CN106374570B - 适合于电动车用铅蓄电池的充电方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于电动车用铅蓄电池的充电方法及控制装置，属于电动车领域，包括中央控制器、光电耦合器、电压侦测单元及电池内阻侦测单元；中央控制器设置有引脚：Vin端、JS端、CR端、T端以及K1、K2、K3端，Vin端用以接受电压侦测单元输出端送来的电池端电压对应的电压信号，K1、K2、K3端为中央控制器的输出端，通过光电耦合器控制充电器初级PWM‑IC的工作状态，JS端为中央控制器的计时触发端，用以充电周期计时，CR端用以接受电池内阻侦测单元检测的电池内阻状态信号。本发明采用低频脉冲和加时间范围限制的充电模式，可以有效解决36—72v电池组在循环使用中出现单只落后故障导致容量寿命早衰的普遍行业现象，实现电池组一次均衡充电饱和，充电器即可关机。

Description

适合于电动车用铅蓄电池的充电方法及控制装置

技术领域

本发明属于电动车领域，具体涉及一种适合于电动车用铅蓄电池的充电方法及控制装置。

背景技术

传统充电方式，电动车充电器对电瓶充电过程中，当人们未拔除电源插头前，电瓶始终被充电，为此，会经常导致电瓶的过充电或欠充电的现象发生。而我们看到的当电瓶充满电后，电瓶充电指示灯虽然由红转绿，但是充电电路并没有完全切断，而是电池组充电后期靠浮充电压继续，慢充电，多次的长时间浮充慢充电，会导致电池组失水严重，使电池变形、发软，严重影响电池使用寿命，并降低蓄电池行驶里程。现有的充电模式很容易导致电池容量、寿命早衰的普遍行业现象。由于行业性的充电技术落后，在铅电池流通环节由于充电不良导致的售后电池堆积如山，令人触目惊心，减少我国铅蓄电池行业年度15%的故障退返率，降低铅电池行业的流通环节环境污染数字，刻不容缓。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中电动车电池充电时忘拔电源造成的过充电问题，提供一种适合于电动车用铅蓄电池的充电方法及控制装置，该充电方法采用低频脉冲和加时间范围限制的充电模式，实现电池组一次均衡充电饱和、充电器即可关机。规避了传统充电方式在电池组充电后期靠浮充充电慢饱和导致电池组失水严重的不利因素。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种适合于电动车用铅蓄电池的充电控制装置，包括中央控制器、光电耦合器、电压侦测单元及电池内阻侦测单元；所述中央控制器设置有引脚：Vin端、JS端、CR端、T端以及K1、K2、K3端，所述Vin端与电压侦测单元输出端连接，用以接受电压侦测单元输出端送来的电池端电压对应的电压信号；所述K1、K2、K3端为中央控制器的输出端，K1、K2、K3端所在电路为并联关系，在三个并联电路上分别连接一二极管，三个并联电路分别连接一二极管后共同串接一电阻，经串接电阻连接光电耦合器LED端，通过光电耦合器控制充电器初级PWM-IC的工作状态；所述JS端为中央控制器的计时触发端，在Vin端与中央控制器JS端之间连接一二极管，Vin端在接到电池端电压对应的电压信号的同时，电池端电压对应的电压信号通过二极管送达到中央控制器的JS端，所述JS端开始充电计时，计时周期到达设定值后，中央控制器通过K3电路输出持续电压信号，控制充电器前端PWM—IC进入休眠关机状态，停止充电工作关机；所述CR端与电池内阻侦测单元输出端连接，用以接受电池内阻侦测单元检测的电池内阻状态信号，中央控制器通过测知与电池容量有关的电池内阻区间数值，确认电池容量后启动充电，当临近电池充满状态，电池内阻变化值符合型号充满标准，中央控制器将CR端接受的信号值与内置的容量内阻值数据对比确认后，立即关闭K1和K2端，开启K3端电路，控制充电器前端PWM—IC进入休眠关机状态，停止充电工作关机。

基于上述技术方案，在充电电池负极与地之间串接有电阻，电池内阻侦测单元通过接受串接在充电电池负极与地之间电阻的端压降输入信号，与自身基准电位比较后、翻转动作，电池内阻侦测单元输出端向中央控制器CR 端送入对应于串接电阻端电压的电池内阻状态信号。

基于上述技术方案，在电压侦测单元的基准端连接有电压一，在电压一与基准端之间串接一降压电阻一，并联一分压电阻一，所述基准端接受电压一经降压电阻一降压、分压电阻一分压后的基准电位，在电压侦测单元采样端与充电电池主电源之间串接两个降压电阻二，并联一分压电阻二，并在分压电阻二两端并联一电容，在电压侦测单元的基准端与输出端之间串接一电阻和一二极管，电阻和二极管反馈设置，用于限制电压侦测单元的翻转深度；当被充电池电压上升到设定值时，所述电压侦测单元采样端接收经降压电阻二降压、分压电阻二分压后的与被充电电压对应比例的电压信号，电压侦测单元采样端电压电位高于基准端电压电位，电压侦测单元发生翻转，电压侦测单元输出端将对应于主电源电压设定值的电压信号送至中央控制器的VIN端。

一种适合于电动车用铅蓄电池的充电方法，该充电方法由以下步骤组成：

首先，充电器在开始充电之初n秒内向充电电池发出测试脉冲电流，通过测知与电池容量有关的电池内阻区间数值确认电池容量后启动充电，所述5≤n≤15s；随着电池充电电压的逐步提高，到充电后期分为三个阶段，具体为：

第一阶段：当电池在充电状态下容量上升至70-80%，电压同步上升到对应设定值一时，充电器嵌入电路中的中央控制器的VIN端得到来自电压侦测单元输出端送来的电池端电压对应的电压信号，中央控制器开启K1端输出n1：t1秒的低频脉冲充电信号，经K1端电路送达光电耦合器LED端，通过光电耦合器进而控制充电器初级PWM-IC的工作状态，同步进入n1：t1秒的低频脉冲模式工作；

第二阶段：随着充电电池容量的上升，电池端电压到达设定值二后，中央控制器的VIN端同步接收到该电压信号，中央控制器立即关闭K1端，同时打开K2端输出n2：t2秒的低频脉冲充电信号，通过光电耦合器进而控制充电器初级PWM-IC的工作状态，同步进入n2：t2秒的低频脉冲模式工作；

第三阶段：充电末阶段，充电电池的端电压上升到设定值三后，中央控制器的VIN端同步接受与设定值三对应的电压信号，中央控制器立即关闭K2端，同时打开K3端口并输出n3：t3秒的低频脉冲充电信号，通过光电耦合器进而控制充电器初级PWM-IC 转入n3：t3秒的低频脉冲工作模式，直至充电电池电压上升到饱和值时，中央控制器将充电电压饱和值和电池模拟开路电压电压值反复与内置数据核对确认后，开启K3端持续输出低频脉冲电压信号，通过K3端及光电耦合器控制充电器前端PWM—IC ，进而控制充电器电路进入休眠关机状态，此时充电过程结束，充电器停止工作。

基于上述技术方案，中央控制器还通过计时触发端JS端在充电进入第一阶段开始起为充电计时，计时周期到设计值后，中央控制器会通过K3输出持续低频脉冲电压信号，控制充电器前端PWM—IC进入休眠关机状态，停止充电工作、关机。以防止电池在充电过程后期发生热失控，鼓胀变形，损坏电池。

本发明具有如下有益效果：本发明采用低频脉冲和加时间范围限制的充电模式，可以有效解决36—72v电池组在循环使用中出现单只落后故障导致容量寿命早衰的普遍行业现象，实现电池组一次均衡充电饱和，充电器即可关机。规避了传统充电方式在电池组充电后期靠浮充充电慢饱和导致电池组失水严重的不利因素。使得饱和充电后的电池组，在电动车起步阶段，能够表现出良好的电学物理特性，以较低的内阻、充足的容量，向电动机提供强劲的电流能源，保障电动车在设计的距离内起步，并进入惯性行驶状态。相比传统方式充电的电动车缩短三分之二的起步时间，有效增加30%的续航里程。

该充电模式可以做到铅蓄电池在1c充电电流下充电，快速安全不会发生热失控现象。符合美国人—马斯博士提出的马斯充电理论，既电池在充电后期在进入析区间后，合理控制氢氧离子的还原，不发生热失控现象，就可以大电流快速充电。通过这样的充电模式，铅电池能够达到设计的使用寿命，减少保质期内的退返率！嵌入该充电控制模式的充电器，在当前代表新能源产业方向的电动车行业，可以有效减少我国铅蓄电池行业年度15%的故障退返率，提高蓄电池使用寿命，降低铅电池环境污染，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明整体电路控制原理结构示意图；

图2是本发明充电电池电压变化曲线结构示意图；

图3是与图2同期对应的充电脉冲波形结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明技术方案。

实施例1：适合于电动车用铅蓄电池的充电控制装置，参见图1，包括中央控制器IC1、GD光电耦合器、电压侦测单元IC2及电池内阻侦测单元IC3；中央控制器设置有引脚：Vin端、JS端、CR端、T端以及K1、K2、K3端， Vin端与电压侦测单元IC2输出端连接，用以接受电压侦测单元输出端送来的电池端电压对应的电压信号； K1、K2、K3端为中央控制器的输出端，K1、K2、K3端所在电路为并联关系，在K1端电路中连接有二极管D1，在K2端电路中连接有二极管D2，在K3端电路中连接有二极管D3，K1、K2、K3端三个电路并联后共同串接电阻R1，经串接电阻R1连接GS光电耦合器LED端，通过GS光电耦合器控制充电器初级PWM-IC的工作状态； JS端为中央控制器的计时触发端，在Vin端与中央控制器端之间连接一二极管D4，Vin端在接到电池端电压对应的电压信号的同时，电池端电压对应的电压信号通过二极管D4送达到中央控制器IC1的JS端， JS端开始充电计时，计时周期到达设定值后，中央控制器通过K3电路输出持续电压信号，控制充电器前端PWM—IC进入休眠关机状态，停止充电工作关机；不管电池过放电或其他原因导致电池端电压未能到达饱和电压值，均可定时切断充电电路，防止电池在充电过程后期发生热失控，鼓胀变形，损坏电池。

电压侦测单元控制电路为：如图1所示，在电压侦测单元IC2的基准端连接有5v电压，在5v电压与基准端之间串接一降压电阻一R5，并联一分压电阻一R6，所述基准端接受5v电压经R5降压、R6分压后的基准电位，在电压侦测单元采样端与充电电池主电源之间串接两个降压电阻二R2、R3，并联一分压电阻二R4，并在分压电阻二R4两端并联一电容C，电容C是用于减震，抗干扰。在电压侦测单元IC2的基准端与输出端之间串接又电阻R7和二极管D5，D5、R7是反馈设置，用于限制IC2的翻转深度。当被充电池电压上升到设定值时，所述电压侦测单元采样端接收经R2、R3降压、R4分压后的与被充电电压对应比例的电压信号，电压侦测单元采样端电压电位高于基准端电压电位，电压侦测单元发生翻转，电压侦测单元输出端将对应于主电源电压设定值的电压信号送至中央控制器的VIN端。

在充电电池负极与地之间串联有电阻R1和RW，CR端与电池内阻侦测单元IC3输出端连接，嵌入控制电路中的IC3通过接受串联在充电电池负极与地之间的R1—RW 端压降输入信号，与自身基准电位比较后，翻转动作，IC3输出端向IC1—CR 端送入对应与RW端电压的电池内阻状态信号。充电器在开始充电之初特定时间内内向电池发出测试脉冲电流，中央控制器IC1通过R1—RW 的端压降测知与电池容量有关的电池内阻区间数值，确认电池容量后启动充电。使得饱和充电后的电池组，在电动车起步阶段，能够表现出良好的电学物理特性，以较低的内阻、充足的容量，向电动机提供强劲的电流能源，保障电动车在设计的距离内起步，并进入惯性行驶状态。当临近电池充满状态，电池内阻变化值符合型号充满标准，中央控制器将CR端接受的信号值与内置的容量内阻值数据对比确认后，立即关闭K1和K2端，开启K3端电路，控制充电器前端PWM—IC进入休眠关机状态，停止充电工作关机。

以12v铅蓄电池为例，本实施例具体充电方法为：

当电池在充电状态下容量上升至75%，电压同步上升到14v时，充电器的嵌入控制单元电路按照事先设定的工作模式起控工作。具体执行模式是：在电池充电电压变化14—15v区间，分14—14.5v，14.5—14.7v，14.7—14.9v三个阶段，且时限2.5小时关停充电器。

14—14.5v阶段采用2:0.8s的低频脉冲充电（ 脉冲时间单位：秒）；

14.5—14.7v阶段采用1.5:1.3s的低频脉冲充电；

14.7—14.9v阶段采用0.8:2.0s的低频脉冲充电；

在上述几个阶段中，当嵌入单元电路侦测到电池的内阻符合国标电池容量饱和内阻（12ah电池11毫欧，20ah9毫欧）；并通过对充电器刹车停充，反复测得电池充电电压14.9V，模拟开路电压达到电池企业设置的13—13.5v饱和电压值要求，嵌入电路控制充电器关机，进入休眠状态。当上述电路工作行为只是接近充电满足标准，但已到时间范围设限值，嵌入电路时间单元也会控制充电器关机，待下次再行充放轮回工作。

具体结合电路图1、图2及图3描述如下：

充电开始，电池的容量和电压在不断上升，嵌入电路电压侦测单元IC2的基准端接受5v经R5降压、R6分压后的基准电位，第一阶段：当被充电池电压上升到14V时，IC2采样端受到经R2、R3降压R4分压后的对应比例电压信号，此时IC2采样端电压电位高于基准端电压电位，IC2发生翻转，输出端有对应于主电源电压14V的电压信号送至IC1的VIN端。当嵌入控制电路中的IC1—VIN端得到来自电压侦测单元IC2输出端送来的电池端电压14V对应的电压信号，IC1开启K1端输出2：0.8秒的5V脉冲信号，经D1-R11送达GD光电耦合器LED端，通过GD进而控制充电器初级PWM-IC的工作状态，同步进入2：0.8秒脉冲模式工作。

第二阶段：随着充电电池容量的上升，电池端电压到达14.5V后，IC1VIN端也同步接收到该电压信号，Ic1即刻关闭K1端，同时打开K2端输出1.5：1.3秒5V电压信号，通过D2—R11—GD 控制充电器前端PWM—IC 进入1.5：1.3秒工作模式。

第三阶段：即末阶段，充电电池的端电压上升到14.7后，IC1—VIN 端同步获得与之对应的电压信号，同时关闭K2端输出，开启K3端口并输出0.8：2秒的5V脉冲信号，经D3—R11—GD 控制充电器前端PWM—IC 转入0.8：2秒的脉冲工作模式。直至充电电池电压上升到14.9V时，IC1对充电电压饱和值14.9v和电池模拟开路电压13.5v反复与内置数据核对确认后，开启K3端持续输出5V电压信号，通过D3—R11—GD 控制充电器前端PWM—IC 控制充电器电路进入休眠关机状态，此时充电过程结束。充电器停止工作。

IC1-VIN端在接到充电电池电压14V对应电压信号的同时，该信号又通过D4送达到IC1的JS端，开始计时2.5小时周期。JS端是IC1的计时触发端。不管电池过放电或其他原因导致电池端电压未能到达14.9V饱和电压值，计时周期到2.5小时后，IC1也会通过K3输出持续5V电压信号，控制充电器前端PWM—IC进入休眠关机状态，停止充电工作，关机。这样做的目的是防止电池在充电过程后期发生热失控，鼓胀变形，损坏电池。

嵌入控制电路中的IC3通过接受串联在充电电池负极与地之间的R1—RW 端压降输入信号，与自身基准电位比较后，翻转动作，IC3输出端向IC1—CR 端送入对应与RW端电压的电池内阻状态信号。充电器在开始充电之初10秒内向电池发出测试脉冲电流，通过R1—RW 的端压降测知电池容量有关的电池内阻区间数值。（例如12AH电池内阻11毫欧）确认电池容量后启动充电。当临近电池充满状态，电池内阻变化值符合型号充满标准，IC1将CR端接受的信号值与内置的容量内阻值数据对比确认后，立即关闭K1和K2端，开启K3端口持续输出5V电压信号，通过D3—R11—GD 控制充电器前端PWM—IC进入休眠关机状态，充电器停止充电工作。

Claims (5)

1.一种适合于电动车用铅蓄电池的充电控制装置，其特征是：包括中央控制器、光电耦合器、电压侦测单元及电池内阻侦测单元；所述中央控制器设置有引脚：Vin端、JS端、CR端、T端以及K1、K2、K3端，所述Vin端与电压侦测单元输出端连接，用以接受电压侦测单元输出端送来的电池端电压对应的电压信号；所述K1、K2、K3端为中央控制器的输出端，K1、K2、K3三个输出端输出的脉冲信号持续时间各不相同，K1、K2、K3端所在电路为并联关系，在三个并联电路上分别连接一二极管，三个并联电路分别连接一二极管后共同串接一电阻，经串接电阻连接光电耦合器LED端，通过光电耦合器控制充电器初级PWM-IC的工作状态；所述JS端为中央控制器的计时触发端，在Vin端与中央控制器JS端之间连接一二极管，Vin端在接到电池端电压对应的电压信号的同时，电池端电压对应的电压信号通过二极管送达到中央控制器的JS端；所述CR端与电池内阻侦测单元输出端连接，用以接受电池内阻侦测单元检测的电池内阻状态信号。

2. 根据权利要求1所述的适合于电动车用铅蓄电池的充电控制装置，其特征是：在充电电池负极与地之间串接有电阻，电池内阻侦测单元通过接受串接在充电电池负极与地之间电阻的端压降输入信号，与自身基准电位比较后、翻转动作，电池内阻侦测单元输出端向中央控制器CR 端送入对应于串接电阻端电压的电池内阻状态信号。

3.根据权利要求1所述的适合于电动车用铅蓄电池的充电控制装置，其特征是：在电压侦测单元的基准端连接有电压一，在电压一与基准端之间串接一降压电阻一，并联一分压电阻一，所述基准端接受电压一经降压电阻一降压、分压电阻一分压后的基准电位，在电压侦测单元采样端与充电电池主电源之间串接两个降压电阻二，并联一分压电阻二，并在分压电阻二两端并联一电容，在电压侦测单元的基准端与输出端之间串接一电阻和一二极管，电阻和二极管反馈设置，用于限制电压侦测单元的翻转深度；当被充电池电压上升到设定值时，所述电压侦测单元采样端接收经降压电阻二降压、分压电阻二分压后的与被充电电压对应比例的电压信号，电压侦测单元采样端电压电位高于基准端电压电位，电压侦测单元发生翻转，电压侦测单元输出端将对应于主电源电压设定值的电压信号送至中央控制器的VIN端。

4.一种利用如权利要求1所述的充电控制装置的充电方法，其特征是：该充电方法由以下步骤组成：

首先，充电器在开始充电之初n秒内向充电电池发出测试脉冲电流，通过测知与电池容量有关的电池内阻区间数值确认电池容量后启动充电， 5≤n≤15s；随着电池充电电压的逐步提高，到充电后期分为三个阶段，具体为：

第一阶段：当电池在充电状态下容量上升至70-80%，电压同步上升到对应设定值一时，充电器嵌入电路中的中央控制器的VIN端得到来自电压侦测单元输出端送来的电池端电压对应的电压信号，中央控制器开启K1端输出n1：t1秒的低频脉冲充电信号，经K1端电路送达光电耦合器LED端，通过光电耦合器进而控制充电器初级PWM-IC的工作状态，同步进入n1：t1秒的低频脉冲模式工作；

第二阶段：随着充电电池容量的上升，电池端电压到达设定值二后，中央控制器的VIN端同步接收到与设定值二对应的电压信号，中央控制器立即关闭K1端，同时打开K2端输出n2：t2秒的低频脉冲充电信号，通过光电耦合器进而控制充电器初级PWM-IC的工作状态，同步进入n2：t2秒的低频脉冲模式工作；

第三阶段：充电末阶段，充电电池的端电压上升到设定值三后，中央控制器的VIN 端同步接受与设定值三对应的电压信号，中央控制器立即关闭K2端，同时打开K3端口并输出n3：t3秒的低频脉冲充电信号，通过光电耦合器进而控制充电器初级PWM-IC 转入n3：t3秒的低频脉冲工作模式，直至充电电池电压上升到饱和值时，中央控制器将充电电压饱和值和电池模拟开路电压电压值反复与内置数据核对确认后，开启K3端持续输出低频脉冲电压信号，通过K3端及光电耦合器控制充电器前端PWM—IC ，进而控制充电器电路进入休眠关机状态，此时充电过程结束，充电器停止工作。

5.根据权利要求4所述的充电方法，其特征是：中央控制器还通过计时触发端JS端在充电进入第一阶段开始起为充电计时，计时周期到设计值后，中央控制器会通过K3输出持续低频脉冲电压信号，控制充电器前端PWM—IC进入休眠关机状态，停止充电工作、关机。