CN111934407A - 一种铅酸蓄电池充电电路和充电方法 - Google Patents

一种铅酸蓄电池充电电路和充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铅酸蓄电池充电电路和充电方法，充电电路包括电池电压采样电路、电池充电输出电路、交直流转换电路和控制电路，交直流转换电路的输入端接交流电源，输出端接电池充电输出电路；电池充电输出电路的输出端和电池电压采样电路的采样端分别接铅酸蓄电池的充电接口，控制电路包括微控制器，电池电压采样电路的输出端接微控制器的电池电压采样信号输入端，交直流转换电路的控制端和电池充电输出电路的控制端分别接微控制器的控制信号输出端。本发明的充电电路各模块电路通过微控制器进行控制，输出电压的准确性与可靠性好；本发明的充电方法能够识别多种电压规格，简化用户的充电使用步骤，提高电池的使用寿命及充电效率。

Description

一种铅酸蓄电池充电电路和充电方法
[技术领域]
本发明涉及电动车铅酸蓄电池充电，尤其涉及一种铅酸蓄电池充电电路和充电方法。
[背景技术]
电动车作为中小城市普遍的出行交通工具，为电动车配备充电站成为必然；但是电动车充电站在使用过程中，由于无法判断所用自行车电池电压规格，无法设置正确的充电电压，可能因此存在过充电或者欠充电状态，过充电状态下造成电池发热严重，影响电池使用寿命，甚至引起火灾等严重后果，存在较大的安全隐患；欠压充电状态下电池无法充至满电状态，影响用户使用以及充电站的充电效率；另外，由于充电站需要手动设置充电电压，在设置正确的前提下，充电站给电池充至所设电压值后立即断开输出，此时充电的电池容量还未达到满容量状态，长期以往，会影响电池的使用寿命。
专利号为CN201120129232.9的实用新型公开了一种能识别电压的电动自行车电池充电电路，包括漏电保护器，熔断器，电容，整流桥，比较电路和控制电路，其特征在于：所述漏电保护器与外部交流220V电源其中一进线连接后再经过熔断器接入并联有放电电阻的电容，电容和电源另一进线接于整流桥输入端，整流桥输出端经继电器K的常开触点和电流表与充电的蓄电池连接，蓄电池两端并联接由电阻串联构成的检测电路，熔断器后端取220V交流电源接电容和整流桥构成辅助电源电路。本实用新型能自动检测所充电的电动自行车的电池额定电压值，并根据此额定值调整充电电池充满后的电压值，达到对所有的上市合格电动自行车电池自动充电，并在电池充满后自动切除，具有较好的实用价值。
该实用新型完全采用模拟电路调节输出电压，准确性与可靠性较低。另外，常用的电动车电池的电压规格有36V、48V、60V和72V多种，该实用新型只能识别36V和48V的电压，无法识别60V和72V等多种电压。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种输出电压准确性与可靠性较好的铅酸蓄电池充电电路。
本发明要解决的技术问题是提供一种能够识别多种电压规格的电池，并采取相应充电措施的铅酸蓄电池充电方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种铅酸蓄电池充电电路，包括电池电压采样电路、电池充电输出电路、交直流转换电路和控制电路，交直流转换电路的输入端接交流电源，输出端接电池充电输出电路；电池充电输出电路的输出端和电池电压采样电路的采样端分别接铅酸蓄电池的充电接口，控制电路包括微控制器，电池电压采样电路的输出端接微控制器的电池电压采样信号输入端，交直流转换电路的控制端和电池充电输出电路的控制端分别接微控制器的控制信号输出端。
以上所述的铅酸蓄电池充电电路，电池电压采样电路包括电阻分压电路、电压跟随器和第一RC滤波电路，电阻分压电路的输入端作为电池电压采样电路的采样端接接铅酸蓄电池的充电接口，电阻分压电路的输出端接电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端通过第一RC滤波电路接微控制器的电池电压采样信号输入端。
以上所述的铅酸蓄电池充电电路，铅酸蓄电池充电接口的负极端子接地，电池电压采样电路包括第一二极管和第二二极管，第一二极管的阴极和第二二极管的阳极接微控制器的电池电压采样信号输入端，第一二极管的阳极接地，第二二极管的阴极接芯片电源正极。
以上所述的铅酸蓄电池充电电路，电池充电输出电路包括电子开关，第二RC滤波电路、熔断器、隔离驱动模块和所述的充电接口，电子开关的输入端接交直流转换电路输出端的正极，交直流转换电路输出端的负极接地；电子开关的输出端依次通过第二RC滤波电路和熔断器接充电接口的正极，充电接口的负极接地；微控制器的控制信号输出端通过隔离驱动模块接电子开关的控制端。
以上所述的铅酸蓄电池充电电路，所述的电子开关包括两个反向串联的MOS管，所述的隔离驱动模块包括光电耦合器和三极管，两个反向串联的MOS管接在交直流转换电路输出端的正极与第二RC滤波电路之间，光电耦合器发光二极管的阳极接电源正极，发光二极管的阴极接三极管的集电极，三极管的发射极接地，三极管的基极接微控制器的控制信号输出端；光电耦合器的光敏三极管的输出端接两个MOS管的栅极。
以上所述的铅酸蓄电池充电电路，交直流转换电路包括AC/DC变换电路、DC/DC变换电路和驱动电路；AC/DC变换电路的输入端接交流电源，DC/DC变换电路的输入端接AC/DC变换电路的输出端，DC/DC变换电路的输出端接电池充电输出电路；AC/DC变换电路和/或DC/DC变换电路包括复数个开关管，所述的开关管的控制端接驱动电路的输出端，驱动电路的输入端接微控制器的驱动信号输出端。
一种铅酸蓄电池的充电方法，利用上述的铅酸蓄电池充电电路，并包括以下步骤：
701)当接入的电池电压在两种电压规格电池的电压重叠区内时，以重叠区的上限电压对电池充电，根据充电速率判断接入电池所属的电压规格；
702)根据接入电池所属的电压规格，采用对应的充电规范进行充电。
以上所述的充电方法，包括以下步骤：
801)在步骤701中，以重叠区的上限电压对电池恒流充电，以充电速率判断接入电池所属的电压规格；
802)在步骤702中，以识别后的电池电压规格的电压上限值为充电电压上限进行恒流充电，待接入电池充电至所设的电压上限值时，切换至恒压充电。
以上所述的充电方法，在步骤802中，检测到恒压充电的充电电流小于设定值时，进行浮充，直至充电结束。
本发明铅酸蓄电池充电电路各模块电路通过微控制器进行控制，输出电压的准确性与可靠性好。
本发明的充电方法能够识别多种电压规格，简化用户的充电使用步骤，提高电池的使用寿命及充电效率。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例铅酸蓄电池充电电路的结构框图。
图2是本发明实施例交直流转换电路的结构示意图。
图3是本发明实施例铅酸蓄电池充电电路主电路的电路图。
图4是本发明实施例隔离驱动模块的电路图。
图5是本发明实施例36V、48V、60V和72V电池的电压规格图。
图6是本发明实施例以59V充电电压测试的48V电池与60V电池电压重叠区域内的充电特性曲线图。
图7是本发明实施例以73.7V充电电压测试的60V电池与72V电池电压重叠区域内的充电特性曲线图。
[具体实施方式]
本发明实施例铅酸蓄电池充电电路如图1至图4所示，包括电池电压采样电路、电池充电输出电路、交直流转换电路和控制电路，交直流转换电路的输入端接交流电源，输出端接电池充电输出电路。电池充电输出电路的输出端和电池电压采样电路的采样端分别接铅酸蓄电池的充电接口J1，控制电路包括微控制器(单片机STM32)，电池电压采样电路的输出端接微控制器的电池电压采样信号输入端，交直流转换电路的控制端和电池充电输出电路的控制端分别接微控制器的控制信号输出端。
如图3所示，电池电压采样电路包括电阻R1和R2串联组成的电阻分压电路、电压跟随器U1-A、稳压电阻R3、由R4和C2组成第一RC滤波电路和双向导通二极管D8。R1的阻值为200K，R2的阻值为6.8K，R3阻值为1K。电阻R2并接滤波电容C1。
电阻分压电路的输入端作为电池电压采样电路的采样端接接铅酸蓄电池的充电接口J1的正极(OUT1+)，铅酸蓄电池充电接口J1的负极端子接模拟地AGND，电阻分压电路的另一端也接接模拟地AGND。电阻分压电路的输出端(电阻R1与R2的连接点)接运算放大器U1-A的正相输入端PIN3，采样所得是一个小于3.3V的电压值，即为pin3引脚电压值，运算放大器U1-A的反相输入端PIN2与运算放大器U1-A的的输出端PIN1相连，运算放大器U1-A构成电压跟随器。
电压跟随器U1-A的输出端通过PIN1通过稳压电阻和第一RC滤波电路接微控制器的电池电压采样信号输入端PIN8引脚。
防过电压的双向导通二极管D8的第一二极管的阴极和第二二极管的阳极接微控制器的电池电压采样信号输入端，第一二极管的阳极接地，第二二极管的阴极接芯片电源正极(+3.3V)。电压跟随器输出值为分压采样电阻采样值，当电压跟随器的输出电压超出3.3V时，双向导通二极管D8的第二二极管正向导通，拉低过电压，保护单片机。
当充电接口J1接入待充电的铅酸电池时，电池电压采样电路检测出电池电压值，并通过分压采样电阻R1和R2将电压采样值传至微控制器的PIN8引脚，PIN8引脚作为单片机的电池电压检测引脚，获取分压电路的电压采样值[R2/(R1+R2)]*OUT1+(OUT1+为电池正极电压)，微控制器接收并处理信号后由PIN44引脚发出相应的PWM驱动方波，驱动交直流转换电路的开关管以及输出整流模块输出对应的充电电压值VOUT，VOUT为略高于电池电压的恒压值。同时由微控制器的PIN39(BATON1)引脚发出高电平信号模块发出指令，由隔离驱动模块驱动电子开关Q1,Q2，导通给电池充电，直至电池充至满电状态，然后断开驱动。
如图2所示，交直流转换电路包括AC/DC变换电路、DC/DC变换电路和驱动电路。AC/DC变换电路的输入端接交流电源，DC/DC变换电路的输入端接AC/DC变换电路的输出端，DC/DC变换电路的输出端接电池充电输出电路。AC/DC变换电路和DC/DC变换电路各包括多数个开关管，AC/DC变换电路和DC/DC变换电路开关管的控制端接驱动电路的输出端，驱动电路的输入端接微控制器的驱动信号输出端。
电池充电输出电路包括由MOS管Q1和Q2组成的电子开关，由电阻R7、R8、R9、R10和C4组成的第二RC滤波电路、熔断器、隔离驱动模块和充电接口J1。电子开关的输入端接交直流转换电路输出端的正极VOUT，交直流转换电路输出端的负极接模拟地AGND。电子开关的输出端依次通过第二RC滤波电路和熔断器接充电接口J1的正极OUT1+，充电接口J1的负极接模拟地AGND。微控制器的控制信号输出端PIN39(BATON1)引脚通过隔离驱动模块接电子开关的控制端。
电子开关的两个MOS管Q1和Q2反向串联，即，即交直流转换电路的输出端VOUT接MOS管Q1的D极，微控制器的PIN39引脚经隔离驱动模块接至MOS管Q1,Q2的G极，MOS管Q1与MOS管Q2的S极相连，MOS管Q1的G极接放电电阻至S极，MOS管Q2的G极接放电电阻至S极，放电电阻R5、R6阻值为10K。MOS管Q2的D极接输出保险丝的第一端，输出保险丝另一端接OUT1+，即酸蓄电池的充电接口J1的正极。
隔离驱动模块包括光电耦合器U2和三极管，两个反向串联的MOS管接在交直流转换电路输出端的正极与第二RC滤波电路之间，光电耦合器U2发光二极管的阳极接电源正极，发光二极管的阴极接三极管Q5的集电极，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极接微控制器的控制信号输出端PIN39(BATON1)引脚。光电耦合器U2的光敏三极管的输出端接两个MOS管Q1和Q2的栅极。
微控制器(单片机STM32)的PIN8引脚检测到待充电的铅酸电池电压时，由pin44引脚发出相应占空比的PWM驱动方波，通过交直流转换电路的驱动电路，驱动AC/DC变换电路和DC/DC变换电路的开关管，交直流转换电路输出作为蓄电池充电的充电电压VOUT，与此同时，微控制器pin39引脚发出高电平，经隔离驱动模块电路驱动MOS管Q1和Q2导通，输出电池充电电压VOUT，直至微控制器监测到蓄电池充电至满电状态，微控制器的PIN44引脚停止发送PWM波，pin39引脚电位拉低，MOS管Q1和Q2关断，充电完成。
如图5所示，36V与48V的铅酸电池的重叠电压为42V-44.2V，48V与60V的铅酸电池重叠电压为52.5V-59V，60V和72V的铅酸电池重叠电压为63V-73.7V。
如图6所示，根据在59V充电电压下测试的48V电池与60V电池在电压重叠区域内的充电特性曲线，可以看到，60V电池的充电速率明显快于48V铅酸电池充电速率。
如图7所示，以73.7V充电电压测试的72V电池与60V电池在电压重叠区域内的充电特性曲线，可以看到，72V电池的充电速率明显快于60V铅酸电池充电速率。
由此，可以确定，在电压重叠区域内，以重叠区域的上限电压对不同电压规格的电池充电时，高电压规格电池的充电速率明显高于低电压规格电池的充电速率。
当接入电池电压在两种电压规格电池电压重叠区域时，则以重叠区域的上限电压对电池恒流充电，并根据充电速率来判断出接入的铅酸电池所属的电压规格，以识别后的电池电压规格的电压上限值为充电电压上限，恒流充电至电压所设上限值，待电池充电至电压所设上限值时，从恒流充电切换至恒压充电。此时充电电流会逐渐减小，待检测到充电电流处于一个很小的值(0.3A)时，微控制器发出指令，以略低于电压规格上限值的电压值浮充电，以维持电池电压稳定。
浮充电过程中，持续检测30分钟，在检测时间内如果充电电流一直小于0.3A，退出浮充模式，关断电池充电输出电路。
例如，如果检测到接入电池电压值为55V，系统可以判定该电池电压处于48V以及60V电池电压的重叠区域52.5-59V之间，通过微控制器调节输出电压，以59V输出电压给电池充电。如图6所示，60V电池的充电速率明显快于48V铅酸电池充电速率，根据充电速率可以判断出接入的电池电压规格为60V的铅酸电池还是48V的铅酸电池。如果检测到接入电池的充电速率为高充电速率，则可以判定接入的电池为60V铅酸电池，60V铅酸电池的电压范围为52.5V-73.7V，则以73.7V的输出电压对电池充电至满电状态。
本发明以上实施例的充电电路各模块电路通过微控制器进行控制，输出电压的准确性好，工作可靠性以及实用性强，识别效果好，控制精度高。
本发明以上实施例的控制方法可以实现对市面上的36V，48V，60V，72V等多种规格的铅酸电池电压精确判断并充电至满电满容量状态，可解决充电站普遍存在的充电设备参数不一、成本投入大等问题，还可以简化用户的充电使用步骤，避免由于操作失误而引起的安全隐患，提高充电站的安全性能，提高电池的使用寿命及充电效率。

Claims (9)

1.一种铅酸蓄电池充电电路，包括电池电压采样电路、电池充电输出电路、交直流转换电路和控制电路，交直流转换电路的输入端接交流电源，输出端接电池充电输出电路；电池充电输出电路的输出端和电池电压采样电路的采样端分别接铅酸蓄电池的充电接口，其特征在于，控制电路包括微控制器，电池电压采样电路的输出端接微控制器的电池电压采样信号输入端，交直流转换电路的控制端和电池充电输出电路的控制端分别接微控制器的控制信号输出端。
2.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池充电电路，其特征在于，电池电压采样电路包括电阻分压电路、电压跟随器和第一RC滤波电路，电阻分压电路的输入端作为电池电压采样电路的采样端接接铅酸蓄电池的充电接口，电阻分压电路的输出端接电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端通过第一RC滤波电路接微控制器的电池电压采样信号输入端。
3.根据权利要求2所述的铅酸蓄电池充电电路，其特征在于，铅酸蓄电池充电接口的负极端子接地，电池电压采样电路包括第一二极管和第二二极管，第一二极管的阴极和第二二极管的阳极接微控制器的电池电压采样信号输入端，第一二极管的阳极接地，第二二极管的阴极接芯片电源正极。
4.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池充电电路，其特征在于，电池充电输出电路包括电子开关，第二RC滤波电路、熔断器、隔离驱动模块和所述的充电接口，电子开关的输入端接交直流转换电路输出端的正极，交直流转换电路输出端的负极接地；电子开关的输出端依次通过第二RC滤波电路和熔断器接充电接口的正极，充电接口的负极接地；微控制器的控制信号输出端通过隔离驱动模块接电子开关的控制端。
5.根据权利要求4所述的铅酸蓄电池充电电路，其特征在于，所述的电子开关包括两个反向串联的MOS管，所述的隔离驱动模块包括光电耦合器和三极管，两个反向串联的MOS管接在交直流转换电路输出端的正极与第二RC滤波电路之间，光电耦合器发光二极管的阳极接电源正极，发光二极管的阴极接三极管的集电极，三极管的发射极接地，三极管的基极接微控制器的控制信号输出端；光电耦合器的光敏三极管的输出端接两个MOS管的栅极。
6.根据权利要求1所述的铅酸蓄电池充电电路，其特征在于，交直流转换电路包括AC/DC变换电路、DC/DC变换电路和驱动电路；AC/DC变换电路的输入端接交流电源，DC/DC变换电路的输入端接AC/DC变换电路的输出端，DC/DC变换电路的输出端接电池充电输出电路；AC/DC变换电路和/或DC/DC变换电路包括复数个开关管，所述的开关管的控制端接驱动电路的输出端，驱动电路的输入端接微控制器的驱动信号输出端。
7.一种铅酸蓄电池的充电方法，其特征在于，利用权利要求1所述的铅酸蓄电池充电电路，并包括以下步骤：
701)当接入的电池电压在两种电压规格电池的电压重叠区内时，以重叠区的上限电压对电池充电，根据充电速率判断接入电池所属的电压规格；
702)根据接入电池所属的电压规格，采用对应的充电规范进行充电。
8.根据权利要求7所述的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
801)在步骤701中，以重叠区的上限电压对电池恒流充电，以充电速率判断接入电池所属的电压规格；
802)在步骤702中，以识别后的电池电压规格的电压上限值为充电电压上限进行恒流充电，待接入电池充电至所设的电压上限值时，切换至恒压充电。
9.根据权利要求8所述的充电方法，其特征在于，在步骤802中，检测到恒压充电的充电电流小于设定值时，进行浮充，直至充电结束。
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CN114759278A (zh) * 2022-06-16 2022-07-15 广东高斯宝电气技术有限公司 一种mcu控制的电池充电方法

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