CN101854071B - 智能多段恒流充电器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种智能多段恒流充电器，它能提高质量和电池寿命。它包括PWM脉宽调制开关电源电路、运算放大器压控恒流电路、程序控制电路及外围辅助元件，其特征在于：PWM脉宽调制开关电源电路及外围器件构成了功率变换电路，由运算放大器及外围元件构成了压控恒流源电路，在每个充电阶段进行恒流控制；由程序控制IC及外围器件构成了检测、保护、显示、控制电路，将整个电路连接起来。本发明充电全程采用分段式、逐段恒流技术；根据电池馈电量、环境温度智能控制充电方式及过程；充电结束后自动断电。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电技术领域，确切地说是一种智能多段恒流充电器。
背景技术
现今市场上蓄电池充电器(主要指电动助力车充电器)大致可分为全程恒压型充电器，恒流、恒压、涓流三段型充电器及脉冲型充电器三大类。
因全程恒压型充电器只较适合为早期的高比重硫酸蓄电池充电，现已逐步退出市场，取代它的是普通二段式三段式充电器及脉冲型充电器。虽然该类充电器在设计理念及技术上较前者有一定提高，但随着蓄电池生产工艺及技术的提高，现此类充电器已无法满足现有的高质量蓄电池充电技术要求。主要问题是：
1.因该类充电器大电流预充完成后转换成恒压充电阶段继而涓流，此阶段电池两端加载的为恒定电压且据标准较高，高电压会造成蓄电池失水现象严重，极板过早硫化等恶性反应，使电池寿命严重缩短。
2.该类充电器涓流浮充时间无法控制，使用者更无法获知涓流是否完成或完成标准是什么，用户的模糊概念会造成电池或过充电、或欠充电，长期高电压涓流使电池寿命严重缩短。
3.根据市场调研发现，用户使用该类产品的使用习惯及生活习惯几乎都为当晚接好电池进行充电，次日早切断电源结束充电。充电器本身及使用者无法根据电池充电时馈电量来调节充电周期(主指涓流阶段)，使电池每次充电的电饱和度相差甚远，电池过早老化。
4.传统充电器无法获知电池容量和馈电程度，无论馈电多少都按照几乎一定的模式对电池充电，加上充电器本身良莠不齐，导致电池长期处于过充电或馈电状态。周而复始，电池不是被用坏的，而是被充坏的。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能多段恒流充电器，它充电全程采用分段式、逐段恒流技术；根据电池馈电量、环境温度智能控制充电方式及过程；充电结束后自动断电。
本发明的优点是：
1.充电方式采用压控恒流源分段恒流方式，利用电池为容性负载原理，使用压控分段恒流充电方式使整个充电过程电池均处在标准电压范围内稳定充电，确保电池无失水、硫化和鼓包现象。
2.通过主程序智能控制充电过程，自动检测环境温度电池馈电比率。可根据环境温度、电池始充电馈电比率、容量值自动调整，全程控制充电方式、充电时间。确保每次充电均达到电池负荷完美平衡点。
3.充电过程结束后充电器自动切断电源，即确保充电器安全性，又减小不必要的能源损耗，绿色环保。
附图说明
图1为本发明的外观结构示意图。
图2为本发明的原理方框图。
图3为本发明的电路原理图。
图中R、C等电器元件符号都是电路中通常表达电器元件的常用符号，本领域普通技术人员结合附图都清楚的知道所表达的内容。
实施例
参照附图连接即可实现本发明。电器元件外购，外壳可做成塑料的。本产品主要由PWM脉宽调制开关电源电路、运算放大器压控恒流电路、程序控制电路及外围辅助元件构成。
其中由PWM脉宽调制开关电源电路及外围器件构成了功率变换部分，将市电转换为脉动直流电压，给整机提供动力；由运算放大器及外围元件构成了压控恒流源电路，在每个充电阶段进行恒流控制；由程序控制IC及外围器件构成了检测、保护、显示、控制等电路。
1.电源启动部分
该充电器接通电池及市电后，用户可手动启动充电器。按下启动键(2秒钟)后，电池两端电压通过R5、R6限流，D9、D10稳压后，分别加至U5的8脚(+5V)、U2的1脚(+5V)、U3的8脚(+12V)，U5、U2、U3工作，U2的2脚输出高电平，通过R173加到LEDR阳极，显示当前工作状态。RT4、RT5、R170、R171、R172、R173、R174、R175、U5组成了温度传感器比较电路，根据环境温度由U5的1脚、7脚输出或高电平或低电平，该电平分别加到U2的3脚与(13)脚上，U2主程序对3脚与(13)脚电平高低变化进行多次采样，与内部预制程序比较，选择当前温度充电程序进行检测、对比后，判断当前工作状态。主程序开始工作，计时。U2的5脚输出低电平，通过R130加到电源继电器J1驱动电路，使U3运算放大器同相端5脚电压拉低，进而U3的7脚输出为低电平，Q4动作，J1线圈有电流通过，常开触点吸合，市电电压经保险丝FU1，继电器触点和负温度系数热敏电阻RT1，送到差模电容C1和互感线圈LF1滤除市电电网高频干扰脉冲后，通过桥式整流堆D1-D4整流，C2滤波，在C2两端建立300V左右的直流电压。300V直流电压一路经过开关变压器初级绕组加到开关管Q1的D极为其供电，另一路经R109-R112对U1(UC3842)7脚外接电容C4进行充电。
2.功率变换部分
当C4两端电压达到16V时，U1内部的启动电路开始工作。其内部的基准电压发生器，产生5V电压，为内部振荡器误差放大器等电路供电，另一路从U1的8脚输出，经R116、C108和U1的4脚内振荡器通过振荡，在C108两端产生锯齿波脉冲电压，并使振荡器输出矩形振荡脉冲，该脉冲作为触发信号控制PWM调制器产生矩形激励脉冲，再经驱动电路放大后，从U1的6脚输出开关激励脉冲信号，通过R1驱动Q1工作在开关状态。Q1导通期间T1存储能量；Q1截止期间，T1次级绕组产生反相脉冲电压，经整流滤波后形成相应直流电压为相应负载供电。绕组II输出的脉冲电压经D5整流，R113、R114限流，C4滤波，获得电压取代启动电路为U1提供持续供电。绕组III输出的脉冲电压，经D7整流，C6滤波，产生直流电压。该电压经R120加到IC1光电耦合器1脚，为其内部光电管供电。绕组IV输出的脉冲电压经D8整流，C8滤波，R4、C7电磁干扰吸收后产生直流电压，一路经R5、R6加到D9、D10取代启动时电池供电，一路经D14、D15防反充二极管经电池充电提供能源，一路经R122、R123、R124、R121分压，给精密并联稳压器TL431A提供取样电压，TL431A与光藕PC817组成了精密光藕反馈电路，达到稳压目的。
3.恒流稳压控制
本系统中的恒流稳压控制电路由运算放大器U4A(LM324)，差分电路R151、C104，电流取样电阻R101-R109、R150，压控始能端上拉电阻R155、R155a、R156、R156a、R157、R157a分压电阻R154、R154a组成。充电是通过取样电阻取得取样电压加至U4的2脚，与压控端3脚给定电压相比较，1脚输出恒流源电压，该电压根据电流取样电阻的取样电压变化，通过D13实时调整光藕内光电管导通状态达到恒流目的。
4.充电、显示控制部分
本充电器的充电、显示等控制部分，主要由核心控制芯片(单片机U2)及运算放大器U3、U4、U5和外围分压、比较、采样等电路构成。当用户按下启动键后，单片机U2、比较器U3、U5工作，U2的2脚输出高电平，点亮LEDR发光二极管，同时，U5内部2个运算放大器同相、反相输入端外接分压电阻及热敏电阻对5V电压进行分压，通过环境温度变化，U5的1脚、7脚输出相应高低电平，送到单片机U2的3脚、13脚进行检测，确定当前温度范围，选择程序进行充电；U2的5脚输出低电平，通过继电器J1驱动电路U3、Q4使J1吸合；U2的10脚输出高电平，通过风扇驱动电路U3、Q2推动风扇工作；U2的7脚、8脚、9脚输出高电平，通过R156、R156a、R157、R157a、R155、R155a与R154、R154a分压后，加至压控恒流源电路电控始能端，整机开始按程序恒流充电；U2的11、12脚分别为程序跳转基准电压源端及反馈端，11脚由5V经R141、R139分压，得到基准电压，一路加到U4的9脚与10脚取样电压进行比较，一路通过R140加到U2的11脚做为基准电压，在充电过程中电池电压逐渐升高，当达到跳转点时，该电压经R136、R135、R135a分压，加到U4的10脚，此时10脚电压高于9脚电压，8脚输出高电平经R138、R137分压后，送到U2的12脚，U2检测12脚为高电平后，跳转程序改变U2的7、8、9脚高低电平状态，从而改变压控恒流源压控端电压，转到下一段恒流阶段进行充电，当达到下一电压跳转点时，重复上述动作，完成多段恒流充电。
5.保护电路
1尖峰脉冲吸收
为防止开关管Q1截止瞬间被过高的尖峰脉冲击穿，设置了有C3、R2、D6组成的尖峰脉冲吸收回路。
2开关管过流保护
U1的3脚是电流传感端，在外围电路中，在功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻R101-104，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。
3电池充电异常保护
a.电池断路保护。当电池断路或接触不良时，按下启动键充电，因单片机无法从电池处得到启动电压，从而不启动，起到保护作用。
b.电池异常保护。当电池组容量过低时，启动充电器后，通过R5电流减小，J1线圈电流达不到动作值，继电器不吸合，从而起到保护作用。
Claims (2)
1.一种智能多段恒流充电器，它包括PWM脉宽调制开关电源电路、压控恒流源电路、程序控制电路及外围辅助元件，其特征在于：PWM脉宽调制开关电源电路及外围器件构成了功率变换电路，由运算放大器及外围元件构成了压控恒流源电路，在每个充电阶段进行恒流控制；由程序控制IC及外围器件构成了检测、保护、显示、控制电路，将整个电路连接起来，PWM脉宽调制开关电源电路电池两端电压通过R5、R6限流，D9、D10稳压后，分别加至运算放大器U5的8脚、单片机U2的1脚、运算放大器U3的8脚，U5、U2、U3工作，单片机U2的2脚输出高电平，通过R173加到发光二极管LEDR阳极，显示当前工作状态，热敏电阻RT4、热敏电阻RT5、R170、R171、R172、R173、R174、R175、U5组成了温度传感器比较电路，根据环境温度由U5的1脚、7脚输出或高电平或低电平，该电平分别加到U2的3脚与13脚上，单片机U2主程序对3脚与13脚电平高低变化进行多次采样，与内部预制程序比较，选择当前温度充电程序进行检测、对比后，判断当前工作状态，主程序开始工作，计时，单片机U2的5脚输出低电平，通过R130加到继电器J1驱动电路，使U3运算放大器同相端5脚电压拉低，进而U3的7脚输出为低电平，开关管Q4动作，J1线圈有电流通过，常开触点吸合，市电电压经保险丝FU1，继电器J1触点和负温度系数热敏电阻RT1，送到差模电容C1和互感线圈LF1滤除市电电网高频干扰脉冲后，通过桥式整流堆D1、D2、D3、D4整流，C2滤波，在C2两端建立300V的直流电压，300V直流电压一路经过开关变压器初级绕组加到开关管Q1的D极为其供电，另一路经R109、R110、R111、R112对脉宽调制器U1的7脚外接电容C4进行充电。
2.根据权利要求1所述的一种智能多段恒流充电器，其特征在于：充电器的充电、显示控制部分，主要由核心控制芯片及运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U5和外围分压、比较、采样电路构成，当用户按下启动键后，单片机U2、运算放大器U3、U5工作，U2的2脚输出高电平，点亮LEDR发光二极管，同时，U5内部2个运算放大器同相、反相输入端外接分压电阻及热敏电阻对5V电压进行分压，通过环境温度变化，U5的1脚、7脚输出相应高低电平，送到单片机U2的3脚、13脚进行检测，确定当前温度范围，选择程序进行充电；U2的5脚输出低电平，通过继电器J1驱动电路、开关管Q4使J1吸合；U2的10脚输出高电平，通过风扇驱动电路、开关管Q2推动风扇工作；U2的7脚、8脚、9脚输出高电平，通过R156、R156a、R157、R157a、R155、R155a与R154、R154a分压后，加至压控恒流源电路电控始能端,整机开始按程序恒流充电；U2的11、12脚分别为程序跳转基准电压源端及反馈端，11脚由5V经R141、R139分压，得到基准电压，一路加到U4的9脚与10脚取样电压进行比较，一路通过R140加到U2的11脚做为基准电压，在充电过程中电池电压逐渐升高，当达到跳转点时，该电压经R136、R135、R135a分压，加到U4的10脚，此时10脚电压高于9脚电压，8脚输出高电平经R138、R137分压后，送到U2的12脚，U2检测12脚为高电平后，跳转程序改变U2的7、8、9脚高低电平状态，从而改变压控恒流源压控端电压，转到下一段恒流阶段进行充电，当达到下一电压跳转点时，重复上述动作，完成多段恒流充电。
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