專利名稱：鎳氫智能曲線快速充電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實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(化學電池或物理電池)的運用過程中，充電器是其成功運用的重要裝置，因為充電器的好壞直接影響到電池的兩個重要技術(shù)指標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，需要小電流補電，恒流方式不能滿足電池充電電流隨充改變而曲線變化，造成充電時間長，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)計按高功率，在充電過程中功率的浪費，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取得了長足的發(fā)展，一個明顯的標志就是世界上大多數(shù)的半導體廠商大都出品了自己的充電器芯片，有的還帶有單片機。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。充電器的性能達不到最優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型目的是解決恒流方式不能滿足電池充電電流隨充改變而曲線變化，造成充電時間長，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；及存在單片機與電源結(jié)合性差，不能充分利用電源資源的問題。
由于每個電池都有自己獨特的個性，確切地說每個充電電池都有自己有別于其它甚至是同類電池的充放電曲線，該曲線甚至在充電過程中還是動態(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間按指數(shù)規(guī)律下降曲線，滿足鎳氫電池應(yīng)用特性。具有自動檢測、跟蹤電池充電曲線，動態(tài)調(diào)整充電脈沖參數(shù)，從而達到最佳充電效果。
對充電電池是否在充電過程中已充滿的判斷是充電器的重要指標，如果電池未充滿而錯判為充滿將導致電池欠充，反過來則將導致電池過充。充電器終止充電的判斷主要依據(jù)的是電壓Vmax、模糊控制負電壓特性-ΔV、電壓零增量、最長時間Tmax、最高溫度tmax、相對溫度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間自動計算。
本實用新型提供的鎳氫智能曲線快速充電器，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，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，由單片機控制脈沖調(diào)整功率驅(qū)動電路工作，恒功率電源經(jīng)脈沖調(diào)整功率驅(qū)動電路向鎳氫電池輸出充電電流，并通過電壓反饋電路反饋恒功率電源的電壓輸出，單片機同時將電池-ΔV/Δ2V/t采樣值與基準電路提供的基準電壓比較并檢測-ΔV/Δ2V/t，實現(xiàn)最高電壓限定，溫敏傳感檢測電池組和外部環(huán)境溫度，經(jīng)由溫度采樣電路傳送到單片機，完成動態(tài)處理判斷，經(jīng)過采樣電阻、電流采樣電路將電流值送單片機，計算電池充電率，時間控制采用單片機內(nèi)部計數(shù)器。當上述條件符合一定要求時，單片機關(guān)閉脈沖輸出，完成充電過程。
本實用新型優(yōu)點1、本充電器與電池當前充電特性曲線相一致，可以有效預防充電電壓過高而產(chǎn)生的過充現(xiàn)象，以達到最佳充電效果。2、建立動態(tài)模型，由變化量計算置信度而終止快速充電，發(fā)揮了電池的使用效率，達到電池最大充電容量，延長了電池的使用壽命，對性能下降的電池有恢復或治愈功能。3、高倍率電流充電，充電時間短，充電器成本低，體積小，單片機與電源結(jié)合性好，充分利用電源的資源。4、硬件電路實現(xiàn)簡潔、高可靠，并且具有充電器自身保護，和對電池組的安全保護。


圖1是鎳氫智能曲線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是鎳氫智能曲線快速充電器電路原理圖。
具體實施方式
實施例1
如圖1所示，鎳氫智能曲線快速充電器，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，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，由單片機控制脈沖調(diào)整功率驅(qū)動電路工作，恒功率電源經(jīng)脈沖調(diào)整功率驅(qū)動電路向鎳氫電池輸出充電電流，并通過電壓反饋電路反饋恒功率電源的電壓輸出，單片機同時將電池-ΔV/Δ2V/t采樣值與基準電路提供的基準電壓比較并檢測-ΔV/Δ2V/t，實現(xiàn)最高電壓限定，溫敏傳感檢測電池組和外部環(huán)境溫度，經(jīng)由溫度采樣電路傳送到單片機，完成動態(tài)處理判斷，經(jīng)過采樣電阻、電流采樣電路將電流值送單片機，計算電池充電率，時間控制采用單片機內(nèi)部計數(shù)器。
其中恒功率電源(見圖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送開關(guān)變壓器，開關(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，通過功率控制回路計算，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，使在包括啟動和過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間產(chǎn)生的次級漏感鈴流電壓。
基于最低出氣率可充曲線原理發(fā)現(xiàn)電池可接受充電電流大小隨時間按指數(shù)規(guī)律下降，故本方案的充電模式分成四個充電階段，即預充電、快速充電、補足充電和涓流充電。
充電開始時預充電，對電池組的當前狀態(tài)進行檢測，根據(jù)電池不同狀態(tài)，確定充電的模式和方法。進入快速充電狀態(tài)，充電電流將以指數(shù)曲線變化率充電。充電時，檢測電池組的電壓、電流及溫度的變化，直到終止條件出現(xiàn)后，進入補充狀態(tài)，以少量補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間的變化；負脈沖期間的放電電流及其隨時間的變化量；電池溫度及其隨時間的變化量；電池電壓及其隨時間的變化量。通過信息的分析可以估算電池的內(nèi)阻，進而計算出電池當前所處的狀態(tài)，通過軟件修正制定曲線。
以30支鎳氫D型電池充電器為例，具體電路說明如下如圖3所示電原理圖，其中單片機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。恒功率采用次級控制，這樣能降低電源損耗，增加效率。電阻R12、R13和齊納二級管D6增加到控制電路來允許輸出電流隨電壓變化。
TC腳是充電電流的取樣輸入端，比較簡單的方法是在電池的負端接上一個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，用戶可以通過該值設(shè)計取樣電阻的大小，獲得充電電流的目的是為了在快速充電過程中動態(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(包括0脈沖)脈沖作為對電池的充放電控制波形，其中正脈沖為充電脈沖，負脈沖為放電脈沖，0脈沖間于充電與放電脈沖間，表示充放電的休止期。事實上，上述三種脈沖在控制過程中都有可能時間長度為0，比如，0脈沖和負脈沖的時間周期為0時，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?，通過調(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，傳遞給A/D轉(zhuǎn)換通道，經(jīng)單片機采樣和數(shù)據(jù)處理后，與最高溫度設(shè)定值進行比較，如大于設(shè)定值，結(jié)束充電過程轉(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。另一方面，設(shè)定合適的最高電壓，可以降低電源功率。被測電壓采用電阻分壓，經(jīng)單片機采樣、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。
最長時間控制當其它參數(shù)不起作用時，通過控制最長時間終止充電過程，防止電池組嚴重過充。不同類型的電池和用不同的電流充電所允許的過充量不同。電路由XT、C16、C17組成，單片機使用4M外部晶振，時間可以精確到uS級，利用單片機TM0計數(shù)器，控制循環(huán)次數(shù)，保證設(shè)定時間。
帶溫度補償?shù)淖詣訙夭羁刂瞥潆娖鳒囟瓤刂葡到y(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，自動采樣環(huán)境溫度，自動補償溫升參數(shù)，達到最佳充電。在動力電池充電尤其關(guān)鍵，通過環(huán)境溫度采樣及修訂，確保電池安全性。
保護通過測溫，若＞10℃允許快速充電，否則慢充；若＞45℃時終止快速充電，以實現(xiàn)當電池變化異常時對電池的保護，有效地避免了電池組的損壞。
用戶把充電器正負極輸出短接時，充電器保護，不會損壞充電器。IC1(TOPSWITCH)逐周的峰值漏電流限制電路以輸出內(nèi)置MOSFET導通電阻作為檢測電阻。流限比較器將輸出MOSFET導通狀態(tài)下的漏/源極間的電壓與一個閾值電壓相比較，漏極電流太大將使漏/源極間的電壓超過閾值電壓并關(guān)斷輸出MOSFET直到下一個時鐘周期開始。流限比較器的閾值電壓有溫度補償，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。
電池長時期放置或過放后，電池電壓比較低，這時應(yīng)用小電流把電池電壓激活至正常電壓，然后可以進行正常充電。
當電池正負極接反時，檢測電路發(fā)現(xiàn)錯誤，控制電路不進行充放電，對電池組和充電器進行保護。
功率器件熱保護主集成芯片內(nèi)含135℃保護電路，當溫度超過限定溫度時，保護電路關(guān)斷輸出，溫度降低后，恢復輸出。這樣可以避免元器件損壞。
本充電器中單片機含自檢模式，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)，整個電路外圍元器件大量減少，實現(xiàn)簡潔、高可靠。
寬電壓交流輸入AC85-265V自適應(yīng)世界范圍各國電壓范圍，并滿足EMI標準。
權(quán)利要求1.一種鎳氫智能曲線快速充電器，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，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)動電路并向鎳氫電池輸出充電電流，同時鎳氫電池通過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連接鎳氫電池，另一端同時連接單片機，-ΔV/Δ2V/t采樣電路同時還與基準電路連接，單片機則連接脈沖調(diào)整功率驅(qū)動電路；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；用于檢測電池組和外部環(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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳氫智能曲線快速充電器，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芯片輸出連接開關(guān)變壓器原邊，開關(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保護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，光藕接收端及開關(guān)變壓器輸出同時連接偏置控制電路，偏置控制電路輸出連接TOPSWITCH芯片。
專利摘要一種鎳氫智能曲線快速充電器，包括單片機、恒功率電源、脈沖調(diào)整功率驅(qū)動電路、電壓反饋電路、電壓采樣、電池－ΔV/Δ
文檔編號H02J7/10GK2648679SQ0325770
公開日2004年10月13日 申請日期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 申請人:天津和平海灣電源集團有限公司