电池充电器范文

电池充电器范文（精选12篇）

电池充电器 第1篇

本文介绍一款可同时完成二节5号或7号电池进行充电的小型快速充电器，配有充电指示灯对充电状态进行指示，当电池电量不足时，指示灯较亮，随着电量的不断补充，指示灯的亮度不断下降，当充电完成后，指示灯熄灭。该充电器具有开始大电流快充，之后小电流慢充的自动调节功能，对充电电池具有较好的保护作用。考虑到初学者的实际情况，本套件在设计时采用了较为合理的方法，只用了较少的元件就实现了所有功能，使本套件具有结构合理，电路简单，性能稳定，外形美观，价格低廉等特点，是电子实习首选器材。

图1是这款充电器原理图，电源经变压器降压后从AC1和AC2端接入，经全波整流，电容滤波后为充电器提供电源。电源经R1向两只充电开关三极管提供基极电流，CW1始终将二只三极管的基极电压保持在2.4V左右，当接入充电电池后，充电回路被接通，以DC1为例，由于VT1的发射极电压决定于电池的电压，基极电压又保持在稳定值上，当电池电压较低时，加于VT1发射结上的电压就大，集电极充电电流较大，发光二极管亮度也大，随着电池电量的不断补充，电池电压不断升高，加于VT1发射结的电压不断下降，充电电流就不断减小，当电流电量充足后，当VT1发射极电位低于基极电位0.5V时，VT1截止，充电结束，充电指示灯熄灭，这时即使忘记将电池取下，也不会因为过充电而损坏充电电池，对于DC2的充电情况，与前述过程基本一致，因此本充电器整个充电过程都能根据电池的电量自动调充电电流的功能。

二、安装说明

1、二极管和三极管在安装时，一定要注意极性不要插反，严格按线路板上的标识插装;

2、瓷片电容和电阻没有方向，因此只要按具体位置安装即可;

3、电解电容安装时注意极性，在没有剪脚前，电容二个引脚中，长的一根为正，短的为负，安装时须特别注意;

4、电池正极片安装时，先上一下锡，同时在线路板上也上好锡，安装的方向与其他元件相反，伸出部分应在线路板的焊接面，焊接时由于这个器件面积大，注意不要烫手。实际安装时，最好用钳子夹住金属部分让其定位，然后再进行焊接，由于金属部分面积大，散热快，因此有条件的话最好用一把60W的电烙铁进行焊接，这样焊的时间较短，不容易损坏线路板;

5、对于几个较高的元件安装时全部采用卧式安装，否则装入盒子时会顶住外壳，元件全部安装好后的样子可参照图2。

三、调试说明

锂离子电池手机充电器现况及前景 第2篇

锂离子电池本身的良好特性，使得其在便携式产品中（手机、笔记本电脑、PDA等）的应用越来越广泛，用于锂离子电池的充电器在设计和功能上也日趋完善。本文主要介绍了锂离子电池手机充电器的市场现况、发展前景，以及目前流行的电路设计。

一、引言

锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命较长，价格也越来越低。它的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池

供电的产品也越来越多。

锂离子电池的不足之处在于对充电器的要求比较苛刻，对保护电路的要求较高。其要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度（精度高于1％）。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电终止检测除电压检测外，还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施，如检测电池温度、限定充电时间，为电池提供附加保护。由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电

池推广应用的瓶颈。

锂电池充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电器的操作，其中包括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。所有或者部分这些功能都可以在充电芯片中实现，当然，也可利用ASIC、分立器件、或在微处理器的基础上用软件实现。

二、国内手机充电器市场情况

目前，市场上手机充电器种类繁多，但其中也有很多质量低劣的不合格产品。在去年产品质量国家监督抽查结果中，将近40％的厂家生产的充电器不合格。其主要问题出现在: 与交流电网电源的连接，电源端子骚扰电压，辐射骚扰场强和充电电压几个方面。另外，一些产品的低温性能、额定容量、放电性能、安全保护性能等方面存在质量问题。这些质量问题会影响到手机的正常使用，还会影响手机的使用寿命，严重时还可能伤害消费者。

现在市场上发现有一些假冒伪劣手机电池便携式充电器。这些充电器由于价格非常低，携带方便，有许多手机用户更愿意使用这些充电器来对电池进行充电。劣质充电器实际上就是一个没有安全保证的简易变压器，由于内部缺少保护电路等保证安全的零配件，因而重量较原装品轻很多。但实际上，由于现在的手机电池多采用锂离子电池或镍氢电池作电芯，对充电器的电压、电流特性及安全保护有很高的要求。这些假冒伪劣充电器由于设计简单，采用劣质材料，加工手段粗糙，对手机电池的性能和寿命有很大损害。没有保护电路的充电器，由于不能保证充电时电流的稳定，因而会有烧坏电池甚至爆炸的危险。目前手机充电器主要有旅行充电器，座式充电器和车载充电器。厂家生产的原装旅行充电器和座式充电器，设计上都采用越来越精密的保护电路或开关电路设计，对电池的充电起到了良好的保护作用。车载充电器可以方便用户在汽车上为手机充电，一端插入点烟器，另一端连接手机，但不宜在汽车中长期充电，因为汽车中温度较高。

三、手机充电器的市场走向

1.目前，手机充电器可分为单槽形状和双槽型充电器，单槽形充电器正在受到双槽形的攻击。双槽形充电器除了具有慢速充电、快速充电、放电及镍镉、镍氢电池兼充的标准功能外，还有部分产品带有自动温度控制与电压控制，严防过充的新功能，因而消费者应将倾

向于选择双槽型充电器。

2.随着手机种类的日益增多，各种充电器因机型不同，电源端口的大小也不相同，从而不能互换使用，给消费者带来了不便。标准型充电器，是指可以连接所有手机底端电源插座（端口）的充电器。而且，生产的手机的电源端口将统一为适用于标准充电器的规格。这样，消费者将不必在每次换手机时同时购买新的充电器。由此可见，充电器在从坐式向便携式、双槽式等方向发展的同时，也开始向标准

化、通用化的方向发展。

3.手机充电器的待机耗电量的降低逐步成为充电器的设计过程中的一个重要环节。相比于以前的充电器，今后生产的产品将会在各项功能完善的同时进一步降低本身的待机耗电量。为了达到这一目标，可以设计一个判断AC适配器是否连接负荷（手机）的IC，当未连接负荷时，将AC适配器的直流输出方（2级电路）切换到高阻抗电路上。通过采取这一措施可以大幅减少待机时2级电路的消耗电流（可以达到数十μA）。另外，还可以在输入交流100V方（1级电路）中设置切换电路。在未连接负荷时，通过开关切换电路来减少供应给直流输出方（2级电路）的功率从而减少耗电量。

4.现在市场上的大部分充电器，只是针对锂电池或镍氢电池充电的，但是随着市场的发展，自动识别两种电池而进行相应的充电进程的充电器正在逐步占据主流。可以自动分辨锂电池或镍氢电池的座充能“防止将锂电放电的错误动作”，如果在充锂电池时不小心按到了座充上的“放电钮”，好的座充可以辨识出来是锂电池，因此不会做放电动作；差的座充则不管三七二十一地进行放电，这就会造成锂电

池寿命的折损。

四、手机充电器的设计要求

目前一些大的厂家生产的手机充电器都具有以下特点: 宽范围AC输入或多国电压可选；具备限流保护，电流短路与反充保护线路设计；体积小、重量轻；自动、快速充电，充满电后自动关断等等。另外，有的充电器还有自动识别锂离子、镍氢、镍镉电池组；具有放电功能；LED 充电状态显示；低噪声；模拟微电脑控制系统等特点。

使用智能控制的充电器模块框图一般如下：

五、手机充电器工作流程

目前手机充电器的工作流程一般为：

1.检测电池的电压，如果低于一个阈值电压，就要进行涓流充

电；

2.电池充到一定电压（一般设置为2.9V）时，进行全电流充电； 3.当电池电压达到预置电压（锂离子电池一般为4.2V）时，开始恒压充电，同时充电电流降低；

4.当电流逐渐减小到规定的值时，充电过程结束。

以美国TI公司的BQ2057为例，其充电流程如下：

除了上面的流程描述，它还具有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。而且，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗休眠等特性。一般来说，恒压充电结束时的小电流充电过程中，电流的大小一般为恒流充电时电流的十分之一。目前在锂离子电池充电器的设计中，对手机充电结束后由于某种因素放电的情况而专门设计了检测电路，一旦检测到电池电压降低，就会重新启动充电过程（见上图）。

其典型的充电曲线如图所示：

电池充电器 第3篇

USB-Ci在升温。2015年4月，苹果推出了具有USB-C接口的12寸的MacBook，与之前的电脑不一样的地方在于只有一个接口，就可以实现USB接口的所有功能，这就是USB-C接口。除此之外，USB-C接口还有很多新的功能，例如快充、轻薄短小，这使得苹果的12寸MacBook比前代产品轻薄更多。Intel在2015年9月1日发布Skylake第6代酷睿处理器，其所注重的也是能够让电子设备更轻薄、更快唤醒和更长电池续航时间，在此互动之下，超极本、平板电脑、移动电源等越来越多的电子产品开始采用USB-C连接器。

这时，传统的降压充电方法不灵了，需要“升压一降压”充电。为此，Intersil不久前推出业内首款支持双向输电的单芯片ISL9237。Intersil市场营销与应用总监魏佳分析道，从传统的A/B接口变成新的USB-C接口时，在电源管理上会有很大改变。现在的电子设备通常会有两大类，一类是电池由好几节串起来的，典型的产品诸如笔记本电脑，其电池可能是两节、三节甚至四节，但通常都是锂电池串起来。因为一节电池充满的时候，电压通常会在4.3V，为了给所有电池充电，通常笔记本电脑的电源是20V DC，因此DC电源的电压永远比电池电压高，那么在进行充电时，只需要使用一种降压技术就可以充电，在电路上，一种降压技术就可以来达到此目的。

对于手机及绝大多数平板电脑等功率较低的电子设备，它们都是用一节锂电池，一节锂电池的最高电压只有4.3V，其非常适合传统的USB A和B这两种充电方法。因为USB口的电压是5V，5V高于4.3V。所以用降压充电的方法就可以实现了。

综上所述，两类不同的产品——多节电池和一节电池的产品，从电池充电的技术上来看，本质上没有任何区别，都是降压充电，即Buck电路就可以实现。

但是随着新的USB-C接口的出现，情况不同了。USB-C的目的是为了达到一个接口可以连接所有电子产品。这意味着所有的笔记本电脑和手机、平板电脑，全部采用USB-C接口，那么USB-C接口就可能有各种各样的电压，因此USB-C的电压不再是一个传统的5V，它因为要向前兼容，所以它一定有5V，USB-C同时可以把电压调节到最高到20V和5A，且100W的台自力。如图1，右侧部分，左边的电源是用来充电的电压，它是5V～20V。右边是被充的电池电压，也有多种可能性电压。换句话，已经不存在一个固定的电源电压高于电池电压这种关系。这很麻烦，因为先前的市场没有一个能够升压一降压的充电器。需要新的解决方案。

为此，为Intel处理器配电的Intersil公司近日推出了ISL9237芯片，魏佳称其堪称业内第一款给大众客户使用的UsB-C充电方案，电压输入范围3.2～23.4V。“Ontersil的单芯片窄范围VDC（NVDC）电池充电器解决方案和竞争对手相比，可减少一个升压器IC和电感，帮助客户节省物料成本多达40%。”另外，ISL9237利用Intersil的R3调制专利技术，实现无噪声运行、高的轻负载效率和超快瞬态响应，以延长电池续航时间。

解决嗡嗡声的调制技术

Intersil有一个王牌的专利技术R3开关电源调制技术，这次也应用于升/降压充电过程中。R3是0ntersil大约十年前开发出来的，最早应用在给Intel CPU和AMD CPU供电中。这种调制技术的重要特点是瞬态响应较好，轻负载效率较高，可以延长电池续航时间。但是在现在这个升降压领域内，有个更重要的指标，大家更关注的是被称为AcousticNoise声噪问题。这种声音就是你拿个电子设备在耳朵边，能听到嗡嗡声，像小蚊子哼一样，它的产生是因为正传送能量的过程之中，由瓷片电容引起的，瓷片电容有电流进出的时候，会引发机械震动，这种机械的震动如果正好是在音频20 kHz以下，入耳能够听见。但是过去这是一件小事，因为电子设备通常有风扇，可能把这个声音湮没掉，但是现在的产品很多是无风扇的，所以这个声音引起了重视。Intersil的R3解决了此问题，“应该说在电池充电领域里，我们可能是唯一一家能够提供这种技术的厂商。”魏佳说，“其他做电池充电技术的厂商，可能都遇到这个问题。解决起来很麻烦，不得不采用很多增加产品成本的方法来解决它。”

具体地，引起嗡嗡声的是开关电源，开关电源通常开关频率比较高，经常是1MHz或几百kHz的频率，这样的频率，我们的耳朵是听不见的。但是现在因为大家都想电池要续航时间长，因此电压输出较高的时候，就要降低开关频率的频率，问题是在系统负载不是很大的时候，开关频率会变得很低，当这个频率低到20 kHz以下的时候，人的耳朵就可以听见了。这时候重要的是要保证在每一个开关周期传输的能量尽量小。因为人耳能听见这个噪声，每一个开关频率送过来的能量，最终引发瓷片电容机械振动，这个能量如果过大，就会听到。

这就牵扯到R3调制技术。Intersil的做法就是在开关频率降低的时候，把整个能量的传输均匀地分布到每一个开关周期上去。这样每一个周期里传输的能量就是最小的。

而一家竞争对手的做法是采用BurstMode（触发模式）。这种调制的局限会造成噪音问题。因为其方法是连续几个周期打几个Pulse（脉冲）传能量，然后歇上一阵子，再连续打几个Pulse传能量，再歇一阵子。问题就在于打几个Pulse的时候，相当于一次性送过去一个较大的能量，就造成了瓷片电容嗡嗡叫。

当然，对嗡嗡声也是有解决办法的。最简单的解决办法，因为瓷片电容有声音，干脆不用瓷片电容，用较贵的其他电容代替。还有一种方法是堆上多个其他的不同的电容来做，但是尺寸又变大了。

快充使USB-C流行起来

小功率胶体蓄电池充电器 第4篇

我的电台室几乎所有地方都要用到蓄电池。小功率(QRP)电台,扫描接收机,都有自己的胶体蓄电池。我有几块蓄电池始终保持着充满的状态,随时可以把它们放入44越野车的后备箱或野营帐篷里。当我们得不到市电时,蓄电池总是最好的电源。

番茄和西红柿

尽管火腿们都爱叫它胶体蓄电池,但它实际上是阀控式密封铅酸蓄电池(VRSLA)的一种。VRSLA家族还包括了吸附式玻璃纤维隔板(AGM)蓄电池。这两种蓄电池对于我的应用场合都很理想,因为它们内部的电解质不会洒出来,不会泄漏,不会被冷天冻坏,不会释放出危险的氢气(这意味着可以在室内安全使用)。这些蓄电池通常安装于电子计算机房的不间断电源中,用于驱动电动自行车,或应用于应急照明系统中。图1是一块VRSLA家族的蓄电池。

统一充电

家里的胶体蓄电池的型号太多,麻烦就来了怎么才能保持它们都时刻充满呢?你可以在《QST》文库中找到许多种不同的充电器设计。其中一些的电路很简单,另一些则需要专门的IC。

C1、C2:1000μF、50V电解电容C3:0.01μF、50V电容D1～D6:3A、50V或更高规格的二极管。可选用1N5408DS1、DS2:发光二极管F1:见正文R1:0.1Ω、1/4W电阻R2:0.33Ω、1/4W电阻R3、R4、R6:1kΩ、1/4W电阻R5:270Ω、1/4W电阻R7:5kΩ电位器R8:27kΩ、1/4W电阻R9:6.2kΩ、1/4W电阻U1:LM317稳压器散热片自恢复保险接线端子

我曾经花了很长时间想设计一个复杂的充电器,我觉得它应该能给我的7Ah蓄电池方便地充电。最终,我设计出了一个结构简单、操作方便的充电器,请看图2。它的充电电流很低,所以充电的速度并不快。我给这个设计项目起名叫“QRP胶体蓄电池充电器”。

首先声明,这个电路并非由我原创,这是一个非常常见的电路。我只是稍做了一些修改,添加了一些元件,让它可以在充电的同时还可以带小功率负载。这样的话,在突然停电的时候,蓄电池可以立即直接接过供电任务。电源的自动切换由二极管完成。充电器给蓄电池充电的同时可以带负载,输出电流最大1A。充电器在一块双面印制电路板上组装完成,请看图3。当然,这个电路的组装也没有什么特别的地方,用万能板也可以[1]。

随着蓄电池的放电程度不同,这个充电器充满一块电池需要几小时至24小时不等。从1.2Ah～32Ah的胶体蓄电池,我都用它充过电。

工作原理

这个充电器需要配合一个16V 2A的墙插式变压器使用。这是最简单的交流电源连接方式。变压器的输出送给了全桥整流电路。R1位于整流桥和滤波电容之间,是0.1Ω的电阻。

这个充电器的核心元件是LM317可调节稳压器。电阻R6、R7、R8决定输出电压。二极管D5用来防止蓄电池向U1反送电流。

U1的输出分为两路。一路经过D5、R2后输出给蓄电池。R2的作用是限制蓄电池的充电电流,以图中的元件值,限流为500mA。另一路,也就是OUT接口,连接负载,充电器最高可输出1A的负载电流。这个1A的电流是充电电流和负载电流的合计值,这意味着充电电流和负载电流不能都是1A。

为了防止负载发生短路损坏蓄电池,F1处安装了一个自恢复保险器。当蓄电池有电且市电停电的情况下,蓄电池会经由D6输出至负载。当充电器有电流输出的时候,发光二极管DS1便会亮起。

调节微调电位器R7可以把输出电压设定为可以把蓄电池充满的电压值。我每次会使用掉蓄电池50%的电量,所以我把充电器的输出调为14.2V。如果充电电压设为13.5V～13.9V的浮充电压,蓄电池可以在这个电压下安全充电好几年。

作为蓄电池12V充电器使用的时候,电阻R9是不存在的。这个电阻用来把充电器的输出降低至6V,给6V铅酸蓄电池充电。如果你需要的是12V充电器,就不要安装R9。

元件选择

组装你自己的充电器时不用太死板。虽然我用的是1N5408二极管,其实你可以使用任何一种3A 50V或更高规格的二极管。我给R1和R2标注的是Mouser公司的型号,因为它俩能正好适合PCB的预留位。你也可以用色环电阻代替,立式安装在PCB上。

C1和C2是1000μF,50V的电容。如果你确定你的负载会消耗满1A的电流,我建议你增加C1和C2的电容值。在这种情况下,4700μF是一个不错的取值。这两种容量的电容外形尺寸一样。

虽然墙插式变压器是理想的选择,但你也可以安装分立变压器。你的变压器的输出最好在交流14V至16V之间。注意,变压器的输出电压越高,稳压元件的发热就越大。我试过18V输出的变压器,电路也能正常工作,只是散热片比用16V变压器时更烫。不管采用什么形式的变压器,它的输出电流应该能达到2A。你可以去All Electronics这类尾货处理店找找有没有能用的变压器[2]。但这些店的货源很杂,经常变化。

充电器的组装

不论使用面包板还是PCB,充电器的组装都很简单。其他的我不管,我只要求你一定给U1安装散热片。PCB上有散热片的孔位,可以使稳压IC以正常电流工作时保持凉爽。如果你不用PCB组装这个电路,那你无论怎样也要让U1贴到一块金属上,用机壳给它散热也可以。稳压IC的固定孔是带电的,所以在安装它的时候要使用TO-220绝缘固定件。

我不喜欢PCB上有很多线进进出出,所以PCB设计的时候预留了安装接线端子板或AMP连接器的位置。安装哪种都可以,但是最好不要混装。

组装好的PCB要放在一个小盒子里,像图4那样。我承认,我偷懒把一块成品充电器电路板直接拧在了工作台的架子下面。我可以方便地通过上面的AMP连接器快速连接上变压器和蓄电池并立刻开始充电。虽然实现方式不太雅观,但是确实挺实用。

我又组装了一套充电器,随手翻出一个Ten-Tec机壳装了进去。我给这套充电器加装了一个数字电压表,随时监视蓄电池电压。当蓄电池的电压和充电器的输出电压相等的时候,我就知道充电已完成。蓝色LED亮表明充电器已经通电,绿色LED亮表明蓄电池连接到了充电器上。在这套充电器上,我没有带负载。

充电输出采用安德森插头,通过一截导线连接至蓄电池。电源输入通过同轴连接器连接至墙插式变压器。

充电器的调试和使用

充电器的调试非常简单。你需要一块万用表(最好是数字万用表),和你要充电的蓄电池。

将PCB的AC IN连接至变压器的输出端,打开电源(把变压器插入插座),你会看见两颗LED灯都亮了。这时用万用表测量Battery处的输出电压,调整微调电位器R5,把输出电压调整为14.2V。对于绝大多数蓄电池来说14.2V上下都是很合适的充电电压[3]。电压根据不同的蓄电池,可上下做些调整。现在拔下变压器给PCB断电。把万用表调整到电流档,串联进充电电路测量蓄电池的充电电流[4]。重新给充电器通电,这时你应该能在万用表上读出最高500mA的充电电流。你的实际读数取决于蓄电池之前的放电程度。经过一段时间的充电后,充电电流应该会开始下降,而蓄电池电压开始上升。当蓄电池电压和充电器输出电压相等时,如图5,充电电流会降低至非常小。这时蓄电池就充满了。

保持蓄电池的连接,拔下变压器。这时交流电源指示灯会熄灭,直流指示灯会保持点亮。这时用万用表测量充电器OUTPUT处的输出电压,这个电压应该十分接近蓄电池的电压。

新型高性能锂电池充电器的设计方案 第5篇

整个充电器在工作模式下消耗不足100μA的典型电流，而处于静止状态(即锂电池不处于充电状)时典型消耗电流不到20μA。

1.2 对DS2770芯片功能与特点作一介绍

DS277是一款集成了电池电量计量和锂离子或镍基电池充电控制器的新型芯片, 其框图见图2所示。它还包含一个可选择的25mΩ检测电组，用来实现充电电流测量。内置的测量电路能检测电压和温度值，作为充电终止的判据和安全充电环境的判据。所有测量结果保存在16字节的SRAM存储器中，它的40字节的EEPROM留给用户使用。与主系统所有信息交换都通过它的标准的l-Wire通信接口实现。该芯片为低功耗,工作状态耗电仅为80μA，静态消耗电流为0.5μA,

其引脚功能说明:

UV: 当电池电压检测为低值时的输出端，其低电平有效.

CC: 充电控制输出,其低电平有效.

Vch: 充电电压输入.

SnS: 电流捡测电阻连接端.

Vdd与Vss:芯片电源端

Vss: 地端

DATA:数据输入/输出端

LS1与LS2: 电流检测输入端.

Vin: 电池电压检测输入

2 关于充电组合电路的保护特性

见图1中部.应用外接的二只N沟道MOSFET保护管(IRF840)VP3与VP4和DS2720芯片来实现对单体Li+或锂聚合物电池安全保护. 即可以达到保护电池免受过量充电、过量消耗、过高放电电流以及过高温度损害等安全特性。DS2720具有细小电流充电功能，可恢复已深度放电的电池。用主系统软件还能够通过DS2720与DS2770芯片的DQ引脚检测到电池产生故障的原因并由主系统向用户汇报。

需要指出的是MOSFET 管被接在了充电组合电路的高端，位于充电电源和Li+电池正端之间，见图1所示. 为确保其数据在发生保护性故障或当充电组合电路处于休眠模式时不丢失，最好由Li+或锂聚合物电池直接给DS2770和DS2415供电。否则的话，当MOSFET被关掉时数据将丢失。该DS2720芯片为低功耗,工作状态耗电仅为12.5μA，静态消耗电流为1.5μA.

其DS2720其引脚功能:

PLS电池组的正端输入

PS: 系统(功率)开关捡测输入，低电平有效。

DQ: 数据输入/输出.

CP: 电量储存容量.

CC: 充电控制输入

DC: 放电控制输出.

3 关于充电与控制

DS2770的功能之一是利用简单的限流型电源给电池充电,.通过控制外部PNP晶体管(VP1(FMMT718型)和VP2(4403型)，DS2770能以恒定电流给Li+或锂聚合物基的电池组进行充电，直到电压上升到工厂没定的4.1V或4.2V限值。然后，它以脉冲充电方式注满电池。

DS2770还提供了一 ・个辅助的充电终止控制，即当电池温度超过+50℃或超过用户设定的最大充电时间均能终止充电。要启动充电，只需接・个限流型电源(最高15V)到chargesource端即可。

(本网网收集整理)

4 关于充电电量计数

DS2770也可用作一个高精度电量计。电流测量通过一个内部的25mΩ检测电阻实现(见图2所示)，其最低分辨率为62.5μA，动态范围高达±2A的平均电流。

在GSM/CDMA应用中，DS2770可十分容易地跟踪放电电流，它内部的自动补偿功能可在芯片整个工作范围之内保持测量的精确度,并能对所累加的电流、电压和温度进行实时测量，再加上保存于DS2770内EEPROM的电池特性数据，使得主系统处理器能够精确计算出电量，同时仅消耗很少的系统资源。而且由于DS2770直接由电池驱动，电量计数信息在电池组被拿开或由于保护性故障电源失效时不会被丢失。

5 实时时钟RTC

DS2415为主系统提供了一个精度达2分钟/月的RTC。它需要一个32.768kHz/6pF的外部晶体连接到DS2415的Xl和X2引脚。由于DS2415直接由电池供电，这是种结构是其它充电器电路所没有的优势。而将DS2415时钟置于MOSFET管的内侧，可以为主系统提供 一个高精度保障的时钟，甚至当主系统电源失去时也可以保持正确的时间信息，免去了在主系统中增加超级电容或纽扣电池作为备用电源的麻烦。

DS2415引脚功能:

Vbat充电电压输入脚2.5v.-5.5v.

其它类似上述也标明.

6 电池组信息的保存

DS2770含有40字节的EEPROM留给用户访问，而DS2720又额外增加了8个字节。电池组制造商可以利用这些空间保存相关的电池组信息，例如电池化学类型，组装日期，用于电量计数的电池特有信息等,一旦写入EEPROM将永久锁定，甚至于当主系统电源丢失和ESD事件发生时仍能保证数据的完整性.此外，每个芯片具有一 个唯一 ・的64位序列码，以便于让主系统或充电器识别。

结束语

按此方案实施的高性能锂电池充电组合路

解读USB－IF电池充电规范 第6篇

摘要：本文将对USB-IF(USB开发者论坛)最新颁布的电池充电规范v1.1版本做一个概要性的描述，并对相关测试规范做简单介绍，希望给于USB便携设备产品厂商和用户以参考和帮助。

关键词：Battery charging；电池充电规范；USB充电器；USB兼容认证测试

背景

2009年4月，全球移动通信系统协会(GSMA)联合OTMP(手机开放组织联盟)17家移动运营商和制造商宣布实施跨行业的通用充电器标准，此标准采纳了USB-IF的micro-USB接口作为手机数据和充电的统一接口，并采纳USB-IF的Battery Charging规范作为充电规范。USB-IF公布了1.1版的BaRery charging规范(以下简称为BC规范)，比起两年前公布的1.0版本，这个新版本有了较大更新和补充。同时，与之配套的测试规范也正在制定中，预计将在年内颁布和实施。届时USB Battery Charging相关测试项目将纳入到USB兼容测试认证中。

电池充电规范

原有USB2.0规范并没有考虑到使用USB接口为便携式设备的电池进行充电的需求，而这样的需求却越来越多。BC规范要解决的就是这个问题，符合规范的设备和系统即向下兼容USB2.0标准，又针对充电做出了特别的优化。

实际上，BC规范的核心内容就是引入了充电端口识别机制。一个符合BC规范的便携式USB设备或OTG设备通过这套机制可以识别出是插到了一个标准的USB下行接口(StandardDownstream Port)；一个USB专用充电器(usB Charger)；还是一个针对充电做过优化的USB下行接口(chargingDownstream Port)。然后、这些设备将根据不同的情况，按照BC规范的要求来获取不同的电流。

便携式设备和三种USB充电接口

·Portable Device

Portable Defice(以下简称PD)指电池供电的便携式USB外设或者OTG设备，可以通过USB接口来为自身的电池充电。BC规范建议这些的PD应该具备相应的端口识别能力和对从USB总线获取电流的控制能力。

·Standard Downstream Port

基本上，这个standardDownstream Port指符合现有USB2.0规范的主机(HOST)或集线器(HUB)上的下行USB接口。根据USB2.0规范，当USB外设处于未连接(un-connect)或休眠(suspend)的状态时，一个StandardDownstream Port可向该外设提供不超过2.SmA的平均电流：当外设处于已经连接并且未休眠的状态时，电流可以至最大100mA；而当外设已经配置(configured)并且未休眠时，最大可从VBUS获得500mA电流。

·Charging Downstream Port

Charging Downstream Port是即兼容USB2.0规范，又针对USB充电作出了优化的下行USB接口，它可以是主机上的USB接口，也可以是USB集线器上的。这些下行USB接口能配合Portable Device完成充电端口识别动作，并提供最大至1.5A的供电能力，满足PD大电流快速充电的需求。

今后很有可能会出现这样的产品，一台笔记本电脑上1个ChargingDownstream Port和多个StandardDownstream Port同时存在，用户可以将手机或其他PD连接到ChargingDownstream Port进行快速充电、并且在充电的同时可以进行数据连接。

·USB Charger

BC1.1规范中定义的USB Charger与目前市面上可以买到的USB专用充电器类似。USB Charger通过USB口为PD提供充电所需电能，BC1.1要求将USB Charger中的D+和D-进行短接，以配合PD的识别动作，但它不具备和USB设备通信的能力。规范中对usBCharger的电压电流输出能力做出了较严格要求，以确保PD的安全。

USB端口识别机制

Bc规范的核心在于充电识别机制，通过这个机制，当PD插入到USB接口时，PD将识别出所插入的USB接口类型。

当PD插入到usB接口以后，它向D+上加载一个0.6V左右的电压(VDP_SRC)，随后，PD开始检测D-线上的电压，查看是否收到0.6V的电压回应(VDM_sRC)。因为Standard Downstream Port不会对D+上的0.6V信号作出任何回应，所以如果PD插入的是Standard Downstream Port，那么D-将保持为低电平(图1)。

在Charging Downstream Port中，采用了与PD类似并且与之互补的检测电路，当它检测到D+上有0.6V时，它将随即向D-加载0.6V电压，以回应PD；而在USB Charger中，由于D+和D-是短接的，所以当D+上被加载0.6V电压时，D-也变成了0.6V。所以，PD插入到Charging Downstream Port或是USB charger，则D-线上会被回应一个0.6v电压。此后，PD先将D+(PD为高速或全速设备)或D-(PD为低速设备)拉高至逻辑高电平，然后通过检测另外一根数据线的电压来区分是Charging Downstream Port还是USB charger。因为Charging Downstream Port在充电检测时期，只回应VDP SRC而不会回应逻辑高电平，所以它将保持数据线为低(图2)。

由于USB charger内部短接了D+和D-，如果一根数据线被拉高，那么另一根数据线也将变成高电平(图3)。

通过以上的检测机制，PD就可以识别出所插入的是何种USB端口。

无电电池充电机制

无电电池充电机制Dead BatteryProvision(以下简称DBP)在BC1.1规范中是一个独立的章节，DBP针对一个装有无电或低电量电池的PD插入到Standard Downstream Port的情况进行了新的规范，它实际上是对USB2.0规范的扩展，确保Bc1.1规范向下兼容USB2.0规范。

USB2.0规范要求USB外设在未连接HOST时，从VBUS吸取的电流不能超过2.5mA。但有一些PD在启动时的数秒钟内需要消耗100mA以上的电流，如果这些便携设备自身的电池电量不足或彻底没电时，它将从vBUS上获取这些电流。因此，当这样的

设备插入到USB端口时，可能无法启动；更多情况是，由于多数HOST或者HUB并不限制设备消耗的电流，因此设备将以大电流启动，虽然他们也可以正常工作，但是这将导致USB系统的不稳定，同时这些设备也不能通过USB兼容认证测试。

DBP就是针对这种情况，有条件地放宽了USB2.0的要求。DBP规定，使用电池的便携式USB设备在插入(Attach)到USB端口到和主机连接(connect)这一时间段内，最多可以从VBUS获取100OmA的电流(USB2.0标准是2.5mA)，但是要满足下列条件：

·PD安装的电池应该处于无电或低电量的状态，即PD使用这样的电池将不能开机：

·当PD插入到USB端口以后并需要开始获取大于2.5mA的电流时，PD须将D+拉高至0.5-0.7V，并一直保持到和主机连接(Connect)；

·这些从vBus获取的电流应该用于PD给电池充电，从而使得PD最终能够连接(connect)和枚举(Enumerate)；

·这个以大于2.5mA电流充电的过程不得超过45分钟。

充电电流比较

BC规范通过对原有USB2.0的扩展和引入新的充电机制，较大地提升了USB接口的充电能力、方便PD以大电流快速充电。表1给出了不同情况下，供给PD充电的最大电流。

辅助充电适配器(Accessory Charger Adapter)

Bc1.1较之1.0版本，新引入了辅助充电适配器(Accessory ChargerAdapter以下简称AcA)的概念。

随着便携式设备变得越来越小，多数的PD只有一个USB接口用于连接外设或者充电，但连接外设和充电不能同时进行。例如。当一部手机通过USB接口连接了外置耳麦的时候，就不能通过USB接口进行充电了。ACA的用途就是让PD可以同时连接USB外设和通过USB端口充电。

ACA具有三个端口：OTG Port用于连接便携式设备(OTG Device)；Accessory Port用于连接USB外设：Charger Port用于连接USB充电端口，可以是一个USB专用充电器也可以是一个Charging Downstream Port(图4)。试规范将分成三个部分：PortableDevice Compliance Plan；Charging PortCompliance Plan；ACA CompllancePlan。

其中，前两个部分完成后，将被纳入到现有的USB兼容测试证中去。也就是说，如果一个PD产品需要获得USB兼容性认证(使用USB Logo)，不仅要进行传统USB兼容测试，还要进行BC部分的测试。

Portable Device Compliance Plan检测PD是否满足BC1.1规范，主要有两个方面，一是针对BC1.1中的DBP部分，重点检查当一个安装电池的PD插入一个Standard Downstream Port时，PD从USB总线消耗的电流是否满足要，求：消耗的电流是否只用于电池充电而不用于其他：当PD消耗的电流以大于2.5mA时，PD是否向D+上加载0.6v电压；PD插入USB端口时的冲击电流是否满足要求等等。另一方面，Portable Device Compliance Plan将着重测试PD的充电端口检测机制。被测PD将被分别连接至Stand DownstreamPort，Charging Downstream Port和Dedicated Charging Port，同时，PD上的电压(VBUS)、电流(IBUS)、D+，D-将被记录下来，这些电压电流以及时序关系将被用来判断该PD是否符合BC1.1规范。

Charging Port Compliance Plan针对USB专用充电器以及ChargingDownstream Port进行测试。主要包括对电压，电流等输出参数的测试，还包括上冲／下冲，短路／恢复等特定情况的测试。

需要指出的是，目前已经颁布的中国手机充电器标准(YDT 1591-2006)与本测试的部分内容相似，但也有所区别。总体上来讲，YDT 1591-2006只针对USB充电器作出了规范，并在充电器绝缘、安规等方面给出了详细的要求；而BC1.1规范引入了完善的充电机制并给出了相关的具体要求，它涉及充电电能的使用者(便携式外设)和充电电能的提供者(USB端口)两个方面。而对于USB专用充电器部分，BC1.1中有专门定义和规范，并且对于USB专用充电器输出能力、短路保护、标识等提出更详细的要求。

结语

一种新型铅酸电池充电器的设计 第7篇

随着全球石油储量的不断下降和国家节能减排的要求,开发新型能源作为动力源的车辆成为必然趋势。电能作为绿色、环保的可再生资源,世界各国竞相研发电驱动车辆。我国科技部也特别设立了电动汽车重大专项,努力推进电动汽车在国内的大力发展[1]。

目前,限制电动汽车发展的主要问题是车载能源问题,要完全用动力电池替代传统的汽油,除了改进电池性能外,还要发展完善的辅助充电设备,因而研制一种方便、快捷、高效的充电器是必不可少的[2]。

2 充电方法介绍

电动汽车的发展对动力电池技术的发展起到了促进作用,各大汽车公司也开始对电动汽车动力蓄电池技术以及充电原理进行研究。目前市场上动力电池种类繁多,铅酸蓄电池最为常用。

铅酸蓄电池在充电时,正极PbSO4转化为PbO2后把电能转化为化学能贮存在正极板中,负极由PbSO4转化为海绵状Pb后把电能转化为化学能储存在负极板中[3]。

铅酸蓄电池在放电时,正极由PbO2变成PbSO4后把化学能转换成电能向负载供电,负极则由海绵状Pb变成PbSO4后把化学能转换成电能给负载供电。

铅酸蓄电池在进行充放电过程中,正极和负极必须同时以同当量、同状态进行电化学反应才能实现充电或放电过程,任何情况下都不能由正极或者负极单独完成上述电化学反应。

在对铅酸蓄电池充电时,要实现快速充电,前提是必须保证大充电电流,这也就对铅酸蓄电池提出了很高的要求,即要想在15分钟内充进50%的电量,最少要保证3C的充电电流,而普通的铅酸蓄电池不能承受如此大的充电电流,因此根据实际电池情况,调整充电策略,使得充电策略与蓄电池充电接受能力相适应,才能够保证快速充电的安全性和可靠性,这是快速充电的前提条件。

快速充电的棘手问题是电池的极化问题,铅酸蓄电池的正极为活性物质二氧化铅,负极的活性物质是海绵状金属铅,传统的充电时间过长,会导致充电监测时间过长,易造成电能浪费,而且电池内部会出现极化,产生硫化结晶,大大降低了铅酸蓄电池的循环使用寿命,这与充电的原则是不符的。

根据铅酸蓄电池可接受充电电流定律以及马斯三定律,可知在充电过程中,当充电电流接近蓄电池固有充电曲线时,适时地对蓄电池进行反向电流放电,可以提高蓄电池的充电接受能力,也就是说通过反向大电流放电,可以提高蓄电池的充电速度,缩短充电时间。因此,本文制定了多段段恒流充电与脉冲放电相结合的充电策略,如图1所示。多段段恒流充电的每段恒流充电电流波形由一组脉冲波形组成,整个波形逼近蓄电池可接受充电电流曲线。

本文设计的充电器在初期根据电池组状态确定是否需要涓流充电;在快速充电上采用多阶段恒流充电与脉冲充电相结合的充电方法,通过负脉冲反向放电,并在快速充电过程中短时间的停止充电,从而防止电池组出现过充,并能够消除或减少极化现象,这与马斯三定律是符合的;在充电后期采用定电压对电池组进行补足充电,直至电池组电量达到额定电量。这种策略能够保证电池组充电的快速性,提高充电效率,同时很好地解决普通快速充电所导致的硫化问题,保证了电池组的循环使用寿命,因此这种方案是合理的。

3 主回路设计

主回路的功能是将来自市电含有波动的交流电,转换成稳定输出的直流电,这部分设计是整个系统的关键,它的好坏将决定充电器输出功率的大小和系统性能的优劣。首先根据24V电池组充电的需要,确定充电器的设计指标:(1)输出直流电压:33V;(2)输出直流电流:30A;(3)输出最大功率:1kW。

本文设计充电主电路原理图如图2所示,主电路主要由市电输入端、三相桥式整流滤波电路、DC-DC全桥功率变换电路和放电回路构成。

3.1 高频变压器的设计

高频变压器的设计比较复杂,实际设计中需要注意的问题比较多,各种问题的解决方案之间往往充满矛盾。一般说来,变压器的设计是一个在各种矛盾中协调、优化的过程。

本文采用的是AP法进行设计,磁芯的选择就是选择一合适的AP值,使它输送功率PT时,铜损和铁损引起的温升在额定范围之内。

(1)根据输出的功率需求,设系统效率为0.8,计算总的视在功率

根据传输的功率值,设计中首先尝试选择PM62磁芯。

(2)查表获得PM62型磁芯的参数

Ae=570mm2;Aw=778.22mm2;所以AP=AeAw=44.36cm4。

(3)验证所选磁芯型号是否能满足功率输出要求,计算总的视在功率

PT=APK0KffsBwJ=44.360.44200.15300104=6.388(kW)。

计算结果表明,选择的磁芯能够传递的视在功率大于系统设计期望传递功率,并有一定裕量,所以选用的磁芯型号PM62满足设计要求。

(4)计算原边匝数

因为匝数必须为整数,所以选择76匝。

(5)根据原边的绕组电流和电流密度,确定原边绕组的裸线面积

查AWG导线规格表,可以选择AWG#18型号导线。但是考虑到集肤效应的影响,在实际应用中,过粗的导线应用多股细线并绕代替,一般选择#31号线以下的细线。实际中选择的是AWG#33,30股并绕。

(6)根据原副边的电压关系,可以计算出副边绕组匝数

因为匝数必须为整数,所以选择5匝。

(7)计算副边裸线面积

查AWG导线规格表,并考虑到集肤效应,副边两组选用AWG#26,15股并绕。

3.2 输入滤波电路的设计

假设输入的市电电压有效值为+15%~-20%的波动,即304~437V,它的峰值就是430~618V,整流滤波后的直流电压值为514V。为了保证该直流电压的最小值符合要求,在每个周期中滤波电容C1至少需要提供的能量:

那么每半个周期中滤波电容C1所提供的能量与整流后的滤波电压的脉动大小之间的关系如下式:

将上式整理,可以计算出所选电容值:

实践表明,在交流侧危险的环境下,输入滤波电容用铝电解电容比其它种类的电容器更加可靠。实际中选择的是耐压630V,电容值为50μF的铝电解电容。

3.3 蓄电池放电回路

许多充电系统当蓄电池达到一定的极化程度后,通过负载进行放电,以消除极化。但是,这样会产生不必要的能量消耗,同时也使充电器的体积变得很庞大。所以,本文充电系统中蓄电池的放电通路由开关元件Q5和滤波电感Lf组成,称为能量回馈电路。在正脉冲充电末期,DC/DC变换电路中的开关元件全部断开,存储在滤波电感Lf中的能量全部转移到蓄电池组中。在负脉冲放电期间,能量回馈电路开始工作,它将电池的能量送回到滤波电容C1中去,从而实现了蓄电池在充电过程中适时的放电,可消除电池的极化现象。与传统的放电回路相比,该能量回馈电路能避免不必要的能量消耗,同时也可使充电系统体积大大减小。

4 软件设计

充电系统的基本工作流程如图3所示,充电系统在系统上电后,首先进行系统的初始化。初始化对整个充电过程非常重要,是充电进行的基础。紧接着进行电池检测,判断是否有蓄电池连接到充电端,如果检测发现无蓄电池或者蓄电池连接不正确,则提示“请接入或正确连接电池组”;如果检测发现无蓄电池,但模式选择在强制充电状态,则首先对电池进行涓流充电模式进行充电,使过放状态或其它原因导致无电压的蓄电池组进行电量恢复,等检测电路能正确检测到蓄电池组接入正确的状态时,自动切换到蓄电池组接入正确的状态处理。

若检测到电路及蓄电池组接入正确,则进行确定电池组的充电模式是涓流充电模式、快速充电(多段恒流与脉冲充电结合)模式、去极化模式还是智能充电模式,该四种模式由人工设定,其中智能充电模式是对涓流充电模式、快速充电(多段恒流与脉冲充电结合)模式和去极化模式进行综合,由充电系统根据电池状态进行自主决策对接入的蓄电池组是进入上述四种模式中的哪一种。

在蓄电池组初始状态,电压电流参数值小于涓流设定的门限值,则进入涓流充电状态,对电池组进行小电流涓流充电。

在蓄电池组初始状态电压电流参数值大于涓流参数的门限值,则进入快速充电(多段恒流与脉冲充电结合)模式。此时,将蓄电池组的充电过程中的状态电池参数与设定的充电电压和电流曲线进行比较,得到合适的充电点,并将此时的充电电压和电流值反馈到中央控制器中,通过控制主回路逆变桥中四个IGBT的通断逻辑,从而得到需要的充电电压和电流值;并蓄电池组在快充过程中放电状态的电池与放电回路的参数反馈到中央控制器,从而控制放电回路的IGBT通断。

充电系统在正常充电中,通过对蓄电池状态的检测,判断蓄电池在充电过程中电池端电压上升速率是否过快,电池内部是否出现极化现象。如果发现电池内部出现极化,则进入去极化模式。

同时,在充电过程中,中央控制系统对蓄电池组的实时状态进行检测,对充电电路的主回路进行实时监控。每隔一定时间周期对每一个蓄电池的电压、电流、温度以及整个蓄电池组的电压进行采样分析,对主回路中直流部分进行周期采样分析,对IGBT的温度进行周期采样分析,如果发现异常,立即调用相应的保护中断程序,确保电路的安全正常工作;并对各种故障进行相应的故障代码显示及声光报警。

5 结束语

在实验室中进行了大量的实验,实验表明该电路可靠性高,能够实现快速充电和电池保护功能,而且简单实用。该设计成品也已经成功投放市场,为了让产品具有更强的竞争力,该电路在充电算法和硬件电路设计方面还可以进一步提高。比如在充电过程中加入电池组中单体电池的检测环节,增加均衡充电的流程,将会进一步提高充电效率和电池组使用寿命。

参考文献

[1]李兴虎.电动汽车概论[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[2]Markus Simon,Market Potential and Price Expectations for Electric Vehicles inSwitzerland.EVS18Berlin,2001PP166.

铅酸蓄电池充电器的模拟保护 第8篇

铅酸蓄电池作为一种能量载体可以在人们的日常生活和工作中带来很多的方便, 它还具有可逆性好、可再生使用、造价低廉和使用方便等等诸多优点。目前铅酸蓄电池充电器也在被世界各国进行积极的研究和开发, 以更好的满足国防、工业、航空航天和交通等实际需求。现在的充电器越来越智能化, 充电过程也变的复杂化, 这样充电器的不可靠性也变高了, 所以充电器的安全性的设计也变的特别重要。充电器一般都用单片机、DSP和ARM等数字芯片来控制充电和保护。当电路出现保护的时候, 由于数字芯片本身的响应时间和计算时间会有一定的延迟, 加上数字芯片还会出现程序跑飞等情况, 为了以防万一, 电路的模拟保护电路的设计也是必不可少的。而且因为模拟保护电路的电气特性, 相对于数字保护电路更直接、快速和安全。

2 电池充电器介绍

本次设计的是24V输出电压, 最大输出电流是40A的铅酸蓄电池充电器。本文要介绍的就是这台充电器上的模拟保护电路的设计, 下面介绍下铅酸蓄电池充电器。充电器主要是由主电路、控制电路、保护电路和显示电路四个部分组成。其中以主电路和控制电路为主, 保护电路和显示电路为辅。如图1所示为所设计的智能充电器的整体硬件结构框图。

该智能充电器的主电路是由电网输入的220V交流单相电压经过一个EMI滤波器和一个整流器所组成的整流滤波电路之后将一个交流电压转变成直流电压;将直流电压输入到主功率拓扑电路, 输出与铅酸蓄电池相连接, 实现充电。而主功率拓扑电路选用的是双管正激电路。

控制电路是一个由STC12C5A60S2单片机为核心来对整个电路进行数字控制。控制电路将采集到的实时电压、电流和温度数据输送给单片机进行判断比较, 从而来对主电路发送不同的PWM波来使充电器可以按照设计的四段式充电法来进入涓流、恒流、恒压、浮充充电。与此同时, 分析采集到的实时的电池数据来判断电池是否超过承受范围而进行软件保护。

保护电路是一个纯硬件的模拟保护, 在单片机出现故障或者意外发生的时候也能够对铅酸蓄电池进行保护。显示电路主要是将采集到的充电电压和电流进行数字显示, 还有就是四个充电状态和保护状态的指示灯的显示, 方便操作者对充电状态更直观地了解。

3 充电器的模拟保护电路

评价电池充电器的质量指标是否合格是多方面的, 但是不管怎么去评价, 研发一个电池充电器最重要的一个原则就是这个充电器必须是安全可靠的。铅酸蓄电池充电器和其他的电子设备一样, 都会发生“偶然性”和“必然性”的失效故障。在设计的时候, 我们首先要想到的就是如何把“偶然性”和“必然性”的失效故障在发生之前就想到怎么样去尽量的避免, 或者是在发生了之后怎么样去解决, 同时在这些事故发生的时候确保电池充电器的操作人员、器件和电网的安全, 这些都是在设计充电器的保护电路的时候必须要去考虑的。因此当铅酸蓄电池充电器出现状况的情况下, 铅酸蓄电池的保护电路应该能够使充电器立即进入保护状态, 或者是自动关机, 或者是改变某一个电气参数让充电器回到正轨上。这就是保护电路的作用和重要性。

虽然本充电器也设计了数字电路的保护, 包括数字电路的电压、电流和温度的实时采样来控制单片机的PWM脉冲的发送来实现充电器的保护。因为STC12C5A60S2单片机的数字保护需要芯片的反应时间和计算时间, 包括程序跑飞的情况也会出现, 这样也会有失效故障的情况出现。当单片机经过计算发送关断PWM脉冲的指令的时候, 其实已经对充电器造成了伤害, 保护电路就无法立即快速的实施保护。因为模拟保护所用的芯片都是直接的电气反应, 所以对充电器是一种更加立即快速的保护。

一般的电池充电器的保护有:过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护、缺相保护和防浪涌冲击电流保护电路等。而过压保护、欠压保护、过流保护又都分输入电路和输出电路。

本充电器设计的主要的保护有:防浪涌冲击电流保护、过压保护、过热保护和过流保护。下面介绍下这几个保护电路的具体设计。

3.1 防浪涌冲击电流保护电路

本充电器的输入电路采用的是电容输入型滤波整流电路。因为大电容上的初始电压为零, 所以在充电器开始刚上电的那一瞬间, 会瞬间产生一个很大的冲击电流, 这个电流的值大到可以达到数百安培, 这就称之为浪涌电流。如此大的电流产生的时候可以直接烧毁整流桥、合闸开关的触点、滤波电容或充电器的保险丝等输入回路的器件。上述现象都会导致充电器无法正常工作, 同时对电网产生严重的污染。所以必须设计一个防浪涌冲击电流电路来保证充电器能够正常可靠的运行。在设计这个防浪涌冲击电流保护电路的时候主要遵循以下三个原则:

(1) 为了整个充电器的效率提高, 尽量把防浪涌冲击电流电路的功耗降到最低。

(2) 在脉冲电流的幅值在没有超过允许值的情况下, 能够保证在1～2秒的时间内完成充电。

(3) 为了后期整体充电器的结构设计的考虑, 尽量把保护电路设计所占的空间和重量降低。

在设计的时候, 经过查阅资料和书籍, 发现防浪涌冲击电流的方法有很多种, 最后遵循以上三个原则以及经济的考虑下, 选择了热敏电阻防浪涌冲击电流保护电路。热敏电阻的特性是随着温度的升高, 电阻值减小直到零。这样在开始的时候有一个很大的电阻可以达到限制电流的作用, 电阻发热后阻值会为减小, 从而电路正常工作, 这是利用的是热敏电阻的负温度特性。典型设计电路如图2所示:

3.2 过压保护

由于本次设计的充电器的最大输出功率要达到1200W (加上负载) , 是属于中等功率的大电流输出充电器, 所以在主拓扑的电路上会有比较大的电压和电流产生。当输入电压过压的时候会对电池充电器的输入电路的器件造成应力伤害, 而电压不正常的话也会引起电路的不稳定, 这样因电气性能指标被破坏而不能工作。

当输出过电压的时候, 和输入过电压一样都会使充电器的充电的可靠性、安全性和稳定性产生影响。而且当充电器的输出电压过载的时候会导致铅酸蓄电池的内部造成损坏, 严重的时候还会损害铅酸蓄电池的寿命, 所以铅酸蓄电池充电器的输出过压保护设计也是非常有必要的。

如图3所示是充电器的输出过压保护的前端电路图设计。经过查阅铅酸蓄电池的资料得知24V的电池最大的过压是29.6V, 经过上面设计的分压电路之后, 把充电器的最大输出电压转换成了5.92V。然后把5.92V经过一个电阻分压之后输入到比较器LM2901内其中一个比较器的负端, 正端是一个+5V的参考电压输入的3.87V的分压输出。在充电器的输出电压没有过压的时候, 即比较器的负端电压的值一直小于正端电压的值的时候, 比较器的输出一直是高电平, 直到负端输入达到了设定的值 (即充电器输出电压过压时) , 比较器的输出电平才拉低。

比较器LM2901的输出端接的是RS触发器的S端, 同时上拉一个15V的电压。而R端是一个RC电路, 在上电的瞬间因为电容的存在, 所以在刚上电的时候是低电平, 等电容充满之后才是高电平。而在这里之所以要设计一个RS触发器的原因是为了给充电器设计一个保护指示灯, 当保护电路实现保护的时候, 人能够从指示灯知道充电器进入了哪一种保护。设计采用的RS触发器的型号是CD4044, 它的真值表如图4所示。

下面详细分析非过压保护和过压保护的时候的各个期间端口的高低电平变化情况, 从而来更好地了解整个输出过压保护是如何实现保护功能的:

(1) 非过压保护:当采集电压没有过压的时候, 比较器经过比较是高电平输出, 即RS触发器的S是高电平, R端是低电平, 按照真值表可知Q输出是低电平。Q的输出是低电平使三极管截止, 过压保护的灯不亮, PROTECT截止导致PWM驱动工作。

(2) 过压保护:当充电器的输出电压过压的时候, 比较器的负端输入电平的电压值比正端输入大, 此时比较器输出为低电平。RS触发器的S端是低电平, R端电容已经充满电是高电平, 查询真值表得出Q的输出是高电平。Q的输出是高电平使三极管导通, 从而过压保护的灯亮, PROTECT导通致使PWM驱动关闭。

3.3 过流保护

电池充电器和其他很多的电子设备一样, 当它电路上经过的电流过大的时候是非常危险的。它轻则把电路器件芯片烧坏, 重则会造成电路短路, 而电路短路会造成火灾等不可预估的灾害。过流短路是最严重的一种故障, 所以过流短路保护的设计是否可靠是充电器保护的关键。在设计电池充电器的时候, 对于电流的检测是必不可少的。同样对于本次铅酸蓄电池充电器的设计也是如此, 要能在出现过流的情况下立即采取有效的措施实施保护。

在设计电池充电器输入过流保护的时候, 最先考虑也是最重要的是IGBT的保护, 而实现对IGBT的保护实际上就是对电流的检测。而IGBT过流检测的方法也有很多, 而现在运用比较成熟且经常被用到的有霍尔元件、电流传感器、分流器和电阻分压法。本充电器采用的是电流传感器, 它的线性度非常好, 而且是闭环检测器件, 非常的简单实用。将电流传感器接在充电器主拓扑电路的输入电路和输出电路, 这样随着充电的进行, 电流也不断的变化, 而电流传感器能够将电流的值等效成电压值被采样到。然后把采样到的电压值输入到LM2901的其中一个比较器, 具体电路重设参数与过压保护相同。

3.4 过热保护

温度对电子器件的影响也非常重要, 也是影响电池充电器工作是否可靠的一个重要因素。根据资料分析表明, 电子器件每升高2℃, 它们的可靠性指标就会大约下降10%, 温度升高50℃的时候工作寿命只有20℃的六分之一。而在本次设计的铅酸蓄电池充电器中有比较容易发热的元器件, 比如IGBT, NTC和变压器等等。为了避免这些器件因为温度过高而导致失效, 我们必须对它们进行温度检测并管理, 而过热保护在这里就显得尤为重要。

过热保护的方法有很多, 一些常用的器件有温敏开关、温敏半导体、热敏电阻和温敏芯片。而本次充电器所采用的是温敏半导体。按照所使用的NTC的资料查询可知:在该NTC常温的时候, 电阻是10K;在温度到达70℃的时候, NTC电阻降到1.7K, 设定过热保护开启。同时串联一个电阻并接5V电压供电, 采样NTC两端电压输入到LM2901的一个比较器, 具体电路重设参数与过压保护相同。

4 结束语

本文所设计的铅酸蓄电池充电器模拟保护电路虽然是附加的功能, 但是也是在已经有了数字保护电路下的一个完善。能够使充电器的可靠性和安全性更加的好, 使充电器能够更安全的进行充电。验收技术指标的时候, 需要对保护功能进行多方位的试验来验证保护电路的可靠性。

电池充电器的保护电路结构非常的多样化, 在设计的时候应该针对具体电路选择合适有效的保护方案, 从而在简化电路结构和降低成本的考虑下更好的实施保护。

参考文献

[1]马洪斌.阀控铅酸蓄电池发展现状[J].阀控铅酸蓄电池发展现状, 2004, 24 (3) :137-142.

[2]徐曼珍.新型蓄电池原理与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2005.

[3]胡永华, 杨金明.基于AVR的铅酸蓄电池管理系统设计[J].嵌入式系统应用, 2010, 26 (2) :55-56.

[4]郑国川, 李洪英.实用开关电源技术[M].福州:福建科学技术出版社, 2004.

单只晶闸管蓄电池充电器设计 第9篇

美国学者麦斯J.A.Mas通过大量实验提出电池充电可接受的电流定理: (1) 对于任何给定的放电电流, 电池的充电接受电流与放出容量的平方根成正比。 (2) 对于任何放电深度, 1个电池的充电接受电流与放电电流的对数成正比, 可以通过提高放电电流来增大充电接受电流比。 (3) 1个电池经几种放电率放电, 其接受电流是各放电率接受电流之总和。也就是说, 可以通过放电来提高蓄电池的充电接受电流。在蓄电池充电接受能力下降时, 可以在充电的过程中加入放电来提高接受能力。

汽车蓄电池的性能和寿命与很多因素有关, 除了其自身的参数因素 (如电池的极板质量、电解质的浓度等) 外, 还有外部因素, 如电池的充放电参数, 包括充电方式、充电结束电压、充放电的电流、放电深度等等。

铅酸蓄电池是一个很复杂的化学反应系统。充放电电流的大小和工作温度等外部因素都会影响蓄电池的性能。铅酸蓄电池的应用历史最长, 也是最成熟、成本售价最低廉的蓄电池, 但其能量低, 自放电率高, 循环寿命短。

家庭用小汽车目前使用的蓄电池以铅酸蓄电池为主, 充电方式包括常规充电和快速充电2类。常规充电由充电器提供标准的民用交流电源接口, 应用较多。快速充电由充电机提供直流输出为汽车进行快速充电, 应用较少, 主要用于行业用户和街头应急充电。

2 单只晶闸管蓄电池充电器设计

蓄电池常用的充电方法有定流充电、定压充电和快速充电3种, 其中定流充电有较大的适应性, 可以任意选择和调整充电电流, 可以对各种不同情况和状态的蓄电池充电。

笔者设计制作由单只晶闸管组成的充电器, 其核心部分是晶闸管单相半波可控整流电路和单结晶体管移相触发电路, 主电路和触发电路直接由220V交流供电, 省去了整流变压器, 简化了充电器的结构。

充电器制成1个200200150mm规格的小箱子, 方便携挂在汽车上, 只要有220V交流电压的地方, 就可以为汽车铅酸蓄电池充电。

该充电器的设计特点是只使用1只晶闸管元件, 并且可以随车使用, 蓄电池充电时不需要拆卸蓄电池。

(1) 充电器电气原理。充电器电气原理图如图1所示。电源电压和同步电压由220V市电供电, 电路由主电路和触发电路组成, 主电路是单相可控整流电路, 触发电路是单结晶体管组成的驰张振荡器。

(2) 电气元件选择的考虑。晶闸管技术参数比较多, 主要选择额定电压 (正反向重复峰值电压) 和额定电流 (通态平均电流) 。该电路的交流输入电压220V, 充电器的额定输出直流电流要求10A。晶闸管在电路中的最高反向电压就是交流电压的峰值311V, 考虑裕量选择电压600V;额定电流考虑裕量是20A。由于设计不使用整流变压器, 而由220V市电直接供电, 在触发电路中, 由二极管VD1半波整流、电阻R4降压, 稳压管VD2稳压为直流20V, 供给单结晶体管V。二极管VD1的峰值电压也是311V, 元件选择时要仔细考虑。

具体选择晶闸管:KP20/600。单结晶体管:BT33F。二极管:VD12CP19、VD22CW21K、VD32CP12。电容器:CCZJ1、C0CZJ0.47μf/630V。电阻器:R1RT51、R2RT100、R31K、RPWX68K、R4RXQ5.1K/10W、R0RXQ100/10W。电流表A:直流表0～10A。接触器KM:JZ7-44/220V。

电池充电器 第10篇

全密封免维护铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定、密封好、无泄漏、无污染等优点, 广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。因此, 充电器的市场需求是异常庞大的, 对充电技术的研究也由来已久。然而, 传统的充电方法如:恒流充电、恒压充电和先恒流后恒压充电, 这些充电方法充电时间都较长, 控制方法单一, 如控制不当会影响蓄电池的使用寿命。而后针对传统充电方法的缺点加以改进提出了一些新型的充电方法, 如脉冲式充电法、变电流间歇/定电压充电法、变电压间歇充电法等。在这些充电方法下充电电流能够更好逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。基于以上所述, 本课题研究设计了一种用于全密封免维护铅酸蓄电池的智能充电器, 以实现对铅酸蓄电池的智能脉冲充电。

1 智能充电器系统概述

本系统对铅酸蓄电池进行快速充电采用的是具有正负脉冲幅度可调的智能脉冲充电方案, 充电系统的组成主要是三部分:主电源回路、辅助电源电路及信号控制电路。该智能充电器能根据不同的电池, 控制不同的充电状态, 电池端电压值经过处理后产生电压偏差和变化率信息, 再经过模糊化处理, 输出电流信息, 适时和正确地控制充电过程。当系统自动检测到充电已满时, 会自动提示用户, 充电器进入浮充维护状态。该充电系统设置了温度、定时、电压保护和故障检测功能, 如果充/供电过程出现异常, 系统会及时提示用户并停止输出。本设计利用数字PID的控制方法实现了由电池电流控制、电压控制和电池温度控制的具有正负零脉冲的三阶段间歇快速充电。本系统以单片机C8051F020及电路控制型脉宽调制控制器SG3525为核心, 完成了充电装置控制系统的硬件设计;在KEIL编译器环境下完成控制系统的软件设计, 实现了高速的数据采集、复杂的控制算法和输出控制, 使得充电过程高效、快速、无损。下面就系统中重要的温度采样模块的设计进行阐述。

2 温度采样模块硬件设计

该智能充电器设计完成了对电压、电流、温度的采样, 以实现限压恒流脉冲充电和温度补偿及过温保护等功能, 因此, 对温度的采样是系统的重要组成部分。

本系统选用型号为C8051F020的单片机作为主控制器, 完成智能充电、显示、报警等功能。C8051F020是一种完全集成的混合信号系统级单片机, 具有64个数字I/O引脚;片内含CIP-51的CPU内核, 它的指令系统与MCS-51完全兼容。该单片机片内的在线系统调试接口是全速、非侵入式的;片内有4352字节的RAM和64K字节的FLASH存储器;具有两个UART串行接口, 可寻址范围为64K字节;片内有有两个12位DAC, 12位的8通道ADC, 并自带模拟多路开关和PGA;并有通用的5个16位定时器和5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列;片内置看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。C8051F020单片机所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。C8051F020/1/2/3是真正能独立工作的片上系统。本设计中我们主要利用单片机来进行AD采样、DA输出控制PWM波输出以及实现显示功能。

本系统采用高精度的温度传感器DS18B20完成了对外界温度的检测, 实现对充电参数的温度补偿。DS18B20可采用寄生电源或外加3.0V~5.5V电源电压的供电方式 (为了可靠工作, 只要条件允许, 还是外接电源电压) 。DS18B2的温度测量范围为:-55°C~+125°C, 其分辨率是:+0.5°C (-10°C~85°C时) ;DS18B20可输出9~12位二进制数字量表示的温度值 (具体位数可由编程决定) ;另外用户可设置报警温度的上下限值。

DS18B20内部有一个程序设置寄存器, 可用于设置分辨率位数。其格式为:

DS18B20是单线接口式器件, 它与单片机的硬件接口只需要占用单片机的一个双向I/O口, 其接口电路如图1所示 (以外部电源供电为例, 占用F020的P3.1口) 。

用户通过单总线对DS18B20进行操作的顺序为:复位→ROM功能命令→存储器功能命令→执行/数据。

在执行过程中, 首先用DS18B20提供的读暂存寄存器指令 (BEH) 读出以0.5°C位分辨率的温度测量结果, 然后切去测量结果中的最低有效位 (LSB) , 得到所测实际温度的整数部分T1, 然后再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M1和每度计数值M2, 考虑到DS18B20测量温度的整数部分以0.25°C、0.75°C为进位界限的关系, 实际温度T2可用下式计算得到:

T2= (T1-0.25°C) + (M2-M1) /M2。

3 温度采样模块软件设计

在系统的主程序中首先进行系统初始化, 其中包括单片机各端口、寄存器的配置、液晶显示器、温度传感器等初始化, 然后进入参数设定子程序模块, 系统通过键盘输入来设定各个参数的设定 (当系统发生串行中断时才进行上位机设定参数) , 然后在液晶上显示设定的值。温度传感器DS18B20对充电器周围环境温度进行检测, 实现温度补偿和温度即时地监测, 然后由LCD液晶显示器显示电池充电中的温度参数, 方便地实现了人机信息交换。温度检测程序流程图如图2所示。

4 结束语

本系统的温度模块硬件电路简单, 软件易于实现, 利用LCD液晶显示器即时显示充电过程中重要的检测参数“温度”。该智能充电器操作方便, 简单实用, 稳定可靠, 是一个兼有显示、通信、报警等功能的较为完善的系统, 推广应用前景良好。当然, 我们还要在工作中不断总结, 发现问题并及时提出整改措施, 不断完善我们的产品。

摘要：鉴于铅酸蓄电池智能充电器广泛应用于各行业中, 现设计了一种智能脉冲快速充电器, 在此介绍该充电器的优良特性并主要阐述系统中温度采样模块的软硬件设计。

关键词：铅酸蓄电池,智能充电器,温度采样

参考文献

[1]沙占友.新型单片开关电源的设计与应用[M].电子工业出版社, 2001.

[2]马云波.一种新型脉冲式快速充电装置[J].机电设备, 2002.

电池充电器 第11篇

手机电池没充完就拔下来使用，不会影响电池寿命。但如果条件允许且不嫌麻烦，连着充电线使用会更有利于电池寿命。

电池没用完就充电，对电池寿命是有利的。相反的，如果每次电池电量都用到很低，甚至用光，对电池寿命的危害很大。

然后是扩展阅读：

锂离子电池的衰退机理有很多，大体上可以分为滥用衰退与正常衰退两种。

滥用衰退是可以避免的，包括过充、过放、低温、大功率充放电，等等。对于手机的使用来说：

过充：电子设备有电路保护，一般不会发生这种情况，因此用户也不必去担心。

过放：这是一个模糊的概念。大体上而言，尽量不要在电量20%以下使用手机，特别不要在5%电量以下使用手机，会对电池造成不可逆损伤。

低温：主要是指低温充电危害很大。电子设备一般也都有保护了（iPad在低温下是充不进去电的），因此，用户也不必去担心。

大功率充放电：电子设备的放电，一般是比较温和的。就是一直玩游戏，手机也能撑个三四个小时，这最多就是0.2C放电，非常温和，用户也不必担心。充电呢，也是由充电器和电子设备的电路保护的，用户也不必担心。

正常衰退是不能避免的，主要影响因素是放电深度的积分与静置时的电量状态。

放电深度积分：也可以称为放电循环次数，比如从100%放到50%，这就算是0.5个循环。意思就是说，平时用得越多，那么衰退就越快。但手机买来就是用的嘛，能用就用。

静置时的电量状态：这一点在学术上有争议。主流观点是，电量越高则衰退越快。意思就是，100%的电池放一个月，与50%的电池放一个月，前者的容量衰退更大一些。

因此，推荐的使用习惯是什么呢？ 如下：

首先，避免滥用。除去电路保护的部分，用户需要注意的是，尽量不要把手机电量用到很低——随身带充电宝吧。

其次，降低正常使用下的衰退。当然，该用的时候还是用，不能为了保护电池就不玩手机了吧？ 这里的建议是：没事儿就把充电线插到手机上充电。这样的话，手机会从外部取电，相当于减少了放电循环次数。

最后，“最优”的使用习惯是：将手机电量维持在30%-50%的低电量状态，直到出门前两个小时，再充满到100%。这样就降低了“高电量状态下的静置时间”。——当然，这个策略对于手机等消费级电子设备是不适用的，付出与成本不成比例。但对于电动汽车来说，电池很大很贵，就值得开发出这样的智能充电器。事实上，很多机构正在做。

根据评论总结出了各位朋友的3个质疑：

1. 苹果店or书上or专家说电池要每隔一段时间放光再充满，才能够保持寿命的啊！？

答： 苹果店or书上or专家应该说的是上一代充电电池，镍氢电池，有记忆效应。而锂离子电池，无论是在理论上还是实践中，至今从未观测到有任何记忆效应。因此，苹果店or书上or专家的这种说明，是没有依据的。

2. 插着充电线玩手机，那不是一边充电、一边放电，对电池的损耗更大吗？

答： 提出这个问题的朋友，是把电池想像成了“水库”模型。水库有进口、有出口，有可能进口在进水，而出口在出水。在这种模型下，就有可能出现水面高度不变（电量不变），而实际上流量很大的情况。而这与电池寿命衰减是有关的，流量大不就是衰减快吗？ 这种想法的问题在于，电池不是水库，它没有两个口，只有一个口：这个口中，要么在充电，要么在放电，不会出现充放电同时发生的情况。

3. 插着充电线玩手机，会爆炸吗？

答： 应该是存在插电玩手机爆炸的案例，但我不能辨别哪些是真新闻、哪些是假新闻。试着分析了一下，边充电边玩手机，会使充电发热（源自于电池内阻，电能来自于充电线） 与用电发热（源自于CPU与屏幕，电能来自于充电线）的两种发热效应同时发生，温度会更高，从而有可能引发爆炸的风险（如果电池质量不合格）。

说到底，爆炸是电池安全问题，不是电池寿命问题，有些跑题了。

有人质疑：“没用完的情况，如用到50%再充电和用到10%再充电，结果差异很大，第一种不利于电池寿命，第二种有利。”。

答：电池寿命衰减机理主要分为两种：

第一种为循环衰减。把电池想象成一个管状物，充电就是往上撸，放电就是往下撸。上下完整撸一次就是一个完整的循环，撸到一半就是半个循环，撸久了电池就坏掉了，这就是所谓的循环衰减。而循环衰减主要是充电衰减，就是发生在往上撸的时候。

第二种为静置衰减。也就是说，把电池静静地放在那里不撸，自己也是会坏掉的。坏掉的速度取决于手的位置，手的位置越高（电量越高），坏掉就越快。

两种衰减速度的数量级是不同的。就手机电池来说，基本上每天都在撸，循环衰减对寿命的损害比静置衰减至少要大一个数量级。那么我们的策略是什么？ 根据马克思主义哲学抓主要矛盾的哲学常理，应该第一优先级做到尽量减少循环衰减，减少撸的深度与次数;其次才是减少静置衰减，即降低手的高度。

讲述完以上原理之后，咱们在回过头来看看“没用完的情况，如用到50%再充电和用到10%再充电”的情况，想表达的意思应该是指“10%下的静置衰减速度要慢于50%”。

对于大多数使用手机的人来说，当他面临 “我是让手机电池处于50%电量状态，还是10%的电量状态”的抉择时，通常是处于以下几种情况：

Case 1： “我现在手机电量50%，虽然充电线就在旁边，我还是决定用到10%再去充电。”——这相当于增加了循环衰减，而去减少静置衰减，是得不偿失的。虽然说，从50%往10%的往下撸放电是不衰减的，但放了的电肯定是要再充电撸回来的啊，是跑不掉的。

Case 2： “我现在手机电量10%，但暂时不充电，准备等出门前两小时再充电到50%或100%。” —— 这种策略，在不增加循环衰减的速度时，的确是减少了静置衰减，会优化电池寿命。这种情况我在原回答的“最优”策略中也提到了。这种“最优”策略的实施依赖于“智能充电器”，而为了保护成本只有几十元的手机电池，去增加一个智能充电器，在成本上是不划算的，在市场上也是消费者不喜欢的。因此这种策略一般是不可行的。

电池充电器 第12篇

担负着生产运输任务的煤矿电机车需要的牵引动力常由铅酸蓄电池组提供。蓄电池的牵引动力需要依靠充电器循环充电,才能得到有效发挥。目前,煤矿的铅酸蓄电池充电普遍采用变压器加晶闸管相控整流的技术方案,该方案存在充电器体积大、重量重、充电效率低、输入功率因数低、对供电电网谐波污染大、输出电压纹波大、蓄电池易发热而影响使用寿命等缺点。另外,传统充电器多采用模拟电路控制,人工干预的设置较多,智能化程度较低,铅酸蓄电池充电工艺较粗糙,影响了蓄电池的使用寿命[1,2]。笔者研制了一种新型矿用铅酸蓄电池智能充电器,它具有体积小、重量轻、便于移动和运输(尤其针对矿井下硐室充电应用)、充电效率高、功率因数高、输出电压纹波小、智能化程度高、多种电压制式(如地面AC380 V、井下AC660 V)通用等优点。

1 智能充电器结构

智能充电器由主电路(包括三相全桥整流电路、单相高频逆变电路、高频变压器、单相全桥高频整流电路、LC滤波电路)、电压检测电路、电流检测电路、显示电路、控制电路等组成,如图1所示。

2 智能充电器硬件设计

2.1 主电路设计

2.1.1 主电路及其工作原理

智能充电器主电路由2组功率变换器组成,如图2所示。前一级AC/DC/AC1功率变换器原理:输入三相AC380 V/50 Hz或三相AC660 V/50 Hz交流工频正弦波电压经三相不可控二极管整流,得到DC510 V或DC900 V的直流电压;再经过单相IGBT逆变器变换,得到幅值为AC510 V/20 kHz或AC900 V/20 kHz的交流高频方波电压。后一级AC2/DC功率变换器实现从输入幅值为AC300 V/20 kHz的交流高频方波电压至直流电压的整流变换。从AC1到AC2的变换是一种高频交流电压变换,由超微晶铁芯的高频变压器完成,实现对逆变器产生的20 kHz高频方波电压的降压变换,即将幅值为AC510 V/20 kHz或AC900 V/20 kHz的交流高频方波电压降压变换至幅值为AC300 V/20 kHz的交流高频方波电压,也即实现了输入电压与输出电压之间的电气隔离。最终提供给铅酸蓄电池的充电电压是DC0～300 V连续可调的,适用于不同额定电压、不同容量的铅酸蓄电池组及不同牵引吨位的矿用电机车。

主电路输出电压的连续调节由第一级功率变换器中的IGBT单相逆变器来完成,并采用定幅调宽(即幅值不变而改变脉冲宽度)的控制方式。高频变压器的原边采用等匝数的双绕组N1和N2,通过这2套绕组的并联、串联连接实现对输入电压2种制式的有效切换,绕组的串并联切换由控制2只互锁的接触器KM5、KM6来完成。当KM5闭合、KM6断开时,绕组N1与N2并联,该方式适用于输入电压为AC380 V的制式;当KM6闭合、KM5断开时,绕组N1与N2串联,该方式适用于输入电压为AC660 V的制式。

依据变压器运行原理,变压器的铁芯体积与输入交流电压的频率成反比,因此,设计充电器中变压器的输入电压为20 kHz的高频交流方波电压,并采用超微晶铁芯,大大减小了变压器的体积和重量。

2.1.2 实例分析

以输入三相AC380 V/50 Hz地面工作的电压制式为例,说明智能充电器的运行原理。当闭合KM3接触器(KM2互锁断开)时,通过由D1～D6组成的整流桥实现AC/DC整流变换,给支撑电容C4充电,建立DC510 V电压。在KM3闭合前,KM4会先短时闭合(KM2互锁断开),以限制给电容C4的充电电流。一旦直流电压接近建立起来时,KM4会自动断开,由KM3来完成供电。串联的电阻R3和R4为支撑电容C4提供了停机时的放电通路,电容C1～C3并联在由2只整流二极管串联组成的桥臂上,可吸收线路漏感在器件换流时引起的尖峰脉冲电压。直流电压经过由IGBT K1～K4组成的单相逆变器,将直流电压逆变成单相高频交流方波电压AC510 V/20 kHz,实现第一级的AC/DC/AC1变换。

高频变压器完成降压隔离变换,将AC510 V/20 kHz的交流方波变为AC300 V/20 kHz,通过控制逆变器IGBT导通的移相角θ控制逆变器的输出电压,使其在0～300 V范围内变化。电容C5～C6同样为保护IGBT的过电压吸收电路。高频交流方波电压通过由第二级快速二极管(反向恢复时间小于20 ns)D7～D10组成的单相整流桥进行整流变换,得到0～300 V连续可调的直流电压,然后经过高频电感L1和电解电容C17组成的LC滤波电路,最后通过二极管D11输出给铅酸蓄电池组充电。

将2只快速整流二极管串联是为了提高其耐压值,以适应高电压(AC660 V)制式的输入。C7～C14用于为快速二极管均压兼吸收高频电压尖峰,以达到保护快速二极管的目的。输出侧二极管D11的作用:① 防止将蓄电池正负极接反时(误接负载时),与整流桥构成短路;② 将充电器的输出电压与蓄电池组的电压隔开,将这2个电压值同时作为反馈值(如图1所示),以便于实现对充电器恒压、恒流工作模式的控制。

单相逆变器的功率器件选用FF300R17ME4型IGBT,其最大集电极电流IC=300 A,最大集射极间耐压UCES=1 700 V,内部集成了NTC温度传感器,适合工作的开关频率为15～30 kHz。该IGBT功率管的驱动模块选用2SP0115T2Ax,该驱动模块具有使用简单、运行可靠、有短路保护、有输入电压监测、隔离电压高等优点。

2.2 控制电路设计

2.2.1 控制结构

智能充电器中完成电压(电流)控制的电路环节是IGBT单相逆变器。IGBT单相逆变器的控制电路由UC3875芯片及SPMC75F2413A单片机而构成。UC3875是一种移相谐振式PWM控制器,用于产生4路PWM控制信号,同时实现输出电压的闭环控制[3]。SPMC75F2413A单片机是一种工业级16位单片机,其硬件资源非常丰富,有80个I/O管脚,内部集成了锁相环、看门狗、串行通信、10位AD转换等电路。该单片机用于实现控制系统的运行管理、数据采集与显示、充电电流的闭环控制以及恒压、恒流控制量的选择等功能。IGBT单相逆变器的控制结构如图3所示。充电器设置有输出电压UdG、输出电流Ig 2个给定值。单相高频整流电路的输出(电容C17两端)电压经电压检测及调整电路变换后得到电压反馈值Uf,流经蓄电池组E的电流Iout经过电流检测及调理电路变换后得到电流反馈值If。UdG和Ig都输入单片机进行采样,单片机通过PI调节器运算后得到电流控制给定信号UIG。对于电压闭环的选择算法F(u),当UdG>Uf时,Ugout=UIG;当UdGUf时,Ugout=UdG。这样就实现了电压闭环与电流闭环的有效结合与转换、充电器的恒压和恒流控制、恒流充电至恒压浮充电的自动转换。电压闭环的控制由UC3875硬件PI调节器电路完成。

2.2.2 控制电路

UC3875芯片有2对、4路独立的PWM波输出电路。OUTA和OUTB输出2路相位相反的PWM波,其死区时间t1可以调节;OUTC和OUTD也输出2路相位相反的PWM波,其死区时间t2也可以调节。死区时间t1和t2相互独立。UC3875芯片具有外围电路简单、驱动电流大、占空比可在0～100%范围内调节、工作稳定等特点[4]。逆变器控制电路如图4所示。

单相高频整流电路的输出电压Uout经电压检测调理变换为电压反馈信号Uf送至UC3875的EA-端,与从EA+端输入的Ugout(可能是UIG或UdG)一起构成反馈闭环控制电路。采用PI调节器实现输出电压的稳压(恒压)或恒流控制,PI调节器的动态参数取决于电路参数R1、C1。UC3875还设置了过流锁定电路、软启动电路等。当CS+端给低电平时,输出PWM波;当CS+端给高电平时,UC3875过流保护,禁止输出PWM波。软启动功能由外接电容C5来实现,电容值越大,启动时间越长。C6、R4及C7、R9的值决定了PWM脉冲控制信号的死区时间;C8、R10的值决定了PWM波脉冲控制信号的频率。OUTA、OUTB、OUTC、OUTD输出的4路PWM脉冲信号经过驱动电路驱动单相逆变器的4只IGBT运行[5,6,7]。

3 智能充电器软件设计

智能充电器软件程序包括主程序、输入电压制式选择子程序、电流PI调节器算法子程序、中断服务子程序、定时中断服务子程序等。主程序主要完成各个功能寄存器和I/O口的初始化、RS232串行通信、显示模块初始化等,其流程如图5(a)所示。定时中断服务子程序主要完成给定量和检测变量的采样和滤波处理。电流PI调节器算法子程序主要实现PI调节运算,其PI调节参数可以非常方便地进行设置,保证了闭环控制的稳定性与快速性,其流程如图5(b)所示。输入电压制式选择子程序完成输入电压制式(地面AC380 V或井下AC660 V)的选择、驱动相应输入接触器断开及闭合、接触器的互锁等功能,其流程如图5(c)所示。

4 实验结果及分析

智能充电器具有恒压充电、恒流充电、二段式充电、三阶式充电等多种充电模式及人工干预充电、完全自动充电2种工作方式。自动充电方式又包括二段式恒流恒压、三阶段恒流恒压。充电器的工作方式可通过面板操作键盘和开关进行设置和操作;充电模式可通过操作键盘设置相应的功能代码参数来实现。整个充电器的运行操作和参数设置都非常灵活、方便。

在煤矿地面和井下对智能充电器进行了实验,高频变压器在不同开关频率和输出电压下的高频交流PWM波形如图6所示。

在煤矿实验运行时,充电器采用三阶段恒流恒压浮充自动充电,这是煤矿常用的一种充电方式,与其他充电方式相比,更利于延长蓄电池的使用寿命,但充电时间也较长。针对常用的8 t矿用电力机车铅酸蓄电池组,用智能充电器进行充电,设定充电电压为176 V,充电电流为60 A,实验数据见表1。实验结果表明,智能充电器很好地实现了恒流至恒压再至浮充的三段式工作模式,充电电流、电压都比较平稳;充电过程中蓄电池组电解液密度反应平稳,无气泡冒出,温度无明显变化。

5 结语

设计了主电路基于IGBT功率器件和超微晶铁芯高频变压器、控制电路基于SPMC75F2413A单片机和UC3875PWM芯片的智能充电器。该智能充电器具有小型轻量化、高度智能化、适用于煤矿多种电压制式、利于延长蓄电池的使用寿命等特点,特别是其输出电压、电流全范围连续可调,基本上覆盖了煤矿所有电机车蓄电池的规格和种类,另外其完全适应煤矿地面、井下2种不同的电压制式,通用性非常强,在煤矿领域具有良好的应用价值。

参考文献

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社,2007.

[2]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,1998.

[3]BOSE B K.现代电力电子学与交流传动[M].王聪,赵金,于庆广,等,译.北京:机械工业出版社,2005.

[4]王兆安,张明勋.电力电子设备设计和应用手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

[5]曹一龙,江友华.矿用智能型大功率蓄电池充电机的研制[J].工矿自动化,2009,35(7):95-98.

[6]吴振宇,李霞,冯林,等.多路本质安全型LiFePO_4矿用电池充电仪[J].测控技术,2010,29(5):60-63.