智能铅酸电池充电器
技术领域
本发明涉及一种电池充电器,具体地说是一种铅酸电池充电器。
背景技术
铅酸电池是目前广泛使用的一种化学电源(尤其在交通工具中),该产品具有良好的可逆性,电压特性平稳,使用寿命长,适用范围广,原材料丰富(且可再生使用)及造价低廉等优点(唐元春,基于单片机控制的铅酸电池充电器,电源世界,2008,04:46-48)。
如果使用不当电池寿命将大大降低。研究表明,电池充电过程对电池寿命影响最大,放电过程的影响较小,而采用正确的充电方式能有效延长电池的使用寿命。也就是说,绝大多数电池不是用坏的,而是“充坏”的。
目前,大部分充电器的充电方式单一,没有实现优化的充电,充电器充电时间长,充电效率低(章义国;周正军,一种新型铅酸电池充电器的设计,机电工程技术,2010,39(9):106-109)。另外,现有充电器容易造成电池过充电,使电池发热量大,从而造成电池极化,影响电池寿命。电池是具有记忆性的,不能单纯通过端电压来判断电池的容量,最好的办法是通过电池充电过程中充入的电荷量来判断电池的容量,因此电池容量显示非常重要。电池充入的电荷量是电流在时间上的积累,目前某些充电器产品单靠计时来估计电量是不合理了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种充电效率高、有利于延长电池的使用寿命的智能铅酸电池充电器。
本发明的目的是这样实现的:
包括充电主电路、控制电路和驱动电路;
所述充电主电路由整流滤波电路、软开关式半桥电路、高频变压器和二次整流滤波电路组成;整流滤波电路包括由第一至第四二极管D1-D4、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2连接组成,交流电压由第一输入端(1)和第二输入端(2)接入,220V的交流电通过整流滤波电路变为高压直流电;半桥电路由第一主功率开关管Q1、第二主功率开关管Q 2、第三电容C3、第四电容C4、第五二极管D 5、第六二极管D6、隔直电容Cb和第一电感Lr连接组成,其中第三电容C3、第五二极管D5构成第一主功率开关管的缓冲电路,第四电容C4、第六二极管D6构成第二主功率开关管的缓冲电路,电容Cb和第一电感Lr在开关过程中进行能量交换为两个主功率开关管的开通和关断提供开关条件;半桥电路将高压直流电变为脉冲宽度可调节的高频交流电,高频交流电再经过高频变压器的变压和隔离作用变为低压的交流电;二次整流滤波电路由第七二极管D7、第八二极管D8、第二电感Lo和第五电容C5连接组成,低压交流电再经过二次整流滤波电路后变为平滑的直流电;第一继电器J1连接到第五电容C5的正极和待充电电池的正极之间,第五电容的负极通过采样电阻Rf接待充电电池的负极,第一继电器J1在故障时断开电池和充电器;
所述控制电路的微处理器U1采用TMS320F28026芯片,TMS320F28026芯片通过引脚37和引脚5输出2路脉冲宽度调制信号PWM1和PWM2,2路脉冲宽度调制信号经过驱动电路后分别作用到半桥电路的第一和第二主功率开关管Q1和Q2上。
本发明还可以包括:
1、控制电路中包含电流采样电路和电压采样电路;所述电流采样电路由第一运算放大器U3A、第二十电阻R20、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、可变电阻R21和第二3V稳压管Z2组成,第二十四电阻R24的输出端口4连接到采样电阻Rf与待充电电池的负极之间,第二十二电阻R22的输出端口3是控制电路3.3V电源的参考地、连接到采样电阻Rf,运算放大器U3A组成同相比例运算电路,通过调节可变电阻R21调节运算电路的放大倍数,第二十三电阻R23和第二3V稳压管Z2限制运算放大器的输出电压;所述电压采样电路由第二运算放大器U3B,第十七至第十九电阻R17-R19和第一3V稳压管Z1组成,第二运算放大器U3B组成同相跟随电路,第十八电阻R18和第十九电阻R19组成分压器电路,第十七电阻R17和第一3V稳压管Z1限制运算放大器的输出电压,第十八电阻R18的第五端口5连接到第一继电器J1与待充电电池的正极之间,通过第五端口5测量输出电压值。
2、控制电路中包含显示电路,液晶显示器接口J2的引脚2接3.3V电源、引脚1接参考地、引脚3接可变电阻第十一电阻R11的滑动端,通过调节可变电阻滑动端的电压改变液晶显示器的对比度,液晶显示器的数据通过SPI总行输入,液晶显示器接口J2的引脚4与U1的27引脚相连是SPI总线的使能信号,J2的5引脚和6引脚分别与TMS320F28026芯片的35引脚和32引脚相连。
3、控制电路中包含充电参数调节电路,第一至第六按键S1-S6的一端接参考地、另一端各接一只上拉电阻再与TMS320F28026芯片的6个通用数字输入输出引脚即引脚13、引脚6、引脚7、引脚8、引脚9和引脚10相连接,上拉电阻的另一端接3.3V电源。
4、控制电路中包含时钟电路Y1,选择工作频率为10M的有源晶振作为微处理器的时钟源,时钟电路Y1的引脚1为空脚,引脚2接参考地,引脚4为电源输入端接3.3V电源,引脚3脉冲输出端接TMS320F28026芯片的时钟输入引脚33。
5、控制电路中包含LED显示电路,LED显示电路由第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一发光二极管LED1、第二发光二极管LED2组成,第一发光二极管LED1和第二发光二极管LED2的阳极分别接第十五电阻R15和第十六电阻R16,第一发光二极管LED1和第二发光二极管LED2的阴极分别接TMS320F28026芯片的引脚15和引脚28,第十五电阻R15和第十六电阻R16的另一端接3.3V电源。
6、控制电路中包含继电器驱动电路,继电器驱动电路由第十二电阻R12、第十三电阻R13、第一三极管T1和光电耦合器U4组成,光电耦合器U4为PC817,PC817的引脚2接TMS320F28026芯片的引脚14,PC817的引脚1接上拉电阻第十二电阻R12后接3.3V电源,PC817的引脚3接第一三极管T1的基极,PC817的引脚4通过第十三电阻R13接12V电源,所述12V电源与所述3.3V电源是相互电隔离的电源,当TMS320F28026芯片的14引脚输出为低电平时,光电耦合器内部二极管导通并通过光电作用使得内部的三极管导通,12V电源通过第十三电阻R13再经过光电耦合器内部的三极管使得第一三极管T1导通,第一三极管T1导通使得第一继电器J1的线圈得电,触点闭合,接通待充电电池。
7、所述驱动电路电路由半桥驱动芯片IR2110U41、第一光电耦合器U42、第一光电耦合器U43、第四十四至第四十六电阻R41-R46、第四十一至四十三电容C41-C43和第四十一二极管D41组成,TMS320F28026芯片的2路脉冲宽度调制信号PWM1和PWM2分别与第一光电耦合器U42和第二光电耦合器U43的引脚2相连,第四十一电阻R41接在3.3V电源和第一光电耦合器U42的引脚1之间,第四十四电阻R44接在3.3V电源和第二光电耦合器U43的引脚1之间,第四十二电阻R42和第四十五电阻R45的一端接12V电源、另一端分别接第一光电耦合器U42和第二光电耦合器U43的4引脚,第四十三电阻R43和第四十六电阻R46的一端接12V电源参考地GND12、另一端分别接第一光电耦合器U42和第二光电耦合器U43的3引脚,半桥驱动芯片IR2110 U41的引脚11、引脚13和引脚2接12V电源参考地GND12,半桥驱动芯片IR2110 U41引脚3和9接12V电源第四十一电容C41正极接在半桥驱动芯片IR2110 U41的引脚9、负极接在半桥驱动芯片IR2110 U41的引脚13,第四十二电容C42正极接在半桥驱动芯片IR2110 U41的引脚6、负极接在半桥驱动芯片IR2110 U41的引脚5,第四十三电容C43正极接在半桥驱动芯片IR2110 U41的引脚3、负极接在半桥驱动芯片IR2110U41的引脚2,第四十一二极管D41的阳极接半桥驱动芯片IR2110 U41的引脚1、阴极接半桥驱动芯片IR2110 U41的引脚6,半桥驱动芯片IR2110 U41的引出端接半桥电路的第一和第二主功率开关管Q1和Q2上。
本发明的优点主要有:
a、主电路采用软开关式半桥变换器,结构简单,整机效率可以达到85%。
b、通过微处理器对铅酸蓄电池进行三段式最优充电,能有效延长蓄电池的使用寿命。
c、充电容量、充电电流和电池电压能通过液晶(LCD)显示,该数值可指导使用者了解蓄电池的情况,合理使用蓄电池。
d、整个充电过程中对输出电压和电流进行监控,出现异常时切断电池,并进行报警。
附图说明
图1、主电路的原理图;
图2、控制电路的原理图;
图3、三阶段最优充电曲线图;
图4、驱动电路图。
具体实施方式
下面结合图对本发明作进一步的阐述。
本发明主要包括包括充电主电路、控制电路和驱动电路。
结合图1。充电主电路由整流滤波电路、软开关式半桥电路,高频变压器,二次整流滤波电路组成。整流滤波电路包括由4只二极管D1-D4、2只电容C1-C2、2只电阻R1-R2组成。交流电压由输入端(1)和输入端(2)接入,220V的交流电通过整流滤波电路变为高压直流电。半桥电路由2只主功率开关管Q1-Q2、2只电容C3-C4、2只二极管D5-D6、隔直电容Cb和电感Lr组成。其中C3、C4、D5和D6是开关管的缓冲电路。电容Cb和电感Lr在开关过程中进行能量交换,为开关管的开通和关断提供良好的开关条件。半桥电路将高压直流电变为脉冲宽度可调节的高频交流电,高频交流电再经过高频变压器的变压和隔离作用变为低压的交流电。二次整流滤波电路由2只二极管D7-D8、电感Lo和电容C5组成,低压交流电再经过二次整流滤波电路后变为平滑的直流电。继电器J1连接到电容C5的正极和待充电电池的正极之间。电容的负极通过采样电阻Rf接待充电电池的负极。J1的功能是在故障时断开电池和充电器。
结合图2。控制电路中包括了液晶显示电路、按键电路、时钟电路、LED显示电路和继电器驱动电路。
图2中J2为液晶显示器接口中,2引脚接3.3V电源,1引脚接参考地,3引脚接可变电阻的滑动端,通过调节可变电阻滑动端的电压可以改变液晶显示器的对比度。液晶显示器的数据是通过(SPI)总行输入的,J2的4引脚与U1的27引脚相连是SPI总线的使能信号,J2的5引脚和6引脚分别与U1的35引脚和32引脚相连,它们是SPI总线的数据和时钟信号。
图2中6只按键S1-S6的一端接参考地,另一端各接一只上拉电阻再与微处理器U1的6个通用数字输入输出引脚(引脚13、引脚6、引脚7、引脚8、引脚9、引脚10)相连接,上拉电阻的另一端接3.3V电源。通过按键可以对充电器的充电参数进行调节。
图2中Y1为时钟电路,选择工作频率为10M的有源晶振作为微处理器的时钟源。Y1的引脚1为空脚,引脚2接参考地,引脚4为电源输入端接3.3V电源,引脚3脉冲输出端接U1的时钟输入引脚33。
电阻R15、电阻R16和发光二极管LED1、LED2组成LED显示电路。LED1和LED2的阳极分别接电阻R15和R16,LED1和LED2的阴极分别接微处理器U1的引脚15和引脚28,电阻R15和R16的另一端接3.3V电源。当U1的引脚15输出为低电平的时候,LED1发光,否则LED1不发光。同理,LED2是否发光由U1的引脚28控制。
J1为输出端继电器,它与图1中的J1是同一个元件,在最大输出电流为10A时可选用欣大公司型号为HHC66F-15A-1A-12VDC的继电器。J1的引脚2和引脚4之间为主触点。当继电器线圈加入电压时,主触点闭合,接通被充电电池。继电器驱动电路由2只电阻(R12,R13),三极管T1和光电耦合器U4组成。光电耦合器U4的引脚2接U1的引脚14,U4的引脚1接上拉电阻R12后接3.3V电源。U4的3引脚接T1的基极,U4的4引脚通过电阻R13接12V电源,该12V电源与电路中3.3V电源是相互电隔离的电源。当U1的14引脚输出为低电平时,光电耦合器内部二极管导通并通过光电作用使得内部的三极管导通,12V电源通过电阻R13再经过光电耦合器内部的三极管使得T1导通。T1导通使得继电器J1的线圈得电,触点闭合,接通待充电电池。
驱动电路如图4所示,电路由半桥驱动芯片IR2110U41,2只光电耦合器U42U43,6只电阻R41-R46,3只电容C41-C43二极管D41组成。图4中的PWM1和PWM2与分别与图2中的PWM1和PWM2相连接,并且PWM1和PWM2分别与U42和U43的2引脚相连。电阻R41接在3.3V电源和U42的引脚1之间,电阻R44接在3.3V电源和U43的引脚1之间。电阻R42和R45的一端接12V电源(12V电源是与3.3V电源相互隔离的电源),另一端分别接U42和U43的4引脚。电阻R43和R46的一端接12V电源参考地GND12,另一端分别接U42和U43的3引脚。U41的引脚11、引脚13和引脚2接12V电源参考地GND12,引脚3和9接12V电源。电容C41正极接在U41的引脚9,负极接在U41的引脚13。电容C42正极接在U41的引脚6,负极接在U41的引脚5,电容C42的作用是保持一定的电压为主电路(图1)开关管Q1的导通提供能量。电容C43正极接在U41的引脚3,负极接在U41的引脚2。二极管D41的阳极接U41的引脚1,阴极接U41的引脚6,二极管D41的作用是在主电路(图1)中Q2导通时,给电容C42充电。U41的引脚7的引出端Q1G接图1中的Q1G,U41的引脚5的引出端Q1S接图1中的Q1S。U41的引脚1的引出端Q2G接图1中的Q2G,U41的引脚2的引出端Q2S接图1中的Q2S。
当PWM1为低电平时光电耦合器U42内部的二极管导通,并使得U42内部的三极管导通,U42的3引脚为高电平,使得U41的引脚10为高电平,U41的引脚5和引脚7之间输出一个电压,使得主电路(图1)中的功率管Q1导通。同理,当PWM2为低电平时,Q2导通。半桥驱动芯片IR2110U41中的逻辑电路可以在PWM1和PWM2同为低电平时只开通Q1,以防止开关管Q1和Q2同时导通而造成的短路现象。
本发明为了有效的延长电池的使用寿命,应用微处理器实现三阶段的最优充电。该部分的工作原理是:
充电主电路的原理图如图1所示,交流电压由输入端(1)和输入端(2)接入,220V的交流电通过整流滤波电路变为高压直流电。半桥电路中C3、C4、D5和D6是开关管的缓冲电路。电容Cb和电感Lr在开关过程中进行能量交换,为开关管的开通和关断提供良好的开关条件。半桥电路将高压直流电变为脉冲宽度可调节的高频交流电,高频交流电再经过高频变压器的变压和隔离作用变为低压的交流电。低压交流电再经过二次整流滤波电路后变为平滑的直流电。J1的功能是在故障时断开电池和充电器。
本发明通过调节半桥电路中2只主功率开关管Q1-Q2的导通时间来实现对充电器输出量的调节作用。
控制电路如图2所示,微处理器U1选用TI公司的TMS320F28026芯片,它是控制电路的核心器件。微处理器U1通过引脚37和引脚5输出2路脉冲宽度调制(PWM)信号PWM1和PWM2,这2路PWM信号经过驱动电路后分别作用到半桥电路的主功率开关管Q1和Q2上。只要通过给出不同占空比的PWM信号,就能方便的实现对输出电压和电流的控制。由于电池的内阻很小PWM信号的占空比的变化对充电电流的影响很大,因此要求PWM信号必须能进行细微的调节。
为了更好地实现对充电器输出电压、电流的控制,充电器对输出电压、电流实时采样,进行反馈控制。电流采样电路由运算放大器U3A、4个电阻R20、R22、R23、R24、可变电阻R21和3V稳压管Z2组成。图2中输入端(4)与图1中的端口(4)相连,该点电压反应输出电流的大小。图2中端口(3)是控制电路3.3V电源的参考地,它与图1中的端口(3)相连。运算放大器U3A组成同相比例运算电路,通过调节可变电阻R21可调节运算电路的放大倍数。电阻R23和Z2是为了限制运算放大器的输出电压,保护微处理器内部的模数转换器。电压采样电路由运算放大器U3B,3个电阻R17-R19和3V稳压管Z1组成。运算放大器U3B组成同相跟随电路,R18和R19组成分压器电路。电阻R17和Z1也是为了限制运算放大器的输出电压。图2中的端口(5)与图1中的输出端(5)相连,通过该端口测量输出电压值。
输出量的调节过程在微处理器内部实现,控制算法采用数字式比例-积分(PI)控制。
三阶段最优充电法是两阶段恒定电流充电法和恒定等压充电法相结合的方式,三阶段充电是在开始和结束段采用恒电流充电,在中间段采用恒电压充电,三阶段最优充电曲线图如图3所示。当电池电压达到设定值时由第一阶段的恒流充电转为第二阶段的恒电压充电,此时充电电流继续减少。当充电电流减小到一定值时再改为恒电流充电。这种方法可以使得电池的出气量减小到最小,可最大限度的延长使用寿命。
本发明为了准确的显示充电电量,采用微处理器对输出电流实时采样,然后计算出示充电电量并显示。
该部分的工作原理是:充电电量是充电电流在时间上的积累,单位为安时。充电器应用采样电阻(图1中Rf)将输出电流信号变为电压信号,再经过放大后变成微处理器可采集的电压范围。微处理器实时对输出电流进行采样,经过计算后就能精确的计算出充电的电量并在液晶显示器(LCD)上显示。
本发明为了解决充电过程的安全问题,设计了充电器输出异常和电池异常的保护电路。
该部分的工作原理是:充电器实时监测输出电压,当输出电压出现异常时将提出报警,并通过输出端的继电器J1将电池与充电器输出端断开。在整个充电过程中,充电器都对输出电流进行控制,输出电流始终不会超过所设定的上限值。