CN103475078A - 一种大功率动力电池组的充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大功率动力电池组的充电装置，包括三相变压器、三相可控硅移相调压整流电路、IGBT负脉冲放电电路、三相充电控制器、电池组管理系统；三相变压器的初级通过接触器与三相电源相连接、次级连接所述整流电路，在所述整流电路与电池组之间设置二次电流和电压采样电路；IGBT负脉冲放电电路并联在电池组的正负极之间；电池组管理系统用于采集电池组中每个电池的电压和温度信号；三相充电控制器根据二次电流和电压采样电路采集的电流和电压信号以及每个电池的电压和温度信号控制接触器、所述整流电路和IGBT负脉冲放电电路对电池组进行连续充电或间歇脉冲充电与负脉冲放电组合充电；本发明输出功率大，充电快，且能延长电池的寿命。

Description

一种大功率动力电池组的充电装置

技术领域

本发明涉及动力电池组的充电装置，尤其是一种大功率动力电池组的充电装置。

背景技术

据中科院研究分析，去年雾霾天气事件，来自燃油汽车尾气排放的烃类有机颗粒物占比达到18%，治理雾霾已成为国家战略和全社会热点问题，汽车尾气排放已成为城市污染物主要成因之一。而以动力电池为新能源的电动汽车开辟了零排放的全新领域，动力电池作为电动汽车的核心能源，动力电池的续航能力、充电速度和电池使用寿命，即充得多，充得快，寿命长，已成为电动汽车能否快速发展的重要技术指标，这其中充电装置起到关键性的作用。现有的充电装置主要存在两大问题：

1）输出功率较小，充电速度慢，无法满足电动汽车2C或者4C的快速充电要求，特别是长途大巴，电池组能量超过1000Ah，难以实现途中快速加电。目前市面上的充电装置主要采用的是单相变压器整流输出对动力电池进行充电。一种是单相工频，其基本原理是：单相变压器输出→整流成脉动直流→加到电池组。这种充电装置在充电过程中存在严重的不平衡用电，功率因数波动大，会严重影响局部电网用电的稳定性，且单机充电装置的输出功率普遍低于60kW；另一种是单相高频，其基本原理是：三相输入整流成直流→通过IGBT逆变成交流→单相高频变压器→整流成脉动直流→加到电池组。这种充电装置虽解决了电网三相平衡输入，但由于仍然采用单相高频变压器，在高频工作状态下，输出功率也很受限制，普遍小于30kW，且存在不同程度的高频辐射和电磁兼容问题。

2）充电电流不科学，影响了动力电池的使用寿命。理论和实践证明电池组充放电是一个复杂的电化学过程，一般来说充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，不可能自动按恒流或者恒压充电，而且充电过程中影响充电的因素很多，电池的析气电压、温度、极板活性物等都会使充电产生很大差异。动力电池组长期工作在循环状态下，质量不高的充电装置必然会大大缩短电池的寿命，众多电池专家说：“电池不是用坏的，而是充坏的”。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大功率动力电池组的充电装置，能够三相交流平衡输入，直流输出功率大，充电速度快，且能延长动力电池的使用寿命。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种大功率动力电池组的充电装置，包括三相变压器、三相可控硅移相调压整流电路、IGBT负脉冲放电电路，还包括三相充电控制器、电池组管理系统；

三相变压器的初级线圈通过接触器与三相电源相连接，三相变压器的次级线圈连接三相可控硅移相调压整流电路输入端，所述整流电路输出端的正极连接一个单相导通二极管的正极，所述二极管的负极连接一电流采样电阻前端，电流采样电阻后端与电池组的正极连接，所述整流电路输出端的负极连接电池组的负极；

IGBT负脉冲放电电路并联在电池组的正负极之间；

电池组的正极还连接第一电阻一端，电池组的负极还连接电压采样电阻一端，第一电阻与电压采样电阻相串联；

电流采样电阻的电流信号和电压采样电阻的电压信号输送给三相充电控制器；

所述电池组管理系统通过温度传感器和电压采集电路采集电池组中每个电池的电压和温度并把每个电池的电压和温度信号通过RS485或CAN通讯接口传输给三相充电控制器；

所述三相充电控制器连接三相电源并根据电流采样电阻的电流信号和电压采样电阻的电压信号以及每个电池的电压和温度信号控制接触器、三相可控硅移相调压整流电路和IGBT负脉冲放电电路对电池组进行连续充电或间歇脉冲充电与负脉冲放电组合充电。

优选所述三相可控硅移相调压整流电路包括六个可控硅，第一可控硅的正极与第四可控硅的负极连接并与三相变压器次级的第一端连接，第一可控硅的负极连接所述二极管的正极，第四可控硅的正极连接电池组负极；第三可控硅的正极与第六可控硅的负极连接并与三相变压器次级的第二端连接，第三可控硅的负极连接所述二极管的正极，第六可控硅的正极连接电池组负极；第五可控硅的正极与第二可控硅的负极连接并与三相变压器次级的第三端连接，第五可控硅的负极连接所述二极管的正极，第二可控硅的正极连接电池组负极；第一可控硅、第二可控硅、第三可控硅、第四可控硅、第五可控硅、第六可控硅的控制端分别与三相充电控制器的输出端相连接。

优选所述IGBT负脉冲放电电路包括IGBT开关管、第二电阻和第三电阻，IGBT开关管的发射极连接第二电阻，第二电阻再连接电池组的负极，IGBT开关管的集电极连接第三电阻，第三电阻再连接电池组的正极，IGBT开关管的控制极连接所述三相充电控制器一个输出端。

进一步改进，所述第三电阻为可变电阻。以方便调整放电速度。

进一步改进，所述第一电阻由三个电阻串接构成。扩大第一电阻选择范围，以降低生产成本。

进一步改进，所述三相电源的引入端设置有断路器。方便对输入电源的控制。

进一步改进，还包括触摸屏，所述触摸屏通过RS485通讯接口连接三相充电控制器。三相充电控制器通过触摸屏人机交互界面，根据电池组的额定容量，可以自主设定电池组额定电压；可以自主设定充电时间、充电电量；自主设定快冲、中充、慢充方式。提供人性化的交互界面和充电方式选择，解决了一台充电装置满足多种动力电池组的充电需求，克服了充电装置与动力电池组一对一的技术瓶颈。

本发明相比于传统充电装置具有以下优点：

1、采用三相变压器和三相可控硅移相调压整流电路相配合进行充电，保证局部电网用电的平衡和稳定性，可以得到较大输出功率，本发明最大充电电流可达到600A，最大输出功率可达400kW；

2、在三相可控硅移相调压整流电路与电池组之间设置了二次电流取样电路和二次电压取样电路，同时三相充电控制器设置了CAN/RS485串行通讯接口，能通过电池组管理系统获取每一块单体电池的电压、温度信息；然后根据二次电流和电压取样信号，三相充电控制器自动动态跟踪电池组所能接受的最大充电电流，提高了充电速度；

3、根据电池组管理系统通讯获取的温度信息，三相充电控制器自动换算出电池组两端当前可能接受的最大析气电压，并通过可控硅移相调压，设定最大输出电压，确保不产生过电压充电；

4、根据电池组管理系统获取单体电池的两端电压，可以准确判断单体电池阻抗的变化状态，当某一块电池阻抗升高或两端电压提前超过设定值或温度超过设定值时，控制器自动转换成间歇脉冲充电与负脉冲放电组合充电模式，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，能够除去电池正极板上的气体，并使氧气在负极板上被吸收，从而解决了电池在快速充电过程中的极化问题，这个过程还可以降低电池内部的压力、温度、阻抗，减少能量的损耗，使电能更有效地转化为化学能并存储起来，提高了充电效率和电池的充电接受能力，从而大大提高充电速度，缩短充电时间；

5、当快速充电量达到98%时，控制器还可以自动转换成涓流浮充，直到充电电流减小到接近零和完全充满为止。

因此，本发明输出功率大，充电速度快，且能延长动力电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1所示，一种大功率动力电池组的充电装置，包括三相变压器1、三相可控硅移相调压整流电路2、IGBT负脉冲放电电路3、三相充电控制器4、触摸屏5、电池组管理系统6，所述触摸屏5通过RS485通讯接口连接三相充电控制器4；

三相变压器1的初级线圈通过接触器7与三相电源相连接，所述三相可控硅移相调压整流电路2包括六个可控硅，第一可控硅V1的正极与第四可控硅V4的负极连接并与三相变压器1次级的第一端连接，第一可控硅V1的负极连接一个单相导通二极管D1的正极，第四可控硅V4的正极连接电池组8负极；第三可控硅V3的正极与第六可控硅V6的负极连接并与三相变压器1次级的第二端连接，第三可控硅V3的负极连接所述二极管D1的正极，第六可控硅V6的正极连接电池组8负极；第五可控硅V5的正极与第二可控硅V2的负极连接并与三相变压器1次级的第三端连接，第五可控硅V5的负极连接所述二极管D1的正极，第二可控硅V2的正极连接电池组8负极；第一可控硅V1、第二可控硅V2、第三可控硅V3、第四可控硅V4、第五可控硅V5、第六可控硅V6的控制端分别与三相充电控制器4的输出端相连接；

所述二极管D1的负极连接一电流采样电阻Rs1前端，电流采样电阻Rs1后端与电池组8的正极连接；

电池组8的正极还连接第一电阻9一端，电池组8的负极还连接电压采样电阻R4一端，第一电阻9与电压采样电阻R4相串联，所述第一电阻9由三个电阻R1、R2、R3串接构成；

IGBT负脉冲放电电路3并联在电池组8的正负极之间；所述IGBT负脉冲放电电路3包括IGBT开关管31、第二电阻R5和第三电阻Rs2，IGBT开关管31的发射极连接第二电阻R5，第二电阻R5再连接电池组8的负极，IGBT开关管31的集电极连接第三电阻Rs2，第三电阻Rs2再连接电池组8的正极，IGBT开关管31的控制极连接三相充电控制器4一个输出端；

所述第三电阻Rs2可选用可变电阻；

电流采样电阻Rs1的电流信号和电压采样电阻R4的电压信号输送给三相充电控制器4；

所述电池组管理系统6通过温度传感器和电压采集电路采集电池组8中每个电池的电压和温度并把每个电池的电压和温度信号通过RS485或CAN通讯接口传输给三相充电控制器4；

所述三相充电控制器4连接三相电源并根据电流采样电阻Rs1的电流信号和电压采样电阻R4的电压信号以及每个电池的电压和温度信号控制接触器7、三相可控硅移相调压整流电路2和IGBT负脉冲放电电路3对电池组8进行连续充电或间歇脉冲充电与负脉冲放电组合充电；

在三相电源的引入端还设置有断路器10。

所述三相充电控制器4可以选用工业计算机或工业PC机等能够执行计算和控制程序的微机系统。

本实施例可实现以下设计参数：

1）交流输入：输入交流电压：三相380VAC/50HZ，输入线电流：175A，输入视在功率：115kVA；

2）直流输出：输出额定电压：468VDC，输出额定电流：206ADC，输出额定功率：100kW，输出波形脉动频率300HZ；

3）负脉冲放电：放电脉冲电流：500ADC，脉宽：2mS（可调）；负载电池组由120只（单体3.3V/570A）组成或由2*120并联的电池组，充电装置一次充电，长途大巴可续航350kM或700kM。

以上仅是本发明一个较佳的实施例，本领域的技术人员按权利要求作等同的改变都落入本案的保护范围。

Claims (7)

1.一种大功率动力电池组的充电装置，包括三相变压器、三相可控硅移相调压整流电路、IGBT负脉冲放电电路，其特征在于：还包括三相充电控制器、电池组管理系统；

三相变压器的初级线圈通过接触器与三相电源相连接，三相变压器的次级线圈连接三相可控硅移相调压整流电路输入端，所述整流电路输出端的正极连接一个单相导通二极管的正极，所述二极管的负极连接一电流采样电阻前端，电流采样电阻后端与电池组的正极连接，所述整流电路输出端的负极连接电池组的负极；

IGBT负脉冲放电电路并联在电池组的正负极之间；

电池组的正极还连接第一电阻一端，电池组的负极还连接电压采样电阻一端，第一电阻与电压采样电阻相串联；

电流采样电阻的电流信号和电压采样电阻的电压信号输送给三相充电控制器；

所述电池组管理系统通过温度传感器和电压采集电路采集电池组中每个电池的电压和温度并把每个电池的电压和温度信号通过RS485或CAN通讯接口传输给三相充电控制器；

所述三相充电控制器连接三相电源并根据电流采样电阻的电流信号和电压采样电阻的电压信号以及每个电池的电压和温度信号控制接触器、三相可控硅移相调压整流电路和IGBT负脉冲放电电路对电池组进行连续充电或间歇脉冲充电与负脉冲放电组合充电。

2.根据权利要求1所述的一种大功率动力电池组的充电装置，其特征在于：所述三相可控硅移相调压整流电路包括六个可控硅，第一可控硅的正极与第四可控硅的负极连接并与三相变压器次级的第一端连接，第一可控硅的负极连接所述二极管的正极，第四可控硅的正极连接电池组负极；第三可控硅的正极与第六可控硅的负极连接并与三相变压器次级的第二端连接，第三可控硅的负极连接所述二极管的正极，第六可控硅的正极连接电池组负极；第五可控硅的正极与第二可控硅的负极连接并与三相变压器次级的第三端连接，第五可控硅的负极连接所述二极管的正极，第二可控硅的正极连接电池组负极；第一可控硅、第二可控硅、第三可控硅、第四可控硅、第五可控硅、第六可控硅的控制端分别与三相充电控制器的输出端相连接。

3.根据权利要求1所述的一种大功率动力电池组的充电装置，其特征在于：所述IGBT负脉冲放电电路包括IGBT开关管、第二电阻和第三电阻，IGBT开关管的发射极连接第二电阻，第二电阻再连接电池组的负极，IGBT开关管的集电极连接第三电阻，第三电阻再连接电池组的正极，IGBT开关管的控制极连接所述三相充电控制器一个输出端。

4.根据权利要求3所述的一种大功率动力电池组的充电装置，其特征在于：所述第三电阻为可变电阻。

5.根据权利要求1所述的一种大功率动力电池组的充电装置，其特征在于：所述第一电阻由三个电阻串接构成。

6.根据权利要求1所述的一种大功率动力电池组的充电装置，其特征在于：所述三相电源的引入端设置有断路器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种大功率动力电池组的充电装置，其特征在于：还包括触摸屏，所述触摸屏通过RS485通讯接口连接三相充电控制器。

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