CN102684235A

CN102684235A - 直流系统

Info

Publication number: CN102684235A
Application number: CN2011100555336A
Authority: CN
Inventors: 杨德中; 张其春; 许海深; 段俊雅
Original assignee: Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Current assignee: Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: CN102684235B

Abstract

一种用于直流工具的直流系统，包括一个充电器及至少两个锂电池包，所述的锂电池包可以交替给所述的工具循环放电，实现不间断的电力续航。该系统的一个显著优点是用低成本、安全的方式实现了不间断电力续航系统。

Description

直流系统

技术领域

本发明涉及一种直流系统，尤其涉及一种用于花园类电动工具的直流系统。

背景技术

目前电池供电的花园类工具由于其环保及无绳的便携性得到越来越多的用户的认可，比如直流电动割草机。但是由于电池容量有限，在使用直流割草机时，如果草坪面积大，单个电池包甚至两个电池包都无法完成割草工作，另外由于在高温环境下连续放电后电池包温度较高因此充电时间会被延长。已知的为了解决上述问题，通常用户需配备多个电池包，甚至相应的匹配一个多头充电器同时给多个电池包充电，但是对于用户来说使用多个电池包成本会大大的提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种直流系统，能够延长用于直流花园类工具的电池包放电时间并且缩短电池包的充电时间，实现不间断的循环放电，该系统的一个显著优点是用低成本、安全的方式实现了不间断电力续航系统。为了实现上述目的，本发明的直流系统用于花园类直流工具，包括：一个充电器及至少两个锂电池包，所述的锂电池包可以交替给所述的工具循环不间断放电，使用步骤至少包括：

将第一电池包放置在工具上给工具放电；

将第二电池包放置在充电器上进行充电；

第一电池包放电结束后将充电器上的第二电池包取下放置在工具上继续给工具放电并将

第一电池包放置在所述充电器上进行充电。

附图说明

图1所示的是本发明的直流系统的一个具体实施方式，示出了带有电池包的割草机以及在给电池包充电的充电器；

图2a、2b所示的是图1所示的电池包的俯视图和仰视图；

图3所示的是电池包的内部结构；

图4a、4b所示的分别是PN结伏安特性与温度的关系图以及电池包内部的测温电路原理图；

图5所示的是电池包内部的电压监测模块；

图6所示的是本发明的智能系统中的实时时钟电路图；

图7、图8分别所示的是本发明的直流系统的一种带有电池包的充电器以及不带有电池包的充电器；

图9所示的是充电系统中的充电示意图；

图10所示的是充电系统中的电路框图；

图11所示的是设置在充电器中的待机电源模块；

图12所示的是设置在充电器中的LLC模块；

图13所示的是机身智能调速模块；

图14所示的是开关电源电路模块；

具体实施方式

如图1所示的为本发明的直流系统的一个具体实施方式，包括一个配备有可拆卸电池包100的直流割草机1以及一个给一电池包200充电的充电器2，割草机1可包括用于驱动刀片的驱动机构、马达、主控制器、显示器以及用户界面并设置有与电池包啮合的连接结构(未示出)。电池包100用于给马达和驱动机构提供动力，为了延长电池包100的放电时间，如图3本直流系统采用的电池包(100、200)内设置有并联的两组多节18650规格的单节标称为4V容量为接近2Ah的锂电池元件，该电池元件的平均放电电流为6A，每组由14节电池元件串联构成，这样的设置使得电池包具有56V标称电压以及接近4Ah的电池容量，上述电池包可维持割草机连续工作25分钟以上甚至30分钟以上，大大延长了放电时间，这里所指的割草机连续工作的时间即放电时间，不包括割草时倒草的时间，上述电池包充电时间大概30分钟到35分钟左右，因此放电时间和充电时间的比值在25∶35，甚至放电时间大于等于充电时间，通常用户在使用割草机时需要一定的时间进行多次倒草，这样的话用户完全可以利用上述两个电池包实现工具的无限循环不间断的使用。

当然为了延长电池包的工作时间，锂电池包内可以设置更多的电池元件，或者具有更高容量的电池元件，使其具有大于56V标称电压以及大于4Ah的电池容量比如并联三组多节串联的锂电池元件。在先技术中电动工具匹配的电池包的伏特数常见的为4V、12V、18V、28V、36V等，上述电池包一般用于手持式工具上，如果平均放电电流达到12A，功率达到500W以上的花园类工具上，则放电时间会非常的短以致满足不了用户的需求，本发明提出了在直流花园类工具上使用56V及56V以上的锂电池包并解决了相应的充放电的技术难题，使得用户无限不间断使用工具成为可能。

为了降低电池包在放电过程中的温度，从而延长放电时间以及缩短充电时间，本电池包设置有热量吸收装置。如图2a、2b以及图3所示，在截面设置为近似“弓”形的电池包100的外壳内，设置有电池支架101以及复数个锂电池元件102，在电池元件的外表面分别裹上封装有相变材料的塑料袋103，塑料袋的厚度接近1mm，长度接近30mm，具体的尺寸可根据电池元件的尺寸以及排布方式进行调整。本实施方式中封装在塑料袋103中的材料包括乙酸钠80％-90％，十二烷基苯磺酸钠1％-5％，羧甲基纤维素1％-5％，碳酸钠1％-5％混合，或者塑料袋103中的材料包括聚乙二醇接近90％-99％和二醋酸纤维素1％-10％(也可以用其他增稠剂替代二醋酸纤维素，例如壳聚糖，均属于本发明的保护范围)，将混合体打碎拌匀后，用塑料袋103封装，每袋接近2克，也可以根据需要变换组份以及对应的配比。当电池包100用于花园类工具并进行大电流放电时，电池的温度上升，超过40摄氏度后，相变材料发挥作用，使电池包100的上升温度减缓，到最终放电结束时，电池的温度保持在保护温度70摄氏度以下，达到吸热的目的，并配合充电时的快速散热，保证了电池包一定的放电时间并能有效提高电池的使用寿命，同时也使无限循环成为可能。

为了使用安全以及延长锂电池包的寿命，通常锂电池包在使用过程中要防止电池包温度过高以及电池元件之间温差过大，因此需要在充放电过程中监测每个锂电池元件的温度，目前普遍采用的是负温度系数热敏电阻NTC进行温度监测，一般来说1个NTC只能准确测量1节锂电池元件外表的温度，由于本系统采用的电池包设置有28节锂电池元件，如果按照惯用的方式则需要28个NTC才能有效地监控所有电池元件的温度，不仅成本以及组装难度大大的提高而且会造成电池包内部结构以及电路复杂化。本发明的电池包采用的是NTC测温及三极管测温的双重过温保护模式，具体的，将NTC贴在温度上升最高的电池元件表面，并且将贴片塑封的三极管分别贴在每节电池元件的极性端。本发明采用PN结的负温度特性，即PN结的结电压随温度成近似线性变化，因此可通过测量三极管温度变化来测量锂电池元件的温度。本方案中采用贴片塑封的三极管，以保证三极管测温电路与锂电池正负极绝缘，三极管贴向锂电池芯极性端时，用导热硅胶粘连，且各个三极管采用并联方式或者串联方式即至少部分测温元件具有同一个输出端，具体的电路见图4b。

三极管PN结的电流方程来表示：

v_D为PN结两端压降，i_D为流过PN结的电流。

当工作温度发生变化时，将会使三极管的特性产生变化。温度升高时，热激发产生的载流子增加，使反向饱和电流I_S增加。理论上I_S随温度的变化对硅管而言是8％℃，锗管是10％℃。

I_{S} (T_{2}) = I_{S} (T_{1}) 2^{\frac{T_{2} - T_{1}}{10}}

在外加正向电压一定时，虽然

随温度的增加而略有减小，但远没有I_S随温度增加的程度大，所以三极管PN结的正向电流要增大。若维持电流不变，则随着温度的增加，其正向电压必然要减小。通常温度每升高1℃，三极管PN结的正向压降约减少2-5mV。即如图4a所示，随着温度的升高，其正向特性线左移，即正向压降减小。

电池包在充电或放电过程中，内部单节或多节锂电池元件温度上升，使得三极管的v_DS端电压下降之前，流过锂电池元件对应的三极管电流增大，于是流过其他三极管的电流减小，端电压被逐渐拉低；然后，流过高温度电池元件的三极管电流开始下降，流过其他三极管的电流开始上升，最后端电压达到一个相对稳定的值。

三极管上所加电流越小，异常温升所引起的电流变化率越大，引起的单位温升压降也就越大；同样，异常温升越高，引起的电流变化率越大，引起的单位温升压降也就越大。微处理器MCU通过其AD口采集该电压，即可判断电池包内是否有过温的锂电池元件。采用本发明方案后，大量实验数据显示，锂电池元件异常温升越高，引起的电流变化率越大，从而引起的单位温升压降也就越大。温升异常的电池元件数量越多，即温升异常三极管越多，PN结上压降越小，单位温升压降越大。经验证当电池元件超过70℃时，三极管的单位温升压降大于2mV/℃，MCU足以检测到锂电池芯的温升异常，避免了锂电池由于过温而引起的失效和安全问题。

在其他实施方式中，还可以用二极管、正温度系数温敏电阻PTC等对温度有感应的器件来代替本发明技术方案中的三极管。

锂电池包在充放电过程中除了需要监测单节电池元件的温度还需要监测单节电池元件的电压，避免过放或者过充，如图5所示本发明采用两个较为简单的通用MCU实现串联的14节电池的单节电压检测，MCU3通过低7节电池电压采集模块实现对低7节电池元件的实时采样，MCU4通过高7节电池电压采集模块实现高7节电池元件的实时采样，两者之间的数据交换通过数据通讯模块实现，且充电模块和电量、故障指示灯显示模块均由MCU3控制。通常，这类较多电池元件组成的高电压电池包，需一个有一定数量管脚、16bits ADC的MCU，才能实现单节采样的精度，本发明方案中两个MCU的使用，可实现在保证采样精度和功能的条件下成本最小化。

本发明的电池包放电时完全关闭PCB板的供电，以节省电能，提高电池包的放电时间和放电效率。电池包内部保护板电路最大功耗减低到1.4W，比线性稳压电源方案效率提高了50％-80％。放电时使得电池包内部保护板的电流几乎为零，放电能力明显提高，延长了电池包的放电时间(额定容量下)。

本发明的PCB板上的所有电子元件都处于可接受的工作温度范围之内，大大提高了受环境温度影响的电子元件的可靠性及使用寿命。

目前电池包中的锂电池最佳存储状态是其电压在其额定标称电压附近(电量约40-50％左右)，而用户的使用习惯是在电池包放完电后直接放置在充电器上充电，充满电后也不会从充电器上取下，直到下次使用。这就要求电池包在充满电后始终保持满电状态，以备用户从充电器上取下电池包后可以立刻投入使用。但由于锂电池的自放电，电池包在长期放置后，电量就有所下降，单节电池电压下降到3.95V时，电池包又会被充至满电状态。这样就会使得锂电池长期处于满电状态，电池包容量随着时间的推移而变小，同时锂电池的寿命也在缩短。为了维持电池包的容量保证放电时间，本系统提出一种智能充电系统，本发明中的56V电池包主要匹配割草机等花园类工具使用，用户在使用后将电池包长期放在充电器上后，智能系统判断其是否处于不使用的空闲时期，若处于空闲时期，则将电池包放电至电池最佳存储电压，避免容量损失，处于存储状态；而使用频繁期时启动充电程序将电池包充满电，保持使用待机状态。

具体的，如图5、图6所示，在智能系统中增加实时时钟电路。由于季节的原因，一般花园内的杂草都会在5月至10月比较茂盛，也是割草机等花园类工具经常使用的季节，而其他月份这类工具大多不会被使用。根据这一使用特点，本发明的具体实施方式是：当用户在使用完工具后，将放完电的电池包放置在充电器上后，智能系统读取实时时钟电路的日历时间，若当前时间处于5月-10月间(使用忙季)，则控制充电器将电池包充满电；若当前时间处于11月-4月期间(使用闲季)，则控制充电器将电池包充电至50.4V(3.6V/节)，使锂电池处于最佳存储状态。

在10月末，即忙季向闲季的转折时间点，智能系统将启动电路，通过电路板自身的耗电将此时满电的电池包放电至50.4V，使锂电池处于最佳存储状态；同样，在5月初，闲季向忙季的转折时间点，智能系统则控制充电器将电池包充至满电状态，以备用户使用。

除了设置实时时钟电路，还可以在电路中不增加任何额外电路，利用现有的测温电路，由智能系统根据长期不工作时的电池包温度，间接得出环境温度，根据环境温度即可判断是否处于使用期的夏季。夏季使用期，电池包被充至满电状态，以备使用；冬季不使用期，电池包启动其自身的放电电路，将此时电池包放电至3.6V/节，使锂电池处于最佳存储状态。

还可以由智能系统判断电池包未被操作(包括充电或放电操作)的时间达到一定时间比如30天时，立即通过放电电路将电池放电至最佳存储状态(3.6V/节)，以保证锂电池芯的放电性能、容量及寿命随存储时间而衰减的程度降低到最小。若电池包插在充电器上，只要30天不操作，立即通过放电电路，将此时电池包放电至3.6V/节，让锂电池处于最佳存储状态。若需使用时，按下电池包的电量显示键启动充电程序，在充满电后即可投入使用。

电池包的存储状态和待机状态可根据智能系统自动切换，也可由操作面板上的控制开关触发，由用户根据需要手动选择设置电池包的充放电状态。操作面板可设置在电池包上或者充电器上或者机身上。

上述智能系统可以设置在电池包的控制器中，比如MCU，也可以设置在充电器的控制器中，如果电池包是内置式的，也可以将智能系统设置在机身里，也就是说无论是内置式不可拆卸电池包还是可拆卸电池包均在本发明的保护范围内。这样电池包容量就不会随着时间的推移而变小从而不会影响电池包的放电时间。

除了上述在电池包中设置吸热装置、温测装置、智能系统用于维持56V大容量电池包的放电时间外，为了实现不间断的循环放电本发明还配备了特定的充电系统，具体的如下：

如图7、图8分别示出了带有电池包100的充电器以及不带有电池包的充电器2的图示。

图9所示的是本发明直流系统的充电示意图。

设置在充电器2中的PCB组件模块包括：

图11所示的待机电源模块，该模块为控制系统以及辅助系统包括风扇、LED等提供电源；

图12所示的LLC模块，通过最优设计LLC谐振变换器的参数，使其在零电流开关和零电压开关的条件下满足输入输出变化的要求。

图12中所示的为半桥结构的LLC谐振变换器的主电路拓扑，两个主开关Q15和Q16构成一个半桥结构，其驱动信号均是固定0.5占空比的互补信号，串联谐振电感Lk、串联谐振电容C78和并联谐振电感Lp构成LLC谐振网络。在变压器副边，整流二极管DN3和DN4组成整流电路，整流二极管直接连接到输出电容C28、C36、C62上。当并联电感Lp上的电流iLp大于谐振槽路上的电流ip时，电流ip1大于零，原边向副边输送能量，同时并联电感两端电压被箝位，参与谐振的只有串联谐振电感Ls和串联谐振电容Cs，此时的谐振频率称为串联谐振频率，记作fs；当并联电感上的电流iLp在其上箝位电压的作用下线性上升到与谐振槽路电流ip相同时，电流减小到零，原边不再对副边传输能量，此时并联谐振电感Lp与串联谐振电感Ls、串联谐振电容Cs一起参与谐振，其谐振频率称为串并联谐振频率，记做fm。当开关管的工作频率小于fm时，变换器工作在容性状态；当开关频率处于fm和fs之间时，变换器工作在感性且副边整流二极管处于零电流关断状态，因此功率密度高、开关损耗小。通过该方案效率提高到93％，同时充电电流可接近或者大于8A，提高了充电效率。

图10为充电系统的电路框图，由于LLC开关电源的特性，当电池包被严重过放电需要充电时，为了避免开关电源的重启，增加一个小电流充电回路，用于激活电池包。

当电池包插入充电器，充电器没有接收到正常的指令，同时检测到NTC端口有电阻挂入，此时充电器认为有过放电池包插入，设定合适的电压，开启小电流充电回路，当检测不到NTC电阻认为电池包被拔除；当电池电压上升到正常电压后开始接收命令；

当电池包在充电过程中长时间过温，超过一定时间后，充电器自动拉低通讯脚，此时电池包认为充电器拔除，充电器通过NTC电阻判断电池包是否拔除。

当电池包在充电过程中长时间报错，超过一定时间，充电器重启通讯，之后如果进入正常充电，则清除错误标志。如果连续两次长时间报错，超过一定时间，充电器自动拉低通讯脚，此时电池包认为充电器拔除，充电器通过NTC电阻判断电池包是否拔除。

当电池包电压较低时，发送命令给充电器，可以按照8A电流正常CC充电，当电池包电压逐渐升高，升高到一定值V1，发送命令给充电器，按照V1恒压充电，充电电流到达一定值后，电池包检测该值后，发送命令给充电器，按照V2恒压充电，充电电流到达一定值后，电池包检测该值后，发送命令给充电器，停止充电，指示绿灯长亮。采用该方式在保证安全的情况下，达到超快速充电的目的，实现放电的不间断循环。

充电器内装有两个风扇，分别给充电器和电池包散热。这样能够最大程度保证充电器热量无法传递给电池包，缩短充电时间，优化本实施方式的不间断循环系统。

为了延长锂电池包的放电时间，本实施方式采用了56V的大容量的锂电池包。但大容量的锂电池包相对于小容量的锂电池包来说，放电能力弱，在电机开启过程中，无法提供长时间的大电流保证电机正常启动。这时就需要采用软启动的方式，缓慢增加电流，逐渐增加电机的转速，直到电机的转速达到需求。

具体的，主要由采集电机转速的传感器组成信号采集部分，电机的控制电路以及由机身控制器如MCU组成。

工作原理：由于割草机启动时可以在平地上(没有负载)也可以在草地上(带负载)，在启动过程中，MCU不断增加电机启动电路的PWM占空比，电机的转速逐渐上升，MCU同时检测电机的电流和电机的转速，一旦检测到电流超过保护值，停止增加PWM的占空比，维持当前的PWM值一定的时间，在这段时间内若电流值没有下降，则说明负载过大，停止软启动过程，切断电机的供电，等待关机；软启动过程中，电流值没有超过保护值，则当MCU检测到转速达到设定的转速值时，结束软启动过程，转到正常的恒速控制。

上述方案可解决大容量的锂电池包长时间大电流放电能力弱的问题，根除启动不正常的问题，减小大电流放电对电池寿命的影响，提高电池的使用寿命。

为了延长电池包的放电时间，提高电池的工作效率也是至关重要的，在目前的花园类割草机中，工作模式一般有集草模式、打草模式等几种工作模式，对电机转速的控制，一般有不调速，或分为几档的恒速来操作的。这两种方式都存在不同的缺点，不调速控制，在电池电量充足时，电机的转速过高，利用率低；几档恒速的虽然提高了满电时的利用率，但需要手动来调节转速。

对于采用电池供电的割草机，提高电池的割草效率是非常重要的，效率同以下几个因素有关：操作人员的行进速度，负载的大小(即电机的转速)，集草的方式。行进速度同转速成正比的关系，行进的速度越快，需要很高的转速才能有好的割草效果；集草模式时，需要集草，转速越高集草的效果就越好，打草模式时，因不需要集草，转速可以相对低一些，提高电池的使用效率。

如图13所示本实施方式主要包括信号采集部分，机身控制器如MCU来实现计算和控制的处理部分以及电机的控制电路，信号采集部分由采集割草机行进速度的传感器、采集是否需要集草的传感器和电机转速采集传感器组成。

工作原理：由采集割草机行进速度的传感器采集当前的行进速度，然后采集是否需要集草的信息(采集信号的传感器可以用HALL，或光电的，或机械机构来实现)，经MCU计算处理，决定当前电机需要的转速，输出PWM信号到电机的控制电路，控制电路控制电机的开关，再经电机转速采集到的当前的电机转速来调节PWM的占空比，使电机的转速恒定在设定的转速上，从而实现智能恒速的功能。

上述方案可实现割草机的速度自动调节并实现智能恒速功能，减少无用功耗，在行进速度快和负载大时，能够及时提供大功率，提高割草的效率，大大提高了电池包的利用率。

本发明采用的是56V锂电池包，若在控制器中的电源采用线性降压的方式，电源的效率会很低，本发明采用了Flyback开关电源解决了上述技术问题。

具体的，如图14，本实施方式的主要功能元件由一个开关变压器(T1)、控制芯片(U1)、MOSFET(Q2)和电源芯片(U7)组成。

工作原理：电池接入电路后，经R4提供控制芯片U1电源，U1启动，输出PWM信号驱动Q2，开关变压器T11、2绕组开始工作，经过耦合，T1的3、4绕组产生感应电压，此电压经过D4，D5后提供控制芯片的工作电源，同时经R6、R7分压后提供给控制芯片控制Q2的开启和关断的基准电压。Q2开启后R13两端的电压开始上升，当上升到R7的两端电压后，控制芯片关断Q2，变压器5、6之间的绕组产生电压，提供给控制电路供电。

由于采用的是flyback的开关电源设计方案，它的输入范围非常宽，允许十几伏至几百伏的输入电压，即使电机遇到堵转时产生上百伏的反电动势，加到电源的输入端，也不会导致电源受到高压冲击而失效，为整个控制器的正常稳定工作提供了良好的基础。

除了上述技术方案，本发明采用电机轴直接带动刀片的方式，消除中间传动环节的能量损耗并且减小刀片的负载，降低机器自身空载损耗。

本发明能实现用于直流花园类工具的无限循环使用，当工具配备一个电池包在放电使用时，充电器可以给另一个电池包进行充电，由于上述技术方案的支持，放电时间和充电时间的比值在25∶35，甚至放电时间大于等于充电时间，本实施方式中充满电的状态是指至少充满90％电量，这样的话用户完全可以利用两个电池包实现工具的无限循环不间断的使用，成本低且安全可靠，操作步骤可以是将一个充满电的锂电池包放置在割草机上进行放电使用，将另一个已放完电的锂电池包放置在充电器上进行充电，当割草机上的锂电池包放电结束后取下并换下充电器上的已充好电池包，已充好的锂电池包继续给割草机供电，这样就可实现两个电池包的交替更换充放电，实现可靠的低成本的无限循环供电。

Claims

1.一种直流系统，包括至少一个锂电池包，所述的锂电池包可以给直流花园类工具供电，所述的工具的功率大于等于500W，平均工作电流大于等于12A，其特征在于：所述的锂电池包具有一个大于等于56V的标称电压。

2.如权利要求1所述的直流系统，其特征在于：所述的锂电池包的标称电压为56V。

3.如权利要求2所述的直流系统，其特征在于：所述的锂电池包用于割草机的放电时间大于等于30分钟。

4.如权利要求1所述的直流系统，其特征在于：所述的锂电池包的电池容量接近4Ah。

5.如权利要求1所述的直流系统，其特征在于：所述的锂电池包内设置有吸热装置，所述的吸热装置包含有相变材料。

6.如权利要求5所述的直流系统，其特征在于：所述的锂电池包的至少一个电池元件外表面设置有相变材料。

7.如权利要求1所述的直流系统，其特征在于：所述的锂电池包内设置有测温装置，所述的测温装置至少包括一个含有PN结的电子元件。

8.如权利要求7所述的直流系统，其特征在于：所述的锂电池包内的测温装置至少包括一个三极管。

9.如权利要求1所述的直流系统，其特征在于：所述的直流系统具有一个智能充电系统，所述的智能系统可控制电池包处于待机状态或者存储状态。

10.如权利要求1所述的直流系统，其特征在于：所述的充电器中使用LLC开关电源给电池包进行充电。

11.如权利要求10所述的直流系统，其特征在于：所述的充电器以接近8A的充电电流给锂电池包充电。