CN104753146A - 一种馈能式变恒流值正负脉冲快速充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电学技术领域，涉及一种充电设备及方法，特别是一种馈能式变恒流值正负脉冲快速充电装置及方法，交流电依次经过空气开关、EMI滤波电路、全桥整流滤波电路和功率因数校正电路，功率因数校正电路分别与控制器和第一电压检测电路连接，控制器分别与比较调理电路和第一辅助电源连接，蓄电池充放电管理主电路分别与第一电压检测电路和第二电压检测电路连接，电流互感器分别与输出滤波电容、蓄电池和偏置电路连接，第二光耦器分别与第二电压检测电路和单片机控制电路连接，单片机控制电路分别与第二辅助电源、显示电路、驱动电路和偏置电路连接，显示电路与第二辅助电源连接；其结构简单，操作方便，充电时间短，电能利用率高。

Description

一种馈能式变恒流值正负脉冲快速充电装置及方法

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种充电设备及方法，特别是一种针对蓄电池的馈能式变恒流值的正负脉冲快速充电装置及方法。

背景技术：

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，其中极化问题的比较突出，它会影响蓄电池的充电接受能力，导致蓄电池充电速度缓慢。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，严重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，在正脉冲充电很长时间后，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，现有的正负脉冲充电法包括恒流正负脉冲和变恒流正负脉冲，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，造成能量的浪费，且由于采用电阻放电，放电电流不能调节，仅能随蓄电池端电压的升高而增大，在充电后期仅能通过减少放电时间而减少放电电能，造成放电电流对蓄电池瞬间冲击大。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计提供一种馈能式变恒流值的正负脉冲快速充电装置及方法，在整体上分为多个不同等级的恒流充电段，每个充电段由多个幅值逐渐减小的正负脉冲组成，且负脉冲阶段可以将放电电能存储到馈能电容中，在正脉冲到来时重新加以利用。

为了实现上述目的，本发明所述馈能式变恒流正负脉冲快速充电装置的主体结构包括空气开关、EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、功率因数校正电路、蓄电池充放电管理主电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、电流互感器、第一辅助电源、第二辅助电源、控制器、比较调理电路、第一光耦器、第二光耦器、单片机控制电路、偏置电路、驱动电路和显示电路；空气开关与外接的220V交流电连接，220V交流电依次经过空气开关、EMI滤波电路、全桥整流滤波电路和功率因数校正电路，其中EMI滤波电路滤除电磁干扰；全桥整流滤波电路将交流电变成直流电；功率因数校正电路提高整个装置的功率因数并把整流后的直流电变成蓄电池充放电管理主电路所需要的输入直流电压；功率因数校正电路分别与控制器和第一电压检测电路电连接，控制器分别与比较调理电路和第一辅助电源电连接，第一电阻和第二电阻组成第一电压检测电路，用于检测整流后的电压，电压经过与第一电压检测电路电连接的第一光耦器隔离后，送入比较调理电路，使控制器产生第一驱动来对功率因数校正电路的开关管进行控制；蓄电池充放电管理主电路分别与第一电压检测电路和第二电压检测电路电连接，第三电阻和第四电阻组成第二电压检测电路，用于检测蓄电池两端的电压；蓄电池充放电管理主电路采用双向Buck-Boost直流变换电路，由电解电容、第一开关管、第一二极管、第二开关管、第二二极管、滤波电感、输出滤波电容和蓄电池按照电学原理组装构成，蓄电池充电时，蓄电池充放电管理主电路工作于buck电路断续工作模式叠加boost电路；蓄电池放电时，蓄电池充放电管理主电路工作于boost电路断续工作模式叠加buck电路，电解电容为功率因数校正电路的输出滤波电容，形成正负脉冲充放电电流；电流互感器分别与输出滤波电容、蓄电池和偏置电路电连接，检测蓄电池的充电电流和放电电流；第二光耦器分别与第二电压检测电路和单片机控制电路电连接，电流互感器的检测值经过偏置电路后与第四电阻上的分压值经过第二光耦器隔离后的分压值一起送入单片机控制电路，单片机控制电路分别与第二辅助电源、显示电路、驱动电路和偏置电路电连接，偏置电路将电流互感器检测到的放电电流转化为正电流；电压经单片机控制电路运算后输出PWM控制信号，PWM控制信号经驱动电路后产生第二驱动和第三驱动两路驱动信号，分别用于控制与驱动电路连接的第一开关管和第二开关管；显示电路与第二辅助电源电连接，用于蓄电池充放电的指示。

本发明实现馈能式变恒流正负脉冲快速充电的具体过程为：

(1)、先将单片机控制电路中的单片机初始化并进行PWM模式配置，显示电路的指示灯红灯亮，提示蓄电池需充电；

(2)、开始进行充电，先由第二电压检测电路检测蓄电池的端电压，若蓄电池为满电量，则不需要充电，直接闭锁PWM，显示电路的指示灯变绿，提示充电完成；若蓄电池需要充电，则根据蓄电池的端电压判断其荷电状态选择对应的充电电流和放电电流；

(3)、设置正脉冲时间为m，进行正脉冲充电，当m>0时，正脉冲时间未结束，继续进行正脉冲充电，当m<0时，正脉冲充电结束，进入负脉冲放电；

(4)、设置负脉冲放电时间为n，进行负脉冲放电，当n>0时，负脉冲时间未结束，继续进行负脉冲充电，当n<0时，负脉冲充电结束，判断是否达到设定的间歇检测时间；

(5)、若达到间歇检测时间，则进入间歇状态，此时第一开关管和第二开关管均处于关断状态，间歇时间大于0时，间歇未结束，继续间歇；当间歇时间小于0时，间歇结束；若未达到间歇检测时间，则继续使用正负脉冲进行充放电，直到达到间歇检测时间；

(6)、间歇过后，重新检测蓄电池的端电压，若蓄电池充满电，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，则根据蓄电池端电压判断电池的荷电状态选择对应的充电电流和放电电流继续充电，如此循环，直到电池充满能量，实现蓄电池的馈能式变恒流正负脉冲快速充电。

本发明所述充电过程采用变恒流的充电方法，以蓄电池的两端电压为基准，按阶梯形原则，分为多个恒流充电段，当蓄电池的电压升高到指定电压时(即达到一定荷电量时)，将充电电流减小一个阶梯，直至充电结束，恒流充电段的数量根据实际需要由单片机控制电路中的单片机设置，分的恒流充电段越多，整个充电过程的充电电流波形越接近马斯曲线；随着充电过程的进行，蓄电池的端电压逐渐升高，充电电流会降低，则通过电流互感器与单片机配合，调整第一开关管和第二开关管的占空比，以保持充电电流恒定；每个恒流充电段由多个正脉冲和负脉冲组成，正脉冲对蓄电池充电，负脉冲用于蓄电池放电，从而提高蓄电池的充电接受能力；负脉冲的放电电流为正脉冲的充电电流的比值恒定，其比值通过电流互感器8与单片机配合，调整一开关管和第二开关管的占空比实现；负脉冲的放电电能会存储在电解电容中，在正脉冲到来时重新加以利用；在每个开关周期内，电感中流过的电流为三角波电流，均存在电流为零的时刻，此时第一开关管和第二开关管都工作在零电压软开关状态，以提高电路的效率。

本发明的正脉冲充电时间T1(比如30ms)比负脉冲放电时间T2(比如1ms)多，具体的正负脉冲充放电时间T1和T2由单片机控制电路设定。

本发明通过调整第一开关管和第二开关管的占空比来实现每一充电段的充放电电流恒定及充放电电流段的改变，单片机控制电路内部输出的两路PWM波形改变第一开关管和第二开关管的的占空比，通过单片机控制电路自动控制两个开关管的导通时间，从而实现变电流快速充电方法。

本发明与现有技术相比，通过调整正负脉冲的交替频率，可以在一定程度上对蓄电池进行修复，属于修复型充电方法，与现有正负脉冲充电方法相比，一方面在充电过程中逐渐减小充放电电流，从而减少充电过程对蓄电池的冲击，延长蓄电池的使用寿命，另一方面将负脉冲的放电电能存储到馈能电容中，在正脉冲到来时加以重新利用，达到节能的目的，且电路实现了软开关技术可以大大减少开关损耗，其结构简单，操作方便，充电时间短，电能利用率高，适用于多种双向DC/DC变换器，如非隔离型的由简单拓扑构成的双向buck-boost变换器、双向cuk变换器、双向sepic/Zeta变换器等，隔离型的小功率的双向反激变换器、中小功率的双向推挽变换器、大功率的双向半桥变换器和大功率的双向全桥变换器等，根据具体的充电要求可以选择适当的拓扑。

附图说明：

图1为本发明所述馈能式变恒流正负脉冲快速充电装置的结构原理示意图。

图2为本发明蓄电池变电流充电方案图。

图3为本发明蓄电池每个恒流段内正负脉冲充放电方案图；

图4为本发明蓄电池充放电管理电路主电路图。

图5为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示意图。

图6为本发明馈能式变恒流正负脉冲快速充电的工作流程示意框图。

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。

实施例：

本发明所述馈能式变恒流正负脉冲快速充电装置的主体结构包括空气开关1、EMI滤波电路2、全桥整流滤波电路3、功率因数校正电路4、蓄电池充放电管理主电路5、第一电压检测电路6、第二电压检测电路7、电流互感器8、第一辅助电源9、第二辅助电源10、控制器11、比较调理电路12、第一光耦器13、第二光耦器14、单片机控制电路15、偏置电路16、驱动电路17和显示电路18；空气开关1与外接的220V交流电连接，220V交流电依次经过空气开关1、EMI滤波电路2、全桥整流滤波电路3和功率因数校正电路4，其中EMI滤波电路2滤除电磁干扰；全桥整流滤波电路3将交流电变成直流电；功率因数校正电路4提高整个装置的功率因数并把整流后的直流电变成蓄电池充放电管理主电路5所需要的输入直流电压；功率因数校正电路4分别与控制器11和第一电压检测电路6电连接，控制器11分别与比较调理电路12和第一辅助电源9电连接，第一电阻R1和第二电阻R2组成第一电压检测电路，用于检测整流后的电压，电压经过与第一电压检测电路6电连接的第一光耦器隔离后，送入比较调理电路12，使控制器11产生第一驱动19来对功率因数校正电路4的开关管进行控制；蓄电池充放电管理主电路5分别与第一电压检测电路6和第二电压检测电路7电连接，第三电阻R3和第四电阻R4组成第二电压检测电路7，用于检测蓄电池E两端的电压；蓄电池充放电管理主电路5由电解电容C1、第一开关管V1、第一二极管D1、第二开关管V2、第二二极管D2、滤波电感L、输出滤波电容C2和蓄电池E按照电学原理组装构成，蓄电池充电时，蓄电池充放电管理主电路工作于buck电路断续工作模式叠加boost电路；蓄电池放电时，蓄电池充放电管理主电路工作于boost电路断续工作模式叠加buck电路，电解电容C1为功率因数校正电路4的输出滤波电容，形成正负脉冲充放电电流；电流互感器8分别与输出滤波电容C2、蓄电池E和偏置电路16电连接，检测蓄电池E的充电电流和放电电流；第二光耦器14分别与第二电压检测电路7和单片机控制电路15电连接，电流互感器8的检测值经过偏置电路16后与第四电阻R4上的分压值经过第二光耦器14隔离后的分压值一起送入单片机控制电路15，单片机控制电路15分别与第二辅助电源10、显示电路18、驱动电路17和偏置电路16电连接，偏置电路16将电流互感器8检测到的放电电流转化为正电流；电压经单片机控制电路15运算后输出PWM控制信号，PWM控制信号经驱动电路17后产生第二驱动20和第三驱动21两路驱动信号，分别用于控制与驱动电路17连接的第一开关管V1和第二开关管V2；显示电路18与第二辅助电源10电连接，用于蓄电池充放电的指示。

本实施例实现馈能式变恒流正负脉冲快速充电的具体过程为：

(1)、先将单片机控制电路15中的单片机初始化并进行PWM模式配置，显示电路18的指示灯红灯亮，提示蓄电池E需充电；

(2)、开始进行充电，先由第二电压检测电路7检测蓄电池E的端电压，若蓄电池E为满电量，则不需要充电，直接闭锁PWM，显示电路18的指示灯变绿，提示充电完成；若蓄电池E需要充电，则根据蓄电池E的端电压判断其荷电状态选择对应的充电电流和放电电流；

(3)、设置正脉冲时间为m，进行正脉冲充电，当m>0时，正脉冲时间未结束，继续进行正脉冲充电，当m<0时，正脉冲充电结束，进入负脉冲放电；

(4)、设置负脉冲放电时间为n，进行负脉冲放电，当n>0时，负脉冲时间未结束，继续进行负脉冲充电，当n<0时，负脉冲充电结束，判断是否达到设定的间歇检测时间；

(5)、若达到间歇检测时间，则进入间歇状态，此时第一开关管V1和第二开关管V2均处于关断状态，间歇时长大于0时，间歇未结束，继续间歇；当间歇时间小于0时，间歇结束；若未达到间歇检测时间，则继续使用正负脉冲进行充放电，直到达到间歇检测时间；

(6)、间歇过后，重新检测蓄电池E的端电压，若蓄电池E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，则根据蓄电池端电压判断电池的荷电状态选择对应的充电电流和放电电流继续充电，如此循环，直到电池充满能量，实现蓄电池的馈能式变恒流正负脉冲快速充电。

本发明所述充电过程采用变恒流的充电方法，以蓄电池E的两端电压为基准，按阶梯形原则，分为五个恒流充电段(如图2所示)，当蓄电池E的电压升高到指定电压时(即达到一定荷电量时)，将充电电流减小一个阶梯，直至充电结束，恒流充电段的数量根据实际需要由单片机控制电路15中的单片机设置，分的恒流充电段越多，整个充电过程的充电电流波形越接近马斯曲线；随着充电过程的进行，蓄电池E的端电压逐渐升高，充电电流会降低，则通过电流互感器8与单片机配合，调整第一开关管V1和第二开关管V2的占空比，以保持充电电流恒定；每个恒流充电段由多个正脉冲和负脉冲组成，正脉冲对蓄电池E充电，负脉冲用于蓄电池放电，从而提高蓄电池的充电接受能力；负脉冲的放电电流为正脉冲的充电电流的比值恒定，其比值通过电流互感器8与单片机配合，调整一开关管V1和第二开关管V2的占空比实现；负脉冲的放电电能会存储在电解电容C1中，在正脉冲到来时重新加以利用；在每个开关周期内，电感L中流过的电流为三角波电流，均存在电流为零的时刻，此时第一开关管V1和第二开关管V2都工作在零电压软开关状态，以提高电路的效率，图3中的虚线代表蓄电池中流过的等效充放电电流。

本实施例的蓄电池充放电管理主电路5为双向Buck-Boost直流变换电路，如图4所示，给蓄电池E充电时，蓄电池充放电管理主电路5工作在Buck模式，放电时蓄电池充放电管理主电路5工作在Boost模式，实现能量的双向流动；两个开关管V1和V2分别对应充电和放电，由单片机经专用驱动芯片进行控制，可设定充电时间、放电时间和死区时间，该电路有三种工作状态：一是滤波电感L电流恒大于零时，工作在硬开关Buck充电状态；二是滤波电感L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；当滤波电感L的平均电流小于零，为Boost模式，即放电模式；三是电感电流恒小于零时，工作在硬开关Boost放电状态；本实施例充放电时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，如图5所示：

t0-t1：在t0时刻，第一开关管V1导通，第二开关管V2关断，滤波电感L电流为减小零，开始线性增加；

t1-t2：在t1时刻，第一开关管V1被关断，第二开关管V2此时仍处于关断状态，由于滤波电感L电流不能突变，第二二极管D2开始自然续流，同时滤波电感L电流开始线性减小；

t2-t3：在t2时刻，第二开关管V2零电压导通，因为第二二极管D2的续流使其两端电压为零，滤波电感L电流继续线性减小；

t3-t4：此阶段第二开关管V2继续保持导通状态，滤波电感L电流继续减小到零，并开始反极性线性增加；

t4-t5：在t4时刻，第二开关管V2被关断，第一二极管D1开始自然续流，滤波电感L电流继续反极性增加；

t5-t6：在t5时刻，同理第一开关管V1两端的电压为零，第一开关管V1开始零电压导通，滤波电感L电流开始线性减小，在t6时刻滤波电感L的电流再次减小到零，并继而反向增大，开始下一个开关周期。

为使两个开关管在零电压下开通，第一开关管V1在t4-t6导通，而第二开关管V2必须在t1-t3阶段导通，通过设计滤波电感L，使其工作在第二种工作状态，即软开关状态。

本实施例正脉冲充电时视为buck电路断续工作模式与boost电路叠加，t0-t3时间较长，该阶段利用buck电路对蓄电池进行充电，t3-t6时间较短，该阶段由于buck电路断续，输出滤波电容C2对蓄电池进行充电，叠加的boost电路用于实现软开关；负脉冲放电时视为boost电路断续工作模式与buck电路叠加，t3-t6时间较长，该阶段利用boost电路让蓄电池放电，并在t3-t5阶段馈能到电解电容C1中存储，t6-t7时间较短，该阶段由于boost电路断续，蓄电池对输出滤波电容C2进行放电；电池处于正脉冲充电还是负脉冲放电取决于第一开关管V1和第二开关管V2的占空比。

Claims (2)

1.一种馈能式变恒流值正负脉冲快速充电装置，其特征在于主体结构包括空气开关、EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、功率因数校正电路、蓄电池充放电管理主电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、电流互感器、第一辅助电源、第二辅助电源、控制器、比较调理电路、第一光耦器、第二光耦器、单片机控制电路、偏置电路、驱动电路和显示电路；空气开关与外接的220V交流电连接，220V交流电依次经过空气开关、EMI滤波电路、全桥整流滤波电路和功率因数校正电路，其中EMI滤波电路滤除电磁干扰；全桥整流滤波电路将交流电变成直流电；功率因数校正电路提高整个装置的功率因数并把整流后的直流电变成蓄电池充放电管理主电路所需要的输入直流电压；功率因数校正电路分别与控制器和第一电压检测电路电连接，控制器分别与比较调理电路和第一辅助电源电连接，第一电阻和第二电阻组成第一电压检测电路，用于检测整流后的电压，电压经过与第一电压检测电路电连接的第一光耦器隔离后，送入比较调理电路，使控制器产生第一驱动对功率因数校正电路的开关管进行控制；蓄电池充放电管理主电路分别与第一电压检测电路和第二电压检测电路电连接，第三电阻和第四电阻组成第二电压检测电路，用于检测蓄电池两端的电压；蓄电池充放电管理主电路采用双向Buck-Boost直流变换电路，由电解电容、第一开关管、第一二极管、第二开关管、第二二极管、滤波电感、输出滤波电容和蓄电池按照电学原理组装构成，蓄电池充电时，蓄电池充放电管理主电路工作于buck电路断续工作模式叠加boost电路；蓄电池放电时，蓄电池充放电管理主电路工作于boost电路断续工作模式叠加buck电路，电解电容为功率因数校正电路的输出滤波电容，形成正负脉冲充放电电流；电流互感器分别与输出滤波电容、蓄电池和偏置电路电连接，检测蓄电池的充电电流和放电电流；第二光耦器分别与第二电压检测电路和单片机控制电路电连接，电流互感器检测到的电流值经过偏置电路后与第四电阻上的分压值经过第二光耦器隔离后的分压值一起送入单片机控制电路，单片机控制电路分别与第二辅助电源、显示电路、驱动电路和偏置电路电连接，偏置电路将电流互感器检测到的放电电流转化为正电流；电压经单片机控制电路运算后输出PWM控制信号，PWM控制信号经驱动电路后产生第二驱动和第三驱动两路驱动信号，分别用于控制与驱动电路连接的第一开关管和第二开关管；显示电路与第二辅助电源电连接，用于蓄电池充放电的指示。

2.一种采用如权利要求1所述馈能式变恒流值正负脉冲快速充电装置实现馈能式变恒流正负脉冲快速充电的方法，其特征在于具体的快速充电过程为：

(1)、先将单片机控制电路中的单片机初始化并进行PWM模式配置，显示电路的指示灯红灯亮，提示蓄电池需充电；

(2)、开始进行充电，先由第二电压检测电路检测蓄电池的端电压，若蓄电池为满电量，则不需要充电，直接闭锁PWM，显示电路的指示灯亮绿灯，提示充电完成；若蓄电池需要充电，则根据蓄电池的端电压判断其荷电状态选择对应的充电电流和放电电流；

(3)、设置正脉冲时间为m，进行正脉冲充电，当m>0时，正脉冲充电未结束，继续进行正脉冲充电，当m<0时，正脉冲充电结束，进入负脉冲放电；

(4)、设置负脉冲放电时间为n，进行负脉冲放电，当n>0时，负脉冲时间未结束，继续进行负脉冲充电，当n<0时，负脉冲充电结束，判断是否达到设定的间歇检测时间；

(5)、若达到间歇检测时间，则进入间歇状态，此时第一开关管和第二开关管均处于关断状态，间歇时间大于0时，间歇未结束，继续间歇；当间歇时间小于0时，间歇结束；若未达到间歇检测时间，则继续使用正负脉冲进行充放电，直到达到间歇检测时间；

(6)、间歇过后，重新检测蓄电池的端电压，若蓄电池充满电，则闭锁PWM，停止充电，且指示灯亮绿灯，提示充电完毕；若电池没有充满电，则根据蓄电池端电压判断电池的荷电状态选择对应的充电电流和放电电流继续充电，如此循环，直到电池充满能量，实现蓄电池的馈能式变恒流正负脉冲快速充电。