CN1688076A - 负脉冲充电应急电源 - Google Patents

Abstract

一种负脉冲充电应急电源，它包括整流、电池、IGBT开关电路、DC/DC开关电源、传感器检测电路、逆变输出、负脉冲电路、CPU开关控制信号电路、CPU显示电路、CPU巡检电路、驱动电路、变压器T2、冷却系统、继电器J1、J2、J3。它具有负脉冲充电功能，能根据充电的状态，适时地加入负脉冲放电，改善充电接受率，有效地去极化，能够在最短的时间里安全地充电，对于那些被其它充电方法盐化了的电池具有修复作用，能够延长电池寿命。

Description

负脉冲充电应急电源

                     一、所属技术领域

本发明涉及一种电源，更具体的说涉及一种应急电源(EPS)。

                       二、背景技术

近年来，随着我国工农业生产的高速发展及人民生活水平的提高，所需求的电力供应量也随之迅猛增长。由于缺电，拉闸限电经常发生。停电时为了确保现代办公大楼、大型商业场所和服务业场所、演出现场、医院手术照明等用电，必须使用应急电源(EPS)。目前，国内已有少数厂家生产EPS。现有的EPS应用以下四种充电方法：(1)恒流充电法。如图4所示，它用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻，保持充电电流强度不变。(2)阶段充电法。此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。如图5所示，二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后改为恒电压完成剩余的充电。三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。(3)恒压充电法。如图6所示，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。(4)脉冲式充电法。如图7所示，这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图7所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。

由于EPS采用智能技术，它的充电思路是在原来的以上几种充电技术的基础上加上充电的检测功能，能对充热的电池及时停充，能够对极化严重的电池缓慢充电。

上世纪60年代中期，美国科学家马斯(J.A.Mas)对蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图8所示。实验表明，如果充电电按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。由图8可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。一般来说，产生极化现象有3个方面的原因：欧姆极化、浓度极化和电化学极化。1967年，J.A.Mas的研究表明：蓄电池充电接受率取决于它的放电历史，以小电流长时间放电的蓄电池，其充电接受率低，以大电流短时间放电的蓄电池，其充电接受率高。在充电的过程中适时地加入放电脉冲，可以消除电极极化现象。

                         三、发明内容

本发明的目的在于提供一种负脉冲充电应急电源，它具有负脉冲充电功能，能根据充电的状态，适时地加入负脉冲放电，改善充电接受率，有效地去极化，能够在最短的时间里安全地充电，对于那些被其它充电方法盐化了的电池具有修复作用，能够延长电池寿命。

为达到上述目的，本发明采取的解决方案是，一种负脉冲充电应急电源，它包括整流、电池、IGBT开关电路、DC/DC开关电源、传感器检测电路、逆变输出、负脉冲电路、CPU开关控制信号电路、CPU显示电路、CPU巡检电路、驱动电路、变压器T2、冷却系统、继电器J1、J2、J3；

IGBT开关电路由复合器件IGBT1和复合器件IGBT2构成；

传感器检测电路由霍尔电流互感器构成；

变压器T2是可逆的，逆变时的初级是充电时的次级，逆变时的次级是充电时的初级；

负脉冲电路由单片机IC4构成，单片机IC4的1脚接高速光耦U1的3脚，高速光耦U1的2脚接DC/DC开关电源的DC5V，8脚接电阻R2、电容C4正端、电容C3，5脚接电容C3另一端、电容C4的负端、电容C5的负端、稳压管Z1的正端；稳压管Z1的负端接电容C6、MOSFET管Q1漏极、电容C5的正端和电阻R2，MOSFET管Q1的栅极接电阻R1，电阻R3接电容C6另一端形成去毛刺电路再接在MOSFET管Q1的源极和漏极；单片机IC4的46脚接集成块IC5的12脚，45脚接集成块IC5的10脚，44脚接集成块IC6的12脚，42脚接集成块IC6的10脚；集成块IC5和集成块IC6的7脚都接二极管D1、D3负极和电阻R8、R10，二极管D1、D3和电阻R8、R10是并接的关系，它们分别对应接复合器件IGBT1和复合器件GBT2的G1极；集成块IC5和集成块IC6的6脚都接瓷片电容C11、C12和电解电容C13、C14的正极，同时接二极管DF1、DF2的负极，二极管DF1、DF2的正极接DC/DC开关电源的DC15V，集成块IC5和集成块IC6的5脚都接瓷片电容C11、C12另一端和电解电容C13、C14的负极，集成块IC5和集成块IC6的5脚都再接到复合器件IGBT1和复合器件IGBT2的E1极；集成块IC5和集成块IC6的4脚都悬空，集成块IC5和集成块IC6的3脚都接DC/DC开关电源的DC15V，集成块IC5和集成块IC6的2脚都接DC/DC开关电源的DC-15V，同时都接复合器件IGBT1和复合器件IBBT2的E2极，集成块IC5和IC6集成块的1脚都接二极管D2、D4负极和电阻R9、R12，二极管D2、D4和电阻R9、R12是并接的关系，它们分别对应接复合器件IGBT1和复合器件IGBT2的G2极；单片机IC4的60脚接霍尔电流互感器；

交流输入L端接继电器J3的一组常开触点J3-1，再接继电器J2的一组常开触点J2-2到三相桥堆D’1的A极，常开触点J2-2又并联接了电阻R’1，交流输入N端直接接三相桥堆D’1的B极；

电池输入正端接熔断器FUSE后接继电器J2的另一组常开触点J2-1到三相桥堆D’1的C极，常开触点J2-1又并联接了电阻R’2和强启开关T的串联电路，电池输入负端直接接三相桥堆D’1的负极。

MOSFET管Q1漏极又串一放电电阻R’3，再接电池负极，它的源极接电池的正极。

复合器件IGBT1和复合器件IGBT2的C1极联结到一起接三相桥堆D’1正极，它们的E2极联结到一起接三相桥堆D’1负极，它们的C2E1极接变压器T2的96V端，三相桥堆D’1正负极间接大型电解电容C’1。

变压器T2另一绕组接一大电容器C’2，连接到交流输出端，同时，其中的任一端串继电器J3后接单相整流桥D’2的一个交流输入端，另一端接单相整流桥D’2另一个交流端，单相整流桥D’2的输出负极接电池的负极，单相整流桥D’2的正极接三相桥堆D’1的C极，继电器J1的固定点接交流输出，两组常开点接变压器T2的输出，两组常闭点接交流输入。

CPU显示电路由单片机PIC16F74构成。

该应急电源具有负脉冲充电功能，能根据充电的状态，适时地加入负脉冲放电，改善充电接受率，有效地去极化，能够在最短的时间里安全地充电，对于那些被其它充电方法盐化了的电池具有修复作用，能够延长电池寿命。

                      五、附图说明

图1是本实施例的电气原理图。

图2是本实施例的电气连接图。

图3是本实施例的电气原理框。

图4是恒流法充电曲线。

图5是二阶段法充电曲线。

图6是恒压法充电曲线。

图7是脉冲法充电曲线。

图8是最佳充电曲线。

图9是负脉冲法充电曲线。

                     五、具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明再作描述。

参见图1-图3，一种负脉冲充电应急电源，它包括整流、电池、IGBT开关电路、DC/DC开关电源、传感器检测电路、逆变输出、负脉冲电路、CPU开关控制信号电路、CPU显示电路、CPU巡检电路、驱动电路、变压器T2、冷却系统、继电器J1、J2、J3，IGBT开关电路由复合器件IGBT1和复合器件IGBT2构成，传感器检测电路由霍尔电流互感器构成，变压器T2是可逆的，逆变时的初级是充电时的次级，逆变时的次级是充电时的初级。

单片机IC4为PIC16F74，高速光耦U1为TLP250，集成块IC5和集成块IC6为IR2110。

电池为备用的DC12V串接，形成DC192V的直流电源作为应急用的电源，也可按照具体的容量要求进行选用。

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，是电压控制型器件，作为一种大功率的复合器件，耐压能做到1000多伏，电流能做到几百安培，而且开关速度快，用它取代MOSFET管，能保证电路工作的更加稳定。在这里IGBT是双用的，在逆变的时候，它形成一个全桥的电路，通过SPWM波控制电路的开断，从而形成变压器T2初级的SPWM能量，并在变压器T2次级形成正弦波。

线路板用的DC/DC开关电源的作用是把DC192V的电源变为隔离的DC15V、DC-15V、DC24V、50W的电源，以供电路板使用。它在停电时能保证电路正常工作。

CPU巡检电路、传感器检测电路等是离散的，是设备可靠工作的保证。

逆变与负脉冲电路共用了同一组IGBT，只是控制它的波形由SPWM波变成占空比可调的方波，它们的驱动电路均是由IR2110来完成的。通过IGBT的充电电流是变化的，通过传感器检测电路，单片机IC4(CPU)知道将占空比控制在什么样的比例，并适时地加入负脉冲放电，改善充电接受率，并有效地去极化，能够使EPS在最短的时间内能安全地充电。对与那些被其它充电方法盐化了的电池具有修复作用，能够延长电池寿命。

CPU显示电路的工作是由另一块单片机(PIC16F74)协同完成的。它用汉字显示输入电压、电池电压、输出电压、故障支路、负载容量。在面板上用LCD显示出来。

变压器T2是可逆的，通过CPU控制继电器J1的切换来完成。这样，充电不再另用一个变压器了。用两个变压器的成本做好这一个变压器T2，自然，这个变压器T2很可靠，而且功率富裕。

冷却是靠风机来完成。当温度低于40度时，只有一个风机打开，当温度高于40度时，两个风机同时冷却，这样比较合理。

参见图1和图2，负脉冲电路由单片机IC4(N87C196MC)构成，N87C196MC的P5.4脚接LTP250的第三脚；LTP250的第二脚接5V电源，这个电源由DC/DC开关电源提供，LTP250为一高速光藕，它的8脚接电阻R2，电容C4，电容C3上端，同时接开关电源来的隔离的直流电压源DC24V高电平；LTP250的第五脚接开关电源的隔离的24V低电平，接电容C3、C4的负端、电容C5的负端、稳压管Z1的正端；稳压管Z1的负端接电容C6的下端，MOSFET管Q1的漏极，电容C5的正端和电阻R2的下端；MOSFET管Q1的栅极接电阻R1的右端，电阻R3下端接电容C6上端，形成去毛刺电路，再接在MOSFET管Q1的源极和漏极。

参见图1和图2，单片机N87C196MC的另四个脚P6.0接IC5的第12脚，P6.1接IC5的第10脚，P6.2接IC6的第12脚，P6.3接IC6的第10脚，它们输出SPWM波，通过IC5、IC6的驱动，形成隔离的自举电压来驱动IGBT开关电路。其中，IC5和IC6的第7脚都接一二极管负极和一电阻，该二极管和电阻是并接的关系；它们分别对应接IGBT1和IGBT2的G1栅极；IC5和IC6的第6脚都接一瓷片电容和一电解电容的正极，同时接一二极管的负极，二极管的正极接开关电源的DC15V，IC5和IC6的第5脚都接一瓷片电容和一电解电容的负极，这些电容的另一脚再并联接到刚才的第6脚，IC5和IC6的第5脚再接到IGBT1和IGBT2的E1；IC5和IC6的第4脚悬空，IC5和IC6的第3脚接开关电源提供的15V直流高电平，IC5和IC6的第2脚接开关电源提供的15V直流低电平，同时接IGBT1和IBBT2的E2，IC5和IC6的第1脚都接一二极管负极和一电阻，该二极管和电阻是并接的关系；它们分别对应接IGBT1和IGBT2的G2栅极。

参见图1，单片机N87C196MC的另1个脚P0.2接霍尔电流互感器的VOUT端，对电池的工作电流和充电电流进行监控，根据反馈进行调节电压、电流和决定放电的时机。

还有大的元器件不能放在线路板上，它们构成线路板的外围连接电路，参见图2。交流输入为AC220V，它的一端端接继电器J3的一组常开触点，再接继电器J2的一组常开触点到三相桥堆D’1的A极。其中，继电器J2的一组又并联接了电阻R’1，输入AC220V的一端直接接三相桥堆D’1的B极。

参见图2，电池输入为DC192V，它的正端接熔断器FUSE后接继电器J2的第二组常开触点一端，继电器J2该组常开触点另一端到三相桥堆D’1的C极。其中，继电器的J2另一组又并联接了电阻R’2和强启开关T的串联电路；电池输入DC192V，它的负端直接接三相桥堆D’1的负极。

参见图1和图2，MOSFET管Q1起放电作用，它的漏极串一放电电阻R’3，再接电池负极，它的源极接电池的正极，不过在这里是接在继电器J2和熔断器FUSE后面，起到保护作用；它的栅极通过电阻R1接TLP251。

参见图2，IGBT1和IGBT2的G1、G2、E1、E2栅极分别接来自主线路板的信号，它们的C1极联结到一起接三相桥堆D’1正极，它们的E2栅极联结到一起接三相桥堆D’1负极，它们的C2E1极接变压器T2的96V端。另外，三相桥堆D’1正负极间接大型电解电容C’1，大型电解电容C’1一般为3300UF，一到四个，视整个设备的功率而定。

参见图2，变压器T2的另一绕组即220V的绕组，是逆变时220VAC输出端。它两端接一大电容器C’2，连接到交流输出端。同时，其中的任一端串继电器J3后接单相整流桥D’2的一个交流输入端，另一端接D’2剩下来的那个交流端，单相整流桥D’2的输出负极接电池的负极，D’2的正极接三相桥堆D’1的C极。继电器J1的固定点接交流输出，两组常开点接变压器T1的输出，两组常闭点接交流输入，为市电和逆变之间的切换用。

将该应急电源的输入端接市电，输出端接用电器并打开总开关，设备即开始工作。

一种情况：逆变。

当市电不在187V至242V范围时。

通过传感器检测电路检测，当市电不在187V至242V范围时，设备转入应急工作状态，它在0.25秒内把电源输出转到逆变输出，具体工作是这样的：

首先，市电停的时候，线路板的电源是依靠DC/DC开关电源供电的，而DC/DC开关电源是依靠电池供电的，即使电池的电压很低，DC/DC开关电源也能输出平稳的直流电源，从而保证了主线路板工作可靠稳定。

传感器检测电路以很高的速度检测市电状态，当其发现市电不在187V至242V范围时，立即选择逆变程序运行，继电器动作J3，切开市电对三相桥堆D’1的输入，继电器J2动作，连接电池到IGBT1和IGBT2的通道，同时，继电器J1动作，交流输出自动由市电切换到逆变变压器T2的输出端。此时，单片机IC4(CPU)已经能够发出SPWM波，经过IR2110的驱动，信号完成自举和隔离，四路SPWM波在加到IGBT1和IBGT2上后控制IGBT的开关，IGBT1和IGBT2都是两组的IGBT，在这里一共有两个IGBT和变压器T2形成全桥电路，在IGBT1和IGBT2的C2E1脚连接变压器T2的96V绕组，在变压器T2的220V绕组我们会得到220V的正弦波，当负载变化时，传感器检测电路就会将电压变化的信息反馈给CPU，CPU根据反馈，将SPWM波进行调整，从而调整电压，保证电压的稳定。

由于变压器T2是工频变压器，本身就是一个巨大的电感，所以一般不再需要额外的电感，变压器T2的输出端有一个电容C’2，对输出平滑，进一步去除尖峰和毛刺，接在IGBT的C1和E1极的大电容C’1起到储能和缓冲的作用，它使电池能提供平稳的电平。

霍尔电流互感器不断检测电流的大小，当电流过大，CPU发出指令，关闭IGBT1和IGBT2，保护设备不受损害。

当CPU巡检电路发现电池电压过低时，CPU也将自动停止逆变。但是，如果遇到很紧急的场合，要求必须供电时，可以通过打开强启开关T，强行供电。

另一种情况：充电。

当市电在187V至242V范围时。应急电源工作在旁路状态，继电器JI将交流输入直接接到交流输出。

这时，传感器检测电路将检测来的电池电压信号传给CPU，CPU把这些AD值和程序内的标准值比较，当发现电池电压低于设定的充电值时，CPU就开始调用充电程序对电池进行充电。具体的过程为：

首先，CPU巡检电路对电池进行巡检，不断扫描电池的状态，当发现电池电压低于规定充电阀值时，CPU程序转入充电程序，从P6.0，P6.1，P6.2和P6.3口输出方波信号。

方波经IC5、IC6两个IR2110完成自举、隔离并驱动IGBT1和IGBT2。同时继电器J3的第一、二组常开闭合，三相桥堆D’1被连接到IGBT1和IGBT2的C1和E2脚，交流220V电经过D’1后被整成直流电，再在电容C’1的滤波下形成波形平直的约380V的直流电，在栅极控制下，形成方波，此时的频率为几十到几百Hz，连接在变压器T2的初级，在变压器T2的次级，即220V绕组输出端，形成与市电隔离的方波。输出的交流方波再经单相整流桥D’2整流形成直流脉冲波，对电池进行充电，通过霍尔电流互感器的反馈，CPU调节脉冲的占空比或频率，从而达到调整充电电流的目的。充电达到一段时间后，CPU检测电池的电压，当电池充电达到出气点时(约2.4V单体)，停止充电，然后进行大电流负脉冲放电去极化，时间是1mS，具体放电的控制信号是从CPU的P5.4引脚发出，而且，在这之前，IGBT上的信号为零，都将断开，从CPU的P5.4脚的信号先送到TLP250上隔离，放大，再驱动MOSFET管Q1，Q1受控制信号作用开通，使电池大电流瞬时放电，形成放电负脉冲。放电后再检测电池状态，进行去极化效果的检测，达到去极化效果就回转充电，否则再次进行去极化，如果连续放电四次，发现电池电压变化极小，则充电完成并结束充电状态。这样，可大范围地提高充电速度，而且能延长电池的寿命。

本实施例的负脉冲充电曲线如图9所示。

Claims (5)

1、一种负脉冲充电应急电源，其特征在于：它包括整流、电池、IGBT开关电路、DC/DC开关电源、传感器检测电路、逆变输出、负脉冲电路、CPU开关控制信号电路、CPU显示电路、CPU巡检电路、驱动电路、变压器(T2)、冷却系统、继电器(J1、J2、J3)；

IGBT开关电路由复合器件(IGBT1)和复合器件(IGBT2)构成；

传感器检测电路由霍尔电流互感器构成；

变压器(T2)是可逆的，逆变时的初级是充电时的次级，逆变时的次级是充电时的初级；

负脉冲电路由单片机(IC4)构成，单片机(IC4)的1脚接高速光耦(U1)的3脚，高速光耦(U1)的2脚接DC/DC开关电源的DC5V，8脚接电阻(R2)、电容(C4)正端、电容(C3)，5脚接电容(C3)另一端、电容(C4)的负端、电容(C5)的负端、稳压管(Z1)的正端；稳压管(Z1)的负端接电容(C6)、MOSFET管(Q1)漏极、电容(C5)的正端和电阻(R2)，MOSFET管(Q1)的栅极接电阻(R1)，电阻(R3)接电容(C6)另一端形成去毛刺电路再接在MOSFET管(Q1)的源极和漏极；单片机(IC4)的46脚接集成块(IC5)的12脚，45脚接集成块(IC5)的10脚，44脚接集成块(IC6)的12脚，42脚接集成块(IC6)的10脚；集成块(IC5)和集成块(IC6)的7脚都接二极管(D1、D3)负极和电阻(R8、R10)，二极管(D1、D3)和电阻(R8、R10)是并接的关系，它们分别对应接复合器件(IGBT1)和复合器件(GBT2)的G1极；集成块(IC5)和集成块(IC6)的6脚都接瓷片电容(C11、C12)和电解电容(C13、C14)的正极，同时接二极管(DF1、DF2)的负极，二极管(DF1、DF2)的正极接DC/DC开关电源的DC15V，集成块(IC5)和集成块(IC6)的5脚都接瓷片电容(C11、C12)另一端和电解电容(C13、C14)的负极，集成块(IC5)和集成块(IC6)的5脚都再接到复合器件(IGBT1)和复合器件(IGBT2)的E1极；集成块(IC5)和集成块(IC6)的4脚都悬空，集成块(IC5)和集成块(IC6)的3脚都接DC/DC开关电源的DC15V，集成块(IC5)和集成块(IC6)的2脚都接DC/DC开关电源的DC-15V，同时都接复合器件(IGBT1)和复合器件(IBBT2)的E2极，集成块(IC5)和(IC6)集成块的1脚都接二极管(D2、D4)负极和电阻(R9、R12)，二极管(D2、D4)和电阻(R9、R12)是并接的关系，它们分别对应接复合器件(IGBT1)和复合器件(IGBT2)的G2极；单片机(IC4)的60脚接霍尔电流互感器；

交流输入L端接继电器(J3)的一组常开触点(J3-1)，再接继电器(J2)的一组常开触点(J2-2)到三相桥堆(D’1)的A极，常开触点(J2-2)又并联接了电阻(R’1)，交流输入N端直接接三相桥堆(D’1)的B极；

电池输入正端接熔断器(FUSE)后接继电器(J2)的另一组常开触点(J2-1)到三相桥堆(D’1)的C极，常开触点(J2-1)又并联接了电阻(R’2)和强启开关(T)的串联电路，电池输入负端直接接三相桥堆(D’1)的负极。

2、根据权利要求1所述的一种负脉冲充电应急电源，其特征在于：MOSFET管(Q1)漏极又串一放电电阻(R’3)，再接电池负极，它的源极接电池的正极。

3、根据权利要求1所述的一种负脉冲充电应急电源，其特征在于：复合器件(IGBT1)和复合器件(IGBT2)的C1极联结到一起接三相桥堆(D’1)正极，它们的E2极联结到一起接三相桥堆(D’1)负极，它们的C2E1极接变压器(T2)的96V端，三相桥堆(D’1)正负极间接大型电解电容(C’1)。

4、根据权利要求1所述的一种负脉冲充电应急电源，其特征在于：变压器(T2)另一绕组接一大电容器(C’2)，连接到交流输出端，同时，其中的任一端串继电器(J3)后接单相整流桥(D’2)的一个交流输入端，另一端接单相整流桥(D’2)另一个交流端，单相整流桥(D’2)的输出负极接电池的负极，单相整流桥(D’2)的正极接三相桥堆(D’1)的C极，继电器(J1)的固定点接交流输出，两组常开点接变压器(T2)的输出，两组常闭点接交流输入。

5、根据权利要求1所述的一种负脉冲充电应急电源，其特征在于：CPU显示电路由单片机PIC16F74构成。

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