專(zhuān)利名稱(chēng)：鎳氫智能曲線(xiàn)快速充電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鎳氫電池組充電裝置。
背景技術(shù)：
可充電池(化學(xué)電池或物理電池)的運(yùn)用過(guò)程中，充電器是其成功運(yùn)用的重要裝置，因?yàn)槌潆娖鞯暮脡闹苯佑绊懙诫姵氐膬蓚€(gè)重要技術(shù)指標(biāo)1)可充電池的使用容量；2)可充電池的循環(huán)使用次數(shù)，即使用壽命。
目前鎳氫充電器主要有恒流方式、恒壓限流方式。其不足是恒流方式在充電期間，一直保持充電電流不變，充電前期，電池電化能轉(zhuǎn)換效率比較高，允許高倍率電流充電。到電池充電后期，電池轉(zhuǎn)化效率低，需要小電流補(bǔ)電，恒流方式不能滿(mǎn)足電池充電電流隨充改變而曲線(xiàn)變化，造成充電時(shí)間長(zhǎng)，充電效率低，電池析氣、發(fā)熱，使用壽命降低。并且恒流充電過(guò)程中，前期電源輸出電壓低，后期電壓輸出高，而電流保持不變，這樣電源功率前期輸出低，后期高，造成設(shè)計(jì)按高功率，在充電過(guò)程中功率的浪費(fèi)，充電器成本加高，體積增大。恒壓限流是前期限制充電最大電流，后期限制電池充電電壓。這種方案在電池使用前期，電池充電量不足，后期，電池放電容量明顯降低。
充電控制器在近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，一個(gè)明顯的標(biāo)志就是世界上大多數(shù)的半導(dǎo)體廠(chǎng)商大都出品了自己的充電器芯片，有的還帶有單片機(jī)。但是與電源結(jié)合性差，不能夠充分利用電源的資源，和電源自身特性與功能。充電器的性能達(dá)不到最優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型目的是解決恒流方式不能滿(mǎn)足電池充電電流隨充改變而曲線(xiàn)變化，造成充電時(shí)間長(zhǎng)，充電效率低，電池析氣、發(fā)熱，使用壽命降低；恒壓限流方式前期充電量不足，后期電池放電容量明顯降低；及存在單片機(jī)與電源結(jié)合性差，不能充分利用電源資源的問(wèn)題。
由于每個(gè)電池都有自己獨(dú)特的個(gè)性，確切地說(shuō)每個(gè)充電電池都有自己有別于其它甚至是同類(lèi)電池的充放電曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)甚至在充電過(guò)程中還是動(dòng)態(tài)變化的，這就意味著好的充電控制模式應(yīng)該是變化的，而且應(yīng)該與電池的充放電曲線(xiàn)變化一致才是最佳的。正是基于上面的原因，我們提出了采用恒功率電源，自適應(yīng)快速充電智能控制程序修正電池可接受充電電流大小隨充電時(shí)間按指數(shù)規(guī)律下降曲線(xiàn)，滿(mǎn)足鎳氫電池應(yīng)用特性。具有自動(dòng)檢測(cè)、跟蹤電池充電曲線(xiàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整充電脈沖參數(shù)，從而達(dá)到最佳充電效果。
對(duì)充電電池是否在充電過(guò)程中已充滿(mǎn)的判斷是充電器的重要指標(biāo)，如果電池未充滿(mǎn)而錯(cuò)判為充滿(mǎn)將導(dǎo)致電池欠充，反過(guò)來(lái)則將導(dǎo)致電池過(guò)充。充電器終止充電的判斷主要依據(jù)的是電壓Vmax、模糊控制負(fù)電壓特性-ΔV、電壓零增量、最長(zhǎng)時(shí)間Tmax、最高溫度tmax、相對(duì)溫度Δt、溫度變化率Δt/ΔT綜合判斷方法、0Δ2V/t終止法、電流采樣用于剩余充電時(shí)間自動(dòng)計(jì)算。
本實(shí)用新型提供的鎳氫智能曲線(xiàn)快速充電器，包括充電控制器及其外圍電路，其特征是充電控制器采用單片機(jī)，功率輸出采用恒功率電源，電壓采樣電路采樣鎳氫電池組電壓，并將該采樣電壓送至單片機(jī)，由單片機(jī)控制脈沖調(diào)整功率驅(qū)動(dòng)電路工作，恒功率電源經(jīng)脈沖調(diào)整功率驅(qū)動(dòng)電路向鎳氫電池輸出充電電流，并通過(guò)電壓反饋電路反饋恒功率電源的電壓輸出，單片機(jī)同時(shí)將電池-ΔV/Δ2V/t采樣值與基準(zhǔn)電路提供的基準(zhǔn)電壓比較并檢測(cè)-ΔV/Δ2V/t，實(shí)現(xiàn)最高電壓限定，溫敏傳感檢測(cè)電池組和外部環(huán)境溫度，經(jīng)由溫度采樣電路傳送到單片機(jī)，完成動(dòng)態(tài)處理判斷，經(jīng)過(guò)采樣電阻、電流采樣電路將電流值送單片機(jī)，計(jì)算電池充電率，時(shí)間控制采用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器。當(dāng)上述條件符合一定要求時(shí)，單片機(jī)關(guān)閉脈沖輸出，完成充電過(guò)程。
本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)1、本充電器與電池當(dāng)前充電特性曲線(xiàn)相一致，可以有效預(yù)防充電電壓過(guò)高而產(chǎn)生的過(guò)充現(xiàn)象，以達(dá)到最佳充電效果。2、建立動(dòng)態(tài)模型，由變化量計(jì)算置信度而終止快速充電，發(fā)揮了電池的使用效率，達(dá)到電池最大充電容量，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，對(duì)性能下降的電池有恢復(fù)或治愈功能。3、高倍率電流充電，充電時(shí)間短，充電器成本低，體積小，單片機(jī)與電源結(jié)合性好，充分利用電源的資源。4、硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、高可靠，并且具有充電器自身保護(hù)，和對(duì)電池組的安全保護(hù)。


圖1是鎳氫智能曲線(xiàn)快速充電器電路方框圖；圖2是恒功率電源電路方框圖；圖3是鎳氫智能曲線(xiàn)快速充電器電路原理圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
如圖1所示，鎳氫智能曲線(xiàn)快速充電器，包括充電控制器及其外圍電路，其特征是充電控制器采用單片機(jī)，功率輸出采用恒功率電源，電壓采樣電路采樣鎳氫電池組電壓，并將該采樣電壓送至單片機(jī)，由單片機(jī)控制脈沖調(diào)整功率驅(qū)動(dòng)電路工作，恒功率電源經(jīng)脈沖調(diào)整功率驅(qū)動(dòng)電路向鎳氫電池輸出充電電流，并通過(guò)電壓反饋電路反饋恒功率電源的電壓輸出，單片機(jī)同時(shí)將電池-ΔV/Δ2V/t采樣值與基準(zhǔn)電路提供的基準(zhǔn)電壓比較并檢測(cè)-ΔV/Δ2V/t，實(shí)現(xiàn)最高電壓限定，溫敏傳感檢測(cè)電池組和外部環(huán)境溫度，經(jīng)由溫度采樣電路傳送到單片機(jī)，完成動(dòng)態(tài)處理判斷，經(jīng)過(guò)采樣電阻、電流采樣電路將電流值送單片機(jī)，計(jì)算電池充電率，時(shí)間控制采用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器。
其中恒功率電源(見(jiàn)圖2)是將寬電壓交流輸入AC85-265V送EMI輸入濾波器、輸入整流器，經(jīng)TOPSWITCH送開(kāi)關(guān)變壓器，開(kāi)關(guān)變壓器輸出經(jīng)輸出整流、輸出濾波送功率輸出，輸出電壓給負(fù)載，采樣電阻采樣電流到功率控制，與電壓采樣電路采樣輸出電壓，通過(guò)功率控制回路計(jì)算，產(chǎn)生控制電流，和光藕發(fā)射端、光藕接收端、偏置控制、TOPSWITCH、開(kāi)關(guān)變壓器、輸出整流、輸出濾波一起，組成功率控制回路，保證恒功率輸出，保護(hù)電路用于箝制由變壓器漏感產(chǎn)生的前沿電壓尖峰，使在包括啟動(dòng)和過(guò)載的任何條件下都低于TOPSWITCH的額定擊穿電壓；衰減由整流二極管貯存時(shí)間產(chǎn)生的次級(jí)漏感鈴流電壓。
基于最低出氣率可充曲線(xiàn)原理發(fā)現(xiàn)電池可接受充電電流大小隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律下降，故本方案的充電模式分成四個(gè)充電階段，即預(yù)充電、快速充電、補(bǔ)足充電和涓流充電。
充電開(kāi)始時(shí)預(yù)充電，對(duì)電池組的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)電池不同狀態(tài)，確定充電的模式和方法。進(jìn)入快速充電狀態(tài)，充電電流將以指數(shù)曲線(xiàn)變化率充電。充電時(shí)，檢測(cè)電池組的電壓、電流及溫度的變化，直到終止條件出現(xiàn)后，進(jìn)入補(bǔ)充狀態(tài)，以少量補(bǔ)電完成在一定條件快速充電下的后期充電。最后，涓流狀態(tài)，彌補(bǔ)電芯自損耗。在本方法中，我們采集的信息包括正脈沖期間的充電電流大小及其隨時(shí)間的變化；負(fù)脈沖期間的放電電流及其隨時(shí)間的變化量；電池溫度及其隨時(shí)間的變化量；電池電壓及其隨時(shí)間的變化量。通過(guò)信息的分析可以估算電池的內(nèi)阻，進(jìn)而計(jì)算出電池當(dāng)前所處的狀態(tài)，通過(guò)軟件修正制定曲線(xiàn)。
以30支鎳氫D型電池充電器為例，具體電路說(shuō)明如下如圖3所示電原理圖，其中單片機(jī)是鎳氫電池充電控制器，電池充足電后，它能夠可靠地終止快速充電，并自適應(yīng)調(diào)整充電電流。恒功率采用次級(jí)控制，這樣能降低電源損耗，增加效率。電阻R12、R13和齊納二級(jí)管D6增加到控制電路來(lái)允許輸出電流隨電壓變化。
TC腳是充電電流的取樣輸入端，比較簡(jiǎn)單的方法是在電池的負(fù)端接上一個(gè)比較小的或者合適的電流取樣電阻R3而得，IC3、R8、R9設(shè)置最高輸出電流，R12、R13、D6反饋輸出電壓來(lái)以相反比例改變輸出電流。TC腳上的最小分辨率為VCC/255，用戶(hù)可以通過(guò)該值設(shè)計(jì)取樣電阻的大小，獲得充電電流的目的是為了在快速充電過(guò)程中動(dòng)態(tài)地調(diào)整充電脈沖波形，從而獲得最佳的充電效率。
采用正負(fù)(包括0脈沖)脈沖作為對(duì)電池的充放電控制波形，其中正脈沖為充電脈沖，負(fù)脈沖為放電脈沖，0脈沖間于充電與放電脈沖間，表示充放電的休止期。事實(shí)上，上述三種脈沖在控制過(guò)程中都有可能時(shí)間長(zhǎng)度為0，比如，0脈沖和負(fù)脈沖的時(shí)間周期為0時(shí)，總體控制波形仿真限壓充電模式；而特定的組合脈沖形式又可以仿真為恒流充電等?？傊ㄟ^(guò)調(diào)整這種波形可以仿真幾乎所有的充電波形和充電模式；可以動(dòng)態(tài)的調(diào)整充電電流的大小，很好的解決了鎳氫電池的過(guò)充和極化現(xiàn)象，提高電池的使用壽命。
最高溫度控制VCC和GND之間接入電阻-熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣在電阻與熱敏電阻的接點(diǎn)處即可得到溫度取樣輸入電壓，溫度傳感器采用熱敏電阻，經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)變換后產(chǎn)生代表電池組溫度的電壓信號(hào)，傳遞給A/D轉(zhuǎn)換通道，經(jīng)單片機(jī)采樣和數(shù)據(jù)處理后，與最高溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，如大于設(shè)定值，結(jié)束充電過(guò)程轉(zhuǎn)入下一模式，如小于設(shè)定值，保持原有模式繼續(xù)充電。
最高電壓控制必須根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能，合理地設(shè)定電池組的最高終止電壓。如被充電電池組過(guò)早地上升到最高終止電壓，表明該組電池的壽命已經(jīng)接近終點(diǎn)。另一方面，設(shè)定合適的最高電壓，可以降低電源功率。被測(cè)電壓采用電阻分壓，經(jīng)單片機(jī)采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，與最高電壓的設(shè)定值比較，如大于設(shè)定值，轉(zhuǎn)入下一模式，如小于設(shè)定值，保持原有模式繼續(xù)充電。
最長(zhǎng)時(shí)間控制當(dāng)其它參數(shù)不起作用時(shí)，通過(guò)控制最長(zhǎng)時(shí)間終止充電過(guò)程，防止電池組嚴(yán)重過(guò)充。不同類(lèi)型的電池和用不同的電流充電所允許的過(guò)充量不同。電路由XT、C16、C17組成，單片機(jī)使用4M外部晶振，時(shí)間可以精確到uS級(jí)，利用單片機(jī)TM0計(jì)數(shù)器，控制循環(huán)次數(shù)，保證設(shè)定時(shí)間。
帶溫度補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)溫差控制充電器溫度控制系統(tǒng)有兩路輸入，一路采樣電池溫度，由R33、R34、R35、C18組成，另一路采樣充電環(huán)境溫度，由R36、R37、R38、C21組成。電池在不同環(huán)境充電，溫升參數(shù)要求不一樣，自動(dòng)采樣環(huán)境溫度，自動(dòng)補(bǔ)償溫升參數(shù)，達(dá)到最佳充電。在動(dòng)力電池充電尤其關(guān)鍵，通過(guò)環(huán)境溫度采樣及修訂，確保電池安全性。
保護(hù)通過(guò)測(cè)溫，若＞10℃允許快速充電，否則慢充；若＞45℃時(shí)終止快速充電，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)電池變化異常時(shí)對(duì)電池的保護(hù)，有效地避免了電池組的損壞。
用戶(hù)把充電器正負(fù)極輸出短接時(shí)，充電器保護(hù)，不會(huì)損壞充電器。IC1(TOPSWITCH)逐周的峰值漏電流限制電路以輸出內(nèi)置MOSFET導(dǎo)通電阻作為檢測(cè)電阻。流限比較器將輸出MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下的漏/源極間的電壓與一個(gè)閾值電壓相比較，漏極電流太大將使漏/源極間的電壓超過(guò)閾值電壓并關(guān)斷輸出MOSFET直到下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始。流限比較器的閾值電壓有溫度補(bǔ)償，這樣可將輸出MOSFET的漏/源極間的電壓隨溫度變化而引起的有效峰值電流限制的變化減至最小。
電池長(zhǎng)時(shí)期放置或過(guò)放后，電池電壓比較低，這時(shí)應(yīng)用小電流把電池電壓激活至正常電壓，然后可以進(jìn)行正常充電。
當(dāng)電池正負(fù)極接反時(shí)，檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，控制電路不進(jìn)行充放電，對(duì)電池組和充電器進(jìn)行保護(hù)。
功率器件熱保護(hù)主集成芯片內(nèi)含135℃保護(hù)電路，當(dāng)溫度超過(guò)限定溫度時(shí)，保護(hù)電路關(guān)斷輸出，溫度降低后，恢復(fù)輸出。這樣可以避免元器件損壞。
本充電器中單片機(jī)含自檢模式，能在生產(chǎn)中得知電壓、電流、溫度轉(zhuǎn)換誤差，并加以校正，保存參數(shù)。這樣極大方便生產(chǎn)，也確保成品的一致性。
硬件電路簡(jiǎn)潔、高可靠。電源部分采用IC1(TOPSWITCH)集成芯片，控制部分使用集成鎳氫電池充電控制器(單片機(jī))，整個(gè)電路外圍元器件大量減少，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、高可靠。
寬電壓交流輸入AC85-265V自適應(yīng)世界范圍各國(guó)電壓范圍，并滿(mǎn)足EMI標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種鎳氫智能曲線(xiàn)快速充電器，包括充電控制器及其外圍電路，其特征是充電控制器采用單片機(jī)，功率輸出采用恒功率電源，恒功率電源電路連接脈沖調(diào)整功率驅(qū)動(dòng)電路并向鎳氫電池輸出充電電流，同時(shí)鎳氫電池通過(guò)電壓反饋電路反饋連接恒功率電源；電壓采樣電路及-ΔV/Δ2V/t采樣電路的一端同時(shí)連接鎳氫電池，另一端同時(shí)連接單片機(jī)，-ΔV/Δ2V/t采樣電路同時(shí)還與基準(zhǔn)電路連接，單片機(jī)則連接脈沖調(diào)整功率驅(qū)動(dòng)電路；與鎳氫電池連接的采樣電阻經(jīng)由電流采樣電路將電流值送單片機(jī)；用于檢測(cè)電池組和外部環(huán)境溫度的溫敏傳感器，經(jīng)由溫度采樣電路傳送到單片機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳氫智能曲線(xiàn)快速充電器，其特征是恒功率電源電路的構(gòu)造是EMI輸入濾波器經(jīng)輸入整流器后，連接TOPSWITCH芯片，TOPSWITCH芯片輸出連接開(kāi)關(guān)變壓器原邊，開(kāi)關(guān)變壓器副邊依次連接輸出整流電路和輸出濾波電路后連接功率輸出電路，在TOPSWITCH芯片及輸出整流電路上各分別連接有一個(gè)保護(hù)電路并分別與之形成閉合回路；與功率輸出電路連接的采樣電阻經(jīng)由電流采樣電路連接功率控制電路，同時(shí)功率輸出電路另一路經(jīng)由電壓采樣電路連接功率控制電路，功率控制電路輸出連接光藕發(fā)射端，光藕接收端及開(kāi)關(guān)變壓器輸出同時(shí)連接偏置控制電路，偏置控制電路輸出連接TOPSWITCH芯片。
專(zhuān)利摘要一種鎳氫智能曲線(xiàn)快速充電器，包括單片機(jī)、恒功率電源、脈沖調(diào)整功率驅(qū)動(dòng)電路、電壓反饋電路、電壓采樣、電池－ΔV/Δ
文檔編號(hào)H02J7/10GK2648679SQ0325770
公開(kāi)日2004年10月13日 申請(qǐng)日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者邵立勇 申請(qǐng)人:天津和平海灣電源集團(tuán)有限公司