CN102832683A - 一种快速充电电源 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种快速充电电源。包括有AC/DC模块、DC/DC模块、充电选择模块、放电模块、数字PWM控制器，AC/DC模块的输入端与工频交流电源连接，AC/DC模块的输出端与DC/DC模块的输入端连接，DC/DC模块的输出端通过充电选择模块与电池相连接构成充电回路；且电池通过放电模块与DC/DC模块的输入端连接构成能量回馈回路；电池的电压信号与输入至数字PWM控制器的输入端，数字PWM控制器的输出端分别与DC/DC模块、充电选择模块及放电模块连接，电池控制DC/DC模块、充电选择模块及放电模块协同运行。本发明的快速充电电源实现了对电池的快速充电，并保证在放电过程中电池释放的能量得到高效回收。
Description
技术领域
本发明是一种快速充电电源，属于快速充电电源的创新技术。
背景技术
蓄电池使用前及放电完毕后均需要充电，蓄电池充电通常采用恒流充电或恒压充电的方法。在充电过程中，电池电压较低时，充电电流保持恒定，蓄电池电压逐渐升高，前期升高得比较快，但充电后期，则由于电池的电流接受率明显下降，一般采取恒压充电的方法，使充电电压恒定，电流逐渐减小，此时充电速率明显变慢。
上述充电方法在充电过程中，均会出现以下问题，以致电池寿命缩短：
1）电阻极化：充电电流流过蓄电池内阻，产生一定的压降，因此在充电过程中电池电压升高，电池内阻也发生变化，故也会引起电池端电压的变化，这种现象称为电阻极化。当充电电流流过极化电阻时，便产生了热量，使电池温度升高。
2）浓差极化现象：蓄电池充电过程中，内部离子电迁移运动速度远小于化学反应的速度，因此引起电池极板与极板附近的离子浓度远大于远离极板的离子浓度，这样必然引起电解液极化；这种极化引起了电极电位的变化，称为浓差极化，充电电流越大，浓差极化越严重，也严重影响电池的寿命。
3)电化学极化现象：充电过程中，电源不断从电池的正极板得到电子传输到负极板，正负极板与电解液发生电化学反应，但反应速度远小于电子运动速度，因此正负极板上形成电荷积累，则正负极板形成一个电容器，该电容器积累电荷越多，电压越高，蓄电池的端电压也就越高。
这三种极化电压都会对充电过程产生很不利的影响，使得充电需要更多的能量和时间。为解决上述的问题，使电池充电既省时，又节能，并确保电池寿命不受影响，各种快速充电电源不断被提出来，如中国专利申请号为00131102.6中公开了一种脉冲快速充电机；中国专利申请号为 200610051271.5中公开了一种智能快速充电机，这种充电机充电速度快，也保证了电池的温升小、析气量少及电池的寿命不受影响; 中国专利 申请号为201010132294.5中公开了一种节能型快速充电装置以及方法。上述方法各有特点，总的来说，快速充电的方法大多在充电过程中给电池进行短时间放电，使电池去极化，只是不同的专利提供的实现方法不同。但是，现有大多快速充电方法都未能实现电池放电时的能量回收。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种不仅能确保电池的快速充电，并保证在放电过程中电池释放的能量得到高效回收的快速充电电源。本发明设计合理，方便实用。
本发明的技术方案是：本发明的快速充电电源，包括有AC/DC模块、DC/DC模块、充电选择模块、放电模块、数字PWM控制器，AC/DC模块的输入端与工频交流电源连接，AC/DC模块的输出端与DC/DC模块的输入端连接， DC/DC模块的输出端通过充电选择模块与电池相连接构成充电回路；且电池通过放电模块与DC/DC模块的输入端连接构成能量回馈回路；电池的电压信号与输入至数字PWM控制器的输入端，数字PWM控制器的输出端分别与DC/DC模块、充电选择模块及放电模块连接，电池控制DC/DC模块、充电选择模块及放电模块协同运行。
上述DC/DC模块包括有电容C1、C2及DC/DC变换电路，充电选择模块包括有开关管Q1、磁性元件T1的初级励磁电感及电容C3，放电模块包括有开关管Q1、Q2、二极管D1、磁性元件T1及电容C3，其中电容C1为DC/DC模块的输入端的储能电容，电容C1连接AC/DC模块及DC/DC变换电路；电容C2为DC/DC模块的输出端的储能电容，电容C2的正极与DC/DC变换电路连接及与开关管Q1连接，电容C2的负极与电池的负极相连接；开关管Q1的漏极与电容C2的正极连接，开关管Q1的源极与磁性元件T1的初级励磁电感的同名端连接，磁性元件T1的初级励磁电感的异名端与电容C3的正极连接，且电容C3的正极与电池的正极连接，电容C3的负极与电池的负极连接；开关管Q2的漏极与开关管Q1的源极连接及与磁性元件T1的初级励磁电感的同名端连接，开关管Q2的源极与电池的负极连接，磁性元件T1的初级励磁电感的异名端与电容C3连接及与电池的正极连接，数字PWM控制器分别与开关管Q1开关管Q2的栅极连接。
上述数字PWM控制器包括有ADC转换器、充放电参数管理器、恒压充电PID调节器、恒流充电PID调节器、恒流放电PID调节器及充放电控制PWM发生器；其中ADC转换器的信号输入端与DC/DC模块的信号输出端连接，ADC转换器的信号输出端分别与恒压充电PID调节器的信号输入端连接、与恒流充电PID调节器的信号输入端连接及与恒流放电PID调节器的信号输入端连接，预设有充放电参数的充放电参数管理器分别与恒压充电PID调节器的信号输入端连接、与恒流充电PID调节器的信号输入端连接及与恒流放电PID调节器的信号输入端连接，恒压充电PID调节器、恒流充电PID调节器及恒流放电PID调节器的信号输出端均与充放电控制PWM发生器的信号输入端连接，充放电控制PWM发生器的信号输出端分别与DC/DC模块、充电选择模块及放电模块连接。
上述充电选择模块与放电模块共用开关管Q1及磁性元件T1。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1）本发明相比于传统的充电电源而言，增加的器件很少，所以成本增加相对少；
2）本发明相比于其他快速充电电源，将电池放电的能量高效地转移到电源的直流变换模块输入端，实现电池放电能量回收，无需要另外增加储能装置，另外，放电模块采用软开关变换器，更突出其节能的特点；
3）对本发明的直流变换模块、充电选择模块与放电模块的控制极简单，各模块只需要按照电池快速充电要求进行切换工作即可。
本发明是一种不仅能实现电池的快速充电，并保证在放电过程中电池释放的能量得到高效回收的方便实用的快速充电电源。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的充电选择模块、放电模块的电路原理图；
图3是本发明数字PWM控制器的原理框图；
具体实施方式
实施例
本发明的原理框图如图1所示，本发明的快速充电电源，包括有AC/DC模块1、DC/DC模块2、充电选择模块3、放电模块4、数字PWM控制器5，AC/DC模块1的输入端与工频交流电源连接，AC/DC模块1的输出端与DC/DC模块2的输入端连接， DC/DC模块2的输出端通过充电选择模块3与电池6相连接构成充电回路；且电池6通过放电模块4与DC/DC模块2的输入端连接构成能量回馈回路；电池6的电压信号与输入至数字PWM控制器5的输入端，数字PWM控制器5的输出端分别与DC/DC模块2、充电选择模块3及放电模块4连接，电池控制DC/DC模块2、充电选择模块3及放电模块4协同运行。
上述DC/DC模块2包括有电容C1、C2及DC/DC变换电路201，充电选择模块3包括有开关管Q1、磁性元件T1的初级励磁电感及电容C3，放电模块4包括有开关管Q1、Q2、二极管D1、磁性元件T1及电容C3，其中电容C1为DC/DC模块2的输入端的储能电容，电容C1连接AC/DC模块1及DC/DC变换电路201；电容C2为DC/DC模块2的输出端的储能电容，电容C2的正极与DC/DC变换电路201连接及与开关管Q1连接，电容C2的负极与电池的负极相连接；开关管Q1的漏极与电容C2的正极连接，开关管Q1的源极与磁性元件T1的初级励磁电感的同名端连接，磁性元件T1的初级励磁电感的异名端与电容C3的正极连接，且电容C3的正极与电池的正极连接，电容C3的负极与电池的负极连接；开关管Q2的漏极与开关管Q1的源极连接及与磁性元件T1的初级励磁电感的同名端连接，开关管Q2的源极与电池的负极连接，磁性元件T1的初级励磁电感的异名端与电容C3连接及与电池的正极连接，数字PWM控制器5分别与开关管Q1开关管Q2的栅极连接。本实施例中，上述充电选择模块3与放电模块4共用开关管Q1及磁性元件T1。
上述数字PWM控制器5的原理图如图3所示，上述数字PWM控制器5包括有ADC转换器501、充放电参数管理器502、恒压充电PID调节器503、恒流充电PID调节器504、恒流放电PID调节器505及充放电控制PWM发生器506；其中ADC转换器501的信号输入端与DC/DC模块2的信号输出端连接，ADC转换器501的信号输出端分别与恒压充电PID调节器503的信号输入端连接、与恒流充电PID调节器504的信号输入端连接及与恒流放电PID调节器505的信号输入端连接，预设有充放电参数的充放电参数管理器502分别与恒压充电PID调节器503的信号输入端连接、与恒流充电PID调节器504的信号输入端连接及与恒流放电PID调节器505的信号输入端连接，恒压充电PID调节器503、恒流充电PID调节器504及恒流放电PID调节器505的信号输出端均与充放电控制PWM发生器506的信号输入端连接，充放电控制PWM发生器506的信号输出端分别与DC/DC模块2、充电选择模块3及放电模块4连接。
上述ADC转换器501对电池的电压、电流、DC/DC模块2的电压、电流信号进行转换后分别得到电池电压Ubatt、充电实时电流Icbatt及放电实时电流Idbatt；充放电参数管理器502根据用户设定的参数分别送出给定电压Uref、给定充电电流Icref及给定放电电流Idref；电池电压Ubatt及给定电压Uref经恒压充电PID调节器503，得到恒压充电时的控制量；充电实时电流Icbatt及给定充电电流Icref经恒流充电PID调节器504，得到恒流充电时的控制量；放电实时电流Idbatt及给定放电电流Idref经恒流放电PID调节器505，得到恒流放电控制量；上述控制量，经充放电控制PWM发生器506后，分别生成Q1、Q2与DC/DC模块的控制信号，充放电控制PWM发生器506还根据DC/DC模块输入、输出电容的电压Uin、Uoc来产生Q1、Q2及DC/DC模块的控制信号，当电压Uin、Uoc出现过压时，便停止信号输出。
本发明工作时，数字PWM控制器5通过检测电池电压变信号控制DC/DC模块2、充电选择模块3及放电模块4协同运行；数字PWM控制器5控制充电选择模块3开通时，同时控制放电模块4关闭，电源给电池充电，由数字PWM控制器5控制Q2关断，Q1开通，Q1用作充电开关，磁性元件T1用作输出滤波电感，此时T1的初级励磁电感等效为一导线，直接当C2、C3及电池的正极互相连接起来；所述数字PWM控制器5控制充电选择模块3关闭时，对电池进行放电，同时控制放电模块4工作，开关管Q1、Q2与磁性元件T1构成软开关双向变换电路，由数字PWM控制器5控制开关管Q1、Q2按互补PWM方式工作，T1用作变压器，并通过T1将电池能量充回至C1、C2。
根据以上实施例，可以较好实现本发明。上述关于本发明各部分的具体实施例及说明较为具体，并不能因此认为是对本发明的专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权力要求为准，对上述实施例的修改和变化是可能的，这些对本领域的技术人员来说是显而易见的修改和变化，仍属于本发明的专利保护范围。
Claims (4)
1.一种快速充电电源，其特征在于包括有AC/DC模块（1）、DC/DC模块（2）、充电选择模块（3）、放电模块（4）、数字PWM控制器（5），AC/DC模块（1）的输入端与工频交流电源连接，AC/DC模块（1）的输出端与DC/DC模块（2）的输入端连接， DC/DC模块（2）的输出端通过充电选择模块（3）与电池（6）相连接构成充电回路；且电池（6）通过放电模块（4）与DC/DC模块（2）的输入端连接构成能量回馈回路；电池（6）的电压信号与输入至数字PWM控制器（5）的输入端，数字PWM控制器（5）的输出端分别与DC/DC模块（2）、充电选择模块（3）及放电模块（4）连接，电池控制DC/DC模块（2）、充电选择模块（3）及放电模块（4）协同运行。
2.根据权利要求1所述的快速充电电源，其特征在于上述DC/DC模块（2）包括有电容C1、C2及DC/DC变换电路（201），充电选择模块（3）包括有开关管Q1、磁性元件T1的初级励磁电感及电容C3，放电模块（4）包括有开关管Q1、Q2、二极管D1、磁性元件T1及电容C3，其中电容C1为DC/DC模块（2）的输入端的储能电容，电容C1连接AC/DC模块（1）及DC/DC变换电路（201）；电容C2为DC/DC模块（2）的输出端的储能电容，电容C2的正极与DC/DC变换电路（201）连接及与开关管Q1连接，电容C2的负极与电池的负极相连接；开关管Q1的漏极与电容C2的正极连接，开关管Q1的源极与磁性元件T1的初级励磁电感的同名端连接，磁性元件T1的初级励磁电感的异名端与电容C3的正极连接，且电容C3的正极与电池的正极连接，电容C3的负极与电池的负极连接；开关管Q2的漏极与开关管Q1的源极连接及与磁性元件T1的初级励磁电感的同名端连接，开关管Q2的源极与电池的负极连接，磁性元件T1的初级励磁电感的异名端与电容C3连接及与电池的正极连接，数字PWM控制器（5）分别与开关管Q1开关管Q2的栅极连接。
3.根据权利要求1所述的快速充电电源，其特征在于上述数字PWM控制器（5）包括有ADC转换器（501）、充放电参数管理器（502）、恒压充电PID调节器（503）、恒流充电PID调节器（504）、恒流放电PID调节器（505）及充放电控制PWM发生器（506）；其中ADC转换器（501）的信号输入端与DC/DC模块（2）的信号输出端连接，ADC转换器（501）的信号输出端分别与恒压充电PID调节器（503）的信号输入端连接、与恒流充电PID调节器（504）的信号输入端连接及与恒流放电PID调节器（505）的信号输入端连接，预设有充放电参数的充放电参数管理器（502）分别与恒压充电PID调节器（503）的信号输入端连接、与恒流充电PID调节器（504）的信号输入端连接及与恒流放电PID调节器（505）的信号输入端连接，恒压充电PID调节器（503）、恒流充电PID调节器（504）及恒流放电PID调节器（505）的信号输出端均与充放电控制PWM发生器（506）的信号输入端连接，充放电控制PWM发生器（506）的信号输出端分别与DC/DC模块（2）、充电选择模块（3）及放电模块（4）连接。
4.根据权利要求1所述的快速充电电源，其特征在于上述充电选择模块（3）与放电模块（4）共用开关管Q1及磁性元件T1。
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Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 510630 GUANGZHOU, GUANGDONG PROVINCE TO: 646000 LUZHOU, SICHUAN PROVINCE |
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Effective date of registration: 20140905 Address after: 646000 Luzhou province Sichuan City Jiangyang District Technology Road No. 12 Applicant after: GUANGDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Address before: 510630, B1, building 8, Everbright Bank building, No. 689 Tianhe North Road, Guangdong, Guangzhou Applicant before: Guangzhou Gaotian Electric Power Technology Co., Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141015 Termination date: 20180817 |