CN113839458B - 一种基于氮化镓的超级快充 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氮化镓的超级快充，一种基于氮化镓的超级快充包括：前级PWM整流电路、电源管理模块、后级Buck‑Boost变换电路、快充控制电路、充电采样电路及电池单元；所述前级PWM整流电路与所述电源管理模块电连接，所述电源管理模块分别与所述快充控制电路、所述充电采样电路及所述后级Buck‑Boost变换电路电连接，所述后级Buck‑Boost变换电路及所述充电采样电路分别与所述快充控制电路电连接，所述后级Buck‑Boost变换电路与所述充电采样电路电连接，所述后级Buck‑Boost变换电路及所述充电采样电路分别与所述电池单元电连接。本发明能实现有效的快速充电控制，延长电池单元的使用寿命。

Description

一种基于氮化镓的超级快充
技术领域
本发明涉及快充控制技术领域，尤其涉及一种基于氮化镓的超级快充。
背景技术
氮化镓(GaN)是氮和镓化合物，具体半导体特性，早期应用于发光二极管中，它与常用的硅属于同一元素周期族，硬度高熔点高稳定性强。氮化镓材料是研制微电子器件的重要半导体材料，具有宽带隙、高热导率等特点，应用在充电器可适配小型变压器和高功率器件，充电效率高。氮化镓功率器件在开关速度上的突破是氮化镓功率器件与传统硅功率器件相比主要的差异，氮化镓功率器件具有更高的临界击穿电场，所以它不但可以承受从漏极到源极更高的电压，而且导通电阻比硅基MOSFET要小，损耗更小。此外，氮化镓电子迁移率更高，这样的器件要比硅基MOSFET体积小很多，速度却更快。
而快速充电技术是指能在1～5h内使蓄电池达到或接近完全充电状态的一种充电方法，常用于牵引用蓄电池需要在较短时间内恢复完全充电状态时的充电。蓄电池的正常充电耗时约10～20h，如何能快速充电而不损害蓄电池的性能和寿命，是该领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于氮化镓的超级快充。
9、本发明公开了一种基于氮化镓的超级快充，包括前级PWM整流电路、电源管理模块、后级Buck-Boost变换电路、快充控制电路、充电采样电路及电池单元；所述前级PWM整流电路与所述电源管理模块电连接，所述电源管理模块分别与所述快充控制电路、所述充电采样电路及所述后级Buck-Boost变换电路电连接，所述后级Buck-Boost变换电路及所述充电采样电路分别与所述快充控制电路电连接，所述后级Buck-Boost变换电路与所述充电采样电路电连接所述后级Buck-Boost变换电路及所述充电采样电路分别与所述电池单元电连接；
其中，所述快充控制电路控制所述电池单元的充电过程为恒流充电阶段及带负脉冲的脉冲充电阶段；
所述快充控制电路依据所述充电采样电路采集的所述电池单元的实时状态参数，依据当前充电状态并做出调整，包括：
当实时测量的充电频率与计算得到的最优频率不相同时，所述快充控制电路依据反馈回的电池端电压变化信号发出调整指令，将充电频率调整至最佳充电频率；
当检测到电池端电压到达已设定的析气电压临界值时，给予所述电池单元负脉冲进行放电。
优选地，所述充电采样电路包括电压采样单元、电流采样单元及温度采样单元；所述电压采样单元分别与所述快充控制电路及所述电池单元电连接；所述电流采样单元分别与所述快充控制电路及所述电池单元电连接，所述温度采样单元分别与所述快充控制电路及所述电池单元电连接。
优选地，所述一种基于氮化镓的超级快充还包括保护及驱动模块；所述保护及驱动模块分别与所述快充控制电路、所述电源管理模块及所述电池单元电连接。
优选地，所述一种基于氮化镓的超级快充还包括LCD显示模块；所述LCD显示模块分别与所述电源管理模块及所述快充控制电路电连接。
优选地，所述前级PWM整流电路为三相VSR电路，所述三相VSR电路中的晶体管为氮化镓TGBT管。
优选地，所述后级Buck-Boost变换电路包括第一氮化镓MOS管、第二氮化镓MOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容及第一电感；所述第一氮化镓MOS管的漏极与电源电连接，所述第一氮化镓MOS管的源极分别与所述第一电阻的第一端及所述第二氮化镓MOS管的漏极电连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电感的第一端电连接，所述第一电感的第二端分别与所述第一电容的第一端及所述电池单元的正极电连接，所述第一电容的第二端与所述第二电阻的第一端电连接，所述第二电阻的第二端分别与所述电池单元的负极及所述第二氮化镓MOS的源极电连接，第一氮化镓MOS管的栅极及第二氮化镓MOS管的栅极与所述快充控制电路电连接。
优选地，所述电压采样单元包括霍尔电压传感子单元、电压跟随子单元、二阶有源滤波子单元及限幅子单元；所述霍尔电压传感子单元与所述电压跟随子单元电连接，所述二阶有源滤波子单元与所述电压跟随子单元电连接，所述限幅子单元与所述二阶有源滤波子单元电连接，所述快充控制电路与所述限幅子单元电连接。
优选地，所述电流采样单元包括霍尔电流传感子单元及放大子单元；所述霍尔电流传感子单元与所述放大子单元电连接，所述放大子单元与所述快充控制电路电连接。
本发明的一种基于氮化镓的超级快充具有如下有益效果，本发明公开的一种基于氮化镓的超级快充包括：前级PWM整流电路、电源管理模块、后级Buck-Boost变换电路、快充控制电路、充电采样电路及电池单元；所述前级PWM整流电路与所述电源管理模块电连接，所述电源管理模块分别与所述快充控制电路、所述充电采样电路及所述后级Buck-Boost变换电路电连接，所述后级Buck-Boost变换电路及所述充电采样电路分别与所述快充控制电路电连接，所述后级Buck-Boost变换电路与所述充电采样电路电连接，所述后级Buck-Boost变换电路及所述充电采样电路分别与所述电池单元电连接。所述前级PWM整流电路为电压型PWM整流电路，用于将电网的工频交流电压整定为稳定的直流电压；所述后级Buck-Boost变换电路用于通过合理控制将前级输出的稳定直流随电池可接受电流动态变化；所述快充控制电路用于实现对所述电池电源的超级快充控制；所述充电采样电路用于对充电过程中的参数进行采样，并送到所述快充控制电路进行及时调整；因此，本发明能实现有效的快速充电控制，延长电池单元的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
图1是本发明较佳实施例的一种基于氮化镓的超级快充的原理框图；
图2是本发明较佳实施例的一种基于氮化镓的超级快充的原理框图；
图3是本发明较佳实施例的一种基于氮化镓的超级快充的所述前级PWM整流电路的电路图；
图4是本发明较佳实施例的一种基于氮化镓的超级快充的所述后级Buck-Boost变换电路的电路图；
图5是本发明较佳实施例的一种基于氮化镓的超级快充的所述电压采样单元的电路图；
图6是本发明较佳实施例的一种基于氮化镓的超级快充的所述电流采样单元的电路图；
图7是本发明较佳实施例的一种基于氮化镓的超级快充的温度采样单元的电路图；
图8是本发明较佳实施例的一种基于氮化镓的超级快充的所述快充控制电路的内部算法流程图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明较佳实施例的如图1所示，包括前级PWM整流电路1、电源管理模块2、后级Buck-Boost变换电路3、快充控制电路4、充电采样电路5及电池单元6；所述前级PWM整流电路1与所述电源管理模块2电连接，所述电源管理模块2分别与所述快充控制电路4、所述充电采样电路5及所述后级Buck-Boost变换电路3电连接，所述后级Buck-Boost变换电路3及所述充电采样电路5分别与所述快充控制电路4电连接，所述后级Buck-Boost变换电路3与所述充电采样电路5电连接，所述后级Buck-Boost变换电路3及所述充电采样电路5分别与所述电池单元电连接。所述前级PWM整流电路1为电压型PWM整流电路，用于将电网的工频交流电压整定为稳定的直流电压；所述后级Buck-Boost变换电路3用于通过合理控制将前级输出的稳定直流随电池可接受电流动态变化；所述快充控制电路4用于实现对所述电池电源的超级快充控制；所述充电采样电路5用于对充电过程中的参数进行采样，并送到所述快充控制电路4进行及时调整；因此，本发明能实现有效的快速充电控制，延长电池单元的使用寿命。
优选地，所述充电采样电路5包括电压采样单元51、电流采样单元52及温度采样单元53；所述电压采样单元51分别与所述快充控制电路4及所述电池单元6电连接；所述电流采样单元52分别与所述快充控制电路4及所述电池单元6电连接，所述温度采样单元53分别与所述快充控制电路4及所述电池单元6电连接。
优选地，请参阅图2，所述一种基于氮化镓的超级快充还包括保护及驱动模块7；所述保护及驱动模块7分别与所述快充控制电路4、所述电源管理模块2及所述电池单元6电连接。可以理解的是，在本实施例中，所述保护及驱动模块用于将实时采集到的电压、电流和温度与设定的标准值进行比较，对系统充电状态做出调整，且在电压、电流及温度超过预设极限值时停止充电来起到对电池和充电电路的保护功能，避免出现可能造成蓄电池损伤。
优选地，所述一种基于氮化镓的超级快充还包括LCD显示模块8；所述LCD显示模块8分别与所述电源管理模块2及所述快充控制电路电连接。可以理解的是，本实施例采用LCD1602工业字符型液晶显示器实时显示充电电流、电压和充电状态等参数，读取屏幕显示信息可以很方便的了解电池所处的充电状态。
优选地，请参阅图3，所述前级PWM整流电路1为三相VSR电路，所述三相VSR电路中的晶体管为氮化镓TGBT管。
优选地，请参阅图4，所述后级Buck-Boost变换电路3包括第一氮化镓MOS管、第二氮化镓MOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容及第一电感；所述第一氮化镓MOS管的漏极与电源电连接，所述第一氮化镓MOS管的源极分别与所述第一电阻的第一端及所述第二氮化镓MOS管的漏极电连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电感的第一端电连接，所述第一电感的第二端分别与所述第一电容的第一端及所述电池单元6的正极电连接，所述第一电容的第二端与所述第二电阻的第一端电连接，所述第二电阻的第二端分别与所述电池单元6的负极及所述第二氮化镓MOS的源极电连接，第一氮化镓MOS管的栅极及第二氮化镓MOS管的栅极与所述快充控制电路电连接。可以理解的是，所述第一电容用于在充电时得到稳定的直流电能和放电时作为临时储能单元；所述后级Buck-Boost变换电路3用于实现带负脉冲去极化的脉冲充电方法，实现可逆化，即充电电路既能进行充电也可以进行放电，可以实现能量的双向流动。
优选地，请参阅图5，所述电压采样单元51包括霍尔电压传感子单元511、电压跟随子单元512、二阶有源滤波子单元513及限幅子单元514；所述霍尔电压传感子单元511与所述电压跟随子单元512电连接，所述二阶有源滤波子单元513与所述电压跟随子单元514电连接，所述限幅子单元514与所述二阶有源滤波子单元513电连接，所述快充控制电路4与所述限幅子单元514电连接。在本实施例中，由所述尔电压传感子单元511采集到磷酸铁锂电池的实时端电压转化为低电压信号，依次经过所述电压跟随子单元512、所述二阶有源滤波子单元513及所述限幅子单元514送入所述快充控制电路4的ADC输入端，本实施例用LM258实现电压跟随及二阶有源滤波的功能；所述限幅单元用于对所述二阶有源滤波子单元513的输出进行处理，用于保证输送到所述快充控制电路的ADC通道的电压在预设电压值范围内。
优选地，请参阅图6，所述电流采样单元52包括霍尔电流传感子单元521及放大子单元522；所述霍尔电流传感子单元521与所述放大子单元522电连接，所述放大子单元522与所述快充控制电路4电连接。本实施例的快速充电系统中对电流量的采集主要是由所述霍尔电流传感子单元521完成，可以理解的是，电流采样电路利用霍尔传感器原理，具有线性度高、带频宽、抗干扰能力强的特点，可以准确测量实时充电电流。
优选地，请参阅图7，锂电池快速充电系统采用较大电流对蓄电池进行充电，由于蓄电池内部极化现象会产生热量，同时充电主电路采用高频率的功率开关管，正常工作时也会产生较大热量。温度过高、过低都会对充电系统的运行造成影响，所述温度采样单元53用于充电整个过程进行温度检测。本实施例中所述温度采样单元53的芯片型号为DS18B20数字温度传感器，DS18B20具有体积小、超低功率损耗、接线简单和抗干扰能力强的优点。
优选地，所述快充控制电路控制所述电池单元的充电过程为恒流充电阶段及带负脉冲的脉冲充电阶段。
具体地，本发明通过分析充电过程中磷酸铁锂电池的各项参数并与主程序中已设定的参数进行比较，实现快速充电的目的。所述充电采样电路5实时采集充电状态下磷酸铁锂电池的充电电流、电压及电池温度，将其送入所述快充控制电路4进行分析计算，根据主程序已设定好的充电电流、电压和温度等参数的理想值及极限值进行比较，若实测数据偏离理想值，给与调整措施使其恢复至理想值；若实测数据达到锂电池和主电路元件的极限值，则应立刻停止充电。
优选地，请参阅图8，所述快充控制电路依据所述充电采样电路采集的所述电池单元的实时状态参数，依据当前充电状态并做出调整，包括：
当实时测量的充电频率与计算得到的最优频率不相同时，所述快充控制电路依据反馈回的电池端电压变化信号发出调整指令，将充电频率调整至最佳充电频率；
当检测到电池端电压到达已设定的析气电压临界值时，给予所述电池单元负脉冲进行放电。
具体地，所述快充控制电路1根据采样电路采集的磷酸铁锂电池的实时状态参数，根据当前充电状态并做出相应的调整；当实时测量的充电频率与计算得到的最优频率不相同时，充电控制系统根据反馈回的电池端电压变化的信号发出相应的调整指令，将系统频率调整至最佳充电频率；当检测到电池端电压到达已设定的析气电压临界值时，给予锂电池负脉冲进行放电依次循环此过程直至电池充满。
综上所述，本发明所提供的一种基于氮化镓的超级快充包括前级PWM整流电路、电源管理模块2、后级Buck-Boost变换电路3、快充控制电路4、充电采样电路5及电池单元6；所述前级PWM整流电路与所述电源管理模块2电连接，所述电源管理模块2分别与所述快充控制电路4、所述充电采样电路5及所述后级Buck-Boost变换电路3电连接，所述后级Buck-Boost变换电路3及所述充电采样电路5分别与所述快充控制电路4电连接，所述后级Buck-Boost变换电路3与所述充电采样电路5电连接，所述后级Buck-Boost变换电路3及所述充电采样电路5分别与所述充电单元电连接。所述前级PWM整流电路1为电压型PWM整流电路，用于将电网的工频交流电压整定为稳定的直流电压；所述后级Buck-Boost变换电路3用于通过合理控制将前级输出的稳定直流随电池可接受电流动态变化；所述快充控制电路4用于实现对所述电池电源的超级快充控制；所述充电采样电路5用于对充电过程中的参数进行采样，并送到所述快充控制电路4进行及时调整；因此，本发明能实现有效的快速充电控制，延长电池单元的使用寿命。
以上对本发明所提供的一种基于氮化镓的超级快充进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于氮化镓的超级快充，其特征在于，包括：前级PWM整流电路、电源管理模块、后级Buck-Boost变换电路、快充控制电路、充电采样电路及电池单元；所述前级PWM整流电路与所述电源管理模块电连接，所述电源管理模块分别与所述快充控制电路、所述充电采样电路及所述后级Buck-Boost变换电路电连接，所述后级Buck-Boost变换电路及所述充电采样电路分别与所述快充控制电路电连接，所述后级Buck-Boost变换电路与所述充电采样电路电连接，所述后级Buck-Boost变换电路及所述充电采样电路分别与所述电池单元电连接；
其中，所述快充控制电路控制所述电池单元的充电过程为恒流充电阶段及带负脉冲的脉冲充电阶段；
所述快充控制电路依据所述充电采样电路采集的所述电池单元的实时状态参数，依据当前充电状态并做出调整，包括：
当实时测量的充电频率与计算得到的最优频率不相同时，所述快充控制电路依据反馈回的电池端电压变化信号发出调整指令，将充电频率调整至最佳充电频率；
当检测到电池端电压到达已设定的析气电压临界值时，给予所述电池单元负脉冲进行放电。
2.根据权利要求1所述的一种基于氮化镓的超级快充，其特征在于，
所述充电采样电路包括电压采样单元、电流采样单元及温度采样单元；所述电压采样单元分别与所述快充控制电路及所述电池单元电连接；所述电流采样单元分别与所述快充控制电路及所述电池单元电连接，所述温度采样单元分别与所述快充控制电路及所述电池单元电连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于氮化镓的超级快充，其特征在于，所述一种基于氮化镓的超级快充还包括保护及驱动模块；所述保护及驱动模块分别与所述快充控制电路、所述电源管理模块及所述电池单元电连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于氮化镓的超级快充，其特征在于，所述一种基于氮化镓的超级快充还包括LCD显示模块；所述LCD显示模块分别与所述电源管理模块及所述快充控制电路电连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于氮化镓的超级快充，其特征在于，所述前级PWM整流电路为三相VSR电路，所述三相VSR电路中的晶体管为氮化镓TGBT管。
6.根据权利要求1所述的一种基于氮化镓的超级快充，其特征在于，所述后级Buck-Boost变换电路包括第一氮化镓MOS管、第二氮化镓MOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容及第一电感；所述第一氮化镓MOS管的漏极与电源电连接，所述第一氮化镓MOS管的源极分别与所述第一电阻的第一端及所述第二氮化镓MOS管的漏极电连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电感的第一端电连接，所述第一电感的第二端分别与所述第一电容的第一端及所述电池单元的正极电连接，所述第一电容的第二端与所述第二电阻的第一端电连接，所述第二电阻的第二端分别与所述电池单元的负极及所述第二氮化镓MOS管 的源极电连接，第一氮化镓MOS管的栅极及第二氮化镓MOS管的栅极与所述快充控制电路电连接。
7.根据权利要求2所述的一种基于氮化镓的超级快充，其特征在于，所述电压采样单元包括霍尔电压传感子单元、电压跟随子单元、二阶有源滤波子单元及限幅子单元；所述霍尔电压传感子单元与所述电压跟随子单元电连接，所述二阶有源滤波子单元与所述电压跟随子单元电连接，所述限幅子单元与所述二阶有源滤波子单元电连接，所述快充控制电路与所述限幅子单元电连接。
8.根据权利要求2所述的一种基于氮化镓的超级快充，其特征在于，所述电流采样单元包括霍尔电流传感子单元及放大子单元；所述霍尔电流传感子单元与所述放大子单元电连接，所述放大子单元与所述快充控制电路电连接。
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