過 R16、R17給準諧振模塊FSCQ1565供電啟動模塊工作，T2輔助繞組R19、R20、D4、EC3、Q2、 CC8、ZD2、EC4等構成二次穩壓電路保證FSCQ1565穩定工作，D9、R36、R37、EC5將輔助繞組的過零信號送給FSCQ1565的5腳(SYNC)，通過該信號控制FSCQ1565內置功率管的開關從而降低功率轉換的損耗，提高電源的可靠性。功率管導通電流流過變壓器T2初級繞組產生能量，能量儲存在氣隙裡，功率管關閉此時儲存在氣隙裡的能量通過D5、EC6、EC7、L3、L4整流濾波給電池充電提供能量。圖5顯示了充電管理中理想的充電曲線圖，為了實現上述理想的充電曲線圖，充電模式應為CC-CV-CC模式，圖6顯示了實現圖5中理想充電曲線圖所採用的硬體電路。
權利要求1.一種磷酸鐵鋰電池快速充電器，包括交流輸入電路、橋式整流電路、充電管理電路，其特徵在於，還包括高功率因數校正電路和準諧振反激式變換電路，交流輸入電路連接橋式整流電路，橋式整流電路連接高功率因數校正電路，高功率因數校正電路連接準諧振反激式變換電路，準諧振反激式變換電路再連接充電管理電路。
2.根據權利要求1所述的磷酸鐵鋰電池快速充電器，其特徵在於，高功率因數校正電路採用集成電路SG6961。
3.根據權利要求1或2所述的磷酸鐵鋰電池快速充電器，其特徵在於，準諧振反激式變換電路採用FSCQ1565電路。
4.根據權利要求1或2所述的磷酸鐵鋰電池快速充電器，其特徵在於，充電管理電路採用 PIC12F629 加 LM358。
5.根據權利要求3所述的磷酸鐵鋰電池快速充電器，其特徵在於，充電管理電路採用 PIC12F629 加 LM358。
6.根據權利要求1所述的磷酸鐵鋰電池快速充電器，其特徵在於，該快速充電器採用 0. 5C的充電率。
專利摘要本實用新型公開一種磷酸鐵鋰電池快速充電器，該充電器在電路中採用高功率因數校正(PFC)電路和準諧振反激式變換電路，可以提高電能利用率，還可以很方便的實現寬電壓輸入，另外還降低了開關損耗提高了電源效率及可靠性，而且準諧振技術使諧波含量降低從而降低了電磁(EMI)幹擾。
文檔編號H02J7/10GK202260588SQ20112024789
公開日2012年5月30日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者周曉強, 陸勇 申請人:無錫新暢電子有限公司