一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机及充电方法
【专利摘要】本发明提出的一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机及充电方法，具有正脉冲充电、负脉冲放电的快速充电机根据电池充电状态智能调整正负脉冲的脉宽、幅度以及正负脉冲脉宽比例，减少电池极化反应、提高电池的充电电流接受率，解决目前动力电池充电机充电速度慢、效率低、电池放电容量小的不足。
【专利说明】一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机及充电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种动力电池充电机，特别是涉及一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机及充电方法。
【背景技术】
[0002]目前电动自行车、电动汽车用动力电池的充电机主要有四种充电方式，分别是:
(I)恒流方式充电；(2 )两段式或三段式充电；(3 )恒压式充电；(4 )脉冲式充电。采用上述充电方式充电时，电池在充电过程中会产生欧姆极化、浓度极化和电化学极化现象，造成充电时间长、充电效率低。为达到快速充电的目的，一般充电器采取加大充电电流的措施，因此在充电过程造成电池内阻升高、电池温度升过快，从而容易导致电池永久性损坏。
[0003]根据马斯充电理论中有关蓄电池可接受充电曲线可知，在充电过程中加入合适幅度和脉宽的负脉冲对电池短时间放电，可以消除电极化现象，减少极化反应，使蓄电池可接受充电曲线发生变化，提高电池的充电电流接受率，因此可以采用比电池可接受充电电流更大的电流充电，缩短充电时间、减少电池发热，获得更高的充电效率。
【发明内容】
[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机及充电方法，该充电机在充电过程中能根据电池的充电状态(电压、电流，充电器温度)自适应调整正负脉冲的脉宽、幅度，减少电池极化反应、提高电池的充电电流接受率，解决目前动力电池充电机充电速度慢、效率低、电池放电容量小的不足。
[0006]技术方案
[0007]一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机，其特征在于包括功率因数校正电路、全桥功率变换电路、高频变压器、整流滤波电路、电流电压温度检测电路、负脉冲产生电路、驱动电路、电源管理芯片、微处理器控制电路和充电状态显示电路；220V交流市电送入功率因数校正电路，功率因数校正电路采取BOOST拓扑对220V交流市电进行功率因数校正，输出380V直流电压送至全桥功率变换电路；微处理器控制电路输送控制信号给电源管理芯片，电源管理芯片产生脉冲调制信经驱动电路驱动全桥功率变换电路对380V直流电压斩波，斩波后的380V直流电压输入高频变压器进行功率变换，然后输入整流滤波电路产生正脉冲送入电池进行充电；微处理器控制电路输送控制信号到负脉冲产生电路，负脉冲产生电路通过控制功率电阻对电池放电形成放电负脉冲；所述的充电状态显示电路连接微处理器控制电路用于显示电池的充电状态，所述的电流电压温度检测电路在充电过程中实时检测充电电压、电流和温度送至微处理器控制电路，微处理器控制电路根据电池的充电状态实时计算正负脉冲的脉宽、脉幅以及在单位充电周期中的正负脉冲的脉宽比例。
[0008]所述的负脉冲产生电路由功率二极管、功率开关管和大功率电阻构成，并联在电池两端。[0009]一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机的充电方法，其特征在于步骤如下:
[0010]步骤1:充电机上电启动后，对微处理器控制电路的输入输出口状态、数模转换寄存器、定时器和数据存储器进行初始化；
[0011]步骤2:初始化完成后，微处理器控制电路检测电池电压、充电机内部环境温度、功率因数校正电路输出是否正常:若没有检测到电池电压，微处理器控制电路循环检测电池电压；若检测到电池电压，充电机对电池进行短时间恢复性充电；
[0012]步骤3:恢复性充电完成后，微处理机控制电路设定正脉冲幅度、脉宽初值和负脉宽初值，充电机以设定的正脉冲幅度、脉宽初值和负脉宽充电；
[0013]步骤4:充电过程中电流电压温度检测电路循环检测充电电压、电流以及充电机的温度，若电池电压没有达到电池的标称充电电压上限，充电机米集充电机温度:若充电机温度没有超过设定的温度上限，充电机自动调整正负脉冲的脉宽比例，加大充电机正脉冲比例，加快充电机的充电速度；若充电机温度超过设定的温度上限，充电机调整正脉冲脉宽脉幅，减小平均充电电流；当电池电压达到电池的标称充电电压上限，充电机转入恒压负脉冲充电模式；
[0014]步骤5:在恒压负脉冲充电模式下，充电机输出恒压值加在电池两端形成正脉冲充电，同时形成负脉冲进行短时放电，消除极化现象；充电机循环检测充电电压、电流以及充电机的温度:如果充电电流没有达到停充预设值，充电机一直以恒压负脉冲充电模式充电，同时检测充电机温度:若充电机温度超过预设值，充电机调整正脉冲脉宽，减小平均充电电流；若充电机温度未超限，充电机自动调整正负脉冲的脉宽比例，加快充电机的充电速度；当充电电流达到停充预设值，充电机转入补充性充电模式；
[0015]步骤6:在补充性充电模式中，小电流恒流充电直到充电结束。
[0016]有益效果
[0017]本发明提出的一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机及充电方法，具有正脉冲充电、负脉冲放电的快速充电机根据电池充电状态智能调整正负脉冲的脉宽、幅度以及正负脉冲脉宽比例，减少电池极化反应、提高电池的充电电流接受率，解决目前动力电池充电机充电速度慢、效率低、电池放电容量小的不足。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1本发明智能型正负脉冲动力电池快速充电机
[0019]图2本发明智能型正负脉冲动力电池快速充电方法流程图
【具体实施方式】
[0020]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0021 ] 本发明是一种具有正脉冲充电、负脉冲放电的快速充电机，充电机根据电池的充电状态智能调整正负脉冲的脉宽、幅度，实现快速充电。
[0022]如附图1所示，该充电机包括:功率因数校正电路、全桥功率变换电路、高频变压器、整流滤波电路、电流电压温度检测电路、负脉冲产生电路，驱动电路、电源管理芯片电路、微处理器控制电路、充电状态显示电路。
[0023]交流市电首先送入功率因数校正电路，功率因数电路采取BOOST拓扑，把输入电流校正为正弦电流，并和输入市电电压同相，实现功率因数校正，同时输出380V直流电压。
[0024]380V直流电压作为全桥功率变换电路的输入，电源管理芯片根据微处理器控制指令产生脉冲调制信号，该信号经驱动电路后，驱动全桥功率变换电路通过高频变压器原边对380V直流电压斩波，变压器副边输出的交变信号送入整流滤波电路平滑后产生正脉冲对电池充电。
[0025]微处理器电路由单片机构成，该单片机可由ATmegal6L单片机或XC164单片机以及相似功能单片机替代。微处理器电路具备AD转换电路，可对充电机的充电电压、充电电流以及温度等模拟量进行采集。微处理器电路和充电状态显示电路连接，充电状态电路由数码管或液晶显示电路构成，对充电状态直观显示。
[0026]微处理器和负脉冲产生电路连接，负脉冲产生电路由功率二极管、功率开关管和大功率电阻构成，并联在电池两端。微处理器发出负脉冲控制信号控制功率开关管导通，电池经功率电阻放电形成负脉冲，功率二极管的作用是防止电池接反损坏功率开关管，进而造成电池短路发生事故。
[0027]充电机的微处理器电路在充电过程中实时检测充电电压、电流和温度，微处理器根据电池的充电状态实时计算正负脉冲的脉宽、脉幅以及在单位充电周期中的正负脉冲的脉宽比例，经功率变换电路和负脉冲产生电路产生相应的正负脉冲对电池进行充电，实现电池的快速充电。
[0028]以72V/30AH的铅酸电池充电过程为例，结合附图2的充电流程图对充电机的快速充电过程说明如下:
[0029]上电启动后，充电机首先进行初始化操作，包括:设置微处理器的输入输出口状态，使能微处理器内部模数转换寄存器，设置定时器、数据存储器赋初值。
[0030]初始化完成后，充电机首先检测电池电压、充电机内部环境温度、功率因数转换电路输出的380V是否正常。根据电池电压判断电池是否接入充电机的充电输出口，若没有检测到电池未接入,充电循环检测电池电压,判断电池是否接入。若检测到电池接入,充电机启动全桥功率变换电路，对电池进行短时间(1-2分钟5A恒流电流)恢复性充电。
[0031]恢复性充电完成后，微处理机设定正脉冲幅度、脉宽初值、负脉宽初值，充电机以设定的脉冲参数充电，充电式正脉冲脉幅35A，脉宽200秒，负脉冲脉幅10A，脉宽2秒，正负脉冲之间加入0.5秒的停充时间间隔。
[0032]充电过程中充电机循环检测充电电压、电流以及充电机的温度。若电池电压没有达到电池的标称充电电压上限(84.6V)，充电机采集充电机温度，若充电机温度没有超过设定的温度上限(65°C)，充电机自动调整正负脉冲的脉宽比例，脉宽比例调整的规则是以正负脉冲的一个完整周期为间隔，以5秒的步进值增加正脉冲宽度，最大正脉冲宽度不超过300秒，超过300秒，正脉冲脉宽不再增加。通过上述处理使充电机正脉冲比例加大，平均充电电流增加，加快充电机的充电速度。
[0033]若充电机温度超过设定的温度上限(65°C)，充电机调整正脉冲脉宽脉幅，正脉冲脉宽脉幅调整的规则是:脉幅降低为30A，脉宽以正负脉冲的一个完整周期为间隔，以5秒的步进值缩短正脉冲宽度，最小正脉冲宽度不小于30秒，若小于30秒，温度仍超过设定的温度上限，进行过温保护，充电机关机。通过上述处理使平均充电电流减小，以免充电机由于温升过高损坏大功率功率器件。[0034]若电池电压达到电池的标称充电电压上限(84.6V)，充电机转入恒压负脉冲充电模式。在此模式下，充电机输出恒压值加在电池两端形成正脉冲充电，并加上负脉冲进行短时放电，消除极化现象。在该充电阶段，充电机循环检测充电电压、电流以及充电机的温度，由于正脉冲由恒压输出形成，充电电流会逐渐减小，如果充电电流没有达到预设值(5A)，那么充电机一直以恒压负脉冲充电模式充电，并检测充电机温度，若充电机温度超过预设值(65°C)，充电机调整正脉冲脉宽。调整规则是:以正负脉冲的一个完整周期为间隔，以5秒的步进值缩短正脉冲宽度。通过该方法使平均充电电流减小，以免充电机由于温升过高损坏大功率功率器件。
[0035]若恒压负脉冲充电模式下温度未超限，充电机自动调整正负脉冲的脉宽比例，脉宽比例调整策略是:以正负脉冲的一个完整周期为间隔，以5秒的步进值增加正脉冲宽度，最大正脉冲宽度不超过300秒，若超过300秒，正脉冲脉宽不再增加；充电电流每降2A，负脉冲脉宽减小0.1秒,最小负脉冲宽度不小于0.5秒,若小于0.5秒，负脉冲宽度不再减少。
[0036]如果在恒压负脉冲充电模式下充电电流达到预设值(5A)，充电机转入补充性充电阶段，在该阶段电池充电机去掉负脉冲，恒压充电，直到充电电流小于1A，充电结束。
【权利要求】
1.一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机，其特征在于包括功率因数校正电路、全桥功率变换电路、高频变压器、整流滤波电路、电流电压温度检测电路、负脉冲产生电路、驱动电路、电源管理芯片、微处理器控制电路和充电状态显示电路；220V交流市电送入功率因数校正电路，功率因数校正电路采取BOOST拓扑对220V交流市电进行功率因数校正，输出380V直流电压送至全桥功率变换电路；微处理器控制电路输送控制信号给电源管理芯片，电源管理芯片产生脉冲调制信经驱动电路驱动全桥功率变换电路对380V直流电压斩波，斩波后的380V直流电压输入高频变压器进行功率变换，然后输入整流滤波电路产生正脉冲送入电池进行充电；微处理器控制电路输送控制信号到负脉冲产生电路，负脉冲产生电路通过控制功率电阻对电池放电形成放电负脉冲；所述的充电状态显示电路连接微处理器控制电路用于显示电池的充电状态，所述的电流电压温度检测电路在充电过程中实时检测充电电压、电流和温度送至微处理器控制电路，微处理器控制电路根据电池的充电状态实时计算正负脉冲的脉宽、脉幅以及在单位充电周期中的正负脉冲的脉宽比例。
2.根据权利要求1所述的一种智能型正负脉冲动力电池快速充电机，其特征在于所述的负脉冲产生电路由功率二极管、功率开关管和大功率电阻构成，并联在电池两端。
3.一种权利要求1所述的智能型正负脉冲动力电池快速充电机的充电方法，其特征在于步骤如下: 步骤1:充电机上电启动后，对微处理器控制电路的输入输出口状态、数模转换寄存器、定时器和数据存储器进行初始化； 步骤2:初始化完成后，微处理器控制电路检测电池电压、充电机内部环境温度、功率因数校正电路输出是否正常:若没有检测到电池电压，微处理器控制电路循环检测电池电压；若检测到电池电压，充电机对电池进行短时间恢复性充电； 步骤3:恢复性充电完成后，微处理机控制电路设定正脉冲幅度、脉宽初值和负脉宽初值，充电机以设定的正脉冲幅度、脉宽初值和负脉宽充电； 步骤4:充电过程中电流电压温度检测电路循环检测充电电压、电流以及充电机的温度，若电池电压没有达到电池的标称充电电压上限，充电机米集充电机温度:若充电机温度没有超过设定的温度上限，充电机自动调整正负脉冲的脉宽比例，加大充电机正脉冲比例，加快充电机的充电速度；若充电机温度超过设定的温度上限，充电机调整正脉冲脉宽脉幅，减小平均充电电流；当电池电压达到电池的标称充电电压上限，充电机转入恒压负脉冲充电模式； 步骤5:在恒压负脉冲充电模式下，充电机输出恒压值加在电池两端形成正脉冲充电，同时形成负脉冲进行短时放电，消除极化现象；充电机循环检测充电电压、电流以及充电机的温度:如果充电电流没有达到停充预设值，充电机一直以恒压负脉冲充电模式充电，同时检测充电机温度:若充电机温度超过预设值，充电机调整正脉冲脉宽，减小平均充电电流；若充电机温度未超限，充电机自动调整正负脉冲的脉宽比例，加快充电机的充电速度；当充电电流达到停充预设值，充电机转入补充性充电模式； 步骤6:在补充性充电模式中，小电流恒流充电直到充电结束。
【文档编号】H02J7/04GK103904746SQ201410135779
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】高田, 羊彦, 景占荣 申请人:西北工业大学