CN110696672B - 一种实现动力电池快速充电的*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现动力电池快速充电的***，主要解决现有技术中存在的采用恒流充电和恒压充电的方式对动力电池进行充电，导致电池的寿命非常短暂的问题。该***包括与市电连接的EMI滤波电路，与EMI滤波电路连接的整流电路，同时与整流电流连接的BOOST同步整流电路与辅助电源电路，与BOOST同步整流电路连接的充电电池，同时与充电电池和辅助电源电路连接并将信号反馈至BOOST同步整流电路的控制电路，以及同时与充电电池和辅助电源电路连接的提示电路。通过上述方案，本发明达到了通过控制电路对主电路进行控制，对电池负载进行充电目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种实现动力电池快速充电的***
技术领域
本发明属于电池充电技术领域，具体地讲，是涉及一种实现动力电池快速充电的***。
背景技术
电动汽车能否快速发展，改善充电方式是极其重要的一部分，如果充电时间过于漫长，续航能力差，那么电动汽车也就会停滞不前，因此研究改进动力电池的充电方式也就具有十分重要的意义。最初的时候，动力电池的充电方式是非常单一的，主要就是采用恒流充电和恒压充电的方式对动力电池进行充电，这两种充电方法简单，没有太多需要控制的地方。用这两种充电方式对电池进行充电，电池的寿命非常短暂，后来通过对电池特性的研究，发现了电池的最大可接受充电曲线。根据充电曲线，可以直观的了解到，随着动力电池充电的进行，电池所需要的电流会越来越小。因此，在对动力电池进行恒压充电的初期，充电电路中产生的大电流，或者是采用恒流充电的时候，充电末期产生的大电流都超过了电池所能接受的最大充电电流，导致了电池处于过充状态。这些原因都会使得电池产生极化现象和析气现象，使得电池寿命缩短、电池容量减少，损害了动力电池。在此基础上，国内外的研究人员对充电方式进一步优化，提出了恒流恒压的充电方式、正脉冲充电法、负脉冲充电法、变电流间歇充电法以及变电压充电法等等充电方式，以及在最近的研究工作中陆续出来的多级恒流充电法等多种充电方式。这些方式不仅在动力电池的充电效率和充电速度上有了极大的提升，而且还保证了电池的使用寿命，抑制了电池的极化现象和析气现象等对电池有损害的反应。在电动汽车快速发展的过程中，锂电池有作为动力电池中最为主要的一部分，对其充电方式进行研究就显得尤为重要。不过要在真正意义上消除极化现象，寻求一个较为完善的快速充电方式，还需要更多的研究。电动汽车作为新能源汽车，取代传统汽车是一个必然的过程。为了能够在汽车领域这个巨大的产业上拥有一席之地，动力电池作为电动汽车的核心。那么，研究动力电池快速充电方式就显得极为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现动力电池快速充电的***，主要解决现有技术中存在的采用恒流充电和恒压充电的方式对动力电池进行充电，导致电池的寿命非常短暂的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种实现动力电池快速充电的***，包括与市电连接的EMI滤波电路，与EMI滤波电路连接的整流电路，同时与整流电流连接的BOOST同步整流电路与辅助电源电路，与BOOST同步整流电路连接的充电电池，同时与充电电池和辅助电源电路连接并将信号反馈至BOOST同步整流电路的控制电路，以及同时与充电电池和辅助电源电路连接的提示电路；
所述EMI滤波电路包括两端分别接入市电的电容C1，输入端分别与电容C1两端连接的变压器T1，两端分别与变压器输出端连接的电容C2，串联后分别与电容C2两端连接的电容C3与电容C4，输入端同时与电容C2两端连接的变压器T2，其中，电容C3一端接电容C2一端接地，并且变压器T2的输出端与整流电路连接；
其中，与市电连接的EMI滤波电路、整流电路和BOOST同步整流电路构成主电路。
进一步地，所述整流电路为桥式整流电路，所述桥式整流电路的AC端与变压器T2的输出端连接，桥式整流电路正负端分别接滤波电容C5和BOOST同步整流电路，其中，电容C5为电解电容，正极接桥式整流的正极。
进一步地，所述BOOST同步整流电路包括正负极分别与桥式整流电路正负端连接的电解电容C6，分别与电解电容C6两端连接的电容C7，一端电解电容C6正极端连接的电感L1，漏极与电感L1另一端连接、源极与电解电容C6负极连接的MOS管Q2，源极与MOS管Q2漏极连接的MOS管Q1，并联后正极端接MOS管Q1漏极、负极端接MOS管Q2源极的电解电容C8和电容C9，其中，电容C9的两端与充电电池连接，并且MOS管Q2源极接地。
具体地，所述控制电路包括第6引脚与BOOST同步整流电路中MOS管Q1源极连接的驱动芯片IR2111，一端与驱动芯片IR2111第6引脚连接、另一端与MOS管Q1栅极连接的电阻R4，一端与驱动芯片IR2111第7引脚连接、另一端与MOS管Q1栅极连接的电阻R1，一端与驱动芯片IR2111第6引脚连接、另一端与驱动芯片IR2111第8引脚连接的电容C10，一端与驱动芯片IR2111第4引脚连接、另一端与MOS管Q2栅极连接的电阻R7，一端与MOS管Q2栅极连接、另一端接地的电阻R8，正极与驱动芯片IR2111第1引脚连接、负极与驱动芯片IR2111第8引脚连接的二极管D5，一端与驱动芯片IR2111第1引脚连接、另一端与驱动芯片IR2111第3引脚连接的电容C11，一端与驱动芯片IR2111第1引脚连接、另一端与驱动芯片IR2111第2引脚连接的电阻R3，集电极与驱动芯片IR2111第2引脚连接、发射极接地的三接管Q3，以及一端与三极管Q3基极连接、另一端接单片机的电阻R5，其中，驱动芯片IR2111第1引脚接12V，驱动芯片IR2111第3引脚接地。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明主电路设计的主要功能是将市电AC220V经过EMI整流电路后，将电网中的高次谐波过滤掉，以免对电路中的元件造成损害，甚至影响充电电池的性能。然后通过整流电路将交流电转换为直流电，通过一个BOOST同步整流电路输出至外部充电电池，这就是主电路的运行状态。通过控制电路对主电路进行控制，对电池负载进行充电。
(2)本发明通过控制电路调整充电电路的输出电压，对电池进行恒流充电和恒压充电，在一定基础上完成了恒流恒压快速充电。本发明随着充电的进行，电池内阻越来越大，电池两端的电压降越来越高。为了保证对电池负载进行恒流充电，主电路的输出电压会越来越高，直到达到恒压输出的要求，才改变充电方式，进行恒压充电方式。
(3)本发明的整流电路采用桥式整流，全桥整流在电路采用了四个整流二极管，减少了整流二极管上承受的一半反向电压和电流，多出两个整流二极管的部分，却提高了电路的输出功率，符合对动力电池进行快速充电的大功率电路。
附图说明
图1为本发明的***结构框图。
图2为本发明EMI滤波电路的电路原理图。
图3为本发明整流电路的电路原理图。
图4为本发明BOOST同步整流电路的电路原理图。
图5为本发明的控制电路的电路原理图。
图6为本发明辅助电源电路12V电路原理图。
图7为本发明辅助电源电路5V电路原理图
图8为本发明提示电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图8所示，一种实现动力电池快速充电的***，包括与市电连接的EMI滤波电路，与EMI滤波电路连接的整流电路，同时与整流电流连接的BOOST同步整流电路与辅助电源电路，与BOOST同步整流电路连接的充电电池，同时与充电电池和辅助电源电路连接并将信号反馈至BOOST同步整流电路的控制电路，以及同时与充电电池和辅助电源电路连接的提示电路；所述EMI滤波电路包括两端分别接入市电的电容C1，输入端分别与电容C1两端连接的变压器T1，两端分别与变压器输出端连接的电容C2，串联后分别与电容C2两端连接的电容C3与电容C4，输入端同时与电容C2两端连接的变压器T2，其中，电容C3一端接电容C2一端接地，并且变压器T2的输出端与整流电路连接；其中，与市电连接的EMI滤波电路、整流电路和BOOST同步整流电路构成主电路。
如图2所示，EMI滤波电路对动力电池进行充电的时候，输入市电AC220V电源，为了防止电网中其他频率的交流信号对动力电池和充电电路的干扰，外界电网中的高频信号会对充电电路产生影响，甚至损害到动力电池的性能，EMI滤波电路的作用就是使电网中频率50Hz的交流电输入到充电装置中，过滤掉其他的高频信号，同时也能减少外界的电磁干扰。
采用可控电路的时候，需要一个信号来控制可控硅的开关过程，相比不可控电路增加了MOS管的驱动电路，电路结构也就变的复杂。因为在整流电路后面添加了一个BOOST同步整流电路，改变该电路里面的MOS管的开关占空比，从而调整输出电压，所以就采用了不可控整流电路，节约了成本，减少了控制电路，使得电路结构变得简单。
图3中的桥式整流电路的工作原理为：整流二极管D1和D4为一组桥臂，D2和D3为另一组桥臂。当Ua的点位高于Ub的电位时，整流二极管D3和D2导通，电流从电源Ua经过D3、负载、D2流回电源Ub端；当Ub的电压高于Ua的电压时，整流二极管D4和D1导通，电流从电源Ub经过D4、负载、D1流回电源a端。经过整流电路后，输出电压是一个电压全为正的正弦波波形从而实现了桥式整流。并且在整流电路的最后加上一个大的滤波电容C5，就可以得到一个比较稳定的电压。
图4是BOOST同步整流电路图。经过整流电路得到的电压大致在310V左右，而设计的大功率充电方式要求的初始电压大概在400V，因此选用BOOST升压斩波电路，把电压提高。如果采取传统的BOOST升压电路的话，在肖特基二极管反向的时候，二极管起到隔离的作用，对电路不会产生寿命影响。在二极管正向导通的时候，由于二极管本身存在着电压压降，就会消耗很多的能量，降低了功率效率，那么选取的二极管电压压降越低，充电效率就会越高。因此，本设计的主电路采取了BOOST同步整流电路，利用MOS管的导通压降低、导通电阻小、损耗低的优点，把BOOST升压电路中的肖特基二极管替换为MOS管，用BOOST同步整流电路对输入电压进行升压后对电池进行充电。然后采集电池两端的电压和电流。通过采集的信号经过模数转换后输入到单片机中，进行设定的PID运算，从而控制充电电路的输出电压。因为对单片机的知识有限，所以采用了STM32单片机对电流采样进行分析，输出相应的PWM波，然后对PWM波进行放大，实现对MOS管的控制，最终实现恒流充电和恒压充电。
图5是控制电路，当单片机(STM32系列单片机)输出一个PWM信号的时候，可以利用一个三极管放大这个信号，然后输入到驱动芯片，经过这个芯片，除了可以得到一个一模一样的PWM信号之外，还可以得到一个完全相反的信号。这样就完全符号BOOST同步整流电路的标准，正好控制了升压电路中两个MOS管的开关，而且IR2111完全可用于+600V。
本发明中的辅助电源电路分别采用现有的12V稳压电源电路和5V稳压电源电路，12V稳压电源电路采用了LM7812稳压芯片将输入15V直流电压降低至12V稳定电压，因为驱动芯片IR2111和运算放大器LM358的输入电源电压为12V，所以需要一个12V的电压。而且LM7812的最大电流可以达到1.5A，完全能够承受这些电子元件的正常使用。同时在LM7812稳压芯片的输入和输出端加了滤波电容，使得电压更加稳定，不会损伤电子元件，这也是辅助电源电路的第一部分。辅助电源第二部分采用了LM7805稳压芯片将输入的12V电压稳压至5V，其最大电流也可以达到1.5A，符合电路设计。同样的，在LM7805输出端加上了滤波电容。5V电压主要给电流传感器ACS712、STM32单片机和两个LED二极管供电
本发明中的指示电路为现有常规电路，将继电器JK1的公共端连接在5V的稳压电源上，常闭端通过一个发红光的LED二极管接地，常开端通过一个发黄光的LED二极管接地。继电器JK1的线圈一端直接接地，另一端连接在电压比较器的输出端，继电器中内置一个电阻，这个电阻的作用限制电流的大小，保证继电器正常运行。当红色LED二极管亮的时候，表示正在进行恒流充电；当黄色LED二极管亮的时候，表示正在进行恒压充电。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种实现动力电池快速充电的***，其特征在于，包括与市电连接的EMI滤波电路，与EMI滤波电路连接的整流电路，同时与整流电流连接的BOOST同步整流电路与辅助电源电路，与BOOST同步整流电路连接的充电电池，同时与充电电池和辅助电源电路连接并将信号反馈至BOOST同步整流电路的控制电路，以及同时与充电电池和辅助电源电路连接的提示电路；
所述EMI滤波电路包括两端分别接入市电的电容C1，输入端分别与电容C1两端连接的变压器T1，两端分别与变压器输出端连接的电容C2，串联后分别与电容C2两端连接的电容C3与电容C4，输入端同时与电容C2两端连接的变压器T2，其中，电容C3一端接电容C2一端接地，并且变压器T2的输出端与整流电路连接；
其中，与市电连接的EMI滤波电路、整流电路和BOOST同步整流电路构成主电路；
所述整流电路为桥式整流电路，所述桥式整流电路的AC端与变压器T2的输出端连接，桥式整流电路正负端分别接滤波电容C5和BOOST同步整流电路，其中，电容C5为电解电容，正极接桥式整流的正极；
所述BOOST同步整流电路包括正负极分别与桥式整流电路正负端连接的电解电容C6，分别与电解电容C6两端连接的电容C7，一端电解电容C6正极端连接的电感L1，漏极与电感L1另一端连接、源极与电解电容C6负极连接的MOS管Q2，源极与MOS管Q2漏极连接的MOS管Q1，并联后正极端接MOS管Q1漏极、负极端接MOS管Q2源极的电解电容C8和电容C9，其中，电容C9的两端与充电电池连接，并且MOS管Q2源极接地；
所述控制电路包括第6引脚与BOOST同步整流电路中MOS管Q1源极连接的驱动芯片IR2111，一端与驱动芯片IR2111第6引脚连接、另一端与MOS管Q1栅极连接的电阻R4，一端与驱动芯片IR2111第7引脚连接、另一端与MOS管Q1栅极连接的电阻R1，一端与驱动芯片IR2111第6引脚连接、另一端与驱动芯片IR2111第8引脚连接的电容C10，一端与驱动芯片IR2111第4引脚连接、另一端与MOS管Q2栅极连接的电阻R7，一端与MOS管Q2栅极连接、另一端接地的电阻R8，正极与驱动芯片IR2111第1引脚连接、负极与驱动芯片IR2111第8引脚连接的二极管D5，一端与驱动芯片IR2111第1引脚连接、另一端与驱动芯片IR2111第3引脚连接的电容C11，一端与驱动芯片IR2111第1引脚连接、另一端与驱动芯片IR2111第2引脚连接的电阻R3，集电极与驱动芯片IR2111第2引脚连接、发射极接地的三接管Q3，以及一端与三极管Q3基极连接、另一端接单片机的电阻R5，其中，驱动芯片IR2111第1引脚接12V，驱动芯片IR2111第3引脚接地。
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