CN101872990B - 蓄电池无损伤快速均衡充电器的控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄电池无损伤快速均衡充电器的控制策略，属于开关电源式充电器及控制方法。包括市电接口、充电接口、整流电路、滤波稳压稳流电路和微处理单元，还包括功率因数校正电路、智能半桥斩波电路、反极放电电路、蓄电池参数动态采样电路；控制策略为：当市电接口接入市电后，微处理单元通过蓄电池参数动态采样电路采集蓄电池组信息；采样信息获得后，微处理单元将采样信息进行预处理，计算蓄电池组此时刻允许最大初始充电电流；当最大初始充电电流值获得后，微处理单元进行蓄电池组的快速充电。充电器根据控制策略即时跟踪蓄电池内部参数的动态变化，采用二次斩波分段控制的方法和正负脉冲快速充电技术，将蓄电池的充电对象控制到了单位个体，做到了无损伤快速均衡充电等优点。

Description

蓄电池无损伤快速均衡充电器的控制策略

技术领域

本发明涉及一种蓄电池无损伤快速均衡充电器的控制策略，属于开关电源式充电器及控制方法。

背景技术

过往的蓄电池充电器，通常采用整体充电的策略，即借鉴单体电池成熟的标准三段式充电技术，通过简单的数学计算，设计出针对蓄电池组的充电策略，此法基本适应了大众客户的需求，形成了规模化的产品并普及开来。但随着社会生活水平的不断提高，环境资源的相对恶化，人们对生活中各种生产资料的要求也越来越高，现有的充电器已不能满足客户的要求，究其原因主要存在如下几点：

①蓄电池循环使用寿命太短，一般是1-3年；

②蓄电池充电速度过慢，一般8-10个小时；

③蓄电池组落后电池出现频率过高，导致蓄电池组整体性能报废周期缩短。

以上三点原因，从一定程度上抵消了蓄电池的性价比优势，也冲激了蓄电池市场的发展势头。

面对这样的结果，许多充电器研究单位，通过各种方式研发出了一系列令人可喜的成果，比如现在市面上比较流行的脉冲快速充电器，自然均衡充电器等，然而这些产品要不夸大其功能，要不就是功能不完整，出现快速则必然损伤电池，均衡则必然达不到快速的设计矛盾。

本发明设计人经过长期的实践和探索，查阅大量的现有和过往技术资料，获得了开发蓄电池二次生命力的重大突破，一定程度上改善了现有充电器的技术缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种利用蓄电池无损伤快速均衡充电器按照既定的控制策略即时跟踪蓄电池内部参数的动态变化，采用二次斩波分段控制的方法和正负脉冲快速充电技术，将蓄电池的充电对象控制到了单位个体，做到了无损伤快速均衡充电。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：该1、一种蓄电池无损伤快速均衡充电器的控制策略，包括市电接口、保护电路、滤波电路、充电接口、整流电路、滤波稳压稳流电路和微处理单元，其特征在于：还包括功率因数校正电路、智能半桥斩波电路、反极放电电路和蓄电池参数动态采样电路，市电接口与保护电路相连，保护电路与滤波电路相连，滤波电路与整流电路相连，整流电路与功率因数校正电路相连，功率因数校正电路与智能半桥斩波电路相连，智能半桥斩波电路与滤波稳压稳流电路相连，滤波稳压稳流电路与充电接口相连，充电接口与蓄电池参数动态采样电路和反极放电电路相连，蓄电池参数动态采样电路与微处理单元相连，微处理单元与反极放电电路和智能半桥斩波电路相连；

所述的智能半桥斩波电路，包括微处理单元、一次斩波电路，多路二次斩波开关、电路控制开关K，二次斩波电路1、二次斩波电路2……二次斩波电路n、开关J、开关L、电容C1…Cn，微处理单元与电路控制开关K和多路二次斩波开关相连，多路二次斩波开关与一次斩波电路正极相连，电路控制开关K一端与第一路相并联的二次斩波电路1和电池1的正极相连，电路控制开关K另一端与一次斩波电路正极相连，一次斩波电路负极与最后一路二次斩波电路负极和电池负极相并联并接地，二次斩波电路1负极和电池负极相并联并接地，二次斩波电路1的负极和电池负极相并联的连线上与相邻一路二次斩波电路的正极和电池的正极相并联的连线上跨接电容C1和相并联的开关J，依次类推，微处理单元分别与开关J、开关L相连，多路二次斩波开关与相并联的二次斩波电路1、二次斩波电路2……二次斩波电路n的正极相连；

一次斩波电路模块和多路二次斩波电路模块均采用半桥式架构，以一次斩波电路模块中的半桥电路为例，包括半桥驱动电路模块U5，两个功率开关管Q1、Q2及其滤波吸收电路，一个半桥变压器和后级整流电路，电阻R5与二极管D3并联串接电容C1作为吸收电路并接在功率开关管Q1两端，电阻R6与二极管D4并联串接电容C2作为吸收电路并接在功率开关管Q2两端；功率开关管Q1和Q2的控制极和发射极之间分别串接电阻R3和电阻R4，半桥驱动模块U5分别串接电阻R1和电阻R2接入功率开关管Q1和功率开关管Q2的控制极进行驱动，功率开关管Q1和Q2的两端并接有齐纳二极管D1和D2；两个功率开关管Q1和Q2串接后并接于回路中；电解电容EC1和EC2分别并接电阻R7和R8，并以串接形式并于回路两端，半桥变压器T1初级的同名端通过电容C3接到电解电容EC1的负极端，另一侧接到功率开关管Q1的发射极；半桥变压器T1副边的同名端串接电阻R9和电容C4，电阻R9和电容C4两端并接齐纳二极管D5；另一侧串接电阻R10和电容C5，电阻R10和电容C5两端并接齐纳二极管D6，齐纳二极管D5和D6串接于回路正极端连接滤波稳压稳流电路，半桥变压器T1的中间抽头接电源地；多路二次斩波电路模块的构架相同；

其中任一路二次斩波电路包括电阻R11-R18、三极管Q3、Q4、Q8、Q9,功率开关管Q5、Q6,电容C8-C11、电解电容EC6、EC7,电感L4,肖特基二极管D9、D12、D13、D14，齐纳二极管D10、D11，功率开关管驱动芯片U13，光隔离器件U12、U15，微处理单元接口MCU11，MCU12和电源VCC；

反极放电电路由多路反极放电电路模块组成，并集成于多路二次斩波电路模块和一次斩波电路模块中，每一路集成于二次斩波电路模块中反极放电电路包括电阻R19-R21，三极管Q10、Q11，功率开关管Q7，可控电子负载U14，电源VCC和微处理单元接口MCU13；各路二次斩波电路模块中集成的反极放电电路之间是相互独立的；集成于一次斩波电路模块中的反极放电电路模块是集成在隔离器件U12中。

其控制策略如下：

当市电接口接入市电后，充电器自检，硬件电路初始化，微处理单元初始化；确认电路安全后微处理单元通过蓄电池参数动态采样电路采集蓄电池组信息包括各单体荷电状态，温升变化率和端电压；采样信息获得后，微处理单元将采样信息进行预处理，判定是否进行预充；若不需要预充，则计算蓄电池组此时刻允许最大初始充电电流；若需要预充电，则预充一段时间后，再计算蓄电池组允许最大初始充电电流；当最大初始充电电流值获得后，微处理单元进行蓄电池组的快速充电，充电期间蓄电池参数动态采样电路即时反馈信息予微处理单元，微处理单元据此控制反极放电电路的动作时机，以达到快速充电的目的；当微处理单元获得的蓄电池各单体参数信息中的某些参数温升变化率，荷电状态和端电压，超出预设蓄电池充电时各单体参数允许差别的最大范围时，微处理单元发出控制信号，开启多路二次斩波开关，进行各单体蓄电池的隔离充电，充电原理与整体充电时相同，直至各单体蓄电池采样信息经微处理单元预处理后满足停充条件后断电。

与现有技术相比，本发明的蓄电池无损伤快速均衡充电器的控制策略所具有的有益效果是：首先，采用微处理单元根据充电信息控制反极放电电路的做法，能够及时的抑制充电过程中出现的极化现象，并同时保持蓄电池的初始可接受电流的能力，加快了充电速度；

再次，微处理单元预先计算蓄电池组的最大初始充电电流和充电过程中随时监测各单体电池参数的动态信息，抑制高析气率和热失控现象的发生，保证了蓄电池的健康；

最后，采用二次多路斩波分段控制进行蓄电池的隔离充电，最大程度的保证了蓄电池组充电的均衡性，减少了落后电池产生的频率，保证了蓄电池组的动力性能。

附图说明

图1本发明无损伤快速均衡充电器电路结构框图；

图2本发明无损伤快速均衡充电器内部智能半桥斩波电路结构框图；

图3本发明无损伤快速均衡充电器电路原理图；

图4本发明无损伤快速均衡充电器集成有反极放电电路的二次斩波电路原理图；

图5本发明无损伤快速均衡充电器蓄电池动态参数采样电路原理图；

图6本发明无损伤快速均衡充电器的控制策略示意图。

图1-6是本发明的最佳实施例。图3中：J1市电接口，U1保护电路模块，U2、U3滤波整流模块，U4功率因数校正模块，U5半桥电路驱动模块，U6、U7、U8蓄电池参数动态采样模块，U9、U10、U11集成有反极放电电路的二次斩波电路模块,U12,U15，U16,U17,U19，U20，U21隔离器件;U13功率开关管驱动芯片;U14可控电子负载;U18运算放大器;K1、K2、K3、K4、K5、K6可控开关模块，VCC辅助电源，MCU1-13微处理单元引脚与模块控制端接口，BAT1、BATN单个电池，BATK若干电池（>=1），R1-34电阻，WR1-2电位器,Q1、Q2,Q5,Q6,Q7驱动功率管，Q3,Q4,Q8,Q9三极管,C1-C15电容，D1、D2,D5-8，D10，D11齐纳二极管，D3、D4，D9，D12-16肖特基二极管，EC1-7电解电容，L1共模滤波电感，L2-4稳压续流电感，T1半桥变压器。

具体实施方式

下面结合图1-6对本发明的无损伤快速均衡充电器作进一步详细说明：

如图1所示为本发明无损伤快速均衡充电器内部结构框图，包括市电接口，保护电路，滤波电路，整流电路，功率因数校正电路，智能半桥斩波电路，滤波稳压稳流电路，充电接口，反极放电电路，蓄电池参数动态采样电路和微处理单元；其中，市电接口与保护电路相连，保护电路与滤波电路相连，滤波电路与整流电路相连，整流电路与功率因数校正电路相连，功率因数校正电路与智能半桥斩波电路相连，智能半桥斩波电路与滤波稳压稳流电路和微处理单元相连，滤波稳压稳流电路与充电接口相连，充电接口与蓄电池参数动态采样电路和反极放电电路相连，蓄电池参数动态采样电路与微处理单元相连，微处理单元与反极放电电路相连。其中，智能半桥电路包括一路一次斩波模块，多路二次斩波模块；蓄电池参数动态采样电路由多路蓄电池参数动态采样模块组成；反极放电电路由多路反极放电电路模块组成，并集成于多路二次斩波模块和一次斩波模块中。

如图2所示为本发明无损伤快速均衡充电器内部智能半桥斩波电路结构框图，包括一个一次斩波电路，多路二次斩波电路，一个一次斩波电路控制开关K，多路二次斩波电路控制开关J，开关L，电容C1，Cn等。其中微处理单元根据蓄电池参数动态采样信息，控制开关K，开关J和开关L以决定是否进行隔离充电，多路二次斩波模块电路之间都接有格直电容C1和Cn，保证隔离充电的安全进行。

如图3所示为本发明无损伤快速均衡充电器电路原理图，市电经市电接口J1接入，通过保护电路模块U1进行过流检测，若出现过流现象，则切断市电；否则经共轭滤波电感L1进入滤波整流模块U2、U3，整流输出后进入功率因数校正模块U4，功率因数校正完毕进入智能半桥斩波模块；

智能半桥斩波模块包括一个一次斩波模块，多路二次斩波模块U9、U10、U11，开关K1K6，各路模块辅助电源均采用VCC，微处理单元MCU3输出信号控制开关K1，微处理单元MCU4输出信号控制开关K2，微处理单元MCU5输出信号控制开关K4，微处理单元MCU6输出信号控制开关K5，微处理单元MCU7输出信号控制开关K6，微处理单元MCU1输出信号控制开关K3，微处理单元MCU2输出信号控制反极放电电路模块U12；

一次斩波模块和多路二次斩波模块均采用半桥式架构，以一次斩波模块中的半桥电路为例，包括半桥驱动电路模块U5，两个功率开关管Q1、Q2及其滤波吸收电路，一个半桥变压器和后级整流电路。电阻R5与二极管D3并联串接电容C1作为吸收电路并接在功率开关管Q1两端，电阻R6与二极管D4并联串接电容C2作为吸收电路并接在功率开关管Q2两端；功率开关管Q1和Q2的控制极和发射极之间分别串接电阻R3和电阻R4，半桥驱动模块U5分别串接电阻R1和电阻R2接入功率开关管Q1和功率开关管Q2的控制极进行驱动，功率开关管Q1和Q2的两端并接有齐纳二极管D1和D2；两个功率开关管Q1和Q2串接后并接于回路中；电解电容EC1和EC2分别并接电阻R7和R8，并以串接形式并于回路两端，半桥变压器T1初级的同名端通过电容C3接到电解电容EC1的负极端，另一侧接到功率开关管Q1的发射极；半桥变压器T1副边的同名端（非中间抽头）串接电阻R9和电容C4，电阻R9和电容C4两端并接齐纳二极管D5；另一侧（非中间抽头）串接电阻R10和电容C5，电阻R10和电容C5两端并接齐纳二极管D6，齐纳二极管D5和D6串接于回路正极端连接滤波稳压稳流电路，半桥变压器T1的中间抽头接电源地；多路二次斩波电路模块的构架与之相同，只不过各器件参数有变化。

滤波稳压稳流电路由电感L2，L3，电解电容EC3、EC4和齐纳二极管D7，D8组成；电感L2，L3串接于齐纳二极管D5和D6的输出侧，电感L2和L3的输出端与电源地之间并接电解电容EC3，EC4；齐纳二极管D7，D8并接后串接于电感L3的输出端。

滤波稳压稳流电路输出端分别接有可控开关K3-K6，可控开关K3的3脚接蓄电池充电接口的正极侧；另外还接反极放电模块U12的3脚；可控开关K4-K6的输出端1脚分别接二次斩波电路模块U9、U10、U11的2脚，二次斩波电路模块U9、U10、U11的1脚分别接单体蓄电池接口的正极侧，且可控开关K4-K6之间的接地端与1脚之间串有隔直电容C6，C7，蓄电池接口之间串接可控开关K1和K2；二次斩波电路模块U9、U10、U11中均集成有反极放电电路；另外，单体蓄电池接口的正极侧接入蓄电池参数动态采样模块。

蓄电池参数动态采样模块包括U6、U7、U8，其2脚均接入蓄电池接口正极侧。

微处理单元MCU通过其1-10各引脚，根据蓄电池参数动态采样模块U6、U7、U8的反馈信息，控制开关K1-K6的开关时机，已决定多路二次斩波模块U9、U10、U11的动作时机，以及它们内部集成的反极放电电路和一次斩波反极放电电路模块U12的动作时机。

如图4所示为本发明无损伤快速均衡充电器集成有反极放电电路的二次斩波电路原理图;

其中任一路二次斩波电路包括电阻R11-R18、三极管Q3、Q4、Q8、Q9,功率开关管Q5、Q6,电容C8-C11、电解电容EC6、EC7,电感L4,肖特基二极管D9、D12、D13、D14，齐纳二极管D10、D11，功率开关管驱动芯片U13，光隔离器件U12、U15，微处理单元接口MCU11，MCU12和电源VCC；

反极放电电路包括电阻R19-R21，三极管Q10、Q11，功率开关管Q7，可控电子负载U14，电源VCC和微处理单元接口MCU13；

微处理单元MCU通过引脚11经由隔离器件U12接电阻R11到达信号地,产生的PWM方波,采用图腾柱式输出方式驱动功率开关管驱动芯片U13,图腾柱由三极管Q3、Q4组成,三极管Q3的集电极接VCC,同时与功率开关管驱动芯片U13的1脚相连;三极管Q3的发射极与三极管Q4的发射极相连,并接入功率开关管驱动芯片U13的2脚,三极管Q3和三极管Q4的基极相连,并经由电阻R12接电源地,三极管Q4的集电极接电源地,同时还接功率开关管驱动芯片U13的3脚,功率开关管驱动芯片U13的1脚和3脚之间并接电解电容EC6和电容C8,功率开关管驱动芯片U13的1脚和8脚之间接肖特基二极管D9,功率开关管驱动芯片U13的6脚和8脚接电容C9,功率开关管驱动芯片U13的7脚和6脚之间接有齐纳二极管D10、D11,功率开关管驱动芯片U13的6脚和电源地之间接有反向肖特基二极管D14,肖特基二极管D12、电容C10、电阻R13并联，肖特基二极管D12反向端接功率开关管驱动芯片U13的7脚,正向端接功率开关管Q5的门极,同时通过电阻R14接功率开关管驱动芯片U13的6脚;功率开关管Q5的一端接电源VCC,另一端经由滤波电感L4,肖特基二极管D13接蓄电池的正极侧,蓄电池的负极侧接有功率开关管Q6,蓄电池正极和负极之间并接电解电容EC7和电容C11,功率开关管Q6也采用图腾柱式输出驱动,图腾柱由三极管Q8和三极管Q9、电阻R16-R18以及电源VCC和隔离器件U15组成;微处理单元MCU的引脚12经由隔离器件U15通过电阻R15接信号地;蓄电池的正极和负极侧还串接有可控电子负载U14和功率开关管Q7,功率开关管Q7也采用图腾柱式输出驱动,图腾柱由三极管Q10、三极管Q11,电阻R20-22以及电源VCC和隔离器件U16组成;微处理单元MCU的引脚13经由隔离期间U16通过电阻R19接地。

如图5所示为本发明无损伤快速均衡充电器蓄电池动态参数采样电路原理图;其中只给出了电流电压采样原理图,温度采样采用经典的温度采样电路,除采用耐腐的传感器外,采样电路并无差异,不再详述;蓄电池的正极侧接有电压采样电路,负极侧接有电流采样电路,两种采样电路均有隔离器件.

电压采样电路包括电阻R23～R27，电容C12，C13，电位器WR2，运算放大器U18的1脚、2脚、3脚、4脚和8脚，光隔离器件U17、U19，电源VCC、+5V及微处理单元接口MCUj，电压采样电路分为两路一路串接电阻R23，电阻R25接入运算放电器U18的正反馈端,另一路串接电阻R26接运算放大器U18的负反馈端,运算放大器U18的正反馈端和负反馈端还并接有电阻R24,电容C12一端接地,另一端接电阻R23的输出端,运算放大器U18的电源接VCC,4脚接电源地,1脚串接电阻R27经由两路隔离器件U17和隔离器件U19接电源地,运算放大器U18的1脚和2脚之间还并接有电容C13,隔离器件U17的受激发端一侧接电源VCC,另一侧接运算放大器U18的2脚;隔离器件U19的受激发端一侧接电源+5V,另一侧通过串接电位器WR2接信号地,电位器WR2的中端接电阻R33，从电阻R33输出的电压信号与微处理单元的引脚8、9或10相连,而且在引脚与信号地之间并接电容C16。

电流采样电路包括电阻R28-R34,电容C14-C17,电位器WR1,运算放大器U18的5脚,6脚和7脚，光隔离器件U20，U21,电源VCC,+5V及微处理单元接口MCUk，电流采样电路分为两路,一路串接电阻R31，接入运算放电器U18的正反馈端,另一路经由并联的两个功率电阻R28和R29串接电阻R30接运算放大器U18的负反馈端,电容C14一端接地,另一端接蓄电池负极侧,运算放大器U18的7脚串接电阻R32经由两路隔离器件U20，U21接电源地,运算放大器U18的7脚和6脚之间还并接有电容C15,隔离器件U20的受激发端一侧接电源VCC,另一侧接运算放大器的6脚;隔离器件U21的受激发端一侧接电源+5V,另一侧通过串接电位器WR1接信号地,电位器WR1的中端接电阻R34，从电阻R34输出的电压信号与微处理单元的引脚8、9或10相连,而且与引脚与信号地之间并接电容C17。

如图6所示为本发明无损伤快速均衡充电器控制策略流程图，具体控制策略是：开始上电进行***初始化，软件初始化，硬件初始化，过流检查等操作，若出现***异常或是过流警告则切断市电，否则微处理单元发出控制信号启动蓄电池参数动态采集电路，获取蓄电池初始状态参数，微处理单元根据采样值判断是否进行蓄电池预充电，若需要预充电，则先进入预充电状态，否则微处理单元根据采样值计算出的蓄电池最大初始充电可接受电流开始大电流快速充电；快速充电过程中，微处理单元随时根据采样值计算并判定各单体蓄电池参数是否超出预设一致性要求上限，若是则启动多路二次斩波电路开关，进行隔离充电，否则，继续整体充电过程；隔离充电过程中，微处理单元随时监测蓄电池参数动态采样值，若各单体蓄电池参数动态采样值满足停充要求则停止充电过程，否则，继续隔离充电过程。

控制策略一些细节的描述：蓄电池进行大电流快速充电和隔离充电时，蓄电池各项参数，如端电压，温升变化率等都需要满足一定的上限阈值才能达到无损伤充电，一般端电压的上限为析气率为0.05%的蓄电池开路电压，温升变化率的上限为不超过1-6个温升变化单位；大电流快速充电和隔离充电过程中，微处理单元根据实验获得的经验值进行正负脉冲充电，一是解决充电过程中迅速上升的极化问题；二是维持蓄电池允许初始最大可充电电流值，加快充电过程。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种蓄电池无损伤快速均衡充电器的控制策略，该蓄电池无损伤快速均衡充电器包括市电接口、保护电路、滤波电路、充电接口、整流电路、滤波稳压稳流电路和微处理单元，其特征在于：还包括功率因数校正电路、智能半桥斩波电路、反极放电电路、蓄电池参数动态采样电路，市电接口与保护电路相连，保护电路与滤波电路相连，滤波电路与整流电路相连，整流电路与功率因数校正电路相连，功率因数校正电路与智能半桥斩波电路相连，智能半桥斩波电路与滤波稳压稳流电路相连，滤波稳压稳流电路与充电接口相连，充电接口与蓄电池参数动态采样电路和反极放电电路相连，蓄电池参数动态采样电路与微处理单元相连，微处理单元与反极放电电路和智能半桥斩波电路相连；该控制策略包括如下步骤：

当市电接口接入市电后，充电器自检，硬件电路初始化，微处理单元初始化；确认电路安全后微处理单元通过蓄电池参数动态采样电路采集蓄电池组信息包括各单体荷电状态，温升变化率和端电压；采样信息获得后，微处理单元将采样信息进行预处理，判定是否进行预充；若不需要预充，则计算蓄电池组此时刻允许最大初始充电电流；若需要预充电，则预充一段时间后，再计算蓄电池组允许最大初始充电电流；当最大初始充电电流值获得后，微处理单元进行蓄电池组的快速充电，充电期间蓄电池参数动态采样电路即时反馈信息予微处理单元，微处理单元据此控制反极放电电路的动作时机，以达到快速充电的目的；当微处理单元获得的蓄电池各单体参数信息中的某些参数超出预设蓄电池充电时各单体参数允许差别的最大范围时，微处理单元发出控制信号，开启智能半桥斩波电路中的多路二次斩波开关，进行各单体蓄电池的隔离充电，充电原理与整体充电时相同，直至各单体蓄电池采样信息经微处理单元预处理后满足停充条件后断电。

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