CN102709975B - 基于igbt应用的高频正负脉冲充放电电源设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于IGBT应用的高频正负脉冲充放电电源设备，它包括用于将电网交流电转换为与各电路硬件相适应的直流工作电压的电源转换单元、用于接收指令输出充电脉冲信号和放电脉冲信号的脉冲信号产生单元、主要由四个IGBT开关管加外围电子元器件组成的IGBT功率单元、输出负载单元，所述的IGBT功率单元在充电或放电脉冲信号输入下，输出高频脉冲电流，实现蓄电池充放电。本发明基于IGBT的开关速度快的特性，实现高频脉冲电流的输出，从而使得蓄电池的化成效率较高，缩短其生产周期，经验证，化成时间可缩短一半以上，生产的电池具有良好的初期容量和较高的循环寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于蓄电池化成工艺中的充放电电源设备。
背景技术
蓄电池是能反复充电、放电的电池，它通常用填满海绵状铅的铅板作为负极，填满二氧化铅的铅板作为正极，并用稀硫酸作电解质。在充电时，通常是将外部直流电源连在蓄电池上进行充电，使电能转化成化学能存储起来；放电时电能从电池中释放出来。蓄电池具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、供电方便、安全可靠等优点。
随着国家环保要求的日益严格，蓄电池生产厂家已经从最初的外化成（槽化成）改为内化成，采用的化成方法一般为分阶段恒流充放电的方式，化成时间一般较长，一般为100-150小时，因化成时间占到蓄电池总的生产时候很大比例，故大大增加了生产成本。目前能实现正负脉冲输出的设备均采用可控硅控制，发明号为200810062026公开一种利用可控硅器件的脉冲电源，可以实现正负脉冲输出，但是可控硅属于慢速器件，一般频率不超过2500HZ，无法实现1KHZ以上的脉冲输出。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种频率较高且可调节的正负脉冲输出的充放电电源设备。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于IGBT应用的高频正负脉冲充放电电源设备，它包括
电源转换单元，所述的电源转换单元主要由一具有初级线圈和多个次级线圈的变压器、与多个次级线圈相连接的多个稳压管组成，所述的变压器初级线圈与交流电网相连接，所述的电源转换单元用于将电网交流电转换为与各电路硬件相适应的直流工作电压；
脉冲信号产生单元，所述的脉冲信号产生单元主要由单片机实现，其用于接收指令输出充电脉冲信号和放电脉冲信号；
IGBT功率单元，其主要由四个IGBT开关管加外围电子元器件组成，其中，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极分别通过一电阻与充电脉冲信号输出端相连接，第一开关管的源极与第二开关管的源极相连接，第一开关管的发射极与第二开关管的发射极分别与一电感相接；第三开关管的栅极和第四开关管的栅极分别通过一电阻与放电脉冲信号输出端相连接，第三开关管的源极与第四开关管的源极分别与第一开关管和第二开关管发射极上的电感连接后再相接形成中间节点，第三开关管的发射极与第四开关管的发射极接地M2；
输出负载单元，其包括与所述中间节点相连接的续流电感、正极与续流电感相串联连接的蓄电池，所述的蓄电池负极接地；
所述的IGBT功率单元在充电脉冲信号输入下，启动第一开关管和第二开关管，输出高频脉冲电流，通过续流电感实现对蓄电池的持续充电；所述的IGBT功率单元在放电脉冲信号输入下，启动第三开关管和第四开关管，输出高频脉冲电流，形成放电回路，实现蓄电池放电。
根据上述技术方案，所采用的进一步优化和变换的方式为：
1.在所述的脉冲信号产生单元与IGBT功率单元之间还设置有两路信号隔离单元和信号放大单元，所述的充电脉冲信号和放电脉冲信号分别通过相应的信号隔离单元及信号放大单元后输入至IGBT功率单元中。
在所述各开关管的发射极与相应信号放大单元之间还设置有用于保护信号放大单元硬件的保护电路。
其还包括设置在IGBT功率单元输出端与脉冲信号产生单元之间用于采集输出电流并反馈至脉冲信号产生单元以进行输出电流调节的反馈单元。
进一步地，所述的反馈单元包括串联在续流电感与蓄电池之间的采样电阻，两输入端与采样电阻的高低电压端相连接的比较器，所述的比较器输出端与脉冲信号产生单元相电连接。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明采用单片机产生充电和放电脉冲调制信号，信号输入至IGBT开光管中，控制IGBT开关，基于IGBT的开关速度快的特性，实现高频脉冲电流的输出，从而使得蓄电池的化成效率较高，缩短其生产周期，经验证，化成时间可缩短一半以上，生产的电池具有良好的初期容量和较高的循环寿命。同时，由于采用单片机控制，整个工艺过程是全数字控制，保证了生产的安全可靠性。
附图说明
附图1为本发明充放电电源设备结构原理图；
附图2为附图1中电源转换单元电路图；
附图3为附图1中脉冲信号产生单元电路图；
附图4为附图1中信号隔离单元、信号放大单元、IGBT功率单元以及输出负载单元连接电路图；
附图5为附图1中反馈单元电路图；
其中：1、电源转换单元；2、脉冲信号产生单元；3、信号隔离单元；4、信号放大单元；5、IGBT功率单元；6、输出负载单元；7、反馈单元。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明：
本实施例充放电电源设备，如图1所示，主要由电源转换单元1、脉冲信号产生单元2、信号隔离单元3、信号放大单元4、IGBT功率单元5、输出负载单元6以及反馈单元7组成。电源转换单元1的输出端与其他多个电路单元相电连接，用于为各电路单元提供相应的工作电压。脉冲信号产生单元2、信号隔离单元3、信号放大单元4、IGBT功率单元5、输出负载单元6输出端相依次连接，反馈单元7连接在IGBT功率单元5输出端与脉冲信号产生单元2输入端之间。下面将结合优选电路对各功能电路进行介绍：
图2所示的为电源转换单元1的电路图，其主要由一具有初级线圈和多个次级线圈的变压器J1、与多个次级线圈相连接的多个稳压管VQ组成，变压器J1初级线圈输入端AC1/AC2与交流电网相连接，本实施例中，次级线圈为4个，根据不同硬件工作电压的需要，选择次级线圈数，从而经过相应的稳压、整流后输出直流电压，如5V、12V等。本实施例中，电压输出脚P12用于提供给脉冲信号产生单元的单片机使用；电压输出脚P1用于提供至信号放大器等。
图3所示的为脉冲信号产生单元2的电路示意图，其主要由单片机实现，单片机接收外部指令（如人机界面或控制面板，图中未显示），根据输入的工作模式自行运算输出所需要的PWM驱动脉冲，在此输出两路脉冲信号：充电脉冲信号CH和放电脉冲信号FH。本实施例中，单片机选择9S08MP16型号实现。
图4分别给出了信号隔离单元3、信号放大单元4、IGBT功率单元5、输出负载单元6的连接图。其中，信号隔离单元3、信号放大单元4及IGBT功率单元5分为两路，对应充电脉冲信号CH和放电脉冲信号FH。每个信号隔离单元3主要由光耦合器U3、U4加外围电路组成，信号放大单元4由放大器U5、U6加外围电路组成，本实施例中，放大器U5、U6采用3842芯片实现。从脉冲信号单元2输出的充电脉冲信号CH或放电脉冲信号FH经过相应的信号隔离后进入信号放大单元，经放大后的脉冲信号在输入至IGBT功率单元5中。
功率单元5主要由四个IGBT开关管加外围电路组成，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）开关管具有驱动功率小、开关速度快、饱和压降低等优点，能够输出10kHz以上的高频。具体地，第一开关管Q1的栅极和第二开关管的Q2栅极分别通过电阻R39、R42与充电脉冲信号CH所在一路的信号放大单元的输出引脚相连接，第一开关管Q1的源极与第二开关管Q2的源极相连接，第一开关管Q1的发射极与第二开关管Q2的发射极分别与电感L1、L2相接；第三开关管Q2的栅极和第四开关管Q4的栅极分别通过电阻R51、R54与放电脉冲信号FH所在一路的信号放大单元的输出引脚相连接，第三开关管Q3的源极与第四开关管Q4的源极分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2发射极上的电感L1、L2连接后再相接形成中间节点，第三开关管的发射极Q3与第四开关管Q4的发射极接地M2。
在各开关管发射极与信号放大单元之间还设置有用于保护放大芯片的硬件保护电路，具体地，在第一开关管Q1的发射极和第二开关管Q2的发射极分别连接一电阻R41、R44后再与电阻R38串联接入3824芯片的第3输入脚；在第三开关管Q3的发射极和第四开关管Q4的发射极分别连接一电阻R53、R56后再与电阻R50串联接入放电一路中3824芯片的第3输入脚。
输出负载单元由相串联的续流电感L和蓄电池XU相连接，续流电感L的另一端与IGBT功率单元的中间节点相连接，蓄电池XU的负极接地M2。蓄电池XU可由多节电池串联而成。
为了保证输出电流的稳定性，本实施例还设置有反馈单元7，反馈单元7的电路如图5所示，其包括串联在续流电感L与蓄电池XU之间的采样电阻R29，两输入端与采样电阻的高低电压端FL+、FL-相连接的比较器U1A，本实施例中，比较器U1A采用LM324芯片，比较器U1A输出端与脉冲信号产生单元相电连接，输出I-CHG信号至单片机。
上述对本发明电源设备结构组成及具体电路进行了说明，下面将对其工作过程进行介绍：
当需要对蓄电池进行充电时，通过控制面板向单片机输入充电控制指令，单片机运算输出所需要的充电驱动脉冲信号CH，该脉冲信号通过信号隔离单元，隔离后端的高压；经隔离后的充电脉冲信号进入信号放大单元，信号经放大后使得足够供应给IGBT功率单元使用，在充电脉冲电流的输入下，第一开关管Q1和第二开关管Q2启动工作，实现高频脉冲电流的输出，且第一开关管Q1、第二开关管Q2、蓄电电感L以及蓄电池XU之间形成充电通路，实现对蓄电池的充电。
当需要对蓄电池进行放电时，通过控制面板向单片机输入放电控制指令，单片机运算输出所需要的放电驱动脉冲信号FH，该脉冲信号通过信号隔离单元，隔离后端的高压；经隔离后的放电脉冲信号进入信号放大单元，信号经放大后使得足够供应给IGBT功率单元使用，在放电脉冲电流的输入下，第三开关管Q3和第四开关管Q4启动工作，实现高频脉冲电流的输出，此时，且续流电感L以及蓄电池XU与地之间为短路，从而形成放电电路，实现对蓄电池的放电。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于IGBT应用的高频正负脉冲充放电电源设备，其特征在于：它包括
电源转换单元，所述的电源转换单元主要由一具有初级线圈和多个次级线圈的变压器、与多个次级线圈相连接的多个稳压管组成，所述的变压器初级线圈与交流电网相连接，所述的电源转换单元用于将电网交流电转换为与各电路硬件相适应的直流工作电压；
脉冲信号产生单元，所述的脉冲信号产生单元主要由单片机实现，其用于接收指令输出充电脉冲信号和放电脉冲信号；
IGBT功率单元，其主要由四个IGBT开关管加外围电子元器件组成，其中，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极分别通过一电阻与充电脉冲信号输出端相连接，第一开关管的源极与第二开关管的源极相连接，第一开关管的发射极与第二开关管的发射极分别与一电感相接；第三开关管的栅极和第四开关管的栅极分别通过一电阻与放电脉冲信号输出端相连接，第三开关管的源极与第四开关管的源极分别与第一开关管和第二开关管发射极上的电感连接后再相接形成中间节点，第三开关管的发射极与第四开关管的发射极接地；
输出负载单元，其包括与所述中间节点相连接的续流电感、正极与续流电感相串联连接的蓄电池，所述的蓄电池负极接地；
所述的IGBT功率单元在充电脉冲信号输入下，启动第一开关管和第二开关管，输出高频脉冲电流，通过续流电感实现对蓄电池的持续充电；所述的IGBT功率单元在放电脉冲信号输入下，启动第三开关管和第四开关管，输出高频脉冲电流，形成放电回路，实现蓄电池放电。
2.根据权利要求1所述的基于IGBT应用的高频正负脉冲充放电电源设备，其特征在于：在所述的脉冲信号产生单元与IGBT功率单元之间还设置有两路信号隔离单元和信号放大单元，所述的充电脉冲信号和放电脉冲信号分别通过相应的信号隔离单元及信号放大单元后输入至IGBT功率单元中。
3.根据权利要求2所述的基于IGBT应用的高频正负脉冲充放电电源设备，其特征在于：在所述各开关管的发射极与相应信号放大单元之间还设置有用于保护信号放大单元硬件的保护电路。
4.根据权利要求1-3中的任一所述的基于IGBT应用的高频正负脉冲充放电电源设备，其特征在于：其还包括设置在IGBT功率单元输出端与脉冲信号产生单元之间用于采集输出电流并反馈至脉冲信号产生单元以进行输出电流调节的反馈单元。
5.根据权利要求4所述的基于IGBT应用的高频正负脉冲充放电电源设备，其特征在于：所述的反馈单元包括串联在续流电感与蓄电池之间的采样电阻，两输入端与采样电阻的高低电压端相连接的比较器，所述的比较器输出端与脉冲信号产生单元相电连接。
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