CN104377795B - 高频脉冲快速充电桩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频脉冲快速充电桩,包括多谐振荡电路用于产生连续的t1脉冲信号、t2脉冲信号；单稳态电路用于接收多谐振荡电路的脉冲信号并在t2脉冲时段内运行，输出宽度可调的脉冲控制信号；充电开关电路用于接收多谐振荡电路的脉冲信号，控制蓄电池在t1脉冲时段内的正向充电过程；放电开关电路用于接收单稳态电路的脉冲控制信号，控制蓄电池在t2脉冲时段内的放电、放电暂停过程，充电时间为2～3小时，寿命提高1.5‑2倍。

Description

高频脉冲快速充电桩
技术领域
本发明涉及一种常规充电模式的充电桩,具体地说，涉及一种高频脉冲快速充电桩，属于电子技术领域。
背景技术
目前，随着全球能源危机的不断加深，低碳经济也成为我国经济发展的主旋律，电动汽车将会成为我国新能源战略的重要组成部分，我国政府及汽车产业已逐步认识到带节能和减排将是未来汽车技术发展的主要方向，发展电动汽车则是重中之重，也是汽车工业应对能源危机，环境和气候变化的挑战，保持可持续和谐发展的最佳途径。电动汽车是项复杂而***的工程，给电动汽车蓄电池充电的充电桩就是其中重要组成部分之一，因此开发该产品具有广阔的市场前景，必将会给社会和企业带来更大的经济效益。
随着国家新能源汽车补贴政策的出台，各个新能源车示范城市地方政策或延续或新推，为国家补贴配套，推动各地新能源汽车市场发展。国务院办公厅公布的《汽车产业调整和振兴规划》中提出，未来三年我国计划“形成50万辆纯电动车、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量5%作用”。
根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性，电动汽车的充电模式存在一定的差别。对于充电方案的选择，现今普遍存在常规充电、快速充电和电池组快速更换***3种模式。常规充电模式常规充电是指采用小电流在较长的时间内对蓄电池进行慢速充电，这种充电又叫普通充电。常规蓄电池均采用小电流的恒压恒流三段式充电，一般充电时间为10～12小时，最长可达15小时，充电时间过长，给实际车辆使用带来许多不便，但由于常规充电以常规的电流为蓄电池充电，因此在家里、停车场和公共汽车站都可以进行。为实现在小电流的常规充电模式下进行快速充电，传统的充电装置主要是依靠提高充电电流达到蓄电池快速充电的目的，这样虽然会在一定程度上缩短蓄电池充电时间，但通常充电时间仍在8小时以上，而且这种持续大电流快速充电方式还会造成蓄电池使用寿命缩短，严重的还会导致蓄电池损坏。
快速充电又称应急充电，是指以较大的电流在30min至2h的短时间内，为电动汽车进行充电的一种模式，充电时间短，一般充电电流为150-400A，由于充电电流大，易造成电池异常，导致电池寿命短且存在安全隐患，大电流还可能会对公用电网产生有害的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种蓄电池快速充电桩，克服了现有充电桩的缺陷，采用本发明快速充电桩后，实现了在小电流下进行快速充电的目的。
本发明的另一目的是延长蓄电池使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：高频脉冲快速充电桩,其特征在于，所述充电桩包括：
多谐振荡电路，用于产生连续的t1脉冲信号、t2脉冲信号；
单稳态电路，用于接收多谐振荡电路的脉冲信号并在t2脉冲时段内运行，输出宽度可调的脉冲控制信号；
充电开关电路，用于接收多谐振荡电路的脉冲信号，控制蓄电池在t1脉冲时段内的正向充电过程；
放电开关电路，用于接收单稳态电路的脉冲控制信号，控制蓄电池在t2脉冲时段内的放电、放电暂停过程。
一种优化方案，在t1脉冲时段，多谐振荡电路输出高电平，控制充电开关电路中的控制元件导通，给蓄电池正向充电。
进一步地，在t2脉冲时段，多谐振荡电路输出低电平，控制充电开关电路中的控制元件截止，正向充电暂停；
同时，触发单稳态电路，单稳态电路输出窄脉冲去控制放电开关电路的控制元件导通，对蓄电池进行快速放电；
当多谐振荡电路再次输出高电平之前，充电开关电路的控制元件及放电开关电路的控制元件分别截止。
进一步地，所述充电桩还包括：
电压检测及保护电路，与蓄电池连接，用于检测蓄电池电压，当蓄电池电压充足时断开多谐振荡电路与单稳态电路的工作电源。
进一步地，所述多谐振荡电路包括集成电路IC1、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，集成电路IC1的1脚接地，5脚经电容C1接地，2、6脚接电阻R2、电容C2的一端，电容C2的另一端接地，电阻R2的另一端接集成电路IC1的3脚、电阻R1的一端、单稳态电路、充电开关电路，电阻R1的另一端接集成电路IC1的4、8脚和单稳态电路。
进一步地，所述单稳态电路包括集成电路IC2、电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4和电容C5，所述集成电路IC2的1脚接地，5脚经电容C4接地，2脚接电容C3、电阻R3的一端，电容C3的另一端接多谐振荡电路、充电开关电路，电阻R3的另一端接多谐振荡电路、电阻R4的一端及电源、集成电路IC2的4脚、8脚，电阻R4的另一端接电容C5的一端、集成电路IC2的6脚、7脚，电容C5的另一端接地，集成电路IC2的3脚接放电开关电路。
进一步地，所述充电开关电路包括电阻R6、电阻R8、电容C7和三极管VT1，电阻R6、电容C7的一端接多谐振荡电路，电阻R6、电容C7的另一端接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接电源，三极管VT1的发射极接放电开关电路。
进一步地，所述放电开关电路包括电阻R7、电阻R9、电容C8、电容C9、三极管VT2、稳压二极管VD2，稳压二极管VD2的正极接单稳态电路，稳压二极管VD2的负极接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接电容C8的一端、三极管VT2的基极，电容C8的另一端接地，三极管VT2的集电极接充电开关电路、蓄电池的正极，三极管VT2的发射极接电阻R9、电容C9的一端，电阻R9、电容C9的另一端接地，蓄电池的负极接地。
进一步地，所述电压检测及保护电路包括集成电路IC3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、二极管VD7、三极管VT3、指示灯LED1、指示灯LED2和继电器KA线圈，集成电路IC3的1脚接集成电路IC3的2脚、5脚，集成电路IC3的3脚接蓄电池的正极，集成电路IC3的4脚接地，集成电路IC3的5脚经电阻R12接集成电路IC3的7脚、电阻R13的一端，集成电路IC3的6脚接电阻R10、电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端接集成电路IC3的8脚、继电器KA线圈的一端、二极管VD7的负极、电阻R14的一端及电源，电阻R14的另一端接指示灯LED1的正极，电阻R13的另一端接三极管VT3的基极，三极管VT3的集电极接继电器KA线圈的另一端、二极管VD7的正极、指示灯LED1的负极、电阻R15的一端，电阻R15的另一端经指示灯LED2接地，三极管VT3的发射极接地。
进一步地，继电器KA动触头连接在单稳态电路与电源之间。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：高频脉冲快速充电桩在充电过程中，采用了定时短促的放电或称之为“倒吸”式充电方式，使充电效率大大提高。采用高频脉冲充放电去极化快充模式，在充电过程中周期性地给蓄电池放电令其“倒吸”，消除气泡，减小了充电内阻，从而提高了充电品质和充电效率，又能防止蓄电池的损坏，充电时间缩短为2～3小时，蓄电池的使用寿命提高1.5-2倍，实现了在小电流下快速充电、又延长蓄电池使用寿命的目的。
由于采用小电流充电，所以减少了对公用电网产生的影响。
该装置可广泛适用于镍镉电池、电动自行车、汽车、摩托车等蓄电池的快速充电。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
附图1是本发明实施例中蓄电池充电桩的原理框图；
附图2是本发明实施例中蓄电池充电桩的电气原理图；
附图3是本发明实施例中蓄电池充电桩的波形图；
图中，
1-多谐振荡电路；2-单稳态电路；3-充电开关电路；4-放电开关电路；5-直流稳压电路；6-电压检测及保护电路；7-整流滤波电路。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，高频脉冲快速充电桩,包括耦接在一起的多谐振荡电路1、单稳态电路2、充电开关电路3、放电开关电路4、直流稳压电路5、电压检测及保护电路6和整流滤波电路7，整流滤波电路7的输入端电连接220V交流电源，充电开关电路3的输出端与放电开关电路4的输入端共同电连接到电压检测及保护电路6和蓄电池端子的“+”端。
如图2所示，多谐振荡电路1包括集成电路IC1、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2，集成电路IC1的1脚接地，5脚经电容C1接地，2、6脚接电阻R2、电容C2的一端，电容C2的另一端接地，电阻R2的另一端接集成电路IC1的3脚、电阻R1的一端、单稳态电路2、充电开关电路3，电阻R1的另一端接集成电路IC1的4、8脚和单稳态电路2。
多谐振荡电路1的振荡频率由电阻R1、电阻R2和电容C2所设定的参数决定，其占空间比为50%。电阻R1、电阻R2和电容C2组成充电回路，其充电时间t1为：t1=0.693••(R1+R2)•C2；由电阻R2、电容C2组成的电路是多谐振荡器的放电回路，放电时间t2为：t2=0.693••R2••C2；振荡周期T为：T=t1+t2。在t1脉冲时段，集成电路IC1的3脚输出高电平，控制充电开关电路3中的三极管VT1导通，给蓄电池正向充电。在t2脉冲时段，作用一：集成电路IC1的3脚输出低电平，三极管VT1截止，正向充电暂停；作用二：触发由集成电路IC2构成的单稳态电路。在t2脉冲时段内，通过单稳态电路2可设定蓄电池进行快速放电的时间和充电的间歇时间。
单稳态电路2包括集成电路IC2、电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4、电容C5、继电器KA动触头，所述集成电路IC2的1脚接地，5脚经电容C4接地，2脚接电容C3、电阻R3的一端，电容C3的另一端接电阻R2的另一端、充电开关电路3，电阻R3的另一端接电阻R1的另一端、电阻R4、继电器KA动触头的一端、集成电路IC2的4脚、8脚，电阻R4的另一端接电容C5的一端、集成电路IC2的6脚、7脚，电容C5的另一端接地，集成电路IC2的3脚接放电开关电路4。
通过设定的阻容参数，可确定单稳态电路的脉冲宽度，从而确定蓄电池进行快速放电的时间和充电的间歇时间。当单稳态电路2设计的脉冲宽度较窄时，放电的时间会缩短，充电的间歇时间会加长，当单稳态电路2设计的脉冲宽度较宽时，放电的时间会加长，充电的间歇时间会缩短。在电路中，电容C3是脉冲信号传输电容，蓄电池进行快速放电和充电的间歇时间的设定是由电阻R4、电容C5决定。工作原理是：来自多谐振荡电路1的振荡脉冲，其负跳沿触发由集成电路IC2构成的单稳态电路，集成电路IC2的3脚输出窄脉冲去控制三极管VT2对蓄电池进行快速放电。放电结束后至下一个正脉冲到来之前，三极管VT1、三极管VT2均截止，这段时间为充电间歇期。
充电开关电路3包括电阻R6、电阻R8、电容C7、三极管VT1，电阻R6、电容C7的一端接电阻R2的另一端，电阻R6、电容C7的另一端接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接直流稳压电路5和整流滤波电路7，三极管VT1的发射极接放电开关电路4。
在多谐振荡电路1的脉冲控制下，当三极管VT1的基极为高电平时，晶体三极管VT1导通给电池正向充电，当晶体三极管VT1的基极为低电平时，晶体三极管VT1截止，电池正向充电暂停。
放电开关电路4包括电阻R7、电阻R9、电容C8、电容C9、三极管VT2、稳压二极管VD2，稳压二极管VD2的正极接集成电路IC2的3脚，稳压二极管VD2的负极接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接电容C8的一端、三极管VT2的基极，电容C8的另一端接地，三极管VT2的集电极接三极管VT1的发射极、蓄电池的正极、电压检测及保护电路6，三极管VT2的发射极接电阻R9、电容C9的一端，电阻R9、电容C9的另一端接地，蓄电池的负极接地。
在单稳态电路2的控制下，当晶体三极管VT2的基极为高电平时，晶体三极管VT2导通，给蓄电池反向放电，电阻R9、电容C9组成放电回路，电阻R9为放电电阻，电容C9为放电吸收电容、也称“倒吸”电容。当晶体三极管VT2的基极为低电平时，晶体三极管VT2截止，蓄电池反向放电暂停。
直流稳压电路5包括电阻R5、电容C6、稳压二极管VD1，电容C6为滤波电容，电容C6的一端、稳压二极管VD1的正极接继电器KA动触头的另一端、电阻R5的一端、电压检测及保护电路6，电阻R5的另一端接电阻R8的另一端。给多谐振荡电路1、单稳态电路2提供一个稳定的供电电压。
电压检测及保护电路6包括集成电路IC3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、二极管VD7、三极管VT3、指示灯LED1、指示灯LED2和继电器KA线圈，集成电路IC3的1脚接集成电路IC3的2脚、5脚，集成电路IC3的3脚接蓄电池的正极，集成电路IC3的4脚接地，集成电路IC3的5脚经电阻R12接集成电路IC3的7脚、电阻R13的一端，集成电路IC3的6脚接电阻R10、电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端接集成电路IC3的8脚、稳压二极管VD1的正极、继电器KA线圈的一端、二极管VD7的负极、电阻R14的一端，电阻R14的另一端接指示灯LED1的正极，电阻R13的另一端接三极管VT3的基极，三极管VT3的集电极接继电器KA线圈的另一端、二极管VD7的正极、指示灯LED1的负极、电阻R15的一端，电阻R15的另一端经指示灯LED2接地，三极管VT3的发射极接地。
集成电路IC3包括A1、A2，A1为射极跟随器，射极跟随器将蓄电池电压信号取样后传送给由集成电路IC3中A2组成的电压比较器，在蓄电池电压尚未充足时，集成电路IC3的7脚输出低电平，三极管VT3截止，继电器KA线圈不通电，充电指示灯LED2亮。当蓄电池充足电压时，集成电路IC3的7脚输出高电平，三极管VT3导通，充电指示灯LED2灭，充电停止指示灯LED1亮，继电器KA线圈获电，其继电器KA动触头断开，集成电路IC1、集成电路IC2均断电，自动停止充电和放电。由于采用了自动充电停止功能，可有效防止因过充而损坏蓄电池的现象。调整电阻R11的阻值参数便可改变停止充电的电压设定值。
整流滤波电路7包括降压变压器TB，降压变压器TB的输入端连接单相交流220V电源，降压变压器TB输出端的一端电连接整流二极管VD3的正极、VD4的负极，降压变压器TB输出端的另一端电连接整流二极管VD5的正极、VD6的负极，整流二极管VD3、VD5的负极与滤波电容C10的正极端电连接至前面所述的电阻R5的一端和电阻R8的另一端，整流二极管VD4、VD6的正极、滤波电容C10的负极共同与电路的公共地端相连接。
如图3所示，由集成电路IC1和周围相关元件组成的多谐振荡器器，振荡频率由电阻R2和电容C2所设定的参数决定，其占空间比为50%。当集成电路IC1的3脚输出高电平时，三极管VT1导通，给蓄电池正向充电。当集成电路IC1的3脚输出低电平时，三极管VT1截止，正向充电暂停。其负跳沿触发由集成电路IC2构成的单稳态电路，输出窄脉冲去控制三极管VT2对蓄电池进行快速放电，可以消除大电流充电时产生的气泡，减小了充电内阻，从而提高了充电品质和效率，使充电效率大大提高。放电结束后至下一个正脉冲到来之前，三极管VT1、三极管VT2均截止，这段时间为充电间歇期，间歇期内电解液中的离子有充分的扩散时间，从而保证充电电池内部的反应顺利进行，以后周而复始地重复上述过程，直到充电结束，图中，上面的波形为集成电路IC1的3脚输出的波形图，中间的波形为三极管VT1输出的波形图，下面的的波形为三极管VT2输出的波形图。
蓄电池的充电停止或开启是由集成电路IC3及其周围相关元件组成的电压检测及保护电路来完成，在蓄电池电压尚未充足时，集成电路IC3的7脚输出低电平，三极管VT3截止，继电器KA不动作，充电指示灯LED2亮。当蓄电池充足电压时，集成电路IC3的7脚输出高电平，三极管VT3导通，充电指示灯LED2灭，充电停止指示灯LED1亮，继电器KA线圈获电，其动触头断开，集成电路IC1、集成电路IC2均断电，自动停止充电。由于采用了自动充电停止功能，可有效防止因过充而损坏蓄电池的现象。调整电阻R11的阻值参数便可改变停止充电的电压设定值。
在本实施例中，主要元器件选用：集成电路IC1、集成电路IC2可以选择NE555，集成电路IC3可以选择uPC842C或者是uPC842G，三极管VT1、三极管VT2应选用高频大功率三极管，继电器KA可选用9V、5A的继电器，这些器件均可从电子市场上购买，型号规格可参考上面给出的数据自行选择。
通过与目前使用的常规充电模式充电桩进行对比试验，本发明充电桩的充电时间为2～3小时；蓄电池的寿命提高1.5-2倍。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.高频脉冲快速充电桩，其特征在于，所述充电桩包括：
多谐振荡电路（1），用于产生连续的脉冲信号；
单稳态电路（2），用于接收多谐振荡电路（1）的脉冲信号并在t2脉冲时段内运行，输出宽度可调的脉冲控制信号；
充电开关电路（3），用于接收多谐振荡电路（1）的脉冲信号，控制蓄电池在t1脉冲时段内的正向充电过程；
放电开关电路（4），用于接收单稳态电路（2）的脉冲控制信号，控制蓄电池在t2脉冲时段内的放电、放电暂停过程；
所述多谐振荡电路（1）包括集成电路IC1、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，集成电路IC1的1脚接地，5脚经电容C1接地，2、6脚接电阻R2、电容C2的一端，电容C2的另一端接地，电阻R2的另一端接集成电路IC1的3脚、电阻R1的一端、单稳态电路（2）、充电开关电路（3），电阻R1的另一端接集成电路IC1的4、8脚和单稳态电路（2）；
在t1脉冲时段，多谐振荡电路（1）输出高电平，控制充电开关电路（3）中的控制元件导通，给蓄电池正向充电；
在t2脉冲时段，多谐振荡电路（1）输出低电平，充电开关电路（3）中的控制元件截止，正向充电暂停；
同时，触发单稳态电路（2），单稳态电路（2）输出窄脉冲去控制放电开关电路（4）的控制元件导通，对蓄电池进行快速放电；
当多谐振荡电路（1）再次输出高电平之前，充电开关电路（3）的控制元件及放电开关电路（4）的控制元件分别截止。
2.如权利要求1所述的高频脉冲快速充电桩，其特征在于，
所述充电桩还包括：
电压检测及保护电路（6），与蓄电池连接，用于检测蓄电池电压，当蓄电池电压充足时断开多谐振荡电路（1）与单稳态电路（2）的工作电源。
3.如权利要求1所述的高频脉冲快速充电桩，其特征在于，所述单稳态电路（2）包括集成电路IC2、电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4和电容C5，所述集成电路IC2的1脚接地，5脚经电容C4接地，2脚接电容C3、电阻R3的一端，电容C3的另一端接多谐振荡电路（1）、充电开关电路（3），电阻R3的另一端接多谐振荡电路（1）、电阻R4的一端及电源、集成电路IC2的4脚、8脚，电阻R4的另一端接电容C5的一端、集成电路IC2的6脚、7脚，电容C5的另一端接地，集成电路IC2的3脚接放电开关电路（4）。
4.如权利要求1所述的高频脉冲快速充电桩，其特征在于，所述充电开关电路（3）包括电阻R6、电阻R8、电容C7和三极管VT1，电阻R6、电容C7的一端接多谐振荡电路（1），电阻R6、电容C7的另一端接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接电源，三极管VT1的发射极接放电开关电路（4）。
5.如权利要求1所述的高频脉冲快速充电桩，其特征在于，所述放电开关电路（4）包括电阻R7、电阻R9、电容C8、电容C9、三极管VT2、稳压二极管VD2，稳压二极管VD2的正极接单稳态电路（2），稳压二极管VD2的负极接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接电容C8的一端、三极管VT2的基极，电容C8的另一端接地，三极管VT2的集电极接充电开关电路（3）、蓄电池的正极，三极管VT2的发射极接电阻R9、电容C9的一端，电阻R9、电容C9的另一端接地，蓄电池的负极接地。
6.如权利要求2所述的高频脉冲快速充电桩，其特征在于，所述电压检测及保护电路（6）包括集成电路IC3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、二极管VD7、三极管VT3、指示灯LED1、指示灯LED2和继电器KA线圈，集成电路IC3的1脚接集成电路IC3的2脚、5脚，集成电路IC3的3脚接蓄电池的正极，集成电路IC3的4脚接地，集成电路IC3的5脚经电阻R12接集成电路IC3的7脚、电阻R13的一端，集成电路IC3的6脚接电阻R10、电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端接集成电路IC3的8脚、继电器KA线圈的一端、二极管VD7的负极、电阻R14的一端及电源，电阻R14的另一端接指示灯LED1的正极，电阻R13的另一端接三极管VT3的基极，三极管VT3的集电极接继电器KA线圈的另一端、二极管VD7的正极、指示灯LED1的负极、电阻R15的一端，电阻R15的另一端经指示灯LED2接地，三极管VT3的发射极接地。
7.如权利要求6所述的高频脉冲快速充电桩，其特征在于，继电器KA动触头连接在单稳态电路（2）与电源之间。
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