CN102487211B - 一种电池充电设备 - Google Patents

Abstract

一种电池充电设备，其中，该电池充电设备包括可控整流模块(10)、主开关(12)以及控制单元(14)；所述可控整流模块(10)的输出端用于连接电池，主开关(12)串接在可控整流模块(10)与电池的回路中；所述控制单元(14)与该可控整流模块(10)的受控端和该主开关(12)的受控端电连接，用于采集所述电池的端电压和所述可控整流模块(10)的输出端的电压，控制所述可控整流模块(10)使得该输出端的电压与该端电压之间的电压差值在预定阈值范围内，以及在电压差值处于预定阈值范围内以后，控制所述主开关(12)闭合。本发明提供的电池充电设备能够使给电池充电的充电电压尽可能地接近电池的端电压，以降低电压给电池带来的冲击，延长电池寿命。

Description

一种电池充电设备

技术领域

本发明涉及用于电池尤其是用于混合动力车和电动车的电池的充电设备。

背景技术

由于能源的日益紧张和环境保护的压力，全球环保呼声越来越高，新能源产业正快速发展。在现代交通领域中，世界各国纷纷进行节能环保的电动汽车的开发。在全球各国都在大力推广电动车使用的情况下，多家汽车厂商都推出了大量的混合动力车和电动车，其配套的充电设备也在慢慢普及，充电设备成为影响电动车发展、普及的重要因素。

现阶段，市场上存在的大功率充电设备大多采用多个小功率模块电路并联组成，如图1所示，其预充电路一般采用交流预充方式，在交流端连接不可控整流模块，再连接功率因数校正等高频开关电源电路实现充电，其电路拓扑较为复杂。另外，由于预充开关的闭合时间不可控，会存在在电网峰值时闭合预充开关的情况，这会对电池造成冲击，大大缩短了电池的寿命。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种减小主开关闭合瞬间给电池带来冲击的电池充电设备。

为实现上述目的，本发明提供了一种电池充电设备，其中，该电池充电设备包括可控整流模块、主开关以及控制单元；所述可控整流模块的输出端用于连接电池，主开关串接在可控整流模块与电池的回路中；所述控制单元与该可控整流模块的受控端和该主开关的受控端电连接，用于采集所述电池的端电压和所述可控整流模块的输出端的电压，控制所述可控整流模块使得该输出端的电压与该电池的端电压之间的电压差值在预定阈值范围内，以及在电压差值处于预定阈值范围内以后控制所述主开关闭合。

本发明提供的电池充电设备，当需要对电池进行充电时，将市电输入到可控整流模块，在通过可控整流模块向电池充电之前，主开关处于断开状态。控制单元将可控整流模块的输出电压调节到接近电池的端电压(一般情况下稍大于端电压)，之后再控制主开关闭合，给电池充电。这样，使给电池充电的充电电压尽可能地接近电池的端电压，由此降低充电电压给电池带来的冲击，延长电池寿命。

附图说明

图1是现有技术中的电池充电设备的电路结构图；

图2是本发明第一实施方式提供的电池充电设备的电路结构示意图；

图3是本发明第二实施方式提供的电池充电设备的电路结构示意图；

图4是本发明第三实施方式提供的电池充电设备的电路结构示意图；

图5是控制单元执行的充电控制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式作进一步地描述。

图2是本发明第一实施方式提供的电池充电设备的电路结构示意图。如图2所示，根据该第一实施方式，所述电池充电设备包括可控整流模块10、主开关12以及控制单元14；所述可控整流模块10的输出端用于连接电池，主开关12串接在可控整流模块10与电池的回路中；

所述控制单元14可以与该可控整流模块10的受控端和该主开关12的受控端电连接，用于采集所述电池的端电压和所述可控整流模块10的输出端的电压，控制所述可控整流模块10使得该输出端的电压与该电池的端电压之间的电压差值在预定阈值范围内，以及在电压差值处于预定阈值范围内以后，控制所述主开关12闭合。

所述可控整流模块10可以是将三相交流电转换成直流电的装置。该可控整流模块10可以例如是三相桥式整流电路，其每个桥臂上可以具有一个可控开关，例如三极管、CMOS管、IGBT等。所述控制单元14可以通过向该可控开关输入例如PWM信号来控制可控开关的通断时间，由此可以控制该三相桥式整流电路输出的直流电压的大小。在三相桥式整流电路的输出端之间可以连接一滤波电容22。另外，本领域技术人员可以预想的是，在输入的交流电是两相或更多相的交流电时，该可控整流模块10相应地可以是两相或更多相桥式整流电路。当然，可控整流模块10还可以是现有技术中其他的用于将交流电转换成直流电的电路结构，这里不再赘述。

所述控制单元14可以例如是单片机、PLC电路、FPGA、专用集成电路等。控制单元14可以自带电源，或者由可控整流模块10的输出端输出的电能来给其供电。当将电池连接到可控整流模块10的输出端(可控整流模块10与电池之间还连有主开关12)，且电能输入到可控整流模块10的输入端时，控制单元14可以采集电池两端的端电压和可控整流模块10输出端之间的电压，根据该输出端之间的电压与电池两端的端电压之间的电压差值生成具有相应占空比的PWM信号，控制单元14将该PWM信号发送给可控整流模块10(例如可控开关的受控端)，根据PWM信号的占空比来调节可控整流模块10的通断时间，由此调节输出端输出的电压大小，直到该电压差值处于预定阈值范围内。在电压差值处于预定阈值范围内时，控制单元14不再对可控整流模块10进行进一步的调节，而是保持该电压的输出。举例来说，控制单元14可以计算出上述电压差值。一般来说，可控整流模块10的输出端初始输出的电压比电池两端的端电压要大，因此上述电压差值为正值。控制单元14可以采用逐步减小输出的PWM信号的占空比从而逐步减小输出端的电压，当上述电压差值处于预定阈值范围内时，控制单元14不再减小PWM信号的占空比，保持输出当前占空比的PWM信号，由此保持输出端的电压水平。可替换地，可以预先建立电压差值与调节的占空比之间的映射，即电压差值与减小/增加的占空比之间的对应关系。控制单元14可以根据该映射来调节PWM信号的占空比。可替换地，可以预先建立考虑电池的端电压的电压差值与调节的占空比之间的映射。以上调节PWM信号的占空比的方法可以通过程序的方式由控制单元14来实现。该程序可以内嵌在控制单元14中或存储在控制单元14的内部存储器或外部存储器中。

要对电池进行充电，可控整流模块10输出端输出的电压必须不小于电池的端电压，如果小于电池的端电压，则可能会出现反向充电的现象。为防止控制单元14过度调节电压而导致可控整流模块10输出端之间的电压小于电池的端电压，可以适当设置上述预定阈值范围的上限。在本发明的一个实施方式中，上述预定阈值范围可以是0-5V。

当然，为防止反向充电，也可以在可控整流模块10的输出端与电池之间设置防反二极管(未示出)。

所述主开关12可以例如是继电器、三极管、CMOS管、IGBT等，控制单元14可以控制该主开关12的通断。主开关12一般情况下处于常开状态，当控制单元14将上述电压差值调节到处于预定阈值范围内以后，控制单元14控制主开关12闭合(或导通)，开始给电池充电。

由于可控整流模块10进行整流后会存在电压波纹，即使在控制单元14对可控整流模块10进行调压后，可控整流模块10的输出端与电池之间可能还是会存在电压差。由于电池的初始内阻很小，在主开关12闭合时，流入电池的瞬间电流会很大，这样有可能对电池造成冲击，损坏电池性能。如果在可控整流模块10的输出端与电池之间串联电阻，则在充电过程中，该电阻要消耗不必要的功率并发热。针对这种情况，本发明的第二实施方式提出了在第一实施方式上的改进的方案。图3是本发明第二实施方式提供的电池充电设备的电路结构示意图。如图3所示，该电池充电设备还包括电流检测单元16和设置在所述主开关12两端的旁路，该旁路包括串联的旁路开关18和旁路电阻20；所述电流检测单元16用于检测所述可控整流模块10的输出端输出的电流大小，并将指示该电流大小的信号发送给所述控制单元14；

所述控制单元14还可以与该旁路开关18的受控端电连接，且还用于在所述电压差值处于预定阈值范围内以后且在控制所述主开关12闭合之前，控制所述旁路开关18闭合，控制所述可控整流模块10使得该可控整流模块10的输出端输出的电流的大小在一电流阈值范围内，再控制所述旁路开关18断开。

在该第二实施方式中，旁路开关18可以例如是继电器、三极管、CMOS管、IGBT等，且一般情况下处于常开状态。当控制单元14将上述电压差值调节到预定阈值范围内时，不立即控制主开关12闭合。而是先控制旁路开关18闭合，可控整流模块10的输出端输出的电流经由旁路流经电池，由于旁路中存在旁路电阻20，因此可以防止流入电池的瞬时电流过大。该旁路电阻20的阻值范围可以为1-20Ω。在旁路开关18闭合后，电流检测单元16检测可控整流模块10的输出端输出的电流大小，并将指示电流大小的信号发送给控制单元14。控制单元14接收该信号，根据该信号生成具有相应占空比的PWM信号，并将该PWM信号发送到可控整流模块10，调节该可控整流模块10的输出端输出的电流的大小处于电流阈值范围内。当电流的大小处于电流阈值范围内时，控制单元14不再进行进一步调节。之后，控制单元14控制旁路开关18断开，主开关12闭合，开始给电池充电。电流阈值范围可以适当设定以使在主开关12闭合时流入到电池的最大瞬时电流不会对电池造成冲击。在本发明的一个实施方式中，所述电流阈值范围可以为0-5000mA。

所述电流检测单元16可以例如是霍尔电流传感器，其精度可以为在0.5％以内，能够很好地满足本发明中实施方式的对电流测量的要求。

图4是本发明第三实施方式提供的电池充电设备的电路结构示意图。该第三实施方式是对第一实施方式或第二实施方式的进一步改进。如图4所示，在该第三实施方式中，该电池充电设备还包括：

连接在所述可控整流模块10的两个输出端之间的滤波电容22，以及

连接在所述可控整流模块10的两个输出端之间的串联的放电开关24和放电电阻26。

当电池充电完成后，控制单元14控制主开关12断开，控制放电开关24导通，对滤波电容22上的电荷进行泻放，以保障该电池充电设备的安全。

图5是控制单元14执行的充电控制的流程图，其中虚线框中表示为可选择执行。下面结合图5描述控制单元14执行充电控制的整个过程。

如图5所示，当该电池充电设备连接电池并接入电源(例如市电)时，控制单元14采集电池的端电压和可控整流模块10的输出端的输出电压，计算输出电压与电池的端电压之间的电压差值，根据该电压差值生成具有相应占空比的PWM信号，将该PWM信号输出到可控整流模块10。控制单元14根据PWM信号调节可控整流模块10的输出电压的大小，直到电压差值处于预定阈值范围内。

可选地，在电压差值处于预定阈值范围内以后，控制单元14控制旁路开关18闭合(导通)，接收电流检测单元16检测的电流信号，根据该电流信号生成具有相应占空比的PWM信号，将该PWM信号输出到可控整流模块10。控制单元14根据该PWM信号调节可控整流模块10的输出端输出的电流大小，直到该电流大小处于电流阈值范围内。然后控制单元14控制旁路开关18断开。

之后，控制单元14控制主开关12闭合。可替换地，可以在主开关12闭合之后再断开旁路开关18。

可选地，在充电完成后，控制单元14控制主开关12断开，并控制放电开关24闭合。

根据本发明实施方式的电池充电设备，可以在对电池进行充电之前先将充电回路中的电压调节到接近电池的端电压，优选地还可以将充电回路中的初始充电电流调节到电池可容忍的大小，这样通过采取“调电压”和“调电流”的过程，可以降低充电时对电池造成的冲击，从而保护电池，延长期使用寿命。

虽然以结合附图的实施方式的方式描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，本发明不限于上述特定的实施方式，在不背离本发明的实质的情况下，可以对上述实施方式进行合理的变形、修改以及结合。这些变形、修改以及结合也应当属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种电池充电设备，其特征在于，该电池充电设备包括可控整流模块(10)、主开关(12)、控制单元(14)、电流检测单元(16)和设置在所述主开关(12)两端的旁路，该旁路包括串联的旁路开关(18)和旁路电阻(20)；所述可控整流模块(10)的输出端用于连接电池，主开关(12)串接在可控整流模块(10)与电池的回路中，所述电流检测单元(16)用于检测所述可控整流模块(10)的输出端输出的电流大小，并将指示该电流大小的信号发送给所述控制单元(14)；

所述控制单元(14)与该可控整流模块(10)的受控端和该主开关(12)的受控端电连接，用于采集所述电池的端电压和所述可控整流模块(10)的输出端的电压，控制所述可控整流模块(10)使得该输出端的电压与该电池的端电压之间的电压差值在预定阈值范围内，以及在电压差值处于预定阈值范围内以后，控制所述主开关(12)闭合；以及

所述控制单元(14)还与该旁路开关(18)的受控端电连接，且还用于在所述电压差值处于预定阈值范围内以后且在控制所述主开关(12)闭合之前，控制所述旁路开关(18)闭合，控制所述可控整流模块(10)使得该可控整流模块(10)的输出端输出的电流的大小在一电流阈值范围内，以及在电流的大小处于一电流阈值范围内以后控制所述旁路开关(18)断开。

2.根据权利要求1所述的电池充电设备，其中，所述预定阈值范围为0-5V。

3.根据权利要求1所述的电池充电设备，其中，所述电流阈值范围为0-5000mA。

4.根据权利要求1所述的电池充电设备，其中，所述旁路电阻(20)的阻值范围为1Ω-20Ω。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电池充电设备，其中，该电池充电设备还包括：

连接在所述可控整流模块(10)的两个输出端之间的滤波电容(22)，以及

连接在所述可控整流模块(10)的两个输出端之间的串联的放电开关(24)和放电电阻(26)。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的电池充电设备，其中，所述可控整流模块(10)是三相桥式整流电路。

7.根据权利要求1所述的电池充电设备，其中，所述主开关(12)或旁路开关(18)是继电器、三极管、CMOS管或IGBT。