CN101051761B - 基于高频母线的蓄电池充电器 - Google Patents

Abstract

一种基于高频母线的蓄电池充电器，为移动电气设备、应急电源、光伏能源等适配的蓄电池充电设备，能够实现对串联电池组中单体电池进行独立充电管理、显著延长蓄电池组的寿命，有望大幅度降低单体独立充电、串联供电的充电器成本。结构特点是一次侧模块采用高频交流开关变换电路将直流或低频交流电变换成高频交流电输出；二次侧模块包含隔离耦合电路、整流\调节模块，其中隔离耦合电路为变压器耦合、压电耦合或电容器耦合中的一种，输出适合于充电的可调节直流；一次侧与二次侧模块之间通过高频交流母线连接，多个二次侧模块输入并联、输出直流电位相互隔离分别对相应的蓄电池充电。

Description

基于高频母线的蓄电池充电器

技术领域

本发明属于蓄电池充电设备，涉及应用于移动电气设备(如电动交通工具、电动工具等)、应急电源、光伏能源等适配蓄电池的充电器。

背景技术

蓄电池的性能一直是各种移动电气设备、应急电源、光伏电源等设备的技术瓶颈，这其中的充放电循环次数寿命是关键问题，与产品成本密切相关。

蓄电池单体的输出电压太低，在许多情况下都不能直接满足应用需求，只能串联成蓄电池组工作。经过大量研究表明，蓄电池组的寿命远远低于蓄电池单体寿命，原因在于蓄电池组内的各单体参数不一致，捆绑充电过程中更加剧了这种差异，并对部分电池单体造成危害，从而过早地结束蓄电池组的寿命，并加重了废旧电池处理的环保压力。显然，蓄电池组寿命的提高具有显著的经济价值和社会效益。

目前已经有的较好对策有：

1)对蓄电池各单体单独进行充电、放电管理，串联供电。并使单体中电能存量多的比存量低的多放电。这种方案是对蓄电池组的寿命是很有利，只是这种做法很困难，成本也非常高，缺少实用性。

2)对电池单体并联充电，然后通过开关切换串联供电。这种方案中充电过程中点出组内各单体的电流分配比较难以控制均匀合适，但由于能够控制电压一致，还是能够显著延长蓄电池组的寿命，已经开发出实用产品。问题在于这一机械切换的实现并不方便：有电火花、可靠性不好、成本较高。

3)各蓄电池单体独立充电、串联供电，但对放电不加平衡控制。这种方案也能显著延长蓄电池组的寿命，克服了机械切换方案的部分缺点，而且充电过程对单体比并联充电更加有利，目前也已经开发出实用产品。由于该方案需要与电池单体相应的多个独立的电源变换器，成本相当高。

目前实现蓄电池单体独立充电的较好的做法是采用多个独立的高频开关电源模块，将直流或低频交流(如50Hz)变换成高频(如50kHz)，然后经变压器隔离、整流，再供给蓄电池单体充电。这中间每个电源模块都有一套直流或低频交流变换成高频的电路，使成本难以降低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于高频母线的充电器，能够实现对串联电池组中单体电池进行独立充电管理。

本发明下文所述的蓄电池组为许多串联成的蓄电池模块所构成，其中的蓄电池模块一般是指是蓄电池单体，为扩大发明应用范围不排除两个以上单体串联成的蓄电池模块，由于同一模块中各单体性能比较接近，实践证明对各模块独立充电也是有益于整个电池组循环寿命提高的。

本发明提出的基于高频母线的充电器，主要由一次侧模块、高频母线、多个二次侧模块等组成，高频母线采用单相或两相以上的多相线路。其特征在于，一次侧模块采用高频交流开关变换电路将直流或低频交流电变换成高频交流电输出；二次侧模块包含隔离耦合电路、整流\调节模块，其中隔离耦合电路为变压器耦合、压电耦合或电容器耦合中的一种，输出适合于充电的可调节直流；一次侧与二次侧模块之间通过高频交流母线连接，多个二次侧模块输入并联、输出直流电位相互隔离分别对相应的蓄电池模块充电。实际的充电器可以将一次侧模块放在一个盒子中，多个二次侧模块与蓄电池放在一个盒子中，之间用一段高频母线连接，譬如1米左右。

有益效果

该发明可显著提高蓄电池组寿命；并有望大幅度降低单体独立充电、串联供电的充电器成本。由于二次侧模块电路容易实现很高的工作效率，便于同电池组构成一体化生产。

附图说明

图1为本发明高频母线充电器结构示意图；

图2为二次侧模块变压器隔离结构示意图；

图3为二次侧模块电容器耦合结构示意图；

图4为二次侧模块压电耦合结构示意图；

图5为一次侧模块AC/AC变换电路示意图；

图6为一次侧模块DC/AC变换电路示意图；

图7为二次侧模块多绕组变压器耦合结构示意图；

图8为磁开关可控整流的二次侧模块整流/调节电路示意图；

图9为电子式可控整流的二次侧模块整流/调节电路示意图；

图10为高频母线排螺绕环结构示意图；

图11为二次侧模块线性二次调整电路示意图。

具体实施方式

参照附图说明实施例

如图1所示的是本发明基于高频母线的充电器的结构示意。图2-4是各种常见电位隔离方案示意，常用的是变压器耦合方案，但对于高频线路而言电力电子技术中的电容隔离、压电隔离方案也是现实可行的选择。在这里，高频母线通常是单相的，但也不排除多相的，有时多相的能够传递更高、更平稳的功率；采用多相高频母线方案时，一次侧模块与二次侧模块线路均作相应改变，采用常规的多相逆变、多相整流电路。由此可见，本发明将各充电电源模块的一次侧电路合成一体，大大简化了电路结构，使成本得以降低。通常一个二次侧模块对应一个蓄电池单体。

本发明的充电器一次侧模块电路方案可以采用常规的电力电子电路方案，也可以包括功率因数校正电路等，如图5、6分别是一次侧模块的AC/AC变换拓扑与DC/AC变换拓扑示意。为便于二次侧模块电路的制作，一次侧模块电路也可采用具有降压输出功能的电路，带变压器降压输出的电路还可以使高频母线对人身更加安全。

本发明的充电器中的多个二次侧模块中的变压器也可以采用共用一副磁芯的多绕组变压器，即每个整流/调节模块的输入端与多绕组变压器中的一个独立副边绕组相连。采用该方案时，一次侧模块电路本身就不必用变压器隔离输出了。图7是该方案的示意。这种做法的好处是，有时能够更进一步地降低成本；缺点是当单体数量非常多时，实际制造有困难。

采用本发明的充电器需要各二次侧模块具有独立的输出调节功能。本发明的二次侧模块可以采用各种常规整流加DC/DC线性或现有的开关电源电路，图11是线性二次侧模块线性调整电路的示意图；本发明推荐采用磁开关或电子开关后级调节等可控整流电路中的一种，可控整流电路的整体变换效率更高。磁开关或电子开关后级调节电路也是根据充电控制要求和电源输出反馈信号对高频脉冲进行脉宽限制，从而控制直流输出。图8、9是该方案的示意。由于二次侧模块工作效率高，同电池放在一起不会明显提高蓄电池的温度，比较安全。

本发明的高频母线可以采用各种低阻抗导线，例如多股排线或绞合线，以降低高频阻抗。以单相为例，排线中的高频母线是按照极性相间排放的；绞合线中的高频母线也是按照极性尽可能相间排放。图10是高频母线排线的示意。

Claims (4)

1.基于高频母线的蓄电池充电器，主要由一次侧模块、高频母线、多个二次侧模块组成，高频母线采用单相或两相以上的多相线路，其特征在于，一次侧模块采用高频交流开关变换电路将直流或低频交流电变换成高频交流电输出；各二次侧模块具有独立的输出调节功能，采用整流加DC/DC线性或开关电源电路，对串联电池组中各蓄电池进行独立充电管理，二次侧模块包含隔离耦合电路、整流调节模块，其中隔离耦合电路为变压器耦合、压电耦合或电容器耦合中的一种，输出适合于充电的可调节直流；一次侧与二次侧模块之间通过高频母线连接，多个二次侧模块输入并联、输出直流电位相互隔离分别对相应的蓄电池充电；所述高频母线是高频交流母线。

2.根据权利要求1所述的基于高频母线的蓄电池充电器，其特征在于多个二次侧模块中的变压器共用一副磁芯的多绕组变压器，即每个整流调节模块的输入端与多绕组变压器中的一个独立副边绕组相连。

3.根据权利要求1所述的基于高频母线的蓄电池充电器，其特征在于其二次侧模块采用磁开关或电子开关后级调节可控整流电路中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于高频母线的蓄电池充电器，其特征在于其高频母线采用排线。

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