CN1479426A

CN1479426A - 自然平衡充电控制装置

Info

Publication number: CN1479426A
Application number: CNA021143617A
Authority: CN
Inventors: 何毅然; 何镇宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-03

Abstract

本发明公开了一种自然平衡充电控制装置，包括输出单元1、隔离反馈单元2、温度补偿单元3和输出控制单元4，输出单元1将前级功率变换的一路作充电器的充电输出，而另两路分别接至温度补偿单元3和输出控制单元4，温度补偿单元3所输出的温度信号又送至所述输出控制单元4，该输出控制单元4将控制信号送至隔离反馈单元2，而隔离反馈单元2的输出信号送至前级的功率变换。本发明为全自动安全节能充电装置，对充电环境要求低、无污染、可靠性与经济性好，适用范围广，能延长电池寿命并可复活钝化电池。

Description

自然平衡充电控制装置

技术领域

本发明涉及针对铅酸蓄电池、镉镍电池、镍氢电池、锂电池等二次蓄电池充电的高效率、高智能、高可靠自动充电控制装置。

背景技术

二次蓄电池自发明以来，已有一百多年了，目前广泛应用的有铅酸蓄电池、镉镍电池、镍氢电池、锂电池等。其中铅酸蓄电池具有价格低廉、工艺成熟等优点；镍氢电池、锂电池具有体积小、容量大、对环境无污染等优点，所以它们是对国防科研、交通电力、工农业生产、信息现代化、金融卫生等社会各个方面，有着巨大影响的基础产品。随着社会进步和经济的快速发展，对二次电池的需求与依赖日渐增大，因此二次电池的性能得到极大的提高。而充电基本延用使用多年恒流、恒压、脉冲及其衍生的充电方法，出现了二次电池产品质量的提高，已大大领先于其充电器技术的进步。因此研究发明出更具技术先进性、更符合客观规律的充电控制电路，以节约资源，减轻报废电池对环境的污染与对有限资源的浪费，进一步提高效益、降低使用成本、延长电池使用寿命，是十分必要的。

技术内容

本发明的目的是，研制一种适用各种二次电池充电的自然平衡充电控制装置，该装置的工作性能更符合二次电池放电后的充电恢复特性(参见图1)，在整个充电工作过程中能进行高智能化的自动监测与调整，甚至可以使用单片电脑将实时数据送至数据管理中心进行远程监管，因此不存在过充电与充电不足对电池寿命造成的危害，能使电池在充电过程中按所处自然环境而达到平衡，即“自然平衡”充电；而这种通过对环境的平衡来调整的充电装置，可以实现在充电过程中析气量极度少而无热积累与爆炸的可能，并且充电装置体积小、重量轻、可靠性高、适应范围宽。

本发明的技术方案是，所述自然平衡充电控制装置包括输出单元、隔离反馈单元、温度补偿单元和输出控制单元，其的电路结构是，输出单元将前级功率变换的一路作充电器的充电输出，而另两路分别接至温度补偿单元和输出控制单元，温度补偿单元所输出的温度信号又送至所述输出控制单元，该输出控制单元将控制信号送至隔离反馈单元，而隔离反馈单元的输出信号送至前级的功率变换，实现完整的闭环控制。

以下对本发明做出进一步说明。

参见图2，本发明包括输出单元1、隔离反馈单元2、温度补偿单元3和输出控制单元4，其电路结构是，将输出单元(1)前级功率变换的一路做充电器的充电输出(Vdc)而另两路分别接至温度补偿单元(3)和输出控制单元(4)，温度补偿单元(3)所输出的温度信号又送至所述输出控制单元(4)，该输出控制单元(4)将控制信号送至隔离反馈单元(2)，隔离反馈单元(2)的输出信号送至前级的功率变换，实现完整的闭环控制。

以下结合实施例电路图说明工作原理如下。

本发明的核心原理是：充电过程中充电控制电路无硬关断，可通过对由此所处环境与充电电流、充电电压等的不间断监测，实时控制充电装置的输出特性曲线，模拟出在该环境下电池的最佳充电特性曲线，即图1的电池自然接受特性曲线。按客观环境，达到自然平衡充电。

参见做为实施例之一的图3电路，所述输出单元(1)将前级功率变换后的直流电(Vdc)一路作充电输出，一路送至由R₁、R₂、R₄、R₅、C₁、U₂、RT₁组成的输出控制单元(4)，另一路送至R₃、RT₂组成的温度补偿单元(3)，温度补偿单元(3)的输出通过R₄送至输出控制单元(4)，控制单元(4)产生的控制信号通过U₁反馈至隔离反馈单元(2)的另一侧，形成闭环控制。输出的直流电(Vdc)通过R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、U₂、C₁、RT₁来精确控制，其中U₁应选用精度优于1％的高精度并联稳压器TL431；R₃、R₄、R₅应选用误差小于0.5％，温漂小于±50ppM的高精度金属膜电阻；R₁、R₂、C₁可选用普通产品，其中RT₁为高精度负温度系数热敏电阻，它有特殊的温度特性曲线与B值要求，并对阻值有误差优于1％精度要求。R₁经U₁(PC817)输入侧与R₂并联，再接至U₂(TL431)的阳极，U₂的阴极通过RT₁接至电源负端。当电路正常工作时，经R₁、R₂严格控制，注入U₂的阴极电流将在RT₁上产生电压降，随着温度与注入电流的不同，U₂的阴极电压浮置在某一特定范围，这样即可使输出的直流电依充电特性曲线实时可靠调整。RT₂为通用负温度系数热敏电阻，它要求阻值与B值精度不低1％(在不需要负温度系数的充电特性时不需要)。控制信号与温度补偿信号混合后送至光电耦合器U₁(PC817)，反馈至U₁的另一侧，形成完整的闭环反馈电路，其中U₁要选择线性光电耦合器，耐压一般要大于2500Vac。这个电路虽较简单，但要特殊的高精度负温度系数的热敏电阻RT₁支持，否则难达到优良的充电特性，所以还可以采用下述的电路来实现。

参见做为实施例之二的图4电路，输出单元(1)将前级功率变换产生的直流电(Vdc)一路用于充电输出，一路送至由R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₁₃、C₁、U₂、U₃、Q₁组成控制单元(4)，一路送至由R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₄、C₂、C₃、Z₁、U₄、U₅组成的温度补偿单元(3)。其中R₃、R₄、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂应选用高精度金属膜电阻，R₁、R₂、R₅、R₁₄可采用普通电阻，C₁、C₂、C₃采用温度特性良好的高频电容。Z₁选用精度优于1％的稳压二极管，Q₁选用普通开关三极管。U₃选用单刀双掷的微型光电继电器，U₄选用高精度集成温度传感器(LM334)，U₅选用单电源运算放大器。电路正常工作时，当Vdc小于特定阀值时，R₆、R₇分压控制的Q₁截止。U₃(微型光电继电器)将U₂(TL431)的阴极接至R₁₃，这时经R₁、R₂严格控制，注入U₃的阴极电流在R₁₃上产生电压降，使U₃的阴极浮置在特定值，即可使直流电Vdc达到充电特性要求。当Vdc大于这一电压阀值时，Q₁导通，其中R₅用于防止U₃、Q₁过流，U₃将U₂阴极接至U₅(单电源运放)的输出，U₅的输出是由U₄(LM334)产生的高精度温度信号，通过运算放大器比较放大产生的。通过温度的检测，对U₅的输出电压与注入R₁₂的电流进行控制，使U₂阴极电压浮置在某一特定范围，并通过光电耦合器U₁(PC817)进行反馈控制，使直流电Vdc随环境实现自动平衡充电，它的优点是元件容易得到，控制精确，但电路稍复杂。

参见做为实施例之三的图5电路，，它的输出单元(1)，控制单元(4)隔离反馈电压(2)，与上面的方式大同小异。但由于采用了单片电脑控制补偿，不但可以实现精确的自然平衡充电，而且可以将充电中的各项参数进行数据传送，实现由数据中心远程监控，使之更适合大型的数字化系统，它的工作原理是，通过U₃(高精度集成温度传感器)、U₄(单电源运算放大器)将温度信号送入模/数转换器，转换成的数字信号送入单片电脑，完成各项数据处理；再将数字信号送出至数/模转换器，然后将转换成的模拟信号送入单电源高阻抗运放，高阻抗运放的输出，可以控制U₂(TL431)阴极的电压，使U₂的阴极电压浮置，然后通过光电耦合器U₁(PC817)反馈至前级功率变换，实现完整的闭环控制。

在采用它激式开关电源做前级功率变换时，有些芯片自带高精度片内电压基准，从而不需采用外加基准与光电耦合器反馈，可以通过推动变压器使输入与输出隔离。并通过对充电电压、充电电流、环境温度等的实时检测，将输出基准浮置在特定曲线，使充电输出尽可能接近自然接受特性曲线，实现“自然平衡”充电。

从整个电路设计可以看出，本发明的最大特点与突破是：通过将输出基准(并联稳压器TL431的阴极)按充电特性要求，浮置在特定曲线，使充电输出尽可能接近自然接受特性曲线，实现“自然平衡”充电。也由此可知，本发明是一种新型的充电控制——“自然平衡”充电控制。所设计出的充电装置，更符合二次电池放电后的充电恢复特性，并且对任何二次电池的充电，其工作模式一样，只要在个别元件的选择与使用上有所针对即可。而所设计的充电装置，在对电池的整个充电过程中，由于充电装置的高度智能化，即其随环境自动平衡的特性，可以不需要人工进行监测与调整；也绝不存在过充电与充电不足对电池寿命造成的危害，因此可以极大的延长电池的使用寿命；同时该装置通过严格的自动平衡设计与生产控制，使得电池充电过程中析气量极少，也无热积累与爆炸可能。本发明设计的充电装置体积轻巧、适应范围宽。其高智能与高安全性使得操作者无须经过专业培训就可在任何有交流电的地方自由操作。因此它是一个有别于其它充电控制的新型模式，采用本电路设计产生的电池充电装置，有如下的诸多优点。

一、节电。本充电装置功率变换控制与充电控制融为一体，采用先进的高频开关电源作功率变换，转换效率极高，效率≥80％(可控硅、开关电源与专用芯片控制相结合难于达到)；

二、高安全性。本充电装置因为通过隔离反馈单元，完成闭环控制，所以很容易使隔离电压大于2500Vac甚至更高，漏电流也很小，有效保证了操作人员的人身安全；

三、延长寿命。本充电装置在充电开始后，会自动侦测电池的放电深度，以一系列由小到大，由窄到宽的电流脉冲序列对该环境下电池的受电能力进行探测与化学分子反应的激活。进行预充，当达到特定条件后，转入正常充电，这样可以大大提高电池使用寿命，(这是一般充电方法没有的特点)；

四、全自动。本充电装置具有电池电压、充电电流、环境温度、充电时间、掉电后恢复等自动检测功能，在整个充电过程中根本不必人为控制。转入正常充电后，充电装置会以一种电压引导的方式，使电池逐渐恢复容量，最后转入有别于浮充与点滴充电的微电流补充充电。因此可以保证电池即使长期接在充电装置上充电，也不会影响电池的寿命；

五、复活电池。本充电装置会产生可变的电流脉冲序列，采用该装置给电池充电，经几次充放循环后可恢复钝化了的电池；

六、体积小、重量轻。本充电装置的体积、重量只有同等普通开关电源充电器的1/3以下，可控硅式的1/10以下。

七、适用广。本充电装置采用优质开关电源作功率变换，输入的交流电范围极宽在100V～240Vac，47～63Hz的条件下都可以正常工作，在环境温度-10℃～45℃下都可以使电池充满又不过充。

八、环境要求低。本充电装置在整个充电过程中电池析气量极少，电解液温度几乎没有升高，电池不可能发生热积累与爆炸。采用外接保险，电池极性反接也有保护，因此对充电环境要求不高；

九、无污染。本充电装置在整个电池充电过程中电池析气量极小，能十分有效的防止有害气体的产生，采用高频开关电源，无低频噪声污染。

十、以变应变。“自然平衡”充电法既非恒压充电也非恒流充电，也不是两充电方式的简单结合，虽有脉冲电流序列输出但也完全不同于脉冲充电。而是吸取三种充电方式的长处，达到以变应变，实时调整，因此对电池的适应能力非常强；

十一、可靠性。本充电装置不怕掉电，充电过程中，没有硬关断，它按特有的，不同于浮充与点滴充电的微电流充电方式，来弥补电池充满后，自放电对电池实际容量下降造成的影响，保证电池的电量始终处在最高值；

十二、经济性。因为：1、安全系数高，无须专业人员操作，可以大范围推广使用，免除培训专业人员的费用。2、充电效率高：达到优质开关电源的效率，所以市电转化率高。3、可以极大的延长电池使用寿命。

附图说明

图1是反映二次电池充电的自然接受特性曲线；

图2是本发明的一种实施例电路；

图3是本发明的另一种实施例电路；

图4是本发明的再一种实施例电路。

在附图中：1—输出单元，2—隔离反馈单元，3—温度补偿单元，4—输出控制单元。

具体实施方式

按照图2和图3及上述相关电路结构的本发明充电装置，采用电源变压器做为前级功率变换器件，由R₁、R₂、R₄、R₅、C₁、U₂、RT₁组成的输出控制单元(4)，R₃、RT₂组成的温度补偿单元(3)，温度补偿单元(3)的输出通过R₄送至输出控制单元(4)，控制单元(4)产生的控制信号通过U₁反馈至隔离反馈单元(2)的另一侧，形成闭环控制；输出的直流电(Vdc)通过R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、U₂、C₁、RT₁来精确控制，其中U₁选用精度优于1％的高精高并联稳压器TL43 1；R₃、R₄、R₅选用误差小于0.5％，温漂小于±50ppM的高精度金属膜电阻；R₁、R₂、C₁可选用普通产品，其中RT₁为高精度负温度系数热敏电阻，它有特殊的温度特性曲线与B值要求，并对阻值有误差优于1％精度要求；R₁经U₁(PC817)输入侧与R₂并联，再接至U₂(TL431)的阳极，U₂的阴极通过RT₁接至电源负端；当电路正常工作时，经R₁、R₂严格控制，注入U₂的阴极电流将在RT₁上产生电压降，随着温度与注入电流的不同，U₂的阴极电压浮置在某一特定范围，这样即可使输出的直流电依充电特性曲线实时可靠调整；RT₂为通用负温度系数热敏电阻，它要求阻值与B值精度不低1％(在不需要负温度系数的充电特性时不需要)；控制信号与温度补偿信号混合后送至光电耦合器U₁(PC817)，反馈至U₁的另一侧，形成完整的闭环反馈电路，其中U₁要选择线性光电耦合器，耐压一般要大于2500Vac。这个电路虽较简单，但要特殊的高精度负温度系数的热敏电阻RT₁支持。

Claims

1.一种自然平衡充电控制装置，包括输出单元1、隔离反馈单元2、温度补偿单元3和输出控制单元4，其特征是，它的电路结构是，输出单元1将前级功率变换的一路作充电器的充电输出，而另两路分别接至温度补偿单元3和输出控制单元4，温度补偿单元3所输出的温度信号又送至所述输出控制单元4，该输出控制单元4将控制信号送至隔离反馈单元2，而隔离反馈单元2的输出信号送至前级的功率变换。

2.根据权利要求1所述的自然平衡充电控制装置，其特征是，采用电源变压器做为前级功率变换器件，由R₁、R₂、R₄、R₅、C₁、U₂、RT₁组成的输出控制单元(4)，R₃、RT₂组成的温度补偿单元(3)，温度补偿单元(3)的输出通过R₄送至输出控制单元(4)，控制单元(4)产生的控制信号通过U₁反馈至隔离反馈单元(2)的另一侧而形成闭环控制，R₁经U₁输入侧与R₂并联，再接至U₂(TL431)的阳极，U₂的阴极通过RT₁接至电源负端。