CN2424560Y

CN2424560Y - 蓄电池均衡充电器

Info

Publication number: CN2424560Y
Application number: CN 00217070
Authority: CN
Inventors: 黄以安
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-03-21
Anticipated expiration: 2010-03-30

Abstract

一种开关电源式蓄电池充电器由电源整流器、逆变电路、脉冲变压器、输出整流电路、恒流恒压控制电路等构成,其特点是脉冲变压器有多个输出绕组,分别整流为直流后串联输出,同时输出多组直流电压,实现了多个串联蓄电池的均衡充电,使电池组中各个电池的端电压同步升高,同时充足,避免了由于各个电池特性不同而造成的过充电或欠充电现象,提高电池组的实际容量及使用寿命。

Description

蓄电池均衡充电器

本实用新型涉及一种能对串联蓄电池组进行均衡充电的开关电源式充电器。

在采用蓄电池为能源的交通工具如电动汽车、电动助力车中为了减低线路损耗，提高调速器及电机的效率，一般使用多个蓄电池串联，以得到较高的电压。但是多个电池的串联使用也带来了问题，即电池组故障率增加，使用寿命降低，产生这个问题的根源在于电池组中各个电池之间的性能不一致而造成的过充电与欠充电现象。以目前电动助力车中常用的由三个12V密封式铅酸蓄电池串联而成的电池组为例，充电时当每个电池端电压达到14.6V，总电压为3×14.6V=43.8V，充电电流小于200mA时即认为该组电池已经足量充电，市场上现有技术性能较先进的恒流恒压充电器即根据上述技术指标来控制充电状态，当电池组端电压低于43.8V时以1.5-2A的恒定电流充电，端电压到达43.8V时转为恒压充电，直到充电电流降至200mA后停止充电。这种控制电池组总电压的方法实际上并不能保证每个电池都能达到理想的充电状态，设三个电池的端电压分别为V1、V2及V3，假设电池1的容量较其它两个电池小一些，V1率先充至14.6V，而V2=V3仅为13.8V，此时由于电池组的总电压未达到设定值43.8V，充电电流仍以1.5-2A的恒流值继续进行，电池1很快进入过充电状态，内阻增加，端电压上升速率更快，直到V1=15.8V；V2=V3=14V；V1+V2+V3=43.8V时才转入恒压充电阶段，此时电池2与电池3并未充足而电池1已经严重过充电，将引起电池发热、电解液分解，加速老化。

问题的严重性在于这种由于充电不均衡引起的加速老化现象将进一步加剧电池间性能不一致，从而使充电不均衡更趋恶化，如此恶性循环将使整个电池组容量大减，整体寿命大大低于蓄电池生产厂家规定的单个电池的使用寿命。

用现有的单组输出电压的充电器实现多个电池均衡充电的唯一方法，是采用并联充电方式。市售小型充电器对R6-R20单体电池就是应用并联方式充电，但是对于大容量的电池组来说要改变其串联接法为并联接法并非易事，更何况由于各电池端电压不同不能直接并联，要串入限流电阻，该电阻在充电时要消耗大量功率，在实际上是行不通的。

本实用新型的目的在于提供一种能够对串联电池组实施均衡充电的充电器，使电池组中每个电池都能充电至电路设定的最佳状态。

本实用新型所提供的是一种由电源整流电路、逆变电路、脉冲变压器、输出整流电路、恒流恒压控制电路等构成的开关电源式充电器，其均衡充电的目的是这样实现的：脉冲变压器有多个相同的输出绕组，其脉冲电压分别整流成直流后接至输出端，充电器输出的多组电压与串联电池组中各个电池相连接。这样每个电池都有自己的充电回路，电池组虽然没有改变其串联接法，却达到了与并联充电相同的效果。

在本实用新型的实施方案中，逆变电路可以采用反激、正激、半桥、全桥等多种电路形式，开关管的激励方式既可以用自激也可以用他激，一般而言，采用自激方式的反激式逆变电路具有电路简单、元器件少、成本较低等优点，比较适合在中小功率的充电器中采用，下面主要以采用这种电路形式的实施方案并结合附图对本实用新型进行一步详细说明。

附图1为本实用新型的结构框图。

附图2为采用反激式逆变电路、具有三组输出电压充电器的部分电路原理图。

附图3为脉冲变压器各绕组的电流波形图。

附图4为采用半桥或全桥式逆变电路、具有两组输出电压充电器的部分电路原理图。

附图5为本实用新型的一个完整的实施例。

附图2中初级绕组W0的匝数为n0，三个输出绕组W1、W2、W3的匝数同为n1，根据反激式电路的工作原理，初级电流与输出绕组电流分时导通(参见附图3)，四个绕组的脉冲电流值分别为i0、i1、i2、i3，由于电感中的电流不能突变，在初级电流截止与输出电流导通的瞬间，i0×n0=i1×n1+i2×n1+i3×n1=(i1+i2+i3)n1，即i1+i2+i3=i0×n0/n1，因此，只要确定匝数比及初级电流，就可以得到输出总电流的数值。附图1中E1、E2、E3分别为W1、W2、W3的感应电势，V1、V2、V3分别三个电池的端电压，I1、I2、I3分别为三个电池充电电流的平均值。VD为整流二极管的正向压降，r为包括变压器输出内阻及接线电阻在内的回路等效电阻。显然有：i1=(E1-VD-V1)/r；i2=(E2-VD-V2)/r；i3=(E3-VD-V3)/r

由于W1、W2、W3是绕在同一个磁芯上的三个匝数相同的线圈，一般情况下，可以认为其感应电势基本相等，即E1=E2=E3，当三个电池端电压相等时，显然有i1=i2=i3，从而可以得出I1=I2=I3，此时，该电路与普通单输出电压充电器相同。

当三组电池由于容量、残余电量不同而造成端电压不一致时，该电路有自动调节各回路输出电流的功能，在V1＜V2＜V3；E1=E2=E3的情况下，显然有：

i1=(E1-VD-V1)/r＞i2=(E2-VD-V2)/r＞i3=(E3-VD-V3)/r(参见附图3)，脉冲电流经滤波后，其平均值I1＞I2＞I3，也就是说端电压最低的电池的充电电流最大，电压上升速度较快，反之，端电压最高的电池的充电电流最小，电压上升速度较慢，这样的充电效果使得各电池之间的原有的端电压差在充电过程中不断减少，直至完全消失，串联电池组中各电池都能充到预定的末期电压，达到最佳的充电效果。

反激式开关电源的输出电压低于恒压控制点时，其输出呈电流源特性，由于回路内组r的实际数值很小，VD也是一个定值，因此输出绕组的感应电势的大小实际上取决于端电压最低的那个电池，上例中：E1=V1+VD+i1×r=V3+VD+i3×r=E3，将此式化简后可得：i3=(V1+i1×r-V3)/r如果出现V3＞V1+i1×r的情况，似乎i3将会变为负值，但是由于二极管的单向导通性能，i3实际上不可能变负只可能为零，这说明了当电池端电压差异较大时，电压高的电池实际上并没有充电电流，直至其他电池的端电压上升到接近值时，才开始有充电电流，然后各电池端电压同步上升，同时充足。由于在充电末期各电池的端电压是相等的，因此，只要测量与控制电池组的总电压，就实现了对电池组中每个电池的测量与控制，这是本实用新型在技术上的一个主要特点，对于简化电路结构，降低产品成本具有重要的意义。

采用正激、半桥或全桥形式的逆变电路时，脉冲变压器的初次级同时导通，其输出特性呈电压源特性，因此，整流二极管不能与电池直接连接，必须在其间串入电感元件以起到限流、储能及平衡各电池端电压的作用，同时还应加上续流二极管，半桥或全桥式逆变电路每个输出绕组还必须有中心抽头(参见附图4)，该电路虽较复杂，但可以得到较大的输出功率，其均衡充电原理与附图2相似，不再重复。

附图2中充电器至电池组有六根连线，这只是为了便于理解电路原理而采用的一种画法，实际电路中多个输出绕组的脉冲电压分别整流为直流后串联输出，各组电压串联的中间节点同时接至输出端，并按电压高低与串联电池组的中间节点相连接。这样三组输出电压只用四根接线(参见附图1)。这两种接法在电路原理上是完全相同的，后一种接线方法不仅减少了引线的数量，而且作为中间抽头的引线只流过相邻两个电池的不平衡充电电流，有利于减少线路损耗。

本实用新型输出电压组的数目，原则上没有限制，N组输出电压须用N+1条引线连接由N个电池串联而成的电池组。为了降低由二极管压降VD引起的功率损耗，在单个电池的额定电压在12V或12V以下时，整流元件可采用低压降的肖特基二极管。

脉冲变压器的多个输出绕组除了匝数相同外，还应尽量做到电感量、内组、与初级绕组的耦合度等各种参数完全一致，才能保证各绕组的感应电势的完全一致，为了做到这一点，多个绕组可采用多根绝缘导线平行排列，或将多根绝缘导线绞合为一股的方法，在变压器骨架上一次绕制而成。

本实用新型的一个成功的实施例是一台用于36V电动助力车的便携式充电器，通过一根四芯绝缘线与一副四芯插头座与助力车电池箱中三个12V蓄电池连接。该充电器的工作原理参见附图5，电阻R1将启动电流引入开关管T1基极，T1开始导通后，由于W4绕组的正反馈作用而加速饱和导通，集电极电流在变压器初级电感的作用下线性上升，同时，采样电阻R2上的电压也线性上升，该电压经过R3、R4分压后接到T2的基极。充电器的恒流控制是这样实现的：当T1集电极电流上升到一定幅度时，T2开始导通，将T1的基极电流分流，T1退出饱和区后，由于W4绕组的正反馈作用而迅速截止。R2、R3、R4的阻值，确定了T1的电流峰值，同时也确定了输出电流值。关于在二极管导通周期内充电器对三个电池实施均衡充电的原理，前文已有详细叙述，不再重复。电阻R5、R6将电池组端电压之和分压后接到电压比较器的反向端，同相端接基准稳压管。充电器的恒压功能是这样实现的：选择R5、R6的阻值，使得电池组端电压上升到设定的恒压值时，比较器进入翻转临界状态，驱动光耦进入临界导通状态，此时T2的基极除了R3引入的电流外，还迭加了光耦电流，两者共同作用的结果使得T2提前导通，减小了T1电流的峰值，降低了输出电流。电池组端电压越高，光耦电流越大，输出电流越小，直至输出电流与电池的自放电电流相等，电池组的端电压不再上升，达到了恒压控制目的。

经多次实际充电试验，本实用新型充电器均衡充电的效果是很明显的，不论将新旧电池串联，或将完全放电与部分放电的电池串联，使用本充电器都能将各电池均衡充电至设定值，各电池端电压间的相对误差只有0.1-0.2V。本充电器的其他技术性能如下：恒流输出值：2A；恒压控制值：43.8V；效率：90％；体积：150×92×51mm；重量：600g。采用本实用新型充电器的积极意义在于：充分挖掘每个电池的潜力，提高电池组整体容量，减少充电故障，延长电池使用寿命。充电器本身具有结构简单、成本较低、体积小、重量轻、效率较高等特点。

Claims

1．一种开关电源式蓄电池充电器由电源整流电路、逆变电路、脉冲变压器、输出整流电路、恒流恒压控制电路等构成，其特点在于脉冲变压器有多个相同的输出绕组，其脉冲电压分别整流为直流电压后接至充电器的输出端，充电器输出的多组直流电压与串联蓄电池组中的各个电池相连接。

2．根据权利要求1所述的充电器，其特点在于多个输出绕组的脉冲电压分别整流为直流电压后串联输出，各组电压串联的中间节点同时接至输出端，并按其电压的高低分别与串联蓄电池组的各个中间节点相连接。

3．根据权利要求1或2所述的充电器，其特点在于输出整流元件采用肖特基二极管。

4．根据权利要求1或2所述的充电器，其特点在于脉冲变压器的多个输出绕组是由平行并列的多根绝缘导线，在变压器骨架上一次绕制而成的。

5．根据权利要求1或2所述的充电器，其特点在于脉冲变压器的多个输出绕组是由绞合为一股的多根绝缘导线，在变压器骨架上一次绕制而成的。