一种智能快速充电仪及其控制方法与流程

本发明涉及超级电容控制领域，具体为一种智能快速充电仪及其控制方法。

背景技术：

当今电子设备电源容量越来越大，电路越来越精密，但因充电设备而造成的损失却不容小觑，其中的核心问题便是充电电路的设计和保护电路设计。而在充电电路中最为关键的就是驱动电路，以下是现有技术中几种比较常见的igbt功率管驱动电路。

第一，igbt直接驱动电路，如图1所示，利用由三极管组成的推挽电路来实现对igbt的驱动，其中双向稳压管d是为了保护igbt的驱动电压不至于过大，虽然这种电路构造简单，价格便宜，但是电路的输入与输出不能够电气隔离，而且在igbt关断时电路提供负栅压的能力不强。

第二，光耦隔离驱动电路，如图2所示，它将光电耦合器和三极管组成的推挽电路完美的结合在了一起，它实现了逆变器和控制回路的有效隔离，但受限于光耦，光耦隔离驱动电路的速度不可能高于光电耦合器的开关速度，因此在应用中也有一定的局限性。

第三，变压器隔离驱动电路，如图3所示，电路采用了变压器隔离，开关速度相对于光耦隔离驱动电路得到了大大的提高。而且驱动功率大，提供igbt的负栅压能力强，但电路稳定性仍比较差。

现有的驱动电路中，都存在稳定性差，igbt关断速度慢，无法满足目前越来越高的使用需求；加之现有的充电电路中，因为电网电压不稳定或者其它的原因造成的虚假过流现象，很容易让控制电路误操作，进而中断充电过程，损害超级电容组的使用寿命，使得充电电路整体的性能受到严重制约。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种智能快速充电仪及其控制方法，充电电路稳定可靠，延长了超级电容组的使用寿命，缩短了电容组充电时间，提高了充电效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种智能快速充电仪，包括主电路和控制电路；

所述的主电路包括依次连接的380v电源、整流桥、稳压滤波电路、igbt全桥逆变电路、高频变压器和整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接超级电容组；

所述的控制单路包括单片机和igbt驱动电路，单片机通过igbt驱动电路连接igbt全桥逆变电路的控制端；

所述的igbt驱动电路包括三极管q1、三极管q2、三极管q3、脉冲变压器t1和双向稳压管d5；三极管q1的基极经电路r1连接igbt驱动电路输入端，集极连接+15v电源，发射极经电容c1连接脉冲变压器t1原边的a端；三极管q2的基极经电路r1连接igbt驱动电路输入端，集极接地并连接脉冲变压器t1原边的另一端，发射极连接三极管q1的发射极；脉冲变压器t1副边的a端依次经二极管d3、二极管d4和电阻r4连接igbt的门极，脉冲变压器t1副边的另一端连接igbt的发射极；igbt的集电极连接输入电源；三极管q3基极分别连接t1副边的a端和二极管d3与二极管d4之间，集极连接t1副边的另一端，发射极连接在二极管d4和电阻r4之间；双向稳压管d5的两端分别连接igbt的门极和集电极；其中，脉冲变压器t1原边的a端和副边的a端为同名端。

优选的，三极管q1的集极和发射极之间连接稳压二极管d1，稳压二极管d1的负极连接三极管q1的集极；三极管q2的集极和发射极之间连接稳压二极管d2，稳压二极管d2的负极连接三极管q2的发射极；三极管q3的基极通过电阻r2连接脉冲变压器t1副边的a端，通过电阻r3连接脉冲变压器t1副边的另一端。

优选的，双向稳压管d5两端并联设置电阻r5。

优选的，所述的控制电路还包括连接在单片机上的过流检测保护电路；

过流检测保护电路包括电流互感器t、整流桥d6、电阻r8、滑动变阻器r9、三极管q4和稳压二极管d7；整流桥d6的输入端连接电流互感器t，输出端连接稳压二极管d7；稳压二极管d7的负极经电阻r7连接整流桥d6输出端正极，正极经滑动变阻器r9的固定端连接整流桥d6输出端负极；电阻r8一端连接在稳压二极管d7负极，另一端连接整流桥d6输出端负极；滑动变阻器r9滑动端经电阻r10连接三极管q4的基极；三极管q4的基极经电容c4接地，集极连接+15v电源，发射极接地且作为输出端。

进一步，整流桥d6的输入端之间连接电阻r6，输出端之间分别连接电容c2和电容c3。

进一步，三极管q4的集极经电阻r11连接+15v电源，发射极经电阻r12接地。

优选的，所述的单片机上设置数据采集电路；数据采集电路的输入端连接整流桥输出端进行电压检测，并连接高频变压器的输出端采集电压电流。

优选的，所述的单片机上还分别连接有按键电路、lcd显示电路、报警电路和通讯模块。

一种智能快速充电仪的控制方法，包括，

通过对采集主电路中的整流桥输出电压、高频变压器输出电流和电压、实时检测，得到实际电压值的数字量，取信号中电流值与变化率最大的一组数据，再将所选时间段实际充电电流平均值与设定值进行差分，得到作为电流变化误差数字量的电流偏差e与偏差变化率ec，则作为模糊控制器的输入，最终通过模糊控制算法处理得到充电电流随时间变化的曲线；从而能够取实际测量电流偏差e和偏差变化率ec为模糊变量，取超级电容电流控制δu为模糊控制器的输出u。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明智能快速充电仪，通过其中设置的igbt驱动电路，可以防止变压器的单向磁饱和，提高igbt的关断速度，驱动电路的稳定性和可靠性得到了改善；采用三相380v/50hz电源给充电仪供电，以单片机作为系统的控制核心，通过igbt全桥逆变电路和高频变压器对超级电容组提供充电电压；电路的稳定性和可靠性得到了进一步的改善，延长了超级电容组的使用寿命，同时缩短了电容充电时间，提高了充电效率。

进一步的，通过设置的过流保护电路，能够解决电网电压不稳定或者其它的原因造成的充电电路中虚假过流现象，采用这种电流检测保护电路，可以屏蔽充电电路中的虚假过流现象，有效的保护了超级电容组。

进一步的，通过调节滑动变阻器r9来调节保护动作的阈值电流，通过调节电阻r10来调节保护的灵敏度。

本发明所述方法，通过对采集主电路中的整流桥输出电压、高频变压器输出电流和电压、igbt温度4个信号的实时检测，得到实际电压值的数字量，处理后利用模糊控制算法得到充电电流随时间变化的曲线，从而能够得到模糊控制器的输出u。逻辑简单，设计合理，能够方便高效的进行精确控制。

附图说明

图1为现有技术中igbt直接驱动电路结构图。

图2为现有技术中光耦隔离驱动电路结构图。

图3为现有技术中变压器隔离驱动电路结构图。

图4为本发明实例中所述的充电仪的结构框图。

图5为本发明实例中所述的igbt驱动电路结构图。

图6为本发明实例中所述的过流检测保护电路结构图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种智能快速充电仪包括igbt驱动电路和过流检测保护电路。所述的igbt驱动电路能够防止变压器的单向磁饱和，提高igbt的关断速度，驱动电路的稳定性和可靠性得到了改善。针对因为电网电压不稳定或者其它的原因造成的充电电路中虚假过流现象，通过过流检测保护电路，能够屏蔽充电电路中的虚假过流现象，有效的保护了超级电容组。

如图4所示，本发明一种智能快速充电仪包括主电路和控制电路。主电路包括380v电源、整流桥、稳压滤波电路、igbt全桥逆变电路、高频变压器和整流滤波电路，主要的作用是为超级电容组提供幅值可变的电压、电流。控制电路包括单片机最小系统电路、igbt驱动电路、通讯模块、lcd显示电路、按键电路、报警电路和数据采集电路，主要的作用是由单片机发出控制信号，协调充电仪各个子系统的工作。本优选实例中，单片机采用dspic30f3014单片机。

其中，igbt驱动电路主要由推挽电路、脉冲变压器、二极管、三极管、双向稳压管、igbt等部分组成，主要的作用是igbt的快速导通与关断。具体的如图4所示，c1为隔直电容，防止脉冲变压器t1单向磁饱和，d5为双向稳压管，它可以抑制igbt驱动电压过冲，保护igbt。

电路的工作原理如下：当输入为高电平时，三极管q1导通，脉冲变压器t1原边的a端为高电平，a端和副边的a端为同名端，故a端也为高电平。此时二极管d3、d4导通，电源经过d3、d4、r4对igbt门射极间的寄生电容充电，当充到一定程度(电容两端的电压达到igbt驱动电压)的时候，igbt开通；当输入为低电平时，三极管q2导通，q1截止，脉冲变压器t1原边的a端经过q2与地相连，变为低电平，a端亦为低电平，d3、d4截止，三极管q3导通，igbt门射极间的寄生电容的电荷将迅速释放，igbt关断。

其中，电流检测保护电路主要由电流互感器、整流桥、滑动变阻器、三极管和稳压管组成。具体的如图5所示，t为高频变压器副边中的电流互感器，r6将互感器副边的交流电流信号转化为交流电压信号，进过d6整流桥转化为直流电压信号，然后再进过c2、c3整形滤波，变为纹波较小的比较平稳的直流电压信号，经过r7、r8串联分压后在r8两端形成阈值电压。电流互感器原边的电流越大，则r8两端的电压越高。当原边的电流大于我们所设定的阈值时，稳压管d7击穿，滑动变阻器r9中有电流通过，则电容c4通过r10充电，三极管q4的基极电位开始逐渐升高，若稳压二极管d7的导通时间大于c4的充电时间，则电容c4两端的电压将使三极管q4处于饱和状态，q将导通，输出高电平的过流信号。如果是因为电网电压不稳定或者其它的原因造成的虚假过流现象，则稳压管d7的导通时间非常短暂，c4的充电时间也将非常短暂，三极管q4将不能进入饱和状态，因此也不能输出高电平的过流信号。

本电路中，我们可以通过调节滑动变阻器r9来调节保护动作的阈值电流，通过调节r10来调节保护的灵敏度。通过该过流检测电路检测充电电路，能够屏蔽虚假的过流现象。

本发明所述的智能快速充电仪，采用模糊控制算法。通过对采集主电路中的整流桥(桥式整流电路)输出电压、高频变压器输出电流和电压、igbt温度4个信号的实时检测，根据采集到四个数据来判断电源电路供电性能，并反馈给单片机来处理，得到实际电压值的数字量，取信号中电流值与变化率最大的一组数据，再将所选时间段实际充电电流平均值与设定值进行差分，得到电流变化误差数字量e与ec，则作为模糊控制器的输入，最终经软件算法处理得到充电电流随时间变化的曲线。故可以取实际测量电流偏差e和偏差变化率ec为模糊变量，取超级电容电流控制δu为模糊控制器的输出u。实验测量电流偏差e的基本论域为：[-1v，1v]，e的模糊论域为：[-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5]，那么误差e的量化因子为1/5。偏差变化率ec与输出变量u模糊论域为：[-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5]，由长时间的调试、仿真、调试等，依据数据对(x,y)和变化曲线规律，得到下面的逻辑控制规则：

ife＝nbandec＝nbthenu＝pb；

ife＝nmandec＝nmthenu＝pb；

……

经统计，共52条类似的控制规则，具体归纳见下表。

模糊控制规则表

本发明智能快速充电仪通过对igbt驱动电路及电流检测保护电路的优化和改变，设计结构简单，成本低廉，有效的改善了充电设备的稳定性和可靠性问题，屏蔽了充电电流的虚假过流现象，缩短了充电时间，提高了充电效率。