專利名稱：新型快速脈沖充電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種給電動摩托車和電動自行車上的動力鉛酸蓄電池組充電的充電器，尤其是具有脈沖電流充電方式的脈沖充電器。
現(xiàn)有較為先進(jìn)的用于給電動摩托車和電動自行車上動力鉛酸蓄電池組充電的脈沖充電器，采用脈沖充電電流形式，在充電過程中兩相鄰脈沖充電電流間有間歇，并在此間歇期間伴隨著被充電電池組的短暫放電脈沖，例如專利號為95225469、95202199、96207716、95229383、96236027、96247674、96237013的這些中國專利均屬于這一類脈沖充電器。但是上述充電器由于在充電過程中充電脈沖寬度、間歇時間、放電脈沖寬度固定不變，因此不利于消除被充電電池組的電極化現(xiàn)象，使得被充電電池組的充電接受率較低，電池組在充電過程中容易發(fā)熱，因此充電速度較慢、充電效率較低。
本實用新型的目的是提供一種給電動摩托車和電動自行車上的動力鉛酸蓄電池組充電的新型快速脈沖充電器，該充電器能克服上述脈沖充電器在充電過程中充電脈沖寬度、間歇時間、放電脈沖寬度固定不變的缺點，并根據(jù)檢測到的被充電電池組的充電電壓值，分階段調(diào)整充電脈沖寬度、間歇時間和放電脈沖寬度，從而可進(jìn)一步消除被充電電池組的電極化現(xiàn)象，以提高充電器的充電速度和充電效率。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型所涉及的新型快速脈沖充電器主要由AC／DC變換器、DC／DC變換器、比較器組、控制器和放電電路這幾部分構(gòu)成。AC／DC變換器即為整流濾波電路，把工頻AC220V電源電壓變換為DC280V電壓，作為DC／DC變換器的高壓功率輸入，DC／DC變換器中的兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)管IGBT交替導(dǎo)通，產(chǎn)生交流驅(qū)動電壓并加到高頻降壓變壓器的初級線圈，此變壓器的輸出電壓經(jīng)全波整流后產(chǎn)生的輸出電壓給被充電的電池組充電。上述兩個IGBT導(dǎo)通控制信號由PWM專用控制芯片GS3525的兩路PWM輸出端發(fā)出的脈沖經(jīng)驅(qū)動電路給出。在電池組充電回路中串有一個充電電流采樣電阻，充電電流采樣值反饋到SG3525的反饋輸入端產(chǎn)生電流負(fù)反饋，自動調(diào)節(jié)SG3525的兩路PWM輸出脈沖的占空比，以保證充電電流值穩(wěn)定不變。放電電路由放電電阻和功率場效應(yīng)管串聯(lián)而成，并接被充電電池組的兩端，場效應(yīng)管的控制極只有接收到導(dǎo)通控制信號后才能導(dǎo)通，這時電池組才能通過放電電阻放電?？刂破鞑糠钟蓡纹瑱C(jī)AT89C2051及其晶振等基本外部電路構(gòu)成。AT89C2051輸出口P3．0連接到SG3525的管腳10端，當(dāng)P3．0口發(fā)出低電平“0”，SG3525的兩路PWM輸出脈沖能正常給出，充電電流能產(chǎn)生，P3．0口發(fā)出低電平“0”的寬度(時間)，決定了充電脈沖寬度；當(dāng)P3．0口發(fā)出高電平“1”給SG3525的管腳10，SG3525的兩路PWM輸出脈沖被封鎖，即兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)管IGBT都不能導(dǎo)通，不能產(chǎn)生充電電流，P3．0口發(fā)出低電平“1”的寬度(時間)，決定了充電過程中的間歇時間。AT89C2051輸出口P3．1通過一電阻連接到放電電路中的功率場效應(yīng)管的控制端，當(dāng)P3．1輸出高電平“1”時，功率場效應(yīng)管導(dǎo)通，電池組通過放電電阻放電，當(dāng)P3．1輸出低電平“0”時，功率場效應(yīng)管截止，電池組放電回路被斷開，P3．1輸出高電平“1”的寬度(時間)，決定了充電過程中電池組的放電脈沖寬度。電池組的充電電壓值被取樣送到比較器組的輸入端，比較器組由三個比較器構(gòu)成，隨著充電電壓的提高，三個比較器的輸出端根據(jù)所設(shè)定的比較電壓基準(zhǔn)值逐個輸出高電平信號“1”，三個比較器的輸出端分別連到單片機(jī)AT89C2051的輸入口P1．2、P1．3、P1．4，單片機(jī)AT89C2051中的程序能根據(jù)所接收到的P1．2、P1．3、P1．4的高電平信號“1”狀態(tài)，判斷被充電電池組的充電值，通過控制其輸出口P3．0和P3．1的電平狀態(tài)，分階段調(diào)整充電過程中的充電脈沖寬度、間歇時間和放電脈沖寬度。
由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型所涉及的新型快速脈沖充電器，能根據(jù)檢測到的被充電電池組的充電電壓值，分段控制充電過程中的充電脈沖寬度、間歇時間和放電脈沖寬度，使充電器工作在合理的工作狀態(tài)之下。例如，在充電的初始階段，被充電的電池組電極化弱，被充電電池組接受能力強(qiáng)，可增大充電脈沖寬度，減小間歇時間和放電脈沖寬度；在充電的末尾階段，電極化增強(qiáng)，電池組容易發(fā)熱，此時減小充電脈沖寬度，增大間歇時間和放電脈沖寬度，這樣，既保證了充電電流大，而且被充電電池組又不發(fā)熱，做到了充電速度快、充電效率高。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說。


圖1是被充電的電池組在充電過程中的波形圖，圖1中I1為充電電流，負(fù)電流I2為電池組放電電流，T1為充電脈沖寬度(時間)，T2為間歇時間，T3為放電脈沖寬度(時間)，且放電脈沖在間歇時間T2的中心。
圖2是實現(xiàn)圖1所示充電方式的充電器方框圖，圖2由1、2、3、4、5、6、7幾個單元構(gòu)成，圖2中的CC為充電控制信號，F(xiàn)C為放電控制信號。圖2中單元1為AC／DC變換器，其輸入為AC220V電壓，輸出為DC280V電壓。
圖3是實現(xiàn)AC／DC變換器的電路圖。圖3中B1為整流橋，C0為濾波電容，C1、R1和C2、R2組成分壓電路，B點為A與C之間的電壓中點。圖2中單元2為DC／DC變換器，其輸入電壓為DC280V，輸出給電池組提供所需的充電電流I0和電壓U0。圖4是實現(xiàn)DC／DC變換器的電路圖。圖4中SG3525為DC／DC變換器中的脈沖調(diào)寬專用芯片，其管腳15接工作電壓，取DC12V，調(diào)寬脈沖的頻率由R13和C8決定，管腳2為同相輸入端，其電壓值比例于充電電流的設(shè)定值，具體數(shù)值由SG3525的16管腳輸出的標(biāo)準(zhǔn)DC5．1V電壓被電阻R10和R11分壓而決定。管腳1為反相輸入端，接比例于充電電流I0的電壓，管腳11和14輸出相位相反的調(diào)寬脈沖，并接驅(qū)動電路DRV，驅(qū)動電路DRV為雙路變壓器耦合功率放大器，經(jīng)其功率放大的調(diào)寬脈沖控制IGBT功率半導(dǎo)體器件I1和I2，I1和I2的高壓強(qiáng)電來自圖3中的A、B、C三點，圖4中I1和I2功率放大的電壓和電流經(jīng)高頻變壓器T1變換，并經(jīng)整流二極管D1和D2全波整流及電感L1和電容C7濾波，輸出充電電壓U0和電流I0，給電池組BAT充電。圖4中R6為充電電流的采樣電阻，其電壓經(jīng)放大器放大反饋到SG3525的管腳1，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。SG3525的管腳10為禁止端，當(dāng)其為“0”電平時，管腳11和管腳14發(fā)出調(diào)寬脈沖；當(dāng)其為“1”電平時，輸出封鎖，管腳11和管腳14無脈沖輸出，因此向SG3525的管腳10輸入與圖1中所示的“0”、“1”反相的控制電平信號，則DC／DC變換器便構(gòu)成了脈沖充電器。圖4中的CC為來自圖2中單元6的充電控制信號。圖4中的FC為來自圖2中單元6的放電控制信號。圖4中U0為充電電壓的檢測值輸出。圖2中單元3為直流輔助電源，其輸入為AC220V，輸出為DC12V和DC5V，它為圖2中的單元2、4、5、6提供電源電壓。圖2中單元4為比較器組(在圖5中以COMP表示)，其中有三個比較器，采用兩片LM393芯片完成，在充電電壓達(dá)到三個特定要求值時，三個比較器分別輸出“1”電平，并把其接至圖2中單元6的輸入端，以檢測充電器的輸出電壓。圖2中單元5為溫度開關(guān)，用以檢測電池的溫度，此開關(guān)為常開狀態(tài)，當(dāng)其溫度T≥45℃時，溫度開關(guān)接通，向圖2中單元6輸入“1”電平，單元6發(fā)出關(guān)機(jī)信號，單元6為控制器，它的功能是發(fā)出充電控制信號CC和放電控制信號FC及檢測被充電的電池組的充電電壓值。
圖5是實現(xiàn)單元6的電路圖，由AT89C2051單片機(jī)及其輔助電路組成。圖5中AT89C2051單片機(jī)片的P3．0口發(fā)出充電控制信號CC，P3．1口發(fā)出放電控制信號FC；AT89C2051的P1．2～P1．4口接比較器組COMP，檢測被充電電池組的充電電壓，并根據(jù)所檢測到的電壓值，改變P3．0口和P3．1口的輸出，即改變充電器的充電脈沖寬度、間歇時間和放電脈沖寬度，從而使充電器工作在合理的工作狀態(tài)在充電過程中能保證最大的充電電流且不發(fā)熱，即充電速度快、充電效率高。圖5中P1．5口輸入電池組的溫度信號TEMP。圖2中單元7為電池組放電電路，電路圖示于圖4的最右端，它由電阻R7、R8和功率場效應(yīng)管M1組成。
圖6是單片機(jī)AT89C2051的主程序框圖。圖7是單片機(jī)AT89C2051定時器中斷服務(wù)程序框圖。圖6和圖7中t1、t2、t3、t4的定義見圖1，圖7中t6為充電時間上限值，在充電時間t達(dá)到t6時，停止充電。
實施例在圖3中，F(xiàn)1采用5A／250V保險管，B1采用8A／450V整流橋，C0為450uF／450V電解電容，C1和C2為220uF／300V電解電容，R1=R2=22k／2W。圖4中，保護(hù)電路R3=R4=R5=10Ω／25W，C3=C4=C5=0．02uF／1000V。變壓器T1鐵心采用非晶態(tài)材料，型號為ONL-644020，原級線圈圈數(shù)N1=20匝，次級線圈圈數(shù)N2=9×2匝，導(dǎo)線采用φ0．5漆包線20股并繞。整流管D1和D2為30A／200V快恢二極管。電感L1=5mH，電容C7=22uF／63V，采樣電阻R6=0．05Ω／15W。R17=R18=R19=R20=10k，電位器W1=100k。R10=R11=5．1k，R9=R16=10k，R12=100Ω，R13=42k，R14=100k，R15=1k，C8=1000pF，C9=1uF。電阻R8=3．3Ω／25W，R7=10k，場效應(yīng)管M1取20A／200V。圖5中，C11=30pF，C12=30pF，晶振頻率取12MHz，C13=10uF／25V，R21=8．2k。圖6和圖7框圖所設(shè)計的程序設(shè)定當(dāng)充電電壓≤40．5V時，充電脈沖寬度T1=1000ms，間歇時間T2=200ms，放電脈沖寬度T3=50ms；當(dāng)充電電壓＞40．5V且充電電壓≤42．0V時，充電脈沖寬度T1=1000ms，間歇時間T2=500ms，放電脈沖寬度T3=100ms；當(dāng)充電電壓＞44．4V時，充電脈沖寬度T1=1000ms，間歇時間T2=1000ms，放電脈沖寬度T3=150ms。用上述參數(shù)構(gòu)成的快速脈沖充電器，給由三塊24Ah／12V串聯(lián)而成的電動摩托車上動力鉛酸蓄電池組充電，充電電流為10A，充電時間為3小時，電池最高溫度為41℃。充滿電后，電池組放電容量能達(dá)到24．5Ah。經(jīng)檢測，充電效率達(dá)到了87％。
權(quán)利要求1．一種新型快速脈沖充電器，其特征在于，由AC／DC變換器(1)、DC／DC變換器(2)、直流輔助電源(3)、比較器組(4)、溫度開關(guān)(5)、控制器(6)、放電電路(7)這幾部分構(gòu)成，AC／DC變換器(1)把市電AC220V轉(zhuǎn)換成高壓直流輸入給DC／DC變換器(2)，DC／DC變換器(2)的輸出給電池組提供充電電壓和充電電流，直流輔助電源(3)的輸入為市電AC220V，輸出DC12V給DC／DC變換器(2)作為控制電源，同時輸出DC5V給控制器(6)作為控制電源，比較器組(4)的輸入為被充電電池組的充電電壓值，輸出信號送控制器(6)，溫度開關(guān)(5)的輸入為被充電電池組的溫度，輸出信號送控制器(6)，控制器(6)向DC／DC變換器(2)發(fā)出充電控制信號，向放電電路(7)發(fā)出放電控制信號，被充電電池組通過放電電路(7)放電，控制器(6)根據(jù)所接收到的比較器組(4)的輸出信號，改變充電控制信號和放電控制信號，從而使本實用新型所涉及的充電器能分階段調(diào)整充電過程中的充電脈沖寬度、間歇時間和放電脈沖寬度。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型快速脈沖充電器，其特征在于，DC／DC變換器(2)中的兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)管IGBT交替導(dǎo)通，產(chǎn)生交流驅(qū)動電壓并加到高頻降壓變壓器的初級線圈，此變壓器的輸出電壓經(jīng)全波整流后產(chǎn)生的輸出電壓給被充電的電池組充電，兩個IGBT導(dǎo)通控制信號由PWM專用控制芯片GS3525的兩路PWM輸出端發(fā)出的脈沖經(jīng)驅(qū)動電路給出，在電池組充電回路中串有一個充電電流采樣電阻，充電電流采樣值反饋到SG3525的反饋輸入端產(chǎn)生電流負(fù)反饋，自動調(diào)節(jié)SG3525的兩路PWM輸出脈沖的占空比，以保證充電電流值穩(wěn)定不變，放電電路(7)由放電電阻和功率場效應(yīng)管串聯(lián)而成，并接被充電電池組的兩端，控制器(6)由單片機(jī)AT89C2051及其晶振等基本外部電路構(gòu)成，單片機(jī)AT89C2051輸出口P3．0連接到SG3525的管腳10端，當(dāng)P3．0口發(fā)出低電平“0”，SG3525的兩路PWM輸出脈沖能正常給出，充電電流能產(chǎn)生，P3．0口發(fā)出低電平“0”的寬度(時間)，決定充電脈沖寬度，當(dāng)P3．0口發(fā)出高電平“1”給SG3525的管腳10，SG3525的兩路PWM輸出脈沖被封鎖，充電器不能產(chǎn)生充電電流，P3．0口發(fā)出低電平“1”的寬度(時間)，決定充電過程中的間歇時間，AT89C2051輸出口P3．1通過一電阻連接到放電電路中的功率場效應(yīng)管的控制端，當(dāng)P3．1輸出高電平“1”時，功率場效應(yīng)管導(dǎo)通，電池組通過放電電阻放電，當(dāng)P3．1輸出低電平“0”時，功率場效應(yīng)管截止，電池組放電回路被斷開，P3．1輸出高電平“1”的寬度(時間)，決定充電過程中電池組的放電脈沖寬度，電池組的充電電壓值被取樣送到比較器組(4)中的三個比較器的輸入端，隨著充電電壓的提高，三個比較器的輸出端根據(jù)所設(shè)定的比較電壓基準(zhǔn)值逐個輸出高電平信號“1”，到單片機(jī)AT89C2051的輸入口P1．2、P1．3、P1．4，AT89C2051中的程序根據(jù)輸入口P1．2、P1．3、P1．4所接收到的高電平信號“1”狀態(tài)，判斷被充電電池組的充電電壓值，通過控制AT89C2051輸出口P3．0和P3．1的電平狀態(tài)，分階段調(diào)整充電過程中的充電脈沖寬度、間歇時間和放電脈沖寬度。
專利摘要本實用新型涉及一種給電動摩托車和電動自行車上的動力鉛酸蓄電池組充電的充電器。該充電器采用脈沖充電電流形式,充電過程中的相鄰脈沖充電電流間有間歇,并在此間歇期間伴隨著電池組的短暫放電脈沖,由于充電脈沖寬度、間歇時間、放電脈沖寬度隨充電器的工作狀態(tài)(被充電電池組的電壓)分段調(diào)節(jié),因此充電速度快、充電效率高,克服了該類傳統(tǒng)充電器因充電脈沖寬度固定不變使得充電速度慢和充電效率較低的缺點。
文檔編號H02J7/10GK2427918SQ0020133
公開日2001年4月25日 申請日期2000年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月26日
發(fā)明者孫逢春, 張承寧, 張旺 申請人:北京理工大學(xué)