三階段控制均衡充電器的製作方法

2024-01-23 21:10:15

專利名稱：三階段控制均衡充電器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種能對串聯蓄電池組進行恆流、恆壓、涓流浮充三階段控制均衡充電的開關電源式充電器。
目前，對蓄電池公認的最佳充電方式是在初充階段採用恆定電流充電，當額定電壓為12V的鉛酸蓄電池端電壓上升至14.6V左右，轉入恆定電壓充電，在此階段充電電流由額定值逐步下降，當充電電流下降至末期電流值時(12AH蓄電池為200mA左右)即認為電池已充足，轉入涓流浮充階段，浮充電壓為13.6V左右，三階段充電方式可有效地延長蓄電池的循環使用壽命。但是對於由多個電傳串聯而成的電池組，如果使用通常單組輸出的充電器，僅控制電池組的總電壓，由於電池組中各電池特性差異，電池端電壓不能同步上升，上述電壓設定也就失去了意義，這種由於充電不均衡而造成的個別電池充電不足，而其它電池過充電的現象，將會加速電池老化，電池組總體容量銳減，嚴重影響電池組的使用壽命。為了解決這個問題，國內外電池業界進行了大量研究，提出了多種能對串聯蓄電池組實施均衡充電的方案。由於均衡充電器具有多組輸出電壓，分別對各電池進行均衡充電，如何分別採集各電池的電壓電流信號並加以綜合控制，是一個比較複雜的問題，這是因為串聯電池組中各電池處於不同的電位，採樣信號之間存在很高的共模電壓，不能直接連接到充電控制器上去。國外在電動汽車的充電系統採用如下方式每個蓄電池上分別安裝了電流與電壓傳感器，模擬信號經A/D轉換為數字量後，通過隔離光耦輸入計算機進行集中控制，根據各電池的實際狀況由軟體程序確定充電參數，達到最佳的充電效果。這種方式雖然性能很好，但是電路複雜，價格昂貴，不可能應用在諸如電動助力車等民用產品上。中國實用新型說明書(00217070.1)提供了一種低成本的均衡充電器方案，該方案的主要特點是採用多個結構相同的輸出繞組與整流電路，多組直流電壓串聯後分別與電池組中各個電池相連接，使得電池組中個電池的端電壓同步上升，簡化了電壓控制電路，但是該方案沒有提供在均衡充電的情況下，充電末期電流的採樣與測量方法。缺少涓流浮充階段的控制功能，按目前公知技術，直接採樣某個電池充電電流的方法，在均衡充電器中並不適用，這是因為在均衡充電器中每個電池都有各自的充電迴路，充電電流各不相同。
本實用新型的目的在於提供一種結構簡單、性能可靠，具有恆流、恆壓、涓流浮充三階段控制功能的均衡充電器。
本實用新型提供的是一種由電源整流電路、逆變電路、脈衝變壓器、輸出整流電路、恆流控制電路、恆壓控制電路、涓流浮充控制電路等構成的開關電源式充電器，其特點在於脈衝變壓器1有多個相同的輸出饒組，其脈衝電壓分別整流成直流後接至輸出端，充電器輸出的多組電壓與串聯電池組中各個電池相連接，每個電池都有自己的充電迴路，用電流互感器2進行充電末期電流採樣，以實現涓流浮充控制功能，電流互感器2的初級串接在由脈衝變壓器1初級W0與開關電晶體構成的迴路中，次級與涓流浮充控制電路電路相連接。
為了保證均衡充電的效果，充電器的多組輸出必須具有完全相同的輸出電壓特性，因此，脈衝變壓器的多個輸出繞組除了匝數相同外還應儘量做到電感量、內阻、與初級饒組的耦合度等各種參數完全一致，以下兩種方法可以實現這個目的(1)脈衝變壓器的多個輸出繞組由平行並列的多根絕緣導線在變壓器骨架上一次繞制而成。
(2)脈衝變壓器的多個輸出繞組由絞合成一股的多根絕緣導線在變壓器骨架上一次繞制而成。
本實用新型均衡充電的功能是這樣實現的由於充電器多組輸出饒組具有相同感應電勢E，每個電池都有各自的充電迴路，設某個電池的端電壓為VX，整流元件壓降為VD，迴路內阻為r，根據歐姆定理，該迴路的充電電流ix=(E-VD-VX)/r，當各電池的端電壓不一致時，電路有自動調節各迴路電流的功能，在總電流不變的情況下(輸出總電流由恆流電路控制)，落後電池的端電壓與輸出繞組感應電勢E的電壓差較大，流經該迴路的充電電流也較大，該電池端電壓上升速度較快，反之，端電壓較高的電池分配到的充電電流較小，端電壓上升速度較慢，這樣的充電效果使得各電池之間原有的端電壓差在充電過程中不斷減少，直至完全消失。由於在充電末期各電池具有相同的端電壓，因此只要對輸出總電壓進行測量和控制，就可以保證串聯電池組中每個電池都能充到預定的恆壓值與浮衝電壓值，大大簡化了電路。
單個蓄電池的額定電壓一般在12V或12V以下，因此，輸出整流元件可以採用肖特基二極體，以降低整流元件壓降所引起功率損耗。
單個蓄電池額定電壓在5V以下時(如單體鋰電池3.6V、鉛酸電池2V、鎘鎳電池或鎳氫電池1.2V)，採用同步整流的方法，可以進一步提高整流效率，同步整流用功率VMOS管作整流元件，其源極與漏極串接在輸出迴路中，在脈衝變壓器設置同步整流驅動繞組，通過限流電組與VMOS管的源極與柵極連接，控制VMOS管的開通與關斷。功率VMOS管的導通壓降僅為0.1V，在單組輸出電壓較低的情況下，可以大幅度提高整機效率。
本實用新型的逆變電路，可以採用反激、正激，半橋、全橋等多種形式，開關管的激勵方式既可以用自激，也可以用他激。一般而言，採用自激方式的反激式逆變電路具有電路簡單，成本較低等特點，由於其輸出特性在低於恆壓設定值時具有恆流源的性質，用在充電器上可以自動跟隨蓄電池的電壓變化，輸出迴路不用串接限流電感，這一特點對於具有多組輸出迴路的均衡充電器來說，顯得尤其重要。但是普通的單管逆變電路也有一個明顯的弱點，當負載突然開路時，儲存在脈衝變壓器初級電感上的能量得不到釋放，形成很高的感應電壓，對開關電晶體造成危害。在充電器的使用過程中，用戶可能隨時拔下電池箱的插頭，造成負載開路。採用輸出電壓反饋控制，在主電路上設置吸收回路等保護措施，可以在一定程度上減輕負載開路帶來的危害，但不能根本解決問題。本實用新型提供的雙管反激式逆變電路，從電路原理上避免了過電壓對開關管的衝擊，具有較高的可靠性。其電路結構如下開關管T1的C極接電源正5,E極接脈衝變壓器1初級W0的同名端3，並與二極體D1的負極連接，D1的正極接電源負6；開關管T2的C極接脈衝變壓器1初級W0的非同名端4，並與二極體D2的正極連接，D2的負極接電源正5,T2的E極通過電阻R3接電源負6；T1與T2分別由脈衝變壓器1繞組W4與W5驅動，兩管同時導通、同時截止。正常工作時3端與4端的電位在電源正與電源負之間，D1與D2處於截止狀態，當出現負載突然開路的情況時，根據電感電流連續性原理，將出現4端為正、3端為負的感應電勢，由於D1與D2的存在，當3端電位低於電源負0.7V,4端電位高於電源正0.7V時，D1與D2同時導通，將3端與4端的電位分別箝位在電源負與電源正上，而脈衝變壓器中的電感儲能，也以感應電流的形式通過D1與D2回饋到電源濾波電容C1上，保護了開關三極體的安全。本電路雖然比普通的單管反激電路多用了一個開關管，但每個開關管承受的電壓僅為單管電路的一半，電路的安全性能有了很大提高。
經多次實際充電試驗證實，本實用新型充電器有以下特點(1)均衡充電的效果明顯，特別是由於內部個別落後電池而造成整體容量銳減，不能繼續使用的電池組，經本充電器均衡充電後，各電池端電壓之間的相對誤差只有0.1-0.2V，整個電池組恢復了容量。(2)三階段控制的充電方式實現了完善的輸出電壓與電流特性，即使長期充電，也不會對電池壽命造成損害。(3)運行可靠性高，不倫負載開路或短路，都不會對充電器本身造成危害。採用本實用新型充電器的積極意義在於從根本上杜絕充電不均衡現象的發生，減少充電故障，從而有效地提高蓄電池的使用壽命。充電器本身還具有結構簡單，成本較低等特點。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。


圖1為本實用新型的一個實施例。
圖2為脈衝變壓器各繞組的波形圖。
圖3為充電器輸出電壓電流特性圖。
本實用新型的一個最佳實施例是一臺用於36V電動助力車的可攜式充電器，通過一根四芯絕緣線與一副四芯插頭座與助力車電池箱中三個12V蓄電池連接。該充電器採用控制開關管脈衝電流峰值的方法實現輸出總電流的恆流控制。附圖1中脈衝變壓器初級繞組W0的匝數為n0，三個輸出繞組W1、W2、W3的匝數同為n1，根據反激式電路的工作原理，初級電流與輸出電流分時導通(參見附圖2)，四個繞組的脈衝電流分別為i0、i1、i2、i3，由於電感中電流不能突變，在初級電流截止與次級電流導通的瞬間，各繞組電流存在以下關係i0×n0=i1×n1+i2×n1+i3×n1，即i1+i2+i3=i0×n0/n1，因此，只要確定脈衝變壓器的初次級匝數比以及初級電流，就可以確定輸出總電流，圖1中電阻R1、R2分別將啟動電流引入T1與T2的基極，T1、T2開始導通後，由於W4、W5的正反饋作用而加速飽和導通，集電極電流在變壓器初級電感的作用下線性上升，同時採樣電阻R3上的電壓也線性上升，該電壓通過D3接到T3的基極，充電器的恆流控制是這樣實現的當T1、T2的集電極電流上升到一定幅度時T3開始導通，將T2的基極電流分流，T1退出保和區後，由於W5繞組的正反饋作用而迅速截止，T1在W4的作用下也同時截止，輸出整流二極體開始導通，對各電池實施充電。R3的阻值，確定了T1、T2的電流峰值，同時也確定了三組輸出電流之和。
由於反激式逆變電路具有脈衝變壓器磁通自動平衡復位的特點，輸出二極體導通周期將隨著輸出電壓的上升而縮短，因此，本實用新型充電器在恆流控制階段其充電電流隨著電池端電壓的上升而有所下降(參見附圖3)，這樣的充電特性，比公知技術所採用的純粹的恆流充電更加符合蓄電池充電接受能力特性，避免了在接近恆壓點時由於充電電流過大而引起的電解液分解現象。
當串聯蓄電池組的端電壓接近恆壓控制點時(附圖3中13)充電進入了恆壓控制階段，在此階段蓄池端電壓基本保持不變而充電電流逐漸下降。充電器的恆壓控制是這樣實現的由電阻R4、電位器RW1、電阻R5串聯而成的分壓電路對輸出總電壓進行採樣，RW1的中間抽頭7為分壓點，通過D4接電壓比較器DW1的控制端8,8端還通過電阻R6接輸出地9。本實施例DW1採用兼有基準電壓源與電壓比較器雙重功能的並聯式三端穩壓管TL431，當輸出電壓到達充電器的恆壓控制點時，8點的電位到達DW1的基準穩壓值班2.5V,DW1的輸出端10的電位開始下降，並驅動光耦11進入臨界導通狀態，此時T3的基極除了D3引入的電流外，還迭加了光耦電流，兩者共同作用的結果使得T3提前導通，減小了T2電流的峰值，降低了輸出電流。電池組端電壓越高，光耦電流越大，輸出電流越小，使得輸出電壓不再上升。達到了恆壓控制的目的。
二極體D4的作用在於引入了輸出電壓的溫度補償功能，鉛酸電池具有負的電壓-溫度特性，環境溫度越高，理想的充電恆壓值以及浮充電壓值越低，D4是具有-2.2mV/℃溫度特性的矽開關二極體，串接在電壓採樣點與電壓比較器控制端之間，使得充電器的輸出電壓也具有負的電壓-溫度特性，電阻R5與R6的比值，決定充電器的溫度補償特性，增加R6的阻值、減少R5的阻值，補償量上升，反之，補償量下降。充電器輸出電壓的溫度特性應儘可能與蓄電池的溫度特性相吻合。
當恆壓充電階段的充電電流下降到設定的末期電流值(12AH蓄電池，末期電流設定為200mA)時，應轉入涓流浮充階段，以避免過度充電引起電解液分解。為了簡化電路降低成本，電流互感器2採用串心式結構，其初級與次級的匝數比在1∶20至1∶100之間。
在附圖1所示的實施例中，涓流浮充控制電路由三極體T4、T5、T6、電阻R7、R8、R9、R10、R11、R12、電容C2、C3發光管D5等構成，其工作原理如下在恆流階段與恆壓階段的前期，由於初級脈衝電流較大，電流互感器次級電流在R7上的壓降也較高，T4的導通周期較長，其集電極電壓經R9與C2濾波後，對T5的基極形成反偏，T5、T6截止，涓流浮充電路不起作用。在恆壓階段的後期，由於初級脈衝電流逐漸下降，T4的導通周期縮短，引起T4的基極電位上升，同時由於DW1導通引起T5發射極電位下降，使T5由截止嚮導通方向轉化。電流互感器的匝數比以及R7的阻值，決定了末期電流的設定值，當輸出電流小於設定值時(附圖3中14)，T5由截止轉為導通，並通過R10使得T6也同時導通，T6的集電極與輸出正12的電位相等，此時，R11成了輸出電壓的另一條採樣支路，改變了原先由R4、RW1、R5所確定的採樣分壓比，適當選取R11的阻值，可以使輸出電壓由恆壓設定值(43.8V)變為浮充電壓設定值(40.8V)，T6的導通同時還點亮了發光二極體D5，指示蓄電池已經充足。由於電池的儲能作用，在涓流浮充階段的初期，電池端電壓高於浮充電壓設定值，DW1、T3、T5、T6飽和導通，充電器停止工作(附圖3中虛線)，沒有正向的充電電流，由蓄電池提供數毫安的反向電流，維持T5、T6、DW1的導通，直至蓄電池由於內部自放電端電壓下降到設定值時，充電器自動恢復工作，輸出數十毫安的浮充涓流，抵消了蓄電池內部的自放電電流，把電池的端電壓鎖定在浮充電壓設定值上(附圖3中15)。
權利要求1．一種開關電源式蓄電池充電器由電源整流電路、逆變電路、脈衝變壓器、輸出整流電路、恆流控制電路、恆壓控制電路、涓流浮充控制電路等構成，其特點在於脈衝變壓器[1]有多個相同的輸出繞組，其脈衝電壓分別整流為直流電壓後接至充電器的輸出端，充電器輸出的多組直流電壓與串聯蓄電池組中的各個電池相連接，電流互感器[2]的初級串接在脈衝變壓器[1]的初級W0與開關電晶體構成的迴路中，次級與涓流浮充控制電路相連接。
2．根據權利要求1所述的充電器，其特點在於逆變電路採用雙管反激方式，開關管T1的C極接電源正[5]，E極接脈衝變壓器[1]初級W0的同名端[3]，並與二極體D1的負極連接，D1的正極接電源負[6]；開關管T2的C極接脈衝變壓器[1]初級W0的非同名端[4]，並與二極體D2的正極連接，D2的負極接電源正[5]，T2的E極通過電阻R3接電源負[6]；T1、T2分別由脈衝變壓器[1]饒組W4與W5驅動，兩管同時導通同時截止。
3．根據權利要求1或或2所述的充電器，其特點在於電流互感器[2]採用穿心式結構，其初級與次級的匝數比在1∶20至1∶100之間。
4．根據權利要求1或2所述的充電器，其特點在於脈衝變壓器的多個輸出繞組是由平行並列的多根絕緣導線，在變壓器骨架上一次繞制而成的。
5．根據權利要求1或2所述的充電器，其特點在於脈衝變壓器的多個輸出繞組是由絞合為一股的多根絕緣導線，在變壓器骨架上一次繞制而成的。
6．根據權利要求1或2所述的充電器，其特點在於輸出整流元件採用肖特基二極體。
7．根劇權利要求1或2所述的充電器，其特點在於輸出整流採用同步整流的方式，整流元件採用功率VMOS管，其源極與漏極串接在輸出迴路中，脈衝變壓器上設置同步整流驅動繞組，通過限流電阻與VMOS管的源極與控制極連接，以控制VMOS管的導通與關斷。
8．根據權利要求1或2所述的充電器，其特點在於輸出電壓採樣迴路的分壓點[7]通過二極體D4接電壓比較器DW1的控制端[8],[8]端還通過R6接輸出地[9]。
專利摘要一種開關電源式蓄電池充電器,其特點是脈衝變壓器有多個輸出繞組,分別整流為直流後串聯輸出,同時輸出多組直流電壓,實現了多個串聯蓄電池的均衡充電,使電池組中各個電池的端電壓同步升高,同時充足,避免了由於各個電池特性不同而造成的過充電或欠充電現象,提高電池組的實際容量及使用壽命,充電過程分恆流、恆壓、涓流浮充三個階段。
文檔編號H02J7/00GK2446707SQ00218679
公開日2001年9月5日 申請日期2000年8月3日 優先權日2000年8月3日
發明者黃以安 申請人:黃以安