CN104065150A - 一种输出阶梯电流的电池充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出阶梯电流的电池充电电路，包括：一输入电压源、一电容、n个电感L₁～L_n、n个开关管S₁～S_n和n个二极管D₁～D_n；其采用三相Boost电路，通过改变控制信号的频率、占空比和相位，可以得到输出幅值、频率可调的阶梯充电电流。与现有充电方式相比，本发明采用阶梯电流充电方式的充电效率、电池温升等充电性能均能得到不同程度的提升，可以应用在高频、大电流、大功率场合；既能用于小功率的充电器，又可以用在大功率的电动汽车中，在快速充电场合有着较为显著的改善效果，应用范围更为广泛。

Description

一种输出阶梯电流的电池充电电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种输出阶梯电流的电池充电电路。

背景技术

近年来由于便携式电子装置、电动汽车和可再生能源的快速发展，用于储能单元的电池以及相应的充电技术得到了越来越广泛的研究；目前已经出现了多种蓄电池充电方法，如涓流充电、恒流充电、恒压充电等。恒流-恒压(CC-CV)充电是使用最普遍的一种充电方式，该方法在充电前期为恒流阶段，将充电电流保持在一个固定值，既能保证充电速率，又不会使充电电流过大，后期为恒压阶段，充电电流因电压差下降而减小，可以在充电的同时保护电池。但是这些常规的充电方法充电时间较长，给实际使用带来了不便；为了加快电池的化学反应速度，同时尽可能地减小电池正负极板的极化现象，以提高电池的充电效率和使用寿命，国内外开发和研究了多种快速充电方法和技术。

脉冲式充电法通过充电与暂停交替的周期性脉冲电流对电池进行充电，在每个充电电流周期内，电池会有一段时间不进行充电，如图1所示。这种充电方法可以让电池的电化学反应获得中和缓冲，降低了电池在充电时所承受的压力，从而有效地延长了电池的有效循环寿命；但是由于电池的电容效应，脉冲充电的频率不能过高，否则会导致充电效率降低，同时脉冲充电的充电特性受限于电源，在普通电源高压差的条件下其充电效率较低。

在脉冲式充电法的基础上还有很多改进的快速充电法。Reflex快速充电法在脉冲充电之后加入一定时间的反向放电过程，之后再停充一段时间。这种方法大大减弱了蓄电池充电时的极化现象，增大了蓄电池的可接受充电电流；变电流间歇充电法在充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，加大充电电流以获得绝大部分充电量，在充电后期采用定电压充电以获得过冲电量，将蓄电池恢复至完全充满状态；这种方法使电池的浓差极化和欧姆极化得到消除，减轻了电池的内压，使电池可以吸收更多的电量。

为了探究电池的电荷状态(SOC)和健康状况(SOH)等性能，通常使用交流阻抗分析方法来进行研究。图2为锂离子电池的交流阻抗模型，该模型包括电荷转移电阻R_ct，双电层电容C_d，欧姆电阻R_o以及阳极电感L_d；从电路角度来看可以找到一个最佳频率，在该频率下锂电池的交流阻抗最小，而更小的交流阻抗意味着更好的电化学反应和更少的充电能量损耗。图3为一种应用于锂电池的正弦电流充电技术，分别用不同频率的正弦电流充电、脉冲充电和恒流-恒压充电方式给同样的锂电池的充电，可以看到最佳频率的正弦电流充电方式下的充电效率、温升和电池寿命等充电特性均得到了不同程度的提升；但是这种方法只能用于小功率的充电器，电流和功率等级无法进一步提高，因而限制了其进一步的应用。

此外，还有人工神经网络、遗传算法、蚁群算法、灰色预测等效率较高的充电方式，但是这些充电方式的电路较为复杂，因而成本也相应提高。上述现有充电技术或存在充电效率不高，或存在频率范围较窄、电流和功率等级较低，或存在电路与控制方式复杂、成本过高等问题。考虑到上述方案中的缺陷，一种控制方式简单、充电效率高、频率和电流范围宽的阶梯电流充电电路会具有更好的应用前景。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种输出阶梯电流的电池充电电路，相对现有充电技术，其充电效率、电池温升等充电特性均能得到一定程度的提升，并且可以应用在高频、大电流和大功率场合。

一种输出阶梯电流的电池充电电路，包括：一输入电压源、一电容、n个电感L₁～L_n、n个开关管S₁～S_n和n个二极管D₁～D_n，n为大于2的自然数；其中：输入电压源的正极与电容的一端和n个电感L₁～L_n的一端共连，电感L_i的另一端与开关管S_i的一端和二极管D_i的阳极相连，n个二极管D₁～D_n的阴极共连并接电池的正极，n个开关管S₁～S_n的另一端与输入电压源的负极、电容的另一端和电池的负极共连，n个开关管S₁～S_n的控制极接收外部设备提供的驱动信号，i为自然数且1≤i≤n。

所述的输入电压源为直流电压源或前级交流电路经整流后的直流输出。

所述的电感在小功率充电器中为纯电感，在大功率车载充电器中为电机的绕组电感。

所述的开关管采用CoolMOS管。

所述的二极管采用快恢复二极管。

所述的电池为锂电池。

在一个开关周期内，n个开关管S₁～S_n的驱动信号均保持50％的占空比，且开关管S_i+1的驱动信号比开关管S_i的驱动信号延迟的相位。

本发明的工作原理如下(以三组开关管的为例)：

在一个开关周期内，三个开关管保持50％的占空比和0°、60°、120°的相位。当开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃同时导通时，充电电流为零；当开关管S₁关断、开关管S₂和开关管S₃导通时，充电电流为电感L₁上的电流；当开关管S₁和开关管S₂关断、开关管S₃导通时，充电电流为电感L₁上的电流与电感L₂上的电流之和；当开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃同时关断时，充电电流为电感L₁上的电流、电感L₂上的电流与电感L₃上的电流之和；当开关管S₁导通、开关管S₂和开关管S₃关断时，充电电流为电感L₂上的电流与电感L₃上的电流之和；当开关管S₁和开关管S₂导通、开关管S₃关断时，充电电流为电感L₃上的电流。在充电过程中，随着电池电压的变化，可以通过改变驱动信号的占空比和相位来调整充电电流，以保证充电电流平均值的恒定。改变驱动信号的频率，使得电池在对应SOC的最佳频率下充电，此时电池的交流阻抗最小，对应的充电效率和温升等充电性能会得到提升。

本发明充电电路相对现有技术，具有以下有益技术效果：

(1)控制方式简单；采用多相Boost电路，通过改变控制信号的频率、占空比和相位，可以得到输出幅值、频率可调的阶梯充电电流。

(2)充电特性好；与已有的恒流充电、脉冲充电与正弦电流充电方式相比，采用阶梯电流充电方式的充电效率、电池温升等充电性能均能得到不同程度的提升。

(3)可以应用在高频、大电流、大功率场合；既能用于小容量的充电器，又可以用在大功率的电动汽车中，应用范围更为广泛。

附图说明

图1为脉冲充电方式的输出电流示意图。

图2为锂电池交流阻抗的模型示意图。

图3为正弦交流充电方式的输出电流示意图。

图4为本发明充电电路的结构示意图。

图5为本发明充电电路中各驱动信号及输出电流的时序波形示意图。

图6(a)～(f)分别为本发明充电电路六种工作模式的原理示意图。

图7为本发明充电电路的实验验证波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。

如图4所示，一种输出阶梯电流的电池充电电路，包括：一个输入电压源、一个电容、三个电感、三个开关管和三个二极管；其中：输入电压源的正极与电容C的一端、电感L₁的一端、电感L₂的一端、电感L₃的一端相连，电感L₁的另一端与开关管S₁的漏极、二极管D₁的阳极相连，电感L₂的另一端与开关管S₂的漏极、二极管D₂的阳极相连，电感L₃的另一端与开关管S₃的漏极、二极管D₃的阳极相连，二极管D₁的阴极、二极管D₂的阴极、二极管D₃的阴极与锂电池的正极相连，输入电压源的负极与电容C的另一端、开关管S₁的源极、开关管S₂的源极、开关管S₃的源极、锂电池的负极相连。

本实施方式中，输入电压源采用直流电压源，开关管采用CoolMOS管，二极管采用快恢复二极管。

本实施方式充电电路的控制方式如图5所示。u_g1～u_g3是开关管S₁～S₃的驱动信号，由外部控制电路产生。i_D1～i_D3是流过二极管D₁～D₃的电流。i_B是流过电池的充电电流。

在一个开关周期内，开关管S₁、S₂、S₃保持50％的占空比，开关管S₂、S₃的控制信号分别比开关管S₁的控制信号延迟60°、120°的相位。电感L₁、L₂、L₃上的电流处在连续工作模式，电池的充电电流等于开关管关断时电感上电流的叠加。

根据上述驱动方式，本实施方式变换器在一个周期的工作过程中存在六种电路工作模态。

模态1：如图6(a)所示，开关管S₁、S₂、S₃开通，电流分别流过电感L₁和开关管S₁、电感L₂和开关管S₂、电感L₃和开关管S₃；此时，电感L₁、L₂、L₃上的电流线性上升，电池上通过的电流为零。

模态2：如图6(b)所示，开关管S₁关断，开关管S₂、S₃开通，电流分别流过电感L₁、二极管D₁和电池、电感L₂和开关管S₂、电感L₃和开关管S₃；此时，电感L₁上的电流线性下降，电感L₂、L₃上的电流线性上升，电池上通过的电流为电感L₁上的电流。

模态3：如图6(c)所示，开关管S₁、S₂关断，开关管S₃开通，电流分别流过电感L₁、二极管D₁和电池、电感L₂、二极管D₂和电池、电感L₃和开关管S₃；此时，电感L₁、L₂上的电流线性下降，电感L₃上的电流线性上升，电池上通过的电流为电感L₁上的电流与电感L₂上的电流之和。

模态4：如图6(d)所示，开关管S₁、S₂、S₃关断，电流分别流过电感L₁、二极管D₁和电池、电感L₂、二极管D₂和电池、电感L₃、二极管D₃和电池；此时，电感L₁、L₂、L₃上的电流线性下降，电池上通过的电流为电感L₁上的电流、电感L₂上的电流与电感L₃上的电流之和。

模态5：如图6(e)所示，开关管S₁导通，开关管S₂、S₃关断，电流分别流过电感L₁和开关管S₁、电感L₂、二极管D₂和电池、电感L₃、二极管D₃和电池；此时，电感L₁上的电流线性上升，电感L₂、L₃上的电流线性下降，电池上通过的电流为电感L₂上的电流与电感L₃上的电流之和。

模态6：如图6(f)所示，开关管S₁、S₂导通，开关管S₃关断，电流分别流过电感L₁和开关管S₁、电感L₂和开关管S₂、电感L₃、二极管D₃和电池；此时，电感L₁、L₂上的电流线性上升，电感L₃上的电流线性下降，电池上通过的电流为电感L₃上的电流。

上述六种模态中，每个模态的时间均相等，为六分之一个周期，每个模态之间电流的差值均相等。在充电过程中，随着电池电压的变化，可以通过改变控制信号的占空比来调整充电电流，以保证充电电流平均值的恒定。

利用本实施方式对一个3.2V的锂电池进行了充电实验验证。实验结果如图7所示，电流波形与理论分析一致，证明了本实施方式的有效性。通过与恒流充电的比较可以发现，本实施方式的温升更低，对应SOC下的交流阻抗更小，通过调节不同SOC下的充电频率，可以使温升一直保持在较低的范围。通过与恒流充电、脉冲电流充电、正线电流充电的比较可以发现，本实施方式的充电效率较高。同时，本实施方式可以用在高频和大电流、大功率场合，既能用于较小功率的充电器，也适用于电动汽车充电等领域。将本实施方式应用在快速充电场合，对电池的充电效率、温升等充电效果具有较为显著的改善。

Claims (7)

1.一种输出阶梯电流的电池充电电路，其特征在于，包括：一输入电压源、一电容、n个电感L₁～L_n、n个开关管S₁～S_n和n个二极管D₁～D_n，n为大于2的自然数；其中：输入电压源的正极与电容的一端和n个电感L₁～L_n的一端共连，电感L_i的另一端与开关管S_i的一端和二极管D_i的阳极相连，n个二极管D₁～D_n的阴极共连并接电池的正极，n个开关管S₁～S_n的另一端与输入电压源的负极、电容的另一端和电池的负极共连，n个开关管S₁～S_n的控制极接收外部设备提供的驱动信号，i为自然数且1≤i≤n。

2.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述的输入电压源为直流电压源或前级交流电路经整流后的直流输出。

3.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述的电感为纯电感或电机的绕组电感。

4.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述的开关管采用CoolMOS管。

5.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述的二极管采用快恢复二极管。

6.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述的电池为锂电池。

7.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：在一个开关周期内，n个开关管S₁～S_n的驱动信号均保持50％的占空比，且开关管S_i+1的驱动信号比开关管S_i的驱动信号延迟的相位。