脉冲充电电路及充电装置的制作方法

本实用新型涉及电池电路技术领域，特别涉及一种脉冲充电电路和一种充电装置。

背景技术：

电池充放电过程实际上是电化学活性物质在电场作用下可逆的氧化还原反应过程，由于是可逆反应就会出现在充电时soc(剩余电荷百分比)为0时正极活性物质当量浓度最大，接受充电电流的能力最快强，随着充电的继续进行包裹在正极外面的活性物质逐渐减少，正极活性物质表面形成了一层膜，该膜对内层活性物质与电荷的反应形成阻碍作用，因此充电接受电荷能力就越来越差，充电电流越来越小。要想保持充电电流不变需要逐渐提高充电电压或降低充电电流即涓流充电过程，因此要想将电池soc充到100％需要较长时间。

但是实现快充的根本就是要解决电池的析气问题，消除极化反应，能够保证不损伤电池的情况下提高电池可接受的充电电流，这样才能实现快速充电。目前大多采用的充电方式为脉冲充电的方法，在电芯恒流充电的过程中,给电池的正极和负极同时注入脉冲，这两种脉冲的幅值和占空比以及频率都一样，但是这两种脉冲的波形相位相差半个周期，电芯在这两种脉冲叠加下的效果周而复始，这种充电方式相当于只给电芯在恒流充电的基础上添加了一种“催化剂”，不会影响恒流充电的效果，而且这种充电方式可以方便的计算脉冲个数，使脉冲效果量化，这种方式经过实验证明了确实可以减少电池内部的极化反应，减轻了电池的内阻和发热，提高了电池可接受的充电电流比，加快了充电速度，使蓄电池可以吸收更多的电量，但是此方式的实现电路却大多只采用脉冲电流源进行充电，该方式无法施加反向电流，也缺少对电流均值的调节措施，无法满足脉冲充电中对电流的精准化和个性化要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种脉冲充电电路及系统，以至少解决现有脉冲充电中的电路的单向性和可调性问题。

为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种脉冲充电电路，所述电路包括：

h桥驱动电路，用于向待充电电池提供脉冲充电电流；

所述h桥驱动电路包括四个半导体开关器件；所述半导体开关器件分别位于h桥的四角，所述待充电电池位于所述h桥的输出端；其中所述h桥对端的一对所述半导体开关器件同时受第一开关信号控制，所述h桥对端的另一对所述半导体开关器件同时受第二开关信号控制，所述第一开关信号和第二开关信号反向；以及恒流源，用于向所述待充电电池提供恒流充电电流；

所述恒流源的正极与所述待充电电池的正极相连，负极与所述待充电电池的负极相连。

可选的，所述h桥驱动电路包括：

第一pmos和第一nmos串联成的第一支臂；

第二pmos和第二nmos串联成的第二支臂；

所述第一pmos和第二pmos的源极连接至vcc，所述第一nmos和第二nmos的源极接地；所述第一pmos和第一nmos的漏极相连，连接点为输出端第一端；所述第二pmos和第二nmos的漏极相连，连接点为输出端第二端；

所述待充电电池位于所述输出端第一端和输出端第二端之间；

所述第一pmos和第一nmos的栅极相连，所述第二pmos和第二nmos的栅极相连。

可选的，所述脉冲充电电路还包括：脉冲信号生成电路和信号调整电路；

所述脉冲信号生成电路用于生成并输出脉冲信号，

所述信号调整电路用于将所述脉冲信号分别放大和反相后，输出至所述半导体开关器件的控制端或栅极。

可选的，所述脉冲信号生成电路包括：

555定时器芯片；以及与所述555定时器芯片的引脚相连的电路：

电阻r1接在vcc与放电引脚之间，

触发引脚与阈值引脚短接，并经电容c2和电容c3后连接至控制引脚，

所述阈值引脚通过电阻r4连接至滑动变阻r3的滑动端，所述滑动变阻r3的一端与所述放电引脚相连，其另一端经电阻r2后与所述放电引脚相连。

可选的，所述电阻r4为可变电阻。

可选的，所述信号调整电路包括npn三极管和pnp三极管，

所述npn三极管的发射极接地，集电极通过第一上拉电阻接至vcc，基极与所述脉冲信号生成电路的输出端相连；所述集电极输出反相后的脉冲信号；

所述pnp三极管的集电极接地，发射极通过第二上拉电阻接至vcc，基极与所述脉冲信号生成电路的输出端相连；所述发射极输出放大后的脉冲信号。

可选的，所述npn三极管的集电极与所述第一pmos和第一nmos的栅极相连；所述pnp三极管的发射极与所述第二pmos和第二nmos的栅极相连。

可选的，所述恒流源与所述待充电电池之间通过二极管相连，即：

所述二极管的正极与所述恒流源的正极相连，所述二极管的负极与所述待充电电池的正极相连。

在本实用新型的第二方面，还提供了一种充电装置，所述充电装置包括前述的脉冲充电电路。

可选的，所述充电装置包括两个充电位；两个充电位的负极短接，并与所述恒流源的负极相连，所述充电位的两个正极分别与所述输出端第一端和输出端第二端相连，同时所述两个正极均与所述恒流源的正极相连或通过反接的二极管与所述恒流源的正极相连。

通过本实用新型提供的上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)这种充电方式输出方形脉冲频率和占空比可调，可以方便的调试能使充电效率最大时的状态；脉冲充电电流可调，可实现大倍率充电；开关频率特性稳定，响应速度快；电路输出稳定，成本更低。

(2)该种新型的脉冲充电方式未对电芯本身恒流充电造成负面影响，然而更像是起到了一种“催化剂”效果，可以降低充电时的热损耗，提高充电效率。

(3)与直流电源的隔离；脉冲产生电路不会对直流电源造成损伤。起到了一定的保护作用。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型一种实施方式提供的脉冲充电电路的结构示意图；

图2是本实用新型一种实施方式提供的脉冲充电电路的电流叠加示意图；

图3是本实用新型一种实施方式提供的脉冲充电电路的h桥结构及电流流向示意图；

图4是本实用新型一种实施方式提供的脉冲充电电路的整体示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

图1是本实用新型一种实施方式提供的脉冲充电电路的结构示意图；如图1所示，本实用新型提供一种脉冲充电电路，所述电路包括：

h桥驱动电路，用于向待充电电池提供脉冲充电电流；所述h桥驱动电路包括四个半导体开关器件；所述半导体开关器件分别位于h桥的四角，所述待充电电池位于所述h桥的输出端；其中所述h桥对端的一对所述半导体开关器件同时受第一开关信号控制，所述h桥对端的另一对所述半导体开关器件同时受第二开关信号控制，所述第一开关信号和第二开关信号反向；以及恒流源，用于向所述待充电电池提供恒流充电电流；所述恒流源的正极与所述待充电电池的正极相连，负极与所述待充电电池的负极相连。

如此，本实施方式提供的脉冲充电电路能够提供独有的脉冲充电方式，不会对电芯本身恒流充电造成负面影响，更像是起到了一种“催化剂”效果，可以降低充电时的热损耗，提高充电效率；与直流电源的隔离；脉冲产生电路不会对直流电源造成损伤，并起到了一定的保护作用。

具体的，本充电电路包括恒流充电电路和脉冲充电电路，恒流充电电路采用恒流源提供恒流充电电流，脉冲充电电流采用h桥驱动电路。此处的h桥电路，通过周期性的信号输入，将产生特定占空比和频率的脉冲波形，而且该脉冲波形能够周期性反向，交替作用于电池电芯的正极和负极，达到充电状态、静置状态和放电状态交替的目的，以实现提升充电效果。两者叠加的效果如图2所示，图2是本实用新型一种实施方式提供的脉冲充电电路的电流叠加示意图。其主要的目的是在待充电电池或电芯两端形成脉冲式的充电电流，图2中的恒流源为0.5a，与脉冲电流叠加后的电流的峰值为1.5a，谷值为-0.5a，相当于对该电芯采用边充电边放电的方式。而如果将图2中恒流源提升至为1a，其叠加后的电流的谷值为0a，相当于对该电芯采用充电和静置交替的方式。通过这种对电池的正极和负极同时注入脉冲的方式，以提升脉冲充电的充电效果。

h桥电路多用于直流电机控制电路，其原理在于对角线上的一对三级管导通，实现对直流电机的供电。而根据不同三极管对的导通情况，电流的流向呈反向的变化，从而控制该直流电机的转向。本实施方式中的h桥驱动电路采用同样的原理，通过不同三极管对的导通，实现对待充电电池的正负极的脉冲冲击，以实现脉冲充电。其具体结构在后文详述。

在本实用新型提供的一种实施方式中，所述h桥驱动电路包括：第一pmos和第一nmos串联成的第一支臂；第二pmos和第二nmos串联成的第二支臂；所述第一pmos和第二pmos的源极连接至vcc，所述第一nmos和第二nmos的源极接地；所述第一pmos和第一nmos的漏极相连，连接点为输出端第一端；所述第二pmos和第二nmos的漏极相连，连接点为输出端第二端；所述待充电电池位于所述输出端第一端和输出端第二端之间；所述第一pmos和第一nmos的栅极相连，所述第二pmos和第二nmos的栅极相连。

图3是本实用新型一种实施方式提供的脉冲充电电路的h桥结构及电流流向示意图，如图3所示。h桥可使其连接的负载或输出端两端电压反相/电流反向。这类电路可用于需要顺反向控制的场合。涉及转速控制、步进电机控制，电能变换中的逆变器及变频器、部分直流-直流变换器等，以及其它的功率电子装置。图3中仅表示了h桥的电流流向，恒流源的电流流向没有在图中表示。当p1和n2导通时，电路的流向如图中的实线方向所示，此时在①点处产生有正向脉冲，而在另外一种情形下，仅当p2和n1导通时，电路的流向如图中的虚线方向所示，此时在②点处产生有正向脉冲，以此达到交替脉冲的目的。

在本实用新型提供的一种实施方式中，所述电路还包括：脉冲信号生成电路和信号调整电路；所述脉冲信号生成电路用于生成并输出脉冲信号，所述信号调整电路用于将所述脉冲信号放大或反相后，输出至所述半导体开关器件的控制端或栅极。

在前述的脉冲充电过程中，需要有输入h桥的脉冲控制信号，以控制h桥对侧半导体开关器件打开和闭合，实现对电池正极和负极的交替脉冲。本实用新型的实施方式中的脉冲控制信号可以采用外接的脉冲控制信号，也可以增加上述的脉冲信号生成电路和信号调整电路，以在电路中自己生成所需的脉冲信号。在前述的电路增加脉冲信号生成电路和信号调整电路，虽然增加了电路的结构和复杂性，但是降低了对输入信号的要求，扩展了本实施方式中的脉冲充电电路的应用场景。

因此，若本实用新型的实施方式中包括有脉冲信号生成电路，在本实用新型提供的一种实施方式中，所述脉冲信号生成电路包括：555定时器芯片；以及与所述555定时器芯片的引脚相连的电路：

电阻r1接在vcc与放电引脚之间，触发引脚与阈值引脚短接，并经电容c2和电容c3后连接至控制引脚，所述阈值引脚通过电阻r4连接至滑动变阻r3的滑动端，所述滑动变阻r3的一端与所述放电引脚相连，其另一端经电阻r2后与所述放电引脚相连。其中所述电阻r4可选为可变电阻。

脉冲信号生成电路的核心原件为555多谐振荡器。555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，它含有2个电压比较器，一个rs触发器，一个放电开关t，比较器的参考电压由3只5kw电阻器构成的分压器提供。利用555组成的多谐振器来实现脉冲发生电路。

555定时器和外接元件r1、r2、c2、c3构成，将555的2端与6端连接在一起成施密特触发器，然后再3端经rc积分部分回输入端便构成多谐振荡器。在此设计中利用电源通过r1、r2、r3、r4向c2充电，以及c2反向通过r1、r2、r3、r4放电，使电路产生震荡，在这一部分中添加了d1、d2两个二极管，防止电流反向。电容c2在1/3vcc和2/3vcc之间进行充电和放电，产生脉冲波形，通过改变r1和c2的参数即可改变振荡频率，此时v0可输出为矩形波。该部分添加了r3和r4两个滑动变阻器，添加r4的作用为使得方便的调节输出脉冲的频率，输出频率的计算公式为：

r3的作用为使得输出频率的占空比可以调节，当r3与r4阻值越接近时，占空比调节的越灵敏，当r3于r4阻值差值很大时，r3的调节能力则变弱，即在高频情况下占空比越容易调节。并且这种充电方式输出方形脉冲频率和占空比可调，可以方便的调试能使充电效率最大时的状态；脉冲充电电流可调，可实现大倍率充电；开关频率特性稳定，响应速度快；电路输出稳定，成本更低。

在本实用新型提供的一种实施方式中，所述信号调整电路包括npn三极管和pnp三极管，所述npn三极管的发射极接地，集电极通过第一上拉电阻接至vcc，基极与所述脉冲信号生成电路的输出端相连；所述集电极输出反相后的脉冲信号；所述pnp三极管的集电极接地，发射极通过第二上拉电阻接至vcc，基极与所述脉冲信号生成电路的输出端相连；所述发射极输出放大后的脉冲信号。

前述的h桥需要反向且同步严格的控制信号，以避免证h桥上两个同侧的三极管不会同时导通。假如三极管p1和n2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因而电路上的电流就可能到达最大值(该电流仅受电源性能限制)，以至烧坏三极管。通过采用npn三极管和pnp三极管，在同一个脉冲信号输入的情况下，能够分别产生放大的脉冲信号和反向的脉冲信号。此处的调整电路用于将信号进行放大后对h桥进行驱动，另一路对信号进行反向后对h桥进行驱动，以实现准确反向的目的。

在本实用新型提供的一种实施方式中，所述npn三极管的集电极与所述第一pmos和第一nmos的栅极相连；所述pnp三极管的发射极与所述第二pmos和第二nmos的栅极相连。

此处的实施方式中，上一实施方式中所产生的放大脉冲信号和反向脉冲信号即前文所述的第一开关信号和第二开关信号，mos管的控制极为该mos管的栅极，此处的连接方式即将调整电路的输出连接至h桥的对应的输入端。

在本实用新型提供的一种实施方式中，所述恒流源与所述待充电电池之间通过二极管相连，即：所述二极管的正极与所述恒流源的正极相连，所述二极管的负极与所述待充电电池的正极相连。恒流源充电装置正极经过两个耐大电流的二极管后与电芯(待充电电池)的正极连接，此处两个二极管的作用为隔离脉冲信号和恒流源的直流电流，防止脉冲电流回流进恒流源充电装置设备里面，对设备造成不良影响。

在本实用新型提供的一种实施方式中，还提供了一种充电装置，所述充电装置包括前述的脉冲充电电路。将本实用新型中的脉冲充电电路应用于充电装置，能够显著提升充电装置的充电效率，并对电池可以减少电池内部的极化反应，减轻了电池的内阻和发热，提高了电池可接受的充电电流比，加快了充电速度，使蓄电池可以吸收更多的电量，从而允许充电时用更大的电流充电，并且这种脉冲电流的频率和占空比可以调整，所以可以探测充电效果最佳时对应的频率和占空比大小。

进一步的，所述充电装置包括两个充电位；两个充电位的负极短接，并与所述恒流源的负极相连，两个充电位的正极分别与所述输出端第一端和输出端第二端相连，同时两个充电位的正极均与所述恒流源的正极或二极管的负极相连，该二极管的正极与恒流源的正极相连。在实际的操作中，采用两个电池进行同时充电，具有更高的充电效率。因为在脉冲的反向中能够利用此负脉冲对另一电池进行充电，而不会造成一定时长的空置周期，缩短电池的充电时间，提升电池的充电效率。

图4是本实用新型一种实施方式提供的脉冲充电电路的整体示意图，如图4所示。图4的最左侧为555多谐振荡器；通过其本身以及外围电路获得方波脉冲，方波脉冲通过3引脚输出到q1，q2，q3，q4的基极，基极前的r1，r2，r3，r4为驱动电阻，q1，q2为npn型三极管，发射极接地，集电极通过阻值为100ω的上拉电阻连接到vcc；q3，q4为pnp型三极管，集电极接地，发射极通过阻值为100ω的上拉电阻连接到vcc。其中q1和q2的器件类型、连接方式和工作状态完全一致，可以将其合设，并同时与第一pmos和第一nmos的栅极相连；q3和q4同理。p1、p2为p沟道mos，p3、p4为n沟道mos，四个mos的g极均连接到三极管的上拉电阻处，p-mos的s(源)极连接到vcc，r9为功率电阻，可承受流过较大的电流，n1，n2，n-mos的s(源)极连接到地，p1与n1的d(漏极)相连，p2与n2的d(漏极)相连。电路中的三极管和mos管均作为开关使用。r10，r11为功率电阻。

其工作过程如下：当脉冲输出为高电平时，q1，q2此时由关断状态转为导通，p1，n1的g(栅极)电压为0，q3，q4此时保持关断状态，p2，n2的g(栅极)电压为高电平，根据mos管特性，p1此时导通，n2此时导通，此时电路导通；当脉冲输出为低电平时，q1，q2关断，q3，q4导通，n1基极为高电平，p2基极为低电平，n1，p2导通，电路导通；电流通过h桥对角开关同时交替打开对两个电芯正极进行脉冲冲击。为了效果更加直观，电芯①②正极处波形可以通过示波器进行波形验证。

通过本实施方式中的电路，可以实验通过常规恒流充电与脉冲充电两种方式进行对比。在对比同等倍率充电电流下，检验脉冲充电与恒流充电两种方式的充电效果，并监测电芯的参比电极所示和温度。此处添加参比电极的意义在于监测电芯的极化反应程度，当参比电极的电压低于0v时，说明电芯已经发生极化，经过对比发现：脉冲充电的确可以延缓电池极化反应，使电池能够充入更多的电量。同一电芯在1.5c恒流时可充电1220秒，叠加15k6a的脉冲电流后，可充电1570秒，即提升28.7％的充电能力，同时温度可降低0.5℃。由此可见，通过以上实施方式，能够显著提升充电能力，并降低充电电池的升温。

以上结合附图详细描述了本实用新型实施例的可选实施方式，但是，本实用新型实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型实施例的技术构思范围内，可以对本实用新型实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型实施例的思想，其同样应当视为本实用新型实施例所公开的内容。