CN104009528A - 一种蓄电池充电电路及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池充电电路及其充电方法，包含输入级电路、逆变器电路、变压器和输出级电路；逆变器电路包含软启动电路、逆变桥电路及缓冲电路；输出级电路包含整流电路和滤波电路；输入级电路的输入端与220V市电连接，输出端与软启动电路一端连接，软启动电路另一端与逆变桥电路和缓冲电路的输入端连接，逆变桥电路和缓冲电路的输出端与变压器的一端连接，变压器的另一端与整流电路的输入端连接，整流电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端连接蓄电池，充电方法为可编程控制芯片控制的“四段式”充电程序。本发明电路结构简单，使用的元器件较少，成本低，能有效延长蓄电池的使用寿命。

Description

一种蓄电池充电电路及其充电方法

技术领域

本发明涉及一种充电电路及其充电方法，具体涉及一种蓄电池充电电路及其充电方法。

背景技术

现有技术的EPS(Emergency Power Supply，紧急电力供给)系统中，广泛使用免维护铅酸蓄电池作为储存电能的装置。在市电正常时，由系统中配备的充电器对蓄电池充电，将电能转化为化学能储存在蓄电池组中；在EPS系统供电时，再以电能的形式释放出来供负载使用。在实际应用中，市电正常时逆变器不需要工作，大多时间内蓄电池都无需给负载供电，但由蓄电池的外特性可知，蓄电池的可用容量会随着贮存时间的延长和环境温度的升高而减少。如果长时间不对电池充电，待真正应急供电时，蓄电池提供的应急时间可能比预期的要低的多，同时，蓄电池的寿命长短会直接影响到整个EPS系统的使用寿命，并且现有技术的充电电路构成复杂，元器件数量多，成本较高。

发明内容

本发明提供一种蓄电池充电电路，电路简单，使用的元器件数量少，成本低，由可编程控制芯片(如单片机)控制蓄电池充电电流，使其工作在不同的模式，能有效延长蓄电池的使用寿命。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种蓄电池充电电路，其特点是，包含，输入级电路、逆变器电路、变压器和输出级电路；逆变器电路包含软启动电路、逆变桥电路及缓冲电路；

上述的输出级电路包含整流电路和滤波电路；

上述的输入级电路的输入端与220V市电连接，输出端与软启动电路连接，软启动电路的另一端与逆变桥电路和缓冲电路的输入端连接，逆变桥电路和缓冲电路的输出端与变压器的一端连接，变压器的另一端与整流电路的输入端连接，整流电路的输出端与滤波电路的一端连接，滤波电路的另一端连接蓄电池。

上述的输入级电路包含压敏电阻、电磁干扰滤波器、第一电容及整流桥，

上述的压敏电阻与220V市电并联，并联的一端与电磁干扰滤波器的第一输入端连接，并联的另一端与电磁干扰滤波器第二输入端连接；

上述的第一电容的一端与电磁干扰滤波器的第一输出端连接，另一端与电磁干扰滤波器的第二输出端连接；

上述的整流桥的第一二极管的正极和第四二极管的负极与电磁干扰滤波器的第一输出端连接，整流桥的第二二极管的正极和第三二极管的负极与电磁干扰滤波器的第二输出端连接。

上述的软启动电路包含开关和第一电阻，开关和第一电阻并联，软启动电路的A端连接整流桥的第一二极管的负极。

上述的逆变桥电路包含第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管；

上述的第四开关管的发射极与第二开关管的集电极连接；

上述的第一开关管的集电极与第三开关管的集电极连接；

上述的第二开关管的发射极与第四开关管的发射极连接；

上述的第三开关管的发射极与第四开关管的集电极连接；

上述的第一开关管的门极、第二开关管的门极、第三开关管的门极及第四开关管的门极均与可编程控制芯片相连。

上述的缓冲电路包含第二电容、第三电容、第二电阻、第三电阻、第五二极管及第六二极管；

上述的第二电容的一端与第三电容的一端连接，并且和逆变桥电路的第一开关管的集电极连接，第二电容的另一端与第二电阻的一端和第五二极管的正极连接；

上述的第三电容的另一端与第三电阻的一端和第六二极管的正极连接；

上述的第五二极管的负极与第六二极管的负极连接，并且和第二电阻的另一端、第三电阻的另一端以及逆变桥电路的第二开关管的发射极连接。

上述的逆变器电路还包含第四电容、第五电容、第六电容；

上述的第四电容和第五电容并联，并联的一端与软启动电路的B端连接，并联的另一端与整流桥的第四二极管的正极及逆变桥电路的第二开关管的发射极连接；

上述的第六电容一端与逆变桥电路的第一开关管的发射极连接，另一端与变压器的B端连接。

上述的变压器的A端与逆变桥电路的第三开关管的发射极连接。

上述的整流电路包含第七二极管、第八二极管、第九二极管及第十二极管；

上述的第七二极管的正极与第九二极管的正极连接；

上述的第七二极管的负极与第八二极管的正极连接，并且与变压器的C端相连；

上述的第八二极管的负极与第十二极管的负极连接；

上述的第九二极管的负极与第十二极管的正极连接，并与变压器的D端相连。

上述的滤波电路包含第七电容和电感；

上述的第七电容与蓄电池并联，并联的一端与第七二极管的正极连接并且与蓄电池的负极连接，并联的另一端与电感的一端相连并且与蓄电池的正极连接，电感的另一端与第八二极管的负极连接。

一种用于上述蓄电池充电电路的充电方法，其特征在于；

该方法包括：

步骤1，可编程控制芯片首先判断市电电压，市电电压异常则转入逆变子程序，市电电压正常则继续执行充电子程序；

步骤2，当电池电压小于U1值时，进入涓充状态，并判断充电电流是否大于I1，可编程控制芯片根据输出端电压、电流的采样结果，计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流，形成闭环控制；

步骤3，当电池电压大于U1时，判断电池电压是否小于U2，若是，则进入恒充状态，可编程控制芯片根据充电电流是否大于I2来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

步骤4，当电池电压大于U2时，则接着判断电池电压是否小于U3，若是，则进入涓充状态，同时判断充电电流是否大于I1来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

步骤5，当电池电压大于U3，进入浮充状态，并根据充电电压是否大于U4来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

其中，蓄电池电压通过反馈采样电路送入可编程控制芯片，可编程控制芯片控制四个IGBT开关管开通时间的信号，改变充电电路的输出电压、电流，从而使蓄电池在不同的容量状态下以最适合的方式充电，当进入浮充状态时即可认为蓄电池已经充满。

本发明一种蓄电池充电电路与现有技术相比具有以下优点：

由于本发明将逆变器电路和蓄电池充电电路融合在一起，减少了元器件数量，降低了成本；

由于本发明的开关由可编程控制芯片控制，实现软启动，防止电源模块启动时造成的冲击电流，保护了元器件，延长电路使用寿命；

由于本发明采用“四段式”充电法，充电电流由可编程控制芯片控制，能有效延长电池的使用寿命；

由于整个电路由可编程控制芯片控制，可根据不同的蓄电池来修改数据，适应不同型号蓄电池的需要。

附图说明

图1为本发明一种蓄电池充电电路的连接关系图。

图2为本发明一种蓄电池充电电路充电方法的程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种蓄电池充电电路，包含：输入级电路10、逆变器电路20、变压器T1和输出级电路40；逆变器电路20包含软启动电路21、逆变桥电路22及缓冲电路23；输出级电路40包含整流电路41和滤波电路42；输入级电路10的输入端与220V市电连接，输出端与软启动电路21连接，软启动电路21的另一端与逆变桥电路22和缓冲电路23的输入端连接，逆变桥电路22和缓冲电路23的输出端与变压器T1的一端连接，变压器T1的另一端与整流电路41的输入端连接，整流电路41的输出端与滤波电路42的一端连接，滤波电路42的另一端连接蓄电池。

输入级电路10包含压敏电阻R4、电磁干扰滤波器11、第一电容C1及整流桥12，压敏电阻11用于吸收突然的浪涌电压，电磁干扰滤波器11又称为EMI滤波器，电磁干扰滤波器11用于消除来自电网的扰动，同时防止电源本身对电网的干扰，压敏电阻R4与220V市电并联，压敏电阻R4与220V市电并联，并联的一端与电磁干扰滤波器11的第一输入端111连接，并联的另一端与电磁干扰滤波器11第二输入端112连接；第一电容C1的一端与电磁干扰滤波器11的第一输出端113连接，另一端与电磁干扰滤波器11的第二输出端114连接；整流桥12的第一二极管D1的正极和第四二极管D4的负极与电磁干扰滤波器11的第一输出端113连接，整流桥12的第二二极管D2的正极和第三二极管D3的负极与电磁干扰滤波器11的第二输出端114连接，市电经过输入级电路10后会输出一个较平滑的直流电。

软启动电路21包含开关S1和第一电阻R1，软启动电路21可以防止电源启动时的大冲击电流对设备的和元器件的冲击，开关S1和第一电阻R1并联，开关S1在电源启动前为断开状态，开关S1在电源启动一定时间t后由可编程控制芯片（如单片机）控制闭合，软启动电路21的A端连接整流桥12的第一二极管D1的负极。

逆变桥电路22包含第一开关管IGBT1、第二开关管IGBT12、第三开关管IGBT3及第四开关管IGBT4；第四开关管IGBT4的发射极与第二开关管IGBT2的集电极连接；第一开关管IGBT1的集电极与第三开关管IGBT3的集电极连接；第二开关管IGBT2的发射极与第四开关管IGBT4的发射极连接；第三开关管IGBT3的发射极与第四开关管IGBT4的集电极连接；第一开关管IGBT1的门极、第二开关管IGBT2的门极、第三开关管IGBT3的门极、第四开关管IGBT4的门极均与可编程控制芯片相连。逆变桥电路22可用于将市电变换成直流电给蓄电池充电，也可用于将蓄电池输出的直流电被逆变成交流电，不同的工作方式取决于可编程控制芯片（如单片机）对四个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）开关管的通断控制。

缓冲电路23包含第二电容C2、第三电容C3、第二电阻R2、第三电阻R3、第五二极管 D5及第六二极管D6，缓冲电路23能够在IGBT开关管断开时防止在IGBT开关管上产生过电压而损坏IGBT开关管，同时它也能改变IGBT开关管开关过程中电压和电流的波形轨迹，使开关“软化”，以减少开关损耗；第二电容C2的一端与第三电容C3的一端连接，并且和逆变桥电路22的第一开关管IGBT1的集电极连接，第二电容C2的另一端与第二电阻R2的一端和第五二极管D5的正极连接；第三电容C3的另一端与第三电阻R3的一端和第六二极管D6的正极连接；第五二极管D5的负极与第六二极管D6的负极连接，并且和第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端以及逆变桥电路22的第二开关管IGBT2的发射极连接。

逆变器电路20还包含第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6；第四电容C4和第五电容C5并联，并联的一端与软启动电路21的B端连接，并联的另一端与整流桥12的第四二极管D4的正极及逆变桥电路22的第二开关管IGBT2的发射极连接，当电源启动后，前述的第一电阻R1起一个限流作用，防止大的冲击电流对第四电容C4的冲击，前述的时间t通常取值为3-5倍的第四电容C4的充电时间常数；第六电容C6一端与逆变桥电路22的第一开关管IGBT1的发射极连接，另一端与变压器T1的B端连接。变压器T1的A端与逆变桥电路22的第三开关管IGBT3的发射极连接。

整流电路41包含第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9及第十二极管D10，变压器的输出端为交流信号，通过整流电路41输出后成为高精度的直流电；第七二极管D7的正极与第九二极管D9的正极连接；第七二极管D7的负极与第八二极管D8的正极连接，并且与变压器T1的C端相连；第八二极管D8的负极与第十二极管D10的负极连接；第九二极管D9的负极与第十二极管D10的正极连接，并与变压器T1的D端相连。

滤波电路42包含第七电容C7和电感L1，滤波电路42能够滤除纹波和谐波，使蓄电池的充电电流更加平稳；第七电容C7与蓄电池并联，并联的一端与第七二极管D7的正极连接并且与蓄电池的负极连接，并联的另一端与电感L1的一端相连并且与蓄电池的正极连接，电感L1的另一端与第八二极管D8的负极连接。

如图2所示，由可编程控制芯片（如单片机）控制实现给蓄电池“四段式”充电方法的程序流程图。以下面的蓄电池参数为例，详细说明一下程序的流程：

电池规格：30×12V/65Ah

电池恒流充电电压：Ichr=6A

电池涓充电流：Ismall=0.5A

电池浮充电压：Vfl=13.6V

步骤1，可编程控制芯片首先判断市电电压，市电电压异常则转入逆变子程序，市电电压正常则继续执行充电子程序；

步骤2，依据全桥变换器的原理，通过可编程控制芯片（如单片机）改变IGBT开关管的输出占空比调节输出。当电池电压小于10.8V×30值时，进入涓充状态，并判断充电电流是否大于0.5A，可编程控制芯片根据输出端电压、电流的采样结果，计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流，形成闭环控制；

步骤3，当电池电压大于10.8V×30时，判断电池电压是否小于13V×30，若是，则进入恒充状态，可编程控制芯片根据充电电流是否大于6A来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

步骤4，当电池电压大于13V×30时，则接着判断电池电压是否小于13.5V×30，若是，则进入涓充状态，同时判断充电电流是否大于0.5A来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

步骤5，当电池电压大于13.5V×30，进入浮充状态，并根据充电电压是否大于13.6V×30来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

其中，蓄电池电压通过反馈采样电路送入可编程控制芯片，可编程控制芯片控制四个IGBT开关管开通时间的信号，改变充电电路的输出电压、电流，从而使蓄电池在不同的容量状态下以最适合的方式充电，当进入浮充状态时即可认为蓄电池已经充满。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种蓄电池充电电路，其特征在于，包含：

输入级电路（10）、逆变器电路（20）、变压器（T1）和输出级电路（40）；

所述的逆变器电路（20）包含软启动电路（21）、逆变桥电路（22）及缓冲电路（23）；

所述的输出级电路（40）包含整流电路（41）和滤波电路（42）；

所述的输入级电路（10）的输入端与220V市电连接，输出端与软启动电路（21）连接，软启动电路（21）的另一端与逆变桥电路（22）和缓冲电路（23）的输入端连接，逆变桥电路（22）和缓冲电路（23）的输出端与变压器（T1）的一端连接，变压器（T1）的另一端与整流电路（41）的输入端连接，整流电路（41）的输出端与滤波电路（42）的一端连接，滤波电路（42）的另一端连接蓄电池。

2.如权利要求1所述的蓄电池充电电路，其特征在于，所述的输入级电路（10）包含压敏电阻（R4）、电磁干扰滤波器（11）、第一电容（C1）及整流桥（12），

所述的压敏电阻（R4）与220V市电并联，并联的一端与电磁干扰滤波器（11）的第一输入端（111）连接，并联的另一端与电磁干扰滤波器（11）第二输入端（112）连接；

所述的第一电容（C1）的一端与电磁干扰滤波器（11）的第一输出端（113）连接，另一端与电磁干扰滤波器（11）的第二输出端（114）连接；

所述的整流桥（12）的第一二极管（D1）的正极和第四二极管（D4）的负极与电磁干扰滤波器（11）的第一输出端（113）连接，整流桥（12）的第二二极管（D2）的正极和第三二极管（D3）的负极与电磁干扰滤波器（11）的第二输出端（114）连接。

3.如权利要求2所述的蓄电池充电电路，其特征在于，所述的软启动电路（21）包含开关（S1）和第一电阻（R1），开关（S1）和第一电阻（R1）并联，软启动电路（21）的A端连接整流桥（12）的第一二极管（D1）的负极。

4.如权利要求1所述的蓄电池充电电路，其特征在于，所述的逆变桥电路（22）包含第一开关管（IGBT1）、第二开关管（IGBT2）、第三开关管(IGBT3)及第四开关管(IGBT4)；

所述的第四开关管(IGBT4)的发射极与第二开关管（IGBT2）的集电极连接；

所述的第一开关管(IGBT1)的集电极与第三开关管（IGBT3）的集电极连接；

所述的第二开关管（IGBT2）的发射极与第四开关管（IGBT4）的发射极连接；

所述的第三开关管（IGBT3）的发射极与第四开关管（IGBT4）的集电极连接；

所述的第一开关管（IGBT1）的门极、第二开关管（IGBT2）的门极、第三开关管（IGBT3）的门极、第四开关管（IGBT4）的门极均与可编程控制芯片相连。

5.如权利要求4所述的蓄电池充电电路，其特征在于，所述的缓冲电路（23）包含第二电容（C2）、第三电容（C3）、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第五二极管 (D5)及第六二极管(D6)；

所述的第二电容（C2）的一端与第三电容（C3）的一端连接，并且和逆变桥电路（22）的第一开关管（IGBT1）的集电极连接，第二电容（C2）的另一端与第二电阻（R2）的一端和第五二极管（D5）的正极连接；

所述的第三电容（C3）的另一端与第三电阻（R3）的一端和第六二极管（D6）的正极连接；

所述的第五二极管（D5）的负极与第六二极管（D6）的负极连接，并且和第二电阻（R2）的另一端、第三电阻（R3）的另一端以及逆变桥电路（22）的第二开关管（IGBT2）的发射极连接。

6.如权利要求3所述的蓄电池充电电路，其特征在于，所述的逆变器电路（20）还包含第四电容（C4）、第五电容（C5）、第六电容（C6）；

所述的第四电容（C4）和第五电容（C5）并联，并联的一端与软启动电路（21）的B端连接，并联的另一端与整流桥（12）的第四二极管（D4）的正极及逆变桥电路（22）的第二开关管（IGBT2）的发射极连接；

所述的第六电容（C6）一端与逆变桥电路（22）的第一开关管（IGBT1）的发射极连接，另一端与变压器（T1）的B端连接。

7.如权利要求4所述的蓄电池充电电路，其特征在于，所述的变压器（T1）的A端与逆变桥电路（22）的第三开关管（IGBT3）的发射极连接。

8.如权利要求7所述的蓄电池充电电路，其特征在于，所述的整流电路（41）包含第七二极管（D7）、第八二极管（D8）、第九二极管（D9）及第十二极管（D10）；

所述的第七二极管（D7）的正极与第九二极管（D9）的正极连接；

所述的第七二极管（D7）的负极与第八二极管（D8）的正极连接，并且与变压器（T1）的C端相连；

所述的第八二极管（D8）的负极与第十二极管（D10）的负极连接；

所述的第九二极管（D9）的负极与第十二极管（D10）的正极连接，并与变压器（T1）的D端相连。

9.如权利要求8所述的蓄电池充电电路，其特征在于，所述的滤波电路（42）包含第七电容（C7）和电感（L1）；

所述的第七电容（C7）与蓄电池并联，并联的一端与第七二极管（D7）的正极连接并且与蓄电池的负极连接，并联的另一端与电感（L1）的一端相连并且与蓄电池的正极连接，电感（L1）的另一端与第八二极管（D8）的负极连接。

10.一种用于上述蓄电池充电电路的充电方法，其特征在于；

该方法包括：

步骤1，可编程控制芯片首先判断市电电压，市电电压异常则转入逆变子程序，市电电压正常则继续执行充电子程序；

步骤2，当电池电压小于U1值时，进入涓充状态，并判断充电电流是否大于I1，可编程控制芯片根据输出端电压、电流的采样结果，计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流，形成闭环控制；

步骤3，当电池电压大于U1时，判断电池电压是否小于U2，若是，则进入恒充状态，可编程控制芯片根据充电电流是否大于I2来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

步骤4，当电池电压大于U2时，则接着判断电池电压是否小于U3，若是，则进入涓充状态，同时判断充电电流是否大于I1来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

步骤5，当电池电压大于U3，进入浮充状态，并根据充电电压是否大于U4来计算下个周期的占空比，调节充电电压、电流；

其中，蓄电池电压通过反馈采样电路送入可编程控制芯片，可编程控制芯片控制四个IGBT开关管开通时间的信号，改变充电电路的输出电压、电流，从而使蓄电池在不同的容量状态下以最适合的方式充电，当进入浮充状态时即可认为蓄电池已经充满。