一种馈能式变恒流值正负脉冲快速充电装置及方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于电学技术领域，涉及一种充电设备及方法，特别是一种针对蓄电池的馈能式变恒流值的正负脉冲快速充电装置及方法。
【背景技术】
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[0002]蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程，充电过程中影响充电的因素很多，其中极化问题的比较突出，它会影响蓄电池的充电接受能力，导致蓄电池充电速度缓慢。传统的充电方法有恒流充电、恒压充电、分阶段充电法等，这些充电方法无去极化措施，严重影响蓄电池的充电时间、容量和使用寿命。正负脉冲充电法作为近几年研宄的新型充电法，在正脉冲充电很长时间后，停止充电一段时间，然后再负脉冲放电一段时间，这样有利于消除蓄电池硫化、极化现象，延长电池使用寿命。但是，现有的正负脉冲充电法包括恒流正负脉冲和变恒流正负脉冲，其负放电脉冲是通过铅酸蓄电池对电阻和电容的并联回路放电产生的，电容中的能量被电阻消耗，并最终以热能的形式散发到周围环境中去，造成能量的浪费，且由于采用电阻放电，放电电流不能调节，仅能随蓄电池端电压的升高而增大，在充电后期仅能通过减少放电时间而减少放电电能，造成放电电流对蓄电池瞬间冲击大。
【发明内容】
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[0003]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计提供一种馈能式变恒流值的正负脉冲快速充电装置及方法，在整体上分为多个不同等级的恒流充电段，每个充电段由多个幅值逐渐减小的正负脉冲组成，且负脉冲阶段可以将放电电能存储到馈能电容中，在正脉冲到来时重新加以利用。
[0004]为了实现上述目的，本发明所述馈能式变恒流正负脉冲快速充电装置的主体结构包括空气开关、EMI滤波电路、全桥整流滤波电路、功率因数校正电路、蓄电池充放电管理主电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、电流互感器、第一辅助电源、第二辅助电源、控制器、比较调理电路、第一光耦器、第二光耦器、单片机控制电路、偏置电路、驱动电路和显示电路；空气开关与外接的220V交流电连接，220V交流电依次经过空气开关、EMI滤波电路、全桥整流滤波电路和功率因数校正电路，其中EMI滤波电路滤除电磁干扰；全桥整流滤波电路将交流电变成直流电；功率因数校正电路提高整个装置的功率因数并把整流后的直流电变成蓄电池充放电管理主电路所需要的输入直流电压；功率因数校正电路分别与控制器和第一电压检测电路电连接，控制器分别与比较调理电路和第一辅助电源电连接，第一电阻和第二电阻组成第一电压检测电路，用于检测整流后的电压，电压经过与第一电压检测电路电连接的第一光耦器隔离后，送入比较调理电路，使控制器产生第一驱动来对功率因数校正电路的开关管进行控制；蓄电池充放电管理主电路分别与第一电压检测电路和第二电压检测电路电连接，第三电阻和第四电阻组成第二电压检测电路，用于检测蓄电池两端的电压；蓄电池充放电管理主电路采用双向Buck-Boost直流变换电路，由电解电容、第一开关管、第一二极管、第二开关管、第二二极管、滤波电感、输出滤波电容和蓄电池按照电学原理组装构成，蓄电池充电时，蓄电池充放电管理主电路工作于buck电路断续工作模式叠加boost电路；蓄电池放电时，蓄电池充放电管理主电路工作于boost电路断续工作模式叠加buck电路，电解电容为功率因数校正电路的输出滤波电容，形成正负脉冲充放电电流；电流互感器分别与输出滤波电容、蓄电池和偏置电路电连接，检测蓄电池的充电电流和放电电流；第二光耦器分别与第二电压检测电路和单片机控制电路电连接，电流互感器的检测值经过偏置电路后与第四电阻上的分压值经过第二光耦器隔离后的分压值一起送入单片机控制电路，单片机控制电路分别与第二辅助电源、显示电路、驱动电路和偏置电路电连接，偏置电路将电流互感器检测到的放电电流转化为正电流；电压经单片机控制电路运算后输出PWM控制信号，PWM控制信号经驱动电路后产生第二驱动和第三驱动两路驱动信号，分别用于控制与驱动电路连接的第一开关管和第二开关管；显示电路与第二辅助电源电连接，用于蓄电池充放电的指示。
[0005]本发明实现馈能式变恒流正负脉冲快速充电的具体过程为:
[0006](I)、先将单片机控制电路中的单片机初始化并进行PWM模式配置，显示电路的指示灯红灯亮，提示蓄电池需充电；
[0007](2)、开始进行充电，先由第二电压检测电路检测蓄电池的端电压，若蓄电池为满电量，则不需要充电，直接闭锁PWM，显示电路的指示灯变绿，提示充电完成；若蓄电池需要充电，则根据蓄电池的端电压判断其荷电状态选择对应的充电电流和放电电流；
[0008](3)、设置正脉冲时间为m，进行正脉冲充电，当m>0时，正脉冲时间未结束，继续进行正脉冲充电，当m〈0时，正脉冲充电结束，进入负脉冲放电；
[0009](4)、设置负脉冲放电时间为n，进行负脉冲放电，当n>0时，负脉冲时间未结束，继续进行负脉冲充电，当n〈0时，负脉冲充电结束，判断是否达到设定的间歇检测时间；
[0010](5)、若达到间歇检测时间，则进入间歇状态，此时第一开关管和第二开关管均处于关断状态，间歇时间大于O时，间歇未结束，继续间歇；当间歇时间小于O时，间歇结束；若未达到间歇检测时间，则继续使用正负脉冲进行充放电，直到达到间歇检测时间；
[0011](6)、间歇过后，重新检测蓄电池的端电压，若蓄电池充满电，则闭锁PWM，停止充电，且指示灯变绿，提示充电完毕；若电池没有充满电，则根据蓄电池端电压判断电池的荷电状态选择对应的充电电流和放电电流继续充电，如此循环，直到电池充满能量，实现蓄电池的馈能式变恒流正负脉冲快速充电。
[0012]本发明所述充电过程采用变恒流的充电方法，以蓄电池的两端电压为基准，按阶梯形原则，分为多个恒流充电段，当蓄电池的电压升高到指定电压时(即达到一定荷电量时)，将充电电流减小一个阶梯，直至充电结束，恒流充电段的数量根据实际需要由单片机控制电路中的单片机设置，分的恒流充电段越多，整个充电过程的充电电流波形越接近马斯曲线；随着充电过程的进行，蓄电池的端电压逐渐升高，充电电流会降低，则通过电流互感器与单片机配合，调整第一开关管和第二开关管的占空比，以保持充电电流恒定；每个恒流充电段由多个正脉冲和负脉冲组成，正脉冲对蓄电池充电，负脉冲用于蓄电池放电，从而提高蓄电池的充电接受能力；负脉冲的放电电流为正脉冲的充电电流的比值恒定，其比值通过电流互感器8与单片机配合，调整一开关管和第二开关管的占空比实现；负脉冲的放电电能会存储在电解电容中，在正脉冲到来时重新加以利用；在每个开关周期内，电感中流过的电流为三角波电流，均存在电流为零的时刻，此时第一开关管和第二开关管都工作在零电压软开关状态，以提尚电路的效率。
[0013]本发明的正脉冲充电时间Tl (比如30ms)比负脉冲放电时间T2 (比如Ims)多，具体的正负脉冲充放电时间Tl和T2由单片机控制电路设定。
[0014]本发明通过调整第一开关管和第二开关管的占空比来实现每一充电段的充放电电流恒定及充放电电流段的改变，单片机控制电路内部输出的两路PWM波形改变第一开关管和第二开关管的的占空比，通过单片机控制电路自动控制两个开关管的导通时间，从而实现变电流快速充电方法。
[0015]本发明与现有技术相比，通过调整正负脉冲的交替频率，可以在一定程度上对蓄电池进行修复，属于修复型充电方法，与现有正负脉冲充电方法相比，一方面在充电过程中逐渐减小充放电电流，