CN209844590U - 蓄电池组低温振荡充电控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种蓄电池组低温振荡充电控制电路，其结构是在充电器的正极输出端经串联连接的电感L₁、电感L₂和电容C₁接到用于连接蓄电池组的正接线端子，在电容C₁的两端并联有开关K；由充电器的负极输出端分两路，一路经反并联的开关器件V和二极管D₁后连接到串联的电感L₁与电感L₂之间的连接节点上，另一路接到用于连接蓄电池组的负接线端子，开关器件V的控制极通过驱动电路连接到开关控制电路。由于在低温环境条件下蓄电池组会产生极化或硫化现象使其内阻增大，从而产生充不进电或充电不足的现象。本实用新型是使电池组中流过的较高频率的交流电流，能大大降低或消除电池被极化或硫化的现象，靶向地消除因低温产生的电池内阻，延长蓄电池组的使用寿命。

Description

蓄电池组低温振荡充电控制电路

技术领域

本实用新型涉及一种蓄电池充电装置，具体地说是一种蓄电池组低温振荡充电控制电路。

背景技术

为了解决低温环境下蓄电池充电不能充满而影响用电设备（如电动车辆）正常使用的问题，CN104935059A号专利公开了一种电动汽车低温充电方法及充电设备。该方法的思路是正常充电加回路振荡，即在低温条件下，电动汽车正常充电一段时间，然后，充电回路断开、振荡回路接通，振荡工作一定时间后，振荡回路断开、充电回路接通，电动汽车正常充电一定时间后，充电回路断开、振荡回路接通。如此循环，实现电动汽车的低温充电。该篇专利同时指出，振荡回路的作用主要是消除电动汽车低温充电时电池内部产生的极化现象，同时在电池内部产生热量用于加热蓄电池，由此提升了电池充电的接受能力。

但是，不论是CN104935059A提到的振荡电路，还是现有已知的振荡电路均不能满足既与充电回路共聚并且还能够交替工作以对蓄电池组进行有效的低温充电这种实际工况的要求，其原因在于，由于蓄电池组低温时具有很大的内阻，另外在充电电路中还有导线电阻的存在，所以，仅靠振荡电路中的电感电容自身的谐振，不足以维持持续的振荡，而如果振荡电路不能持续谐振，自然也就不能持续提供加热蓄电池组所需的谐振电流；而一般的振荡电路由于没有外部激励形成的振荡电路内部能量的存储和转移，也无法实现由充电器向蓄电池组进行能量转移的振荡。因此，现有的各种振荡电路均不能满足蓄电池组低温振荡充电的工作需要。

发明内容

本实用新型的目的就是提供一种蓄电池组低温振荡充电控制电路，以解决现有振荡电路因不能提供持续的谐振电流导致无法满足低温充电工作要求的问题，使蓄电池组真正实现在低温环境条件下充满电。

本实用新型是这样实现的：一种蓄电池组低温振荡充电控制电路，在充电器的正极输出端经串联连接的电感L₁、电感L₂和电容C₁接到用于连接蓄电池组的正接线端子，在电容C₁的两端并联有开关K；由充电器的负极输出端分两路，一路经反并联的开关器件V和二极管D₁后连接到串联的电感L₁与电感L₂之间的连接节点上，另一路接到用于连接蓄电池组的负接线端子，开关器件V的控制极通过驱动电路连接到开关控制电路。

所述开关控制电路为脉宽调制电路，其作用一是驱动开关器件，以一定的频率和占空比循环通断，而开关器件每导通一次，即可完成一次电感电容的串联谐振振荡过程，由此产生一段正负交变的谐振电流，以作用于蓄电池组的等效内阻中；二是控制开关K的通断。

在充电器的正、负极输出端之间连接有低通滤波器，其作用是减少电感L₁中电流的波动对充电器造成的不良影响，使充电器输出平稳的直流电流。

本实用新型通过设置开关控制电路以驱动开关器件按确定的频率和占空比循环通断，使得开关器件V每通断一次，即可完成一次电感电容的串联谐振振荡的工作过程，产生一段正负交变的谐振电流，由此使得振荡电路的谐振得以不断产生，维持了持续的谐振振荡，因而也就能够持续提供加热蓄电池组所需的谐振电流。这样即可使得本实用新型得以利用蓄电池组的等效内阻在低温时增大的特性，采用电感电容串联谐振的工作电路，依靠谐振电流加热蓄电池组的等效内阻，提升蓄电池组的温度，降低蓄电池组的等效内阻，使充电过程得以顺利进行，蓄电池组能够尽快充满电。

本实用新型在不改变常规蓄电池组的结构和设置位置等条件下，仅是在常规充电器的输出端加上他激振荡电路（可加装在充电器的内部，或是作为一个独立的附加装置），即可同时兼容常规充电和低温振荡加热充电两种工作模式。在充电过程中如果不需要给蓄电池组的内阻振荡加热，则只需停止对开关器件的驱动，并将振荡电路中的电容短路即可。

本实用新型中的开关控制电路可以采用单片机等可编程芯片，也可采用充电器内部的控制逻辑，另外，通过对蓄电池组的温度、流过蓄电池组的电流以及对充电器和蓄电池组的电压等物理量的检测，开关控制电路还可以完成除开关器件驱动外的其他一些功能，以实现蓄电池组充电过程的智能化自动控制。

本实用新型通过开关控制电路以一定频率和占空比对开关器件进行通断控制，使串联在蓄电池组回路中的电感和电容产生串联谐振，从而使蓄电池组的等效电阻流过正负交变的谐振电流，从而达到加热蓄电池组的目的，同时，输出的这种正负交变的谐振电流还可以把向去除或降低蓄电池在低温时产生的极化现象，有利于提高蓄电池组中在低温状态下各电池单元的一致性，降低因电池组中个别电池电阻不均产生的局部过热导致的火灾等灾祸发生的几率。

本实用新型还很好地解决了负脉冲充电的技术问题。由于储能蓄电池组在低温下经常存在电池极化或硫化现象，使其电池内阻增大，从而在低温下给电池充电会产生充不进电或充电不足的现象。在利用本实用新型给蓄电池组充电的过程中，振荡电路中产生的谐振电流除了用于加热蓄电池组中的电池外，其正负交变的电流还可以有效地靶向去除某些蓄电池在使用过程中或低温下产生的极化或硫化以及内阻增大的现象，进一步激活电池，加快充电速度，提升电池的容量，并延长蓄电池的使用寿命。

本实用新型结构简单，成本低廉，可以同时满足正常充电和低温充电的不同要求。

本实用新型不改变原有充电器及蓄电池组的结构，在充电器和蓄电池组间加入本实用新型，不仅解决了低温环境下蓄电池组充不进电或充电不足的问题，由于振荡时蓄电池组中流过的较高频率的交流电流，还有利于蓄电池组中各蓄电池的激活，使一致性的提高，还可延长蓄电池组的使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型的实施例1的电路原理图。

图2是蓄电池组的基本结构及其等效电路原理图。

图3是采用硬件电路构成的开关控制电路的电路原理图。

图4是本实用新型的振荡工作波形图。

图5是本实用新型的实施例2的电路原理图。

图6是采用单片机构成的开关控制电路的电路原理图。

具体实施方式

如图2所示，在蓄电池组中，每一只蓄电池的等效电路都可以看成是一个电压源E_ij和一个内阻R_ij的串联，而蓄电池组则是由多个同类的蓄电池串联成一组组成；为增加蓄电池组的容量，还可以由若干个同样的蓄电池串联组再并联的组合形式。无论蓄电池的串并联数量有多少，最终都可以变换成为图2中右侧的整个蓄电池组的等效电路，即等效为是由一个等效电压源E和一个等效内阻R串联组成的电路。

实施例1

如图1所示，本实用新型是在充电器和蓄电池组间接入了一个他激振荡电路。该振荡电路是在充电器的正极输出端经串联连接的电感L₁、电感L₂和电容C₁接到用于连接蓄电池组的正接线端子，在电容C₁的两端并联有开关K；由充电器的负极输出端分两路，一路经反并联的开关器件V和二极管D₁后连接到串联的电感L₁与电感L₂之间的连接节点上，另一路接到用于连接蓄电池组的负接线端子，开关器件V的控制极通过驱动电路连接到开关控制电路。

正常充电时，仅需使开关控制电路断开开关器件V，同时闭合开关K（以短路掉电容C₁）即可。这样，在原来常规的充电器和蓄电池组间只是增加了两个串联的电感L₁和L₂，对蓄电池组充电的结果不会产生影响。而在充电回路中两个串联电感的加入，还可有效抑制充电电流中的干扰噪声。

当环境温度降低后，蓄电池组中的等效内阻R的阻值增大，造成正常充电不能充满的现象。此时就需要采用振荡充电。具体控制过程是：在开关控制电路断开开关K的同时，通过以一定频率和占空比通过驱动电路对开关器件V实施通断控制，使串联在蓄电池组回路中的电感L₂和电容C₁产生串联谐振，谐振电流流过蓄电池组的等效电阻R，谐振电流的电热效应使蓄电池组的等效电阻R被加热，蓄电池组的等效电阻R的阻值就会因为每个蓄电池的温度升高而明显减小，直至又可转换到正常充电。

本实用新型的具体振荡工作过程是：开关控制电路控制开关器件V导通时，电感L₁储能，原已储存了能量的电容C₁通过电感L₂、开关器件V、蓄电池组的等效电压源E和等效内阻R形成谐振电流；电感L₂与电容C₁的串联谐振特性，又使得在谐振电流过零后会产生反方向的谐振电流，而这个电流会通过续流二极管D₁提供的续流通路而流通。在续流二极管D₁续流期间，只要开关控制电路断开开关器件V，当续流二极管D₁中的电流降到零时，这个振荡过程即告结束。开关器件V断开后，电感L₁中储存的能量通过电感L₂转移到电容C₁中，为下一次谐振做好准备。这样，开关控制电路重复地控制开关器件V的导通和断开过程，即可在蓄电池组的等效电阻R上流过正负交变的谐振电流，从而使蓄电池组的等效电阻R不间断地发热，进而实现对蓄电池组的加热操作。

在续流二极管D₁的续流期间断开开关器件V，即可获得理想的振荡电流。如果在续流二极管D₁续流之前或之后断开开关器件V，则振荡电路尽管能够工作，但振荡电流的波形有可能会发生畸变，严重时会导致振荡电路不能正常工作。

如图3所示，开关控制电路可以采用硬件电路（555定时器）搭接构成，即在直流电源与地线之间接有由电阻R₁、电位器R_W、二极管D₃、电阻R₂和电容C₂依次串联组成的支路，555定时器的4脚和8脚接直流电源，555定时器的7脚接电位器R_W的抽头端，555定时器的2脚与6脚分别引线共接到电阻R₂与电容C₂之间的连接节点，在555定时器的6脚与7脚之间连接二极管D₂，在555定时器的1脚与5脚之间连接电容C₂，555定时器的3脚输出端接开关器件V的驱动电路，该驱动电路的输出端接开关器件V的控制极，作为开关器件V的驱动信号u_GE；由充电器供电的直流电源为555定时器和开关器件V的驱动电路提供合适的直流电源。

图3中，电阻R₁与电位器R_W的上部串接的电阻等效为电阻R₁’，电阻R₂与电位器R_W的下部串接的电阻等效为电阻R₂’，则555定时器的振荡周期T（即开关器件V通断一次的时间）和占空比B满足下列公式（1）和公式（2）关系，其中，t₁是开关器件V的导通时间，t₂是开关器件V的断开时间。

在图4所示的本实用新型的振荡工作波形图中，u_GE为开关器件V的驱动信号，i₁为电感L₁中的电流波形（电流的假定正方向见图1），i₂为谐振电流（即蓄电池组的等效电阻R上的电流，也即蓄电池组的充放电电流）的波形，i₃的正半部分是流过开关器件V及其缓冲电路（图1中未画出）的电流波形，i₃的负半部分是流过续流二极管D₁的电流波形，三者的相互关系为：i₂ = i₁－i₃。在555定时器的控制下，开关器件V实现连续的通—断变换，由此实现了持续的谐振振荡过程，低温下的蓄电池组中的每个蓄电池即可在此过程中被不断地加热。

实施例2

如图5所示，本实施例的控制电路结构与实施例1（见图1）的基本相同，区别是在振荡电路的前端增加了由电感L₀和电容C₀组成的低通滤波器。这是由于电感L₁中的电流i₁的波动较大（见图4(b)），可能会对充电器的稳定运行造成影响，加入了由电感L₀和电容C₀构成二阶低通滤波器后，就能有效地减少电感L₁中电流i₁的波动对充电器的影响，使充电器输出平稳的直流电流。所添加的由电感和电容构成的低通滤波器，可以是一组，也可以是若干组串联连接；可以是电感和电容构成的二阶低通滤波器，也可以是其他形式的低通滤波器。

本实施例的振荡工作过程与实施例1的相同。

如图6所示，本实用新型给出了采用单片机构成开关控制电路的低温振荡充电控制电路的结构示例。在本实施例中，集成电路芯片PIC12F675作为脉宽调制电路的主体，以替代实施例1中描述的555定时器的功能。此外，通过对蓄电池组充放电电流的检测，可以实现振荡与充电间的自动转换；通过对蓄电池组温度的检测，也可以实现振荡与充电间的自动转换。

如果振荡电路需要同时实现智能控制，或利用充电器的资源实现整个充电系统的智能控制，硬件部分仅需再加若干检测元器件，如检测蓄电池组温度的温度传感器，检测蓄电池组充放电电流的电流传感器（或取样电阻），检测充电器和蓄电池组电压的电压传感器（或电阻分压网络）等等；在单片机的应用软件中再加入相应的检测、判断和控制等功能即可。如果在控制电路中增加通信模块，还可实现充电器与外部的通信，或与监控后台的通信。

本实施例的振荡工作过程与实施例1的相同。

本实用新型的振荡电路在实施例1、实施例2或实施例3的工作过程中，可以根据设定参数或充电系统的运行状态，通过调整施加到开关器件V的通断频率，随时改变输入到蓄电池组的振荡电流的大小，这更有利于充电系统的智能化和实用化。

在实施例3中（略改图3由 555定时器构成的硬件控制电路，同样可以实现该功能），由于串联谐振的振荡周期主要取决于电感 L₂和电容C₁，在某一实际运行的蓄电池组充电系统中，一般情况下电感和电容的参数不会再改变，即该充电系统振荡一次的周期基本不变，因此，固定开关器件V的导通时间t₁，就可以保证控制电路在二极管D₁续流期间断开开关器件V（见图4），改变开关器件V的断开时间t₂，根据公式（1），也就相应调整了振荡电路的控制周期T。而控制周期T的增大，单位时间内谐振电流的个数就减少，流过蓄电池组等效电阻R的电流有效值也就相应减少。反之，控制周期T减少，单位时间内谐振电流的个数增加，流过蓄电池组等效电阻R的电流有效值也就相应增大。

当蓄电池组的电压偏离其额定值一定范围时，或者充电器的电压或电流偏离其设定值一定范围时，通过调整控制周期T，同样能使充电系统维持在设定值条件下的正常运行。

这种振荡电路的振荡工作过程与实施例1的相同。

开关控制电路为脉宽调制电路，其可以是硬件电路，也可以是以单片机为核心的电路，还可以利用充电器内部的硬件资源构建。

为开关控制电路提供低压直流电压的直流电源可以由开关电源得到，也可以通过DC-DC等模块得到。

实施例1中的开关控制电路使用的是555定时器，也可以用具有相同或类似功能的其他芯片代替，或是用单片机等可编程芯片代替，也可以用充电器内部的控制逻辑完成开关器件的驱动及其他检测和控制功能。

开关K可以是机械式开关，也可以是开关器件构成的电子开关，或是能实现该功能的其他电路形式。开关器件V可以是三极管、MOS管或IGBT等功率器件。

在图1和图5中，开关K的右端连接到电容C₁的右端（即振荡电路的输出端），开关K的左端除可连接到电感L₂和电容C₁的接点外，还可以连接到电感L₁、电感L₂、开关器件V和二极管D₁的接点，或可以连接到电感L₁的左端（即振荡电路的输入端）。

在图1和图5中，振荡电路两端的充电器与蓄电池组是采用共负极的连接方式，这有利于本实用新型的实施。依据本实用新型的控制方法，仅增减个别元器件或调整元器件的位置（如将电感L₂与电容C₁的位置互换，或者将电感L₂或电容C₁放到蓄电池组的负极），也属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种蓄电池组低温振荡充电控制电路，其特征是，在充电器的正极输出端经串联连接的电感L₁、电感L₂和电容C₁接到用于连接蓄电池组的正接线端子，在电容C₁的两端并联有开关K；由充电器的负极输出端分两路，一路经反并联的开关器件V和二极管D₁后连接到串联的电感L₁与电感L₂之间的连接节点上，另一路接到用于连接蓄电池组的负接线端子，开关器件V的控制极通过驱动电路连接到开关控制电路。

2.根据权利要求1所述的蓄电池组低温振荡充电控制电路，其特征是，所述开关控制电路为脉宽调制电路。

3.根据权利要求1所述的蓄电池组低温振荡充电控制电路，其特征是，在充电器的正极输出端与负极输出端之间连接有低通滤波器。