CN106253395B - 一种电动车用智能型充电装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动车用智能型充电装置及其使用方法，属于电动车充电设备技术领域，其中装置包括三相交流电源、主控单元、充电回路单元、输出控制单元、防反接单元、数据采集单元、人机交互单元、无线通信单元和后台服务器，主控单元分别与充电回路单元、输出控制单元、防反接单元、数据采集单元、人机交互单元和无线通信单元连接，后台服务器与无线通信单元通过无线的方式交互信息；该装置的使用方法是通过上电自检、参数设置、电池极性判断、估算剩余充电时间、调整充电电流及充电数据上传来实现的。本发明充分考虑充电模式的通用性，采用一对多的充电方式，减少单个充电器的使用，提高充电装置的使用率，避免资源的浪费。
Description
技术领域
本发明属于电动车充电设备技术领域，具体涉及一种电动车用智能型充电装置及其使用方法。
背景技术
目前，电动车的使用已经非常普及了。无论是在城市还是在农村，电动车凭借其环保、无污染、安全可靠、速度快、操作简单等优点，赢得了消费者的青睐，成为短途代步的最佳工具之一。据估计，我国电动车市场保有量已超过2个亿。庞大的电动车保有量使得充电成为一个棘手的问题。
目前，市场上每辆电动车都会配备一个充电器，而由于制造商的某些营销策略，可以说不同品牌的充电器并不通用，其充电接口端子也没有统一的标准，列举市场上占有率前五的电动车充电接口端子极性如下表所示：
注：“+”表示正极，“-”表示负极
从表中可以看出，充电器的电压等级、端子标识并不统一。如果一味地将不同品牌的充电器互用的话，会带来短路的风险，严重的话会造成电池永久性损害。而且，每一辆电动车配备一个充电器，造成充电器的使用率不高，也是对资源的一种浪费。
考虑到目前居民小区、工厂、商场等人员密集的区域使用电动车的人员较多，而且车辆都是集中停放，应充分考虑充电模式的通用性，采用一对多的充电方式，减少单个充电器的使用，提高充电装置的使用率，避免资源的浪费。
中国专利CN103490484B，公开了电动车充电器模糊控制器，所公开的方案是采用模糊控制技术，通过判断输入电流的大小来确定电池充电所处的状态，并设置超时计时时间以限制充电器的异常工作。该方案对电池充电状态的判断存在偏差，不具备通用性。
中国专利CN101882807B公开了具备记忆功能的车载式电动车充电器，所公开的方案是采用万年历芯片，自动记录电池组的充电及放电数据存储于数据存贮芯片中。记录正常完成充电过程的次数；放电后未及时充电的次数及发生的时间；充电未充满便关电停止充电的次数及发生时间等。该方案只是描述了电动车充电器的记忆功能。中国专利CN102946131B，公开了自适应输入电源的充电器及控制充电器的出入电流的方法，所公开的方案是根据充电器的输入电压与一第一参考电压的比较结果来控制PWM控制器的控制信号或是电流控制环路的电流参考值，从而达到限制输入电流的目的。上述两个发明专利还是属于单个充电器的范畴，只能一对一地配对充电，并不具备兼容性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种电动车用智能型充电装置及其使用方法，充分考虑充电模式的通用性，自适应地调节输出电源的极性，以配合不同的充电接口(“N”为电源+，“L”为电源-；“L”为电源+，“N”为电源-)；采用一对多的充电方式，在不损害电池寿命的前提下，在要求的时间内完成充电过程；并记录所消耗的电能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种电动车用智能型充电装置，其特征在于，包括三相交流电源、充电回路单元、输出控制单元、防反接单元、数据采集单元、主控单元、人机交互单元、无线通信单元以及后台服务器；
所述三相交流电源依次通过充电回路单元、输出控制单元、防反接单元及数据采集单元与电池相连构成主回路，实现充电电流的输出；
所述主控单元分别通过充电回路单元、输出控制单元、防反接单元实现对主回路电源的整流，对分支回路电压、电流的调节，防止电池反接；
所述主控单元通过数据采集单元采集各分支回路中的电压、电流信号，所述主控单元通过人机交互单元或通过无线通信单元、后台服务器)获取各分支回路设置的充电参数。
上述方案中，所述主控单元包含时钟芯片，可以对记录的事件及操作标记时间戳；所述充电回路单元由桥式整流电路、DC/DC转换电路组成；所述输出控制单元由开关电路、驱动电路及滤波电路构成，其中驱动电路用来控制开关电路中的开关元件导通或关闭，开关电路的输出直接与滤波电路相连；所述防反接单元由四个相同的开关管K1、K2、K3、K4构成，其中K1与K2的输入端相连，K3与K4的输入端相连，K1与K3的输出端相连，K2与K4的输出端相连。
上述方案中，所述数据采集单元包含电流信号采集和电压信号采集。
上述方案中，所述无线通信单元与后台服务器是通过无线通信的方式交互信息，所述无线通信的方式为WIFI或者ZigBee。
上述方案中，所述各分支回路设置的充电参数包含充电回路序号、电池的额定电压及需要完成充电的时间。
一种电动车用智能型充电装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，主控单元上电初始化完成后，主控单元分别对充电回路单元、输出控制单元、防反接单元、数据采集单元、人机交互单元和无线通信单元进行自检，若自检未通过，则故障信息显示在人机交互单元上并报警提示；
步骤2)，若自检通过，主控单元等待由人机交互单元或者无线通信单元、后台服务器进行充电参数的设置；
步骤3)，充电参数设置完毕后，主控单元控制充电回路单元上电，实现整流的功能，主控单元通过数据采集单元采集某一分支回路待充电的电池两端电压并判断出电池极性；
步骤4)，主控单元根据判断得出的电池极性，控制该分支回路的防反接单元接通；
步骤5)，待该分支回路的防反接单元接通后，主控单元根据设置的充电参数，选择合适的充电模式，并实时估算剩余的充电时间，通过该分支回路的输出控制单元改变充电的电流来调整预期完成充电的时间，直至完成充电；
步骤6)，待充电完成后，主控单元断开该分支回路的输出控制单元以及防反接单元，并将充电数据在人机交互单元上显示或者通过无线通信单元上传到后台服务器。
上述方案中，所述步骤5)中的充电模式分为恒流充电模式和恒压充电模式，当实时的电池(11)电压VB<电池(11)电压阈值Vmax时，进入恒流充电模式；当实时的电池(11)电压VB≥电池(11)电压阈值Vmax时，进入恒压充电模式。
上述方案中，所述恒流充电模式的充电电流是可调的。
上述方案中，所述步骤6)中的充电数据包含充电开始时间、充电完成所消耗的电能及充电完成时间。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所公开一种电动车用智能型充电装置及其使用方法，适用于在人员密集区域配置充电装置，采用主控单元控制多个分支回路实现一对多的充电方式，采用防反接单元，实现充电接口的通用性；并根据人机交互单元或者无线通信单元、后台服务器设置的分支回路的电池额定电压值，调整输出控制单元的占空比，可实现对不同电压等级的电池进行充电，有效地提高了充电装置的使用频率，减少了单个充电器配置的资源浪费。
(2)在充电过程中，主控单元通过数据采集单元采集分支回路的电压、电流信号来实时估算电池当前的容量和剩余充电时间，以设定的充电完成时间为基准，动态调整充电的电流值，在不损害电池寿命的前提下，尽可能在要求的时间内完成充电，并通过无线通信单元将充电数据充电开始时间、充电完成时间及充电完成所消耗的电能上传到后台服务器，为网络支付、大数据处理云平台以为电力部门的电力负荷调配提供了数据保障。
附图说明
图1为本发明一种电动车用智能型充电装置的结构框图；
图2为本发明控制输出单元的开关电路和滤波电路电气原理图；
图3为本发明控制输出单元的驱动电路电气原理图；
图4为本发明防反接单元的结构框图；
图5为本发明的一种电动车用智能型充电装置使用方法的流程图。
图中：1－充电回路单元，2－输出控制单元，3－防反接单元，4－数据采集单元，5－主控单元，6－人机交互单元，7－无线通信单元，8－后台服务器，10－三相交流电源，11－电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1为本发明一种电动车用智能型充电装置的结构框图，仅以示意方式显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种电动车用智能型充电装置，包括三相交流电源10、充电回路单元1、输出控制单元2、防反接单元3、数据采集单元4、主控单元5、人机交互单元6、无线通信单元7以及后台服务器8；
主控单元5包含时钟芯片，可以对记录的事件及操作标记时间戳，本发明主控单元5由飞思卡尔ARM芯片mk60dn512zvlq10和美国DALLAS公司的时钟芯片DS1302组成；充电回路单元1由桥式整流电路、DC/DC转换电路组成；
输出控制单元2由开关电路、驱动电路及滤波电路构成，驱动电路用来控制开关电路中的开关元件导通或关闭；开关电路的输出直接与滤波电路相连；如图2所示，开关电路由金属氧化物半导体场效应晶体管(IRF540)和电阻电容(RC)串联电路构成，RC电路的作用是浪涌缓冲，滤除比正常工作电压高的短时间的脉冲波形，对后端滤波电路起保护作用。滤波电路由续流二极管D100，电感L，电解电容C101、C102，聚丙烯电容C103和防反向二极管D101组成，其作用是滤除直流电压的纹波；如图3所示，驱动电路主要由三个三极管G1、G2、G3构成信号放大电路，将主控单元中ARM芯片mk60dn512zvlq10产生的PWM的信号进行电平放大来驱动金属-氧化物半导体场效应晶体管的关断或者导通；这里需要指出的是图2、图3中所标明的元件型号仅是针对36V充电系统来进行的选型，仅作为事例，并不是限制；
防反接单元3由四个开关管构成；如图4所示，防反接单元由四个相同的开关管K1、K2、K3、K4组成，K1与K2的输入端相连，K3与K4的输入端相连；而K1与K3的输出端相连，K2与K4的输出端相连，这样可以实现对电池极性的自适应匹配；其中四个开关管可以是直流接触器、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；
数据采集单元4包含电流信号采集和电压信号采集，为了保证对电流调节的精度，对于电流信号的采集使用精度为0.1(s)的电流互感器来实现，而电压信号的采集则是采用精密电阻分压的方式，分别测量电池两端的电压，实现对电池11正、负极的识别，本发明电池优选为铅酸蓄电池或者磷酸铁锂等无记忆效应的电池。
三相交流电源10依次通过充电回路单元1、输出控制单元2、防反接单元3及数据采集单元4与电池11相连构成主回路，实现充电电流的输出；
主控单元5分别通过充电回路单元1、输出控制单元2、防反接单元3实现对主回路电源的整流，对分支回路电压、电流的调节，防止电池11反接；
主控单元5通过数据采集单元4采集各分支回路中的电压、电流信号，主控单元5通过人机交互单元6或通过无线通信单元7、后台服务器8获取各分支回路设置的充电参数；各分支回路设置的充电参数包含充电回路序号、电池的额定电压及需要完成充电的时间；无线通信单元7与后台服务器8是通过无线通信的方式交互信息，无线通信的方式为WIFI或者ZigBee，本发明优选的无线通信的方式为WIFI。
本发明的输出控制单元2、防反接单元3、数据采集单元4的个数决定了可同时充电的电池11个数，由充电回路单元1的输出功率来决定，这里并不加以限制。
如图5所示，一种电动车用智能型充电装置的使用方法，包括步骤：
步骤1)，主控单元5上电初始化完成后，主控单元5分别对充电回路单元1、输出控制单元2、防反接单元3、数据采集单元4、人机交互单元6和无线通信单元7进行自检，若自检未通过，则故障信息显示在人机交互单元6上并报警提示，故障信息包含自检时间、故障单元、故障代码及故障等级信息。
步骤2)，若自检通过，主控单元5等待由人机交互单元6或者无线通信单元7、后台服务器8进行充电参数的设置，人机交互单元6包含液晶显示模块和操作按钮，充电参数为充电回路序号、电池的额定电压及需要完成充电的时间。
步骤3)，充电参数设置完毕后，主控单元5控制充电回路单元1上电，实现整流的功能，主控单元5通过数据采集单元4采集某一分支回路待充电的电池11两端电压并判断出电池11极性。
步骤4)，主控单元5根据判断得出的电池11极性，控制该分支回路的防反接单元3接通；其中防反接单元3的状态为：①K1、K4闭合，K2、K3断开，②K2、K3闭合，K1、K4断开。
步骤5)，待该分支回路的防反接单元3接通后，主控单元5根据设置的充电参数，选择合适的充电模式，充电模式分为恒流充电模式和恒压充电模式，当实时的电池11电压VB<电池11电压阈值Vmax时，进入恒流充电模式，该模式的充电电流是可调的；当实时的电池11电压VB≥电池11电压阈值Vmax时，进入恒压充电模式；
主控单元5实时估算电池11剩余的充电时间，通过该分支回路的输出控制单元2改变充电的电流来调整预期完成充电的时间，直至完成充电；
对于电池11剩余的充电时间的估算，借助于采集到的电池11电压值，通过查表的方式获得电池11的荷电状态(State of Charge，SOC)，再根据下列公式可反推得出：
设SOCHL，SOCHY为恒流充电模式和恒压充电模式对应的电池11最高荷电状态，CHL，CHY为两种模式所需充入的电量，电池11的实际容量为C；
若SOCcu≤SOCHL，可得
CHL＝C×(SOCHL-SOCcu) (1)
CHY＝C×(SOCHY-SOCHL) (2)
若SOCHL<SOCcu≤SOCHY，可得
CHL＝0 (3)
CHY＝C×(SOCHY-SOCcu) (4)
其中，SOCcu为当前的电池荷电状态；
那么，可设THL,THY为恒流充电模式和恒压充电模式所需的充电时间，
THL＝CHL/I1 (5)
其中，I1为恒流充电电流；
THY＝CHY/I2 (6)
其中，I2为恒压充电平均电流；
考虑到在恒压充电模式时，电池11电流会随着充电时间的加长而逐渐降低，两种模式所需充入的电量CHY应满足下列条件：
其中，f(t)为充电系数；
若当前的时刻加上所估算出的电池11剩余充电时间超过了设定的需要完成充电的时间，则主控单元5通过输出控制单元2改变充电的电流值，来缩短整个充电的时间；充电的电流值不能大于电池11所能承受的最大充电电流，对于铅酸蓄电池来说应小于0.3C，而磷酸铁锂电池应小于1C。
步骤6)，待充电完成后，主控单元5断开该分支回路的输出控制单元2以及防反接单元3，并将充电数据在人机交互单元6上显示或者通过无线通信单元7上传到后台服务器8；充电数据包含充电开始时间、充电完成所消耗的电能及充电完成时间；对于充电完成所消耗的电能可用来与用户进行充电费率的结算，并通过网络支付等方式完成，为用户提供更加便利的服务，节约了时间；同时，也可以为电力部门的电力负荷调配提供数据支撑。
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种电动车用智能型充电装置，其特征在于，包括三相交流电源(10)、充电回路单元(1)、输出控制单元(2)、防反接单元(3)、数据采集单元(4)、主控单元(5)、人机交互单元(6)、无线通信单元(7)以及后台服务器(8)；
所述三相交流电源(10)依次通过充电回路单元(1)、输出控制单元(2)、防反接单元(3)及数据采集单元(4)与电池(11)相连构成主回路，实现充电电流的输出；
所述主控单元(5)分别通过充电回路单元(1)、输出控制单元(2)、防反接单元(3)实现对主回路电源的整流，对分支回路电压、电流的调节，防止电池(11)反接；主控单元(5)通过数据采集单元(4)采集某一分支回路待充电的电池(11)两端电压并判断出电池(11)极性，控制该分支回路的防反接单元(3)接通；待该分支回路的防反接单元(3)接通后，主控单元(5)根据设置的充电参数，选择合适的充电模式，并实时估算剩余的充电时间，通过该分支回路的输出控制单元(2)改变充电的电流来调整预期完成充电的时间，直至完成充电；
所述主控单元(5)通过数据采集单元(4)采集各分支回路中的电压、电流信号，所述主控单元(5)通过人机交互单元(6)或通过无线通信单元(7)、后台服务器(8)获取各分支回路设置的充电参数。
2.如权利要求1所述的一种电动车用智能型充电装置，其特征在于，所述主控单元(5)包含时钟芯片，可以对记录的事件及操作标记时间戳；所述充电回路单元(1)由桥式整流电路、DC/DC转换电路组成；所述输出控制单元(2)由开关电路、驱动电路及滤波电路构成，其中驱动电路用来控制开关电路中的开关元件导通或关闭，开关电路的输出直接与滤波电路相连；所述防反接单元(3)由四个相同的开关管K1、K2、K3、K4构成，其中K1与K2的输入端相连，K3与K4的输入端相连，K1与K3的输出端相连，K2与K4的输出端相连。
3.如权利要求1所述的一种电动车用智能型充电装置，其特征在于，所述数据采集单元(4)包含电流信号采集和电压信号采集。
4.如权利要求1所述的一种电动车用智能型充电装置，其特征在于，所述无线通信单元(7)与后台服务器(8)是通过无线通信的方式交互信息，所述无线通信的方式为WIFI或者ZigBee。
5.如权利要求1所述的一种电动车用智能型充电装置，其特征在于，所述各分支回路设置的充电参数包含充电回路序号、电池的额定电压及需要完成充电的时间。
6.一种如权利要求1所述的电动车用智能型充电装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，主控单元(5)上电初始化完成后，主控单元(5)分别对充电回路单元(1)、输出控制单元(2)、防反接单元(3)、数据采集单元(4)、人机交互单元(6)和无线通信单元(7)进行自检，若自检未通过，则故障信息显示在人机交互单元(6)上并报警提示；
步骤2)，若自检通过，主控单元(5)等待由人机交互单元(6)或者无线通信单元(7)、后台服务器(8)进行充电参数的设置；
步骤3)，充电参数设置完毕后，主控单元(5)控制充电回路单元(1)上电，实现整流的功能，主控单元(5)通过数据采集单元(4)采集某一分支回路待充电的电池(11)两端电压并判断出电池(11)极性；
步骤4)，主控单元(5)根据判断得出的电池(11)极性，控制该分支回路的防反接单元(3)接通；
步骤5)，待该分支回路的防反接单元(3)接通后，主控单元(5)根据设置的充电参数，选择合适的充电模式，并实时估算剩余的充电时间，通过该分支回路的输出控制单元(2)改变充电的电流来调整预期完成充电的时间，直至完成充电；
步骤6)，待充电完成后，主控单元(5)断开该分支回路的输出控制单元(2)以及防反接单元(3)，并将充电数据在人机交互单元(6)上显示或者通过无线通信单元(7)上传到后台服务器(8)。
7.如权利要求6所述的一种电动车用智能型充电装置的使用方法，其特征在于，所述步骤5)中的充电模式分为恒流充电模式和恒压充电模式，当实时的电池(11)电压VB<电池(11)电压阈值Vmax时，进入恒流充电模式；当实时的电池(11)电压VB≥电池(11)电压阈值Vmax时，进入恒压充电模式。
8.如权利要求7所述的一种电动车用智能型充电装置的使用方法，其特征在于，所述恒流充电模式的充电电流是可调的。
9.如权利要求6所述的一种电动车用智能型充电装置的使用方法，其特征在于，所述步骤6)中的充电数据包含充电开始时间、充电完成所消耗的电能及充电完成时间。
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