CN2446707Y - 三阶段控制均衡充电器 - Google Patents

Abstract

一种开关电源式蓄电池充电器,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,充电过程分恒流、恒压、涓流浮充三个阶段。

Description

三阶段控制均衡充电器

本实用新型涉及一种能对串联蓄电池组进行恒流、恒压、涓流浮充三阶段控制均衡充电的开关电源式充电器。

目前，对蓄电池公认的最佳充电方式是在初充阶段采用恒定电流充电，当额定电压为12V的铅酸蓄电池端电压上升至14.6V左右，转入恒定电压充电，在此阶段充电电流由额定值逐步下降，当充电电流下降至末期电流值时(12AH蓄电池为200mA左右)即认为电池已充足，转入涓流浮充阶段，浮充电压为13.6V左右，三阶段充电方式可有效地延长蓄电池的循环使用寿命。但是对于由多个电传串联而成的电池组，如果使用通常单组输出的充电器，仅控制电池组的总电压，由于电池组中各电池特性差异，电池端电压不能同步上升，上述电压设定也就失去了意义，这种由于充电不均衡而造成的个别电池充电不足，而其它电池过充电的现象，将会加速电池老化，电池组总体容量锐减，严重影响电池组的使用寿命。为了解决这个问题，国内外电池业界进行了大量研究，提出了多种能对串联蓄电池组实施均衡充电的方案。由于均衡充电器具有多组输出电压，分别对各电池进行均衡充电，如何分别采集各电池的电压电流信号并加以综合控制，是一个比较复杂的问题，这是因为串联电池组中各电池处于不同的电位，采样信号之间存在很高的共模电压，不能直接连接到充电控制器上去。国外在电动汽车的充电系统采用如下方式：每个蓄电池上分别安装了电流与电压传感器，模拟信号经A/D转换为数字量后，通过隔离光耦输入计算机进行集中控制，根据各电池的实际状况由软件程序确定充电参数，达到最佳的充电效果。这种方式虽然性能很好，但是电路复杂，价格昂贵，不可能应用在诸如电动助力车等民用产品上。中国实用新型说明书(00217070.1)提供了一种低成本的均衡充电器方案，该方案的主要特点是采用多个结构相同的输出绕组与整流电路，多组直流电压串联后分别与电池组中各个电池相连接，使得电池组中个电池的端电压同步上升，简化了电压控制电路，但是该方案没有提供在均衡充电的情况下，充电末期电流的采样与测量方法。缺少涓流浮充阶段的控制功能，按目前公知技术，直接采样某个电池充电电流的方法，在均衡充电器中并不适用，这是因为在均衡充电器中每个电池都有各自的充电回路，充电电流各不相同。

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、性能可靠，具有恒流、恒压、涓流浮充三阶段控制功能的均衡充电器。

本实用新型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、恒流控制电路、恒压控制电路、涓流浮充控制电路等构成的开关电源式充电器，其特点在于：脉冲变压器1有多个相同的输出饶组，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，每个电池都有自己的充电回路，用电流互感器2进行充电末期电流采样，以实现涓流浮充控制功能，电流互感器2的初级串接在由脉冲变压器1初级W0与开关晶体管构成的回路中，次级与涓流浮充控制电路电路相连接。

为了保证均衡充电的效果，充电器的多组输出必须具有完全相同的输出电压特性，因此，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、内阻、与初级饶组的耦合度等各种参数完全一致，以下两种方法可以实现这个目的：

(1)脉冲变压器的多个输出绕组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。

(2)脉冲变压器的多个输出绕组由绞合成一股的多根绝缘导线在变压器骨架上一次绕制而成。

本实用新型均衡充电的功能是这样实现的：由于充电器多组输出饶组具有相同感应电势E，每个电池都有各自的充电回路，设某个电池的端电压为VX，整流元件压降为VD，回路内阻为r，根据欧姆定理，该回路的充电电流ix=(E-VD-VX)/r，当各电池的端电压不一致时，电路有自动调节各回路电流的功能，在总电流不变的情况下(输出总电流由恒流电路控制)，落后电池的端电压与输出绕组感应电势E的电压差较大，流经该回路的充电电流也较大，该电池端电压上升速度较快，反之，端电压较高的电池分配到的充电电流较小，端电压上升速度较慢，这样的充电效果使得各电池之间原有的端电压差在充电过程中不断减少，直至完全消失。由于在充电末期各电池具有相同的端电压，因此只要对输出总电压进行测量和控制，就可以保证串联电池组中每个电池都能充到预定的恒压值与浮冲电压值，大大简化了电路。

单个蓄电池的额定电压一般在12V或12V以下，因此，输出整流元件可以采用肖特基二极管，以降低整流元件压降所引起功率损耗。

单个蓄电池额定电压在5V以下时(如单体锂电池3.6V、铅酸电池2V、镉镍电池或镍氢电池1.2V)，采用同步整流的方法，可以进一步提高整流效率，同步整流用功率VMOS管作整流元件，其源极与漏极串接在输出回路中，在脉冲变压器设置同步整流驱动绕组，通过限流电组与VMOS管的源极与栅极连接，控制VMOS管的开通与关断。功率VMOS管的导通压降仅为0.1V，在单组输出电压较低的情况下，可以大幅度提高整机效率。

本实用新型的逆变电路，可以采用反激、正激，半桥、全桥等多种形式，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，成本较低等特点，由于其输出特性在低于恒压设定值时具有恒流源的性质，用在充电器上可以自动跟随蓄电池的电压变化，输出回路不用串接限流电感，这一特点对于具有多组输出回路的均衡充电器来说，显得尤其重要。但是普通的单管逆变电路也有一个明显的弱点，当负载突然开路时，储存在脉冲变压器初级电感上的能量得不到释放，形成很高的感应电压，对开关晶体管造成危害。在充电器的使用过程中，用户可能随时拔下电池箱的插头，造成负载开路。采用输出电压反馈控制，在主电路上设置吸收回路等保护措施，可以在一定程度上减轻负载开路带来的危害，但不能根本解决问题。本实用新型提供的双管反激式逆变电路，从电路原理上避免了过电压对开关管的冲击，具有较高的可靠性。其电路结构如下：开关管T1的C极接电源正5,E极接脉冲变压器1初级W0的同名端3，并与二极管D1的负极连接，D1的正极接电源负6；开关管T2的C极接脉冲变压器1初级W0的非同名端4，并与二极管D2的正极连接，D2的负极接电源正5,T2的E极通过电阻R3接电源负6；T1与T2分别由脉冲变压器1绕组W4与W5驱动，两管同时导通、同时截止。正常工作时3端与4端的电位在电源正与电源负之间，D1与D2处于截止状态，当出现负载突然开路的情况时，根据电感电流连续性原理，将出现4端为正、3端为负的感应电势，由于D1与D2的存在，当3端电位低于电源负0.7V,4端电位高于电源正0.7V时，D1与D2同时导通，将3端与4端的电位分别箝位在电源负与电源正上，而脉冲变压器中的电感储能，也以感应电流的形式通过D1与D2回馈到电源滤波电容C1上，保护了开关三极管的安全。本电路虽然比普通的单管反激电路多用了一个开关管，但每个开关管承受的电压仅为单管电路的一半，电路的安全性能有了很大提高。

经多次实际充电试验证实，本实用新型充电器有以下特点：(1)均衡充电的效果明显，特别是由于内部个别落后电池而造成整体容量锐减，不能继续使用的电池组，经本充电器均衡充电后，各电池端电压之间的相对误差只有0.1-0.2V，整个电池组恢复了容量。(2)三阶段控制的充电方式实现了完善的输出电压与电流特性，即使长期充电，也不会对电池寿命造成损害。(3)运行可靠性高，不伦负载开路或短路，都不会对充电器本身造成危害。采用本实用新型充电器的积极意义在于：从根本上杜绝充电不均衡现象的发生，减少充电故障，从而有效地提高蓄电池的使用寿命。充电器本身还具有结构简单，成本较低等特点。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型的一个实施例。

图2为脉冲变压器各绕组的波形图。

图3为充电器输出电压电流特性图。

本实用新型的一个最佳实施例是一台用于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。该充电器采用控制开关管脉冲电流峰值的方法实现输出总电流的恒流控制。附图1中脉冲变压器初级绕组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，初级电流与输出电流分时导通(参见附图2)，四个绕组的脉冲电流分别为i0、i1、i2、i3，由于电感中电流不能突变，在初级电流截止与次级电流导通的瞬间，各绕组电流存在以下关系：i0×n0=i1×n1+i2×n1+i3×n1，即i1+i2+i3=i0×n0/n1，因此，只要确定脉冲变压器的初次级匝数比以及初级电流，就可以确定输出总电流，图1中电阻R1、R2分别将启动电流引入T1与T2的基极，T1、T2开始导通后，由于W4、W5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R3上的电压也线性上升，该电压通过D3接到T3的基极，充电器的恒流控制是这样实现的：当T1、T2的集电极电流上升到一定幅度时T3开始导通，将T2的基极电流分流，T1退出保和区后，由于W5绕组的正反馈作用而迅速截止，T1在W4的作用下也同时截止，输出整流二极管开始导通，对各电池实施充电。R3的阻值，确定了T1、T2的电流峰值，同时也确定了三组输出电流之和。

由于反激式逆变电路具有脉冲变压器磁通自动平衡复位的特点，输出二极管导通周期将随着输出电压的上升而缩短，因此，本实用新型充电器在恒流控制阶段其充电电流随着电池端电压的上升而有所下降(参见附图3)，这样的充电特性，比公知技术所采用的纯粹的恒流充电更加符合蓄电池充电接受能力特性，避免了在接近恒压点时由于充电电流过大而引起的电解液分解现象。

当串联蓄电池组的端电压接近恒压控制点时(附图3中13)充电进入了恒压控制阶段，在此阶段蓄池端电压基本保持不变而充电电流逐渐下降。充电器的恒压控制是这样实现的：由电阻R4、电位器RW1、电阻R5串联而成的分压电路对输出总电压进行采样，RW1的中间抽头7为分压点，通过D4接电压比较器DW1的控制端8,8端还通过电阻R6接输出地9。本实施例DW1采用兼有基准电压源与电压比较器双重功能的并联式三端稳压管TL431，当输出电压到达充电器的恒压控制点时，8点的电位到达DW1的基准稳压值班2.5V,DW1的输出端10的电位开始下降，并驱动光耦11进入临界导通状态，此时T3的基极除了D3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T3提前导通，减小了T2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，使得输出电压不再上升。达到了恒压控制的目的。

二极管D4的作用在于引入了输出电压的温度补偿功能，铅酸电池具有负的电压-温度特性，环境温度越高，理想的充电恒压值以及浮充电压值越低，D4是具有-2.2mV/℃温度特性的硅开关二极管，串接在电压采样点与电压比较器控制端之间，使得充电器的输出电压也具有负的电压-温度特性，电阻R5与R6的比值，决定充电器的温度补偿特性，增加R6的阻值、减少R5的阻值，补偿量上升，反之，补偿量下降。充电器输出电压的温度特性应尽可能与蓄电池的温度特性相吻合。

当恒压充电阶段的充电电流下降到设定的末期电流值(12AH蓄电池，末期电流设定为200mA)时，应转入涓流浮充阶段，以避免过度充电引起电解液分解。为了简化电路降低成本，电流互感器2采用串心式结构，其初级与次级的匝数比在1∶20至1∶100之间。

在附图1所示的实施例中，涓流浮充控制电路由三极管T4、T5、T6、电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12、电容C2、C3发光管D5等构成，其工作原理如下：在恒流阶段与恒压阶段的前期，由于初级脉冲电流较大，电流互感器次级电流在R7上的压降也较高，T4的导通周期较长，其集电极电压经R9与C2滤波后，对T5的基极形成反偏，T5、T6截止，涓流浮充电路不起作用。在恒压阶段的后期，由于初级脉冲电流逐渐下降，T4的导通周期缩短，引起T4的基极电位上升，同时由于DW1导通引起T5发射极电位下降，使T5由截止向导通方向转化。电流互感器的匝数比以及R7的阻值，决定了末期电流的设定值，当输出电流小于设定值时(附图3中14)，T5由截止转为导通，并通过R10使得T6也同时导通，T6的集电极与输出正12的电位相等，此时，R11成了输出电压的另一条采样支路，改变了原先由R4、RW1、R5所确定的采样分压比，适当选取R11的阻值，可以使输出电压由恒压设定值(43.8V)变为浮充电压设定值(40.8V)，T6的导通同时还点亮了发光二极管D5，指示蓄电池已经充足。由于电池的储能作用，在涓流浮充阶段的初期，电池端电压高于浮充电压设定值，DW1、T3、T5、T6饱和导通，充电器停止工作(附图3中虚线)，没有正向的充电电流，由蓄电池提供数毫安的反向电流，维持T5、T6、DW1的导通，直至蓄电池由于内部自放电端电压下降到设定值时，充电器自动恢复工作，输出数十毫安的浮充涓流，抵消了蓄电池内部的自放电电流，把电池的端电压锁定在浮充电压设定值上(附图3中15)。

Claims (8)

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、恒流控制电路、恒压控制电路、涓流浮充控制电路等构成，其特点在于脉冲变压器[1]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，电流互感器[2]的初级串接在脉冲变压器[1]的初级W0与开关晶体管构成的回路中，次级与涓流浮充控制电路相连接。

2．根据权利要求1所述的充电器，其特点在于逆变电路采用双管反激方式，开关管T1的C极接电源正[5]，E极接脉冲变压器[1]初级W0的同名端[3]，并与二极管D1的负极连接，D1的正极接电源负[6]；开关管T2的C极接脉冲变压器[1]初级W0的非同名端[4]，并与二极管D2的正极连接，D2的负极接电源正[5]，T2的E极通过电阻R3接电源负[6]；T1、T2分别由脉冲变压器[1]饶组W4与W5驱动，两管同时导通同时截止。

3．根据权利要求1或或2所述的充电器，其特点在于电流互感器[2]采用穿心式结构，其初级与次级的匝数比在1∶20至1∶100之间。

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。

6．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。

7．根剧权利要求1或2所述的充电器，其特点在于输出整流采用同步整流的方式，整流元件采用功率VMOS管，其源极与漏极串接在输出回路中，脉冲变压器上设置同步整流驱动绕组，通过限流电阻与VMOS管的源极与控制极连接，以控制VMOS管的导通与关断。

8．根据权利要求1或2所述的充电器，其特点在于输出电压采样回路的分压点[7]通过二极管D4接电压比较器DW1的控制端[8],[8]端还通过R6接输出地[9]。

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