专利名称：自适应时变恒流逆变高速率充电机的制作方法
技术领域：
本实用新型提供了一种由专用和通用集成芯片参与控制的对蓄电池无欧姆效应的电化学电动势采样跟踪调节的高速率充电机。
蓄电池的充电是十分复杂的电化学反应过程，当充电过程中充电电流超出该蓄电池的最大允许电流值时，这部分超出的电能不能转变成化学能，反而使电解液水分解排出大量气体，温度升高，损坏电极板，导致蓄电池工作容量降低寿命缩短，经验指出蓄电池自然接受充电电流是一条按指数规律下降的曲线，其方程i＝Io·e－at(a＞0)，为了保证充电电流不超过限度，又有最快的充电速度必须在充电过程不断调整充电电流，否则只能选择一个较小的充电电流，这将大大延长充电时间，且不能使蓄电池充足容量，这是当前充电机的致命弱点。
在充电过程中不断调节充电电流，使充电电流曲线接近理想曲线并尽可能充足容量，为此日本特许公报上公开的(A)昭61－1229采用了与电网直接相连的带有高频转换开关的充电电流发生回路，及在充电电流输出端插入积与电路来检测蓄电池电压并按检出的电压设置定时电路控制充电电流幅值，在蓄电池充电后期采用降低电流幅值法限制过充电的产生。在日本公开特许公报上记载的(A)昭61－26438，专利申请中则增加温度检测回路，并将充电电流曲线变为阶梯形阶段充电过程，上述方法虽改善了充电的条件，加快了充电速度，但其充电过程的充电电流曲线与实际可接受曲线还相差甚远，由于无法实现精确控制，其过充电，过温出气等现象在所难免。中国专利CN86100795A中提出了采用微机控制，随机检测充电过程中电流参数的变化并力求将充电过程曲线与实际理想曲线i＝Io·e－at相吻合，但也由于Io和a在整个充电过程中不是一个常量，而充电回路中又采用普通工频电流整流，其谐波成份多，峰值电压波动大，在充电效果及充电速度上扔然不能令人满意。
本发明创造的目的就是克服上述缺点提供一种自动适应蓄电池电化学、浓差极化电势随时变化的采样跟踪式的高速率充电机以实现最佳快速充电过程。
本实用新型以麦斯三定律为基础，第一定律为一个蓄电池以任何给定电流放电其充电接受率a与放电容量c的平方根成反比，即aα ，第二定律为一个蓄电池的充电接受率和放电电流Iα的对数成线性关系，即α＝ Lg(KIα)第三定律为一个蓄电池经几种放电率放电，其充电接受电流是各个放电率下接受电流之和，即It＝I1＋I2＋I3＋…，同时αt＝ (It)/(Ct′) 式中at为总的冲电接受率，It为总的接受电流，Ct为放出的总电量，根据上述定律对蓄电池采用脉冲快速充电。在本实用新型中采用恒流充电方式即用IH代替IO，还采用离散脉冲时间分割法对理想充电曲线进行自适。应动态采样跟踪，如图2所示，为了达到适应各种蓄电池结构容量不同的要求，本实用新型采用了无欧姆极化电势的蓄电池电动势检测方案，并结合去极化放电处理实现高速充电，也就是在本实用新型中先设定一个微量当充入电量变化率小于该微量值时，即认为充电过程结束，并满容量充电，于是停止充电，这是借助蓄电池电压闭环采样测控系统，将采样信号按给定逻辑关系处理后调控可调脉宽的高频脉冲恒定直流充电回路及在可控去极化放电回路配合工作下充、放电或停止充电。量终实现按理想的充电曲线对蓄电池高速充电。
相对当前已有的充电机本实用新型不仅实现了高速充电、充足电，而且从根本上防止了水分解及温升等缺点，从而大大提高了蓄电池循环充电次数和寿命。
图1为理想充电电量曲线图2为实际充电电量曲线图3为本实用新型电路的框图图4为可调高频脉冲恒定直流充电电路、去极化放电电路及采样逻辑控制回路图5为图4中的高频振荡电路图6为停止充电报警电路图7为时钟时序图8为参量时序图9为与门(22)输出时序
以下结合附图作进一步详细说明图1及图2为本实用新型的基本数学模型，即用高度为IH脉宽随采样而变化幅值的离散脉冲来尽可能地迫近理想充电曲线。
本实用新型由恒流高速充电电路(1)、本机供电电源(2)、被充蓄电池及指示组件(3)、去极化放电电路(4)及微电子控制系统(5)组成。
充电电路(1)由商频振荡电路(6)、高频振荡驱动器(7)、脉宽调制器(8)、高频隔离变压器(9)、高频整流器(10)组成，微电子控制系统(5)由去极化电路窄脉冲形成及驱动器(13)、采样开关(14)、基准电压源(15)、参量比较器(16)、长周期时钟源(17)、逻辑运算电路(18)组成。
各部件间的关系是本机供电电源(2)输入端接普通工频电网，输出一个直流给各部件作直流供电，另一输出到高频振荡电路(6)，振荡电路的输出接至高频隔离变压器(9)的输入，充电电流检测点(12)接在其间，高频隔离变压器的输出接至高频整流器(10)的输入端，高频整流器将电流输出至蓄电池(3)，被充电蓄电池电压检测点(11)接在其间，去极化放电电路(4)跨接在蓄电池的两端，去极化放电电路上接有窄脉冲形成及驱动器(13)。参量比较器(16)接一个基准电压源(15)的输入及一个来自电压检测点(11)并经过一个采样开关(14)的输入，输出则作为逻辑运算电路(18)的组成元件与门(22)的一个输入端，与门的另一个输入端(21)连至长周期时钟源(17)，与门输出连一个反相器(23)，与门输出端还连有停充报警启动线(19)，反相器输出接至频宽调制器(8)的引脚4，频宽调制器还通过引脚1经整流器(24)与电流检测点(12)相接，通过引脚2与变阻器(20)相接，R1、C1振荡电路与频宽调制器相连接，频宽调制器将输出连至高频振荡驱动(7)，它又将信号送至高频振荡电路(6)。
高速充电电路(1)是一个可调的高频脉动锯齿波直流电源，其输入端与本机供电电源(2)相连，输出端跨接在被充蓄电池(3)的两端，用对锯齿波占空比的调节来控制充电电流的大小。高速充电电路(1)由三个主要部分组成，其一脉宽可调的高频振荡器，它又由三个部件组成，一个是由一个1－4个功率场效应管组成的全桥式、半桥式、推挽式或各类电感储能高频振荡电路(6)，在本机电源(2)的支持下将一般工频电网交流转化为高频锯齿波逆变电源，图5给出了高频振荡电路的一个具体参考电路，第二个部件为一个频宽调制器(8)，它可采用现成的集成片子来做高频振荡电路的脉宽调节，例如可用德克萨斯仪器公司的TL494、TL495、TL594等，频宽调制器接上外部的R1、C1产生合适的高频振荡，接在频宽调制器引脚4上的电容C2用来做频宽调制器的软启动，其振荡输出经第三个部件驱动器(7)加在高频振荡电路(6)的功率场效应管的控制极上，实现对高频振荡电路工作状态的调控。具体调控为来自频宽调制器内部基准电压源经过变阻器(20)取得基准加在引脚2上，引脚1取得电流反馈信号，则来自(12)的电流变化即可变换频宽调制器的脉宽占空比，从而改变高频振荡电路功率场效应管的导通时间间隔，实现对高频锯齿波电流脉冲宽度调节，达到恒流目的，并可起到短路保护限流作用。
高速充电电路(1)的第二部分是隔离式高频变压器(9)，它的输入端与高频振荡电路(6)相接，充电电流检测点(12)在高频振荡电路及高频变压器之间取样，高频变压器传递高频电源并将电网与充电工作回路隔离。
高速充电电路(1)的第三部分为高频整流器(10)。它与高频变压器输出端相连，将高频交流电源变成高频脉动直流，高频整流器的输出端引至被充电的蓄电池(3)高频整流器由1至2只快速恢复二极管搭成。
本实用新型另一个重要组成部分是长周期脉宽可调的同步断路电路，它由微电子控制系统(5)来完成，它包含长周期时钟电路(17)参量比较电路(16)及逻辑运算电路(18)，长周期时时钟电路可采用通用的时基集成片子或分立元件搭成。其输出时钟信号送入逻辑运算电路的一个输入端，参量比较器输出信号送入逻辑运算电路另一个输入端，经逻辑运算后信号送至频宽调制器的引脚4，控制频宽调制器来实现对高速率充电回路的通或断。
工作时时钟电路(17)定时发出固定周期的时钟脉冲送入逻辑运算电路(18)的输入端(21)，时钟脉冲输出为“0”电平时与门(22)输出“0”经反相器(23)后，输出“1”，使引脚4为“1”电平，频宽调制器(8)停止振荡，控制高速充电回路(1)电流中断截止，同时与门(22)输出的“0”电平又控制采样开关(14)接通，使蓄电池电势进入参量比较器(16)进行判断，当蓄电池电势高于基准电位(15)时，参量比较器输出“0”，反之输出“1”。一般在蓄电池未充满电时虽有内部的浓差极化和电化学极化电压，但在去极化放电电路(4)放电作用下极化现象逐渐消失，使蓄电池端电压下降至低于基准电位，这时参量比较器又输出“1”，时钟脉冲也为”1“时，高速充电电路接通，时钟脉冲为“0”时高速充电电路输出中断，但时钟脉冲为“1”时，高速充电电路不一定能接通，还要由与门(22)的另一个输入端来共同决定，只有时钟脉冲输入“1”，参量比较输出也为“1”时，与门输出为“1”，引脚4才能为“0”，使频宽调制器有输出，使高速充电电路接通，重新对蓄电池充电。由于时钟信号是固定周期的，当参量比较器输出为“1”电平的时间小于时钟脉冲输出为“1”电平的时间，则高速充电电路重新接通时刻同步于参量比较器的输出，如图7、图8、图9所示。当充电进行到后期时，由于蓄电池电势逐渐升高，去极化后蓄电池电势下降变缓使参量比较器输出“1”电平时间变短，从而使高速充电电路的输出停止时间变长，接通时间变短，当停止时间到设定点时，停充报警电路(19)报警，指示操作人员停机，直至最后自动停机，这样就使高速充电电路的通断自动适应蓄电池电势的变化，实现高速充电，充满电。
本实用新型有一个去极化放电电路(4)，它是一个窄脉冲放电电路，由一个功率场效应管和一个放电电阻R5组成，跨接在蓄电池的两端，R4为检流电阻，即这一电路的放电导通受时钟电路和参量比较器的逻辑控制，当时钟信号为“0”，高速充电电路中断，并触发窄脉冲形成反驱动器(13)，控制场效应管导通放电，当采样到蓄电池电势超过出气点电压时，则参量比较器输出“0”封锁时钟脉冲，使之不能触发放电场效应管导通。
权利要求1.一种由专用和通用集成芯片控制的高速充电机，其结构包括恒流高速充电电路、本机供电电源、被充蓄电池及指示组件、去极化放电电路及微电子控制系统，其特征在于高速充电电路(1)是一个可调的高频脉动锯齿波直流电源，其输出端跨接在被充电蓄电池(3)的两端，用对锯齿波占空比的调节来调节充电电流的大小，去极化放电电路(4)是窄脉放电电路，它跨接在被充电蓄电池的两端，可调高频脉动锯齿波直流电源的充电或中断截止信号线、脉宽调节信号线与微电子控制系统(5)的相应输出端相连，去极化放电电路的启动信号线与微电子控制系统的相应输出端相连，微电子控制系统根据在充电电流截止的中断间隔采样的参量经微电子系统内的硬件逻辑运算处理并发出控制信号。
2.根据权利要求1所述的高速充电机，其特征在于所述高速充电电路(1)包括一个脉冲宽度可调的高频振荡器，它将受控调制电量送至高频变压器(9)，高频变压器将与电网隔离后的交变电量送至高频整流器(10)，整流后的高频脉动直流由高频整流器输出端引至被充电蓄电池的两端。
3.根据权利要求1、2所述的高速充电机，其特征在于所述脉冲宽度可调的高频振荡器由高频振荡电路(6)、高频振荡驱动器(7)和一个频宽调制器(8)组成，频宽调制器可选用德克萨斯仪器公司生产的TL494配接电阻、电容搭成，其输出通过驱动器(7)加在高频振荡电路(6)的功率场效应管的控制极，来自电流检测点(12)的变化的信号经整流器(24)变换后加在频宽调制器(8)的引脚1上，引脚2连接变阻器(20)，引脚4连至微电子控制系统(5)的输出端。
4.根据权利要求1所述的高速充电机，其特征在于所述的微电子控制系统(5)有一个长周期时钟电路(17)其输出为与门(22)的一个输入，基准电压源(15)的信号及电压检测点(11)检出，经采样开关(14)引来的信号均送入参量比较器(16)进行比较，并输出至与门(22)的另一输入端，与门的输出连至反相器(23)作为输入，反相器的输出则引至频宽调至器的引脚4。
5.根据权利要求1所述的高速充电机，其特征在于去极化放电电路(4)由放电电阻及串接的功率场效应管连至窄脉冲形成及驱动器(13)，并通过检流电阻跨接在被充电蓄电池的两端。
6.根据权利要求1或2所述的高速充电机，其特征在于所说高频整流器(10)由快速恢复二极管1至2只搭成。
专利摘要本实用新型提供了一种由专用和通用集成芯片参与控制的对蓄电池无欧姆效应的电化学电动势采样跟踪调节的高速率充电机，它由蓄电池电压闭环采样测控系统、可调脉宽的高频脉冲恒定直流充电回路、可控去极化放电回路及蓄电池充电工作组件构成，具有控制可靠、结构简单、操作方便的特点，能实现高速充电，充足电，而又不过量充电，从根本上防止水分解及温升，从而大大提高蓄电池充电循环次数和寿命。适用于各种结构及各种功率的蓄电池。
文档编号H02J7/10GK2100052SQ9121945
公开日1992年3月25日 申请日期1991年8月6日 优先权日1991年8月6日
发明者李桂森, 祝宝章 申请人:哈尔滨市南岗区恩普施通用电气厂