CN103944246A - 一种馈能式铅酸蓄电池快速充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈能式铅酸蓄电池快速充电系统及方法，是将铅酸蓄电池对电阻和电容的并联回路放电产生的负放电脉冲改为对前级电解电容充电馈能，当正脉冲充电时，电解电容中储存的电能再传输给铅酸蓄电池，所以这种充电方法具有节能作用；改进之二是用多个三角形电流波来等效现有正负脉冲式充电方法的正脉冲和负脉冲，进一步解决了铅酸蓄电池在快速充电过程中的极化问题，降低了电池内部压力、温度及阻抗，减少能量的损耗，增强了蓄电池的充电接受能力，从而使电能更有效地转化为化学能并存储起来，提高了充电效率，进一步提高了充电速度，缩短了充电时间，延长了蓄电池的循环使用次数，适合推广应用。

Description

一种馈能式铅酸蓄电池快速充电系统及方法

技术领域

本发明属于电学技术领域，涉及一种充电方法，具体地说，涉及一种馈能式铅酸蓄电池快速充电系统及方法。

背景技术

铅酸蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程，充电过程中影响充电的因素很多，如电解液的浓度、极板活性物质的浓度、环境温度等。传统的充电方法有恒流充电、恒压充电、分阶段充电法等，这些充电方法无去极化措施，会影响蓄电池的充电时间、容量和使用寿命。正负脉冲充电法作为近几年研究的新型充电法，在正脉冲充电后，停止充电一段时间，然后再负脉冲放电一段时间，这样有利于消除蓄电池硫化、极化现象，延长电池使用寿命。

但是，现有的正负脉冲式充电法，其负放电脉冲是通过铅酸蓄电池对电阻和电容的并联回路放电产生的，电容中的能量被电阻消耗，并最终以热能的形式散发到周围环境中去，造成了能量的浪费。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种具有能量回馈功能的正负脉冲式快速充电系统及方法。负放电脉冲是通过向前面的电解电容馈能来实现的，当正脉冲充电时，电容中储存的电能再传输给铅酸蓄电池，所以这种充电方法具有节能作用。其技术方案为：

一种馈能式铅酸蓄电池快速充电系统，包括EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、单端正激型变换电路、第一电压检测电路、第一电流检测电路、蓄电池充放电管理主电路、第二电压检测电路、第二电流检测电路、辅助电源A、专用模拟控制器、第一比较调理电路、第一光耦合器、辅助电源B、单片机控制电路、第二比较调理电路、第二光耦合器、驱动电路和信号显示；

所述EMI滤波电路用于滤除电磁干扰；全桥整流滤波电路把交流电变成直流电；单端正激型变换电路用于把高压直流电变成后级蓄电池充放电管理主电路所需要的输入直流电压；电阻R1和R2组成第一电压检测电路，用于检测单端正激型变换电路的输出电压；R2上的分压值通过第一比较调理电路、经第一光耦合器进行电气隔离后送给专用模拟控制器、该专用模拟控制器产生的驱动信号0对单端正激型变换电路的内部开关管M0进行控制，从而使单端正激型变换器的输出电压趋于稳定；第一电流检测电路检测的是流过开关管M0的电流，当流过开关管M0的电流超过限值，专用模拟控制器输出的驱动信号0将被封锁，用以防止流过M0的电流太大而将其烧毁。蓄电池充放电管理主电路由馈能接收电解电容C1、开关管M1、二极管D1、开关管M2、二极管D2、滤波电感L、电解电容C2及蓄电池组构成，其功能是形成正向等效平均充电电流脉冲和负向等效平均放电电流脉冲；电阻R3和R4组成第二电压检测电路，用于检测蓄电池组两端的输出电压；第二电流检测电路检测的是流过蓄电池组的电流；R4上的分压值和第二电流检测电路的检测值一起通过第二比较调理电路后送入单片机控制电路、经该单片机控制电路运算后给出PWM控制信号，该控制信号经驱动电路后产生驱动1和驱动2两路驱动信号，分别用于控制开关管M1和M2；在正常充电时单片机控制电路不给专用模拟控制器输出PWM封锁信号，而当铅酸蓄电池放电时，发出放电信号并经过第二光耦合器进行电气隔离后给专用模拟控制器输出PWM封锁信号，专用模拟控制器将单端正激变换电路的开关管M0关断，其目的是当铅酸蓄电池放电时，即向馈能接收电解电容C1馈能时，防止单端正激变换电路继续向蓄电池充放电管理主电路传输电能；信号显示电路主要用于蓄电池充放电的指示；

220Vac依次经过EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、单端正激型变换电路，最后接蓄电池充放电管理主电路的输入端。单片机控制电路作为充放电管理电路的核心，用于控制充电开关管M1和放电开关管M2的交替导通，并在放电及死区阶段给前级专用模拟控制器发送PWM封锁信号。蓄电池充电时，M1导通、M2断开，快恢复二极管D2用于充电续流；放电时，M1断开、M2导通，快恢复二极管D1用于放电续流。第一电压检测电路和第一电流检测电路一起用于调控单端正激型变换电路的输出电压，使之符合后级蓄电池充放电管理主电路所需要的直流输入电压。第二电压检测电路和第二电流检测电路一起用于调控蓄电池充放电管理主电路，使之符合蓄电池组的充放电电压和电流的要求，防止对蓄电池组过充电。

一种馈能式铅酸蓄电池快速充电方法，其充放电方案(见图2)如下：

对应于现有的正负脉冲式充电法，不管是在充电状态还是放电状态，都包含一系列的三角形电流波，充电时等效平均电流为正，放电时等效平均电流为负。这些三角形电流波，均存在电流为零的时刻，即平均电流为正的时间段，充电电流也不总为正，而是有过零的时刻，这主要是为了让开关管M1和M2都工作在零电压软开关状态，以提高充电的效率。一般充电时间T1(比如11.2ms)比放电时间T2(比如1.6ms)大几倍，则充放电周期为T(T＝T1+T2＝12.8ms)，具体充电时间T1和放电时间T2由单片机控制电路设定。充电时间T1内或放电时间T2内的三角形电流波的个数由T1或T2除以充放电管理电路的开关周期可以算出。图中的虚线代表等效的充放电平均电流。考虑到在充电时，一个开关周期内开关管M1的导通时间比较长，而M2的导通时间比较短，而放电时正相反。

一种铅酸蓄电池快速充电的控制方法，包括以下步骤(见图5)：

电路上电，单片机初始化，对PWM的工作模式进行配置，并且指示灯红灯亮，提示电池需充电。充电开始，首先设置正脉冲充电时间m为M，进行正脉冲充电，当m>0时，正脉冲充电时间未结束,继续进行正脉冲充电，当m<0,即正脉冲充电结束后，检测电池是否充满，若充满电，则闭锁PWM，停止充电，且指示灯变绿，提示充电完毕；若电池没有充满电，则进行负脉冲放电；将负脉冲放电时长n定为N，开始负脉冲放电，若n>0时，负脉冲放电未结束,继续负脉冲放电，当n<0，即负脉冲放电结束，则再次进行正脉冲充电，这样循环进行，直到电池充满能量。本发明通过调整占空比来实现充放电状态之间的转换。单片机控制电路内部输出的两路PWM波形可以任意地改变它们的占空比，这样就可以通过软件来控制两个开关管的导通时间，从而实现对充电状态和放电状态的切换。

本发明的有益效果：

本发明一种馈能式铅酸蓄电池快速充电方法，是对现有正负脉冲式充电方法的改进。改进之一是将铅酸蓄电池对电阻和电容的并联回路放电产生的负放电脉冲改为对前级电解电容充电馈能，当正脉冲充电时，电容中储存的电能再传输给铅酸蓄电池，所以这种充电方法具有节能作用；改进之二是用多个三角形电流波来等效现有正负脉冲式充电方法的正脉冲和负脉冲，进一步解决了铅酸蓄电池在快速充电过程中的极化问题，降低了电池内部压力、温度及阻抗，减少能量的损耗，增强了蓄电池的充电接受能力，从而使电能更有效地转化为化学能并存储起来，提高了充电效率，进一步提高了充电速度，缩短了充电时间，延长了蓄电池的循环使用次数。蓄电池充放电管理电路作为发明的重点，能够对等效充电脉宽、等效放电脉宽、死区任意调整，即实现调频；亦可对充电电流进行调整，即实现调幅。

附图说明

图1是本发明一种馈能式铅酸蓄电池快速充电方法原理图；

图2是本发明馈能式铅酸蓄电池快速充放电方案图；

图3是本发明蓄电池充放电管理电路主电路；

图4是本发明蓄电池充放电管理电路主电路中流过储能电感的电流波形；

图5是本发明蓄电池充放电管理电路主程序控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1，一种馈能式铅酸蓄电池快速充电系统，包括EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、单端正激型变换电路、第一电压检测电路、第一电流检测电路、蓄电池充放电管理主电路、第二电压检测电路、第二电流检测电路、辅助电源A、专用模拟控制器、第一比较调理电路、第一光耦合器、辅助电源B、单片机控制电路、第二比较调理电路、第二光耦合器、驱动电路和信号显示。

EMI滤波电路用于滤除电磁干扰；全桥整流滤波电路把交流电变成直流电；单端正激型变换电路用于把高压直流电变成后级蓄电池充放电管理主电路所需要的输入直流电压；电阻R1和R2组成第一电压检测电路，用于检测单端正激型变换电路的输出电压；R2上的分压值通过第一比较调理电路、经第一光耦合器进行电气隔离后送给专用模拟控制器、该专用模拟控制器产生的驱动信号0对单端正激型变换电路的内部开关管M0进行控制，从而使单端正激型变换器的输出电压趋于稳定；第一电流检测电路检测的是流过开关管M0的电流，当流过开关管M0的电流超过限值，专用模拟控制器输出的驱动信号0将被封锁，用以防止流过M0的电流太大而将其烧毁。蓄电池充放电管理主电路由馈能接收电解电容C1、开关管M1、二极管D1、开关管M2、二极管D2、滤波电感L、电解电容C2及蓄电池组构成，其功能是形成正向等效平均充电电流脉冲和负向等效平均放电电流脉冲；电阻R3和R4组成第二电压检测电路，用于检测蓄电池组两端的输出电压；第二电流检测电路检测的是流过蓄电池组的电流；R4上的分压值和第二电流检测电路的检测值一起通过第二比较调理电路后送入单片机控制电路、经该单片机控制电路运算后给出PWM控制信号，该控制信号经驱动电路后产生驱动1和驱动2两路驱动信号，分别用于控制开关管M1和M2；在正常充电时单片机控制电路不给专用模拟控制器输出PWM封锁信号，而当铅酸蓄电池放电时，发出放电信号并经过第二光耦合器进行电气隔离后给专用模拟控制器输出PWM封锁信号，专用模拟控制器将单端正激变换电路的开关管M0关断，其目的是当铅酸蓄电池放电时，即向馈能接收电解电容C1馈能时，防止单端正激变换电路继续向蓄电池充放电管理主电路传输电能；信号显示电路主要用于蓄电池充放电的指示。

220Vac依次经过EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、单端正激型变换电路，最后接蓄电池充放电管理主电路的输入端。单片机控制电路作为充放电管理电路的核心，用于控制充电开关管M1和放电开关管M2的交替导通，并在放电及死区阶段给前级专用模拟控制器发送PWM封锁信号。蓄电池充电时，M1导通、M2断开，快恢复二极管D2用于充电续流；放电时，M1断开、M2导通，快恢复二极管D1用于放电续流。第一电压检测电路和第一电流检测电路一起用于调控单端正激型变换电路的输出电压，使之符合后级蓄电池充放电管理电路所需要的直流输入电压。第二电压检测电路和第二电流检测电路一起用于调控蓄电池充放电管理主电路，使之符合蓄电池组的充放电电压和电流的要求，防止对蓄电池组过充电。

参照图2，一种馈能式铅酸蓄电池快速充电方法，其充放电方案如下：

对应于现有的正负脉冲式充电法，不管是在充电状态还是放电状态，都包含一系列的三角形电流波，充电时等效平均电流为正，放电时等效平均电流为负。这些三角形电流波，均存在电流为零的时刻，即平均电流为正的时间段，充电电流也不总为正，而是有过零的时刻，这主要是为了让开关管M1和M2都工作在零电压软开关状态，以提高充电的效率。一般充电时间T1(比如11.2ms)比放电时间T2(比如1.6ms)大几倍，则充放电周期为T(T＝T1+T2＝12.8ms)，具体充电时间T1和放电时间T2由单片机控制电路设定。充电时间T1或放电时间T2内三角形电流波的个数由T1或T2除以充放电管理电路的开关周期可以算出。图中的虚线代表等效的充放电平均电流。考虑到在充电时，一个开关周期内开关管M1的导通时间比较长，而M2的导通时间比较短，而放电时正相反。本发明通过软件调整占空比来实现充放电状态之间的转换。单片机控制电路内部输出的两路PWM波形可以任意地改变它们的占空比，这样就可以通过软件来控制两个开关管的导通时间，从而实现对充电状态和放电状态的切换。

参照图3，蓄电池充放电管理电路主电路，为双向Buck-Boost直流变换电路，给铅酸蓄电池充电时它工作在Buck模式，放电时它工作在Boost模式，该电路可以实现能量的双向流动。两个开关管M1和M2分别对应充电和放电，它们由单片机经专用驱动芯片进行控制，通过修改程序可任意设定充电时间、放电时间和死区时间。该电路有三种工作状态：

电感电流恒大于零时，工作在硬开关Buck充电状态；

电感电流有过零点时，工作在软开关状态，此时当平均电流大于零，为Buck模式，即充电模式；当平均电流小于零，为Boost模式，即放电模式。

电感电流恒小于零时，工作在硬开关Boost放电状态。

本发明充放电采用的是第二种工作状态，两个开关管均工作于软开关状态，从而实现充电和放电。第二种状态有六个工作阶段，参照图4。

t0-t1：在t0时刻之前，M1导通，M2关断，电感电流线性增加，电源通过电感L向蓄电池充电。在t0时刻，M1被关断，M2此时仍处于关断状态，由于电感电流不能突变，M2的体二极管D2开始自然续流，同时电感电流开始线性减小。

t1-t2：在t1时刻，开关管M2零电压导通，因为D2的续流使其两端电压为零。电感电流继续线性减小。

t2-t3：此阶段M2继续保持导通状态。电感电流继续减小到零，并开始反极性线性增加，此时蓄电池开始放电。

t3-t4：在t3时刻，M2被关断，M1的体二极管开始自然续流，电感电流继续反极性增加。

t4-t5：在t4时刻，同理M1两端的电压为零，M1开始零电压导通。电感放电电流开始线性减小。在t5时刻电感的电流再次减小到零，并继而反向增大。

t5-t6：开关管M1继续保持通态，充电电感电流线性增加，在t6时刻开始下一个开关周期。

为了能够使两个开关管在零电压下开通，开关管M1必须在t3-t5阶段导通，而M2必须在t0-t2阶段导通。通过合理的设计电感，就可工作在第二种工作状态，即软开关状态。

参照图5，一种铅酸蓄电池快速充电的控制方法，包括以下步骤：

电路上电，单片机初始化，对PWM的工作模式进行配置，并且指示灯红灯亮，提示电池需充电。充电开始，首先设置正脉冲充电时间m为M，进行正脉冲充电，当m>0时，正脉冲充电时间未结束,继续进行正脉冲充电，当m<0,即正脉冲充电结束后，检测电池是否充满，若充满电，则闭锁PWM，停止充电，且指示灯变绿，提示充电完毕；若电池没有充满电，则进行负脉冲放电；将负脉冲放电时长n定为N，开始负脉冲放电，若n>0时，负脉冲放电未结束,继续负脉冲放电，当n<0，即负脉冲放电结束，则再次进行正脉冲充电，这样循环进行，直到电池充满能量。

本发明前级单端正激变换器为恒压输出模式，相当于一个恒压源，当充电电流随着充电时间的延长，呈现逐渐减小的趋势，这符合马斯最佳充电曲线。前级单端正激变换器可以做成一个恒流源。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种馈能式铅酸蓄电池快速充电系统，其特征在于，包括EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、单端正激型变换电路、第一电压检测电路、第一电流检测电路、蓄电池充放电管理主电路、第二电压检测电路、第二电流检测电路、辅助电源A、专用模拟控制器、第一比较调理电路、第一光耦合器、辅助电源B、单片机控制电路、第二比较调理电路、第二光耦合器、驱动电路和信号显示电路；

EMI滤波电路用于滤除电磁干扰；全桥整流滤波电路把交流电变成直流电；单端正激型变换电路用于把高压直流电变成后级蓄电池充放电管理主电路所需要的输入直流电压；电阻R1和R2组成第一电压检测电路，用于检测单端正激型变换电路的输出电压；R2上的分压值通过第一比较调理电路、经第一光耦合器进行电气隔离后送给专用模拟控制器、该专用模拟控制器产生的驱动信号0对单端正激型变换电路的内部开关管M0进行控制，从而使单端正激型变换电路的输出电压趋于稳定；第一电流检测电路检测的是流过开关管M0的电流，当流过开关管M0的电流超过限值，专用模拟控制器输出的驱动信号0将被封锁，用以防止流过M0的电流太大而将其烧毁；蓄电池充放电管理主电路由馈能接收电解电容C1、开关管M1、二极管D1、开关管M2、二极管D2、滤波电感L、电解电容C2及蓄电池组构成，其功能是形成正向等效平均充电电流脉冲和负向等效平均放电电流脉冲；电阻R3和R4组成第二电压检测电路，用于检测蓄电池组两端的输出电压；第二电流检测电路检测的是流过蓄电池组的电流；R4上的分压值和第二电流检测电路的检测值一起通过第二比较调理电路后送入单片机控制电路、经该单片机控制电路运算后给出PWM控制信号，该控制信号经驱动电路后产生驱动1和驱动2两路驱动信号，分别用于控制开关管M1和M2；在正常充电时单片机控制电路不给专用模拟控制器输出PWM封锁信号，而当铅酸蓄电池放电时，发出放电信号并经过第二光耦合器进行电气隔离后给专用模拟控制器输出PWM封锁信号，专用模拟控制器将单端正激变电路的开关管M0关断，其目的是当铅酸蓄电池放电时，即向馈能接收电解电容C1馈能时，防止单端正激变换电路继续向蓄电池充放电管理主电路传输电能；信号显示电路主要用于蓄电池充放电的指示；

220Vac依次经过EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、单端正激型变换电路，最后接蓄电池充放电管理主电路的输入端；单片机控制电路作为充放电管理电路的核心，用于控制充电开关管M1和放电开关管M2的交替导通，并在放电及死区阶段给前级专用模拟控制器发送PWM封锁信号；蓄电池充电时，M1导通、M2断开，快恢复二极管D2用于充电续流；放电时，M1断开、M2导通，快恢复二极管D1用于放电续流；第一电压检测电路和第一电流检测电路一起用于调控单端正激型变换电路的输出电压，使之符合后级蓄电池充放电管理主电路所需要的直流输入电压；第二电压检测电路和第二电流检测电路一起用于调控蓄电池充放电管理主电路，使之符合蓄电池组的充放电电压和电流的要求，防止对蓄电池组过充电。

2.一种馈能式铅酸蓄电池快速充电法，其特征在于，电路上电，单片机初始化，对PWM的工作模式进行配置，并且指示灯红灯亮，提示电池需充电；充电开始，首先设置正脉冲充电时间m为M，进行正脉冲充电，当m>0时，正脉冲充电时间未结束,继续进行正脉冲充电，当m<0,即正脉冲充电结束后，检测电池是否充满，若充满电，则闭锁PWM，停止充电，且指示灯变绿，提示充电完毕；若电池没有充满电，则进行负脉冲放电；将负脉冲放电时长n定为N，开始负脉冲放电，若n>0时，负脉冲放电未结束,继续负脉冲放电，当n<0，即负脉冲放电结束，则再次进行正脉冲充电，这样循环进行，直到电池充满能量。