專利名稱：電池充電控制裝置的制作方法
技術領域：
一種電池充電控制裝置，主要用于電池充電行業，并可廣泛用于作為汽車、機場叉車、礦燈、坦克、通訊設備等場合中供電裝置的大容量電池的充電。
目前，為提高充電質量，現有較先進的充電裝置中均設有采樣(即信號采集)及控制電路，充電過程中，隨著充電過程中電池狀態的變化，由采樣電路對電池狀態信號進行檢測，通過控制電路對各電路參數作相應的調整，按照擬合充電曲線法等與電池狀態相適宜的過程對電池進行充電，其中，有的還在其中設置有放電回路，根據電池的極化狀態，通過適當的短時放電過程來消除充電過程中電池的極化現象，以提高電池的可接受充電電流。以上裝置結合上述控制過程，對節省電能、提高電池壽命等都起到了很好的作用。但是，由于目前大多數的以電池電壓作為其檢測信號的充電裝置中，所得到的電池電壓信號是各種電壓成分的綜合結果，并不能準確反映電池內部的實際狀態，以它為依據來控制充電過程，有時會帶來很大誤差，經常出現充電不足或過充等現象，大大影響了其使用效果。同時，由于現有充電裝置均不能對電池內部狀態信號進行準確檢測，從而不能有效地對不同類型、不同容量、不同新舊程度等不同狀態的電池進行合理的充電，不能滿足多種類、不同狀態電池合理充電的實際需要。
本實用新型的目的就在于提供一種能準確檢測電池狀態參數、并能有效地對不同容量、新舊程度不同、剩余電量不同等不同狀態的電池進行合理、快速充電的電池充電控制裝置。
本實用新型的技術方案是這樣實現的
圖1為現有充電裝置的結構框圖，它包括電池組1、可提供充電電源的充電電路2、放電電路3、采樣電路4及控制電路5，本實用新型的特征在于所述的控制電路5采用一可分別控制充、放電電路輸出功率及輸出脈沖寬度的單片機系統，其輸出端分別接入充電電路2、放電電路3的控制信號輸入端，其輸入端與采樣電路4的輸出端相連，采樣電路4的輸入端與電池組1相連，其采樣信號來自電池組1；所述的放電電路3主要由可關斷器件6構成，由可關斷器件6構成一放電回路，其具體連接為可關斷器件6兩外接端口分別接電池組1的正、負兩極，可關斷器件6的控制端與單片機系統5相連；所述的充電電路2中采用一適合于電池快速充電要求的脈沖頻率調制式開關電源電路，它由依次相連的的脈沖頻率發生器7、開關電源驅動電路8及開關電源主回路9構成，其中，脈沖頻率發生器7的輸入端與單片機系統5相連，開關電源主回路9的輸出端分別與電池組1的正、負兩極相連。本技術方案的工作原理是將電池充電過程中不同能量狀態、不同極化狀態下的接受力特性為依據，將充電裝置控制部分設計成專用的控制程序固化在單片機系統5中，放電電路3中采用主要由一可關斷器件6構成的放電回路，充電電路2中采用一適合于電池快速充電要求的脈沖頻率調制式開關電源電路。這樣，充電過程中，充電電路2、放電電路3在單片機系統5控制下按時序循環工作，在放電電路3中可關斷器件6的快速開、關的配合下，采樣電路4可分別對充、放電過程中電池的電壓信號進行實時跟蹤檢測，單片機系統5通過其內部的控制程序對這些信號進行處理后可得到包括電池容量、新舊程度、去極化狀態等在內的電池內部狀態準確信號，并據此發出控制信號，通過其輸出分別控制充電電路2中充電功率、充電脈沖的寬度及放電電路3中放電脈沖的寬度等參數，進行脈沖充、放電的快速循環充電過程，依據不同類別(如鉛酸、鎳氫等)的電池的接受力特性選擇不同的控制程序，結合以上電路，便可實現對不同類別、不同容量、新舊程度不同、剩余電量不同等不同狀態的電池進行合理的快速充電。
本技術方案中電池狀態準確檢測基本過程如下在單片機系統5的控制及充電電路2、放電電路3中可關斷器件6的配合下，電池充電時，每次充電過程按照充電、充電延時、放電、放電延時的時序循環進行，并由采樣電路分別對電池在不同階段的電壓信號進行實時采樣，每次循環過程中采集到的信號不僅有充電電壓、停充延時后電壓等充電時的信號，而且有放電延時后電壓等放電時的信號，通過對以上電壓信號進行處理，即可得到有關電池容量、新舊程度、去極化狀態、接受力等的電池狀態參數，以此為依據分別調整充電電路的輸出功率、充電脈沖的寬度及放電電路中放電脈沖的寬度等參數。通過以上過程，達到電池內部各狀態參數的準確檢測，并為調整充電過程中充、放電電路各參數提供可靠的依據。
本實用新型所述的充電電路2中，脈沖頻率發生器7的占空比為1∶1，它可由依次通過其輸入、輸出口序列相連的D/A變換電路U5～U7、壓-頻變換器U8、脈沖整形電路U9及脈沖調制電路U10構成，其中，D/A變換電路U5～U7的輸入端、脈沖調制電路U10的調制信號輸入端分別與單片機系統5相連，脈沖調制電路U10的輸出經開關電源驅動電路8后與開關電源主回路9相連，開關電源主回路9由開關功率場效應管S1、S2、輸出變壓器T、儲能電容C1、C2及常規的整流、續流、吸收電路等構成，開關電源主回路9的控制端即開關功率場效應管S1、S2的輸入端分別與開關電源驅動電路8的輸出端對應相連，輸出變壓器T的輸出經一高頻整流電路后分別與電池組1的正、負兩極對應相連，開關電源主回路9的電源輸入端外接交流電源AC。以上充電電路2的工作原理如下單片機系統5發出的數據、控制信號，輸入到脈沖頻率發生器7的輸入端，經上述D/A變換、壓一頻變換、脈沖整形及脈沖調制等電路作用后，可產生一組已調制、可變頻率的1∶1方波，該方波經開關電源驅動電路8后，輸出雙路對稱脈沖到開關電源主回路9中兩個開關功率場效應管S1、S2的輸入端，驅動開關功率場效應管S1、S2工作，進而控制開關電源主回路9的功率輸出。通過改變脈沖頻率發生器輸出的脈沖波的頻率及其中的脈沖調制電路的調制信號，即可改變開關電源主回路9的輸出功率及充電脈沖寬度，而以上參數的變化完全由單片機系統5根據檢測到的電池狀態信號經處理后發出的控制信號來決定或進行調整。
本實用新型所述的可分別控制充電電路2、放電電路3的單片機系統5包括單片CPU即U1、采用常規方式與之相連的地址鎖存器U2、內部固化有充電過程控制程序的EPROM即U3、及常設的晶振電路及復位電路，其各數據口、控制口分別采用常規連接方式與充電電路2、放電電路3、采樣電路4相連。
本實用新型所述的采樣電路4主要由一A/D轉換器U4構成，A/D轉換器U4的模擬信號輸入口與電池組1的正極相連，其數據口、控制端口分別通過數據總線、控制總線采用常規連接方式與單片機系統5相連。
本實用新型由于采用脈沖充、放電的循環充電方式，并在其中設置一單片機系統對充、放電過程進行控制，充、放電脈沖的寬度、充電電路的輸出功率的大小等均由單片機系統根據采樣電路采集到的電池狀態信號合理確定，從而不僅能夠有效地消除電池充電過程中的極化現象、提高充電效率，而且能夠適應不同種類、不同狀態下電池快速充電的實際需要，并實現了充電過程的自動化。另外，由于它采用了由可關斷器件構成的放電電路，通過單片機系統控制可關斷器件的開、關狀態，在設定的時間內通過采樣電路對電池的電壓量進行采集，不僅可采集到充電時的電壓信號，而且可采集到電池放電時的電壓信號，對這些信號進行處理后可得到多種電池內部狀態準確參數，為合理化確定充、放電過程中各電路參數提供了可靠的依據。其次，其充電電路中采用一脈沖頻率調制式開關電源作為供電電源，除體積小、重量輕等優點外，由于采用脈沖頻率調制方式調整電路輸出，對電池充電功率的調整方便，無需外加電流控制元件，充電裝置效率高；由于其輸出與被充電池之間無需濾波電容，使得充電時對電池電壓的檢測準確；電網電壓在較大范圍內波動時，充電過程仍能正常工作，充電裝置適應輸入電壓波動的能力強。
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1現有充電裝置結構框圖；圖2本實用新型中放電電路原理圖；圖3本實用新型充電電路原理圖；圖4本實用新型單片機系統原理圖。
實施例如圖2所示，本實施例放電電路3中采用的可關斷器件6為一IGBT器件(如CM100DY-20)，其兩輸出端D、S端分別與電池組1的正、負極相連，其控制端柵極G與單片機系統5中單片CPU即U1的P1.1口經電平變換后相連。工作時，由單片機系統5發出控制信號，控制可關斷器件6的開、關狀態，從而控制放電過程及放電脈沖寬度。
如圖3所示，本實施例充電電路2采用一脈沖頻率調制式開關電源電路，它由順序相連的脈沖頻率發生器7、開關電源驅動電路8及開關電源主回路9構成。其中，脈沖頻率發生器7由序列相連的8位DAC芯片U5(AD7524)、放大器U6(0P27)及(LF366)U7、壓-頻變換器U8(LM331)、由D觸發器(CD4013)組成的脈沖整形電路U9、由雙與門(CD4081)組成的脈沖調制電路U10等構成，其中，8位DAC芯片U5(AD7524)的數據口通過數據總線與單片機系統5連，其片選、寫控制端口CS、WR分別與單片機系統5中單片CPU即U1的P2.6、P1.4口相連，脈沖調制電路U10中雙與門(CD4081)的輸出端分別接開關電源驅動電路8的輸入端，雙與門(CD4081)的一公共輸入端(脈沖調制信號輸入端)還與單片CPU即U1的P1.2口經電平變換后相連。開關電源驅動電路8由一組晶體三極管對S7～S10(2SC8050、2SC8550)、場效應管S3～S6(IRF530)、推挽式脈沖變壓器T0及雙向穩壓管D0～D3等器件構成，其輸出端接串聯諧振式開關電源主回路9中開關功率場效應管S1、S2的輸入端，串聯諧振式開關電源主回路9由諧振電感L、電容C、開關功率場效應管S1、S2、輸出變壓器T、儲能電容C1、C2及常規的整流、續流、吸收電路等構成，其輸出通過輸出變壓器T經高頻整流后與電池組1直接相連，其電源輸入端外接220V交流電源AC。以上充電電路2結合采樣電路4、單片機系統5，其工作原理如下由采樣電路4采集到的電壓信號，經單片機系統5處理后給出數據、控制信號，一路給D/A變換器U5，并經放大器U6、U7處理后輸出直流電壓，再經壓-頻變換器U8輸出一定頻率的連續波，經脈沖整形電路U9將該輸入波整形為兩反相的1∶1方波(即控制開關電源輸出功率的載波)，該方波再經雙與門脈沖調制電路U10、開關電源驅動電路8后，輸出雙路對稱脈沖信號，驅動開關功率場效應管S1、S2工作，從而控制開關電源主回路9的功率輸出，開關電源主回路9輸出功率的大小由經D/A變換器U5、放大器U6～U7、壓-頻變換器U8及整形器U9后輸出的脈沖頻率控制，即由單片機系統5的輸出數據控制，充電脈沖的寬度則由單片機系統5中單片CPU即U1的P1.2口發出的脈沖調制信號控制。
如圖4所示，本實施例單片機系統5由80C31系列單片CPU即U1、采用常規方式與之相連的地址鎖存器U2(74LS373)、內含充電過程控制程序的EPROM即U3(2764)、及常設的晶振電路、復位電路組成。其中，單片CPU即U1的P0口(P0.0～P0.7)分別與地址鎖存器U2(74LS373)的數據口D0～D7、EPROM即U3(2764)的數據口D0～D7通過數據總線相連，地址鎖存器U2(74LS373)的地址口Q0～Q7與EPROM即U3(2764)的低位地址口A0～A7相連，由地址鎖存器U2(74LS373)將單片CPU即U1的P0口從分時復用的地址/數據總線中分離出來，單片CPU即U1的P2口(P2.0～P2.7)分別與EPROM即U3(2764)的高位地址口A8～A12相連，80C31時鐘采用內部方式產生，采用石英晶體和電容組成的并聯諧振電路作為外接定時電路，復位電路由RC電路組成。另外，單片CPU即U1的數據口、控制口分別通過數據總線、控制總線與采樣電路4中8位ADC芯片U4(ADC0804)、充電電路2中8位DAC芯片U5(AD7524)的對應端口相連，單片CPU即U1的P1.0～P1.2口分別通過一組非門U11(74LS04)、U12(CD4049)組成的電平變換電路后與充電電路2中雙與門(CD4081)脈沖調制電路U10、放電電路3中IGBT器件6、及用來指示充電裝置工作狀態的一發光二極管相連。
本實施例采樣電路4中采用一8位ADC芯片U4(ADC0804)，其數據口DB0～DB7通過數據總線與單片機系統5中的對應數據口相連，其模擬信號輸入端與電池組1的正極相連，CS端與單片CPU即U1的P2.6口相連，其INTR、WR、RD端分別接單片CPU即U1的對應端口INT1、WR、RD端。
本實施例電池充電控制裝置，結合單片機系統5的內部的控制程序，具體工作過程如下充電開始前，單片機系統5首先上電作初始化準備，進行初始化參數設定，判斷當前電池的正負極是否正確地接在充電控制裝置上，是則繼續進行，否則使連接錯誤指示燈亮，并結束程序，等待正確連接后再次運行。
確認當前電池的正負極正確地接在充電裝置上后，開始檢測充電前電池的剩余容量，為下一步確定充電時各參數提供依據。具體過程為對電池預充電，并采集電池預充電時的電壓，判斷其大小，得到當前電池的剩余電容量，據此確定充電參數，進入充、放電循環過程。每次充電過程按照充電、充電延時、放電、放電延時的時序循環進行，并由采樣電路4分別對以上處于不同階段的電池的狀態進行實時采樣，得到電池充、放電過程中的各電壓信號，并經單片機系統5處理后得到電池最新的狀態參數，據此改變下一個充電循環充電電路2中充電脈沖的寬度和輸出功率，合理調整充電電流及電量；改變放電電路3中放電脈沖的寬度，合理調整電池的去極化狀況，改善電池的接受能力。如此循環往復，直到被充電池充滿，實現快速充電的目的。充電過程中由一個發光二極管顯示充電工作狀態，并在電池充滿后發出工作結束信號，自動停機。
經使用表明，本實用新型達到了預期的目的。
權利要求1．一種電池充電控制裝置，包括電池組(1)、可提供充電電源的充電電路(2)、放電電路(3)、采樣電路(4)及控制電路(5)，其特征在于所述的控制電路(5)為一可分別控制充、放電電路輸出功率及輸出脈沖寬度的單片機系統，其輸出控制信號分別接入充電電路(2)、放電電路(3)，其輸入信號來自采樣電路(4)，采樣電路(4)的輸入信號來自電池組(1)；所述的放電電路(3)主要由可關斷器件(6)構成，可關斷器件(6)兩外接端口分別與電池組(1)的正、負極相連，可關斷器件(6)的控制信號來自單片機系統(5)；所述的充電電路(2)中采用一脈沖頻率調制式開關電源電路，它由依次相連的脈沖頻率發生器(7)、開關電源驅動電路(8)及開關電源主回路(9)構成，其中，脈沖頻率發生器(7)的輸入信號來自單片機系統(5)，開關電源主回路(9)的輸出進入電池組(1)。
2．根據權利要求1所述的電池充電控制裝置，其特征在于充電電路(2)中，脈沖頻率發生器(7)的占空比為1∶1，它可由依次通過其輸入、輸出口序列相連的D/A變換電路U5～U7、壓-頻變換器U8、脈沖整形電路U9及脈沖調制電路U10構成，其中，D/A變換電路U5～U7的輸入端、脈沖調制電路U10的調制信號輸入端分別與單片機系統(5)相連，脈沖調制電路U10的輸出經開關電源驅動電路(8)后與開關電源主回路(9)相連，開關電源主回路(9)由開關功率場效應管S1、S2、輸出變壓器T、儲能電容C1、C2及常規的整流、續流、吸收電路等構成，開關電源主回路(9)的控制端即開關功率場效應管S1、S2的輸入端分別與開關電源驅動電路(8)的輸出端對應相連，輸出變壓器T的輸出經一高頻整流電路后分別與電池組1的正、負兩極對應相連，開關電源主回路(9)的電源輸入端外接交流電源AC。
3．根據權利要求1所述的電池充電控制裝置，其特征在于可分別控制充電電路(2)、放電電路(3)的單片機系統(5)包括單片CPU即U1、采用常規方式與之相連的地址鎖存器U2、內部固化有充電過程控制程序的EPROM即U3及常設的晶振電路及復位電路，其各數據口、控制口分別采用常規連接方式與充電電路(2)、放電電路(3)、采樣電路(4)相連。
4．根據權利要求1所述的電池充電控制裝置，其特征在于采樣電路(4)主要由一A/D轉換器U4構成，A/D轉換器U4的模擬信號輸入口與電池組(1)的正極相連，其數據口、控制端口分別通過數據總線、控制總線采用常規連接方式與單片機系統(5)相連。
專利摘要一種電池充電控制裝置,包括與電池組1相連的充電電路2和放電電路3、可分別控制充、放電路各參數的單片機系統5、及取樣信號來自于電池組1并輸入單片機系統5的采樣電路4,另外,放電電路3中采用一可快速開關、以實現電池信號準確檢測的可關斷器件,充電電路2中采用一適合于快速充電的脈沖頻率調制式開關電源電路。在單片機系統5的控制下,可準確檢測電池內部狀態信號,并據此調整各電路參數,完成脈沖充、放電的循環過程。本裝置具有自動、可靠、準確檢測等優點。
文檔編號H02J7/02GK2323493SQ9724874
公開日1999年6月9日 申請日期1997年12月9日 優先權日1997年12月9日
發明者李強, 白曉東 申請人:北京工業大學