CN113725985A - 用于充电电路的变速风机供电模块及供电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于充电电路的变速风机供电模块，通过增设于谐振电路中的电流源变压器T2，使风机J1的启动电流和电压同步于谐振电路的电流变化，同时同步于储能装置两级电压变化和充电功率的变化，一方面，不仅能够实现风机随电池的充电功率的变化而自动启停、自动调整转速，从而避免浪费电能，延长风机的实用寿命，减少噪音；另一方面，相比通常的以温度变化控制风机的方式简化了风机自动控制的完成过程，实现了风机转速随电池的充电功率实时调整，不再滞后。并且还带来了更多经济价值，减少了温度监测装置和控制装置的材料成本和编程成本；风机供电模块可以制作为独立的模块，便于大批量生产和安装。
Description
技术领域
本发明属于充电技术与散热技术领域，尤其涉及一种能够为充电电路提供风冷散热的，且能够自动控制风速的风机供电模块和方法。
背景技术
充电技术应用十分广泛，主要技术内容是通过充电机等连接各类电源，对电池或电容等各类储能装置进行充电。其中面临的一个问题是：充电过程中，充电机常会有发热现象，充电时间越长，发热量越大，这是因为充电机线路板上的元件在做功时会产生热量，尤其是谐振电路会产生较大的热量。针对这一发热问题，一般采用风机进行强制风冷散热，保证整个充电装置的温度控制在安全范围内。
现有的风冷散热方式是：将风机的控制电路与充电线路并联，充电过程一启动，风机就会全速开启散热。这种方式在运行时存在一些弊端：一、浪费电能。因为当充电时间较短时，充电机的温度不高，对通风量的需求也较小，可以不启动风机或者以较低转速运转，如果从一开始充电就持续全速运转，会造成电能的浪费；二、缩短风机寿命。因为风机长时间高转速运行，对其机械部件及电子元器件的使用寿命必然会产生不利影响；三、增加噪音。风机转速越高，噪音量也会越大，长时间持续高速运行的风机，会对周边的工作、生活环境产生噪音污染。
现有技术解决上述风冷散热问题的方案是，通过增加温度监测装置和控制装置，来实现充电过程的风机变速运行，以解决上述弊端。其控制过程是：先对充电机的温度进行实时采集，然后传递给控制装置，当温度达到或高于一定阈值时，控制装置启动风机，并根据温度高低对风机的供电电压进行调节，进而调节风机的转速。
但是上述方案仍存在问题，即温度采集及控制系统对风机供电电压和转速的调节具有一定滞后性，而且增加温度监测装置和控制装置会额外增加了充电机的成产成本。
因此亟需一个新的设计方案，来解决上述风冷散热的全部问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明根据充电机中控制芯片CPU对充电线路的控制特性，提供了一种用于充电电路的变速风机供电模块，不需要温度监测和控制装置，仅通过改变风机供电模块的设计，即可实现风机的开启及风速控制随电池的充电功率变化而自动调整的效果。
本发明采用的技术方案是：一种用于充电电路的变速风机供电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、电源接口与ACDC电源模块U1连通，电池接口与待充电电池连通后，控制芯片CPU自动开启，检测电池正负极的电压，判定电池所处的充电状态；
所述电池的额定电压为Va、额定电流为Ia，所述充电状态分为四个充电阶段，分别为涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止阶段；
步骤二、当控制芯片CPU检测到电池两极电压小于特定值Va1，判定电池的充电状态为涓流充电阶段，控制芯片CPU调节开关频率至F1，充电电路开始为电池充电，此阶段中，风机J1低转速运行，为充电电路缓慢散热；
所述特定值Va1＝2/3Va，开关频率调节至F1时，对应的充电电流变为1/10Ia；
步骤三、当控制芯片CPU检测到电池两极电压值升高到Va1时，判定电池的充电状态为恒流充电阶段，控制芯片CPU调节开关频率至F2，然后调节开关频率从F2变化至F3，使充电电路给电池全速充电，此阶段中，风机J1加速旋转，加快为充电电路散热；
开关频率至调节F2时，对应的充电电流变为0.2Ia-1.0Ia区间内的一个固定数值，开关频率从F2调节变化至F3的过程中，充电电流始终是上述固定数值；
步骤四、当控制芯片CPU检测到电池两极电压值升高到Va时，判定电池的充电状态为恒压充电阶段，控制芯片CPU调节开关频率至F4，充电电路提升电池电芯的电饱和程度升高，此阶段中，风机J1低转速运行，并逐渐减速至停止，逐渐终止散热；
开关频率调节至F4时，对应的电池两极电压数值为Vb，对应的充电电流小于1/10Ia；
步骤五、控制芯片CPU采用最小电流法监视恒压充电过程的充电电流，当控制芯片CPU检测到充电电流值达到0.02Ia-0.07Ia范围时，判定电池的充电状态为充电终止阶段，控制芯片CPU调节开关电路为开路状态，结束为电池充电，此阶段中，风机J1不转动，不散热。
本发明的另一个技术方案是：一种用于充电电路的变速风机供电模块，其特征在于：包括连接ACDC电源模块U1的电源接口和连接储能装置的电池接口，所述电源接口连接有将直流电逆变为交流电的逆变电路，逆变电路的输出端连接有由谐振电容C5、谐振电感L1、L2和高频变压器T1共同组成的LLC谐振电路。
还包括与高频变压器T1初级线圈串联，并且还串联于LLC谐振电路中的电流源变压器T2，电流源变压器T2的次级线圈连接整流桥输入端，整流桥输出端与风机J1的电源接头相连，风机J1电源接头还并联有保护电路。
所述保护电路包括为风机电压稳压的滤波电容C3，滤波电容C3的正极连接三极管Q6的集电极和电阻R1的一端,滤波电容C3的负极连接三极管Q6的发射极和电阻R2的一端，电阻R1的另一端连接稳压二极管D8的负极，电阻R2的另一端连接稳压二极管D8的正极，且稳压二极管D8的正极还与三极管Q6的基极相连，电阻R2两端还并联有滤波电容C4。
作为对上述技术方案的进一步限定，所述逆变电路选用由四个高频MOS管连接组成的开关电路，所述四个高频MOS管的G极分别连接控制芯片CPU的开关信号输出端，控制芯片CPU的电压、电流检测输入端并联于所述电池接口。
作为对上述技术方案的进一步限定，所述整流桥由四个整流二极管连接组成。
作为对上述技术方案的进一步限定，所述高频变压器T1为次级具有中心抽头的电源变压器，高频变压器T1的次级线圈与2个整流二极管组成全波整流电路，全波整流电路的输出端连接所述电池接口。
作为对上述技术方案的进一步限定，所述电源接口并联有滤波电容C1，电池接口并联有滤波电容C2。
作为对上述技术方案的进一步限定，所述风机J1的电机为宽电压电机。
采用上述技术，本发明的优点在于：通过增设于谐振电路中的电流源变压器T2，使风机J1的启动电流和电压同步于谐振电路的电流变化，同时同步于储能装置两级电压变化和充电效率的变化，一方面，不仅能够实现风机随电池的充电功率的变化而自动启停、自动调整转速，从而避免浪费电能，延长风机的实用寿命，减少噪音；另一方面，相比通常的以温度变化控制风机的方式简化了风机自动控制的完成过程，实现了风机转速随电池的充电功率实时调整，不再滞后。并且还带来了更多经济价值：一、减少了温度监测装置和控制装置的材料成本和编程成本；二、本供电模块可以制作为独立的模块，便于大批量生产和安装。
附图说明
图1为本发明的电路示意图；
图2为本发明在充电电路中的连接关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1和2所示，该用于充电电路的变速风机供电模块，包括电源接口和电池接口，电源接口用于连接ACDC电源模块U1，电池接口用于连接储能装置。电源接口连接逆变电路，将直流电通过逆变电路逆变为交流电输出。逆变电路是由四个高频MOS管，即Q1、Q2、Q3、Q4，共同组成的，也称作是开关电路，利用其开关特性，实现逆变效果。且四个高频MOS管的G极分别连接控制芯片CPU的开关信号输出端，控制芯片CPU的电压、电流检测输入端并联于电池接口。控制芯片CPU用以监测电池接口所连接的储能装置的电压变化，并根据储能装置的电压变化，自动控制和调节开关电路的开关频率，改变谐振电路中的阻抗和电流大小，引起高频变压器T1的输入电压和输出电压变化，最终通过控制充电电路与储能装置之间的电势差，实现对储能装置的充电功率和速度的调节。
电源接口，即逆变电路的输入端，还并联有滤波电容C1，用以平滑逆变电路产生的交流电。逆变电路的输出端连接有由谐振电容C5、谐振电感L1、L2和高频变压器T1共同组成的LLC谐振电路。LLC谐振电路具有预设的谐振频率，其主要作用是将交流电的频率改变为谐振电路的预设频率，并输入给高频变压器T1。
由现有技术中谐振电路的谐振特性可知：当输入的频率等于谐振频率时，谐振电路阻抗为零，逆变电路输出的功率可以无损耗的传递给后端的储能装置，即以充电电路能接受的最大功率运行；当输入的频率偏离谐振频率越大时，谐振电路的阻抗越大，逆变电路输出的功率损耗越多，从而传递给后端的储能装置功率越小。所以，逆变电路输出频率与谐振频率的差值是决定谐振电路中阻抗大小的关键，也就是影响谐振电路电流的关键。
高频变压器T1为次级具有中心抽头的电源变压器。高频变压器T1的次级线圈与2个整流二极管D1、D2组成全波整流电路，全波整流电路的输出端连接电池接口。经高频变压器T1变压后的交流电通过全波整流电路转变为直流电，从电池接口输出给储能装置，完成充电过程。并且电池接口还并联有滤波电容C2，用于平滑整流后的直流电。
LLC谐振电路中还串联有电流源变压器T2，并且电流源变压器T2的初级线圈与高频变压器T1的初级线圈串联相连。电流源变压器T2的次级线圈连接整流桥输入端，整流桥输出端与风机J1的电源接头相连。整流桥由四个整流二极管D3、D4、D5、D6共同连接组成，其作用是将电流源变压器T2次级产生的交流高频电流，变换为直流电输出给风机J1，驱动风机J1转动。
充电过程中，电流源变压器T2利用其输出电流不随负载的大小而变化的特性，以电流的方式给风机J1提供电源。并且根据电流源变压器T2的输出电流与谐振电路电流正向相关的特性，以及电流源变压器T2的输出电流与输出电压正向相关的特性，可知电流源变压器T2的输出电压，也与谐振电路的电流正向相关，谐振电路中电流的变化，同步引起电流源变压器T2次级电压的变化，控制风机J1的启停和转速变化。由前述内容可知谐振电路中电流的变化根本上是根据储能装置的充电功率变化而变化的，所以风机J1的启停和转速变化也是与储能装置的充电功率变化同步进行的。
风机J1电源接头还并联有保护电路。保护电路包括为风机电压稳压的滤波电容C3，滤波电容C3与风机电源接头并联。滤波电容C3的正极连接三极管Q6的集电极和电阻R1,滤波电容C3的负极连接三极管Q6的发射极和电阻R2，电阻R1和电阻R2之间串联有稳压二极管D8，且稳压二极管D8的正极与电阻R2相连，稳压二极管D8的正极还与三极管Q6的基极相连，电阻R2两端还并联有滤波电容C4。
保护电路的作用是，防止在风机故障时，电流源变压器T2输出端形成开路，因为开路时会产生高压引起绝缘损坏或电击穿甚至发生事故。另一方面，是因为充电电路中有时会使用多个风机进行冷却，多个风机是并联于电流源变压器T2的次级电路中的。保护电路的作用是，防止在某一风机故障停转时，其输入电压分摊到其他风机上，避免过压损坏风机，或影响风机的正常转速。
在本实施例中，风机J1的电机为宽电压电机。风机J1可在安全电压范围内正常运行，并且其转速随电压同步变化。当风机J1的供电电压处于其安全电压范围的较低值时，风机转速较低；当风机J1的供电电压在其安全电压范围内变化，且风机J1的供电电压越来越大时，风机转速越来越高；当风机J1的供电电压处于其安全电压范围的最高值时，风机转速最高。
本实施例的充电电路，可适用于对各类电池、电容进行充电，比如锂电池、铅酸电池、超级电容等，都是可以充电的对象。根据用户的需要和充电对象特性的不同，控制芯片CPU中所设置充电逻辑也略有不同，但大体原理一致。通常将储能装置的充电过程分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止。
在实施例1中，以电池容量为1000mAh的铅酸电池为例，假设其额定电压为56.5V，额定电流为1C，其工作逻辑如下：当电池与充电电路连通后，控制芯片CPU的电压、电流检测输入端首先要采集电池正负极的电压，判断电池目前处于哪种充电状态。
如果，此时电池电压低于在控制芯片CPU中预设的特定值，此充电电路中的特定值设置为44V，则进入第一阶段的涓流充电，即低压预充的充电过程。控制芯片CPU向开关电路的高频MOS管Q1、Q2、Q3、Q4输出PWM信号，调节开关频率为一个固定值F1。通过调节开关频率，使充电电路的输出电压设定在一个较小但高于电池电压的固定值，此时充电电流通常不高于0.1C，谐振电路的电流也较小。充电电路开始为电池充电，电池电压缓慢升高，直至电池电压达到44V。在此阶段，电池的充电功率较低，发热量较低。由于谐振电路的电流较小，而使风机J1分回路的电压、电流也处于较低值，因此风机转速较低，散热缓慢。
当电池电压达到44V，具备正常充电条件，则进入第二阶段的恒流充电过程。控制芯片CPU通过调节开关频率从F2变化至F3，将充电电流设定为0.2-1.0C区间的一个固定数值。此时充电电路给电池全速充电，充电电流不变，电池两极电压升高，充电电路的输出电压随之不断升高。在此阶段，电池的充电功率不断提高，发热量持续增大。此过程中谐振电路的电压、电流不断增大，使风机J1分回路的电流、电压也不断增大，因此驱动风机J1加速旋转，加快为充电电路散热。
当电池电量和电压快速升高，达到56.5V后，则进入第三阶段的恒压充电过程。控制芯片CPU通过调节开关频率至F4，将充电电路的输出电压控制在56.5V的固定值。此过程中，充电电流不高于0.1C，且随着电芯的饱和程度升高，充电电流慢慢减小，直到接近于0。在此阶段，电池的充电功率在降低，发热量减少。谐振电路的电流也在减小，风机J1分回路的电流、电压也减小，带动风机J1的转速变慢直至停止，逐渐减少散热，与充电电路的散热需求相匹配。
控制芯片CPU采用最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流变化，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时，进入第四阶段充电终止。此时，控制芯片CPU通过调节开关电路为开路状态，充电电路中电压和电流为0，风机J1停止转动，结束散热。
在实施例2中，以锂电池为例，本例所用电池额定电压为4.20V，额定电流假设为1C，其充电过程都是由芯片控制的，典型的工作逻辑如下：当充电电路连通后，控制芯片先检测待充电电池的电压。
在控制芯片CPU中预设一个约为电池额定电压2/3的特定值，针对于此充电电路将特定值设置为3V。如果电压低于3V，要先进行第一阶段的涓流充电。涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充电，由控制芯片调整开关频率，控制充电电流为设定电流的1/10。此过程中，电池电压缓慢升高，直至电池电压达到3V。电池的充电功率较低，发热量较低。谐振电路电流较小，与谐振电路电流同向变化的风机J1分回路的电压、电流也处于较低值，因此风机转速较低，散热缓慢。
电压升到3V后，进入第二阶段的标准充电过程，由控制芯片调整开关频率，控制提高充电电流以设定电流进行恒流充电。恒流充电的电流设定在0.2C至1.0C之间的一个固定值上。电池电压随着恒流充电过程逐步升高，充电电路的输出电压随之不断升高。在此阶段，电池的充电功率不断提高，发热量持续增大。此过程中谐振电路的电压、电流不断增大，使风机J1分回路的电流、电压也不断增大，驱动风机J1加速旋转，加快为充电电路散热。
电池电压升到4.20V时，恒流充电结束，开始进入第三阶段的恒压充电，由控制芯片调整开关频率，控制充电电压保持为4.20V。随着电芯的饱和程度升高，充电过程的充电电流不高于0.1C，且慢慢减小，当减小到0.01C时，认为充电终止。在此阶段，电池的充电功率在降低，发热量减少。谐振电路的电流也在减小，风机J1分回路的电流、电压也减小，带动风机J1的转速变慢直至停止，逐渐减少散热。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。
充电终止方法采用最小充电电流判断。最小电流法是控制芯片监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电，此阶段为第四阶段。此时，控制芯片通过调节开关电路为开路状态，充电电路中电压和电流为0，风机J1停止转动，结束散热。
上述2个具体实施例，在整个充电过程中，不需要对风机J1进行单独的控制和反馈，充电电路只需要按照控制芯片CPU原有的工作逻辑对电池进行充电即可。风机转速会自动跟随充电电路的电流和电池的充电功率变化，直至最后风机输入功率为0，风机转速也为0，完成整个充电过程。
工作原理或工作步骤：本发明是利用了充电过程的电势差原理，和现有技术中控制芯片CPU所设置的充电控制逻辑，可知谐振电路电流与对电池的充电功率是同步变化的。然后根据电流源变压器T2电流、电压同步变化的特性，在谐振电路中增设电流源变压器T2和其保护电路，即可实现风机J1转速随电池充电功率自动调整，实时调整其散热能力。该充电电路设计简单，便于独立模块的生产，也便于大批量生产和安装；电流源变压器T2和保护电路的成本，比起传统的反馈调节方式，所增设装置的成本更低；充电过程中同步实现对风机J1转速的调节控制，不需要对控制芯片CPU进行更改或升级，节省更多材料成本和编程成本。
以上所述仅为本发明较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术构思加以等同替换或改变所得的技术方案，都应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于充电电路的变速风机供电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、电源接口与ACDC电源模块U1连通，电池接口与待充电电池连通后，控制芯片CPU自动开启，检测电池正负极的电压，判定电池所处的充电状态；
所述电池的额定电压为Va、额定电流为Ia，所述充电状态分为四个充电阶段，分别为涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止阶段；
步骤二、当控制芯片CPU检测到电池两极电压小于特定值Va1，判定电池的充电状态为涓流充电阶段，控制芯片CPU调节开关频率至F1，充电电路开始为电池充电，此阶段中，风机J1低转速运行，为充电电路缓慢散热；
所述特定值Va1＝2/3Va，开关频率调节至F1时，对应的充电电流变为1/10Ia；
步骤三、当控制芯片CPU检测到电池两极电压值升高到Va1时，判定电池的充电状态为恒流充电阶段，控制芯片CPU调节开关频率至F2，然后调节开关频率从F2变化至F3，使充电电路给电池全速充电，此阶段中，风机J1加速旋转，加快为充电电路散热；
开关频率至调节F2时，对应的充电电流变为0.2Ia-1.0Ia区间内的一个固定数值，开关频率从F2调节变化至F3的过程中，充电电流始终是上述固定数值；
步骤四、当控制芯片CPU检测到电池两极电压值升高到Va时，判定电池的充电状态为恒压充电阶段，控制芯片CPU调节开关频率至F4，充电电路提升电池电芯的电饱和程度升高，此阶段中，风机J1低转速运行，并逐渐减速至停止，逐渐终止散热；
开关频率调节至F4时，对应的电池两极电压数值为Vb，对应的充电电流小于1/10Ia；
步骤五、控制芯片CPU采用最小电流法监视恒压充电过程的充电电流，当控制芯片CPU检测到充电电流值达到0.02Ia-0.07Ia范围时，判定电池的充电状态为充电终止阶段，控制芯片CPU调节开关电路为开路状态，结束为电池充电，此阶段中，风机J1不转动，不散热。
2.一种用于充电电路的变速风机供电模块，其特征在于：包括连接ACDC电源模块U1的电源接口和连接储能装置的电池接口，所述电源接口连接有将直流电逆变为交流电的逆变电路，逆变电路的输出端连接有由谐振电容C5、谐振电感L1、L2和高频变压器T1共同组成的LLC谐振电路；
还包括与高频变压器T1初级线圈串联，并且还串联于LLC谐振电路中的电流源变压器T2，电流源变压器T2的次级线圈连接整流桥输入端，整流桥输出端与风机J1的电源接头相连，风机J1电源接头还并联有保护电路；
所述保护电路包括为风机电压稳压的滤波电容C3，滤波电容C3的正极连接三极管Q6的集电极和电阻R1的一端,滤波电容C3的负极连接三极管Q6的发射极和电阻R2的一端，电阻R1的另一端连接稳压二极管D8的负极，电阻R2的另一端连接稳压二极管D8的正极，且稳压二极管D8的正极还与三极管Q6的基极相连，电阻R2两端还并联有滤波电容C4。
3.根据权利要求2所述的用于充电电路的变速风机供电模块，其特征在于：所述逆变电路选用由四个高频MOS管连接组成的开关电路，所述四个高频MOS管的G极分别连接控制芯片CPU的开关信号输出端，控制芯片CPU的电压、电流检测输入端并联于所述电池接口。
4.根据权利要求2所述的用于充电电路的变速风机供电模块，其特征在于：所述整流桥由四个整流二极管连接组成。
5.根据权利要求2所述的用于充电电路的变速风机供电模块，其特征在于：所述高频变压器T1为次级具有中心抽头的电源变压器，高频变压器T1的次级线圈与2个整流二极管组成全波整流电路，全波整流电路的输出端连接所述电池接口。
6.根据权利要求2所述的用于充电电路的变速风机供电模块，其特征在于：所述电源接口并联有滤波电容C1，电池接口并联有滤波电容C2。
7.根据权利要求2所述的用于充电电路的变速风机供电模块，其特征在于：所述风机J1的电机为宽电压电机。
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