CN1897402A - 自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统及其充电方法，其特点是，包括高速多开关大功率电源适配器子系统、四阶段线性充电控制子系统、自适应跟踪式控制子系统；高速多开关大功率电源适配器子系统用以完成高频大功率交一直变换以及为本发明的各系统提供相应需要的工作电源；四阶段线性充电控制子系统的输出端与蓄电池连接，同时反馈到自适应跟踪式控制子系统的取样端；自适应跟踪式控制子系统的输出端与高速多开关大功率电源适配器子系统的调制端连接。根据被充电池的当前状态选择相应的涓流、快充、过充或浮充四阶段之一对之充电，并在充电过程中随着被充电池电压的变化自动实现相应充电阶段的切换；可广泛应用在超快速充电系统。

Description

自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统及其充电方法

技术领域

本发明属电力电子制造技术，尤其涉及一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统及其充电方法。

背景技术

目前国内针对动力电池的充电系统大多为恒压或限流充电方式，或者是恒压和限流混合充电方式。采用恒压充电方式存在充电时间长、充电容量不足、以及深度放电的蓄电池初始充电电流过大易发生蓄电池损坏或人身安全的缺陷；恒流充电方式虽然充电时间可以大为缩短，但恒压充电方式的其它缺点仍未予以克服：

在对处于深度放电状态(过放电状态)的动力电池充电时，充电系统应具有识别被充电池处于深度放电状态的能力，并以0.5-1C％的充电速率对其缓慢充电，使电池的电压渐渐提升，直到达到退出深度放电状态的转折电压；这个过程称为涓流充电阶段。采用恒压或限流充电方式、无蓄电池过放电识别的动力电池充电器对处于过放电状态的蓄电池充电，因为初始充电电流远大于相应的涓流电流而导致蓄电池的物理损坏；

充电系统识别到被充电池越过了深度放电转折电压或对正常放电的动力电池充电时，以相应的高电流对动力电池进行高速充电，使之在尽可能短的时间内达到95％的最高充电终止电压；这个过程为快充阶段。采用恒压充电方式，随着电池电压的上升充电电流逐渐下降，导致充电时间冗长；

系统检测到被充电池的电压已达到95％的最高充电终止电压时，系统从快充阶段转换到过充阶段。在过充阶段，系统将对被充电池提供从快充阶段的高电流经逐渐下降至最小设定电流；一旦系统检测到充电电流小于某一设定值时，认为电池已被充电到最终的电力容量。过充阶段对被充电池最终达到的充电容量具有极大的作用；在过充阶段中，充电电流的逐渐下降将有效地使被充电池在快充阶段时内部剧烈的化学反应渐渐平稳，使得在快充阶段时被充电池内部可能产生的氢氧气体逐渐被中和吸收，从而电池的使用寿命不致因过量充电发生氢解而缩短，并且剩余的5％的电量得以补充，充电容量得以有效巩固。采用恒流方式充电，当蓄电池电压达到95％的最高充电终止电压时若无及时降低充电电流的控制措施将引起蓄电池发生氢解，导致电池使用寿命的缩短，严重时导致电池的损坏；

在动力电池作为后备供电系统的应用中，充电系统始终被挂接在后备电池供电系统上，由于电池内部的自放电，电池的容量将逐渐下降，充电系统应具有浮充的能力；当检测到后备电池组的电压低于设定值时，充电系统将自动启动，根据后备电池容量下降情况，自动选择相应的充电阶段，直至后备电池重新达到最大的容量；

通常电池的最终充电电压是以25℃温度定标的，然而铅酸等动力电池具有每单位电池格(铅酸电池的每单元电池格为2V)约为3.9毫伏/℃的负温度系数，这种物理特性意味着：若以恒压或恒流方式充电，在环境温度较高时可能导致蓄电池过充，而当环境温度较低时将导致蓄电池充电不足的结果。

发明内容

本发明是为了解决现有技术对蓄电池充电存在的问题，而提供的一种可实现涓流→快充→过充→浮充的四阶段充电的自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统及其充电方法。本发明具有测定蓄电池的当前环境温度，并根据测定温度对蓄电池在各充电阶段所对应的电压实行温度修正，原则上不受串联动力电池节数、容量限制的优点，为所有使用大容量动力电池的场合提供了一种高速、安全可靠、延长电池使用寿命、充电充分、体积小、性价比高的理想充电器。

实现本发明的技术方案是：一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其特点是，包括高速多开关大功率电源适配器子系统、四阶段线性充电控制子系统、自适应跟踪式控制子系统；所述的高速多开关大功率电源适配器子系统用以完成高频大功率交—直变换以及为本发明的各系统提供相应需要的工作电源；该高速多开关大功率电源适配器子系统的输入端与输入的交流工网电源连接，其输出端分别与四阶段线性充电控制子系统和自适应跟踪式控制子系统的输入端连接；所述的四阶段线性充电控制子系统的输出端与蓄电池连接，同时反馈到自适应跟踪式控制子系统的取样端；所述的自适应跟踪式控制子系统的输出端与高速多开关大功率电源适配器子系统的调制端连接。

上述一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其中：所述的高速多开关大功率电源适配器子系统包括工网输入整合单元、双端脉冲宽度调制单元、半桥驱动单元、高速多开关大功率变换器及其输出整合单元、单片式辅助供电单元；所述的工网输入整合单元对输入的交流工网电源实行整流和滤波输出平直的直流电源，该直流电源与高速多开关大功率变换器及其输出整合单元、单片式辅助供电单元连接，高速多开关高频功率变换器及其输出整合单元的输出端与四阶段线性充电控制子系统的输入端连接；所述的双端脉冲宽度调制单元与半桥驱动单元和高速多开关大功率变换器及其输出整合单元顺序连接；所述的双端脉冲宽度调制单元的输入端与自适应跟踪式控制子系统的输出端连接；

所述的单片式辅助供电单元输出三路独立的直流工作电源供各子系统工作。

上述一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其中：所述的单片式辅助供电单元输出三路独立的直流工作电源：其中+12伏为双端脉冲宽度调制单元、半桥驱动单元和自适应跟踪式控制子系统提供正工作电源；-12伏为自适应跟踪式控制子系统提供负电源，并为散热风扇提供工作电源。

上述一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其中：所述的四阶段线性充电控制子系统包括四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元、充电状态显示单元、驱动及功率传递单元；所述的四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元和驱动及功率传递单元的输入端与高速多开关大功率电源适配器子系统中高速多开关大功率变换器及其输出整合单元的输出端连接；所述的四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元的输出端分别与充电状态显示单元的输入端以及驱动及功率传递单元的另一个输入端连接；所述的驱动及功率传递单元输出端连接蓄电池，同时连接到自适应跟踪式控制子系统的取样端。

上述一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其中：所述的自适应跟踪式控制子系统包括交—直变换器输出电压取样单元、电池当前电压取样单元、第一减法器、以及第二减法器；所述的交—直变换器输出电压取样单元的输入端与高速多开关大功率电源适配器子系统的输出端连接；所述的电池当前电压取样单元的输入端与四阶段线性充电控制子系统的输出端连接；所述的交—直变换器输出电压取样单元和电池当前电压取样单元的输出端与第一减法器的输入端连接；所述的第一减法器的输出端与第二减法器的输入端连接；所述的第二减法器的输出端与高速多开关大功率电源适配器子系统中双端脉冲宽度调制单元的输入端连接。

上述一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其中：所述的高速多开关大功率适配器子系统，采用双端脉宽调制集成电路产生二路互补脉宽调制信号。

一种用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法，其特点是：采用四阶段充电方式对接入的被充电池的状态自动选择涓流、快充、过充、浮充的充电阶段对其实行充电，并根据状态自动变换充电阶段，直至被充电池进入浮充状态。

上述一种用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法，其中：包括以下步骤：

a、当被充电池接入本发明所述的充电系统时，首先对接入的电池进行检测，若接入电池处于深度放电状态时，将以涓流阶段缓速提升过放电电池的电压直到被充电池的电压越过设定的安全值后，自动切换为快充阶段对蓄电池开始快速充电，确保深度放电电池不致因大电流充电而导致损坏；

b、当被充电池处于安全电压值之上时，涓流阶段将被跳过而直接转入快充阶段；在快充阶段中，系统以额定的恒定大电流方式对蓄电池进行高速充电；

c、当所述的自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统检测到电池已被充电到95％的最高充电终止电压时，将由快充阶段转换为过充阶段；当所述的自适应动力电池多阶段高速充电系统检测到充入蓄电池的电流下降到设定值时，认为该电池已被充足，并从过充阶段切换为浮充阶段；

d、在浮充阶段，连续跟踪蓄电池的状态，一旦检测到蓄电池的电压由于自放电或其它原因下降到设定值时，将根据电池的状态重新以上述阶段中之相应的阶段对蓄电池进行充电。

上述一种用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法，其中：所述的步骤C中，在过充阶段，将对所充电池提供设定的被充电池的最终电压值，而充电电流将依据电池的特性而逐渐下降。

10、根据权利要求8所述的一种用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法，其特征在于：对充电电池实行3.9毫伏/度-格的负温度修正，具体是指：以25℃为基准，当环境温度每上升1℃，电池中的每个电池格的快充、过充、浮充的阀值电压将减小3.9毫伏/格；当环境温度每下降1℃，电池中的每个电池格的快充、过充、浮充的阀值电压将上升3.9毫伏/格。

由于采用了以上所述的技术方案，所产生的效果和优点是明显的：

(1)本发明采用了对动力蓄电池过放电监测，并对过放电蓄电池实行了涓流充电，有效地排除了过放电蓄电池的损坏；有效地克服了因蓄电池内部短路等非正常情况可能导致的充电器的损坏；

(2)本发明的快充阶段以极为精确的恒定高电流快速地使被充电池达到能量的恢复。以完全放电的36伏/10安时的电池组为例，当本发明进入快充阶段时(恒定5.5安培充电电流)，仅需70分钟即可使完全放电的36伏/10安时的蓄电池组达到95％的最高充电终止电压；

(3)经过快充阶段的蓄电池其内部的化学反应是剧烈的，本发明监测到被充电池已达到95％的最高充电终止电压时，将转入过充阶段。在过充阶段阶段，本发明将对蓄电池实行连续地、逐步地降低充电电流的充电方式，并使被充电池的电压上升到设定值，使充电电流值逐渐地下降到设定值；从而有效地使得被充电池在快充阶段其内部释放出的氢氧气体被吸收或中和，有效地维护了蓄电池的使用寿命；

(4)本发明根据被充电池的物理特性，对铅酸电池实行3.9毫伏/度-格的负温度修正；即以25℃为基准，当环境温度每上升1℃，电池中的每个电池格的快充、过充、浮充的阀值电压将减小3.9毫伏/格；当环境温度每下降1℃，电池中的每个电池格的快充、过充、浮充的阀值电压将上升3.9毫伏/格；该温度修正功能是由四阶段线性充电控制子系统中的四阶段线性充电管理集成电路IC4(UC3906)实现的。因此，采用本发明对动力电池充电，在气温较高的夏季无须担心电池的过量充电而致损坏；在气温较低的冬季，蓄电池同样将被完全充足；

(5)由于采用了自适应跟踪技术，本发明具有极高的线性大功率能量传递效率；在传递高达300瓦的线性能量时，本发明的线性大功率能量传递电路的耗能约为13瓦(以5.5安培快充时)，极大地降低了系统的体积，极大地降低了成本，并方便了线性功率调整晶体管的选型；

(6)由于采用了自适应跟踪技术，本发明所用的开关电源能够在35.1-46.4伏间实现大范围的输出电压、功率的调节(根据需要，还可在更大的范围内实现开关电源输出电压的调整)；

(7)由于本发明采用了使主控充电集成电路参考点垫高的技术，原则上对蓄电池的串联组合节数没有限制；

(8)本发明适用于大功率设备的充电，原则上对充电电池的容量无限制；

(9)本发明采用了新型的、具有浮栅技术的半桥型开关电源驱动集成电路，实现对多开关变换器上下臂功率开关场效应管的开闭控制，具有简洁、高速、制作容易、输出波形好的优点；因此，在高功率输出的场合，本发明所述的开关电源的开关频率仍可达到80千赫兹，有效地降低了系统的机械尺寸，提高了变换效率。

附图说明

为了进一步了解本发明的性能、特征，结合以下实施例及其附图再作详细说明。

图1是本发明的自适应动力电池多阶段高速充电系统总框图；

图2是本发明的自适应动力电池多阶段高速充电系统一种实施例的总路电原理图。

具体实施方式

请参阅附图l。实现本发明的技术方案是：一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，包括高速多开关大功率电源适配器子系统1、四阶段线性充电控制子系统2、自适应跟踪式控制子系统3；所述的高速多开关大功率电源适配器子系统1用以完成高频大功率交—直变换以及为本发明的各系统提供相应需要的工作电源；该高速多开关大功率电源适配器子系统1的输入端与输入的交流工网电源连接，其输出端分别与四阶段线性充电控制子系统2和自适应跟踪式控制子系统3的输入端连接；所述的四阶段线性充电控制子系统2的输出端与蓄电池A连接，同时反馈到自适应跟踪式控制子系统3的取样端；所述的自适应跟踪式控制子系统3的输出端与高速多开关大功率电源适配器子系统1的调制端连接。

请继续参见图1。本发明一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其中：

所述的高速多开关大功率电源适配器子系统1包括工网输入整合单元11、双端脉冲宽度调制单元14、半桥驱动单元15、高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12、单片式辅助供电单元13；所述的工网输入整合单元11对输入的交流工网电源实行整流和滤波输出平直的直流电源，该直流电源与高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12、单片式辅助供电单元13连接，高速多开关高频功率变换器及其输出整合单元12的输出端与四阶段线性充电控制子系统2的输入端连接；所述的双端脉冲宽度调制单元14与半桥驱动单元15和高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12顺序连接；所述的双端脉冲宽度调制单元14的输入端与自适应跟踪式控制子系统3的输出端连接；所述的单片式辅助供电单元13输出三路独立的直流工作电源：其中+12伏为双端脉冲宽度调制单元14、半桥驱动单元15和自适应跟踪式控制子系统3提供正工作电源；-12伏为自适应跟踪式控制子系统3提供负电源，并为散热风扇提供工作电源。

所述的四阶段线性充电控制子系统2包括四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元22、充电状态显示单元23、驱动及功率传递单元21；所述的四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元22和驱动及功率传递单元21的输入端与高速多开关大功率电源适配器子系统1中高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出端连接；所述的四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元22的输出端分别与充电状态显示单元23的输入端以及驱动及功率传递单元21的另一个输入端连接；所述的驱动及功率传递单元21输出端连接蓄电池，同时连接到自适应跟踪式控制子系统3的取样端。

所述的自适应跟踪式控制子系统3包括交一直变换器输出电压取样单元31、电池当前电压取样单元32、第一减法器34、以及第二减法器33；所述的交一直变换器输出电压取样单元31的输入端与高速多开关大功率电源适配器子系统1的输出端连接；所述的电池当前电压取样单元32的输入端与四阶段线性充电控制子系统2的输出端连接；所述的交—直变换器输出电压取样单元31和电池当前电压取样单元32的输出端与第一减法器34的输入端连接；所述的第一减法器34的输出端与第二减法器33的输入端连接；所述的第二减法器33的输出端与高速多开关大功率电源适配器子系统1中双端脉冲宽度调制单元14的输入端连接。

本发明用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法是：采用单片充电管理集成电路，根据电池的物理原理，使用理想的四阶段充电方式对接入的被充电池的状态自动选择涓流、快充、过充、浮充的充电阶段对之实行充电，并根据状态自动变换充电阶段，直至被充电池进入浮充状态。

包括以下步骤：

a、当被充电池接入本发明所述的充电系统时，首先对接入的电池进行检测，若接入电池处于深度放电状态时，将以涓流阶段缓速提升过放电电池的电压(缓速充电)直到被充电池的电压越过设定的安全值后，自动切换为快充阶段对蓄电池开始快速充电，确保深度放电电池不致因大电流充电而导致损坏；

b、当被充电池处于安全电压值之上时，涓流阶段将被跳过而直接转入快充阶段；在快充阶段中，系统以额定的恒定大电流方式对蓄电池进行高速充电；

c、当所述的自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统检测到电池已被充电到95％的最高充电终止电压时，将由快充阶段转换为过充阶段；在过充阶段中，将对所充电池提供设定的被充电池的最终电压值，而充电电流将依据电池的特性而逐渐下降；当所述的自适应动力电池多阶段高速充电系统检测到充入蓄电池的电流下降到设定值时，认为该电池已被充足，并从过充阶段切换为浮充阶段；

d、在浮充阶段，连续跟踪蓄电池的状态，一旦检测到蓄电池的电压由于自放电或其它原因下降到设定值时，将根据电池的状态重新以上述阶段中之相应的阶段对蓄电池进行充电。

下面结合附图2所示的一具体的实施例进一步说明本发明的特征性能。本发明附图2所示的设计参数是针对配置36伏/10安培动力电池的电动自行车实行快速充电。这种容量的动力电池电气参数：完全放电电压V_T是32.4伏，为安全起见，取V_T为32.7伏，浮充状态时保持门槛电压V_F取40.0伏；完全充电电压V_OC取44.0伏；涓流充电电流I_T取25毫安；快充电流I_MAX取5.5安培；过充终止电流I_OCT＝I_MAX/5，取1.1安培。本发明的高速多开关大功率变换器及其输出整合单元15的输出电压将始终以2.4伏的差值高于当前的电池电压，因此其输出电压范围为35.1～46.4伏。

请参阅图2，图2是本发明自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统一种实施例的电路原理总图。本发明是一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，由高速多开关大功率适配器子系统1、四阶段线性充电控制子系统2、自适应跟踪式控制子系统3所构成。采用多开关型高频开关电源技术将交流工网输入变换为大功率直流电源，为四阶段线性充电控制子系统2提供充电所需的直流能量；采用新型单片开关电源集成电路实现本发明所需的三路独立的工作电源；采用四阶段线性充电大规模集成电路并采用将之参考点垫高的技术控制线性大功率晶体调整管对动力电池的能量传递，实现上述的涓流、快充、过充以及浮充的四阶段充电阶段，实现当前环境温度状态下的被充电池充电电压的温度补偿，并使得本发明所述的充电系统原则上不受被充电池串联节数的限制；采用自适应的电源跟踪技术使交直变换级的输出直流电压始终以高于2.4伏的恒定压差跟踪经由线性调整管传递到被充电池的电压，使线性调整管的输入输出压差保持2.4伏，实现了串联型线性电源调整器的高效率，大大降低了调整管的功耗，减小了系统的尺寸。

本发明所述的高速多开关大功率适配器子系统1的工网输入整合单元11由5安培保险丝F1、共模电感L1、二极管整流桥B1(5A/1000V)、尖峰吸收电容C1、C2、C3，平滑电容E1、E2、E3，平衡电阻R1、R2所组成。其中，共模电感L1，尖峰吸收电容C1，C2，和C3用以抑制工网和本发明系统间的电磁交扰，平滑电容E1、E2用以为高速多开关大功率变换器提供平衡的直流电源，平衡电阻R1、R2用以校正由于平滑电容E1、E2不对称引起的分压偏差；平滑电容E3用以为单片式辅助供电单元13提供平滑的直流电源。

所述的高速多开关大功率适配器子系统1的双端脉冲宽度调制单元14由双端脉冲宽度调制集成电路IC2(例如型号SG3525)及其外围电路构成。其中双端脉冲宽度调制单元14的IC2(SG3525)的“11”、“14”脚分别输出二路互补的脉冲宽度调制信号，并分别经电阻R16、R17馈送至半桥驱动单元15的IC3(例如型号IR2110)的“10”、“12”脚，作半桥驱动单元15的IC3(IR2110)的二路输入信号。双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的“1”脚与电阻R7、R10连接，R7的另一端与自适应跟踪式控制子系统3的运算放大器IC5A的输出脚“1”相连，以提取由运算放大器IC5A的输出脚“1”送出的经自适应跟踪式控制子系统3运算处理后的电压反馈误差信号，控制双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的二路互补的脉冲宽度调制信号的脉冲宽度，并从而控制高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压，使输出电压始终跟踪、并保持高于当前电池电压2.4伏的电压。双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的“2”脚与电阻R8、R9连接，电阻R8的另一端与IC2(SG3525)的“16”脚连接；IC2(SG3525)的“16”脚输出高稳定的5.1伏基准电压，因此电阻R8、R9形成了一个分压网络，用以对IC2(SG3525)的“2”脚提供一个稳定的2.55伏的基准电压。自适应跟踪式控制子系统3的运算放大器IC5A(例如型号TL084)的输出脚“1”输出的误差信号电压被电阻R7、R10分压，当在IC2(SG3525)的“1”脚上产生的分压值与“2”脚上的2.55伏基准电压相同时，开关电源处于稳态，即此时的输出电压恰好达到设定值；当在IC2(SG3525)的“1”脚上产生的分压值小于“2”脚上的2.55伏基准电压同时，IC2(SG3525)的“11”、“14”脚输出的二路互补脉冲的宽度将增加，使得高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压提高，反之则下降；从而实现了对开关电源输出电压的控制。分别与IC2(SG3525)的“5”、“6”、“7”、“8”脚连接的电容C9、电阻R11、R12、电解电容E12用以实现开关频率的外围起振定时元件、PWM信号的死区控制以及柔顺启动的作用。电阻R13与电容C10串接，并经电容C10与IC2(SG3525)的“9”脚连接，用以对IC2(SG3525)内部的误差放大器的增益实现补偿。发光二极管LD1通过电阻R20与双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的“16”脚，用以显示系统的开闭状态。

所述的高速多开关大功率适配器子系统1的与半桥驱动单元15的半桥式驱动集成电路IC3(IR2110)及其外围电路用来驱动并隔离输出由双端脉冲宽度调制单元14的IC2(SG3525)馈入的二路互补的脉冲宽度调制信号，其中：IC3(例如型号IR2110)的“1”和“7”分别经电阻R18、R19向高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的作为高速开关的功率场效应管M1和M2的栅极送出经驱动的二路互补的脉冲宽度调制信号，控制该二个场效应管的交替开闭。电容C11被跨接在工网输入的整流参考地和高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的隔离参考地之间，以形成采用浮栅技术制造的半桥式驱动集成电路IC3(IR2110)的二路隔离输出的互补脉冲宽度调制信号的电路回路。采用半桥式驱动集成电路IC3(IR2110)较之其它高速多开关大功率变换器驱动电路的优点是：电路简洁、体积小、输出的驱动信号波形良好。

所述的高速多开关大功率适配器子系统1的高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12由功率场效应管M1、M2，高频变压器T1，二次侧整流二极管D10(例如型号MUR3020)，滤波电感L5、平滑电解电容E13、E14、E15、E16、E17、E18，假性负载电阻R33等组成。其中：功率场效应管M1、M2构成了高速多开关大功率变换器的上下高速开关臂，电容C4起抗磁饱和的作用，电阻R3和电容C5形成尖峰吸收电路，电感L5和电解电容E13、E14、E15、E16、E17、E18组成二次侧的高频滤波平滑电路，二次侧整流二极管D10由快恢复二极管(MUR3020)组成，用以高频整流。

所述的高速多开关大功率适配器子系统1的单片式辅助供电单元13采用单端反激变换阶段，由单片开关电源集成电路IC1(例如型号TOP222P)，高频变压器T2，线性光耦OP1(例如型号ITV817A)，电解电容E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10、E11，滤波电感L2、L3、L4，电容C6，高速二极管D1、D2、D3、D4、D5，稳压二极管W1，电阻R4、R5、R6组成；以实现对本发明的相应子系统提供二路独立的正12伏稳定直流电源，一路负12伏稳定直流电源。

请继续参阅图2。本发明所述的四阶段线性充电控制子系统2由四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元22、充电状态显示单元23、驱动及功率传递单元21所组成。采用单片新型四阶段线性充电控制集成电路IC4(例如型号UC3906)、并采用对其参考地垫高的技术处理实现以涓流、快充、过充、浮充四阶段线性充电的逻辑顺序对动力电池的充电，实现对充电电池在当前环境温度下的充电电压补偿，在相应外围电路的配合下实现充电状态、供电状态等显示控制逻辑。目前尚无可直接使用在最终充电电压超过40伏以上的充电控制集成电路供选用，本发明使用的四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)的电压处理能力为40伏，其各功能引出脚的处理能力均在40伏之内，并且四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)的供电(5脚)来自输出电压较高的高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的二次侧输出电压。如前所述，由于本发明当前所示的设计参数是针对配置36伏/12安培动力电池的的电动自行车，因此高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压范围为35.1-46.4伏，显然将该变换范围的电压作为四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)的供电是不行的。为打破对四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)的供电及其处理范围的限定，本发明采用了参考地垫高的技术处理。其原理阐述如下：高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的二次侧输出电压VC(35.1-46.4伏)经由电阻R35、稳压二极管W2(20伏)组成的稳压电路，并以稳压二极管的负极(相对于二次侧参考地为20伏)作为第二参考点“GREF”而连接到四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)的参考脚“6”(GND)，从而使四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)的供电脚“5”(VIN)与其参考脚“6”(GND)间的电压差限制在(15.1-26.4伏)的安全范围内；并且使四阶段线性充电控制集成电IC4(UC3906)的其它处理端也在低于40伏的安全范围内。

所述的四阶段线性充电控制子系统2的四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元22由四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)，电阻R21、R22、R27、R35、RS1、RS2、R_A、R_B、R_C、R_D、R_T，电容C14、C15，稳压二极管W2组成。其中：四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)的“3，5”脚被连接到高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出端“VOUT”；IC4(UC3906)的“2”脚被连接到充电电流取样电阻R_S1、R_S2的连接端；IC4(UC3906)的“4”脚被连接到充电电流取样电阻R_S2的另一端；IC4(UC3906)的“1、8”脚与电容C14连接，C14的另一端被连接到第二参考点“GREF”；IC4(UC3906)的“9”脚与电阻R21和充电状态显示单元23的集成比较器IC6的“6”连接；IC4(UC3906)的“10”脚与电阻R27、R_D连接；电阻串R_A的一端连接到电池的正极接入端(+VCEL)，另一端连接到电阻R_B和IC4(UC3906)的“12”脚，电阻R_B另一端被连接到IC4(UC3906)的“13”脚及电阻R_D、R_C；该电阻串决定了对蓄电池的各充电电压的控制阀值，因此尽可能采用与设计值接近的阻值；IC4(UC3906)的“16”是控制输出脚，被连接到驱动及功率传递单元21的PNP驱动晶体管BG1的基极，控制驱动及功率传递单元21的通断程度。电阻RT的取值决定了涓流充电阶段的起控点。电阻R_s1、R_s2为电流取样电阻，它们的取值决定了最大充电电流值和最终的充电结束电流(针对本例，最大充电电流设定为5.5安培，最终充电结束电流为1.25安培)。它们的计算公式如下：

        R_C＝2.3V/I_D                           (1)

        R_A+R_B＝R_SUM＝(V_F-2.3)/I_D           (2)

        R_D＝2.3V×R_SUM/(V_OC-V_F)              (3)

        R_A＝(R_SUM+R_X)(1-2.3V/V_T)            (4)

        R_X＝R_C×R_D/(R_C+R_D)                (5)

        R_S1＝0.25V/I_MAX                        (6)

        R_S1＝0.25V/I_MAX                        (7)

        R_T＝V_T/I_T                           (8)

        I_OCT＝I_MAX/5                           (9)

        I_D＝50μA

上述计算公式中：

            V_F  -浮充状态时保持电压

            V_OC -完全充电的电压

            V_T  -终止涓流阶段的阀值电压

            I_MAX-快充电流

            I_OCT-过充终止电流

充电状态显示单元23的集成比较器IC6(例如型号LM339)用以指示本发明充电期间所处的各个阶段以及电池被充电的状态；其中，集成比较器IC6C单元及其发光二极管LD2用以指示系统进入“过充”阶段，集成比较器IC6D单元及其发光二极管LD3用以指示电池已被充到常规的充电电压(43.5伏)，此时电池已可使用；集成比较器IC6B单元及其发光二极管LD4用以指示电池已进入维护浮充阶段。

所述的四阶段线性充电控制子系统2的驱动及功率传递单元21由PNP晶体管BG1和NPN晶体管BG2，快恢复二极管D7组成。晶体管BG1、BG2为互补驱动方式且受IC2(UC3906)的“16”脚控制通导；快恢复二极管D7被连接在互补晶体管组BG1(例如型号BUX98)、BG2(例如型号2SB1181)和被充电池的正极间，用以阻止电池的反向放电。所述的快充阶段、过充阶段、以及浮充阶段的切换电压将根据现场温度自动作补偿调整。

请继续参阅图2。本发明所述的自适应跟踪式控制子系统3由四单元运算放大器IC5(TL084)，电阻R36、R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48，电容C16、C17、C18，二极管D8、D9，稳压二极管W3组成。为满足双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的反馈控制要求，并使得高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压始终跟踪、并以2.4伏的电压差高于当前的电池电压。通过采样高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压经稳压二极管W3(6.8伏)扣除6.8伏，并经电阻R36、R37、R38分压后获得的分压值VA，结合经电阻R39、R40的分压后获得的电池电压分压值VB，由自适应跟踪式控制子系统3实现比较、运算处理所得的误差值VE作为双端脉冲宽度调制单元14的双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的误差放大器反相输入端的误差信号。

其中四单元运算放大器IC5(TL084)分别构成了所述的自适应跟踪式控制子系统3的交—直变换器输出电压取样单元31、电池当前电压取样单元32、第一减法器34、和第二减法器33单元。四单元运算放大器IC5(TL084)的D单元(IC5：D)、稳压二极管W3(6.8伏)、电阻R36、R37、和R38构成了交—直变换器输出电压取样单元31，用以采样高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压的分压值；四单元运算放大器IC5(TL084)的C单元(IC5C)、二极管D9、电容C16、电阻R39、R40构造成电池当前电压取样单元32，用以采样当前电池电压的分压值；四单元运算放大器IC5(TL084)的B单元(IC5B)二极管D8、电阻R41、R42、R43、和R44构造成第一减法器34，用以对上述的二个采样值实现减法运算；四单元运算放大器IC5(TL084)的A单元(IC5A)、电阻R45、R45、R47、和R48构造成第二减法器33，用以实现基准电压与B单元(IC5B)送来的误差信号进行比较、减法运算，最终形成双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的误差放大器反相输入端的误差控制信号VE。其原理详述如下：

以四种状态状态来叙述自适应跟踪式控制子系统3的工作原理：

第一种状态，当被充电池未接入本发明时：

当被充电池未接入本发明时，双端脉冲宽度调制单元14以及高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压控制过程阐述如下：当接通电源后，并且单片式辅助供电单元13完成启动并达到稳态后，双端脉冲宽度调制单元14的IC2(SG3525)进入柔顺启动功能，此时高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12无输出电压，因此，交一直变换器输出电压取样单元31的运算放大器IC5D单元(TL084)的输出端(14脚)为0伏；由双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的“16”脚提供的5.1伏基准源通过二极管D8向第一减法器34的运算放大器IC5B单元(TL084)的同相端(5脚)提供约4.5伏的参考电压；由于电池未接入，因此电池当前电压取样单元32的运算放大器IC5C单元(TL084)的输出端(8脚)电压为0伏；所以，第一减法器34的运算放大器IC5B单元(TL084)的输出端(7脚)的输出电压为4.5伏，第二减法器33单元的运算放大器IC5A单元(TL084)的输出端(1脚)电压约为0.6伏，该电压作为双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的误差放大器的反相端(脚)的反馈控制信号使得双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的“11”、“14”脚输出的互补脉宽信号的宽度增加，并使得高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压由零开始上升，使得第二减法器33单元的运算放大器IC5A单元(TL084)的输出端(1脚)电压上升；当高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压达到35.1伏时，第二减法器33单元的运算放大器IC5A单元(TL084)的输出端(1脚)电压约为正2.55伏，使得高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压很快达到稳态电压35.1伏。

第二种状态，当被充电池接入本发明且电池电压低于32.7伏时：

当接入电池的电压低于32.7伏时，在四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)控制下，以涓流阶段向电池充电，该过程直至被充电池电压上升并越过设定的32.7伏。

第三种状态，当被充电池接入本发明且电池电压高于32.7伏、低于40.0伏时：

当被充电池的电压高于32.7伏、低于40.0伏时，在四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)控制下，以快充阶段向电池充电，该过程直至被充电池的电压上升并越过设定的41.8伏；之后，充电系统切换为过充阶段。在过充阶段期间，充电电流将逐渐下降，直至达到设定的最小终止充电电流，并且电池的电压上升到最终设定的44.0伏，在四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)控制下，充电阶段切换为浮充后备阶段。在自适应跟踪式控制子系统3的控制下，高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压以2.4伏之差高于、并跟踪当前的电池电压；控制过程如下：假定当前电池电压为33.6伏，高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压低于36.0伏，则第二减法器的运算放大器IC5A单元(TL084)的输出端(1脚)电压将低于2.55伏，从而导致双端脉冲宽度调制集成电路IC2(SG3525)的误差放大器的反相端(1脚)的反馈控制信号有所下降，并导致高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电压上升，直至达到设定值(36.0伏)平衡点。

第四种状态，当被充电池接入本发明且电池电压高于40.0伏时：

当被充电池接入本发明且电池电压高于40.0伏时，在四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)控制下，以浮充后备阶段监视被充电池，当被充电池由于自放电等原因其端电压低于40.0伏时，系统将以浮充阶段从新启动充电，该过程直至被充电池的端电压达到40.0伏；高速多开关大功率变换器及其输出整合单元12的输出电始终将以2.4伏之差高于、并跟踪当前的电池电压。

在所有上述四种充电状态中，在四阶段线性充电控制集成电路IC4(UC3906)内建的温度检测、控制下，根据当前的环境温度，以每个电池格3.9毫伏/℃的负温度系数对电池的快充、过充、浮充阀值实行修正。

本发明所述的自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统实现了上述理想的充电控制功能，全面解决了目前动力电池、多节串联的动力电池充电系统的缺陷，可被广泛应用在以高功率动力电池为动力的所有场合；本发明尤其适用于电动自行车、电动汽车等以动力电池为动力的交通工具、通信系统的后备供电系统、军事设备等需要高速而不影响电池寿命、安全而保证被充电池的全能量、大功率、以及后备供电系统的场合。

Claims (10)

1、一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其特征在于，包括高速多开关大功率电源适配器子系统、四阶段线性充电控制子系统、自适应跟踪式控制子系统；所述的高速多开关大功率电源适配器子系统用以完成高频大功率交-直变换以及为本发明的各系统提供相应需要的工作电源；该高速多开关大功率电源适配器子系统的输入端与输入的交流工网电源连接，其输出端分别与四阶段线性充电控制子系统和自适应跟踪式控制子系统的输入端连接；所述的四阶段线性充电控制子系统的输出端与蓄电池连接，同时反馈到自适应跟踪式控制子系统的取样端；所述的自适应跟踪式控制子系统的输出端与高速多开关大功率电源适配器子系统的调制端连接。

2、根据权利要求1所述的一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其特征在于：所述的高速多开关大功率电源适配器子系统包括工网输入整合单元、双端脉冲宽度调制单元、半桥驱动单元、高速多开关大功率变换器及其输出整合单元、单片式辅助供电单元；所述的工网输入整合单元对输入的交流工网电源实行整流和滤波输出平直的直流电源，该直流电源与高速多开关大功率变换器及其输出整合单元、单片式辅助供电单元连接，高速多开关高频功率变换器及其输出整合单元的输出端与四阶段线性充电控制子系统的输入端连接；所述的双端脉冲宽度调制单元与半桥驱动单元和高速多开关大功率变换器及其输出整合单元顺序连接；所述的双端脉冲宽度调制单元的输入端与自适应跟踪式控制子系统的输出端连接；

所述的单片式辅助供电单元输出三路独立的直流工作电源供各子系统工作。

3、根据权利要求2所述的一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其特征在于：所述的高速多开关大功率适配器子系统，采用双端脉宽调制集成电路产生二路互补脉宽调制信号。

4、根据权利要求2所述的一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其特征在于：所述的单片式辅助供电单元输出三路独立的直流工作电源：其中+12伏为双端脉冲宽度调制单元、半桥驱动单元和自适应跟踪式控制子系统提供正工作电源；-12伏为自适应跟踪式控制子系统提供负电源，并为散热风扇提供工作电源。

5、根据权利要求1所述的一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其特征在于：所述的四阶段线性充电控制子系统包括四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元、充电状态显示单元、驱动及功率传递单元；所述的四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元和驱动及功率传递单元的输入端与高速多开关大功率电源适配器子系统中高速多开关大功率变换器及其输出整合单元的输出端连接；所述的四阶段线性充电控制集成电路及其外围电路单元的输出端分别与充电状态显示单元的输入端以及驱动及功率传递单元的另一个输入端连接；所述的驱动及功率传递单元输出端连接蓄电池，同时连接到自适应跟踪式控制子系统的取样端。

6、根据权利要求1所述的一种自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统，其特征在于：所述的自适应跟踪式控制子系统包括交-直变换器输出电压取样单元、电池当前电压取样单元、第一减法器、以及第二减法器；所述的交-直变换器输出电压取样单元的输入端与高速多开关大功率电源适配器子系统的输出端连接；所述的电池当前电压取样单元的输入端与四阶段线性充电控制子系统的输出端连接；所述的交-直变换器输出电压取样单元和电池当前电压取样单元的输出端与第一减法器的输入端连接；所述的第一减法器的输出端与第二减法器的输入端连接；所述的第二减法器的输出端与高速多开关大功率电源适配器子系统中双端脉冲宽度调制单元的输入端连接。

7、一种用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法，其特征在于：采用四阶段充电方式对接入的被充电池的状态自动选择涓流、快充、过充、浮充的充电阶段对其实行充电，并根据状态自动变换充电阶段，直至被充电池进入浮充状态。

8、根据权利要求7所述的一种用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、当被充电池接入本发明所述的充电系统时，首先对接入的电池进行检测，若接入电池处于深度放电状态时，将以涓流阶段缓速提升过放电电池的电压直到被充电池的电压越过设定的安全值后，自动切换为快充阶段对蓄电池开始快速充电，确保深度放电电池不致因大电流充电而导致损坏；

b、当被充电池处于安全电压值之上时，涓流阶段将被跳过而直接转入快充阶段；在快充阶段中，系统以额定的恒定大电流方式对蓄电池进行高速充电；

c、当所述的自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统检测到电池已被充电到95％的最高充电终止电压时，将由快充阶段转换为过充阶段；当所述的自适应动力电池多阶段高速充电系统检测到充入蓄电池的电流下降到设定值时，认为该电池已被充足，并从过充阶段切换为浮充阶段；

d、在浮充阶段，连续跟踪蓄电池的状态，一旦检测到蓄电池的电压由于自放电或其它原因下降到设定值时，将根据电池的状态重新以上述阶段中之相应的阶段对蓄电池进行充电。

9、根据权利要求8所述的一种用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法，其特征在于：所述的步骤C中，在过充阶段，将对所充电池提供设定的被充电池的最终电压值，而充电电流将依据电池的特性而逐渐下降。

10、根据权利要求8所述的一种用于自适应跟踪式动力电池多阶段高速充电系统的方法，其特征在于：对充电电池实行3.9毫伏/度-格的负温度修正，具体是指：以25℃为基准，当环境温度每上升1℃，电池中的每个电池格的快充、过充、浮充的阀值电压将减小3.9毫伏/格；当环境温度每下降1℃，电池中的每个电池格的快充、过充、浮充的阀值电压将上升3.9毫伏/格。

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