專利名稱：脈沖充電裝置的一種充、放電脈沖產(chǎn)生及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于開關(guān)電源的脈沖充電技術(shù)，具體涉及采用充電裝置開關(guān)電源的開 關(guān)變壓器副邊繞組輸出脈沖充電和產(chǎn)生放電脈沖的方法以及充、放電脈沖的控制方法。
背景技術(shù)：
(一 )、現(xiàn)有的比較先進(jìn)的充電、放電脈沖的產(chǎn)生和控制方法及充電專用集成電路 在技術(shù)上有重要的進(jìn)步、性能更加優(yōu)越，但存在不足，而有的技術(shù)方案存在沒有解決的關(guān)鍵 問題；本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)有實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新現(xiàn)有的脈沖充電方式主要有兩種模式，一種是一個(gè)周期包括脈沖充電——停止充 電兩個(gè)階段，另一種是一個(gè)周期包括正脈沖充電——負(fù)脈沖瞬時(shí)放電——暫停三個(gè)階段； 二者的區(qū)別在于兩個(gè)充電脈沖之間是否有放電脈沖。市電經(jīng)工頻變壓器變壓整流或經(jīng)可控硅變流后的IOOHz脈動(dòng)電壓，業(yè)內(nèi)比較一致 的意見是認(rèn)為不屬于脈沖電壓的范疇。在現(xiàn)有的采用工頻變壓器的脈動(dòng)充電技術(shù)中有采 用計(jì)算機(jī)技術(shù)的各種設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了按照充電——瞬時(shí)放電——暫停三階段模式充電， 對(duì)電池充電過程進(jìn)行以最低出氣率為前提的最優(yōu)控制，其控制技術(shù)比較先進(jìn)，也比較成熟。 沈陽(yáng)電力高等專科學(xué)校李貞的《單片機(jī)快速充電系統(tǒng)》(電子技術(shù)，1997，2)、專利公開號(hào)為 88100250的《智能快速充電機(jī)》等就是屬于采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行控制的工頻變壓器式快速 脈動(dòng)充電裝置；由LZllO充電控制專用集成電路組成的充電器也是采用市電經(jīng)工頻變壓器 變壓的方式。然而，由于這類充電裝置采用工頻變壓器以及輸出的IOOHz脈動(dòng)電壓所固有 的先天不足及難以彌補(bǔ)的缺陷，在開關(guān)電源技術(shù)及其元器件日益進(jìn)步、日臻完善的情況下， 其應(yīng)用和發(fā)展受到嚴(yán)重制約?，F(xiàn)有的公開的各種各樣的開關(guān)電源式的脈沖充電技術(shù)及充電裝置，充、放電脈沖 產(chǎn)生及控制的方法大致可分為五類，經(jīng)歷著一個(gè)技術(shù)逐步進(jìn)步的歷程。第一類，以通用集成 電路為核心構(gòu)成振蕩電路產(chǎn)生充電脈沖疊加于開關(guān)電源輸出的直流電壓對(duì)電池充電。如 薛金梅主編的《電動(dòng)自行車充電器故障維修精華》(北京機(jī)械工業(yè)出版社，2009. 12)第 113-115頁(yè)所述的充電器采用14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器和振蕩器集成電路CD4060構(gòu) 成充電脈沖產(chǎn)生電路，輸出脈沖疊加于充電器輸出直流電壓對(duì)電池充電。且不論這類充電 器輸出電壓的波形是否符合脈沖電壓的要求，這類電路存在的特有的問題是，CD4060的工 作電壓最大額定值低于電動(dòng)自行車電池組的電壓，有無脈沖充電效果是不言而喻的。第二 類，在普通的輸出直流電壓的開關(guān)電源式充電器電路增加了脈沖放電及控制電路，以通用 集成電路為核心構(gòu)成振蕩電路，其輸出脈沖控制放電晶體管的導(dǎo)通或截止，該晶體管導(dǎo)通 時(shí)充電輸出電路瞬間放電。如薛金梅主編的《電動(dòng)自行車充電器故障維修精華》第K4-157 頁(yè)介紹的一種脈沖型充電器采用四與非門芯片CD4011，以其中兩個(gè)與非門等構(gòu)成多諧振蕩 器產(chǎn)生放電脈沖；另有一種脈沖型充電器采用四運(yùn)算放大器LM324，以其中兩個(gè)運(yùn)算放大 器為核心構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生放電脈沖。這類方法存在的問題是，放電電路瞬時(shí)導(dǎo)通時(shí)，充 電輸出并沒有截止，究竟是電池放電還是充電器輸出放電，抑或二者兼而有之？這個(gè)問題并沒有搞清楚。解決這個(gè)問題的方法之一是，在放電脈沖產(chǎn)生前使充電輸出截止，然后瞬 時(shí)脈沖放電，延時(shí)后恢復(fù)充電，周而復(fù)始循環(huán)。第三類，采用技術(shù)比較先進(jìn)的專用充電控制 集成電路(如ABT6502、ZC378等)的脈沖充電技術(shù)及其裝置解決了上述問題，并具有其它 功能。這類技術(shù)采用開關(guān)變壓器輸出脈沖電壓先整流濾波成直流電壓，再采用專用充電控 制集成電路輸出充電脈沖控制串連在充電輸出電路的晶體管(一般是功率場(chǎng)效應(yīng)管)的 導(dǎo)通或截止的方式進(jìn)行脈沖充電；專用充電控制集成電路輸出放電脈沖控制放電晶體管的 導(dǎo)通或截止，使電池瞬時(shí)放電。如劉遂俊主編的《實(shí)用電動(dòng)自行車充電器與控制器維修技 術(shù)》(北京機(jī)械工業(yè)出版社，2008. 8)第125頁(yè)刊載的正負(fù)脈沖充電器電路圖屬于此類。據(jù) 查，該充電器采用的是性能比較優(yōu)越的充電專用管理集成電路ZC378，充電時(shí)ZC378的12 引腳輸出充電脈沖使串連在充電輸出電路的功率晶體管Q3導(dǎo)通對(duì)電池充電；充電脈沖過 后，Q3截止，停止充電，ZC378的13引腳輸出放電脈沖使晶體管Q8導(dǎo)通，電池通過放電電 阻及Q8瞬時(shí)放電，如此循環(huán)。這是一款采用正脈沖充電——負(fù)脈沖瞬時(shí)放電——暫停的 三階段模式的充電器，一種采用ZC378集成電路的充電器在網(wǎng)上的銷售價(jià)格是一般充電器 的二倍多。ABT6502系列芯片是外國(guó)一家電池技術(shù)公司推出的性能比較優(yōu)越的鉛酸電池充 電專用控制集成電路，薛金梅主編的《電動(dòng)自行車充電器故障維修精華》一書第127-1 頁(yè) 《ABT6502和TL494組成的智能型充電器電路原理解析》一節(jié)的充電器采用ABT6502進(jìn)行脈 沖充電、放電控制，該芯片能輸出充電脈沖，也能輸出放電脈沖。在正常充電狀態(tài)ABT6502 輸出充電脈沖控制串聯(lián)在充電輸出電路的晶體管間歇導(dǎo)通對(duì)電池進(jìn)行脈沖充電；在脈沖修 復(fù)狀態(tài)充電停止，ABT6502輸出放電脈沖使放電晶體管間歇導(dǎo)通，電池間隙瞬時(shí)放電。又 如，中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng)(www.zdhl909.com)等發(fā)的《智能型鉛酸蓄電池充電器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》 一文介紹的脈沖充電器，主要由開關(guān)穩(wěn)壓電源、斬波開關(guān)、控制器組成，開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出 電壓恒定的直流電通過斬波開關(guān)的通斷對(duì)電池充電。斬波開關(guān)由三極管及電阻等構(gòu)成，以 單片機(jī)PIC16CM為核心構(gòu)成充電脈沖產(chǎn)生及控制電路，輸出高電平或PWM充電控制信號(hào)， 不能輸出放電脈沖。在快充階段，單片機(jī)PIC16CM的6引腳輸出高電平使斬波開關(guān)導(dǎo)通進(jìn) 行快速充電；在慢充階段，PIC16C54的6引腳輸出固定占空比的PWM信號(hào)控制斬波開關(guān)電 路的三極管間隙導(dǎo)通或截止，對(duì)電池進(jìn)行脈沖充電；在涓流階段，以更小占空比的PWM維持 約0. 09C的脈沖充電。由此可見，這是一款采用直流電壓充電及兩階段脈沖充電模式的充 電器，沒有采用正脈沖充電——負(fù)脈沖放電——暫停的三階段充電模式。
更重要的問題是，脈沖充電技術(shù)及其產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)，或存在思路因循守 舊、技術(shù)進(jìn)步緩慢的狀況。以采用開關(guān)電源技術(shù)的鉛酸電池脈沖充電器為例，開關(guān)變壓器 副邊繞組輸出的本來就是不連續(xù)的脈沖，可是從技術(shù)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品生產(chǎn)，絕大多數(shù)是先整流 濾波成直流電壓，再使用脈沖充電控制電路控制串連在充電輸出電路的功率晶體管間隙導(dǎo) 通把直流電變?yōu)槊}沖對(duì)電池充電，其中只有部分技術(shù)方案在充電脈沖的間隙有脈沖放電。 長(zhǎng)期以來，許多人按照這個(gè)框框進(jìn)行思考、研究，形成一道螺旋式的軌跡。是尋思不出在開 關(guān)變壓器副邊繞組輸出充電脈沖的間隙產(chǎn)生放電脈沖的方法還是現(xiàn)有的開關(guān)電源輸出脈 沖不適宜電池充電，或另有考慮？而采用工頻交流電的正負(fù)脈動(dòng)充電技術(shù)利用交流電的過 零信號(hào)成功地解決了正負(fù)脈動(dòng)波的同步問題，從而成功地研發(fā)了多種正負(fù)脈動(dòng)電壓充電裝 置。問題的癥結(jié)在哪里呢？第四類，有人試圖突破這個(gè)框框，提出了采用開關(guān)變壓器副邊繞 組輸出脈沖電壓整流后對(duì)電池充電而不需要串連在充電輸出電路的晶體管的脈沖充電技術(shù)方案。從網(wǎng)上查得，《正負(fù)脈沖充電器》一文的作者提出了一種技術(shù)方案，開關(guān)變壓器副邊 繞組輸出脈沖電壓整流后通過電感接電池充電，該文在網(wǎng)上轉(zhuǎn)發(fā)較多。值得研究的問題是 該文說明，該充電器采用雙正激功率變換電路，電路中的開關(guān)管Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通或截止， 功率因數(shù)校正電路的控制芯片UC3854A/B “控制Q3和Q4開通關(guān)斷”，而單片機(jī)的RB0-RB2 口又“驅(qū)動(dòng)Q2和Q3、Q4”，二者如何“控制充放電脈沖”呢？此外，在電池兩端并聯(lián)電容，會(huì)對(duì) 充電脈沖產(chǎn)生影響。從網(wǎng)上查得，《電動(dòng)車鉛酸蓄電池的脈沖快速充電設(shè)計(jì)》一文的作者提 出了一種采用PWM芯片SG3525的半橋式功率變換電路的脈沖快速充電設(shè)計(jì)開關(guān)變壓器副 邊繞組輸出脈沖電壓整流后通過電感接電池充電，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的充電控制電路控 制分階段充電。作者沒有公開說明的問題是該設(shè)計(jì)的充放電主電路標(biāo)明有脈沖放電場(chǎng)效 應(yīng)管，但其硬件電路和軟件設(shè)計(jì)沒有說明放電脈沖的產(chǎn)生及其控制的方法和電路，其結(jié)語(yǔ) 也沒有提及脈沖放電；從公開的資料看，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)脈沖充電——暫停的二階段模式 的脈沖充電，并沒有說明如何解決在充電脈沖的間隙產(chǎn)生放電脈沖的問題，即放電脈沖與 充電脈沖同步交替產(chǎn)生以及放電脈沖的控制問題。第五類，其它。有關(guān)書籍和網(wǎng)上刊載了 一種基于時(shí)基電路555構(gòu)成的正負(fù)脈沖充電電路，由張惠、馮英等編著的《電源大全》(西南 交通大學(xué)出版社，1993)第86-87頁(yè)刊載的高效快速充電器，正負(fù)脈沖分別由555時(shí)基電路 產(chǎn)生，第一塊555時(shí)基電路及阻容元件構(gòu)成多諧振蕩器，當(dāng)其輸出高電平時(shí)，串聯(lián)在充電電 路的晶體管導(dǎo)通，電池正向充電，此時(shí)電池不放電；當(dāng)其輸出低電平時(shí)，充電暫停，并觸發(fā)由 第二塊555時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路輸出窄脈沖控制放電晶體管導(dǎo)通，電池瞬時(shí)放電。
現(xiàn)有的脈沖充電技術(shù)及其產(chǎn)品，因充電、放電脈沖的產(chǎn)生、控制方法不同，采用的 關(guān)鍵元器件不同，效果是大不同的。毋庸諱言，上述第一類、第二類被稱為脈沖型的充電裝 置所輸出的充電電壓的波形并非脈沖波，充電方式也不屬于脈沖充電模式，其技術(shù)含量和 充電效果是不可與脈沖充電模式相提并論的。上述專用充電控制集成電路及采用專用充電 控制集成電路構(gòu)成的脈沖充電裝置，相比僅在輸出直流電壓增加了脈沖放電或疊加了充電 脈沖的充電技術(shù)方案，在技術(shù)上有重要進(jìn)步，性能也更加優(yōu)越，這是脈沖充電技術(shù)發(fā)展歷程 的重要突破和顯著進(jìn)步。然而，美中不足的是第一，這類脈沖充電技術(shù)的充電輸出電路比 較復(fù)雜，使用元器件比較多，特別是要串聯(lián)功率晶體管控制充電電流的通斷及占空比，產(chǎn)品 成本比較高，故障率也可能比較高，維修比較難，而且還增加了電能的損耗和加劇了充電器 的散熱問題，尤其是對(duì)于輸出電流大的快速充電裝置，問題會(huì)更嚴(yán)重一些。第二，從公開的 資料看，這類脈沖充電技術(shù)沒有設(shè)計(jì)脈沖放電取樣及控制電路，其放電脈沖的可控性、穩(wěn)定 性、精確度難以實(shí)現(xiàn)較高的要求。第三，沒有全部采用正脈沖充電——負(fù)脈沖放電——暫停 的三階段脈沖充電模式。本文所述的第四類技術(shù)方案提出了采用開關(guān)變壓器副邊繞組輸出 脈沖電壓整流對(duì)電池充電的構(gòu)思，這一點(diǎn)是與本發(fā)明相近的，而解決放電脈沖產(chǎn)生、控制的 方法及其效果與本發(fā)明是根本不同的從現(xiàn)有公開的資料看，上述第四類方法所述的正負(fù) 脈沖充電器的控制電路的說明是讓人看不清楚、想不明白的；而另一項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)采用當(dāng)今 比較先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)試圖解決、然而并沒有說明解決放電脈沖與充電脈沖同步交替產(chǎn)生 這個(gè)至關(guān)重要而又棘手問題的方法及電路，即沒有說明解決在開關(guān)變壓器副邊繞組輸出的 充電脈沖的間隙產(chǎn)生放電脈沖及其控制這個(gè)關(guān)健問題的方法。這類技術(shù)方案乃至更多的以 開關(guān)電源為基礎(chǔ)的脈沖充電技術(shù)所遇到的共同的難題——如何取得放電脈沖跟隨充電脈 沖產(chǎn)生的同步信號(hào)并解決放電脈沖與充電脈沖同步交替產(chǎn)生問題——現(xiàn)有的技術(shù)沒有取得實(shí)質(zhì)性的突破。這就是問題的癥結(jié)。綜上所述，現(xiàn)有的不同類型的充、放電脈沖產(chǎn)生和控制方法，各有千秋，其中有的 專用充電控制集成電路性能比較優(yōu)越，是脈沖充電技術(shù)發(fā)展歷程具有里程碑意義的重大進(jìn) 步，但存在不足之處，而有的采用單片機(jī)技術(shù)的脈沖充電設(shè)計(jì)方案存在沒有解決的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的技術(shù)比較先進(jìn)的充、放電脈沖的產(chǎn)生及控制方法存在的不足或有的技術(shù)方 案沒有解決的放電脈沖與充電脈沖同步交替產(chǎn)生問題正是本發(fā)明要有所突破的。本發(fā)明與上述第五類采用555時(shí)基電路的充電器電路以及類似的技術(shù)方案的共 同之處是采用了基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生放電脈沖，但二者是有實(shí)質(zhì)區(qū)別的 第一，該充電器以及類似的技術(shù)方案的關(guān)鍵技術(shù)是，基于陽(yáng)5時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器 是充、放電脈沖的同步信號(hào)源——產(chǎn)生充電脈沖和單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖，沒有這個(gè)多諧 振蕩器，充電脈沖和放電脈沖都無法產(chǎn)生；而本發(fā)明的充、放電脈沖的同步信號(hào)是開關(guān)電源 的開關(guān)變壓器副邊繞組輸出充電脈沖——采用開關(guān)變壓器副邊繞組輸出脈沖對(duì)電池充電， 產(chǎn)生放電脈沖的單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖也采自副邊繞組輸出充電脈沖，二者比較，充電脈 沖的產(chǎn)生和觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生放電脈沖所必須的外加觸發(fā)脈沖取得的方法是 完全不同的。第二，本發(fā)明解決了采用開關(guān)電源的開關(guān)變壓器副邊繞組輸出脈沖對(duì)電池充 電，同步交替產(chǎn)生放電脈沖這個(gè)難題，而上述充電器及類似的技術(shù)方案并未涉及開關(guān)電源 這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。第三，該充電器及類似的技術(shù)方案的充電輸出仍然采用控制串連在充電輸 出電路的功率晶體管將直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓的方式。第四，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)放電脈沖的 自動(dòng)調(diào)控，提出了跟蹤充電脈沖自動(dòng)調(diào)控放電脈沖的寬度、限制放電電流的方法。(二)、采用正脈沖充電——負(fù)脈沖放電——暫停的充電模式更有利于消除電池極 化和鹽化現(xiàn)象，但這種模式尚不普及；人們對(duì)于電池充電規(guī)律的認(rèn)識(shí)并沒有完結(jié)20世紀(jì)60年代美國(guó)科學(xué)家馬斯提出，以最低出氣率為前提的鉛酸蓄電池可接受 的充電電流為呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。如果按照這條曲線充電，可以縮短充電時(shí)間，并且 對(duì)電池的容量和使用壽命也沒有危害，因而被稱為最佳充電曲線。如果充電電流超越了這 條曲線即充電電流過大，就會(huì)不同程度地造成電池失水、發(fā)熱、極板腐蝕脫落甚至極板變形 斷裂、電池整體鼓漲等后果而充壞電池，稱過充電；如果充電電流不到這條曲線則必須更長(zhǎng) 的充電時(shí)間才能充足電，長(zhǎng)期充電不足會(huì)造成極板硫酸鹽化，稱欠充電；因過充電等原因造 成的電池長(zhǎng)期失水會(huì)加劇極板腐蝕和硫酸鹽化。有關(guān)調(diào)查表明，我國(guó)部分動(dòng)力電池沒有達(dá) 到額定使用壽命提前報(bào)廢的主要原因是充電不當(dāng)，其中半數(shù)以上是過充電的原因，少部分 是欠充電的原因，兩種原因都有的占了大多數(shù)。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系孫曉民、齊國(guó)光先生在 “八五”、“九五”期間對(duì)電動(dòng)汽車使用技術(shù)的攻關(guān)和長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究后認(rèn)為，“絕大多數(shù) 的電池提前報(bào)廢是充電方法不對(duì)而被‘充壞’的”(轉(zhuǎn)引自周柏青、張縱華《淺談電動(dòng)自行 車電池》一文，通信電源技術(shù)，2006. 6)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電動(dòng)車電池超長(zhǎng)壽命研究中心樂軍、 李浩平、劉敏先生認(rèn)為，電動(dòng)車電池的使用壽命是一個(gè)關(guān)系到企業(yè)興衰的重要指標(biāo)，研究預(yù) 防和修復(fù)電池故障的方法，采用國(guó)際最先進(jìn)的電池?zé)o損修復(fù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)用戶電池正常壽命 和超長(zhǎng)壽命的必經(jīng)之路(電動(dòng)車VRLA電池故障現(xiàn)象與壽命關(guān)系的研究，通信電源技術(shù)， 2003(1) :27-29)。長(zhǎng)期以來，人們?yōu)榱嗽龃蟪潆娺^程中電池可接受的充電電流，也就是為了既要縮短充電時(shí)間，又要使電池不再因增大充電電流而被充壞，特別是對(duì)動(dòng)力電池的快速充電技 術(shù)，進(jìn)行了不懈地探索。在電池充電技術(shù)領(lǐng)域，有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，作為電池能量再次補(bǔ)充的 充電器技術(shù)發(fā)展非常緩慢，一些理論和技術(shù)問題有待攻關(guān)，傳統(tǒng)的常規(guī)充電時(shí)間過長(zhǎng)，快速 充電技術(shù)至今仍未完全過關(guān)，嚴(yán)重制約電動(dòng)車的發(fā)展。當(dāng)前，電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程短、售價(jià) 高與充電難問題嚴(yán)重制約其普及和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，有學(xué)者認(rèn)為“電動(dòng)車的充電問題目前 成為制約其行業(yè)發(fā)展的主要問題”，若電池問題及人們期待的需要的又好又快又方便的充 電問題得不到有效解決，中高檔純電動(dòng)汽車的實(shí)際應(yīng)用和推廣普及或仍然尚需時(shí)日。當(dāng)前 的“充電難”問題，不同于當(dāng)年因?yàn)楣吠ㄜ嚴(yán)锍滩蛔愫凸芳夹g(shù)等級(jí)低、路況差造成的“行 路難”問題——當(dāng)年公路建設(shè)的主要問題是公路建設(shè)資金短缺而不是公路建設(shè)的技術(shù)問 題；而解決當(dāng)前的“充電難”問題——無論是電池還是充電問題，包括充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問 題，科學(xué)技術(shù)要素比資本要素更為重要，這才是問題的關(guān)鍵。就充電問題而言，當(dāng)前迫切需 要解決的問題之一是對(duì)電池容量和使用壽命沒有損害的安全的快速充電技術(shù)問題，這個(gè)技 術(shù)問題當(dāng)前實(shí)際上并沒有完全解決，甚至是困難重重、舉步維艱，并沒有實(shí)現(xiàn)預(yù)想的目的。 人們對(duì)蓄電池充電技術(shù)還缺乏更深刻、更正確、更完全的認(rèn)識(shí)，原有的理論、技術(shù)方案并不 完全合于實(shí)際，人們對(duì)電池充電規(guī)律的認(rèn)識(shí)并沒有完結(jié)。直面這個(gè)客觀現(xiàn)實(shí)可能有利于更 加關(guān)注和重視電池充電技術(shù)及其產(chǎn)品的研發(fā)，突破現(xiàn)有的動(dòng)力電池及充電技術(shù)落后于純電 動(dòng)汽車發(fā)展需求的瓶頸制約，促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 研究和實(shí)踐表明，造成充電過程鉛酸蓄電池可接受的充電電流的極大值受到限制 和電池可接受的充電電流按下降的指數(shù)曲線衰減的原因，除電池本身固有的材質(zhì)、規(guī)格、生 產(chǎn)工藝和在充電成流反應(yīng)過程中由放電產(chǎn)生的硫酸鉛逐步減少等因素外，一個(gè)重要原因是 由于充電過程產(chǎn)生的極化現(xiàn)象造成的。也就是說，充電過程電池可接受的充電電流逐步減 少的趨勢(shì)是不可改變的，可改變的是充電方法——盡可能采用更優(yōu)的充電方式消除極化現(xiàn) 象和其它不利因素，增大充電過程電池可接受的充電電流，使電池可接受的充電電流曲線 往增大電流的方向位移，并且預(yù)防電池硫酸鹽化和修復(fù)已經(jīng)硫酸鹽化的電池。研究和實(shí)踐 還表明，采用脈沖充電——停止充電的脈沖充電模式，可以消除極化現(xiàn)象，增大電池可接受 的電流，因而在采用較大的電流充電時(shí)，既不產(chǎn)生大量氣體，又不使電池溫度過高，能在較 短的時(shí)間內(nèi)充足電又不影響電池的容量和使用壽命，還可抑制電池硫酸鹽化和修復(fù)硫酸鹽 化的電池；而采用正脈沖充電——負(fù)脈沖(去極化、硫化脈沖)放電——暫停的脈沖充電 模式對(duì)鉛酸蓄電池充電，能更有效地消除極化現(xiàn)象和硫酸鹽化現(xiàn)象，充電效果比采用脈沖 充電——停止充電的充電模式更優(yōu)，還能消除鎳電池的“記憶效應(yīng)”。脈沖充電情況比較復(fù) 雜，電池的狀況又有較大的不確定性，這項(xiàng)新的技術(shù)有一些理論和實(shí)際技術(shù)問題至今尚未 了解，尚無定論，尚待更進(jìn)一步探索和攻關(guān)。盡管技術(shù)界關(guān)于大電流脈沖快速充電對(duì)電池壽 命的影響存在分歧、爭(zhēng)論，盡管一般充電模式的大電流快速充電會(huì)縮短電池壽命，盡管采用 脈沖充電方式對(duì)不同材料構(gòu)成的電池的充電效果的認(rèn)識(shí)尚不全面，尚不深刻，等等；但業(yè)界 對(duì)鉛酸蓄電池采用正脈沖充電——負(fù)脈沖瞬時(shí)放電——暫停三階段脈沖充電模式充電，充 電效果更優(yōu)的認(rèn)識(shí)是比較一致的，比較肯定的；還認(rèn)為以開關(guān)電源為基礎(chǔ)的脈沖充電技術(shù) 的發(fā)展與進(jìn)步，必將直接影響電池在保障有效容量條件下的循環(huán)使用壽命，促進(jìn)和提高電 動(dòng)車產(chǎn)品的技術(shù)品質(zhì)和商品化性能。但是，現(xiàn)有的包括采用單片機(jī)的脈沖充電技術(shù)的一些 理論和實(shí)際技術(shù)問題還有待攻關(guān)，現(xiàn)有的專用充電控制集成電路存在不足之處，采用現(xiàn)有的具有脈沖放電功能的專用充電控制集成電路的充電器所占市場(chǎng)份額并不大。
發(fā)明內(nèi)容
(一 )、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題脈沖充電技術(shù)是一門正在發(fā)展的新技術(shù)，需要不斷推陳出新。本發(fā)明旨在創(chuàng)新現(xiàn) 有的包括采用國(guó)外比較先進(jìn)的充電專用控制集成電路或采用單片機(jī)的脈沖充電技術(shù)其開 關(guān)變壓器輸出脈沖要先整流濾波成直流電壓然后再變換為脈沖的充電模式，解決這種模式 的充電輸出電路必須串連功率晶體管，因而導(dǎo)致充電輸出電路比較復(fù)雜、制造和維修成本 比較高的問題；解決現(xiàn)有的采用開關(guān)變壓器副邊繞組輸出脈沖整流后對(duì)電池充電的技術(shù)方 案沒有解決的放電脈沖與充電脈沖同步交替產(chǎn)生的技術(shù)難題。具體要解決下述技術(shù)問題， 實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)第一，解決在開關(guān)電源的開關(guān)變壓器副邊繞組輸出的充電脈沖的間隙產(chǎn)生 放電脈沖這個(gè)至關(guān)重要的問題，即放電脈沖與充電脈沖同步交替產(chǎn)生問題，使之符合正脈 沖充電——負(fù)脈沖瞬時(shí)放電——暫停的三階段脈沖充電模式的要求。第二，采用開關(guān)變壓 器副邊繞組輸出脈沖整流后對(duì)電池充電的方式，革除充電輸出電路的濾波電容和串聯(lián)在充 電電路的功率晶體管及其控制電路。第三，與開關(guān)電源技術(shù)兼容，采用開關(guān)電源技術(shù)及其改 進(jìn)后的穩(wěn)壓控制、充電控制電路等控制脈沖充電過程。第四，解決放電脈沖的占空比和放電 電路工作狀態(tài)的調(diào)控問題，放電脈沖要分階段可控并且脈寬要精確自動(dòng)可控，瞬時(shí)放電最 大電流值要可調(diào)控至大于脈沖充電電流平均值。第五，方法簡(jiǎn)明。( 二)、本發(fā)明的技術(shù)方案以及相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果幾十年前，人們就利用工頻交流電的過零特征，成功地取得了正、負(fù)脈動(dòng)電壓產(chǎn)生 的同步信號(hào)，在充電技術(shù)領(lǐng)域成功地研究和開發(fā)了各種正負(fù)脈動(dòng)電壓的充電技術(shù)和充電裝 置，其中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使其控制技術(shù)具有先進(jìn)水平。然而，開關(guān)電源的開關(guān)變壓器輸出 的高頻脈沖不具有過零特征，正、負(fù)脈沖同步信號(hào)的取得一直成為一道難以逾越的技術(shù)障 礙，因而正、負(fù)脈沖的同步交替產(chǎn)生方法也一直成為一道難題，既使采用技術(shù)先進(jìn)的單片機(jī) 技術(shù)也沒有攻克難關(guān)，長(zhǎng)期以來沒有取得重大突破。本發(fā)明另辟蹊徑，成功地跨越了這個(gè)技 術(shù)障礙，破解了這道難題。開關(guān)電源比較采用市電經(jīng)工頻變壓器變壓、可控硅變流的傳統(tǒng)電源具有無與倫比 的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)有的脈沖充電技術(shù)及其產(chǎn)品普遍采用開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)行功率變換及其控制，這 是不可逆轉(zhuǎn)的技術(shù)發(fā)展潮流。開關(guān)變壓器副邊繞組輸出的脈沖電壓除了經(jīng)整流濾波為直流 電對(duì)電池充電外，不經(jīng)濾波的高頻脈沖也是可以用于電池充電的，并且充電脈沖仍然可以 由開關(guān)電源及其改進(jìn)后的穩(wěn)壓控制電路、充電控制電路進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)充電輸出電壓和電 流的控制；有研究認(rèn)為這種高頻脈沖充電方式還可以加快充電過程電池內(nèi)部活性物質(zhì)的反 應(yīng)速度，防止硫酸鉛結(jié)晶，擊碎已經(jīng)結(jié)晶的硫酸鉛晶體，這是其一。其二，開關(guān)變壓器副邊繞 組輸出充電脈沖信號(hào)的下降沿是可以觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換為暫穩(wěn)態(tài)輸出脈沖控制 電池瞬時(shí)放電的，可以控制放電脈沖在前一個(gè)充電脈沖過后和下一個(gè)充電脈沖之前，符合 正脈沖充電——負(fù)脈沖放電——暫停的要求。其三，在構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路的時(shí)基電路的控制 電壓端外加電壓，調(diào)控外加電壓是可以控制輸出脈沖的寬度的。這就是本發(fā)明的理論基礎(chǔ) 和基本點(diǎn)。具體技術(shù)方案的相關(guān)電路以及相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下
1、基于開關(guān)電源的脈沖充電裝置充電脈沖電壓輸出電路(2)和工作電源電路(7) 充電脈沖電壓輸出電路由開關(guān)變壓器(1)及其副邊繞組和整流二極管等構(gòu)成，副邊繞組輸 出(正)脈沖電壓經(jīng)整流二極管整流后供給電池充電，不加濾波電容對(duì)充電脈沖濾波。a、單端反激式功率變換器充電脈沖電壓輸出電路如圖2、9所示，由副邊繞組N3、 二極管VDl等組成。副邊繞組N3 —端接二極管VDl正極，另一端接地，VDl負(fù)極接電池E 正極或VDl負(fù)極通過隔離二極管接電池E正極，電池負(fù)極通過脈沖充電電流取樣電阻Rl接 地。副邊繞組N4、二極管VD2、電容C2、C3和三端穩(wěn)壓器ICl構(gòu)成系統(tǒng)工作電源。b、半橋式功率變換器充電脈沖電壓輸出電路如圖8所示，由副邊繞組N2、N3、二極 管VDla-b、電感Ll等組成。副邊繞組N2、N3輸出脈沖電壓經(jīng)二極管VDla、VDlb整流，兩只 二極管的負(fù)極相連通過電感Ll接電池E正極，或電感Ll通過隔離二極管接電池E正極。副 邊繞組N4、N5輸出脈沖電壓經(jīng)二極管VDh、VD2b整流，電容C2濾波產(chǎn)生輔助電源的直流電 壓，再經(jīng)三端穩(wěn)壓器ICl穩(wěn)壓和C3濾波后得到系統(tǒng)工作的直流電壓。如圖2、8、9所示。二極管VD4、電容C4及取樣電阻等構(gòu)成脈沖充電輸出電壓采樣 電路，開關(guān)電源輸出的充電脈沖電壓經(jīng)二極管VD4整流、電容C4濾波成為相對(duì)應(yīng)的直流電 壓為穩(wěn)壓電路等提供取樣電壓，由于二極管VD4的隔離，電容C4不對(duì)供給電池充電的充電 脈沖產(chǎn)生影響。如圖2、8、9所示。充電電流取樣電阻Rl和濾波電阻R2、電容Cl構(gòu)成脈沖充電電 流采樣電路，電阻Rl所產(chǎn)生的脈沖電壓經(jīng)電阻R2、電容Cl濾波輸出與充電電流成正比例的 直流電壓。脈沖充電電流取樣電阻Rl串連在充電輸出電路，半橋式功率變換結(jié)構(gòu)的充電電 流取樣電阻Rl有兩種接法，一種接法是連接電池的負(fù)極和地，另一種接法是連接開關(guān)變壓 器副邊兩個(gè)主繞組的中心端和地。開關(guān)變壓器副邊繞組輸出的脈沖電壓整流后對(duì)電池充電，省去了現(xiàn)有技術(shù)采用的 濾波電容和串聯(lián)在充電電壓輸出電路的功率晶體管及其控制電路。2、開關(guān)變壓器副邊繞組輸出充電脈沖(單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖)采樣電路(3)及 單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)電路由開關(guān)變壓器的副邊繞組和取樣電阻等構(gòu)成副邊繞組輸出充電脈沖(單穩(wěn)態(tài)電 路觸發(fā)脈沖)采樣電路——二極管VD3與取樣電阻R5、R6串聯(lián)，并連在開關(guān)變壓器Tl輸出 充電脈沖的副邊繞組a、單端反激式功率變換電路的觸發(fā)脈沖采樣電路如圖3、9所示。b、 半橋式功率變換電路的觸發(fā)脈沖采樣電路如圖8所示。采樣電路中的分壓電阻R5、R6也可 以用電阻R5和穩(wěn)壓二極管串連的削波電路代替，R6或穩(wěn)壓二極管兩端的脈沖電壓通過電 容C5或二極管耦合至?xí)r基電路的觸發(fā)端。由開關(guān)變壓器副邊繞組輸出充電脈沖采樣電路 和耦合電路(電容C5或二極管)構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)電路。其獨(dú)創(chuàng)性是采用開關(guān)變 壓器副邊繞組輸出充電脈沖信號(hào)作為產(chǎn)生放電脈沖的單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖，解決了以開 關(guān)電源為基礎(chǔ)的脈沖充電技術(shù)放電脈沖與充電脈沖同步產(chǎn)生的同步信號(hào)源問題。3、基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路(5)如圖4、8、9所示，時(shí)基電路(比如NE555) IC2以及電阻Rt、R7、電容Ct等構(gòu)成輸 出脈沖可調(diào)控的單穩(wěn)態(tài)電路。時(shí)基電路的電源端和復(fù)位端相連接直流電源，開關(guān)變壓器副 邊繞組輸出充電脈沖采樣電路取得的脈沖信號(hào)耦合至?xí)r基電路的觸發(fā)端，時(shí)基電路的閾值 端和放電端連在一起(有的時(shí)基電路的閾值端和放電端在集成電路內(nèi)部已連在一起)接電阻Rt和電容Ct，時(shí)基電路的控制電壓端或連接脈沖放電電流限制電路，或連接脈沖放電 控制電路，或通過可調(diào)電阻外加直流電壓。采用引進(jìn)開關(guān)變壓器的副邊繞組輸出的充電脈 沖信號(hào)作為基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)時(shí)基 電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換為暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)其輸出端輸出的窄高電平脈沖控制放電晶體管瞬時(shí)導(dǎo) 通，這個(gè)脈沖稱之為負(fù)脈沖或放電脈沖。其新穎獨(dú)創(chuàng)之處一是解決了以開關(guān)電源為基礎(chǔ)的 充電技術(shù)在兩個(gè)充電脈沖的間隙產(chǎn)生放電脈沖的難題，也就是放電脈沖與充電脈沖同步交 替產(chǎn)生的難題，符合脈沖充電一個(gè)周期包括正脈沖充電——負(fù)脈沖放電——暫停三個(gè)階段 的要求，而且電路簡(jiǎn)潔。二是時(shí)基電路的控制電壓端或連接脈沖放電電流限制電路，限制放 電電流；或連接脈沖放電控制電路，在充電過程自動(dòng)控制放電脈沖的寬度；或脈沖放電控 制電路與脈沖放電電流限制電路互相配合連接時(shí)基電路的控制電壓端，在充電過程自動(dòng)控 制放電脈沖的寬度并限制其最大放電電流值。在時(shí)基電路控制電壓端不加電壓的情況下，單穩(wěn)態(tài)電路在暫穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出高電平時(shí) 間為tH= 1. IRtCt ；采用調(diào)整控制電壓端的電壓(Vcv)的方式可以比較精確地調(diào)控tH值， 即放電脈沖寬度(Vcv高時(shí)脈寬大，Vcv低時(shí)脈寬小)，采用適當(dāng)設(shè)置電阻Rt、電容Ct值和 調(diào)整控制電壓端的電壓的方法可以控制時(shí)基電路的暫穩(wěn)態(tài)在下一個(gè)充電脈沖前恢復(fù)穩(wěn)態(tài)， 并且實(shí)現(xiàn)了放電脈沖寬度幾種方式的比較精確的調(diào)控。試驗(yàn)結(jié)果表明是可行的。4、脈沖放電電路(6)如圖4所示，脈沖放電電路由電阻R8、電容C6、三極管或場(chǎng)效應(yīng)管VTl、放電電阻 R9、放電電流取樣電阻RlO等構(gòu)成。上述構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路的時(shí)基電路輸出端輸出脈沖電壓 通過電阻R8等接三極管的b極或場(chǎng)效應(yīng)管的G極，單穩(wěn)態(tài)電路暫穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出的高電平使三 極管或場(chǎng)效應(yīng)管VTl導(dǎo)通，在充電脈沖的間隙電池通過電阻R9、VT1、R10瞬時(shí)放電；單穩(wěn)態(tài) 電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出低電平，VTl截止，停止放電。脈沖放電電流取樣電阻R10、濾波電阻R11、電容C7構(gòu)成脈沖放電電流采樣電路。5、脈沖放電電流限制電路(8)如圖4、圖5所示，該電路由脈沖放電電流采樣電路和電壓比較器或運(yùn)算放大器 IC3、三極管VT2、電阻R12-17等組成，脈沖放電電流限制電路的輸出端連接時(shí)基電路的控 制電壓端；直流電壓經(jīng)可調(diào)電阻VR2分壓輸入時(shí)基電路的控制電壓端。脈沖放電電流采樣 電路取得的直流電壓輸入IC3的同相輸入端，電阻R14、R15串聯(lián)與二極管VD6并聯(lián)通過電 阻R13接直流電源取得參考電壓送至IC3的反相輸入端，當(dāng)脈沖放電電流采樣電路取得的 電壓值大于設(shè)置參數(shù)時(shí)，IC3的同相輸入端的電壓大于反相輸入端的電壓，IC3的輸出端 輸出高電平輸入三極管VT2的b極使其導(dǎo)通，時(shí)基電路的控制電壓端由VR2取得的電壓經(jīng) R17、VT2分流，導(dǎo)致時(shí)基電路控制電壓端的電壓下降，tH值減小，輸出脈寛減小，放電晶體 管VTl的導(dǎo)通時(shí)間減小，電池放電電流減小至設(shè)置值。如果脈沖放電電流采樣電路取得的直流電壓輸入如圖5所示IC3的反相輸入端， 而參考電壓送至IC3的同相輸入端，IC3的輸出端通過二極管連接電阻R17( 二極管的負(fù)極 接IC3的輸出端，正極連接R17)，同樣可以限制脈沖放電電流。6、脈沖放電控制電路(9)a、如圖6 (a)所示，該電路由脈沖充電電流采樣電路和由運(yùn)算放大器IC4、電阻 R18-21、可調(diào)電阻VR3等構(gòu)成的同相放大器電路組成。脈沖充電電流采樣電路由取樣電阻R1、濾波電阻R2電容Cl構(gòu)成，取得的直流電壓經(jīng)運(yùn)算放大器IC4放大，得到與充電電流成 正比例的直流電壓，送至?xí)r基電路的控制電壓端。從而使跟蹤充電電流自動(dòng)控制放電脈沖 的寬度成為可行——在充電過程中隨著充電脈沖寬度的逐漸減小，放電脈沖的寬度也逐漸 減小。 b、如圖9所示，由R1、R2、C1構(gòu)成的脈沖充電電流采樣電路和由運(yùn)算放大器IC3D、 電阻R14、R20-23、VR2等構(gòu)成的脈沖放電控制電路，輸出電壓輸入時(shí)基電路的控制電壓端； 由IC3A、三極管VT2、電阻R13、R15-19等構(gòu)成的脈沖放電電流限制電路的輸出端也連接時(shí) 基電路的控制電壓端。在進(jìn)行放電脈沖脈寬自動(dòng)控制的同時(shí)，可限制放電電流在設(shè)置值內(nèi)。
上述脈沖放電電流限制電路和脈沖放電控制電路是現(xiàn)有脈沖充電技術(shù)沒有采用 過的，試驗(yàn)結(jié)果表明，控制可靠，控制精確度高，放電電流平均值控制精確度可至毫安級(jí)，瞬 時(shí)放電電流值可調(diào)控至大于充電電流的平均值。C、如圖6(b)所示，如果IC4放大后的電壓加入由運(yùn)算放大器IC5和電阻R2248 構(gòu)成的電壓差動(dòng)放大器的反相輸入端，其同相輸入端通過電阻R22、R23分壓取得電壓，電 壓差動(dòng)放大器輸出與充電電流成反比例的直流電壓送至?xí)r基電路的控制電壓端；若采用這 種方式，在充電過程中隨著充電脈沖寬度的逐漸減小，放電脈沖的寬度逐漸增大。7、脈沖放電電路工作狀態(tài)控制電路(10)一種方法是控制基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路的工作狀態(tài)，如圖7所示。由脈 沖充電電流采樣電路和運(yùn)算放大器或電壓比較器IC6、IC7、電阻R29-37、二極管VD8等構(gòu)成 脈沖放電電路工作狀態(tài)控制電路，其輸出電壓通過二極管VD8、R37輸入開關(guān)變壓器副邊繞 組輸出充電脈沖采樣電路的輸出端或時(shí)基電路的觸發(fā)端。在恒流、恒壓充電階段，脈沖放電 電路工作狀態(tài)控制電路的IC7輸出低電平不影響單穩(wěn)態(tài)電路及脈沖放電電路工作，脈沖放 電電路處于正常工作狀態(tài)；在涓流充電階段，脈沖放電電路工作狀態(tài)控制電路的IC7輸出 的高電平控制單穩(wěn)態(tài)電路處于穩(wěn)態(tài)不產(chǎn)生放電脈沖，控制脈沖放電電路處于停止脈沖放電 狀態(tài)。預(yù)充電階段的工作狀態(tài)控制電路如圖7所示，由運(yùn)算放大器或電壓比較器IC8、電 阻R41-48構(gòu)成的電壓比較器電路和二極管VDlOUl等組成，脈沖充電輸出電壓采樣電路在 電阻R43的壓降加到IC8的反相輸入端，其同相輸入端接參考電壓。在預(yù)充電階段，脈沖充 電輸出電壓的取樣電壓小于設(shè)置的參考電壓，發(fā)光二極管LED3發(fā)光，IC8輸出高電平通過 VDlO等輸入脈沖充電穩(wěn)壓控制電路可降低脈沖充電輸出電壓；IC8輸出高電平電壓可通過 VDll使脈沖放電電路處于停止放電狀態(tài)。如圖4所示，電阻R61、三極管VT4等構(gòu)成另一種脈沖放電電路工作狀態(tài)控制方法 的電路。圖7所示的IC7或IC8輸出電壓通過電阻R61輸入三極管VT4的基極也可以控制 脈沖放電電路工作狀態(tài)。8、脈沖充電裝置開關(guān)電源的構(gòu)成脈沖充電裝置開關(guān)電源主要由市電整流濾波電路、PWM電路、功率變換電路、充電 脈沖電壓輸出電路、脈沖充電穩(wěn)壓控制電路、脈沖充電控制及狀態(tài)顯示電路等構(gòu)成。現(xiàn)有充 電裝置開關(guān)電源有多種具體技術(shù)方案，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有不同特征的充電脈沖電壓 輸出電路在上述單元電路已加說明，改進(jìn)后的與現(xiàn)有技術(shù)稍有不同的脈沖充電穩(wěn)壓控制電 路、脈沖充電控制電路在下面的單元電路將有說明；本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)在工作原理、電路構(gòu)成、功能等方面相同的市電整流濾波電路、PWM電路、功率變換電路等在相關(guān)的書籍、資料中 有具體說明，不再贅述。9、脈沖充電裝置的脈沖充電穩(wěn)壓控制電路(11)現(xiàn)有的基于開關(guān)電源的充電穩(wěn)壓控制電路其中的充電輸出電壓采樣電路由脈沖 充電輸出電壓采樣電路代替后，使充電輸出脈沖電壓濾波為直流電壓為穩(wěn)壓電路等提供取 樣電壓，現(xiàn)有技術(shù)即適用本發(fā)明。a、一種單端反激式開關(guān)電源脈沖充電穩(wěn)壓控制電路如圖9所示，由二極管VD4、電 容C4、電阻R3、R4、R42、可調(diào)電阻VRl組成的脈沖充電輸出電壓采樣電路和脈寬調(diào)制(PWM) 集成電路(如UC384》IC4、光電耦合器IC5、三端誤差放大器(TL431) IC6、電阻R43-45、 R54-56等構(gòu)成，充電輸出脈沖電壓經(jīng)VD4隔離和電容C4濾波為直流電壓，電阻VR1、R4取得 的電壓經(jīng)IC6放大后，驅(qū)動(dòng)IC5內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)充電輸出電壓升高時(shí)，采樣電路 取得的電壓升高，IC6的陰極(K極)電壓下降，IC5的發(fā)光二極管發(fā)光加強(qiáng)，使IC5內(nèi)部的 光敏管受光照增強(qiáng)而導(dǎo)通增強(qiáng)，R56兩端的電壓升高，經(jīng)脈寬調(diào)制集成電路IC4處理后，使 開關(guān)管的激勵(lì)脈沖的占空比減小，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間縮短，開關(guān)電源輸出電壓下降至設(shè)置值； 當(dāng)充電輸出端電壓下降時(shí)，控制過程相反。b、一種半橋式開關(guān)電源脈沖充電穩(wěn)壓控制電路如圖8所示，由脈寬調(diào)制(PWM)集 成電路(如TL494) IC9和由二極管VD4、電容C4、電阻R50-52組成的脈沖充電輸出電壓采樣 電路等構(gòu)成，R52取得的取樣電壓送至TL494的1引腳，2引腳通過電阻R53、R54接基準(zhǔn)5 伏電源取得參考電壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，TL494的1引腳的電壓相應(yīng)隨之升高，導(dǎo)致TL494 輸出的激勵(lì)脈沖的占空比減小，開關(guān)電源輸出電壓下降至設(shè)置值；當(dāng)輸出電壓下降時(shí)，控制 過程相反。10、脈沖充電裝置的脈沖充電控制及狀態(tài)顯示電路(10)電池的充電過程通常分為三個(gè)階段——充電初期的恒流階段、此后的恒壓階段、 最后的涓流階段。在充電初期，由于放電后電池的電壓較低，充電器輸出電壓被拉低，穩(wěn)壓 電路又提升輸出電壓，使充電電流進(jìn)一步增大，如電流過大會(huì)導(dǎo)致電池和充電器損壞，因此 可設(shè)置過流保護(hù)電路。在恒壓充電階段、涓流充電階段則要著重分別精確控制充電輸出電 壓值及轉(zhuǎn)換電流值。在充電初期的預(yù)充電階段，可控制適當(dāng)減少充電電流?，F(xiàn)有的基于開關(guān)電源的充電控制及狀態(tài)顯示電路其中的充電電流采樣電路由脈 沖充電電流采樣電路代替后，使充電電流采樣電路產(chǎn)生的脈沖電壓濾波為直流電壓，現(xiàn)有 技術(shù)即適用本發(fā)明。一種單端反激式開關(guān)電源脈沖充電控制及狀態(tài)顯示電路如圖7所示。該電路由脈 沖充電電流采樣電路和運(yùn)算放大器或電壓較器IC6、IC7、發(fā)光二極LED1-2等組成。脈沖充 電電流取樣電阻Rl兩端產(chǎn)生的脈沖電壓經(jīng)濾波后的直流電壓通過似9送至IC6的同相輸 入端，IC6的反相輸入端由電阻R30-32、二極管VD7提供參考電壓。在恒流和恒壓充電階 段，IC6輸出高電平，LEDl發(fā)光，并使IC7反相輸入端電壓高于同相輸入端電壓，IC7輸出低 電平電壓，LED2不發(fā)光，同時(shí)VD9、VD8截止，不對(duì)隱壓控制電路和產(chǎn)生放電脈沖的單穩(wěn)態(tài)電 路及脈沖放電電路產(chǎn)生影響，使脈沖放電電路處于正常工作狀態(tài)；在涓流充電階段，IC6輸 出低電平電壓，LEDl不發(fā)光，而IC7輸出高電平電壓，LED 2發(fā)光，IC7輸出高電平電壓通過 VD9、電阻R38輸入如圖9所示的脈沖充電穩(wěn)壓控制電路的脈沖充電輸出電壓采樣電路，使取樣電壓升高，進(jìn)而使充電輸出電壓下降，充電電流減?。籌C7輸出高電平電壓通過VD8、電 阻R37使脈沖放電路處于停止脈沖放電狀態(tài)。如圖8所示，采用TL494芯片的半橋式開關(guān)電源，利用TL494的15引腳、16引腳的 內(nèi)部電路構(gòu)成脈沖充電電流限制電路，由脈寬調(diào)制(PWM)集成電路(如TL494)IC9、脈沖充 電電流采樣電路及偏置電阻R56、R57等構(gòu)成。TL494工作時(shí)，15引腳通過電阻R56、R57分 壓取得參考電壓，脈沖充電電流采樣電路取得的電壓經(jīng)電阻R58送至16引腳，當(dāng)充電電流 大于限定值時(shí)，IC4的16引腳的取樣電壓高于15引腳電壓，使IC9輸出PWM激勵(lì)脈沖的占 空比減小，輸出充電電壓下降，從而使充電流限制在一定范圍內(nèi)。歸納起來，本發(fā)明在理論上的意義就是提出了一種采用開關(guān)電源的開關(guān)變壓器副 邊繞組輸出(正)脈沖，并且采用副邊繞組輸出(正)脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路 輸出(負(fù))脈沖的方法；這種方法在充電技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，就是提出了一種充、放電脈沖的 產(chǎn)生方法，并且比較完善地實(shí)現(xiàn)了充、放電脈沖的控制，與現(xiàn)有的充電裝置開關(guān)電源技術(shù)兼 容，構(gòu)成新型脈沖充電裝置。本發(fā)明從理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面解決了現(xiàn)有的采用開關(guān)變壓器副邊繞組輸出脈 沖充電的技術(shù)方案沒有解決的與充電脈沖同步交替的放電脈沖的產(chǎn)生及控制問題。本發(fā)明比現(xiàn)有的采用專用充電控制集成電路或單片機(jī)的充、放電脈沖產(chǎn)生及控制 方法有明顯的優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)有的脈沖充電技術(shù)的顯著進(jìn)步第一，電路簡(jiǎn)約，產(chǎn)品成本降低。特 別是節(jié)省了串聯(lián)在充電輸出電路的功率晶體管和散熱裝置以及該晶體管的控制電路，因而 制作成本降低，調(diào)試比較容易，故障率也會(huì)降低。第二，充電效果更優(yōu)。采用正脈沖充電—— 負(fù)脈沖瞬時(shí)放電——暫停的充電模式比沒有瞬時(shí)脈沖放電功能的技術(shù)充電效果更優(yōu)。第 三，脈沖放電控制穩(wěn)定、精確，控制方式比較完善?？梢苑蛛A段控制脈沖放電電路的工作狀 態(tài)，跟蹤充電電流自動(dòng)控制放電脈沖的占空比，并且穩(wěn)定地精確地按照設(shè)置值限制放電電 流。第四，充電效率提高，節(jié)能。本方法的關(guān)鍵技術(shù)是利用開關(guān)變壓器副邊繞組輸出脈沖對(duì)電池充電并且利用副 邊繞組輸出充電脈沖信號(hào)的下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路同步交替產(chǎn)生放電脈沖，采用時(shí)基電路 的控制電壓端連接脈沖放電控制電路、脈沖放電電流限制電路，實(shí)現(xiàn)放電脈沖的自動(dòng)調(diào)控。 這既是本發(fā)明的開拓和優(yōu)越之處，還是基于本發(fā)明開發(fā)一種新的脈沖充電控制集成電路的 希望之處。
四

圖1是應(yīng)用本發(fā)明提出的一種充、放電脈沖產(chǎn)生及控制方法設(shè)計(jì)的脈沖充電裝置 的電路構(gòu)成方框圖；圖2是采用單端反激式開關(guān)電源的脈沖充電裝置的充電脈沖電壓輸出電路和工 作電源電路；圖3是單端反激式開關(guān)電源開關(guān)變壓器副邊繞組輸出充電脈沖采樣電路及單穩(wěn) 態(tài)電路的觸發(fā)電路；圖4是基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路及脈沖放電電路；圖5是脈沖放電電流限制電路；圖6是脈沖放電控制電路；
圖7是基于開關(guān)電源的脈沖充電裝置脈沖充電控制及狀態(tài)顯示電路、脈沖放電電 路工作狀態(tài)控制電路；圖8是半橋式開關(guān)電源的脈沖充電裝置的脈沖充電穩(wěn)壓控制電路、脈沖充電電流 限制電路、充電脈沖電壓輸出電路、工作電源電路、基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路及其觸 發(fā)電路；圖9是本發(fā)明具體實(shí)施的一種單端反激式開關(guān)電源的脈沖充電裝置電路圖；圖10是本發(fā)明具體實(shí)施的一種單端反激式開關(guān)電源的脈沖充電裝置輸出充、放 電脈沖電壓波形測(cè)試照片，用SR8 二蹤示波器測(cè)試。其中(a)是開關(guān)變壓器Tl副邊主繞 組N3輸出充電脈沖電壓波形，(b)是基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路輸出放電脈沖電壓波 形，(c)是脈沖放電電路放電三極管VTl的集電極電壓波形。
五具體實(shí)施例方式應(yīng)用本方法設(shè)計(jì)的一種脈沖充電裝置，電路圖如圖9所示，開關(guān)電源采用單端反 激式功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用三階段充電(脈沖恒流充電、脈沖恒壓充電、脈沖涓流充電) 控制方式和通用集成電路構(gòu)成的充電控制電路。該充電裝置由市電整流濾波電路、PWM電 路、功率變換電路及充電脈沖電壓輸出電路、工作電源電路、脈沖充電穩(wěn)壓控制電路、脈沖 充電控制及狀態(tài)顯示電路、基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路、開關(guān)變壓器副邊繞組輸出充 電脈沖采樣及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、脈沖放電電路、脈沖放電電流限制電路、脈沖放電控制電 路、脈沖放電電路工作狀態(tài)控制電路等構(gòu)成，電路構(gòu)成方框圖如圖1所示。市電整流濾波電路產(chǎn)生300伏左右的直流電壓。PWM電路產(chǎn)生高頻脈沖控制開關(guān) 管的導(dǎo)通或截止，使開關(guān)變壓器處于振蕩狀態(tài)，300伏左右的直流電壓經(jīng)過功率變換電路的 變換，開關(guān)變壓器副邊繞組輸出高頻脈沖電壓，將直流電壓轉(zhuǎn)換為充電裝置所需要的電壓。單端反激式開關(guān)電源的市電整流濾波電路、PWM電路和功率變換電路等是現(xiàn)有的 比較成熟的技術(shù)，相關(guān)的書籍、資料已有詳細(xì)介紹，不再贅述。本具體實(shí)施方案的脈沖充電控制及狀態(tài)顯示電路和脈沖放電電路工作狀態(tài)控制 電路由四運(yùn)算放大器(LM324)IC3的IC3C、三極管VT4、電阻R30-41、發(fā)光二極管LED1-2、二 極管VD9-11等構(gòu)成，IC3C的同相輸入端輸入電阻R32、R33分壓取得的參考電壓，脈沖充電 電流采樣電路取得的直流電壓通過電阻R36輸入IC3C的反相輸入端。在恒流、恒壓充電階 段充電電流較大，設(shè)置參考電壓使IC3C輸出低電平電壓，LED2不發(fā)光，VD9-10、VT4截止， LEDl發(fā)光。在涓流充電階段，IC3C輸出高電平電壓，V1M導(dǎo)通，LEDl不發(fā)光，LED2發(fā)光，IC3C 輸出的高電平電壓通過VD10、R41加至IC6TL431的R極使其電壓升高，IC4(UC3842)輸出 PWM脈沖的占空比減小，使開關(guān)電源輸出電壓下降，充電電流減??；IC3C輸出的高電平通過 VD9使IC2保持穩(wěn)態(tài)不產(chǎn)生放電脈沖，使脈沖放電電路處于停止脈沖放電狀態(tài)。電阻R34、35、VT3、電扇M等構(gòu)成風(fēng)扇工作電路，在恒流充電、恒壓充電階段，V1M的 集電極為高電平，VT3導(dǎo)通，風(fēng)扇M運(yùn)行。由運(yùn)算放大器IC;3B、電阻R2548、二極管VD8、VD12等構(gòu)成低電壓恒壓充電階段控 制電路，IC3B的同相輸入端接參考電壓，反相輸入端輸入脈沖充電電流采樣電路取得的直 流電壓，設(shè)置適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷褐?，脈沖充電電流的平均值小于設(shè)置值后，使IOB輸出高電 平，通過VD8、電阻R30使IC2不產(chǎn)生放電脈沖，使脈沖放電電路處于停止脈沖放電狀態(tài)。
單端反激式開關(guān)電源的脈沖充電穩(wěn)壓控制電路、充電脈沖電壓輸出電路和放電脈 沖的產(chǎn)生及控制部分的開關(guān)變壓器副邊繞組輸出充電脈沖采樣及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、基于時(shí) 基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路、脈沖放電電路、脈沖放電電流限制電路、脈沖放電控制電路等， 在本說明書所述的技術(shù)方案相應(yīng)的單元電路中已作說明。上述各單元電路與本具體實(shí)施方 案的基本電路及工作原理是相同的，部分元件的編號(hào)不同，其構(gòu)成和原理不再重復(fù)?，F(xiàn)有技術(shù)相關(guān)資料在同一張圖或照片所示的脈沖充電器輸出的充電、放電脈沖電 壓或電流波形一般是示意性的，如本說明書的背景技術(shù)中所述的《正負(fù)脈沖充電器》一文圖 3所示的充放電波形，并沒有說明是具體方案哪個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的實(shí)際波形。測(cè)試得到的本 發(fā)明具體實(shí)施的充電裝置在充電過程中如圖10所示的充、放電脈沖電壓波形是可多次重 復(fù)測(cè)試得到的真實(shí)波形，所測(cè)到的波形和充電試驗(yàn)表明，本發(fā)明是可行的，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目 標(biāo)。
權(quán)利要求
1.脈沖充電裝置的一種充、放電脈沖產(chǎn)生及控制方法，其中放電脈沖的產(chǎn)生及控制方 法有基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路(5)、脈沖放電電路(6)、工作電源電路(7)，其特征 是，單穩(wěn)態(tài)電路(5)的觸發(fā)電路(4)有充電裝置開關(guān)電源的開關(guān)變壓器(1)副邊繞組輸出 充電脈沖采樣電路(3)，采用引進(jìn)充電脈沖信號(hào)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路(5)由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換為暫穩(wěn)態(tài) 時(shí)輸出脈沖——與充電脈沖同步交替的放電脈沖——的方法，并且放電脈沖是可調(diào)控的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖充電裝置其中放電脈沖的產(chǎn)生及控制方法，構(gòu)成單穩(wěn)態(tài) 電路(5)的時(shí)基電路的控制電壓端加入電壓，其特征是，所述的控制電壓端加入由包括脈 沖充電電流采樣電路、電壓放大器電路的可使放電脈沖跟蹤充電電流而變化的脈沖放電控 制電路(9)輸出的與充電電流成比例的直流電壓，控制放電脈沖的脈寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖充電裝置其中放電脈沖的產(chǎn)生及控制方法，所述單穩(wěn)態(tài) 電路(5)的時(shí)基電路的控制電壓端加入電壓，其特征是，由包括脈沖放電電流采樣電路、電 壓比較器電路的可限制脈沖放電電流的脈沖放電電流限制電路(8)代替脈沖放電控制電 路(9)，其輸出端連接所述的時(shí)基電路的控制電壓端，該控制電壓端還加入直流電壓經(jīng)分壓 電路取得的電壓；采用所述的電壓比較器的同相輸入端、反相輸入端分別加入的由脈沖放 電電流采樣電路取得的電壓高于脈沖放電電流限制值的參考電壓時(shí)，其輸出電壓控制所述 的時(shí)基電路的控制電壓端電壓下降的方法限制放電電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脈沖充電裝置其中放電脈沖的產(chǎn)生及控制方法，其特征 是，所述的時(shí)基電路的控制電壓端還連接脈沖放電電流限制電路(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖充電裝置其中放電脈沖的產(chǎn)生及控制方法，其特征是， 有采用脈沖充電控制電路在各個(gè)充電階段輸出的低電平電壓或高電平電壓分階段控制脈 沖放電電路(6)處于正常工作狀態(tài)或停止脈沖放電狀態(tài)的脈沖放電電路工作狀態(tài)控制電 路(10)。
6.脈沖充電裝置的一種充、放電脈沖產(chǎn)生及控制方法，其中充電脈沖的產(chǎn)生及控制方 法有充電裝置開關(guān)電源，包括開關(guān)變壓器(1)、充電穩(wěn)壓控制電路、充電控制電路，其特征 是，有采用開關(guān)變壓器(1)副邊繞組輸出脈沖電壓經(jīng)二極管整流的方式供給電池充電的充 電脈沖電壓輸出電路O)；所述的充電穩(wěn)壓控制電路其中的充電輸出電壓采樣電路由可使 取樣的充電輸出脈沖電壓濾波為直流電壓的脈沖充電輸出電壓采樣電路代替后構(gòu)成脈沖 充電穩(wěn)壓控制電路(11)，所述的充電控制電路其中的充電電流采樣電路由可使采樣電路 產(chǎn)生的脈沖電壓濾波為直流電壓的脈沖充電電流采樣電路代替后構(gòu)成脈沖充電控制電路 (10)。
全文摘要
本發(fā)明是脈沖充電裝置的一種充、放電脈沖產(chǎn)生及控制方法。本發(fā)明屬于基于開關(guān)電源的脈沖充電技術(shù)。為創(chuàng)新現(xiàn)有的包括采用外國(guó)專用充電控制集成電路的脈沖充電技術(shù)其輸出充電脈沖要先整流濾波成直流電壓然后再變換為脈沖的模式，解決采用開關(guān)變壓器輸出脈沖充電同步產(chǎn)生放電脈沖的難題，開拓了一種采用開關(guān)變壓器副邊繞組輸出脈沖充電和引進(jìn)輸出充電脈沖觸發(fā)基于時(shí)基電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路轉(zhuǎn)換為暫穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出與充電脈沖同步交替的放電脈沖的方法，并提出了自動(dòng)調(diào)控時(shí)基電路控制端電壓控制放電脈沖和改進(jìn)現(xiàn)有充電控制電路、穩(wěn)壓電路控制充電脈沖的方法。本方法適用鉛酸電池充電，對(duì)其它電池的充電效果待進(jìn)一步試驗(yàn)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102142699SQ201110022920
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者肖相如 申請(qǐng)人:肖相如