CN103312010A - 具有蓄电池过热保护功能的电动车充电器 - Google Patents

Abstract

具有蓄电池过热保护功能的电动车充电器，它是在现有的普通蓄电池充电器的基础上增加一个电池温度检测电路和迟滞比较电路，当电池温度超过设定值时，就控制充电器进入浮充状态。热敏电阻和电阻相串联接在低压直流电源，通过分压得到随温度值而变化的温控电压，将该温控电压接在迟滞比较器的输入端，迟滞比较器的输出端经过二极管和电阻连接在开关电源的电压反馈电路的参考电压输入端，热敏电阻固定在电池盒内尽量靠近蓄电池的位置且与充电器之间通过导线实现电气连接。当蓄电池的温度超过某个较高温度值的时候，充电器就切换到浮充状态，使蓄电池温度下降，当蓄电池温度低于某个较低温度值的时候，充电器恢复照常充电的状态。

Description

具有蓄电池过热保护功能的电动车充电器

技术领域

本发明涉及一种给电动自行车或电动摩托车充电的装置，尤其是能实现电池过热保护功能的电动车充电器。

背景技术

根据是否采用工频（50赫兹）变压器，电动车充电器可分为两大类：货运电动三轮车的充电器一般使用带工频变压器的充电机，体积大、重量大，费电；电动自行车或电动摩托车则使用开关电源式充电器，体积小巧，省电，效率高。本发明所述的电动车充电器，指的是电动自行车或电动摩托车所使用的开关电源式的充电器。本发明所述的电动车电池，指的是电动车所用的铅酸蓄电池。

现有技术中电动车充电器一般都具有防反向充电功能、过载短路保护功能、充电器自身过热保护功能、电池过充保护功能，有些电动车充电器还具有高压限时充电功能、阀值电压强制转换功能，可是都不具有蓄电池过热保护功能。

“防反向充电”是多义词，该词的一个词义理解为：在充电器与蓄电池的正负极性接反的时候防止充电器对蓄电池进行放电；该词的另一个词义理解为：在充电器断电的时候防止蓄电池对充电器内部电路进行放电。本发明所述“防反向充电”指的是后一种词义理解。目前市场上所有的充电器都已具有防反向充电的功能，一般都是通过在充电器的输出端接一个二极管来实现，利用二极管的单向导电性能，防止在突然停电的时候电流从蓄电池倒灌入充电器内部。

目前电动车充电器的电池过充保护功能一般都是通过三阶段充电方式来实现：第一阶段叫“充电限流阶段”，也叫恒流阶段，充电器用较大的限定电流给电池充电，电池两端的电压逐渐上升，当上升到某个所设定的最高电压值时，充电就进入第二阶段，叫“高压充电阶段”，也叫恒压阶段，充电器保持该最高电压值给电池充电，充电电流逐渐减小，当充电电流减小到某个所设定的转换电流值的时候，进入第三阶段，叫“低压充电阶段”，也叫浮充阶段，充电器以浮充电压给电池进行涓流充电，同时充电指示灯由红灯变成绿灯。不同充电器的在第一阶段所限定的电流值、在第二阶段所设定的最高电压值、在第二阶段与第三阶段之间的转换电流值、在第三阶段的浮充电压值这四个参数的值是不一样的，这四个参数的取值与蓄电池数目、蓄电池的容量、环境温度和蓄电池种类有关。

正常使用中的铅酸蓄电池，难免会发生不同程度的失水和硫化，随着电池使用时间的增加，电池的失水和硫化的程度会变得越来越严重，这个过程也叫做电池的老化，随着电池的老化，包括电池容量在内的电池各项性能逐渐变差，直到无法再给电池充电或充电后电动车骑行无力的时候，就表明电池的使用寿命已尽。如果在使用过程中出现电池组失衡或电池热失控的情况，就会加速电池的老化，会缩短电池的使用寿命。目前市场上大约97%的铅酸蓄电池损坏都是失水和硫化造成的。

电动车的铅酸蓄电池的使用寿命大约是两年，这只是一个平均值，在具体的实际应用中，电池寿命可能是明显地大于或小于这个平均值。如果人们骑行电动车的使用频率越高，充电次数越频繁，那么电池的使用寿命就越短。另外，合理地维护和保养电池可以在一定程度上延长电池使用寿命。目前人们都还无法准确判断正在使用中的蓄电池究竟还能再使用多长时间，人们只是发现电池容量越来越小，充一次电所能骑行的距离越来越短，直到无法再给电池充电或充电后电动车骑行无力的时候，人们才去更换新电池。所以，使用中的蓄电池，一定会由于某此原因而存在着不同程度的受损坏的情况。

在电动车蓄电池受损坏的程度较严重的时候，采用三阶段充电方式的电动车充电器的电池过充保护功能就很可能会失效。因为采用三阶段充电方式的充电器是利用充电过程中的电池两端电压和充电电流来实现三个阶段之间的切换，可是在电池受损坏程度较严重的时候，电池两端电压可能始终无法上升到所设定的最高电压值，或者充电电流始终无法下降到所设定的转换电流值，充电器就无法正常实现三个阶段之间的转换，就会造成给蓄电池过充电的后果。如果电池两端的电压始终无法上升到第二阶段的所设定的最高电压值，那么充电器就会一直使用第一阶段所限定的电流给电池进行充电，从而导致电池过充电的后果；如果电池两端电压虽然有上升到所设定的最高电压值，但是充电电流始终无法下降到在第二阶段与第三阶段之间的转换电流值，那么充电器就会一直用所设定的最高电压值给电池进行充电，从而导致电池过充电的后果。使用过电动车的人们都会遇到这种现象：电动车使用了一段时间后（比如在使用了两年后），不论给电池充电多长时间，充电器上的充电指示灯都不会再变成绿灯，人们会误以为电池的充电过程还没完成，就这样一直给电池充电，结果电池盒表面温度会变得很高很烫手，这是因为充电器的过充保护功能失效而导致的蓄电池过充电的结果。过充电会加剧电池受损坏的程度和进一步缩短电池的使用寿命。

目前市场上，有一些电动车充电器采用“高压限时充电技术”以弥补三阶段充电方式的不足，该技术在因未缴年费而终止失效的专利号为2006200705836专利名称为“高压限时充电器”的中国实用新型专利的专利文件中有详细介绍，这里只对该技术作简单的介绍和评价。高压限时充电器，就是在三阶段充电方式充电器的基础上增加了一个定时控制电路，当充电器进入第二阶段的“高恒压充电阶段”且充电电流减小到一定数值时，开始计时，限制充电时间，到达设定时间后，强行转换到浮充阶段，以实现对“高压充电阶段”进行限时。高压限时充电器虽然在某些理想条件下可以缓解蓄电池过充电的后果，但是仍存在下列缺陷：

1. 高压限时充电器要求充电器进入“高压充电阶段”且充电电流减小到一定数值才能开始计时，如果因蓄电池受损坏的程度较严重，导致电池两端电压始终无法上升到所设定的最高电压值，或者导致充电电流始终无法减小到开始计时所要求的电流数值的时候，高压限时充电器就无法开始计时，高压限时充电功能因此不能发挥作用，从而导致蓄电池过充电的后果；

2.因为不同的电池组的充电时间各不相同，就算是同一个电池组，所需要的充电时长也会随着电池的老化而逐渐改变，所以高压限时充电器所限定的充电时长值难以准确设定，如果所限定的充电时间太短，就会导致蓄电池充电不足，如果所限定的充电时间太长，就会导致蓄电池过充电；

3. 高压限时充电器内的定时控制电路开始计时之后，如果遇到停电，过一会儿又恢复供电，充电器内的电子计时器就会重新从零开始计时，相当于重新给蓄电池充电一遍，造成电池实际充电时长超出了充电器所限定的时长，从而导致蓄电池过充电的后果。同样的道理，反复插拔充电器的供电插头或插头处电气接触不良都可能会影响到高压限时充电功能，从而导致蓄电池过充电的后果。

理想的铅酸蓄电池充电过程基本上是这样的：全新的蓄电池在放完电之后，用相匹配的三阶段式充电器进行充电，一般在经过限流充电6小时后可进入高恒压充电阶段，又再经过高压充电3小时后可进入浮充阶段，也就是说，自充电器开始充电后大约9小时转换到浮充阶段。

目前市场上，也有一些电动车充电器是采用“阀值电压强制转换技术”，它也是在三阶段充电方式充电器的基础上增加一个定时控制电路，它是自充电器开始充电起就开始计时，如果计时的时长达9小时，那么充电器会强行转换到浮充阶段。与高压限时充电器对比，阀值电压强制转换充电器最大的优点是：不管电池两端电压值是多小，也不管充电电流值是多大，只要充电时长达到定时器所设定的值，充电器就会把阀值电压强制转换为浮充电压。阀值电压强制转换充电器仍存在下列缺陷：

1.阀值电压强制转换功能是根据新电池的理想充电过程来设定的标准充电时长，实际使用中的蓄电池很可能已是受到一定程度的损坏，电池容量已减小，电池在充电还不到9小时就已被充满，之后再对蓄电池进行的充电就属于过充电；

2.如果在充电过程中充电器被断电后又再次接通电，充电器内的计时器就会重新从零开始计时，相当于重新给蓄电池充电一遍，会造成电池实际充电时长超出充电器所限定的时长，从而导致蓄电池过充电的后果。同样的道理，反复插拔充电器的供电插头或插头处电气接触不良都会影响阀值电压强制转换功能，从而导致蓄电池过充电的后果。

不同的蓄电池数目、蓄电池容量和蓄电池种类，要求使用不同规格的充电器进行充电，也就是说蓄电池组与充电器的规格参数应相匹配使用，否则，如果蓄电池组与充电器的电气参数规格不匹配，比如充电电流太大，或者充电电压太高，等等，也可能会造成给蓄电池过充电的后果。

目前国内有数量庞大的电动车正被人们使用着，每天都有大量的电动车在充电，给蓄电池过充电会浪费很多的电能，会给国家造成大量的电力能源浪费，这些电能并没有转化为蓄电池的电量，而是使电池产生气体析出和大量的热能，如果散热条件不好，就会导致热量聚集电池温度持续上升，不但会加剧电池受损坏的程度和进一步缩短电池的使用寿命，而且可能引发电动车自燃等严重火灾事故，目前已有社会新闻报道了在充电过程中的电动车电池自燃而引发的多起火灾事故。

现有技术中的电动车充电器和蓄电池是相互分开的，两者之间通过一条长导线实现电气连接，因此充电器和蓄电池之间可能存在很大的温差，充电器的自身过热保护功能只限于为充电器自身内部的电路器件提供过热保护，如果蓄电池的温度很高可是充电器的温度不高，充电器就还会继续给蓄电池充电，而不会为蓄电池提供过热保护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中的电动车充电器无法杜绝电池过充电的问题，电池过充电会浪费许多电能、会引起电池温度升高以及可能引发电动车自燃等事故、会加剧电池受损坏的程度和进一步缩短电池的使用寿命，而且充电器的自身过热保护功能只限于为充电器自身内部的电路器件提供过热保护却不能为蓄电池提供过热保护。

为了克服上述的现有电动车充电器的不足，本发明提供一种电动车充电器，不仅具有现有电动车充电器的各个已有的功能，而且具有电池过热保护功能，也就是说，如果当电池温度升高到所限定的温度值，该充电器就自动转换到浮充状态，以达到缓解蓄电池的过充电、节约电能、避免电池温度过高、避免发生自燃事故、延长电池使用寿命的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：热敏电阻和电阻相串联之后连接在低压直流电源上，通过分压得到电压值随温度值而变化的温控电压，将该温控电压接到迟滞比较器的输入端，迟滞比较器的输出端经过一个二极管和一个可调电阻连接在开关电源的电压反馈电路的参考电压输入端，热敏电阻固定在电池盒内尽量靠近蓄电池的位置，其它电路组件置于充电器壳体内，热敏电阻与充电器之间通过导线实现电气连接。下面对该技术方案的原理作进一步的解说。

虽然目前市场上采用开关电源电路结构的电动车充电器种类很多，但是它们都具有以下共同点：充电器电路中都有低压直流电源和电压反馈电路。低压直流电源用来为充电器内的低压电路部分的集成电路供电。电压反馈电路用来控制充电器的输出电压值，电压反馈电路都有一个位于低压电路部分的参考电压输入端，施加在该参考电压输入端的电压值越低，充电器的输出电压就越高，也就是说，采用开关电源电路结构的电动车充电器是通过改变电压反馈电路的参考电压输入端的电压值，来实现改变充电器的输出电压。充电器电路中的低压直流电源和电压反馈电路结构，是实现本发明的技术方案的基础。

把一个热敏电阻和若干个电阻进行串联，再接到充电器内的低压直流电源上，由于电阻的阻值不会随温度发生明显变化，且由于热敏电阻的阻值会随温度而发生明显改变，所以经电阻和热敏电阻分压得到的电压值会随温度而发生变化，从而得到温控电压，将该温控电压连接到迟滞比较器的输入端，通过调整迟滞比较器的基准比较电压值和反馈电阻值，以及通过调整与热敏电阻相串联的各电阻的阻值，就可以实现在某个较低温度值的时候让迟滞比较器由输出低电平的状态转换到输出高电平的状态，以及实现在另一个较高温度值的时候让迟滞比较器由输出高电平的状态转换到输出低电平的状态。

迟滞比较器的输出端经过一个二极管和一个可调电阻连接在开关电源的电压反馈电路的参考电压输入端，就可以实现控制开关电源的输出电压值，也就是充电器的输出电压值。由于开关电源的电压反馈电路的参考电压输入端同时还连接有来自其它电路的电压信号，为了避免相互干扰，因此要在迟滞比较器的输出端接一个二极管。当迟滞比较器输出低电平的时候，二极管处于截止状态，迟滞比较器就不会影响开关电源的工作，这时充电器就可以当作是没有迟滞比较器的存在，充电器照常对蓄电池进行充电；当迟滞比较器输出高电平的时候，二极管导通，把一个相对较高的电压值施加到电压反馈电路的参考电压输入端，使开关电源输出相对较低的电压值。在迟滞比较器输出高电平的时候，通过调节迟滞比较器输出端的可调电阻，就可以实现调节开关电源的输出电压值，比如，可以通过调节迟滞比较器输出端的可调电阻，实现在迟滞比较器输出高电平的时候让开关电源输出浮充电压值。

本发明的有益效果是：

1.缓解蓄电池的过充电。有许多种原因都有可能导致蓄电池过充电的后果，过充电会使蓄电池温度升高，当温度上升到所限定的温度值，本发明所述充电器就能自动切换到涓流充电状态，这相当于是暂停了充电的过程，所以本发明能够缓解所有原因导致的蓄电池的过充电；

2.节约宝贵的电能。过充电所耗费的电能并不会转化为蓄电池的电量，而是让电池产生析气和发热，本发明所述充电器在电池过热时会切换到涓流充电状态，使充电器的耗电功率减小很多，可以节约宝贵的电能，由于国内在用电动车的数量非常庞大，而且每组蓄电池在使用寿命过程中都要被充电好几百次，可想而知每天都有数量非常多的电动车在充电，如果电动车都采用本发明所述充电器进行充电，就可以给整个社会节省大量的电力能源；

3.有效限制蓄电池的温度。不管是什么原因，只要电池温度上升到所限定的温度值，本发明所述充电器就会切换到涓流充电状态，让电池温度逐渐下降，一方面能让蓄电池在充电过程中始终保持较低的温度，可杜绝蓄电池发生热失控，有利于缓解蓄电池的失水和硫化，有利于延长蓄电池使用寿命；另一方面，因为蓄电池在充电过程中的温度再也不可能升高到电动车的着火点温度，所以能够杜绝因蓄电池过充电导致的电动车自燃事故。

附图说明

附图是本发明的经过简化后的电气连接示意图，图中用一个模块MOD代表现有技术中的普通的电动车充电器电路，图中只画出了它与本发明有关的五个电气连接点且用数字进行编号，1和2是电源输入端的连接点，4和5是充电电压输出端的连接点，3是充电器的开关电源的电压反馈电路的参考电压输入端的连接点。图中的A、B两端是与市电相连的电源输入端。

J1和J2是充电器和蓄电池之间实现电气连接的公母头接插件。与充电器相连的J1是母头端，N1、L1和E1是J1的三个电气接插孔，N1和L1分别接充电器输出电源的正极和负极。与蓄电池组相连的J2是公头端，N2、L2和E2是J2的三个电气接插引脚，N2和L2引脚分别接蓄电池组的正极和负极，当J1和J2相接插的时候，N1和N2、L1和L2、E1和E2分别实现电气连接。

BT是蓄电池组，RT是热敏电阻。U1A是运算放大器，R1、R2、R3、R4、R5是电阻，RP1和 RP2是可调电阻，D1是二极管。其中U1A和电阻R1、R2、R3组成一个迟滞比较器。

具体实施方式

附图中，U1A和电阻R1、R2、R3一起组成一个迟滞比较器，R2和R3通过分压为U1A的反相输入端提供基准比较电压，R1是正反馈电阻。

可调电阻RP2和电阻R4、R5相串联，RP2的一端与低压直流电源正极相连，R5的一端与E1相连，热敏电阻RT的两个引脚分别连接在E2和L2，当J1和J2相接插的时候，就实现了RP2、R4、R5和RT这四者相串联，并且是串联接在低压直流电源的正负两极之间，通过分压，在R4和R5的中间得到温控电压，该温控电压被连接到迟滞比较器的U1A的同相输入端，因此迟滞比较器的输出端状态就受到温控电压的控制。在热敏电阻RT选定之后，通过合理选取R1、R2、R3、R4、R5的阻值和适当调整RP2的阻值，就可以达到如下效果：当热敏电阻RT的温度从低于50摄氏度上升到50摄氏度的时候，U1A就由输出低电平的状态转换到输出高电平的状态，以及当热敏电阻RT的温度从高于40摄氏度下降到40摄氏度的时候，U1A就由输出高电平的状态转换到输出低电平的状态。

迟滞比较器的U1A的输出端经过二极管D1和可调电阻RP1，连接在充电器的开关电源的电压反馈电路的参考电压输入端的连接点3。当迟滞比较器输出低电平的时候，D1处于截止状态，起到隔离的作用；当迟滞比较器输出高电平的时候，D1处于导通状态，因此充电器的连接点3的电压值上升，使充电器的输出电压值下降。通过适当调节可调电阻RP1的阻值，可使迟滞比较器输出高电平的时候充电器的输出电压值等于浮充电压。

现有技术中的电动车充电器都有浮充指示LED灯，且一般是利用绿色的LED灯，当充电器处于浮充状态时，该绿色指示灯就会亮起。所以，也可以将本发明上述的迟滞比较器的输出端与充电器里的作为浮充电状态指示的绿色LED灯相连，当U1A输出高电平的时候，就能让充电器的绿色指示灯亮起来。

U1A、R1、R2、R3、R4、R5、RP1、 RP2、D1和MOD一起置于充电器的壳体内，热敏电阻RT和蓄电池组BT一起放置在电池盒内。由于电动车在骑行过程中处于振动状态，所以最好是用螺丝钉把热敏电阻RT锁紧固定在电池盒内。为了让热敏电阻RT的温度尽量和蓄电池温度一致，将热敏电阻RT固定在尽量靠近蓄电池的位置。

按照附图连接电路，为了让温控电压随温度的上升而升高，就要求RT采用正温度系数的热敏电阻，也就是说RT的阻值随温度的上升而变大。RT采用正温度系数的规格，还有一个特别巧妙的有益效果是：当热敏电阻RT因接触不良或其它原因而没有被接入电路中的时候，充电器会一直处于浮充状态，以防蓄电池过充电。这是因为，如果RT断开，就相当于充电器的L1与E1之间的电阻值异常大，比较器U1A的同相输入端电压接近VCC的值，比较器U1A就会输出高电平，因此开关电源就输出低电压值，充电器就处于浮充状态。等待用户排除故障，把RT接入电路之后，才能照常给电动车蓄电池充电，因此可以避免因RT被断开而导致蓄电池过充电。

目前有很多的家用电器的电源线都是采用品字形Y3-F规格的接插头，按照电力行业的规定，品字形Y3-F规格的接插头的三个引电脚分别用字母命名为N、L、E，其中 L脚和N脚分别接市电的火线和零线，E脚接地线。现有的电动车充电器与蓄电池之间都是通过充电线实现电气连接，大部分的充电线与蓄电池之间的接插方式都是采用品字形Y3-F接头实现接插，充电线一般都是三芯护套线，也就是在里面包含有三条独立的导线，现有的电动车充电器的充电线中只利用了其中的与N脚和L脚相连的两条导线，用来分别连接充电器输出电源的正极和负极，充电线里的与E脚相连的导线则被闲置不用。

本发明附图中的J1和J2就是品字形Y3-F规格的母头和公头。一方面，本发明照常利用充电线里的与N1和L1相连的两条导线分别连接充电器输出电源的正极和负极，实现充电器输出端与蓄电池之间的电气连接；另一方面，本发明还创造性地利用充电线里的与E1相连的地导线和与L1相连的负极导线实现电池盒里的热敏电阻RT与充电器内相关电路之间的电气连接。

J2固定在电池盒外面，J1通过一条1米长的三芯护套线与充电器壳体内的电路保持相连。在A、B两端通过导线引出一个电源插头，该插头可以插在市电插座上实现由市电供电。要电动车蓄电池充电的时候，先把J1和J2相接插，然后再把A、B端的电源插头插在市电插座上，就可以实现给电动车充电，如果蓄电池温度上升到50摄氏度，充电器就会转换到浮充状态，蓄电池温度因此会逐渐下降，当蓄电池温度下降到40摄氏度的时候，充电器才能恢复对蓄电池的照常充电，因此蓄电池的温度始终被限制在50摄氏度以下，实现了对电动车蓄电池的过热保护。

Claims (5)

1.具有蓄电池过热保护功能的电动车充电器，采用开关电源电路结构，具有防反向充电功能、过载短路保护功能、充电器自身过热保护功能，其特征是：热敏电阻和电阻相串联之后连接在直流电源上，通过分压得到电压值随温度值而变化的温控电压，将该温控电压连接在迟滞比较器的输入端，迟滞比较器的输出端经过二极管和电阻连接在开关电源的电压反馈电路的参考电压输入端，热敏电阻固定在电池盒内靠近蓄电池的位置，其它电路组件置于充电器壳体内，热敏电阻与充电器之间通过导线实现电气连接。

2.根据权利要求1所述的具有蓄电池过热保护功能的电动车充电器，其特征是：热敏电阻是正温度系数的热敏电阻。

3.根据权利要求1所述的具有蓄电池过热保护功能的电动车充电器，其特征是：热敏电阻与充电器之间是利用三芯充电线的地导线和负极导线实现电气连接。

4.根据权利要求1所述的具有蓄电池过热保护功能的电动车充电器，其特征是：迟滞比较器的输出端与充电器的浮充状态指示灯相连。

5.根据权利要求1所述的具有蓄电池过热保护功能的电动车充电器，其特征是：热敏电阻在电池盒内的固定方式是用螺丝锁紧的方式固定。

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