專利名稱：自適應(yīng)時(shí)變恒流逆變高速率充電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提供了一種由專用和通用集成芯片參與控制的對蓄電池?zé)o歐姆效應(yīng)的電化學(xué)電動(dòng)勢采樣跟蹤調(diào)節(jié)的高速率充電機(jī)。
蓄電池的充電是十分復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，當(dāng)充電過程中充電電流超出該蓄電池的最大允許電流值時(shí)，這部分超出的電能不能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，反而使電解液水分解排出大量氣體，溫度升高，損壞電極板，導(dǎo)致蓄電池工作容量降低壽命縮短，經(jīng)驗(yàn)指出蓄電池自然接受充電電流是一條按指數(shù)規(guī)律下降的曲線，其方程i＝Io·e－at(a＞0)，為了保證充電電流不超過限度，又有最快的充電速度必須在充電過程不斷調(diào)整充電電流，否則只能選擇一個(gè)較小的充電電流，這將大大延長充電時(shí)間，且不能使蓄電池充足容量，這是當(dāng)前充電機(jī)的致命弱點(diǎn)。
在充電過程中不斷調(diào)節(jié)充電電流，使充電電流曲線接近理想曲線并盡可能充足容量，為此日本特許公報(bào)上公開的(A)昭61－1229采用了與電網(wǎng)直接相連的帶有高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)的充電電流發(fā)生回路，及在充電電流輸出端插入積與電路來檢測蓄電池電壓并按檢出的電壓設(shè)置定時(shí)電路控制充電電流幅值，在蓄電池充電后期采用降低電流幅值法限制過充電的產(chǎn)生。在日本公開特許公報(bào)上記載的(A)昭61－26438，專利申請中則增加溫度檢測回路，并將充電電流曲線變?yōu)殡A梯形階段充電過程，上述方法雖改善了充電的條件，加快了充電速度，但其充電過程的充電電流曲線與實(shí)際可接受曲線還相差甚遠(yuǎn)，由于無法實(shí)現(xiàn)精確控制，其過充電，過溫出氣等現(xiàn)象在所難免。中國專利CN86100795A中提出了采用微機(jī)控制，隨機(jī)檢測充電過程中電流參數(shù)的變化并力求將充電過程曲線與實(shí)際理想曲線i＝Io·e－at相吻合，但也由于Io和a在整個(gè)充電過程中不是一個(gè)常量，而充電回路中又采用普通工頻電流整流，其諧波成份多，峰值電壓波動(dòng)大，在充電效果及充電速度上扔然不能令人滿意。
本發(fā)明創(chuàng)造的目的就是克服上述缺點(diǎn)提供一種自動(dòng)適應(yīng)蓄電池電化學(xué)、濃差極化電勢隨時(shí)變化的采樣跟蹤式的高速率充電機(jī)以實(shí)現(xiàn)最佳快速充電過程。
本實(shí)用新型以麥斯三定律為基礎(chǔ)，第一定律為一個(gè)蓄電池以任何給定電流放電其充電接受率a與放電容量c的平方根成反比，即aα ，第二定律為一個(gè)蓄電池的充電接受率和放電電流Iα的對數(shù)成線性關(guān)系，即α＝ Lg(KIα)第三定律為一個(gè)蓄電池經(jīng)幾種放電率放電，其充電接受電流是各個(gè)放電率下接受電流之和，即It＝I1＋I(xiàn)2＋I(xiàn)3＋…，同時(shí)αt＝ (It)/(Ct′) 式中at為總的沖電接受率，It為總的接受電流，Ct為放出的總電量，根據(jù)上述定律對蓄電池采用脈沖快速充電。在本實(shí)用新型中采用恒流充電方式即用IH代替IO，還采用離散脈沖時(shí)間分割法對理想充電曲線進(jìn)行自適。應(yīng)動(dòng)態(tài)采樣跟蹤，如圖2所示，為了達(dá)到適應(yīng)各種蓄電池結(jié)構(gòu)容量不同的要求，本實(shí)用新型采用了無歐姆極化電勢的蓄電池電動(dòng)勢檢測方案，并結(jié)合去極化放電處理實(shí)現(xiàn)高速充電，也就是在本實(shí)用新型中先設(shè)定一個(gè)微量當(dāng)充入電量變化率小于該微量值時(shí)，即認(rèn)為充電過程結(jié)束，并滿容量充電，于是停止充電，這是借助蓄電池電壓閉環(huán)采樣測控系統(tǒng)，將采樣信號(hào)按給定邏輯關(guān)系處理后調(diào)控可調(diào)脈寬的高頻脈沖恒定直流充電回路及在可控去極化放電回路配合工作下充、放電或停止充電。量終實(shí)現(xiàn)按理想的充電曲線對蓄電池高速充電。
相對當(dāng)前已有的充電機(jī)本實(shí)用新型不僅實(shí)現(xiàn)了高速充電、充足電，而且從根本上防止了水分解及溫升等缺點(diǎn)，從而大大提高了蓄電池循環(huán)充電次數(shù)和壽命。


圖1為理想充電電量曲線圖2為實(shí)際充電電量曲線圖3為本實(shí)用新型電路的框圖圖4為可調(diào)高頻脈沖恒定直流充電電路、去極化放電電路及采樣邏輯控制回路圖5為圖4中的高頻振蕩電路圖6為停止充電報(bào)警電路圖7為時(shí)鐘時(shí)序圖8為參量時(shí)序圖9為與門(22)輸出時(shí)序
以下結(jié)合附圖作進(jìn)一步詳細(xì)說明圖1及圖2為本實(shí)用新型的基本數(shù)學(xué)模型，即用高度為IH脈寬隨采樣而變化幅值的離散脈沖來盡可能地迫近理想充電曲線。
本實(shí)用新型由恒流高速充電電路(1)、本機(jī)供電電源(2)、被充蓄電池及指示組件(3)、去極化放電電路(4)及微電子控制系統(tǒng)(5)組成。
充電電路(1)由商頻振蕩電路(6)、高頻振蕩驅(qū)動(dòng)器(7)、脈寬調(diào)制器(8)、高頻隔離變壓器(9)、高頻整流器(10)組成，微電子控制系統(tǒng)(5)由去極化電路窄脈沖形成及驅(qū)動(dòng)器(13)、采樣開關(guān)(14)、基準(zhǔn)電壓源(15)、參量比較器(16)、長周期時(shí)鐘源(17)、邏輯運(yùn)算電路(18)組成。
各部件間的關(guān)系是本機(jī)供電電源(2)輸入端接普通工頻電網(wǎng)，輸出一個(gè)直流給各部件作直流供電，另一輸出到高頻振蕩電路(6)，振蕩電路的輸出接至高頻隔離變壓器(9)的輸入，充電電流檢測點(diǎn)(12)接在其間，高頻隔離變壓器的輸出接至高頻整流器(10)的輸入端，高頻整流器將電流輸出至蓄電池(3)，被充電蓄電池電壓檢測點(diǎn)(11)接在其間，去極化放電電路(4)跨接在蓄電池的兩端，去極化放電電路上接有窄脈沖形成及驅(qū)動(dòng)器(13)。參量比較器(16)接一個(gè)基準(zhǔn)電壓源(15)的輸入及一個(gè)來自電壓檢測點(diǎn)(11)并經(jīng)過一個(gè)采樣開關(guān)(14)的輸入，輸出則作為邏輯運(yùn)算電路(18)的組成元件與門(22)的一個(gè)輸入端，與門的另一個(gè)輸入端(21)連至長周期時(shí)鐘源(17)，與門輸出連一個(gè)反相器(23)，與門輸出端還連有停充報(bào)警啟動(dòng)線(19)，反相器輸出接至頻寬調(diào)制器(8)的引腳4，頻寬調(diào)制器還通過引腳1經(jīng)整流器(24)與電流檢測點(diǎn)(12)相接，通過引腳2與變阻器(20)相接，R1、C1振蕩電路與頻寬調(diào)制器相連接，頻寬調(diào)制器將輸出連至高頻振蕩驅(qū)動(dòng)(7)，它又將信號(hào)送至高頻振蕩電路(6)。
高速充電電路(1)是一個(gè)可調(diào)的高頻脈動(dòng)鋸齒波直流電源，其輸入端與本機(jī)供電電源(2)相連，輸出端跨接在被充蓄電池(3)的兩端，用對鋸齒波占空比的調(diào)節(jié)來控制充電電流的大小。高速充電電路(1)由三個(gè)主要部分組成，其一脈寬可調(diào)的高頻振蕩器，它又由三個(gè)部件組成，一個(gè)是由一個(gè)1－4個(gè)功率場效應(yīng)管組成的全橋式、半橋式、推挽式或各類電感儲(chǔ)能高頻振蕩電路(6)，在本機(jī)電源(2)的支持下將一般工頻電網(wǎng)交流轉(zhuǎn)化為高頻鋸齒波逆變電源，圖5給出了高頻振蕩電路的一個(gè)具體參考電路，第二個(gè)部件為一個(gè)頻寬調(diào)制器(8)，它可采用現(xiàn)成的集成片子來做高頻振蕩電路的脈寬調(diào)節(jié)，例如可用德克薩斯儀器公司的TL494、TL495、TL594等，頻寬調(diào)制器接上外部的R1、C1產(chǎn)生合適的高頻振蕩，接在頻寬調(diào)制器引腳4上的電容C2用來做頻寬調(diào)制器的軟啟動(dòng)，其振蕩輸出經(jīng)第三個(gè)部件驅(qū)動(dòng)器(7)加在高頻振蕩電路(6)的功率場效應(yīng)管的控制極上，實(shí)現(xiàn)對高頻振蕩電路工作狀態(tài)的調(diào)控。具體調(diào)控為來自頻寬調(diào)制器內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源經(jīng)過變阻器(20)取得基準(zhǔn)加在引腳2上，引腳1取得電流反饋信號(hào)，則來自(12)的電流變化即可變換頻寬調(diào)制器的脈寬占空比，從而改變高頻振蕩電路功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)對高頻鋸齒波電流脈沖寬度調(diào)節(jié)，達(dá)到恒流目的，并可起到短路保護(hù)限流作用。
高速充電電路(1)的第二部分是隔離式高頻變壓器(9)，它的輸入端與高頻振蕩電路(6)相接，充電電流檢測點(diǎn)(12)在高頻振蕩電路及高頻變壓器之間取樣，高頻變壓器傳遞高頻電源并將電網(wǎng)與充電工作回路隔離。
高速充電電路(1)的第三部分為高頻整流器(10)。它與高頻變壓器輸出端相連，將高頻交流電源變成高頻脈動(dòng)直流，高頻整流器的輸出端引至被充電的蓄電池(3)高頻整流器由1至2只快速恢復(fù)二極管搭成。
本實(shí)用新型另一個(gè)重要組成部分是長周期脈寬可調(diào)的同步斷路電路，它由微電子控制系統(tǒng)(5)來完成，它包含長周期時(shí)鐘電路(17)參量比較電路(16)及邏輯運(yùn)算電路(18)，長周期時(shí)時(shí)鐘電路可采用通用的時(shí)基集成片子或分立元件搭成。其輸出時(shí)鐘信號(hào)送入邏輯運(yùn)算電路的一個(gè)輸入端，參量比較器輸出信號(hào)送入邏輯運(yùn)算電路另一個(gè)輸入端，經(jīng)邏輯運(yùn)算后信號(hào)送至頻寬調(diào)制器的引腳4，控制頻寬調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)對高速率充電回路的通或斷。
工作時(shí)時(shí)鐘電路(17)定時(shí)發(fā)出固定周期的時(shí)鐘脈沖送入邏輯運(yùn)算電路(18)的輸入端(21)，時(shí)鐘脈沖輸出為“0”電平時(shí)與門(22)輸出“0”經(jīng)反相器(23)后，輸出“1”，使引腳4為“1”電平，頻寬調(diào)制器(8)停止振蕩，控制高速充電回路(1)電流中斷截止，同時(shí)與門(22)輸出的“0”電平又控制采樣開關(guān)(14)接通，使蓄電池電勢進(jìn)入?yún)⒘勘容^器(16)進(jìn)行判斷，當(dāng)蓄電池電勢高于基準(zhǔn)電位(15)時(shí)，參量比較器輸出“0”，反之輸出“1”。一般在蓄電池未充滿電時(shí)雖有內(nèi)部的濃差極化和電化學(xué)極化電壓，但在去極化放電電路(4)放電作用下極化現(xiàn)象逐漸消失，使蓄電池端電壓下降至低于基準(zhǔn)電位，這時(shí)參量比較器又輸出“1”，時(shí)鐘脈沖也為”1“時(shí)，高速充電電路接通，時(shí)鐘脈沖為“0”時(shí)高速充電電路輸出中斷，但時(shí)鐘脈沖為“1”時(shí)，高速充電電路不一定能接通，還要由與門(22)的另一個(gè)輸入端來共同決定，只有時(shí)鐘脈沖輸入“1”，參量比較輸出也為“1”時(shí)，與門輸出為“1”，引腳4才能為“0”，使頻寬調(diào)制器有輸出，使高速充電電路接通，重新對蓄電池充電。由于時(shí)鐘信號(hào)是固定周期的，當(dāng)參量比較器輸出為“1”電平的時(shí)間小于時(shí)鐘脈沖輸出為“1”電平的時(shí)間，則高速充電電路重新接通時(shí)刻同步于參量比較器的輸出，如圖7、圖8、圖9所示。當(dāng)充電進(jìn)行到后期時(shí)，由于蓄電池電勢逐漸升高，去極化后蓄電池電勢下降變緩使參量比較器輸出“1”電平時(shí)間變短，從而使高速充電電路的輸出停止時(shí)間變長，接通時(shí)間變短，當(dāng)停止時(shí)間到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，停充報(bào)警電路(19)報(bào)警，指示操作人員停機(jī)，直至最后自動(dòng)停機(jī)，這樣就使高速充電電路的通斷自動(dòng)適應(yīng)蓄電池電勢的變化，實(shí)現(xiàn)高速充電，充滿電。
本實(shí)用新型有一個(gè)去極化放電電路(4)，它是一個(gè)窄脈沖放電電路，由一個(gè)功率場效應(yīng)管和一個(gè)放電電阻R5組成，跨接在蓄電池的兩端，R4為檢流電阻，即這一電路的放電導(dǎo)通受時(shí)鐘電路和參量比較器的邏輯控制，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為“0”，高速充電電路中斷，并觸發(fā)窄脈沖形成反驅(qū)動(dòng)器(13)，控制場效應(yīng)管導(dǎo)通放電，當(dāng)采樣到蓄電池電勢超過出氣點(diǎn)電壓時(shí)，則參量比較器輸出“0”封鎖時(shí)鐘脈沖，使之不能觸發(fā)放電場效應(yīng)管導(dǎo)通。
權(quán)利要求1.一種由專用和通用集成芯片控制的高速充電機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括恒流高速充電電路、本機(jī)供電電源、被充蓄電池及指示組件、去極化放電電路及微電子控制系統(tǒng)，其特征在于高速充電電路(1)是一個(gè)可調(diào)的高頻脈動(dòng)鋸齒波直流電源，其輸出端跨接在被充電蓄電池(3)的兩端，用對鋸齒波占空比的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)充電電流的大小，去極化放電電路(4)是窄脈放電電路，它跨接在被充電蓄電池的兩端，可調(diào)高頻脈動(dòng)鋸齒波直流電源的充電或中斷截止信號(hào)線、脈寬調(diào)節(jié)信號(hào)線與微電子控制系統(tǒng)(5)的相應(yīng)輸出端相連，去極化放電電路的啟動(dòng)信號(hào)線與微電子控制系統(tǒng)的相應(yīng)輸出端相連，微電子控制系統(tǒng)根據(jù)在充電電流截止的中斷間隔采樣的參量經(jīng)微電子系統(tǒng)內(nèi)的硬件邏輯運(yùn)算處理并發(fā)出控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速充電機(jī)，其特征在于所述高速充電電路(1)包括一個(gè)脈沖寬度可調(diào)的高頻振蕩器，它將受控調(diào)制電量送至高頻變壓器(9)，高頻變壓器將與電網(wǎng)隔離后的交變電量送至高頻整流器(10)，整流后的高頻脈動(dòng)直流由高頻整流器輸出端引至被充電蓄電池的兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的高速充電機(jī)，其特征在于所述脈沖寬度可調(diào)的高頻振蕩器由高頻振蕩電路(6)、高頻振蕩驅(qū)動(dòng)器(7)和一個(gè)頻寬調(diào)制器(8)組成，頻寬調(diào)制器可選用德克薩斯儀器公司生產(chǎn)的TL494配接電阻、電容搭成，其輸出通過驅(qū)動(dòng)器(7)加在高頻振蕩電路(6)的功率場效應(yīng)管的控制極，來自電流檢測點(diǎn)(12)的變化的信號(hào)經(jīng)整流器(24)變換后加在頻寬調(diào)制器(8)的引腳1上，引腳2連接變阻器(20)，引腳4連至微電子控制系統(tǒng)(5)的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速充電機(jī)，其特征在于所述的微電子控制系統(tǒng)(5)有一個(gè)長周期時(shí)鐘電路(17)其輸出為與門(22)的一個(gè)輸入，基準(zhǔn)電壓源(15)的信號(hào)及電壓檢測點(diǎn)(11)檢出，經(jīng)采樣開關(guān)(14)引來的信號(hào)均送入?yún)⒘勘容^器(16)進(jìn)行比較，并輸出至與門(22)的另一輸入端，與門的輸出連至反相器(23)作為輸入，反相器的輸出則引至頻寬調(diào)至器的引腳4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速充電機(jī)，其特征在于去極化放電電路(4)由放電電阻及串接的功率場效應(yīng)管連至窄脈沖形成及驅(qū)動(dòng)器(13)，并通過檢流電阻跨接在被充電蓄電池的兩端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速充電機(jī)，其特征在于所說高頻整流器(10)由快速恢復(fù)二極管1至2只搭成。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種由專用和通用集成芯片參與控制的對蓄電池?zé)o歐姆效應(yīng)的電化學(xué)電動(dòng)勢采樣跟蹤調(diào)節(jié)的高速率充電機(jī)，它由蓄電池電壓閉環(huán)采樣測控系統(tǒng)、可調(diào)脈寬的高頻脈沖恒定直流充電回路、可控去極化放電回路及蓄電池充電工作組件構(gòu)成，具有控制可靠、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)高速充電，充足電，而又不過量充電，從根本上防止水分解及溫升，從而大大提高蓄電池充電循環(huán)次數(shù)和壽命。適用于各種結(jié)構(gòu)及各種功率的蓄電池。
文檔編號(hào)H02J7/10GK2100052SQ9121945
公開日1992年3月25日 申請日期1991年8月6日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月6日
發(fā)明者李桂森, 祝寶章 申請人:哈爾濱市南崗區(qū)恩普施通用電氣廠