一种正负脉冲充电装置的制作方法

专利名称：一种正负脉冲充电装置的制作方法
技术领域：
本技术方案属于基于开关电源的脉冲充电技术。
二背景技术：
(一)、现有的比较先进的采用充电专用集成电路的脉冲充电装置在技术上有重要进步、性能更加优越，但存在不足，而有的采用单片机的技术方案存在没有解决的关键问题；本技术方案比现有技术有实质性的创新现有的脉冲充电方式主要有两种模式，一种是一个周期包括脉冲充电——停止充电两个阶段，另一种是一个周期包括正脉冲充电——负脉冲瞬时放电——暂停三个阶段； 二者的区别在于两个充电脉冲之间是否有放电脉冲。市电经工频变压器变压整流或经可控硅变流后的IOOHz脉动电压，业内比较一致的意见是认为不属于脉冲电压的范畴。在现有的采用工频变压器的脉动充电技术中有采用计算机技术的各种设计方案，实现了按照充电——瞬时放电——暂停三阶段模式充电， 对电池充电过程进行以最低出气率为前提的最优控制，其控制技术比较先进，也比较成熟。 沈阳电力高等专科学校李贞的《单片机快速充电系统》(电子技术，1997，2)、专利公开号为 88100250的《智能快速充电机》等就是属于采用计算机技术进行控制的工频变压器式快速脉动充电装置；由LZllO充电控制专用集成电路组成的充电器也是采用市电经工频变压器变压的方式。然而，由于这类充电装置采用工频变压器以及输出的IOOHz脉动电压所固有的先天不足及难以弥补的缺陷，在开关电源技术及其元器件日益进步、日臻完善的情况下， 其应用和发展受到严重制约。现有的公开的各种各样的开关电源式的脉冲充电技术及充电装置，充、放电脉冲产生及控制电路大致可分为五类，经历着一个技术逐步进步的历程。第一类，以通用集成电路为核心构成振荡电路产生充电脉冲叠加于开关电源输出的直流电压对电池充电。如薛金梅主编的《电动自行车充电器故障维修精华》(北京机械工业出版社，2009. 12)第113-115 页所述的充电器采用14位二进制串行计数/分频器和振荡器集成电路CD4060构成充电脉冲产生电路，输出脉冲叠加于充电器输出直流电压对电池充电。且不论这类充电器输出电压的波形是否符合脉冲电压的要求，这类电路存在的特有的问题是，CD4060的工作电压最大额定值低于电动自行车电池组的电压，有无脉冲充电效果是不言而喻的。第二类，在普通的输出直流电压的开关电源式充电器电路增加了脉冲放电及控制电路，以通用集成电路为核心构成振荡电路，其输出脉冲控制放电晶体管的导通或截止，该晶体管导通时充电输出电路瞬间放电。如薛金梅主编的《电动自行车充电器故障维修精华》第154-157页介绍的一种脉冲型充电器采用四与非门芯片CD4011，以其中两个与非门等构成多谐振荡器产生放电脉冲；另有一种脉冲型充电器采用四运算放大器LM324，以其中两个运算放大器为核心构成多谐振荡器产生放电脉冲。这类方案存在的问题是，放电电路瞬时导通时，充电输出并没有截止，究竟是电池放电还是充电器输出放电，抑或二者兼而有之？这个问题并没有搞清楚。解决这个问题的方法之一是，在放电脉冲产生前使充电输出截止，然后瞬时脉冲放电，延时后恢复充电，周而复始循环。第三类，采用技术比较先进的专用充电控制集成电路(如ABT6502、ZC378等)的脉冲充电技术及其装置解决了上述问题，并具有其它功能。 这类技术采用开关变压器输出脉冲电压先整流滤波成直流电压，再采用专用充电控制集成电路输出充电脉冲控制串连在充电输出电路的晶体管(一般是功率场效应管)的导通或截止的方式进行脉冲充电；专用充电控制集成电路输出放电脉冲控制放电晶体管的导通或截止，使电池瞬时放电。如刘遂俊主编的《实用电动自行车充电器与控制器维修技术》(北京机械工业出版社，2008. 8)第125页刊载的正负脉冲充电器电路图属于此类。据查，该充电器采用的是性能比较优越的充电专用管理集成电路ZC378，充电时ZC378的12引脚输出充电脉冲使串连在充电输出电路的功率晶体管Q3导通对电池充电；充电脉冲过后，Q3截止，停止充电，ZC378的13引脚输出放电脉冲使晶体管Q8导通，电池通过放电电阻及Q8瞬时放电，如此循环。这是一款采用正脉冲充电——负脉冲瞬时放电——暂停的三阶段模式的充电器，一种采用ZC378集成电路的充电器在网上的销售价格是一般充电器的二倍多。 ABT6502系列芯片是外国一家电池技术公司推出的性能比较优越的铅酸电池充电专用控制集成电路，薛金梅主编的《电动自行车充电器故障维修精华》一书第127-1 页《ABT6502 和TL494组成的智能型充电器电路原理解析》一节的充电器采用ABT6502进行脉冲充电、 放电控制，该芯片能输出充电脉冲，也能输出放电脉冲。在正常充电状态ABT6502输出充电脉冲控制串联在充电输出电路的晶体管间歇导通对电池进行脉冲充电；在脉冲修复状态充电停止，ABT6502输出放电脉冲使放电晶体管间歇导通，电池间隙瞬时放电。又如，中国高校自动化网(www.zdhl909.com)等发的《智能型铅酸蓄电池充电器设计与实现》一文介绍的脉冲充电器，主要由开关稳压电源、斩波开关、控制器组成，开关稳压电源输出电压恒定的直流电通过斩波开关的通断对电池充电。斩波开关由三极管及电阻等构成，以单片机PIC16CM为核心构成充电脉冲产生及控制电路，输出高电平或PWM充电控制信号，不能输出放电脉冲。在快充阶段，单片机PIC16CM的6引脚输出高电平使斩波开关导通进行快速充电；在慢充阶段，PIC16C54的6引脚输出固定占空比的PWM信号控制斩波开关电路的三极管间隙导通或截止，对电池进行脉冲充电；在涓流阶段，以更小占空比的PWM维持约 0.09C的脉冲充电。由此可见，这是一款采用直流电压充电及两阶段脉冲充电模式的充电器，没有采用正脉冲充电——负脉冲放电——暂停的三阶段充电模式。 更重要的问题是，脉冲充电技术及其产品的研究、设计和开发，或存在思路因循守旧、技术进步缓慢的状况。以采用开关电源技术的铅酸电池脉冲充电器为例，开关变压器副边绕组输出的本来就是不连续的脉冲，可是从技术设计到产品生产，绝大多数是先整流滤波成直流电压，再使用脉冲充电控制电路控制串连在充电输出电路的功率晶体管间隙导通把直流电变为脉冲对电池充电，其中只有部分技术方案在充电脉冲的间隙有脉冲放电。 长期以来，许多人按照这个框框进行思考、研究，形成一道螺旋式的轨迹。是寻思不出在开关变压器副边绕组输出充电脉冲的间隙产生放电脉冲的方法还是现有的开关电源输出脉冲不适宜电池充电，或另有考虑？而采用工频交流电的正负脉动充电技术利用交流电的过零信号成功地解决了正负脉动波的同步问题，从而成功地研发了多种正负脉动电压充电装置。问题的症结在哪里呢？第四类，有人试图突破这个框框，提出了采用开关变压器副边绕组输出脉冲电压整流后对电池充电而不需要串连在充电输出电路的晶体管的脉冲充电技术方案。从网上查得，《正负脉冲充电器》一文的作者提出了一种技术方案，开关变压器副边绕组输出脉冲电压整流后通过电感接电池充电，该文在网上转发较多。值得研究的问题是 该文说明，该充电器采用双正激功率变换电路，电路中的开关管Q3和Q4同时导通或截止， 功率因数校正电路的控制芯片UC3854A/B “控制Q3和Q4开通关断”，而单片机的RB0-RB2 口又“驱动Q2和Q3、Q4”，二者如何“控制充放电脉冲”呢？此外，在电池两端并联电容，会对充电脉冲产生影响。从网上查得，《电动车铅酸蓄电池的脉冲快速充电设计》一文的作者提出了一种采用PWM芯片SG3525的半桥式功率变换电路的脉冲快速充电设计开关变压器副边绕组输出脉冲电压整流后通过电感接电池充电，以单片机为核心构成的充电控制电路控制分阶段充电。作者没有公开说明的问题是该设计的充放电主电路标明有脉冲放电场效应管，但其硬件电路和软件设计没有说明放电脉冲的产生及其控制的方法和电路，其结语也没有提及脉冲放电；从公开的资料看，该设计可以实现脉冲充电——暂停的二阶段模式的脉冲充电，并没有说明如何解决在充电脉冲的间隙产生放电脉冲的问题，即放电脉冲与充电脉冲同步交替产生以及放电脉冲的控制问题。第五类，其它。有关书籍和网上刊载了一种基于时基电路555构成的正负脉冲充电电路，由张惠、冯英等编著的《电源大全》(西南交通大学出版社，1993)第86-87页刊载的高效快速充电器，正负脉冲分别由555时基电路产生，第一块555时基电路及阻容元件构成多谐振荡器，当其输出高电平时控制串联在充电电路的晶体管导通，电池正向充电，此时电池不放电；当其输出低电平时，充电暂停， 并触发由第二块阳5时基电路构成的单稳态电路输出窄脉冲控制放电晶体管导通，电池瞬时放电。 现有的脉冲充电装置，因充电、放电脉冲的产生、控制电路不同，采用的关键元器件不同，效果是大不同的。毋庸讳言，上述第一类、第二类被称为脉冲型的充电装置所输出的充电电压的波形并非脉冲波，充电方式也不属于脉冲充电模式，其技术含量和充电效果是不可与脉冲充电装置相提并论的。上述专用充电控制集成电路及采用专用充电控制集成电路构成的脉冲充电装置，相比仅在输出直流电压增加了脉冲放电或叠加了充电脉冲的充电装置，在技术上有重要进步，性能也更加优越，这是脉冲充电技术发展历程的重要突破和显著进步。然而，美中不足的是第一，这类脉冲充电装置的充电输出电路比较复杂，使用元器件比较多，特别是要串联功率晶体管控制充电电流的通断及占空比，产品成本比较高，故障率也可能比较高，维修比较难，而且还增加了电能的损耗和加剧了充电器的散热问题，尤其是对于输出电流大的快速充电装置，问题会更严重一些。第二，从公开的资料看，这类脉冲充电装置没有设计脉冲放电取样及控制电路，其放电脉冲的可控性、稳定性、精确度难以实现较高的要求。第三，没有全部采用正脉冲充电——负脉冲放电——暂停的三阶段脉冲充电模式。本文所述的第四类脉冲充电技术方案提出了采用开关变压器副边绕组输出脉冲电压整流后对电池充电的构思，这一点是与本技术方案相近的，而解决放电脉冲产生、控制的方法及其效果与本技术方案是根本不同的从现有公开的资料看，上述第四类方法所述的正负脉冲充电器的控制电路的说明是让人看不清楚、想不明白的；而另一项技术设计采用当今比较先进的单片机技术试图解决、然而并没有说明如何解决放电脉冲与充电脉冲同步交替产生这个至关重要而又棘手的问题，即没有公开说明解决在开关变压器副边绕组输出的充电脉冲的间隙产生放电脉冲及其控制这个关健问题的方法及电路。这类技术方案乃至更多的以开关电源为基础的脉冲充电技术所遇到的共同的难题——如何取得放电脉冲跟随充电脉冲发生的同步信号并解决放电脉冲与充电脉冲同步交替产生问题——现有的技术没有取得实质性的突破。这就是问题的症结。综上所述，现有的不同类型的充、放电脉冲产生和控制电路及其脉冲充电装置，各有千秋，其中有的专用充电控制集成电路性能比较优越，是脉冲充电技术发展历程具有里程碑意义的重大进步，但存在不足之处，而有的采用单片机技术的脉冲充电设计方案存在没有解决的关键问题。现有的技术比较先进的专用充电控制集成电路及充电装置存在的不足或有的技术方案没有解决的放电脉冲与充电脉冲同步交替产生问题正是本技术创新要有所突破的。本技术方案与上述第五类采用555时基电路的充电器以及类似的技术方案的共同之处是采用了基于时基电路构成的单稳态电路产生放电脉冲，但二者是有实质区别的 第一，该充电器以及类似的技术方案的关键技术是，基于阳5时基电路构成的多谐振荡器是充、放电脉冲的同步信号源——产生充电脉冲和单稳态电路的触发脉冲，没有这个多谐振荡器，充电脉冲和放电脉冲都无法产生；而本技术方案的充、放电脉冲的同步信号是开关电源的开关变压器副边绕组输出充电脉冲——采用开关变压器副边绕组输出脉冲对电池充电，产生放电脉冲的单稳态电路的触发脉冲也采自副边绕组输出充电脉冲，二者比较，充电脉冲的产生和触发单稳态电路发生翻转产生放电脉冲所必须的外加触发脉冲取得的方法是完全不同的。第二，本技术方案解决了采用开关电源的开关变压器副边绕组输出脉冲对电池充电，同步交替产生放电脉冲这个难题，而上述充电器及类似的技术方案并未涉及开关电源这个技术领域。第三，该充电器及类似的技术方案的充电输出仍然采用控制串连在充电输出电路的功率晶体管使直流电压转换为脉冲电压的方式。第四，本技术方案可实现放电脉冲的自动调控，设计了跟踪充电脉冲自动调控放电脉冲的宽度，限制放电电流的电路。(二)、采用正脉冲充电一负脉冲放电——暂停的充电模式更有利于消除电池极化和盐化现象，但这种模式尚不普及；人们对于电池充电规律的认识并没有完结20世纪60年代美国科学家马斯提出，以最低出气率为前提的铅酸蓄电池可接受的充电电流为呈指数规律下降的曲线。如果按照这条曲线充电，可以缩短充电时间，并且对电池的容量和使用寿命也没有危害，因而被称为最佳充电曲线。如果充电电流超越了这条曲线即充电电流过大，就会不同程度地造成电池失水、发热、极板腐蚀脱落甚至极板变形断裂、电池整体鼓涨等后果而充坏电池，称过充电；如果充电电流不到这条曲线则必须更长的充电时间才能充足电，长期充电不足会造成极板硫酸盐化，称欠充电；因过充电等原因造成的电池长期失水会加剧极板腐蚀和硫酸盐化。有关调查表明，我国部分动力电池没有达到额定使用寿命提前报废的主要原因是充电不当，其中半数以上是过充电的原因，少部分是欠充电的原因，两种原因都有的占了大多数。清华大学计算机系孙晓民、齐国光先生在 “八五”、“九五”期间对电动汽车使用技术的攻关和长期运行实验研究后认为，“绝大多数的电池提前报废是充电方法不对而被‘充坏’的”(转引自周柏青、张纵华《浅谈电动自行车电池》一文，通信电源技术，2006. 6)。中国矿业大学电动车电池超长寿命研究中心乐军、 李浩平、刘敏先生认为，电动车电池的使用寿命是一个关系到企业兴衰的重要指标，研究预防和修复电池故障的方法，采用国际最先进的电池无损修复技术是实现用户电池正常寿命和超长寿命的必经之路(电动车VRLA电池故障现象与寿命关系的研究，通信电源技术， 2003(1) :27-29)。[0013]长期以来，人们为了增大充电过程中电池可接受的充电电流，也就是为了既要缩短充电时间，又要使电池不再因增大充电电流而被充坏，特别是对动力电池的快速充电技术，进行了不懈地探索。在电池充电技术领域，有一种观点认为，作为电池能量再次补充的充电器技术发展非常缓慢，一些理论和技术问题有待攻关，传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未完全过关，严重制约电动车的发展。当前，电动汽车的续驶里程短、售价高与充电难问题严重制约其普及和产业的快速发展，有学者认为“电动车的充电问题目前成为制约其行业发展的主要问题”，若电池问题及人们期待的需要的又好又快又方便的充电问题得不到有效解决，中高档纯电动汽车的实际应用和推广普及或仍然尚需时日。当前的“充电难”问题，不同于当年因为公路通车里程不足和公路技术等级低、路况差造成的“行路难”问题——当年公路建设的主要问题是公路建设资金短缺而不是公路建设的技术问题；而解决当前的“充电难”问题——无论是电池还是充电问题，包括充电基础设施建设问题，科学技术要素比资本要素更为重要，这才是问题的关键。就充电问题而言，当前迫切需要解决的问题之一是对电池容量和使用寿命没有损害的安全的快速充电技术问题，这个技术问题当前实际上并没有完全解决，甚至是困难重重、举步维艰，并没有实现预想的目的。 人们对蓄电池充电技术还缺乏更深刻、更正确、更完全的认识，原有的理论、技术方案并不完全合于实际，人们对电池充电规律的认识并没有完结。直面这个客观现实可能有利于更加关注和重视电池充电技术及其产品的研发，突破现有的动力电池及充电技术落后于纯电动汽车发展需求的瓶颈制约，促进电动汽车产业的发展。研究和实践表明，造成充电过程铅酸蓄电池可接受的充电电流的极大值受到限制和电池可接受的充电电流按下降的指数曲线衰减的原因，除电池本身固有的材质、规格、生产工艺和在充电成流反应过程中由放电产生的硫酸铅逐步减少等因素外，一个重要原因是由于充电过程产生的极化现象造成的。也就是说，充电过程电池可接受的充电电流逐步减少的趋势是不可改变的，可改变的是充电方法——尽可能采用更优的充电方式消除极化现象和其它不利因素，增大充电过程电池可接受的充电电流，使电池可接受的充电电流曲线往增大电流的方向位移，并且预防电池硫酸盐化和修复已经硫酸盐化的电池。研究和实践还表明，采用脉冲充电——停止充电的脉冲充电模式，可以消除极化现象，增大电池可接受的电流，因而在采用较大的电流充电时，既不产生大量气体，又不使电池温度过高，能在较短的时间内充足电又不影响电池的容量和使用寿命，还可抑制电池硫酸盐化和修复硫酸盐化的电池；而采用正脉冲充电——负脉冲(去极化、硫化脉冲)放电——暂停的脉冲充电模式对铅酸蓄电池充电，能更有效地消除极化和硫酸盐化现象，充电效果比采用脉冲充电——停止充电的充电模式更优，还能消除镍电池的“记忆效应”。脉冲充电情况比较复杂， 电池的状况又有较大的不确定性，这项新的技术有一些理论和实际技术问题至今尚未了解，尚无定论，尚待更进一步探索和攻关。尽管技术界关于大电流脉冲快速充电对电池寿命的影响存在分歧、争论，尽管一般充电模式的大电流快速充电会缩短电池寿命，尽管采用脉冲充电方式对不同材料构成的电池的充电效果的认识尚不全面，尚不深刻，等等；但业界对铅酸蓄电池采用正脉冲充电——负脉冲瞬时放电——暂停三阶段脉冲充电模式充电，充电效果更优的认识是比较一致的，比较肯定的；还认为以开关电源为基础的脉冲充电技术的发展与进步，必将直接影响电池在保障有效容量条件下的循环使用寿命，促进和提高电动车产品的技术品质和商品化性能。但是，现有的包括采用单片机的脉冲充电技术的一些理论和实际技术问题还有待攻关，现有的专用充电控制集成电路存在不足之处，采用现有的具有脉冲放电功能的专用充电控制集成电路的充电器所占市场份额并不大。
三、发明内容(一 )、本技术方案要解决的技术问题脉冲充电技术是一门正在发展的新技术，需要不断推陈出新。本发明创造旨在创新现有的包括采用国外比较先进的充电专用控制集成电路或采用单片机技术的脉冲充电技术其开关变压器输出脉冲电压要先整流滤波成直流电压然后再变换为脉冲的充电模式， 解决这种模式的充电输出电路必须串连功率晶体管，因而导致充电输出电路比较复杂、制造和维修成本比较高的问题；解决现有的采用开关变压器副边绕组输出脉冲整流后对电池充电的技术方案没有解决的放电脉冲与充电脉冲同步交替产生的技术难题。具体要解决下述技术问题，实现如下目标第一，解决在开关电源的开关变压器副边绕组输出的充电脉冲的间隙产生放电脉冲这个至关重要的问题，即放电脉冲与充电脉冲同步交替产生问题，使之符合正脉冲充电——负脉冲瞬时放电——暂停的三阶段脉冲充电模式的要求。第二，采用开关变压器副边绕组输出脉冲整流后对电池充电的方式，革除充电输出电路的滤波电容和串联在充电电路的功率晶体管及其控制电路。第三，与开关电源技术兼容，采用开关电源技术及其改进后的稳压控制、充电控制电路等控制脉冲充电过程。第四，解决放电脉冲的占空比和放电电路工作状态的调控问题，放电脉冲要分阶段可控并且脉宽要精确自动可控， 瞬时放电最大电流值要可调控至大于脉冲充电电流平均值。第五，方法简明。( 二)、本实用新型的技术方案以及相比现有技术的有益效果几十年前，人们就利用工频交流电的过零特征，成功地取得了正、负脉动电压产生的同步信号，在充电技术领域成功地研究和开发了各种正负脉动电压的充电技术和充电装置，其中计算机技术的应用使其控制技术具有先进水平。然而，开关电源的开关变压器输出的高频脉冲不具有过零特征，正、负脉冲同步信号的取得一直成为一道难以逾越的技术障碍，因而正、负脉冲的同步交替产生方法也一直成为一道难题，既使采用技术先进的单片机技术也没有攻克难关，长期以来没有取得重大突破。本技术方案另辟蹊径，成功地跨越了这个技术障碍，破解了这道难题。开关电源比较采用市电经工频变压器变压、可控硅变流的传统电源具有无与伦比的优势，现有的脉冲充电技术及其产品普遍采用开关电源技术进行功率变换及其控制，这是不可逆转的技术发展潮流。开关变压器副边绕组输出的脉冲电压除了经整流滤波为直流电压对电池充电外，不经滤波的高频脉冲也是可以用于电池充电的，并且充电脉冲仍然可以由开关电源及其改进后的稳压控制电路、充电控制电路进行调控，实现充电输出电压和电流的控制；有研究认为这种高频脉冲充电方式还可以加快充电过程电池内部活性物质的反应速度，防止硫酸铅结晶，击碎已经结晶的硫酸铅晶体，这是其一。其二，开关变压器副边绕组输出充电脉冲信号的下降沿是可以触发单稳态电路由稳态转换为暂稳态输出脉冲控制电池瞬时放电的，可以控制放电脉冲在前一个充电脉冲过后和下一个充电脉冲之前，符合正脉冲充电——负脉冲放电——暂停的要求。其三，在构成单稳态电路的时基电路的控制电压端外加电压，调控外加电压是可以控制输出脉冲的宽度的。这就是本发明创造的理论基础和基本点。
8[0020]具体技术方案的相关电路以及相比现有技术的有益效果如下1、基于开关电源的脉冲充电装置的充电脉冲电压输出电路(2)和工作电源电路 (7)充电脉冲电压输出电路由开关变压器(1)及其副边绕组和整流二极管等构成，副边绕组输出脉冲电压经二极管整流后供给电池充电，不加滤波电容对充电脉冲滤波。a、单端反激式功率变换器的充电脉冲电压输出电路如图2、9所示，由副边绕组 N3、二极管VDl等组成。副边绕组N3 —端接二极管VDl正极，另一端接地，VDl负极接电池 E正极或VDl负极通过隔离二极管接电池E正极，电池负极通过脉冲充电电流取样电阻Rl 接地。副边绕组N4、二极管VD2、电容C2、C3和三端稳压器ICl构成系统工作电源。b、半桥式功率变换器的充电脉冲电压输出电路如图8所示，由副边绕组N2、N3、二极管VDla-b、电感Ll等组成。副边绕组N2、N3输出脉冲电压经二极管VDla、VDlb整流，两只二极管的负极相连通过电感Ll接电池E正极，或电感Ll通过隔离二极管接电池E正极。 副边绕组N4、N5输出脉冲电压经二极管VDh、VD2b整流，电容C2滤波产生辅助电源的直流电压，再经三端稳压器ICl稳压和C3滤波后得到控制系统工作的直流电压。如图2、8、9所示。由二极管VD4、电容C4及取样电阻等构成脉冲充电输出电压采样电路，开关电源输出的充电脉冲电压经二极管VD4整流以及电容C4滤波成为相对应的直流电压为稳压电路等提供取样电压，由于二极管VD4的隔离，电容C4不对供给电池充电的充电脉冲产生影响。如图2、8、9所示。由充电电流取样电阻Rl和滤波电阻R2、电容Cl构成脉冲充电电流采.样电路，电阻Rl所产生的脉冲电压经电阻R2、电容Cl滤波输出与充电电流成正比例的直流电压。脉冲充电电流取样电阻Rl串连在充电输出电路，半桥式功率变换结构的充电电流取样电阻Rl有两种接法，一种接法是连接电池的负极和地，另一种接法是连接开关变压器副边两个主绕组的中心端和地。开关变压器副边绕组输出的脉冲整流后对电池充电，省去了现有技术采用的滤波电容和串联在充电电压输出电路的功率晶体管及其控制电路。2、开关变压器的副边绕组输出的充电脉冲(单稳态电路的触发脉冲)采样电路 (3)及单稳态电路的触发电路由开关变压器的副边绕组和取样电阻等构成副边绕组输出的充电脉冲(单稳态电路的触发脉冲)采样电路——二极管VD3与取样电阻R5、R6串联，并连在开关变压器Tl 输出充电脉冲的副边绕组a、单端反激式功率变换电路的触发脉冲采样电路如图3、9所示。b、半桥式功率变换电路的触发脉冲采样电路如图8所示。采样电路中的分压电阻R5、 R6也可以用电阻R5和稳压二极管串连的削波电路代替，R6或稳压二极管两端的脉冲电压通过电容C5或二极管耦合至时基电路的触发端。由开关变压器副边绕组输出的充电脉冲采样电路和耦合电路(电容C5或二极管)构成了单稳态电路的触发电路。其独创性是采用开关变压器副边绕组输出的充电脉冲信号作为产生放电脉冲的单稳态电路的触发脉冲， 解决了以开关电源为基础的脉冲充电技术，放电脉冲与充电脉冲同步产生的同步信号源问题。3、基于时基电路构成的单稳态电路(5)如图4、8、9所示，时基电路(比如NE555) IC2以及电阻Rt、R7、电容Ct等构成输出脉冲可调控的单稳态电路。时基电路的电源端和复位端相连接直流电源，开关变压器副边绕组输出充电脉冲采样电路取得的脉冲信号耦合至时基电路的触发端，时基电路的阈值端和放电端连在一起(有的时基电路的阈值端和放电端在集成电路内部己连在一起)接电阻Rt和电容Ct，时基电路的控制电压端或连接脉冲放电电流限制电路，或连接脉冲放电控制电路，或通过可调电阻外加直流电压。采用引进开关变压器的副边绕组输出的充电脉冲信号作为基于时基电路构成的单稳态电路的触发脉冲，触发脉冲信号的下降沿触发时基电路由稳态转换为暂稳态，暂稳态时其输出端输出的窄高电平脉冲控制放电晶体管瞬时导通，这个脉冲称之为负脉冲或放电脉冲。因此，所述的一种正负脉冲充电装置，其中放电脉冲的产生电路有基于时基电路的单稳态电路(5)、工作电源电路(7)，其特征是，有引进充电脉冲信号的单稳态电路(5)的触发电路G)，有充电装置开关电源的开关变压器(1)的副边绕组输出的充电脉冲采样电路(3)，单稳态电路(5)的时基电路的触发端连接触发电路G)，由引进的充电脉冲信号的下降沿触发单稳态电路(5)由稳态转换为暂稳态时产生与充电脉冲同步交替的放电脉冲。其新颖独创之处一是解决了以开关电源为基础的充电技术在两个充电脉冲的间隙产生放电脉冲的难题，也就是放电脉冲与充电脉冲同步交替产生的难题，符合脉冲充电一个周期包括正脉冲充电——负脉冲放电——暂停三个阶段的要求，而且电路简洁。二是时基电路的控制电压端或连接脉冲放电电流限制电路，限制放电电流；或连接脉冲放电控制电路，在充电过程自动控制放电脉冲的宽度；或脉冲放电控制电路与脉冲放电电流限制电路互相配合连接时基电路的控制电压端，在充电过程自动控制放电脉冲的宽度并限制其最大放电电流值。在时基电路控制电压端不加电压的情况下，单稳态电路在暂稳态时输出高电平时间为tH = 1. IRtCt ；采用调整控制电压端的电压(Vcv)的方式可以比较精确地调控tH值， 即放电脉冲宽度(Vcv高时脉宽大，Vcv低时脉宽小)，采用适当设置电阻Rt、电容Ct值和调整控制电压端的电压的方法可以控制时基电路的暂稳态在下一个充电脉冲前恢复稳态， 并且实现了放电脉冲宽度几种方式的比较精确的调控。试验结果表明是可行的。4、脉冲放电电路(6)如图4所示，脉冲放电电路由电阻R8、电容C6、三极管或场效应管VTl、放电电阻 R9、放电电流取样电阻RlO等构成。上述构成单稳态电路的时基电路输出端输出脉冲电压通过电阻R8等接三极管的b极或场效应管的G极，单稳态电路暂稳态时输出的高电平使三极管或场效应管VTl导通，在充电脉冲的间隙电池通过电阻R9、VT1、R10瞬时放电；单稳态电路在稳态时输出低电平，VTl截止，停止放电。由脉冲放电电流取样电阻R10、滤波电阻R11、电容C7构成脉冲放电电流采样电路。5、脉冲放电电流限制电路(8)如图4、图5所示，该电路由脉冲放电电流采样电路和电压比较器或运算放大器 IC3、三极管VT2、电阻R12-17等组成，脉冲放电电流限制电路的输出端连接时基电路的控制电压端；直流电压经可调电阻VR2分压输入时基电路的控制电压端。脉冲放电电流采样电路取得的直流电压输入IC3的同相输入端，电阻R14、R15串联与二极管VD6并联通过电阻R13接直流电源取得参考电压送至IC3的反相输入端，当脉冲放电电流采样电路取得的电压值大于设置的参数时，IC3的同相输入端的电压大于反相输入端的电压，IC3的输出端输出高电平输入三极管VT2的b极使其导通，时基电路的控制电压端由VR2取得的电压经 R17、VT2分流，导致时基电路控制电压端的电压下降，tH值减小，输出脉寛减小，放电晶体管VTl的导通时间减小，电池放电电流减小至设置值。如果脉冲放电电流采样电路取得的直流电压输入如图5所示IC3的反相输入端， 而参考电压送至IC3的同相输入端，IC3的输出端通过二极管连接电阻R17( 二极管的负极接IC3的输出端，正极接R17)，同样可以限制脉冲放电电流。6、脉冲放电控制电路(9)a、如图6 (a)所示，该电路由脉冲充电电流采样电路和由运算放大器IC4、电阻 R18-21、可调电阻VR3等构成的同相放大器电路组成。脉冲充电电流采样电路由取样电阻 R1、滤波电阻R2电容Cl构成，取得的直流电压经运算放大器IC4放大，得到与充电电流成正比例的直流电压，送至时基电路的控制电压端。从而使跟踪充电电流自动控制放电脉冲的宽度成为可行——如在充电过程中随着充电脉冲宽度的逐渐减小，放电脉冲的宽度也逐渐减小。b、如图9所示，由R1、R2、C1构成的脉冲充电电流采样电路和由运算放大器IC3D、 电阻R14、R20-23、VR2等构成的脉冲放电控制电路，输出电压输入时基电路的控制电压端； 由IC3A、三极管VT2、电阻R13、R15-19等构成的脉冲放电电流限制电路的输出端也连接时基电路的控制电压端，在进行放电脉冲脉宽的自动控制的同时，可限制放电电流在设置值内。上述脉冲放电电流限制电路和脉冲放电控制电路是现有脉冲充电技术没有采用过的，试验结果表明，控制可靠，控制精确度高，放电电流平均值控制精确度可至毫安级，瞬时放电电流值可调控至大于充电电流的平均值。C、如图6(b)所示，如果IC4放大后的电压加入由运算放大器IC5和电阻R2248构成的电压差动放大器的反相输入端，其同相输入端通过电阻R22、R23分压取得电压，电压差动放大器输出与充电电流成反比例的直流电压送至时基电路的控制电压端；若采用这种方式，在充电过程中随着充电脉冲宽度的逐渐减小，放电脉冲的宽度逐渐增大。如图6(a)、 图6(b)所示，本实用新型所述的一种正负脉冲充电装置，其特征是，所述的单稳态电路(5) 的时基电路的控制电压端接有包括脉冲充电电流采样电路、电压放大器电路的可使放电脉冲的脉宽跟踪充电电流变化的脉冲放电控制电路(9)。7、脉冲放电电路工作状态控制电路(10)一种正负脉冲充电装置，其特征是，有分阶段控制脉冲放电电路(6)处于正常工作状态或停止脉冲放电状态的脉冲放电电路工作状态控制电路(10)。一种方法是控制基于时基电路构成的单稳态电路的工作状态，如图7所示。由脉冲充电电流采样电路和运算放大器或电压比较器IC6、IC7、电阻似9-37、二极管VD8等构成脉冲放电电路工作状态控制电路，其输出电压通过二极管VD8、R37输入开关变压器的副边绕组输出的充电脉冲采样电路的输出端。在恒流、恒压充电阶段，脉冲放电电路工作状态控制电路IC7输出低电平电压不影响单稳态电路及脉冲放电电路工作，脉冲放电电路处于正常工作状态；在涓流充电阶段，IC7输出的高电平电压使单稳态电路处于稳态不产生放电脉冲，控制脉冲放电电路处于停止脉冲放电状态。预充电阶段的工作状态控制电路如图7所示，由运算放大器或电压比较器IC8、电阻R41-48构成的电压比较器电路和二极管VDlOUl等组成，脉冲充电输出电压采样电路在电阻R43的压降加到IC8的反相输入端，其同相输入端接参考电压。在预充电阶段，脉冲充电输出电压的取样电压小于设置的参考电压，发光二极管LED3发光，IC8输出高电平电压通过VDlO等输入脉冲充电稳压控制电路可降低脉冲充电输出电压，减少充电电流；IC8输出高电平电压可通过VDl 1等使脉冲放电电路处于停止放电状态，。如图4所示，电阻R61、三极管VT4等构成另一种脉冲放电电路工作状态控制方法的电路。图7所示的IC7或IC8输出电压通过电阻R61输入三极管VT4的基极也可以控制脉冲放电电路工作状态。8、脉冲充电装置开关电源的构成脉冲充电装置开关电源主要由市电整流滤波电路、PWM电路、功率变换电路、充电脉冲电压输出电路、脉冲充电稳压控制电路、脉冲充电控制及状态显示电路等构成。现有充电装置开关电源有多种具体技术方案，本发明创造相比现有技术具有不同特征的充电脉冲电压输出电路在上述单元电路已加说明，改进后的与现有技术稍有不同的脉冲充电稳压控制电路、脉冲充电控制电路在下面的单元电路将有说明；本发明创造与现有技术在工作原理、电路构成、功能等方面相同的市电整流滤波电路、PWM电路、功率变换电路等在相关的书籍、资料中有具体说明，不再赘述。9、脉冲充电装置的脉冲充电稳压控制电路(11)现有的基于开关电源的充电稳压控制电路其中的充电输出电压采样电路由脉冲充电输出电压采样电路代替后，使充电输出脉冲电压滤波为直流电压为稳压电路等提供取样电压，现有技术即适用本技术方案。a、一种单端反激式开关电源脉冲充电稳压控制电路如图9所示，由二极管VD4、电容C4、电阻R3、R4、R42、可调电阻VRl组成的脉冲充电输出电压采样电路和脉宽调制(PWM) 集成电路(如UC384》IC4、光电耦合器IC5、三端误差放大器(TL431) IC6、电阻R43-45、 R54-56等构成，充电输出脉冲电压经VD4隔离和电容C4滤波为直流电压，电阻VRl、R4取得的电压经IC6放大后，驱动IC5内部的发光二极管发光，当充电输出电压升高时，取样电路取得的电压升高，IC6的阴极(K极)电压下降，IC5的发光二极管发光加强，使IC5内部的光敏管受光照增强而导通增强，R56两端的电压升高，经脉宽调制集成电路IC4处理后，使开关管的激励脉冲的占空比减小，开关管导通时间缩短，开关电源输出电压下降至设置值； 当充电输出端电压下降时，控制过程相反。b、一种半桥式开关电源脉冲充电稳压控制电路如图8所示，由脉宽调制(PWM)集成电路(如TL494) IC9和由电阻R50-52组成的脉冲充电输出电压采样电路等构成，R52取得的取样电压送至TL494的1引脚，2引脚通过电阻R53、RM接基准5伏电源取得参考电压。当输出电压升高时，TL494的1引脚的电压相应随之升高，导致TL494输出的激励脉冲的占空比减小，开关电源输出电压下降至设置值；当输出电压下降时，控制过程相反。10、脉冲充电装置的脉冲充电控制及状态显示电路(10)电池的充电过程通常分为三个阶段——充电初期的恒流阶段、此后的恒压阶段、 最后的涓流阶段。在充电初期，由于放电后电池的电压较低，充电器输出电压被拉低，稳压电路又提升输出电压，使充电电流进一步增大，如电流过大会导致电池和充电器损坏，因此可设置过流保护电路。在恒压充电阶段、涓流充电阶段则要着重分别精确控制充电输出电压值及转换电流值。在充电初期的预充电阶段，可控制适当减少充电电流。现有的基于开关电源的充电控制及状态显示电路其中的充电电流采样电路由脉冲充电电流采样电路代替后，使充电电流采样电路产生的脉冲电压滤波为直流电压，现有技术即适用本技术方案。—种单端反激式开关电源脉冲充电控制及状态显示电路如图7所示。该电路由脉冲充电电流采样电路和运算放大器或电压较器IC6、IC7、发光二极LED1-2等组成。脉冲充电电流取样电阻Rl两端产生的脉冲电压经滤波后的直流电压通过似9送至IC6的同相输入端，IC6的反相输入端由电阻R30-32、二极管VD7提供参考电压。在恒流和恒压充电阶段， IC6输出高电平电压，LEDl发光，并使IC7反相输入端电压高于同相输入端电压，IC7输出低电平电压，LED2不发光，同时VD9、VD8截止，不对隐压控制电路和产生放电脉冲的单稳态电路及脉冲放电电路产生影响，使脉冲放电路处于正常工作状态；在涓流充电阶段，IC6输出低电平，LEDl不发光，而IC7输出高电平电压，LED 2发光，IC7输出高电平电压通过VD9 电阻R38输入如图9所示的脉冲充电稳压控制电路的脉冲充电输出电压采样电路，使取样电压升高，进而使充电输出电压下降，充电电流减小；IC7输出高电平电压通过VD8、R37使脉冲放电路处于停止脉冲放电状态。如图8所示，采用TL494芯片的半桥式开关电源，利用TL494的15引脚、16引脚的内部电路构成脉冲充电电流限制电路，由脉宽调制(PWM)集成电路(如TL494)IC9、脉冲充电电流采样电路及偏置电阻R56、R57等构成。TL494工作时，15引脚通过电阻R56、R57 分压取得参考电压，脉冲充电电流采样电路取得的电压经电阻R58送至16引脚，当充电电流大于限定值时，IC4的16引脚的取样电压高于15引脚电压，使IC9输出PWM激励脉冲的占空比减小，输出充电电压下降，从而使充电流限制在一定范围内。归纳起来，本充电装置采用开关电源的开关变压器副边绕组输出脉冲充电，采用副边绕组输出脉冲信号的下降沿触发单稳态电路输出放电脉冲，并且比较完善地实现了充、放电脉冲的控制，与现有的充电装置的开关电源技术兼容，构成新型脉冲充电装置。本技术方案解决了现有的采用开关变压器副边绕组输出脉冲充电的技术方案没有解决的与充电脉冲同步交替的放电脉冲的产生及控制问题。本充电装置比现有的采用专用充电控制集成电路或单片机的充电装置有明显的优势，是现有的脉冲充电技术的显著进步第一，电路简约，产品成本降低。特别是节省了串联在充电输出电路的功率晶体管和散热装置以及该晶体管的控制电路，因而制作成本降低，调试比较容易，故障率也会降低。第二，充电效果更优。采用正脉冲充电——负脉冲瞬时放电——暂停的充电模式比没有瞬时脉冲放电功能的技术充电效果更优。第三，脉冲放电控制稳定、精确，控制方式比较完善。可以分阶段控制脉冲放电电路的工作状态，跟踪充电电流自动控制放电脉冲的占空比，并且稳定地精确地按照设置值限制放电电流。第四，充电效率提高，节能。
四
图1是一种正负脉冲充电装置的电路构成方框图；图2是采用单端反激式开关电源的脉冲充电装置的充电脉冲电压输出电路和工作电源电路；
13[0064]图3是单端反激式开关电源的开关变压器的副边绕组输出的充电脉冲采样电路及单稳态电路的触发电路；图4是基于时基电路构成的单稳态电路及脉冲放电电路；图5是脉冲放电电流限制电路；图6是脉冲放电控制电路；图7是基于开关电源的脉冲充电装置的脉冲充电控制及状态显示电路、脉冲放电电路工作状态控制电路；图8是半桥式开关电源的脉冲充电装置的脉冲充电稳压控制电路、脉冲充电电流限制电路、充电脉冲电压输出电路、工作电源电路、基于时基电路构成的单稳态电路及其触发电路；图9是具体实施的一种单端反激式开关电源的正负脉冲充电装置的电路图；图10是具体实施的一种单端反激式开关电源的正负脉冲充电装置输出的充、放电脉冲电压的波形，用SR8 二踪示波器测试。其中(a)是开关变压器Tl副边主绕组N3输出的充电脉冲电压的波形，(b)是基于时基电路构成的单稳态电路输出的放电脉冲电压的波形，(c)是脉冲放电电路放电三极管VTl的集电极电压波形。
五具体实施方式
具体实施的一种正负脉冲充电装置，电路图如图9所示，开关电源采用单端反激式功率变换拓扑结构，采用三阶段充电(脉冲恒流充电、脉冲恒压充电、脉冲涓流充电)控制方式和通用集成电路构成的充电控制电路。该充电装置由市电整流滤波电路、PWM电路、 功率变换电路及充电脉冲电压输出电路、工作电源电路、脉冲充电稳压控制电路、脉冲充电控制及状态显示电路、基于时基电路构成的单稳态电路、开关变压器副边绕组输出充电脉冲采样及单稳态触发电路、脉冲放电电路、脉冲放电电流限制电路、脉冲放电控制电路、脉冲放电电路工作状态控制电路等构成，电路构成方框图如图1所示。市电整流滤波电路产生300伏左右的直流电压。PWM电路产生高频脉冲控制开关管的导通或截止，使开关变压器处于振荡状态，300伏左右的直流电压经过功率变换电路的变换，开关变压器副边绕组输出高频脉冲电压，将直流电压转换为充电器所需要的电压。单端反激式开关电源的市电整流滤波电路、PWM电路和功率变换电路等是现有的比较成熟的技术，相关的书籍、资料已有详细介绍，不再赘述。本具体实施方案的脉冲充电控制及状态显示电路和脉冲放电电路工作状态控制电路由四运算放大器(LM324)IC3的IC3C、三极管VT4、电阻R30-41、发光二极管LED1-2、二极管VD9-11等构成，IC3C的同相输入端输入电阻R32、R33分压取得的参考电压，充电脉冲电流取样电路得到的直流电压通过电阻R36输入IC3C的反相输入端。在恒流、恒压充电阶段充电电流较大，设置参考电压使IC3C输出低电平电压，LED2不发光，VD9-10、VT4截止， LEDl发光。在涓流充电阶段，IC3C输出高电平电压，V1M导通，LEDl不发光，LED2发光，IC3C 输出的高电平电压通过VD10、R41加至IC6TL431的R极使其电压升高，IC4 (UC3842)输出 PWM脉冲的占空比减小，使开关电源输出电压下降，充电电流减小；IC3C输出的高电平电压通过VD9等使IC2保持稳态不产生放电脉冲。电阻R34、35、VT3、电扇M等构成风扇工作电路，在恒流充电、恒压充电阶段，V1M的集电极为高电平，VT3导通，风扇M运行。由运算放大器IC;3B、电阻R2548、二极管VD8、VD12等构成低电压恒压充电阶段控制电路，IC3B的同相输入端接参考电压，反相输入端输入脉冲充电电流采样电路取得的直流电压，设置适当的参考电压值，脉冲充电电流的平均值小于设置值后，使IOB输出高电平，通过VD8、电阻R30使IC2不产生放电脉冲。单端反激式开关电源的脉冲充电稳压控制电路、充电脉冲电压输出电路和放电脉冲的产生及控制部分的开关变压器副边绕组输出充电脉冲采样及单稳态触发电路、基于时基电路构成的单稳态电路、脉冲放电电路、脉冲放电电流限制电路、脉冲放电控制电路等， 在本说明书所述的技术方案相应的单元电路中已作说明。上述各单元电路与本具体实施方案的基本电路及工作原理是相同的，部分元件的编号不同，其构成和原理不再重复。现有技术相关资料在同一张图或照片所示的脉冲充电器输出的充电、放电脉冲电压或电流波形一般是示意性的，如本说明书的背景技术中所述的《正负脉冲充电器》一文图 3所示的充放电波形，并没有说明是在具体方案哪个测试点测得的。本充电装置如图10所示的充、放电脉冲电压波形是可多次重复测试得到的真实波形，所示波形和充电试验表明， 本技术方案是可行的，实现了预期的目标。
1权利要求1.一种正负脉冲充电装置，其中放电脉冲的产生电路有基于时基电路的单稳态电路 (5)、工作电源电路(7)，其特征是，有引进充电脉冲信号的单稳态电路(5)的触发电路0)， 有充电装置开关电源的开关变压器(1)的副边绕组输出的充电脉冲采样电路(3)，单稳态电路(5)的时基电路的触发端连接触发电路G)，由引进的充电脉冲信号的下降沿触发单稳态电路(5)由稳态转换为暂稳态时产生与充电脉冲同步交替的放电脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种正负脉冲充电装置，其特征是，所述的单稳态电路(5)的时基电路的控制电压端接有包括脉冲充电电流采样电路、电压放大器电路的可使放电脉冲的脉宽跟踪充电电流变化的脉冲放电控制电路(9)。
3.根据权利要求1所述的一种正负脉冲充电装置，其特征是，有分阶段控制脉冲放电电路(6)处于正常工作状态或停止脉冲放电状态的脉冲放电电路工作状态控制电路(10)。
专利摘要本实用新型涉及一种基于开关电源的正负脉冲充电装置，包括充、放电脉冲的产生及控制电路。其中放电脉冲的产生电路有基于时基电路的单稳态电路及其触发电路，单稳态电路的触发电路有充电装置开关电源的开关变压器输出的充电脉冲采样电路，由引进的充电脉冲信号的下降沿触发基于时基电路构成的单稳态电路转换为暂稳态时产生与充电脉冲同步交替的放电脉冲，控制电池瞬时放电；所述的时基电路的控制电压端连接有脉冲放电控制电路、脉冲放电电流限制电路，自动调控所述单稳态电路的时基电路的控制端的电压，控制放电脉冲的脉宽。本充电装置适用铅酸电池充电。
文档编号H02J7/00GK202218026SQ20112001877
公开日2012年5月9日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者肖相如 申请人:肖相如