CN2427918Y - 新型快速脉冲充电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种给电动摩托车和电动自行车上的动力铅酸蓄电池组充电的充电器。该充电器采用脉冲充电电流形式,充电过程中的相邻脉冲充电电流间有间歇,并在此间歇期间伴随着电池组的短暂放电脉冲,由于充电脉冲宽度、间歇时间、放电脉冲宽度随充电器的工作状态(被充电电池组的电压)分段调节,因此充电速度快、充电效率高,克服了该类传统充电器因充电脉冲宽度固定不变使得充电速度慢和充电效率较低的缺点。

Description

新型快速脉冲充电器

本实用新型涉及一种给电动摩托车和电动自行车上的动力铅酸蓄电池组充电的充电器，尤其是具有脉冲电流充电方式的脉冲充电器。

现有较为先进的用于给电动摩托车和电动自行车上动力铅酸蓄电池组充电的脉冲充电器，采用脉冲充电电流形式，在充电过程中两相邻脉冲充电电流间有间歇，并在此间歇期间伴随着被充电电池组的短暂放电脉冲，例如专利号为95225469、95202199、96207716、95229383、96236027、96247674、96237013的这些中国专利均属于这一类脉冲充电器。但是上述充电器由于在充电过程中充电脉冲宽度、间歇时间、放电脉冲宽度固定不变，因此不利于消除被充电电池组的电极化现象，使得被充电电池组的充电接受率较低，电池组在充电过程中容易发热，因此充电速度较慢、充电效率较低。

本实用新型的目的是提供一种给电动摩托车和电动自行车上的动力铅酸蓄电池组充电的新型快速脉冲充电器，该充电器能克服上述脉冲充电器在充电过程中充电脉冲宽度、间歇时间、放电脉冲宽度固定不变的缺点，并根据检测到的被充电电池组的充电电压值，分阶段调整充电脉冲宽度、间歇时间和放电脉冲宽度，从而可进一步消除被充电电池组的电极化现象，以提高充电器的充电速度和充电效率。

本实用新型的目的是这样实现的：本实用新型所涉及的新型快速脉冲充电器主要由AC／DC变换器、DC／DC变换器、比较器组、控制器和放电电路这几部分构成。AC／DC变换器即为整流滤波电路，把工频AC220V电源电压变换为DC280V电压，作为DC／DC变换器的高压功率输入，DC／DC变换器中的两个功率半导体开关管IGBT交替导通，产生交流驱动电压并加到高频降压变压器的初级线圈，此变压器的输出电压经全波整流后产生的输出电压给被充电的电池组充电。上述两个IGBT导通控制信号由PWM专用控制芯片GS3525的两路PWM输出端发出的脉冲经驱动电路给出。在电池组充电回路中串有一个充电电流采样电阻，充电电流采样值反馈到SG3525的反馈输入端产生电流负反馈，自动调节SG3525的两路PWM输出脉冲的占空比，以保证充电电流值稳定不变。放电电路由放电电阻和功率场效应管串联而成，并接被充电电池组的两端，场效应管的控制极只有接收到导通控制信号后才能导通，这时电池组才能通过放电电阻放电。控制器部分由单片机AT89C2051及其晶振等基本外部电路构成。AT89C2051输出口P3．0连接到SG3525的管脚10端，当P3．0口发出低电平“0”，SG3525的两路PWM输出脉冲能正常给出，充电电流能产生，P3．0口发出低电平“0”的宽度(时间)，决定了充电脉冲宽度；当P3．0口发出高电平“1”给SG3525的管脚10，SG3525的两路PWM输出脉冲被封锁，即两个功率半导体开关管IGBT都不能导通，不能产生充电电流，P3．0口发出低电平“1”的宽度(时间)，决定了充电过程中的间歇时间。AT89C2051输出口P3．1通过一电阻连接到放电电路中的功率场效应管的控制端，当P3．1输出高电平“1”时，功率场效应管导通，电池组通过放电电阻放电，当P3．1输出低电平“0”时，功率场效应管截止，电池组放电回路被断开，P3．1输出高电平“1”的宽度(时间)，决定了充电过程中电池组的放电脉冲宽度。电池组的充电电压值被取样送到比较器组的输入端，比较器组由三个比较器构成，随着充电电压的提高，三个比较器的输出端根据所设定的比较电压基准值逐个输出高电平信号“1”，三个比较器的输出端分别连到单片机AT89C2051的输入口P1．2、P1．3、P1．4，单片机AT89C2051中的程序能根据所接收到的P1．2、P1．3、P1．4的高电平信号“1”状态，判断被充电电池组的充电值，通过控制其输出口P3．0和P3．1的电平状态，分阶段调整充电过程中的充电脉冲宽度、间歇时间和放电脉冲宽度。

由于采用了上述技术方案，本实用新型所涉及的新型快速脉冲充电器，能根据检测到的被充电电池组的充电电压值，分段控制充电过程中的充电脉冲宽度、间歇时间和放电脉冲宽度，使充电器工作在合理的工作状态之下。例如，在充电的初始阶段，被充电的电池组电极化弱，被充电电池组接受能力强，可增大充电脉冲宽度，减小间歇时间和放电脉冲宽度；在充电的末尾阶段，电极化增强，电池组容易发热，此时减小充电脉冲宽度，增大间歇时间和放电脉冲宽度，这样，既保证了充电电流大，而且被充电电池组又不发热，做到了充电速度快、充电效率高。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说。

图1是被充电的电池组在充电过程中的波形图，图1中I₁为充电电流，负电流I₂为电池组放电电流，T₁为充电脉冲宽度(时间)，T₂为间歇时间，T₃为放电脉冲宽度(时间)，且放电脉冲在间歇时间T₂的中心。

图2是实现图1所示充电方式的充电器方框图，图2由1、2、3、4、5、6、7几个单元构成，图2中的CC为充电控制信号，FC为放电控制信号。图2中单元1为AC／DC变换器，其输入为AC220V电压，输出为DC280V电压。

图3是实现AC／DC变换器的电路图。图3中B1为整流桥，C0为滤波电容，C1、R1和C2、R2组成分压电路，B点为A与C之间的电压中点。图2中单元2为DC／DC变换器，其输入电压为DC280V，输出给电池组提供所需的充电电流I₀和电压U₀。图4是实现DC／DC变换器的电路图。图4中SG3525为DC／DC变换器中的脉冲调宽专用芯片，其管脚15接工作电压，取DC12V，调宽脉冲的频率由R13和C8决定，管脚2为同相输入端，其电压值比例于充电电流的设定值，具体数值由SG3525的16管脚输出的标准DC5．1V电压被电阻R10和R11分压而决定。管脚1为反相输入端，接比例于充电电流I₀的电压，管脚11和14输出相位相反的调宽脉冲，并接驱动电路DRV，驱动电路DRV为双路变压器耦合功率放大器，经其功率放大的调宽脉冲控制IGBT功率半导体器件I1和I2，I1和I2的高压强电来自图3中的A、B、C三点，图4中I1和I2功率放大的电压和电流经高频变压器T1变换，并经整流二极管D1和D2全波整流及电感L1和电容C7滤波，输出充电电压U₀和电流I₀，给电池组BAT充电。图4中R6为充电电流的采样电阻，其电压经放大器放大反馈到SG3525的管脚1，形成闭环控制系统。SG3525的管脚10为禁止端，当其为“0”电平时，管脚11和管脚14发出调宽脉冲；当其为“1”电平时，输出封锁，管脚11和管脚14无脉冲输出，因此向SG3525的管脚10输入与图1中所示的“0”、“1”反相的控制电平信号，则DC／DC变换器便构成了脉冲充电器。图4中的CC为来自图2中单元6的充电控制信号。图4中的FC为来自图2中单元6的放电控制信号。图4中U0为充电电压的检测值输出。图2中单元3为直流辅助电源，其输入为AC220V，输出为DC12V和DC5V，它为图2中的单元2、4、5、6提供电源电压。图2中单元4为比较器组(在图5中以COMP表示)，其中有三个比较器，采用两片LM393芯片完成，在充电电压达到三个特定要求值时，三个比较器分别输出“1”电平，并把其接至图2中单元6的输入端，以检测充电器的输出电压。图2中单元5为温度开关，用以检测电池的温度，此开关为常开状态，当其温度T≥45℃时，温度开关接通，向图2中单元6输入“1”电平，单元6发出关机信号，单元6为控制器，它的功能是发出充电控制信号CC和放电控制信号FC及检测被充电的电池组的充电电压值。

图5是实现单元6的电路图，由AT89C2051单片机及其辅助电路组成。图5中AT89C2051单片机片的P3．0口发出充电控制信号CC，P3．1口发出放电控制信号FC；AT89C2051的P1．2～P1．4口接比较器组COMP，检测被充电电池组的充电电压，并根据所检测到的电压值，改变P3．0口和P3．1口的输出，即改变充电器的充电脉冲宽度、间歇时间和放电脉冲宽度，从而使充电器工作在合理的工作状态：在充电过程中能保证最大的充电电流且不发热，即充电速度快、充电效率高。图5中P1．5口输入电池组的温度信号TEMP。图2中单元7为电池组放电电路，电路图示于图4的最右端，它由电阻R7、R8和功率场效应管M1组成。

图6是单片机AT89C2051的主程序框图。图7是单片机AT89C2051定时器中断服务程序框图。图6和图7中t₁、t₂、t₃、t₄的定义见图1，图7中t₆为充电时间上限值，在充电时间t达到t₆时，停止充电。

实施例：在图3中，F1采用5A／250V保险管，B1采用8A／450V整流桥，C0为450uF／450V电解电容，C1和C2为220uF／300V电解电容，R1=R2=22k／2W。图4中，保护电路R3=R4=R5=10Ω／25W，C3=C4=C5=0．02uF／1000V。变压器T1铁心采用非晶态材料，型号为ONL-644020，原级线圈圈数N1=20匝，次级线圈圈数N2=9×2匝，导线采用φ0．5漆包线20股并绕。整流管D1和D2为30A／200V快恢二极管。电感L1=5mH，电容C7=22uF／63V，采样电阻R6=0．05Ω／15W。R17=R18=R19=R20=10k，电位器W1=100k。R10=R11=5．1k，R9=R16=10k，R12=100Ω，R13=42k，R14=100k，R15=1k，C8=1000pF，C9=1uF。电阻R8=3．3Ω／25W，R7=10k，场效应管M1取20A／200V。图5中，C11=30pF，C12=30pF，晶振频率取12MHz，C₁₃=10uF／25V，R₂₁=8．2k。图6和图7框图所设计的程序设定：当充电电压≤40．5V时，充电脉冲宽度T₁=1000ms，间歇时间T₂=200ms，放电脉冲宽度T₃=50ms；当充电电压＞40．5V且充电电压≤42．0V时，充电脉冲宽度T₁=1000ms，间歇时间T₂=500ms，放电脉冲宽度T₃=100ms；当充电电压＞44．4V时，充电脉冲宽度T₁=1000ms，间歇时间T₂=1000ms，放电脉冲宽度T₃=150ms。用上述参数构成的快速脉冲充电器，给由三块24Ah／12V串联而成的电动摩托车上动力铅酸蓄电池组充电，充电电流为10A，充电时间为3小时，电池最高温度为41℃。充满电后，电池组放电容量能达到24．5Ah。经检测，充电效率达到了87％。

Claims (2)

1．一种新型快速脉冲充电器，其特征在于，由AC／DC变换器(1)、DC／DC变换器(2)、直流辅助电源(3)、比较器组(4)、温度开关(5)、控制器(6)、放电电路(7)这几部分构成，AC／DC变换器(1)把市电AC220V转换成高压直流输入给DC／DC变换器(2)，DC／DC变换器(2)的输出给电池组提供充电电压和充电电流，直流辅助电源(3)的输入为市电AC220V，输出DC12V给DC／DC变换器(2)作为控制电源，同时输出DC5V给控制器(6)作为控制电源，比较器组(4)的输入为被充电电池组的充电电压值，输出信号送控制器(6)，温度开关(5)的输入为被充电电池组的温度，输出信号送控制器(6)，控制器(6)向DC／DC变换器(2)发出充电控制信号，向放电电路(7)发出放电控制信号，被充电电池组通过放电电路(7)放电，控制器(6)根据所接收到的比较器组(4)的输出信号，改变充电控制信号和放电控制信号，从而使本实用新型所涉及的充电器能分阶段调整充电过程中的充电脉冲宽度、间歇时间和放电脉冲宽度。

2．根据权利要求1所述的新型快速脉冲充电器，其特征在于，DC／DC变换器(2)中的两个功率半导体开关管IGBT交替导通，产生交流驱动电压并加到高频降压变压器的初级线圈，此变压器的输出电压经全波整流后产生的输出电压给被充电的电池组充电，两个IGBT导通控制信号由PWM专用控制芯片GS3525的两路PWM输出端发出的脉冲经驱动电路给出，在电池组充电回路中串有一个充电电流采样电阻，充电电流采样值反馈到SG3525的反馈输入端产生电流负反馈，自动调节SG3525的两路PWM输出脉冲的占空比，以保证充电电流值稳定不变，放电电路(7)由放电电阻和功率场效应管串联而成，并接被充电电池组的两端，控制器(6)由单片机AT89C2051及其晶振等基本外部电路构成，单片机AT89C2051输出口P3．0连接到SG3525的管脚10端，当P3．0口发出低电平“0”，SG3525的两路PWM输出脉冲能正常给出，充电电流能产生，P3．0口发出低电平“0”的宽度(时间)，决定充电脉冲宽度，当P3．0口发出高电平“1”给SG3525的管脚10，SG3525的两路PWM输出脉冲被封锁，充电器不能产生充电电流，P3．0口发出低电平“1”的宽度(时间)，决定充电过程中的间歇时间，AT89C2051输出口P3．1通过一电阻连接到放电电路中的功率场效应管的控制端，当P3．1输出高电平“1”时，功率场效应管导通，电池组通过放电电阻放电，当P3．1输出低电平“0”时，功率场效应管截止，电池组放电回路被断开，P3．1输出高电平“1”的宽度(时间)，决定充电过程中电池组的放电脉冲宽度，电池组的充电电压值被取样送到比较器组(4)中的三个比较器的输入端，随着充电电压的提高，三个比较器的输出端根据所设定的比较电压基准值逐个输出高电平信号“1”，到单片机AT89C2051的输入口P1．2、P1．3、P1．4，AT89C2051中的程序根据输入口P1．2、P1．3、P1．4所接收到的高电平信号“1”状态，判断被充电电池组的充电电压值，通过控制AT89C2051输出口P3．0和P3．1的电平状态，分阶段调整充电过程中的充电脉冲宽度、间歇时间和放电脉冲宽度。

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