CN111211610B - 锌镍电池和电池组用智能充电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供锌镍电池和电池组用智能充电器，包括控制单元、充电开关单元、直流稳压单元、辅助供电单元和蓄电池，所述充电开关单元和所述直流稳压单元电性连接，所述充电开关单元、所述辅助供电单元、所述蓄电池和所述控制单元均为电性连接，所述直流稳压单元输出电压经由所述充电开关单元调节向所述蓄电池提供所需电压，所述控制单元用于实现对所述蓄电池的充放电的控制，所述辅助供电单元用于为所述控制单元提供电源。本发明具有充电快、效率高、电池温升低的优点。

Description

锌镍电池和电池组用智能充电器

技术领域

本发明涉及充电器技术领域，具体涉及锌镍电池和电池组用智能充电器。

背景技术

锌镍电池由锌电极和镍电极组成，兼有锌银电池锌负极高容量和镉镍电池镍正极长寿命的优越性能。锌镍二次电池在性能上具有容量大、比能量高、安全性好、工作电压高、无记忆效应、优异的低温性能、可大电流快速充放电等优点,在电池的生产和使用过程对环境不产生污染,属于“绿色电池”。

锌镍电池充电一般采用恒流转恒压模式充电，在恒压充电阶段电流逐渐减小，直至降到截止电流后停止充电，但随着电池使用寿命的增加，电池内部电解液会出现再分配和消耗，电池内阻会增加，充电极化加强，充电效率降低，正极产生的气体会增加，由于电液的再分配和减少，气体到达负极的复合机会增加，充电后期电池温升明显，造成电池在恒压充电过程中，由于电池温升，电压降低，充电电流增加，电流无法继续降低到截止电流的控制点，会造成电池过充电问题。

由于传统的蓄电池充电器结构简单，充电控制由模拟控制的方式实现，因而充电方法单一，无法根据蓄电池的荷电状态调整充电方法，而且也没有对蓄电池充电过程的监测和保护等功能，无法满足在无人监控场合的蓄电池充电。近年来，随着数字信号处理技术的日益完善、成熟，微控制器的性价比不断提高，蓄电池的充电控制也由模拟控制向数字化控制转变，数字控制的蓄电池充电系统可以实现各种复杂的充电控制方法，能够对蓄电池的充电过程进行监控和显示，提高系统的灵活性，缩小系统的体积，在更加高效充电的同时延长蓄电池的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的问题是提供锌镍电池和电池组用智能充电器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：锌镍电池和电池组用智能充电器，包括控制单元、充电开关单元、直流稳压单元、辅助供电单元和蓄电池，所述充电开关单元和所述直流稳压单元电性连接，所述充电开关单元、所述辅助供电单元、所述蓄电池和所述控制单元均为电性连接，所述直流稳压单元输出电压经由所述充电开关单元调节向所述蓄电池提供所需电压，所述控制单元用于实现对所述蓄电池的充放电的控制，所述辅助供电单元用于为所述控制单元提供电源。

在本发明中，优选地，所述控制单元包括采样电路、主控芯片和驱动电路，所述采样电路和所述主控芯片电性连接，所述主控芯片和所述驱动电路电性连接，所述采样电路用于对所述蓄电池的所处环境温度、所述蓄电池的充电电压、所述蓄电池的充电电流以及所述蓄电池的端电压进行采样，所述采样电路的充放电信号并将该信号传输给所述主控芯片，通过所述主控芯片实现信号处理以及对所述蓄电池的充放电控制。

在本发明中，优选地，所述控制单元包括按键电路，所述按键电路和所述采样电路电性连接，所述按键电路用于接收来自所述采样电路的充放电信号。

在本发明中，优选地，所述控制单元还包括显示屏电路，所述显示屏电路和所述主控芯片电性连接，所述显示屏电路用于对处于充电过程中的所述蓄电池的充放电状态参数进行显示。

在本发明中，优选地，所述充放电参数包括充放电状态、充电电流、充电电压和所述蓄电池电压大小。

在本发明中，优选地，所述充电开关单元包括DC/DC变换电路和放电电路，所述DC/DC变换电路用于将一个固定的直流电压转换为另一个固定的直流电压，所述放电电路包括一N沟道场效应管，所述放电电路用于检验来自所述所述主控芯片的低电平信号，所述N沟道场效应管切断所述放电电路。

在本发明中，优选地，所述直流稳压单元包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，所述电源变压器和所述整流电路电性连接，所述整流电路和所述滤波电路电性连接，所述滤波电路和所述稳压电路电性连接，所述电源变压器外接220V交流电，所述电源变压器用于将220V交流电进行降压过程，经由所述整流电路实现整流过程以及所述滤波电路的滤波过程，所述稳压电路接收并输出所述DC/DC变换电路所需的直流电压。

在本发明中，优选地，所述辅助供电单元包括一稳压芯片，所述稳压芯片的型号设置为LM2596。

在本发明中，优选地，所述采样电路由温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路构成，所述温度采样电路对充电器和所述蓄电池所处环境温度进行采样并运算，所述电压采样电路用于对所述蓄电池的充电电压和所述蓄电池的端电压进行采样并检测，所述电流采样电路用于对所述蓄电池的充电电流进行采用并检测。

在本发明中，优选地，所述主控芯片包括定时器模块，所述定时器模块根据所述主控芯片预设的充电时间发出停止充电指令或充电方式变更指令。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明相较于传统充电器而言，能够精确检测电池的充电状态，采用PWM脉宽调制输出控制功率管的导通时间，从而达到对电池充电电流的控制，提高了充电性能，本发明有效的避免了锌镍电池和电池组在高温下的过充电和低温下的充电不足，特定时间截止条件，即可保证电池基本充满电，又可在其他截止条件失效时作为最终保护条件截至充电，总充电时间为恒流连续充入电量为额定容量的1.2—1.6倍的时间，可以实时监测并且显示充电电压、充电电流等参数。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的结构框图；

图2是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的放电电路的原理图；

图3是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的驱动电路的原理图；

图4是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的主控芯片的电路原理图；

图5是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的DC/DC变换电路的电路原理图；

图6是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的显示屏电路的原理图；

图7是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的辅助供电单元的电路原理图；

图8是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的蓄电池的充电电压采样的电路原理图；

图9是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的蓄电池的端电压采样的电路原理图；

图10是本发明的锌镍电池和电池组用智能充电器的蓄电池的充电电流采样的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图10所示，本发明提供锌镍电池和电池组用智能充电器，包括控制单元、充电开关单元、直流稳压单元、辅助供电单元和蓄电池，充电开关单元和直流稳压单元电性连接，充电开关单元、辅助供电单元、蓄电池和控制单元均为电性连接，直流稳压单元输出电压经由充电开关单元调节向蓄电池提供所需电压，控制单元用于实现对蓄电池的充放电的控制，辅助供电单元用于为控制单元提供电源。工作时系统上电后将程序初始化，主控芯片上电复位，然后检测蓄电池充放电控制器的输出端是否已经接入蓄电池，如果检测到没有接入电池，那么系统不工作；检测接入到电池后，系统开始正常工作，先检测按键的状态，如果此时放电按键按下，则充电主程序不工作，程序检测蓄电池电压，当蓄电池达到阈值电压时，停止放电；如果此时检测到放电按键释放，充电按键按下，则检测电池端电压的大小，根据检测到的蓄电池端电压大小来决定进行涓流充电还是大电流充电，如果检测到蓄电池端电压小于阀值电压，则系统进入涓流充电状态，以小电流给蓄电池进行涓流充电；如果检测到蓄电池的端电压在阈值电压和最大门限电压之间的范围时，则系统判断后跳过涓流充电状态，直接进入大电流快速充电状态，以恒流值采用0.1CA到1CA电流给电池进行充电。与此同时系统继续检测蓄电池端电压，当检测到蓄电池端电压超过最大门限电压值时，此时恒流充电状态结束，系统转入恒压充电状态；系统恒压充电电压是控制电路按采样电路检测的蓄电池所处环境温度进行温度补偿后自动确认，即以25℃下单体电池的基准电压1.90V为准，按(1.90V+(0.002-0.004)V/℃*ΔT)*n确认；系统恒压充电的电流上限为0.1CA到1CA；系统恒压充电的截止电流值为0.025-0.05CA，系统恒压充电的截止电流正增值ΔI为0.20-0.50A，系统设定总充电时间截止条件，即可保证电池充满电，又可在其他截止条件失效时作为最终保护条件截至充电，总充电时间为以恒流充电电流连续充入电量为额定容量的1.2—1.6倍的时间。

在本实施例中，进一步地，控制单元包括采样电路、主控芯片和驱动电路，采样电路和主控芯片电性连接，主控芯片和驱动电路电性连接，采样电路用于对蓄电池的充电电压、蓄电池的充电电流以及蓄电池的端电压进行采样，采样电路的充放电信号并将该信号传输给主控芯片，通过主控芯片实现信号处理以及对蓄电池的充放电控制。驱动电路带有两路反馈电路，为电流反馈和电压反馈，其中电流反馈的正、负极对应驱动芯片的第1、2管脚，输出电流在电流取样电阻上产生一压降，该压降经R9、R10和R14、R15电阻回馈回来，当驱动芯片的第1管脚电压大于第2管脚电压时，驱动芯片会减小输出脉宽使电流减小，否则增加脉宽，使输出电流恒定在预设值；电路中的电压反馈的正、负极对应驱动芯片的第16、15管脚，在上电后，主控芯片输出PWM电压，提供给驱动芯片的15管脚作为电压基准，输出电压经过前面电压取样电阻分压后，与电压基准比较，当电压过大时，则减小脉宽，过小则增加脉宽，使之保持恒定的输出电压值；输出占空比可变的信号，从而改变开关管导通的时间，也就改变了输出电压。由于驱动芯片的两路反馈在其内部相与后再进行控制，因此当输出电压低于恒压值时，电流反馈起控制作用，当输出电压达到所设定数值之后，电压反馈起控制作用，这样电路就完成了恒流/恒压的控制，其原理与稳压电源的工作原理同理，由于该电路为开关电源控制方式，因此具有效率高，温升低的特点。

在本实施例中，进一步地，控制单元包括按键电路，按键电路和采样电路电性连接，按键电路用于接收来自采样电路的充放电信号。

在本实施例中，进一步地，控制单元还包括显示屏电路，显示屏电路和主控芯片电性连接，显示屏电路用于对处于充电过程中的蓄电池的充放电状态参数进行显示。

在本实施例中，进一步地，充放电参数包括充放电状态、充电电流、充电电压和蓄电池电压大小。

在本实施例中，进一步地，充电开关单元包括DC/DC变换电路和放电电路，DC/DC变换电路用于将一个固定的直流电压转换为另一个固定的直流电压，放电电路包括一N沟道场效应管，放电电路用于检验来自主控芯片的低电平信号，N沟道场效应管切断放电电路。具体如图5所示，代表蓄电池的内阻R作为DC/DC变换电路的负载，i_R代表流经蓄电池的电流，U₀代表蓄电池的端电压，当DC/DC变换电路的场效应管Q1导通时，并在DC/DC变换电路的二极管D2反向截止，电路给电感L充电；当DC/DC变换电路的场效应管Q1截止时，二极管D2处于导通状态，电感L、电阻R和二极管D2构成回路，电感L放电。

在本实施例中，进一步地，直流稳压单元包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，电源变压器和整流电路电性连接，整流电路和滤波电路电性连接，滤波电路和稳压电路电性连接，电源变压器外接220V交流电，电源变压器用于将220V交流电进行降压过程，经由整流电路实现整流过程以及滤波电路的滤波过程，稳压电路接收并输出DC/DC变换电路所需的直流电压。

在本实施例中，进一步地，辅助供电单元包括一稳压芯片，稳压芯片的型号设置为LM2596。辅助供电单元主要用于为主控芯片提供5V电压，蓄电池输出12V直流电压经由稳压芯片转换为5V电压输出给主控芯片供电。稳压芯片的型号采用的是LM2596系列，该型号的稳压芯片能够提供降压开关稳压器的各种功能，能够驱动3A的负载，具备较好的线性和负载调整能力。

在本实施例中，进一步地，采样电路由温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路构成，所述温度采样电路对充电器和所述蓄电池所处环境温度进行采样并运算，电压采样电路用于对蓄电池的充电电压和蓄电池的端电压进行采样并检测，电流采样电路用于对蓄电池的充电电流进行采样并检测，以便用户了解蓄电池的充放电状态参数。其中，温度采样电路采用的是测温探头来采集蓄电池所处的环境温度T，测温探头采用的型号为18B20，测温探头将采集的电池温度传送给主控芯片，主控芯片根据当前采集到的电池温度输出PWM控制的电压基准点，当电池温度低于25度时，主控芯片根据电池温度补偿比例，适当线性提高PWM控制电压基准点，从而适当的提升自动电池充电器输出电压，解决电池因环境温度过低造成电池容量充不满的问题，蓄电池所处环境温度进行温度补偿后自动确认，即以25℃下单体电池的基准电压1.90V为准，按(1.90V+(0.002-0.004)V/℃*ΔT)*n确认该温度的电压补偿。当电池温度高于25度时，同样原则适当的自动降低电池充电器输出电压，解决电池因环境温度过高造成电池过充电的问题。为了使电压检测电路简单而可靠，电压采样采用精密电阻分压的方法。将被测电压范围转换成0-5v，然后通过主控芯片的一个ADC通道转换成数字信号，主控芯片对测得的电压值进行评估分析，然后调整PWM占空比完成对充电电压的控制与调节，具体可参见附图8和附图9。对于电流采样，电路中采用了放大电路，对微小的电流信号进行一定比例的放大后处理。详见附图10，电流检测采用了在充电主回路中串联采样电阻的方法，系统采用高精度采样电阻。首先，将采样电阻两端的电压信号通过运放进行放大，然后再送到主控芯片的ADC通道进行模数转换，进而完成了对充电电流的检测。

在本实施例中，进一步地，主控芯片包括定时器模块，定时器模块根据主控芯片预设的充电时间发出停止充电指令或充电方式变更指令。在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压。在电池充电过程中，通过检测蓄电池端电压大小而确定电池充电多少，从而改变充电方式。

本发明的工作原理和工作过程如下：系统上电后将程序初始化，主控芯片上电复位，然后检测蓄电池充放电控制器的输出端是否已经接入蓄电池，如果检测到没有接入电池，那么系统不工作；检测接入到电池后，系统开始正常工作，先检测按键的状态，如果此时放电按键按下，则充电主程序不工作，程序检测蓄电池电压，当蓄电池达到阈值电压时，停止放电；如果此时检测到放电按键释放，充电按键按下，则检测电池端电压的大小，根据检测到的蓄电池端电压大小来决定进行涓流充电还是大电流充电，如果检测到蓄电池端电压小于阀值电压，则系统进入涓流充电状态，以小电流给蓄电池进行涓流充电；如果检测到蓄电池的端电压在阈值电压和最大门限电压之间的范围时，则系统判断后跳过涓流充电状态，直接进入大电流快速充电状态，以恒流值采用0.1CA到1CA电流给电池进行充电。与此同时系统继续检测蓄电池端电压，当检测到蓄电池端电压超过最大门限电压值时，此时恒流充电状态结束，系统转入恒压充电状态；系统恒压充电电压是控制电路按采样电路检测的蓄电池所处环境温度进行温度补偿后自动确认，温度采样电路采用的是测温探头来采集蓄电池所处的环境温度T，测温探头采用的型号为18B20，测温探头将采集的电池温度传送给主控芯片，主控芯片根据当前采集到的电池温度输出PWM控制的电压基准点，当电池温度低于25度时，主控芯片根据电池温度补偿比例，适当线性提高PWM控制电压基准点，从而适当的提升自动电池充电器输出电压，解决电池因环境温度过低造成电池容量充不满的问题，当电池温度高于25度时，同样原则适当的自动降低电池充电器输出电压，解决电池因环境温度过高造成电池过充电的问题。蓄电池所处环境温度进行温度补偿后自动确认，即以25℃下单体电池的基准电压1.90V为准，按(1.90V+(0.002-0.004)V/℃*ΔT)*n确认；系统恒压充电的电流上限为0.1CA到1CA；系统恒压充电的截止电流值为0.025-0.05CA，系统恒压充电的截止电流正增值ΔI为0.20-0.50A，系统设定总充电时间截止条件，即可保证电池充满电，又可在其他截止条件失效时作为最终保护条件截至充电，总充电时间为以恒流充电电流连续充入电量为额定容量的1.2—1.6倍的时间。

代表蓄电池的内阻R作为DC/DC变换电路的负载，i_R代表流经蓄电池的电流，U₀代表蓄电池的端电压，当DC/DC变换电路的场效应管Q1导通时，并在DC/DC变换电路的二极管D2反向截止，电路给电感L充电；当DC/DC变换电路的场效应管Q1截止时，二极管D2处于导通状态，电感L、电阻R和二极管D2构成回路，电感L放电。辅助供电单元主要用于为主控芯片提供5V电压，蓄电池输出12V直流电压经由稳压芯片转换为5V电压输出给主控芯片供电。稳压芯片的型号采用的是LM2596系列，该型号的稳压芯片能够提供降压开关稳压器的各种功能，能够驱动3A的负载，具备较好的线性和负载调整能力。

本发明相较于传统充电器而言，能够精确检测电池的充电状态，采用PWM脉宽调制输出控制功率管的导通时间，从而达到对电池充电电流的控制，提高了充电性能，本发明的温度补偿设定有效的避免了锌镍电池和电池组在高温下的过充电和低温下的充电不足，特定时间截止条件，即可保证电池基本充满电，又可在其他截止条件失效时作为最终保护条件截至充电。本发明可以实时监测并且显示充电电压、充电电流等参数。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.锌镍电池和电池组用智能充电器，其特征在于，包括控制单元、充电开关单元、直流稳压单元、辅助供电单元和蓄电池，所述充电开关单元和所述直流稳压单元电性连接，所述充电开关单元、所述辅助供电单元、所述蓄电池和所述控制单元均为电性连接，所述直流稳压单元输出电压经由所述充电开关单元调节向所述蓄电池提供所需电压，所述控制单元用于实现对所述蓄电池的充放电的控制，所述辅助供电单元用于为所述控制单元提供电源；

所述控制单元包括采样电路、主控芯片和驱动电路，所述采样电路和所述主控芯片电性连接，所述主控芯片和所述驱动电路电性连接，所述采样电路用于对所述蓄电池的所处环境温度、所述蓄电池的充电电压、所述蓄电池的充电电流以及所述蓄电池的端电压进行采样，所述采样电路的充放电信号并将该信号传输给所述主控芯片，通过所述主控芯片实现信号处理以及对所述蓄电池的充放电控制；

所述采样电路由温度采样电路、电压采样电路和电流采样电路构成，所述温度采样电路对充电器和所述蓄电池所处环境温度进行采样并运算，所述电压采样电路用于对所述蓄电池的充电电压和所述蓄电池的端电压进行采样并检测，所述电流采样电路用于对所述蓄电池的充电电流进行采用并检测；

主控芯片包括定时器模块，所述定时器模块根据所述主控芯片预设的充电时间发出停止充电指令或充电方式变更指令；

系统恒压充电电压是控制电路按采样电路检测的蓄电池所处环境温度进行温度补偿后自动确认，即以25℃下单体电池的基准电压1.90V为准，按(1.90V+(0.002-0.004)V/℃*ΔT)*n确认；系统恒压充电的电流上限为0.1CA到1CA；系统恒压充电的截止电流值为0.025-0.05CA，系统恒压充电的截止电流正增值ΔI为0.20-0.50A，系统设定总充电时间截止条件，总充电时间为以恒流充电电流连续充入电量为额定容量的1.2—1.6倍的时间。

2.根据权利要求1所述的锌镍电池和电池组用智能充电器，其特征在于，所述控制单元包括按键电路，所述按键电路和所述采样电路电性连接，所述按键电路用于接收来自所述采样电路的充放电信号。

3.根据权利要求1所述的锌镍电池和电池组用智能充电器，其特征在于，所述控制单元还包括显示屏电路，所述显示屏电路和所述主控芯片电性连接，所述显示屏电路用于对处于充电过程中的所述蓄电池的充放电状态参数进行显示。

4.根据权利要求3所述的锌镍电池和电池组用智能充电器，其特征在于，所述充放电参数包括充放电状态、充电电流、充电电压和所述蓄电池电压大小。

5.根据权利要求1所述的锌镍电池和电池组用智能充电器，其特征在于，所述充电开关单元包括DC/DC变换电路和放电电路，所述DC/DC变换电路用于将一个固定的直流电压转换为另一个固定的直流电压，所述放电电路包括一N沟道场效应管，所述放电电路用于检验来自所述主控芯片的低电平信号，所述N沟道场效应管切断所述放电电路。

6.根据权利要求5所述的锌镍电池和电池组用智能充电器，其特征在于，所述直流稳压单元包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，所述电源变压器和所述整流电路电性连接，所述整流电路和所述滤波电路电性连接，所述滤波电路和所述稳压电路电性连接，所述电源变压器外接220V交流电，所述电源变压器用于将220V交流电进行降压过程，经由所述整流电路实现整流过程以及所述滤波电路的滤波过程，所述稳压电路接收并输出所述DC/DC变换电路所需的直流电压。

7.根据权利要求1所述的锌镍电池和电池组用智能充电器，其特征在于，所述辅助供电单元包括一稳压芯片，所述稳压芯片的型号设置为LM2596。

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