一种夹具式低温充电系统的制作方法

1.本发明涉及储能领域，尤其涉及一种夹具式低温充电系统。


背景技术：

2.近年来，储能材料技术发展迅速，越来越多的移动式储能被应用，尤其在野战过程中，常常需要有合适的储能电源。但现阶段的储能方案可以完成能量的稳定的充放，但是长期在野外作战可能会遇到在超低温环境运行和需要快速安装的情况。传统的充电系统均需要通过电线供电和充电，在紧急情况下可能会出现错配等问题，此外在超低温环境下电池保护不好，可能造成无法启动等问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种夹具式低温充电系统，以解决低温运行稳定性差、无法快速充电接线的问题。
4.本专利提供了一种夹具式低温充电系统，包括测温模块、电源保护模块、无线充电发射端、多阶段恒流充电模块、充电管理模块、放电管理模块、可调节稳压输出端；所述测温模块为所述电源保护模块提供测量温度，所述电源保护模块向所述多阶段恒流充电模块提供驱动信号，所述放电管理模块控制所述多阶段恒流充电模块进行放电，所述无线充电发射端受所述充电管理模块控制进行充电，所述可调节稳压输出端进行电能稳压输出。
5.优选地，所述无线充电发射端包括发射端和接收端；其中，所述发射端安装一个线圈，所述线圈连接电源产生电磁信号；所述接收端安装一个接收端线圈，所述接收端线圈感应所述发送端的电磁信号从而产生电流给所述多阶段恒流充电模块。
6.优选地，所述无线充电发射端采用自激推挽式零电压高频逆变电路，所述自激推挽式零电压高频逆变电路利用两个对称开关管q1和q2的互补导通，通过lc谐振电路得到所需的正弦波，进行所述自激推挽式零电压高频逆变电路的自驱动。
7.优选地，所述无线充电发射端中的2个对称开关管q1和q2为n沟道mosfet，为进行无线充电，所述自激推挽式零电压高频逆变电路电路由电阻r1、电感l1、电容c1的谐振电路和电阻r2、电感l2、电容c2组成的谐振电路的振荡频率一致，设其振荡频率为ω，则通过谐振进行无线充电，谐振的起振条件为，。
8.优选地，所述充电管理模块采用锂电池充电管理芯片bq2057，采用三个退偶电容c1、c2和c3，保证芯片的输入和输出电压稳定。
9.优选地，所述多阶段恒流充电模块在开始充电时采用最大充电倍率对电池进行充电，在达到充电截止电压后，将充电倍率降低0.1c继续充电，再次达到充电截止电压时，继续下降0.1c充电倍率，如此循环，直至电池的充电倍率下降至0.1c达到充电截止电压后，进行恒压充电，最终结束整个充电过程。
10.优选地，所述放电管理模块采用mic29302控制芯片，采用12v电源供电，并采用二极管d1和d3压差控制导通，当12v电源断开时，所述mic29302控制芯片从锂电池取电，所述
mic29302控制芯片输出电压经二极管隔离后为各板卡以及传感器阵列供电；所述mic29302控制芯片通过调节电阻r3和电阻r4的阻值控制输出恒定电压为5.7v，具体输出电压vout与输入电压v之间的控制关系式为：vout＝1.24v*[1+(r3/r4)]。
[0011]
优选地，所述测温模块包括ntc型热敏电阻、电阻rt1和电阻rt2；其中，所述ntc型热敏电阻和所述电阻rt2并联，所述ntc型热敏电阻与所述电阻rt1串联，电压值会随温度变化而变化，电压值反馈到所述电源保护模块。
[0012]
优选地，所述电源保护模块包括dw01锂电池保护芯片和8205锂电池保护芯片，所述dw01锂电池保护芯片的第1脚、第3脚电压将分别加到8205a的第5、4脚；当所述夹具式低温充电系统的输出电压在2.5v至4.3v之间时，所述dw01锂电池保护芯片的第1脚、第3脚均输出高电平，第2脚电压为0v；当过充电时，所述dw01锂电池保护芯片内部将通过r1电阻实时监测电芯电压，当电芯电压高于约4.3v时所述dw01锂电池保护芯片将认为电芯电压已处于过充状态，便立即断开第3脚的输出电压，使第3脚电压变为0v，所述8205锂电池保护芯片内的开关管因第4脚无电压而关闭。
[0013]
优选地，所述可调节稳压输出电路采用lm317系列的输出可调稳压器芯片，输出范围为1.25～37v，最大负载电流1.5a，所述可调节稳压输出电路的输入/输出电压线性范围内满足公式：u0＝1.25*(1+r10/r)。
[0014]
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0015]
(1)本发明中采用一种温度监测和保护方案，可以保证在低温下安全充放电，提升了低温充电稳定性；
[0016]
(2)本发明中采用无线充电方式，可以在野战过程中快速启动，提升了野战作战充电的机动性。
附图说明
[0017]
图1为本发明提出的一种夹具式低温充电系统结构图；
[0018]
图2为本发明提出的一种夹具式低温充电系统的无线充电模块；
[0019]
图3为本发明提出的一种夹具式低温充电系统的无线充电模块自激推挽式无线电能传输电路图；
[0020]
图4为本专利提出的一种夹具式低温充电系统的充电模块和放电模块电路图；
[0021]
图5为本专利提供的一种夹具式低温充电系统的所述测温模块；
[0022]
图6为本专利提供的一种夹具式低温充电系统的可调节稳压输出电路图；
[0023]
图7为本专利提供的一种夹具式低温充电系统的电源保护模块电路图。
具体实施方式
[0024]
为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
[0025]
如图1所示，为本发明提出的一种夹具式低温充电系统结构图。所述夹具式低温充电系统包括测温模块、电源保护模块、无线充电发射端、多阶段恒流充电模块、充电管理模块、放电管理模块、可调节稳压输出端；所述测温模块为所述电源保护模块提供测量温度，
所述电源保护模块向所述多阶段恒流充电模块提供驱动信号，所述放电管理模块控制所述多阶段恒流充电模块进行放电，所述无线充电发射端受所述充电管理模块控制进行充电，所述可调节稳压输出端进行电能稳压输出。
[0026]
如图2所示，为本发明提出的一种夹具式低温充电系统的无线充电原理图。电磁感应式无线充电技术，是利用电磁感应原理进行无线充电的一项技术，其无线电能传输系统包含两个部分：发射端(tx)和接收端(rx)。在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。交流电源、变频环节、发射线圈及谐振电容构成了发射端，接收线圈、谐振电容、整流滤波环节及负载组成了接收端。工作流程是tx端pcb提供电流给线圈，然后rx端线圈将收到的变化的磁场转换为电流，再提供给电池，从而实现充电的目的。
[0027]
如图3所示，为本发明提出的一种夹具式低温充电系统的无线充电模块自激推挽式无线电能传输电路图。所述无线充电发射端采用一种自激推挽式零电压高频逆变电路，该无线充电发射端的电路利用两个对称开关管q1和q2的互补导通，便可通过lc谐振电路得到所需的正弦波，实现了电路的自驱动，省去了传统逆变电路中的控制及驱动电路，结构简单，可靠性高，适用于对供电安全要求较高的无线电能传输系统。其中，q1、q2为n沟道mosfet，型号为irfz44n，能够实现高频无线电能传输。为达到无线充电的功能，该电路需要一次侧由l1、c1组成的谐振电路和二次侧由l2、c2组成的谐振电路的振荡频率一致，设其振荡频率为ω，则其谐振条件如下：
[0028][0029]
为达到良好的振荡效果，应设置好c1、r1、l1、c2、r2、l2，并使其满足式(1)起振的条件。为更好地分析上述电磁感应式无线充电的等效模型，由kvl方程可得，该电路的一次侧回路和二次侧回路方程如下：
[0030][0031]
由式(2)可求得一次侧电流i1和二次侧电流i2的大小。由于电路产生谐振的条件是ωl＝1/ωc，因此谐振电流i1和i2的大小为：
[0032][0033]
由功率公式可知，该电路的二次侧负载功率大小p为：
[0034][0035]
由效率公式可知，该电路的传输效率为：
[0036][0037]
对自激推挽式无线电能传输要考虑无线充电的几个重要指标，包括：充电功率、充
电效率及充电距离。其中，充电功率和充电效率的计算公式如式(4)和式(5)所示，为自激推挽式无线电能的传输提供了设计依据。从式(4)和式(5)也可以看出，要提高充电功率和效率，应设置好振荡频率ω。
[0038]
如图4所示，为本发明提出的一种夹具式低温充电系统的充电模块和放电模块电路图。充电电路采用锂电池充电管理芯片bq2057，其充电电路的下半部分所示，其中cvddb是电池的电压，c1、c2、c3都是退偶电容，保证芯片的输入和输出电压稳定。12v为电源供电电压，也是bq2057的vcc。
[0039]
所述多阶段恒流充电模块在开始充电时采用最大充电倍率对电池进行充电，在达到充电截止电压后，将充电倍率降低0.1c继续充电，再次达到充电截止电压时，继续下降0.1c充电倍率，如此循环，直至电池的充电倍率下降至0.1c达到充电截止电压后，进行恒压充电，最终结束整个充电过程。
[0040]
在集成电路中多数芯片都使用5v供电，所以供电采用mic29302控制芯片，其工作环境为-40～125℃，超过此温度段便会关机自保护，其低温下限正好对应低温锂电池的低温放电下限。该芯片输入电压值不能低于6.5v，即锂电池放电到6.5v以下时，集成电路板便因放电芯片不能正常输出而停机，这样可以有效保护锂电池，防止过度放电。此稳压芯片可通过12v电源电压导通二极管d1或通过锂电池电压导通二极管d3两个途径获得输入电压。当电源在线时，由于二极管d1和d3压差大的先导通，此时集成电路板从12v电源取电。当12v电源断开时，集成电路板从锂电池取电，完成自身供电，避免了锂电池边充电边放电，延长电池寿命。考虑mic29302输出电压需要经二极管隔离后为各板卡以及传感器阵列供电，通过调节r3、r4，控制输出恒定电压vccb为5.7v，具体计算如式(6)所示。
[0041]
vout＝1.24*[1+r3/r4]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0042]
如图5所述，为本专利提供的一种夹具式低温充电系统的所述测温模块。ts引脚延伸出来的电路，ntc型热敏电阻与rt2并联，并联后再和rt1一起串联接入vcc和gnd之间，此时ts脚和gnd之间的电压vts等于热敏电阻的电压，电压值会随温度变化而变化，而ts引脚检测vts值的变化并反馈给芯片，芯片判断vts是否在预设的上下限(vts1、vts2)电压值内，只有vts1＞vts＞vts2时，芯片才允许对电池充电。
[0043]
因此，vts1和vts2对应的温度值在允许范围内可以通过rt1和rt2的阻值来调节，由芯片资料可知计算rt1和rt2阻值的公式如式下所示：
[0044][0045]
式中：rth为热敏电阻的高温阻值；rtc为热敏电阻的低温阻值。
[0046]
如图6所示，为本发明提出的一种夹具式低温充电系统的可调节稳压输出电路图。所述可调节稳压输出电路采用lm317系列的输出可调稳压器芯片实现，其输出范围为1.25～37v，最大负载电流1.5a。
[0047]
由lm317芯片的性质可知其输出输入电压可调节范围较大，且内部集成了过压、过流保护电路，不需要过多的外接电路，具有较强的实用性。输出调节范围为1.25～12v，而输入电压一般应大于输出电压2v左右。输入/输出电压线性范围内满足公式：u0＝1.25*(1+
r10/r)。为了方便起见选取r10＝2kω，r＝220ω。其中r10为可调节电阻。d9、d10起电路保护作用。
[0048]
如图7所示，为本发明提出的一种夹具式低温充电系统的电源保护模块电路图。所述电源保护模块采用dw01+8205芯片作为锂电池保护芯片，当电芯电压在2.5v至4.3v之间时，dw01的第1脚、第3脚均输出高电平(等于供电电压)，第二脚电压为0v。此时dw01的第1脚、第3脚电压将分别加到8205a的第5、4脚，8205a内的两个电子开关因其g极接到来自dw01的电压，故均处于导通状态，即两个电子开关均处于开状态。此时电芯的负极与保护板的bat-端相当于直接连通，保护板有电压输出。
[0049]
当电芯通过外接的负载进行放电时，电芯的电压将慢慢降低，同时dw01内部将通过r1电阻实时监测电芯电压，当电芯电压下降到约2.3v时dw01将认为电芯电压已处于过放电电压状态，便立即断开第1脚的输出电压，使第1脚电压变为0v，8205a内的开关管因第5脚无电压而关闭。此时电芯的负极与保护板的bat-之间处于断开状态，即电芯的放电回路被切断，电芯将停止放电。保护板处于过放电状态并一直保持。等到保护板的bat+与gnd间接上充电电压后，dw01检测到充电电压后便立即停止过放电状态，重新在第1脚输出高电压，使8205a内的过放电控制管导通，即电芯的负极与保护板的bat-端又重新接上，电芯经充电器直接充电。
[0050]
当过充电时，dw01内部将通过r1电阻实时监测电芯电压，当电芯电压高于约4.3v时dw01将认为电芯电压已处于过充状态，便立即断开第3脚的输出电压，使第3脚电压变为0v，8205a内的开关管因第4脚无电压而关闭。当恢复再次充电时又接通，接入保护板电路。
[0051]
通过上述方式可以实现对用于野战储能的一种快速、便携式充放电，并实现低温度的稳定充电，提升野战储能系统的运行可靠性。
[0052]
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

技术特征：
1.一种夹具式低温充电系统，其特征在于，包括测温模块、电源保护模块、无线充电发射端、多阶段恒流充电模块、充电管理模块、放电管理模块、可调节稳压输出端；所述测温模块为所述电源保护模块提供测量温度，所述电源保护模块向所述多阶段恒流充电模块提供驱动信号，所述放电管理模块控制所述多阶段恒流充电模块进行放电，所述无线充电发射端受所述充电管理模块控制进行充电，所述可调节稳压输出端进行电能稳压输出。2.根据权利要求1所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述无线充电发射端包括发射端和接收端；其中，所述发射端安装一个线圈，所述线圈连接电源产生电磁信号；所述接收端安装一个接收端线圈，所述接收端线圈感应所述发送端的电磁信号从而产生电流给所述多阶段恒流充电模块。3.根据权利要求1所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述无线充电发射端采用自激推挽式零电压高频逆变电路，所述自激推挽式零电压高频逆变电路利用两个对称开关管q1和q2的互补导通，通过lc谐振电路得到所需的正弦波，进行所述自激推挽式零电压高频逆变电路的自驱动。4.根据权利要求1或3所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述无线充电发射端中的2个对称开关管q1和q2为n沟道mosfet，为进行无线充电，所述自激推挽式零电压高频逆变电路电路由电阻r1、电感l1、电容c1的谐振电路和电阻r2、电感l2、电容c2组成的谐振电路的振荡频率一致，设其振荡频率为ω，则通过谐振进行无线充电，谐振的起振条件为5.根据权利要求1所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述充电管理模块采用锂电池充电管理芯片bq2057，采用三个退偶电容c1、c2和c3，保证芯片的输入和输出电压稳定。6.根据权利要求1所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述多阶段恒流充电模块在开始充电时采用最大充电倍率对电池进行充电，在达到充电截止电压后，将充电倍率降低0.1c继续充电，再次达到充电截止电压时，继续下降0.1c充电倍率，如此循环，直至电池的充电倍率下降至0.1c达到充电截止电压后，进行恒压充电，最终结束整个充电过程。7.根据权利要求1所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述放电管理模块采用mic29302控制芯片，采用12v电源供电，并采用二极管d1和d3压差控制导通，当12v电源断开时，所述mic29302控制芯片从锂电池取电，所述mic29302控制芯片输出电压经二极管隔离后为各板卡以及传感器阵列供电；所述mic29302控制芯片通过调节电阻r3和电阻r4的阻值控制输出恒定电压为5.7v，具体输出电压vout与输入电压v之间的控制关系式为：vout＝1.24v*[1+(r3/r4)]。8.根据权利要求1所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述测温模块包括ntc型热敏电阻、电阻rt1和电阻rt2；其中，所述ntc型热敏电阻和所述电阻rt2并联，所述ntc型热敏电阻与所述电阻rt1串联，电压值会随温度变化而变化，电压值反馈到所述电源保护模块。9.根据权利要求1所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述电源保护模块包括dw01锂电池保护芯片和8205锂电池保护芯片，所述dw01锂电池保护芯片的第1脚、第3脚电压将分别加到8205a的第5、4脚；当所述夹具式低温充电系统的输出电压在2.5v至4.3v之
间时，所述dw01锂电池保护芯片的第1脚、第3脚均输出高电平，第2脚电压为0v；当过充电时，所述dw01锂电池保护芯片内部将通过r1电阻实时监测电芯电压，当电芯电压高于约4.3v时所述dw01锂电池保护芯片将认为电芯电压已处于过充状态，便立即断开第3脚的输出电压，使第3脚电压变为0v，所述8205锂电池保护芯片内的开关管因第4脚无电压而关闭。10.根据权利要求1所述的一种夹具式低温充电系统，其特征在于，所述可调节稳压输出电路采用lm317系列的输出可调稳压器芯片，输出范围为1.25～37v，最大负载电流1.5a，所述可调节稳压输出电路的输入/输出电压线性范围内满足公式：u0＝1.25*(1+r10/r)。

技术总结
本发明提出了一种夹具式低温充电系统。它包括测温模块、电源保护模块、无线充电发射端、多阶段恒流充电模块、充电管理模块、放电管理模块、可调节稳压输出端；所述测温模块为所述电源保护模块提供测量温度，所述电源保护模块向所述多阶段恒流充电模块提供驱动信号，所述放电管理模块控制所述多阶段恒流充电模块进行放电，所述无线充电发射端受所述充电管理模块控制进行充电，所述可调节稳压输出端进行电能稳压输出。该夹具式低温充电系统采用温度监测和保护方案，可以保证在低温下安全充放电，提升了低温充电稳定性，并采用无线充电方式，可以在野战过程中快速启动，提升了野战作战充电的机动性。电的机动性。电的机动性。


技术研发人员：姚承勇 宁涛 胡国昌 曹世宏 王县 张宇 丁建桥
受保护的技术使用者：中国人民解放军32181部队
技术研发日：2020.09.08
技术公布日：2022/3/7