CN2648679Y

CN2648679Y - 镍氢智能曲线快速充电器

Info

Publication number: CN2648679Y
Application number: CN 03257702
Authority: CN
Inventors: 邵立勇
Original assignee: HEPING HAIWAN POWER SOURCE GROUP CORP Ltd TIANJIN
Current assignee: tianjin jinneng investment company
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2013-05-23

Abstract

一种镍氢智能曲线快速充电器，包括单片机、恒功率电源、脉冲调整功率驱动电路、电压反馈电路、电压采样、电池－ΔV/Δ²V/t采样、温敏传感、温度采样电路、采样电阻、电流采样电路组成。本充电器与电池当前充电特性曲线相一致，可以有效预防充电电压过高而产生的过充现象，以达到最佳充电效果。建立动态模型，由变化量计算置信度而终止快速充电，发挥了电池的使用效率，达到电池最大充电容量，延长了电池的使用寿命，对性能下降的电池有恢复或治愈功能。高倍率电流充电，充电时间短，充电器成本低，体积小，单片机与电源结合性好，充分利用电源的资源。硬件电路实现简捷、高可靠，并且具有充电器自身保护，和对电池组的安全保护。

Description

镍氢智能曲线快速充电器

技术领域：本实用新型涉及一种镍氢电池组充电装置。

背景技术：可充电池(化学电池或物理电池)的运用过程中，充电器是其成功运用的重要装置，因为充电器的好坏直接影响到电池的两个重要技术指标：1)可充电池的使用容量；2)可充电池的循环使用次数，即使用寿命。

目前镍氢充电器主要有恒流方式、恒压限流方式。其不足是：恒流方式在充电期间，一直保持充电电流不变，充电前期，电池电化能转换效率比较高，允许高倍率电流充电。到电池充电后期，电池转化效率低，需要小电流补电，恒流方式不能满足电池充电电流随充改变而曲线变化，造成充电时间长，充电效率低，电池析气、发热，使用寿命降低。并且恒流充电过程中，前期电源输出电压低，后期电压输出高，而电流保持不变，这样电源功率前期输出低，后期高，造成设计按高功率，在充电过程中功率的浪费，充电器成本加高，体积增大。恒压限流是前期限制充电最大电流，后期限制电池充电电压。这种方案在电池使用前期，电池充电量不足，后期，电池放电容量明显降低。

充电控制器在近年来取得了长足的发展，一个明显的标志就是世界上大多数的半导体厂商大都出品了自己的充电器芯片，有的还带有单片机。但是与电源结合性差，不能够充分利用电源的资源，和电源自身特性与功能。充电器的性能达不到最优化。

发明内容：本实用新型目的是解决恒流方式不能满足电池充电电流随充改变而曲线变化，造成充电时间长，充电效率低，电池析气、发热，使用寿命降低；恒压限流方式前期充电量不足，后期电池放电容量明显降低；及存在单片机与电源结合性差，不能充分利用电源资源的问题。

由于每个电池都有自己独特的个性，确切地说每个充电电池都有自己有别于其它甚至是同类电池的充放电曲线，该曲线甚至在充电过程中还是动态变化的，这就意味着好的充电控制模式应该是变化的，而且应该与电池的充放电曲线变化一致才是最佳的。正是基于上面的原因，我们提出了采用恒功率电源，自适应快速充电智能控制程序修正电池可接受充电电流大小随充电时间按指数规律下降曲线，满足镍氢电池应用特性。具有自动检测、跟踪电池充电曲线，动态调整充电脉冲参数，从而达到最佳充电效果。

对充电电池是否在充电过程中已充满的判断是充电器的重要指标，如果电池未充满而错判为充满将导致电池欠充，反过来则将导致电池过充。充电器终止充电的判断主要依据的是电压Vmax、模糊控制负电压特性-ΔV、电压零增量、最长时间Tmax、最高温度tmax、相对温度Δt、温度变化率Δt/ΔT综合判断方法、0Δ²V/t终止法、电流采样用于剩余充电时间自动计算。

本实用新型提供的镍氢智能曲线快速充电器，包括充电控制器及其外围电路，其特征是充电控制器采用单片机，功率输出采用恒功率电源，电压采样电路采样镍氢电池组电压，并将该采样电压送至单片机，由单片机控制脉冲调整功率驱动电路工作，恒功率电源经脉冲调整功率驱动电路向镍氢电池输出充电电流，并通过电压反馈电路反馈恒功率电源的电压输出，单片机同时将电池-ΔV/Δ²V/t采样值与基准电路提供的基准电压比较并检测-ΔV/Δ²V/t，实现最高电压限定，温敏传感检测电池组和外部环境温度，经由温度采样电路传送到单片机，完成动态处理判断，经过采样电阻、电流采样电路将电流值送单片机，计算电池充电率，时间控制采用单片机内部计数器。当上述条件符合一定要求时，单片机关闭脉冲输出，完成充电过程。

本实用新型优点：1、本充电器与电池当前充电特性曲线相一致，可以有效预防充电电压过高而产生的过充现象，以达到最佳充电效果。2、建立动态模型，由变化量计算置信度而终止快速充电，发挥了电池的使用效率，达到电池最大充电容量，延长了电池的使用寿命，对性能下降的电池有恢复或治愈功能。3、高倍率电流充电，充电时间短，充电器成本低，体积小，单片机与电源结合性好，充分利用电源的资源。4、硬件电路实现简洁、高可靠，并且具有充电器自身保护，和对电池组的安全保护。

附图说明：

图1是镍氢智能曲线快速充电器电路方框图；

图2是恒功率电源电路方框图；

图3是镍氢智能曲线快速充电器电路原理图。

具体实施方式：

实施例1

如图1所示，镍氢智能曲线快速充电器，包括充电控制器及其外围电路，其特征是充电控制器采用单片机，功率输出采用恒功率电源，电压采样电路采样镍氢电池组电压，并将该采样电压送至单片机，由单片机控制脉冲调整功率驱动电路工作，恒功率电源经脉冲调整功率驱动电路向镍氢电池输出充电电流，并通过电压反馈电路反馈恒功率电源的电压输出，单片机同时将电池-ΔV/Δ²V/t采样值与基准电路提供的基准电压比较并检测-ΔV/Δ²V/t，实现最高电压限定，温敏传感检测电池组和外部环境温度，经由温度采样电路传送到单片机，完成动态处理判断，经过采样电阻、电流采样电路将电流值送单片机，计算电池充电率，时间控制采用单片机内部计数器。

其中恒功率电源(见图2)是将宽电压交流输入AC85-265V送EMI输入滤波器、输入整流器，经TOPSWITCH送开关变压器，开关变压器输出经输出整流、输出滤波送功率输出，输出电压给负载，采样电阻采样电流到功率控制，与电压采样电路采样输出电压，通过功率控制回路计算，产生控制电流，和光藕发射端、光藕接收端、偏置控制、TOPSWITCH、开关变压器、输出整流、输出滤波一起，组成功率控制回路，保证恒功率输出，保护电路用于箝制由变压器漏感产生的前沿电压尖峰，使在包括启动和过载的任何条件下都低于TOPSWITCH的额定击穿电压；衰减由整流二极管贮存时间产生的次级漏感铃流电压。

基于最低出气率可充曲线原理发现电池可接受充电电流大小随时间按指数规律下降，故本方案的充电模式分成四个充电阶段，即预充电、快速充电、补足充电和涓流充电。充电开始时预充电，对电池组的当前状态进行检测，根据电池不同状态，确定充电的模式和方法。进入快速充电状态，充电电流将以指数曲线变化率充电。充电时，检测电池组的电压、电流及温度的变化，直到终止条件出现后，进入补充状态，以少量补电完成在一定条件快速充电下的后期充电。最后，涓流状态，弥补电芯自损耗。在本方法中，我们采集的信息包括：正脉冲期间的充电电流大小及其随时间的变化；负脉冲期间的放电电流及其随时间的变化量；电池温度及其随时间的变化量；电池电压及其随时间的变化量。通过信息的分析可以估算电池的内阻，进而计算出电池当前所处的状态，通过软件修正制定曲线。

以30支镍氢D型电池充电器为例，具体电路说明如下：

如图3所示电原理图，其中单片机是镍氢电池充电控制器，电池充足电后，它能够可靠地终止快速充电，并自适应调整充电电流。恒功率采用次级控制，这样能降低电源损耗，增加效率。电阻R12、R13和齐纳二级管D6增加到控制电路来允许输出电流随电压变化。

TC脚是充电电流的取样输入端，比较简单的方法是在电池的负端接上一个比较小的或者合适的电流取样电阻R3而得，IC3、R8、R9设置最高输出电流，R12、R13、D6反馈输出电压来以相反比例改变输出电流。TC脚上的最小分辨率为VCC/255，用户可以通过该值设计取样电阻的大小，获得充电电流的目的是为了在快速充电过程中动态地调整充电脉冲波形，从而获得最佳的充电效率。

采用正负(包括0脉冲)脉冲作为对电池的充放电控制波形，其中正脉冲为充电脉冲，负脉冲为放电脉冲，0脉冲间于充电与放电脉冲间，表示充放电的休止期。事实上，上述三种脉冲在控制过程中都有可能时间长度为0，比如，0脉冲和负脉冲的时间周期为0时，总体控制波形仿真限压充电模式；而特定的组合脉冲形式又可以仿真为恒流充电等。总之，通过调整这种波形可以仿真几乎所有的充电波形和充电模式；可以动态的调整充电电流的大小，很好的解决了镍氢电池的过充和极化现象，提高电池的使用寿命。

最高温度控制：VCC和GND之间接入电阻-热敏电阻网络，这样在电阻与热敏电阻的接点处即可得到温度取样输入电压，温度传感器采用热敏电阻，经分压网络变换后产生代表电池组温度的电压信号，传递给A/D转换通道，经单片机采样和数据处理后，与最高温度设定值进行比较，如大于设定值，结束充电过程转入下一模式，如小于设定值，保持原有模式继续充电。

最高电压控制：必须根据电池的结构特点和性能，合理地设定电池组的最高终止电压。如被充电电池组过早地上升到最高终止电压，表明该组电池的寿命已经接近终点。另一方面，设定合适的最高电压，可以降低电源功率。被测电压采用电阻分压，经单片机采样、模数转换后，与最高电压的设定值比较，如大于设定值，转入下一模式，如小于设定值，保持原有模式继续充电。

最长时间控制：当其它参数不起作用时，通过控制最长时间终止充电过程，防止电池组严重过充。不同类型的电池和用不同的电流充电所允许的过充量不同。电路由XT、C16、C17组成，单片机使用4M外部晶振，时间可以精确到uS级，利用单片机TM0计数器，控制循环次数，保证设定时间。

带温度补偿的自动温差控制：充电器温度控制系统有两路输入，一路采样电池温度，由R33、R34、R35、C18组成，另一路采样充电环境温度，由R36、R37、R38、C21组成。电池在不同环境充电，温升参数要求不一样，自动采样环境温度，自动补偿温升参数，达到最佳充电。在动力电池充电尤其关键，通过环境温度采样及修订，确保电池安全性。

保护：通过测温，若＞10℃允许快速充电，否则慢充；若＞45℃时终止快速充电，以实现当电池变化异常时对电池的保护，有效地避免了电池组的损坏。

用户把充电器正负极输出短接时，充电器保护，不会损坏充电器。IC1(TOPSWITCH)逐周的峰值漏电流限制电路以输出内置MOSFET导通电阻作为检测电阻。流限比较器将输出MOSFET导通状态下的漏/源极间的电压与一个阈值电压相比较，漏极电流太大将使漏/源极间的电压超过阈值电压并关断输出MOSFET直到下一个时钟周期开始。流限比较器的阈值电压有温度补偿，这样可将输出MOSFET的漏/源极间的电压随温度变化而引起的有效峰值电流限制的变化减至最小。

电池长时期放置或过放后，电池电压比较低，这时应用小电流把电池电压激活至正常电压，然后可以进行正常充电。

当电池正负极接反时，检测电路发现错误，控制电路不进行充放电，对电池组和充电器进行保护。

功率器件热保护：主集成芯片内含135℃保护电路，当温度超过限定温度时，保护电路关断输出，温度降低后，恢复输出。这样可以避免元器件损坏。

本充电器中单片机含自检模式，能在生产中得知电压、电流、温度转换误差，并加以校正，保存参数。这样极大方便生产，也确保成品的一致性。

硬件电路简洁、高可靠。电源部分采用IC1(TOPSWITCH)集成芯片，控制部分使用集成镍氢电池充电控制器(单片机)，整个电路外围元器件大量减少，实现简洁、高可靠。

宽电压交流输入AC85-265V：自适应世界范围各国电压范围，并满足EMI标准。

Claims

1、一种镍氢智能曲线快速充电器，包括充电控制器及其外围电路，其特征是充电控制器采用单片机，功率输出采用恒功率电源，恒功率电源电路连接脉冲调整功率驱动电路并向镍氢电池输出充电电流，同时镍氢电池通过电压反馈电路反馈连接恒功率电源；电压采样电路及-ΔV/Δ²V/t采样电路的一端同时连接镍氢电池，另一端同时连接单片机，-ΔV/Δ²V/t采样电路同时还与基准电路连接，单片机则连接脉冲调整功率驱动电路；与镍氢电池连接的采样电阻经由电流采样电路将电流值送单片机；用于检测电池组和外部环境温度的温敏传感器，经由温度采样电路传送到单片机。

2、根据权利要求1所述的镍氢智能曲线快速充电器，其特征是恒功率电源电路的构造是：EMI输入滤波器经输入整流器后，连接TOPSWITCH芯片，TOPSWITCH芯片输出连接开关变压器原边，开关变压器副边依次连接输出整流电路和输出滤波电路后连接功率输出电路，在TOPSWITCH芯片及输出整流电路上各分别连接有一个保护电路并分别与之形成闭合回路；与功率输出电路连接的采样电阻经由电流采样电路连接功率控制电路，同时功率输出电路另一路经由电压采样电路连接功率控制电路，功率控制电路输出连接光藕发射端，光藕接收端及开关变压器输出同时连接偏置控制电路，偏置控制电路输出连接TOPSWITCH芯片。