CN202260588U - 一种磷酸铁锂电池快速充电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种磷酸铁锂电池快速充电器，该充电器在电路中采用高功率因数校正(PFC)电路和准谐振反激式变换电路，可以提高电能利用率，还可以很方便的实现宽电压输入，另外还降低了开关损耗提高了电源效率及可靠性，而且准谐振技术使谐波含量降低从而降低了电磁(EMI)干扰。

Description

一种磷酸铁锂电池快速充电器

技术领域

本实用新型涉及锂电池快速充电器，尤其是一种磷酸铁锂电池快速充电器。 

背景技术

随着科学技术的发展及电化学材料及工艺技术的进步，人们不断地研究、开发出新型电池材料及新型电池。继镍镉、镍氢可充电电池之后，在1991年开发出可充电的锂离子电池，1995年又推出性能更好的聚合物锂电池，到2002年后，新型磷酸铁锂电池问世，磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂锂离子电池，由于该电池非常适用于作动力电池，所以往往称它为磷酸铁锂动力电池，本文简写成LiFePO4电池。 

目前市场上的锂离子电池的正极材料主要是氧化钴锂(LiCoO2)，另外还有少数采用氧化锰锂(LiMn2O4)及氧化镍锂(LiNiO2)作正极材料，新型磷酸铁锂电池是一种用磷酸铁锂(LiFePO4)作电池正极，用石墨作负极的锂离子电池，它的工作原理与锂离子电池完全相同，是锂离子电池家族中的新成员。 

在上述几种锂离子电池正极材料中，以金属元素钴(Co)最贵，并且世界上储藏量不多、其次是镍(Ni)、锰(Mn)较便宜、而铁(Fe)最便宜，正极材料的价格也与这些金属材料的价格行情一致，因此，LiFePO4电池应是最便宜的，LiFePO4电池还具有放电平台特别平坦、能用大放电率放电(5-10C)、特别安全(不会因过充电、过放电、甚至短路时发生燃烧或爆炸)、循环寿命长、对环境无污染等特点，作为大电流输出的动力电池，它的性能是最佳的。 

市场上锂电池充电器分为两类： 

一种是如图1所示的0.2C充电率的充电器，即只能提供2A充电电流，0.2C 的充电率将电池充满需要6-8小时，时间太长了对用户来说不是很方便，同时该种类型充电器也没有完全将LiFePO4可以接受大电流充电的特性发挥出来。 

另一种是如图2所示的0.5C充电率的充电器，这种类型的充电器基本上都没有采用功率因数校正，0.5C充电率的充电器功率达到200W以上，没有高功率因数校正(PFC，Power Factor Correction，功率因数校正)功能时，充电器就是个电磁干扰源，对其它同时使用的电器及用电线路有很强的污染，另因是半桥结构如要实现宽电压输入，实现方式只能采用人工手动开关方式，对普通用户来说是很不方便的。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种磷酸铁锂电池快速充电器，其采用0.5C充电率，不但提高电能的利用率，降低电磁干扰，还可以很方便的实现宽电压输入。 

为达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案来实现的： 

一种磷酸铁锂电池快速充电器，其包括交流输入电路、桥式整流电路、充电管理电路，其中，还包括高功率因数校正(PFC)电路和准谐振反激式变换电路，交流输入电路连接桥式整流电路，桥式整流电路连接高功率因数校正(PFC)电路，高功率因数校正电路连接准谐振反激式变换电路，准谐振反激式变换电路再连接充电管理电路。 

其中，高功率因数校正(PFC)电路可采用集成电路SG6961。 

其中，准谐振反激式变换电路采用FSCQ1565电路。 

其中，充电管理电路可采用PIC12F629加LM358。 

本实用新型由于采用了高功率因数校正(PFC)电路，因此可以提高电能利用率，还可以很方便的实现宽电压输入，由于采用了准谐振反激式变换电路， 该电路因为是过零开关从而降低了开关损耗提高了电源效率及可靠性，而且准谐振技术使谐波含量降低从而降低了电磁(EMI)干扰。 

附图说明

下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。 

图1为现有技术的一种0.2C充电率的充电器的框图； 

图2为现有技术的一种0.5C充电率的充电器的框图； 

图3为本实用新型的磷酸铁锂电池快速充电器的框图； 

图4为本实用新型的磷酸铁锂电池快速充电器的具体电路； 

图4.a-图4.d为图4的分块图； 

图5为充电管理中理想的充电曲线图； 

图6为实现图5中理想充电曲线图所采用的硬件电路； 

图6.a-图6.d为图6的分块图。 

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。 

首先介绍一下本实用新型所涉及相关概念。 

功率因数校正(PFC)是供用电系统的一项重要技术经济指标，用电设备在消耗有功功率的同时，还需大量的无功功率由电源送往负荷，功率因数反映的是用电设备在消耗一定的有功功率的同时所需的无功功率，即是指交流电源推动负载时如果负载呈容性或感性，会使电流波形与电压波形之间发生相移，结果推动负载的有用功率小于在该电流波形下系统消耗的总功率，它们的比值就是功率因数。功率因数小的时候可能达到0.6以下(目前的充电器都是如此)，这就意味着40％以上的电能都损耗在线路上了，而这个电能是不会记录到一般的电度表上的，产生的费用是由国家承担的，所以国际标准、国家标准都越来越 严格地对电器的功率因数做出限制，一般要求达到0.8以上，也就是说用电质量的好坏直接取决于功率因数的大小。节能环保已经成为全球经济发展的主旋律，随着国家电荒现状的日益凸显，消费者的节能意识也越来越强，提高用电设备的功率因数是实现节能环保的一大举措，国家对大部分的家电产品现在强制执行CCC认证，对功率因数提出了要求。电动车充电器迟早是要纳入家电产品并要执行CCC认证的。 

如图3所示，在本实用新型的快速充电器中，交流输入电路连接桥式整流电路，桥式整流电路连接作为高功率因数校正(PFC)电路的SG6961电路，SG6961电路再连接作为准谐振反激式变换电路的FSCQ1565电路，FSCQ1565电路最后再连接充电管理电路，充电管理电路采用了PIC12F629加LM358。 

LiFePO4电池的充电率一般在0.2C-1C，考虑到综合成本的原因，本实用新型充电器采用0.5C充电率。 

SG6961的主要特色具极佳功因及总谐波表现，用于临界电流模式下的电流转换操作，适用于70～200W的电源转换，除整合多项保护电路，如过电压(OVP)、输出过电压、电压过低锁定(UVLO)、断回路锁定等功能外，并提供快速动态响应及过压钳制功能。 

引脚功能简介 

1脚(INV)：误差放大器反向输入端。PFC输出电压由分压电阻分压后送入该，该脚用于过电压钳位和开环反馈保护； 

2脚(comp)：误差放大器输出端。补偿网络设置在该脚与INV端以完成电压控制环路的稳定性和保证有高度PF值与低端谐波失真(THD)； 

3脚(MOT)：在该引脚与GND之间连接一只电阻，用于确定外部开关(MOSFET)的最大导通时间，该引脚用于替代传统IC中一象限乘法器； 

4脚(CS)：过电流保护比较器的输入端。当电流检测电阻上的电压达到内部0.8V的阀值时开关将关断； 

5脚(ZCD)：过零电流检测端。该引脚经过一只电阻连接到变压器辅助绕组，一旦检测到开关电流过零，将开始新的开关周期； 

6脚(GND)：地； 

7脚(GD)：栅极驱动输出； 

8脚(VCC)：电压供给。 

FSCQ1565是一款优化的准谐振转化器，具有多重保护功能，并且将功率管集成到芯片内部，设计的要点集中在变压器上。 

引脚功能简介： 

1脚(Drain)：内置高压功率管漏极连接点； 

2脚(GND)：接地； 

3脚(VCC)：正电源输入，提供芯片启动和稳定运行； 

4脚(VFB)：反馈信号输入，该脚电压达到7.5V，过载保护触发电源关闭； 

5脚(SYNC)：准谐振转换检测； 

PIC12F629是美国MICROCHIP公司的8引脚内存8位的CMOS单片机，该单片机最大特点是器件内部内置了一个模拟比较器，利用这个比较器的资源配合相应程序实现电池充电管理。 

本实用新型的快速充电器具体工作原理如下： 

参考图4，在接通交流供电电源后，电源先经过EMI、桥式整流滤波电路后通过电阻R3-R4对SG6961的VCC脚上的电容EC1充电，同时有部分电流流入VCC脚，在EC1上的电压达到欠电压关断电平(9.5V)之前，IC的启动电流只有10uA(这在同类IC中是最小的)。一旦电容EC1上的电压达到启动门限典型 值12V，IC则启动开始工作，EC1放电。在EC1上的电压降至IC的关断阀值(典型值是9.5V)之前，变压器辅佐绕组、CC2、R5、D1、ZD1等组成辅佐电源电路给IC的VCC脚提供稳定的工作电流。因SG6961的启动电流很小R3-R4用0.25W的电阻就可以了。 

当IC引脚5通过R6检测到变压器辅佐绕组的电流过零信号时，IC引脚7就输出一个驱动脉冲推动开关MOSFET(Q1)导通，流过T1变压器初级绕组的电流从零线性增加到峰值，而Q1开始截至。初级绕组中的储能因Q1的截至而释放，经D4整流EC2滤波后加到准谐振反激变换器的功率变压器的输入端，R12-R15分压取样经IC的1脚送入IC内部误差放大器的反相端，误差放大器的同相输入端连接内部2.5V的固定电压参考，二者的比较结果反映在IC的2脚，2脚外接补偿回路，2脚的信号与3脚设定的信号进行比较来控制Q1导通的时间从而决定输出电压为稳定的400V高压。通过变压器初级的电流线性减小至零，MOSFET将再一次导通，新的开关周期开始，如此周而复始，在每一个开关周期中电感峰值电流都追踪交流输入电压的变化轨迹，高频电感电流被输入电容CC1滤波掉高频成分从而得到呈正弦波形的输入平均电流。这就是高功率因数的关键。 

RS是接在Q1源极上的用来检测开关电流，将检测到的开关电流送到IC的4脚，该脚上的逐周电流限制保护点门限为0.82V，只要引脚上的输入电压高于这个阀值，电流开关周期则立即终止。 

稳定的400V高压通过功率变压器T2接到FSCQ1565的1脚(Drain)，另一路通过R16、R17给准谐振模块FSCQ1565供电启动模块工作，T2辅助绕组R19、R20、D4、EC3、Q2、CC8、ZD2、EC4等构成二次稳压电路保证FSCQ1565稳定工作，D9、R36、R37、EC5将辅助绕组的过零信号送给FSCQ1565的5脚(SYNC)， 通过该信号控制FSCQ1565内置功率管的开关从而降低功率转换的损耗，提高电源的可靠性。功率管导通电流流过变压器T2初级绕组产生能量，能量储存在气隙里，功率管关闭此时储存在气隙里的能量通过D5、EC6、EC7、L3、L4整流滤波给电池充电提供能量。 

图5显示了充电管理中理想的充电曲线图，为了实现上述理想的充电曲线图，充电模式应为CC-CV-CC模式，图6显示了实现图5中理想充电曲线图所采用的硬件电路。 

Claims (6)

1.一种磷酸铁锂电池快速充电器，包括：交流输入电路、桥式整流电路、充电管理电路，其特征在于，还包括高功率因数校正电路和准谐振反激式变换电路，交流输入电路连接桥式整流电路，桥式整流电路连接高功率因数校正电路，高功率因数校正电路连接准谐振反激式变换电路，准谐振反激式变换电路再连接充电管理电路。

2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂电池快速充电器，其特征在于，高功率因数校正电路采用集成电路SG6961。

3.根据权利要求1或2所述的磷酸铁锂电池快速充电器，其特征在于，准谐振反激式变换电路采用FSCQ1565电路。

4.根据权利要求1或2所述的磷酸铁锂电池快速充电器，其特征在于，充电管理电路采用PIC12F629加LM358。

5.根据权利要求3所述的磷酸铁锂电池快速充电器，其特征在于，充电管理电路采用PIC12F629加LM358。

6.根据权利要求1所述的磷酸铁锂电池快速充电器，其特征在于，该快速充电器采用0.5C的充电率。 

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