CN107147197B - 一种柔性跟随式智能充电方法及充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性跟随式智能充电方法及充电装置，其按照时间顺序包括预充电阶段、第一恒流充电阶段、恒压恒流脉冲充电阶段、第一恒压充电阶段、第二恒流充电阶段、第二恒压充电阶段以及均衡充电阶段；该柔性跟随式智能充电方法以及充电装置能够实时监控电池的状态并根据电池在每个阶段的受电能力，主动改变充电电压及电流参数，自动实施整个充电过程，解决了二次电池欠充、过充以及充电过程中温升过高、析气过多的普遍问题，有助于在充电过程中充进更多电量，同时延长电池的单次使用时间及实际使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种柔性跟随式智能充电方法及充电装置。
背景技术
二次电池能够反复进行充放电，具有良好的蓄电储能特性，广泛应用于工业生产领域及民用交通领域，能够逐步替代燃油的使用，达到减排环保的目的。譬如电动叉车、电动汽车及其它环保型电动车就大量装备使用了铅酸电池或锂离子电池。但目前市场上用户普遍都反映两个问题：一是电池充电次数频繁，每次充电后使用不了多久就要再次充电，二是电池的实际使用寿命通常只达到设计寿命的1/2甚至更短，远远低于设计寿命；这二者使得二次电池的使用性价比降低，企业或个人不得不提前报废大量旧电池，支付昂贵的费用来更换新的电池，造成了社会资源的浪费，不利于新能源政策的推广实施。
究其实际原因，就是因为使用了不恰当的充电控制方法导致了二次电池欠充或过充，即电池充不满电或过早报废。目前市面上电池充电设备的充电过程一般都采用：首先大电流恒流充电，当电池电压达到某个阈值(稍低于最高充电电压)后转为恒压充电，之后任其充电电流逐渐减小。这种充电方式最大的缺点就是忽视了二次电池在充电的各个阶段中的自然受电能力，在充电电流应该减小的时候用大电流，应该增大的时候反而用小电流；大电流恒流充电会使电池内部活性物质一直处于高速运动状态，运动克服阻力所产生的热量没有时间释放，这就造成电池内部的局部温度一直升高，同时容易产生较多气体；此处，蓄电池充电过程中，会出现析气现象。析气现象是指当电极电位超过某一特定值后，电解液会发生电化学反应，表现为负极析氢，正极析氧，这个特定的电压值称之为析气电压点。对于蓄电池而言，析气电压点为2.35V/节。进入恒压充电阶段后也并未主动将充电电流减小，多次恶劣充电后必然直接导致电池鼓胀，容量下降，缩短电池使用寿命；而且还存在较大的使用安全隐患，甚至可能发生电池冒烟起火的危险。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，目的在于解决二次电池欠充、过充以及充电过程中温升过高、析气过多的技术问题。
为了解决上述的技术问题，本发明提出的基本技术方案为：
具体的，本发明提供一种柔性跟随式智能充电方法，其包括以下步骤：
对电池输入预充电流进行充电，直至电池电压值大于放电时的截止电压值，结束预充电阶段；此处，所述预充电流范围为0.04C～0.1C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示；
对电池输入第一恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值，结束第一恒流充电阶段；此处，所述第一恒流范围为0.14C-0.5C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示；
对电池进行恒压恒流脉冲充电并使电池电压的恒压值始终保持低于所述最低析气电压值，持续30分钟，结束恒压恒流脉冲充电阶段；
对电池恒压充电，充电时使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值，直至充电电流降至所述第一恒流值的二分之一，结束第一恒压充电阶段；
对电池输入第二恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值的1.05倍，结束第二恒流充电阶段；
对电池恒压充电，直至电池电流降至所述预充电电流，结束第二恒压充电阶段；
对电池输入预充电电流，并将电池的总充电电压设置为电池的最低析气电压值的1.1倍进行充电，直至电池达到所设置的电压值，结束均衡充电阶段。
进一步，所述恒压恒流脉冲充电阶段包括15个子循环充电阶段，所述每个子循环充电阶段充电持续2分钟，每个子循环充电阶段具体包括以下步骤：
对电池输入预充电电流进行充电，时间持续1分钟；
对电池输入第一恒流进行充电，直至时间达到1分钟或电池电压值等于电池的最低析气电压值。
进一步，在第一恒压充电阶段，当充电电流过大使电池电压大于电池的最低析气电压时，充电系统输入第一充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值；当充电电流偏小使电池电压小于电池的最低析气电压时，充电系统输入第二充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。
作为本发明的另一种改进，本发明还提供一种柔性跟随式智能充电装置，其包括：
采集模块，用于采集电池的电压和电流，输出采集信号；
充电模块，根据所述采集信号，充电时，对电池输入预充电流进行充电，直至电池电压值大于放电时的截止电压值，结束预充电阶段；对电池输入第一恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值，结束第一恒流充电阶段；对电池进行恒压恒流脉冲充电并使电池电压的恒压值始终保持低于所述最低析气电压值，持续三十分钟，结束恒压恒流脉冲充电阶段；对电池恒压充电，充电时使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值，直至充电电流降至所述第一恒流值的二分之一，结束第一恒压充电阶段；对电池输入第二恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值的1.05倍，结束第二恒流充电阶段；对电池恒压充电，直至电池电流降至所述预充电电流，结束第二恒压充电阶段；对电池输入预充电流，并将电池的总充电电压设置为电池的最低析气电压值的1.1倍进行充电，直至电池电压值达到所设置的电压值，结束均衡充电阶段；此处，所述预充电流范围为0.04G～0.1C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示；所述第一恒流范围为0.14C-0.5C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示。
进一步，所述恒压恒流脉冲充电阶段包括15个子循环充电阶段，所述每个子循环充电阶段充电持续2分钟，每个子循环充电阶段具体包括以下步骤：
对电池输入预充电流进行充电，时间持续1分钟；
对电池输入第一恒流进行充电，直至时间达到1分钟或电池电压值等于电池的最低析气电压值。
进一步，在第一恒压充电阶段，当充电电流过大使电池电压大于电池的最低析气电压时，充电系统输入第一充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值；当充电电流偏小使电池电压小于电池的最低析气电压时，充电系统输入第二充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。
进一步，所述充电模块包括：
微处理器，根据所述采集信号，输出电流控制信号；
充电电流匹配模块，根据所述电流控制信号，输出对应不同充电阶段的匹配电压信号；
变频控制模块，根据所述匹配电压信号，输出变频脉冲信号；
隔离驱动模块，根据所述变频脉冲信号，输出同相位驱动信号；
功率变换模块，根据所述同相位驱动信号，对电池进行充电。
进一步，所述功率变换模块包括：
第一整流滤波电路，外接交流电压，并将所述交流电压进行整流和滤波，输出直流电压：
高频斩波电路，根据所述同相位驱动信号和直流电压，输出对应脉宽的高频脉冲电压；
第二整流滤波电路，对所述高频脉冲电压进行整流和滤波；
电池防反接电路，用于接通或断开充电回路；所述电池防反接电路的输入端和所述第二整流滤波电路电连接，输出端和二次电池组电连接。
进一步，当待充电电池正负极反接于充电电路，所述电池防反接电路检测到待充电电池的电压相对于地电位为负压，此时电池防反接电路断开充电回路；当待充电电池正确接入，电池防反接电路检测到待充电电池的电压大于设定的电压阈值，延时数秒，接通充电回路。所述电压阈值等于0.9*电池终止放电的电压值。
进一步，所述充电模块还包括电流信号转换电路、电池温度采集电路以及充电过流保护电路；
所述电流信号转换电路检测当前电池的充电电流，对微处理器输出检测信号，微处理器对该检测信号进行模数转换，并显示出当前电池的充电电流值。
所述电池温度采集电路采集电池充电温度，对所述变频控制模块输出采集信号，以便所述变频控制模块控制充电时的最高充电电压。
所述充电过流保护电路根据所述电流控制信号，得出电流误差信号，并将所述电流误差信号输入变频控制模块，控制所述变频脉冲信号的频率。
本发明的有益效果是：该柔性跟随式智能充电方法及智能充电装置能够实时监控电池的状态并根据电池在每个阶段的受电能力，主动改变充电电压及电流参数，自动实施整个充电过程，解决了二次电池欠充、过充以及充电过程中温升过高、析气过多的普遍问题，有助于在充电过程中充进更多电量，同时延长电池的单次使用时间及实际使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种柔性跟随式智能充电方法的流程图。
图2为本发明实施例提供一种柔性跟随式智能充电装置的示意图。
图3为本发明实施例提供的采集模块的电路结构示意图。
图4为本发明实施例提供的微处理器的电路结构示意图。
图5为本发明实施例提供的充电电流匹配模块的电路结构示意图。
图6为本发明实施例提供的变频控制模块的电路结构示意图。
图7为本发明实施例提供的隔离驱动模块的电路结构示意图。
图8为本发明实施例提供的电池防反接电路的电路结构示意图。
图9为本发明实施例提供的电池温度采集电路的电路结构示意图。
图10为本发明实施例提供的充电过流保护电路的电路结构示意图。
图11为本发明实施例提供的电流信号转换电路的电路结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图1至11对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。为了方便说明并且理解本发明的技术方案，以下说明所使用的方位词均以附图所展示的方位为准。
请参考图1，图1为本发明实施例提供一种柔性跟随式智能充电方法的流程图。如图1所示，该柔性跟随式智能充电方法包括以下步骤：
S1、对电池输入预充电流进行充电，直至电池电压值大于放电时的截止电压值，结束预充电阶段；
在本步骤S1中，由于二次电池过度放电或者长期放置后，电池内部活性物质会处于一种惰性或者休眠状态，只能用小电流来激活到正常状态。根据不同类型的二次电池，本实施例提供的预充电电流Ista设置范围是0.04C-0.1C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示。预充电阶段的时间长短取决于电池电压是否恢复到放电截至电压之上。本实施例的电池为二次电池组。
S2、对电池输入第一恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值，结束第一恒流充电阶段：
在本步骤S2中，此处第一恒流范围为0.14C-0.5C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示。电池处于第一恒流充电阶段，可以充进80％左右的电量。随着电池电压缓慢升高，内部活性物质的快速运动亦使温度升高。当电池正负极电压接近电池的最低析气电压点Vpx时，正负极开始逐渐析出气体，析气反应的过程也伴随热量产生，导致电池内部温升加剧。
S3、对电池进行恒压恒流脉冲充电并使电池电压的恒压值始终保持低于所述最低析气电压值，持续30分钟，结束恒压恒流脉冲充电阶段；
在本步骤S3中，针对步骤S2出现的电池内部温升，此时需要给电池内部提供散热的时间，并且充电过程尽量保证不能析出气体，于是进入减小平均电流的恒压恒流脉冲充电阶段；充电时使电池电压的恒压值保持低于所述最低析气电压值。恒压恒流脉冲充电阶段包括15个子循环充电阶段，每个子循环充电阶段充电持续2分钟，每个子循环充电阶段具体包括以下步骤：
对电池输入预充电流进行充电，时间持续1分钟：
对电池输入第一恒流进行充电，直至时间达到1分钟或电池电压值等于电池的最低析气电压值。
经过恒压恒流脉冲充电阶段，电池内部温升渐降，析气减少，达到一个自平衡状态。
S4、对电池恒压充电，充电时使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值，直至充电电流降至所述第一恒流值的二分之一，结束第一恒压充电阶段；
在本步骤S4中，在保证不增加析气的前提下，根据电池本身的受电能力，由电池自主选择充电电流，而充电系统要做的就是保证充电时使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值，监控充电电流并进行合理地干预。具体的，在第一恒压充电阶段，当充电电流过大使电池电压大于电池的最低析气电压时，充电系统输入第一充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值；当充电电流偏小使电池电压小于电池的最低析气电压时，充电系统输入第二充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。
当充电电流偏大造成电池电压出现正增量+ΔVpx，即充电电流过大使电池电压大于电池的最低析气电压，意味着该电流已超出电池对应电压下的受电能力，超出受电能力的电能会用来析气并产生热量，使电池内部温度升高，于是充电系统输出第一充电电流，给充电电流设置一个负增量-ΔIy1，抵消此前的电压正增量+ΔVpx，使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。当充电电流偏小导致电池电压出现负增量-ΔVpx，即充电电流偏小使电池电压小于电池的最低析气电压，意味着电池在对应电压下还可以接受更多的电量，于是，充电系统输出第二充电电流，给电流设置一个正增量+ΔIy2，补偿此前的电压负增量-ΔVpx，使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。因此，在电池电压值稳定于电池的最低析气电压值的前提下，实际的充电电流会跟随电池的理想受电电流曲线作微小的变化，其包络线也正反应了其理想受电电流曲线。
充电电流降至所述第一恒流值的二分之一，此时的充电电流属于慢充电流，不会对电池造成不良影响。
S5、对电池输入第二恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值的1.05倍，结束第二恒流充电阶段；
S6、时电池恒压充电，直至电池电流降至预充电电流，结束第二恒压充电阶段；
在本步骤S6中，充电系统要做的就是保证电池电压稳定在1.05Vpx，其具体实施原理和第一恒压充电阶段一样，在此不再赘述。
S7、对电池输入预充电电流，并将电池的总充电电压设置为电池的最低析气电压值的1.1倍进行充电，直至电池达到所设置的电压值，结束均衡充电阶段。
在步骤S7中，考虑到所有的大容量二次电池组均由数十甚至数百节电池单元串并联而成，这样在充电结束后，就会存在单个电池单元端电压不一致甚至相差较大的情况，长期下去会导致各个电池单元的放电能力出现较大差异；针对这个情况，我们增加均衡充电阶段。此阶段采用小电流高电压的充电方法来提高较低的电池端电压，调节电池电解液的比重，减小各电池单元内阻的差异，同时使各个电池单元电动势尽量保持一致。
其中，电池充电时，端充电电压U＝电池电势E+充电电流I*电池内阻r；在上式中，各个电池单元的串联充电电流I是一致的，电池内阻则与电池电解液比重、活性物质浓度及温度等因素有关，电池电动势E随着充进电量越多而逐渐上升，但是到了充电后期，随着电池内部活性物质的浓度达到动态平衡状态，电池电动势E已基本不再变化，用小电流，即预充电电流充电目的主要是为了调节电池电解液的比重，减小内阻差异；对于内阻r较大的电池单元，需要端充电电压较高，而内阻较小的电池单元，需要端充电电压较低，因此总充电电压需要提高至1.1*Vpx，以满足电池自身的动态均衡要求。
本实施例柔性跟随式智能充电方法能够实时监控电池的状态并根据电池在每个阶段的受电能力，主动改变充电电压及电流参数，自动实施整个充电过程，解决了二次电池欠充、过充以及充电过程中温升过高、析气过多的普遍问题，有助于在充电过程中充进更多电量，同时延长电池的单次使用时间及实际使用寿命。
本发明实施例还提供一种柔性跟随式智能充电装置，该充电装置包括采集模块10和充电模块，采集模块10采集电池不同充电阶段的电压和电流，根据不同充电阶段输出缩小或放大的采集信号。充电模块根据采集信号，对电池充电时，对电池输入预充电流进行充电，直至电池电压值大于放电时的截止电压值，结束预充电阶段。根据不同类型的二次电池，本实施例提供的预充电电流Ista设置范围是0.04C-0.1C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示。预充电阶段的时间长短取决于电池电压是否恢复到放电截至电压之上。本实施例的电池为二次电池组。
对电池输入第一恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值，结束第一恒流充电阶段。此处第一恒流范围为0.14C-0.5C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示。电池处于第一恒流充电阶段，可以充进80％左右的电量。
对电池进行恒压恒流脉冲充电并使电池电压的恒压值始终保持低于所述最低析气电压值，持续30分钟，结束恒压恒流脉冲充电阶段；针对第一恒流充电阶段中电池内部温升，此时需要给电池内部提供散热的时间，并且充电过程尽量保证不能析出气体，于是进入减小平均电流的恒压恒流脉冲充电阶段。充电时使电池电压的恒压值保持低于所述最低析气电压值。恒压恒流脉冲充电阶段包括15个子循环充电阶段，每个子循环充电阶段充电持续2分钟，每个子循环充电阶段具体包括以下步骤：对电池输入预充电流进行充电，时间持续1分钟；对电池输入第一恒流进行充电，直至时间达到1分钟或电池电压值等于电池的最低析气电压值。经过恒压恒流脉冲充电阶段，电池内部温升渐降，析气减少，达到一个自平衡状态。
对电池恒压充电，充电时使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值，直至充电电流降至所述第一恒流值的二分之一，结束第一恒压充电阶段；在保证不增加析气的前提下，根据电池本身的受电能力，由电池自主选择充电电流，而充电系统要做的就是保证充电时使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值，监控充电电流并进行合理地干预。具体的，在第一恒压充电阶段，当充电电流过大使电池电压大于电池的最低析气电压时，充电系统输入第一充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值；当充电电流偏小使电池电压小于电池的最低析气电压时，充电系统输入第二充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。当充电电流偏大造成电池电压出现正增量+ΔVpx，即充电电流过大使电池电压大于电池的最低析气电压，意味着该电流已超出电池对应电压下的受电能力，超出受电能力的电能会用来析气并产生热量，使电池内部温度升高，于是充电系统输入第一充电电流，给充电电流设置一个负增量-ΔIy1，抵消此前的电压正增量+ΔVpx，使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。当充电电流偏小导致电池电压出现负增量-ΔVpx，即充电电流偏小使电池电压小于电池的最低析气电压，意味着电池在对应电压下还可以接受更多的电量，于是，充电系统输入第二充电电流，给电流设置一个正增量+ΔIy2，补偿此前的电压负增量-ΔVpx，使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。因此，在电池电压值稳定于电池的最低析气电压值的前提下，实际的充电电流会跟随电池的理想受电电流曲线作微小的变化，其包络线也正反应了其理想受电电流曲线。充电电流降至所述第一恒流值的二分之一，此时的充电电流属于慢充电流，不会对电池造成不良影响。
对电池输入第二恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值的1.05倍，结束第二恒流充电阶段；
对电池恒压充电，直至电池电流降至预充电电流，结束第二恒压充电阶段；充电系统要做的就是保证电池电压稳定在1.05Vpx，其具体实施原理和第一恒压充电阶段一样，在此不再赘述。
对电池输入预充电电流，并将电池的总充电电压设置为电池的最低析气电压值的1.1倍进行充电，结束均衡充电阶段。考虑到所有的大容量二次电池组均由数十甚至数百节电池单元串并联而成，这样在充电结束后，就会存在单个电池单元端电压不一致甚至相差较大的情况，长期下去会导致各个电池单元的放电能力出现较大差异；针对这个情况，我们增加均衡充电阶段。此阶段采用小电流高电压的充电方法来提高较低的电池端电压，调节电池电解液的比重，减小各电池单元内阻的差异，同时使各个电池单元电动势尽量保持一致。
其中，电池充电时，端充电电压U＝电池电势E+充电电流I*电池内阻r；在上式中，各个电池单元的串联充电电流I是一致的，电池内阻则与电池电解液比重、活性物质浓度及温度等因素有关，电池电动势E随着充进电量越多而逐渐上升，但是到了充电后期，随着电池内部活性物质的浓度达到动态平衡状态，电池电动势E已基本不再变化，用小电流，即预充电电流充电目的主要是为了调节电池电解液的比重，减小内阻差异；而对于内阻r较大的电池单元，需要端充电电压较高，内阻较小的电池单元，需要端充电电压较低，因此总充电电压需要提高至1.1*Vpx，以满足电池自身的动态均衡要求。
请参考图2，图2为本发明实施例提供一种柔性跟随式智能充电装置的示意图。如图2所示，微处理器20根据采集信号输出电流控制信号，充电电流匹配模块30根据电流控制信号输出对应不同充电阶段的匹配电压信号，变频控制模块40根据匹配电压信号输出变频脉冲信号，隔离驱动模块50根据变频脉冲信号输出同相位驱动信号，功率变换模块60根据同相位驱动信号对电池进行充电。电池温度采集电路70采集电池充电温度，对变频控制模块40输出采集信号，以便变频控制模块40控制充电时的最高充电电压。充电过流保护电路80根据电流控制信号得到电流误差信号，并将电流误差信号输入变频控制模块40，控制变频脉冲信号的频率。电流信号转换电路90检测当前电池的充电电流，对微处理器输出检测信号，微处理器对该检测信号进行模数转换，并显示出当前电池的充电电流值。
请参考图3，图3为本发明实施例提供的采集模块的电路结构示意图。如图3所示，该采集模块10包括π型滤波电路、电压跟随器以及分压电阻网络，此处的分压电阻网络对接入回路中的电池电压进行采样，得到按比例缩小的电压信号，经过π型滤波电路及电压跟随器处理，送入单片机的A/D转换器，单片机对缩小后的电压数据进行数据处理后，根据结果设置不同的充电电流，使电池进入相应的充电阶段。
请参考图4，图4为本发明实施例提供的微处理器的电路结构示意图。此处的微处理器采用型号为STM8S105S4T6C的单片机。此处的微处理器20包括单片机本身、在线操作界面电路模块以及电池充电状态实时显示模块。
请参考图5，图5为本发明实施例提供的充电电流匹配模块的电路结构示意图。如图5所示，充电电流匹配模块30包括π型滤波电路，电压跟随器以及同相比例放大器。根据在线监测到的电池状态，单片机I/O口给出相应的电平信号，经过π型滤波电路及电压跟随器处理后，接入运算放大器的同相输入端，放大2倍后得到2倍的电压信号，以该2倍的电压信号去控制系统的充电电流。
请参考图6，图6为本发明实施例提供的变频控制模块的电路结构示意图。如图6所示，变频控制模块40通过采样原边开关峰值电流，输出电压及电流误差信号，使充电系统在电网电压波动较大，电池电压较低及输出电流变化较大的工作环境下，能够对瞬时变化的电流峰值信号进行即时响应。原边采样得到功率变换主回路中瞬时的谐振电流信号，通过桥式整流器整流后，经单周期积分变换还原为电压信号，并形成表征主谐振回路中谐振电流的平均值大小(i)及上升斜率(di/dt)的锯齿波电压信号，接入即时变频控制电路中。当原边开关峰值电流急剧增大时，采样电路会给单周期积分变换电路中的积分电容灌入大电流，此时锯齿波电压信号的上升斜率(di/dt)急剧增大，积分时间缩短，积分电容上的电压信号随之增大，快速响应了主回路中瞬时变化的谐振电流信号。当输出电压或充电电流降低，驱动脉冲的占空比就会变大，占空比越大，其半周期的时间就越长，驱动脉冲的频率就越低；反之，当输出电压或充电电流升高，驱动脉冲的占空比就会减小，占空比越小，其半周期的时间就越短，驱动脉冲的频率就越高，这样就完成了变频控制的过程。
请参考图7，图7为本发明实施例提供的隔离驱动模块的电路结构示意图。如图7所示，隔离驱动模块50包括脉冲变压器和电荷泄放电路。脉冲发生器中开关MOSFET的栅极接入控制模块驱动脉冲，利用MOSFET的开关状态及脉冲变压器中磁通不能突变原理，使变压器副边同名端输出脉冲跟随控制模块驱动正向脉冲的相位，去驱动多个并联工作的功率MOSFET；同时变压器采用主绕组与复位绕组央副边绕组的绕法，增加耦合，减小漏感，大大改善了副边驱动波形的上升沿。考虑到多个并联MOSFET的栅极电荷较大，必须在Toff阶段将其全部泄放完毕，否则会影响下一个周期的导通状态，因此驱动模块中增加了电荷泄放电路。其工作原理为：正向驱动脉冲时，NPN三极管基极电位为负，三极管截止；驱动脉冲为零时，变压器中感应电势反向，NPN三极管基极电位为正，三极管导通，将MOSFET的栅极电荷快速泄放掉，使其转为关断状态，减小因布线较长而造成MOSFET关断不一致的影响。
本实施例功率变换模块60包括第一整流滤波电路601、高频斩波电路602、第二整流滤波电路603以及电池防反接电路604。第一整流滤波电路601外接交流电压，并将交流电压进行整流和滤波，输出直流电压；高频斩波电路602根据同相位驱动信号和直流电压，输出对应脉宽的高频脉冲电压；第二整流滤波电路603对高频脉冲电压进行整流和滤波；电池防反接电路604用于接通或断开充电回路，电池防反接电路604的输入端和第二整流滤波电路603电连接，输出端和电池电连接。此处的第一整流滤波电路601为常用的EMI整流滤波电路。第二整流滤波电路603包括整流二极管和滤波电容。此处的高频斩波电路602包括功率开关电路6021和高频变压器6022，此处的功率开关电路6021和隔离驱动模块50输出端连接，接收隔离驱动模块50输出的驱动信号，高频变压器6022对直流电压进行逆变降压。
请参考图8，图8为本发明实施例提供的电池防反接电路的电路结构示意图。如图8所示，当待充电电池正负极反接于充电电路，电池防反接电路604检测到待充电电池的电压相对于地电位为负压，此时电池防反接电路604断开充电回路；当待充电电池正确接入，电池防反接电路604检测到待充电电池的电压大于设定的电压阈值，延时数秒，确定了电池已经可靠接入系统后，便利用电池的电压信号开通驱动电路的PNP三板管，接通+14V供电电压经过栅极电阻到开关管的栅极，于是开关管导通，充电系统的地线与待充电池的负极短接，形成闭合的充电回路。此处的电压阀值等于0.9*电池终止放电的电压值。
此处，本实施例充电装置还包括电池温度采集电路70、充电过流保护电路80以及电流信号转换电路90。
电池温度采集电路70采集二次电池组的充电温度，对变频控制模块40输出采集信号，以便变频控制模块控制充电时的最高充电电压。具体的，请参考图9，图9为本发明实施例提供的电池温度采集电路的电路结构示意图。如图9所示，电池温度采集电路70根据不同类别电池开路电压的温度特性，采用正/负温度传感器的阻抗与电压采样电阻串联，使采样电阻的总阻抗跟随外界环境电压的变化而改变，从而调节最高充电电压，减小欠充或过充的可能性。
充电过流保护电路80根据电流控制信号，得出电流误差信号，并将电流误差信号输入变频控制模块40，控制变频脉冲信号的频率。具体的，请参考图10，图10为本发明实施例提供的充电过流保护电路的电路结构示意图。如图10所示，充电过流保护电路80由π型滤波电路，一个改进型的电压跟随器，电压误差放大器，负反馈补偿网络以及共集电极放大电路构成。该充电过流保护电路80运用了运放当中虚短的原理，即反相输入端的电压等于同相输入端的电压；同相输入端为单片机输出的对应电流信号的控制电压，反相输入端电压由VCC电压经电阻分压而取得，通过合理设置电阻参数，可以限制跟随电压的最大值，也就限定了充电电流的最大值，避免因单片机失控而造成的充电电流过大的风险。同时在电压跟随器的运放输出端接一阻性负载，提供对地的电位；反相输入端与输出端接入一低Vf小信号开关二极管，箝位最低跟随电压，即限定了充电电流的最小值。该反相输入端电压接入电压误差放大器，误差放大器采用单极点单零点的PI补偿网络，调节电流环路的响应速度。误差放大器的输出经分压后，接入共集电极放大电路中NPN三极管的基极，三极管集电极经上拉电阻及电位器(电位器用来微调电压)接到VCC电源，经合理的电压设置使NPN三极管集电极处电势大于基极处电势，三极管的工作状态处于线性放大区，其集电极电压线性反映了电压误差信号，因此将集电极电压接入变频控制模块中误差放大器的同相输入端。
电流信号转换电路90检测当前电池的充电电流，对微处理器20输出检测信号，微处理器20对该检测信号进行模数转换，并显示出当前电池的充电电流值。具体的，请参考图11，图11为本发明实施例提供的电流信号转换电路的电路结构示意图。如图11所示，电流信号转换电路90包括RC采样器，反相比例放大器，π型滤波电路以及电压跟随器构成。利用改进型的RC采样器来采样充电电流平均值，并联电容用以滤除电阻上的尖峰电压干扰。反相比例放大器工作在线性放大区，其放大倍数设置为100-150之间，将mV级别的电流小信号放大为小于6.0V的大电压信号。电压跟随器能够降低负载情况下的纹波系数。工作过程原理为：RC采样器采集到充电回路中的平均值电流信号，将其输入反相比例放大器的反相输入端，该电流信号按比例放大为电压信号；所获得的电压信号经过π型滤波电路及电压跟随器的处理后，送入单片机的A/D转换器，再经过数据处理，将其放大到实际输出电流值，并直接显示在数码管显示屏上。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种柔性跟随式智能充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
对电池输入预充电流进行充电，直至电池电压值大于放电时的截止电压值，结束预充电阶段；此处，所述预充电流范围为0.04C～0.1C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示；
对电池输入第一恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值，结束第一恒流充电阶段；此处，所述第一恒流范围为0.14C-0.5C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示；
对电池进行恒压恒流脉冲充电并使电池电压的恒压值始终保持低于所述最低析气电压值，持续30分钟，结束恒压恒流脉冲充电阶段；
对电池恒压充电，充电时使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值,直至充电电流降至第一恒流值的二分之一，结束第一恒压充电阶段；
对电池输入第二恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值的1.05倍，结束第二恒流充电阶段；
对电池恒压充电，直至电池电流降至所述预充电流，结束第二恒压充电阶段：
对电池输入预充电流，并将电池的总充电电压设置为电池的最低析气电压值的1.1倍进行充电，直至电池达到所设置的电压值，结束均衡充电阶段。
2.根据权利要求1所述的柔性跟随式智能充电方法，其特征在于，所述恒压恒流脉冲充电阶段包括15个子循环充电阶段，每个所述子循环充电阶段充电持续2分钟，每个子循环充电阶段具体包括以下步骤：
对电池输入预充电流进行充电，时间持续1分钟；
对电池输入第一恒流进行充电，直至时间达到1分钟。
3.根据权利要求1所述的柔性跟随式智能充电方法，其特征在于，在第一恒压充电阶段，当充电电流过大使电池电压大于电池的最低析气电压时，充电装置输入第一充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值；当充电电流偏小使电池电压小于电池的最低析气电压时，充电装置输入第二充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。
4.一种柔性跟随式智能充电装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集处于不同充电阶段的电池的电压和电流，输出采集信号；
充电模块，根据所述采集信号，对电池充电时，对电池输入预充电流进行充电，直至电池电压值大于放电时的截止电压值，结束预充电阶段；对电池输入第一恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值，结束第一恒流充电阶段；对电池进行恒压恒流脉冲充电并使电池电压的恒压值始终保持低于所述最低析气电压值，持续三十分钟，结束恒压恒流脉冲充电阶段；对电池恒压充电，充电时使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值，直至充电电流降至第一恒流值的二分之一，结束第一恒压充电阶段；对电池输入第二恒流进行充电，直至电池电压值等于电池的最低析气电压值的1.05倍，结束第二恒流充电阶段；对电池恒压充电，直至电池电流降至所述预充电流，结束第二恒压充电阶段；对电池输入预充电流，并将电池的总充电电压设置为电池的最低析气电压值的1.1倍进行充电，直至电池电压值达到所设置的电压值，结束均衡充电阶段；此处，所述预充电流范围为0.04C～0.1C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示；所述第一恒流范围为0.14C-0.5C，此处C代表电池容量，单位用Ah安时表示。
5.根据权利要求4所述的柔性跟随式智能充电装置，其特征在于，所述恒压恒流脉冲充电阶段包括15个子循环充电阶段，每个所述子循环充电阶段充电持续2分钟，每个子循环充电阶段具体包括以下步骤：
对电池输入预充电流进行充电，时间持续1分钟；
对电池输入第一恒流进行充电，直至时间达到1分钟。
6.根据权利要求4所述的柔性跟随式智能充电装置，其特征在于，在第一恒压充电阶段，当充电电流过大使电池电压大于电池的最低析气电压时，充电装置输入第一充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值；当充电电流偏小使电池电压小于电池的最低析气电压时，充电装置输入第二充电电流，以使电池电压值稳定在电池的最低析气电压值。
7.根据权利要求4所述的柔性跟随式智能充电装置，其特征在于，所述充电模块包括：
微处理器，根据所述采集信号，输出电流控制信号；
充电电流匹配模块，根据所述电流控制信号，输出对应不同充电阶段的匹配电压信号；
变频控制模块，根据所述匹配电压信号，输出变频脉冲信号；
隔离驱动模块，根据所述变频脉冲信号，输出同相位驱动信号；
功率变换模块，根据所述同相位驱动信号，对电池进行充电。
8.根据权利要求7所述的柔性跟随式智能充电装置，其特征在于，所述功率变换模块包括：
第一整流滤波电路，外接交流电压，并将所述交流电压进行整流和滤波，输出直流电压：
高频斩波电路，根据所述同相位驱动信号和直流电压，输出对应脉宽的高频脉冲电压；
第二整流滤波电路，对所述高频脉冲电压进行整流和滤波；
电池防反接电路，用于接通或断开充电回路；所述电池防反接电路的输入端和所述第二整流滤波电路电连接，输出端和二次电池组电连接。
9.根据权利要求8所述的柔性跟随式智能充电装置，其特征在于，当待充电电池正负极反接于充电模块，所述电池防反接电路检测到待充电电池的电压相对于地电位为负压，此时电池防反接电路断开充电回路；当待充电电池正确接入，电池防反接电路检测到待充电电池的电压大于设定的电压阈值，延时数秒，接通充电回路；所述电压阈值等于0.9*电池终止放电的电压值。
10.根据权利要求7所述的柔性跟随式智能充电装置，其特征在于，所述充电模块还包括电流信号转换电路、电池温度采集电路以及充电过流保护电路；
所述电流信号转换电路检测当前电池的充电电流，对微处理器输出检测信号，微处理器对该检测信号进行模数转换，并显示出当前电池的充电电流值；
所述电池温度采集电路采集电池充电温度，对所述变频控制模块输出采集信号，以便所述变频控制模块控制充电时的最高充电电压；
所述充电过流保护电路根据所述电流控制信号，得出电流误差信号，并将所述电流误差信号输入变频控制模块，控制所述变频脉冲信号的频率。
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Addressee: Gao Zhiming Document name: Notification of Passing Examination on Formalities |
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Effective date of registration: 20201110 Address after: 311421 no.2723 fuchunwan Avenue, Chunjiang street, Fuyang District, Hangzhou, Zhejiang Province (building 1-6, small and micro enterprise innovation park, fuchunwan new town, Hangzhou) Applicant after: Zhejiang Keqiang Electronic Technology Co.,Ltd. Address before: Room 301-14, unit 2, floor 3, building 21, yard 1, Desheng North Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Applicant before: Beijing fast wise Technology Co.,Ltd. |
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Denomination of invention: A flexible following intelligent charging method and charging device Effective date of registration: 20210916 Granted publication date: 20201127 Pledgee: Fuyang Zhejiang rural commercial bank Limited by Share Ltd the Fuchun River branch Pledgor: Zhejiang Keqiang Electronic Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2021330001671 |
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