CN108923513B - 一种全智能工频充电机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全智能工频充电机及方法，传统工频充电机的基础上增加一个低成本的控制模块，通过检测输出电池电压和充电电流，实现了电压电流的双闭环，同时为了降低输出MOSFET的开关应力，通过与电网的同步实现了整流桥输出电压的过零点检测，从而使MOSFET实现软开关，MOSFET及其驱动电路结构单间，防止过热；降低了控制模块的成本；提高了智能模块的可靠性，控制模块具有过热，过流、过压保护和温度补偿。

Description

一种全智能工频充电机及方法

技术领域

本发明提出了一种电压、电流双闭环，充电过程可控的，适合铅酸富液电池的智能工频充电机。

背景技术

铅酸富液电池已经发展了上百年的历史，因为铅酸富液电池具有价格低，能深度放电，过充电等优点，在国内很多的电动车，尤其是电动拉客三轮车，电动拉货三轮车，被广泛采用作为其动力来源。但是铅酸富液电池充电机为了考虑到成本的问题，一种都采用工频变压器加整流桥的充电模式，这种充电模式是一种开环的充电模式，充电电流的大小，充电电压的高低随着电网电压的变化和电池特性的不同而波动，从而无法按照铅酸电池的特性，合理地给电池充电，造成电池欠充，过充的情况比比皆是，电池的损坏率居高不下。

发明内容

为解决现有技术问题，本发明公开一种全智能工频充电机及方法，降低了控制模块的成本，提高了智能模块的可靠性，控制模块具有过热，过流、过压保护和温度补偿功能。

本发明技术方案如下。

一种全智能工频充电机，包括控制模块、整流桥、工频变压器、继电器和蓄电池；

继电器、工频变压器、整流桥、控制模块和蓄电池依次顺序连接；控制模块连接继电器和蓄电池；

继电器用于根据蓄电池当前电压的高低切换初级线圈，改变工频变压器的匝比；

工频变压器用于将高压转换成低压交流电压；

整流桥将低压的交流电压转换成直流电压；

控制模块用于根据蓄电池的当前状态，按照蓄电池设定的充电曲线进行充电，同时控制继电器，将工频变压器工作于最高的效率。

控制模块包括电池电压采集电路、电流采集电路、温度监测电路、MOSFET及其驱动电路、继电器驱动电路、MCU、电网同步信号取样电路和LED电路，MCU与控制模块的除MCU以外的其他单元电路相连接；

电池电压采集电路、电流采集电路和温度监测电路分别用于采集蓄电池电压U、蓄电池充电电流I_in和环境及变压器温度；

MOSFET及其驱动电路：根据检测到的充电电流的平均电流值来决定MOSFET的开关策略；

继电器驱动电路通过继电器档位调节策略选择工频变压器的初级线圈的匝数；

MCU输出高低电平来控制继电器的通断；

电池电压采集电路用于电网同步信号取样；

继电器驱动电路用于实施控制策略；

LED电路根据蓄电池充电电量控制LED显示。

MOSFET及其驱动电路包括MOSFET和MOSFET驱动电路；

MOSFET包括开关管Q7、开关管Q8和开关管Q9；MOSFET驱动电路包括开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、电阻R35、电阻R36、电阻R44、电阻R45、电阻R46、二极管 D10、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻Rs1和电阻Rs2；

开关管Q4的基极与开关管Q5的集电极相连接，电阻R35连接开关管Q4的发射极和基极，电阻R44一端连接开关管Q5的发射极，一端连接电阻R45，电阻R45的另一端连接开关管Q6的基极，电阻R36的两端分别连接开关管Q4的集电极和开关管Q6的集电极，开关管Q6的发射极接地，开关管Q6的集电极连接二极管D10的导通端，二极管D10与电阻R46并联，二极管D10朝向电阻R36方向导通，电阻R37的两端分别连接电阻R46 和开关管Q7的基极，开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9的集电极相连接，电阻R38连接电阻R37和开关管Q8的基极，电阻R39连接电阻R37和开关管Q9的基极，开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9的发射极相连接，电阻Rs1两端分别连接电阻R46和开关管Q8的发射极，电阻Rs2两端分别连接电阻R46和开关管Q9的发射极，电阻Rs1和电阻Rs2接地。

电网同步信号取样电路包括二极管D2、二极管D3、电阻R14、电阻R5、电阻R18、电阻R3和电容C12；

二极管D2和二极管D3连接电阻R14，二极管D2和二极管D3朝向电阻R14导通；

电阻R14、电阻R5和电阻R3串联连接，电阻R18的一端连接电阻R5和电阻R3的公共连接点，另一端接地；电容C12一端连接电阻R3，另一端接地。

一种全智能工频充电方法，具体包括以下步骤：

S1，将输入的交流电流，经过工频变压器后进行整流，通过控制模块对蓄电池充电，输出电压随着蓄电池电压变化而变化；

S2，采集蓄电池电压U、蓄电池充电电流I_in、环境温度和变压器温度；

S3,电网同步信号取样：模数转换以采样值快速采样输入同步信号；

获取定时间段内电压采样的最大值和最小值Vmax和Vmin；

当检测模数转换的电压采样值小于Vmin_+0.1*Vmin时，获得同步信号；

S4，MOSFET及其驱动电路：

根据检测到的充电电流的平均电流值选择MOSFET的开关策略；

MOSFET的开关策略具体包括以下步骤：交流电压通过整流后输出周期的直流电压，每固定数周期计算一次平均的充电电流，调整一次MOSFET的开关策略，如果检测到的充电电流大于设定的门限电流值，则减少固定数周期内MOSFET的开通时间，否则增加 MOSFET开通时间，开关时间的调整步长为周期时长，通过电网同步信号取样获取电网电压的过零点，在过零点开通或者关闭MOSFET，使得MOSFET的开关都是零电压开关，减小开关损耗，增加系统的稳定性，降低了成本；

S5,继电器驱动电路：

MCU输出高低电平来控制继电器的通断，通过继电器档位调节策略选择工频变压器初级线圈的匝数；

S6，MCU输出高低电平调节继电器的档位：

步骤S6具体包括以下步骤：

交流电压输入；

等待获取同步信号，进行同步算法；

获取当前充电电流；

根据继电器档位调节策略选择相应的继电器档位；

根据MOSFET的开关策略，选择相应的MOSFET驱动策略；

根据环境温度和变压器温度调节最高输出电压；

如果达到了充电结束条件，停止充电；

S7，根据蓄电池充电电量控制LED显示。

通过继电器档位调节策略选择工频变压器的初级线圈的匝数包括以下步骤：

(a)判断MOSFET开通时间是否为100％，如果是，进入步骤(b)，否则，进入步骤(d)；

(b)判断蓄电池充电电流是否小于设定的门限电流值的80％，如果是，进入步骤(c)，否则，保持当前继电器档位不变；

(c)判断继电器是否处于最低档位，如果是，保持当前继电器档位不变；否则，调节继电器到下一个低档位；

(d)判断MOSFET开通的时候是否小于50％，如果是，进入步骤(e)，否则，保持当前继电器位不变；

(e)判断继电器是否处于最高档位，如果是，保持当前继电器圈档位不变；否则，调节继电器到上一个高档位。

本发明的有益效果包括：

总结本申请的有益效果。

本分明公开一种全智能工频充电机及方法，传统工频充电机的基础上增加一个低成本的控制模块，通过检测输出电池电压和充电电流，实现了电压电流的双闭环，同时为了降低输出MOSFET的开关应力，通过与电网的同步实现了整流桥输出电压的过零点检测，从而使MOSFET实现软开关，MOSFET及其驱动电路结构单间，防止过热；降低了控制模块的成本；提高了智能模块的可靠性，控制模块具有过热，过流、过压保护和温度补偿。

附图说明

图1为一种全智能工频充电机结构示意图；

图2为控制模块结构示意图；

图3为MOSFET及其驱动电路图；

图4为电网同步信号取样电路图；

图5为继电器驱动电路电路图；

图6为继电器档位调节策略流程示意图；

图7为整流之后输出波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效，且为了使该评价方法易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种全智能工频充电机，包括控制模块、整流桥、工频变压器、继电器和蓄电池；

继电器、工频变压器、整流桥、控制模块和蓄电池依次顺序连接；控制模块连接继电器和蓄电池；

继电器用于根据蓄电池当前电压的高低切换初级线圈，改变变压器的匝比，使变压器工作在最高效率点；

工频变压器用于将高压220V转换成低压交流电压；

整流桥将低压的交流电压转换成直流电压；

控制模块用于根据蓄电池的当前状态，按照蓄电池设定的充电曲线进行充电，同时控制继电器，将工频变压器工作于最高的效率。

如图2所示，控制模块包括电池电压采集电路、电流采集电路、温度监测电路、MOSFET 及其驱动电路、继电器驱动电路、MCU、电网同步信号取样电路和LED电路，MCU与控制模块的除MCU以外的其他单元电路相连接。

电池电压采集电路、电流采集电路和温度监测电路分别用于采集蓄电池电压U、蓄电池充电电流I_in和环境及变压器温度；

采集环境及变压器温度，根据气温调节最高输出电压，以保证电池不过充、不欠充，以一个12伏电池为例，最高的充电电压为V＝16-(temperature-25)*0.018；

MOSFET及其驱动电路：根据检测到的充电电流的平均电流值来决定MOSFET(开关管Q7\Q8\Q9)的开关策略；

继电器驱动电路通过继电器档位调节策略选择工频变压器的初级线圈的匝数；

MCU输出高低电平来控制继电器的通断；

电池电压采集电路用于电网同步信号取样；

继电器驱动电路用于实施控制策略；继电器驱动电路如图5所示；

LED电路根据蓄电池充电电量控制LED显示。

如图3所示，MOSFET及其驱动电路包括开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、电阻R35、电阻R36、电阻R44、电阻R45、电阻R46、二极管D10、电阻R37、电阻R38、电阻R39、开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9、电阻Rs1和电阻Rs2；

MOSFET及其驱动电路包括MOSFET和MOSFET驱动电路；

MOSFET驱动电路的输入为MCU的PWM输出，MOSFET的输入是电池的地线，相当于把地线回路断开后，将MOSFET及其驱动电路串在地线回路中。

开关管Q4的基极与开关管Q5的集电极相连接，电阻R35连接开关管Q4的发射极和基极，电阻R44一端连接开关管Q5的发射极，一端连接电阻R45，电阻R45的另一端连接开关管Q6的基极，电阻R36的两端分别连接开关管Q4的集电极和开关管Q6的集电极，开关管Q6的发射极接地，开关管Q6的集电极连接二极管D10的导通端，二极管D10与电阻R46并联，二极管D10朝向电阻R36方向导通，电阻R37的两端分别连接电阻R46 和开关管Q7的基极，开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9的集电极相连接，电阻R38连接电阻R37和开关管Q8的基极，电阻R39连接电阻R37和开关管Q9的基极，开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9的发射极相连接，电阻Rs1两端分别连接电阻R46和开关管Q8的发射极，电阻Rs2两端分别连接电阻R46和开关管Q9的发射极，电阻Rs1和电阻Rs2接地。

如图4所示，电网同步信号取样电路包括二极管D2、二极管D3、电阻R14、电阻R5、电阻R18、电阻R3和电容C12；

二极管D2和二极管D3连接电阻R14，二极管D2和二极管D3朝向电阻R14导通；

电阻R14、电阻R5和电阻R3串联连接，电阻R18的一端连接电阻R5和电阻R3的公共连接点，另一端接地；电容C12一端连接电阻R3，另一端接地。

一种全智能工频充电方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1，将输入的交流电流，经过工频变压器后进行整流，通过控制模块对蓄电池充电，输出电压(电池两端的电压，如图1中B+，B-两端的电压)随着蓄电池电压变化而变化)；整流之后输出波形如图7所示；

S2，采集蓄电池电压U、蓄电池充电电流I_in、环境温度和变压器温度；

S3,电网同步信号取样：模数转换以64K采样值快速采样输入同步信号；

获取10ms内电压采样的最大值和最小值Vmax和Vmin；

当检测模数转换的电压采样值小于Vmin_+0.1*Vmin时，获得同步信号；

S4，MOSFET及其驱动电路：

根据检测到的充电电流的平均电流值来决定MOSFET(开关管Q7\Q8\Q9)的开关策略；交流电压通过整流后输出周期为100毫秒的直流电压，每20个周期(2秒)计算一次平均的充电电流，每两秒调整一次MOSFET的开关策略，通过PI控制算法，如果检测到的充电电流大于设定的门限电流值，则减少2秒内MOSFET的开通时间，否则增加MOSFET 开通时间，开关时间的调整步长为100毫秒，通过同步算法获取电网电压的过零点，在过零点开通或者关闭MOSFET，使得MOSFET的开关都是零电压开关，减小开关损耗，增加系统的稳定性，降低了成本。

不同开关时间下的开关序列,0表示MOSFET关闭100毫秒，1表示MOSFET开通 100毫秒；

S5,继电器驱动电路：

MCU输出高低电平来控制继电器的通断，通过继电器档位调节策略选择工频变压器初级线圈的匝数；

本实施例通过驱动芯片ULN2003A驱动继电器，通过继电器档位调节策略选择工频变压器初级线圈的匝数，这样能保证电压在较低的输入电压直到150V，AC满功率输出，同时通过调整工频变压器的输入匝数，MOSFET保证在较长的开通过时间下运行，减低的峰值电流，减小工频变压器和MOSFET问题，提供了系统的工作效率。

如图6所示，通过继电器档位调节策略选择工频变压器的初级线圈的匝数包括以下步骤：

(a)判断MOSFET开通时间是否为100％，如果是，进入步骤(b)，否则，进入步骤(d)；

(b)判断蓄电池充电电流是否小于设定的门限电流值的80％，如果是，进入步骤(c)，否则，保持当前继电器档位不变；

(c)判断继电器是否处于最低档位，如果是，保持当前继电器档位不变；否则，调节继电器到下一个低档位；

(d)判断MOSFET开通的时候是否小于50％，如果是，进入步骤(e)，否则，保持当前继电器位不变；

(e)判断继电器是否处于最高档位，如果是，保持当前继电器圈档位不变；否则，调节继电器到上一个高档位。

S6，MCU输出高低电平调节继电器的档位：

步骤S6具体包括以下步骤：

交流电压输入；

等待获取同步信号，进行同步算法；

获取当前充电电流；

根据继电器档位调节策略选择相应的继电器档位；

根据MOSFET的开关策略，选择相应的MOSFET驱动策略；

根据环境温度和变压器温度调节最高输出电压；

如果达到了充电结束条件，停止充电；

S7，根据蓄电池充电电量控制LED显示；

LED：充电电量小于80％，LED显示红色；

充电电量大于80％，LED显示黄色；

充电充满，LED显示绿色。

本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种全智能工频充电机，其特征在于，包括控制模块、整流桥、工频变压器、继电器和蓄电池；

继电器、工频变压器、整流桥、控制模块和蓄电池依次顺序连接；控制模块连接继电器和蓄电池；

继电器用于根据蓄电池当前电压的高低切换初级线圈，改变工频变压器的匝比；

工频变压器用于将高压转换成低压交流电压；

整流桥将低压的交流电压转换成直流电压；

控制模块用于根据蓄电池的当前状态，按照蓄电池设定的充电曲线进行充电，同时控制继电器，将工频变压器工作于最高的效率；

控制模块包括电池电压采集电路、电流采集电路、温度监测电路、MOSFET及其驱动电路、继电器驱动电路、MCU、电网同步信号取样电路和LED电路，MCU与控制模块的除MCU以外的其他单元电路相连接；

电池电压采集电路、电流采集电路和温度监测电路分别用于采集蓄电池电压U、蓄电池充电电流I_in和环境及变压器温度；

MOSFET及其驱动电路：根据检测到的充电电流的平均电流值来决定MOSFET的开关策略；

电池电压采集电路用于电网同步信号取样；

继电器驱动电路用于实施控制策略：MCU输出高低电平来控制继电器的通断，通过继电器档位调节策略选择工频变压器初级线圈的匝数；

LED电路根据蓄电池充电电量控制LED显示；

MOSFET及其驱动电路包括MOSFET和MOSFET驱动电路；

MOSFET包括开关管Q7、开关管Q8和开关管Q9；MOSFET驱动电路包括开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、电阻R35、电阻R36、电阻R44、电阻R45、电阻R46、二极管D10、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻Rs1和电阻Rs2；

开关管Q4的基极与开关管Q5的集电极相连接，电阻R35连接开关管Q4的发射极和基极，电阻R44一端连接开关管Q5的发射极，一端连接电阻R45，电阻R45的另一端连接开关管Q6的基极，电阻R36的两端分别连接开关管Q4的集电极和开关管Q6的集电极，开关管Q6的发射极接地，开关管Q6的集电极连接二极管D10的导通端，二极管D10与电阻R46并联，二极管D10朝向电阻R36方向导通，电阻R37的两端分别连接电阻R46和开关管Q7的基极，开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9的集电极相连接，电阻R38连接电阻R37和开关管Q8的基极，电阻R39连接电阻R37和开关管Q9的基极，开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9的发射极相连接，电阻Rs1两端分别连接电阻R46和开关管Q8的发射极，电阻Rs2两端分别连接电阻R46和开关管Q9的发射极，电阻Rs1和电阻Rs2接地。

2.根据权利要求1所述的一种全智能工频充电机，其特征在于，

电网同步信号取样电路包括二极管D2、二极管D3、电阻R14、电阻R5、电阻R18、电阻R3和电容C12；

二极管D2和二极管D3连接电阻R14，二极管D2和二极管D3朝向电阻R14导通；

电阻R14、电阻R5和电阻R3串联连接，电阻R18的一端连接电阻R5和电阻R3的公共连接点，另一端接地；电容C12一端连接电阻R3，另一端接地。

3.一种全智能工频充电方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1，将输入的交流电流，经过工频变压器后进行整流，通过控制模块对蓄电池充电，输出电压随着蓄电池电压变化而变化；

S2，采集蓄电池电压U、蓄电池充电电流I_in 环境温度和变压器温度；

S3,电网同步信号取样：模数转换以采样值快速采样输入同步信号；

获取定时间段内电压采样的最大值和最小值Vmax和Vmin；

当检测模数转换的电压采样值小于Vmin_+0.1*Vmin时，获得同步信号；

S4，MOSFET及其驱动电路：

根据检测到的充电电流的平均电流值选择MOSFET的开关策略；

MOSFET的开关策略具体包括以下步骤：交流电压通过整流后输出周期的直流电压，每固定数周期计算一次平均的充电电流，调整一次MOSFET的开关策略，如果检测到的充电电流大于设定的门限电流值，则减少固定数周期内MOSFET的开通时间，否则增加MOSFET开通时间，开关时间的调整步长为周期时长，通过电网同步信号取样获取电网电压的过零点，在过零点开通或者关闭MOSFET，使得MOSFET的开关都是零电压开关，减小开关损耗，增加系统的稳定性，降低了成本；

S5,继电器驱动电路：

MCU输出高低电平来控制继电器的通断，通过继电器档位调节策略选择工频变压器初级线圈的匝数；

S6，MCU输出高低电平调节继电器的档位：

步骤S6具体包括以下步骤：

交流电压输入；

等待获取同步信号，进行同步算法；

获取当前充电电流；

根据继电器档位调节策略选择相应的继电器档位；

根据MOSFET的开关策略，选择相应的MOSFET驱动策略；

根据环境温度和变压器温度调节最高输出电压；

如果达到了充电结束条件，停止充电；

S7，根据蓄电池充电电量控制LED显示。

4.根据权利要求3所述的一种全智能工频充电方法，其特征在于，

通过继电器档位调节策略选择工频变压器的初级线圈的匝数包括以下步骤：

(a)判断MOSFET开通时间是否为100％，如果是，进入步骤(b)，否则，进入步骤(d)；

(b)判断蓄电池充电电流是否小于设定的门限电流值的80％，如果是，进入步骤(c)，否则，保持当前继电器档位不变；

(c)判断继电器是否处于最低档位，如果是，保持当前继电器档位不变；否则，调节继电器到下一个低档位；

(d)判断MOSFET开通的时候是否小于50％，如果是，进入步骤(e)，否则，保持当前继电器位不变；

(e)判断继电器是否处于最高档位，如果是，保持当前继电器圈档位不变；否则，调节继电器到上一个高档位。

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