CN1066291C - 用于电能蓄电池的充电器 - Google Patents

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Abstract

该充电器包括一个用于每个蓄电池或每个蓄电池组的充电电路。每个充电电路包括一个由提供一个连续的正弦波电压的电源(5-12)供电的回馈式变换器(CV1)。每个变换器包括一个变压器(T1)，变压器的初级绕组被串联连接在两个可控半导体(14和Th1)之间的电源上。变换器(CV1)振荡的导通和关断被控制为蓄电池的电压或蓄电池组(1)的电压的函数。该装置能使在制造时蓄电池具有的最大充电中的不均衡被补偿。

Description

用于电能蓄电池的充电器
本发明涉及一种用于可再充电型蓄电池的充电器，例如被用在电动车辆中的充电器。
现已知目前决定电驱动车辆的发展，特别是用于私人用途的最重要的因素之一在于它们的电源能够提供最大的功率以便能够行驶最大距离的能力。的确这些特征值基本上决定了车辆的自身性能和它的行驶范围。由于电源既可以包括一个由固定的充电器周期地充电的单个蓄电池，或在双动力或多动力型汽车的情况下可以包括一个通过一个充电器与一个板热力电源连接的蓄电池，所以人们理解适当地控制蓄电池的充电/放电周期是这种电动车辆的设计者们一直关心的。
在欧洲专利申请号0573832中由本发明的申请人公开了一种用于改进这种型式的蓄电池的充电周期的方法。在那个文件中公开的充电器能够使蓄电池的最大充电容量的不均衡被补偿。
为了这个目的，蓄电池的电池被分配在每个组至少包括一个电池的不同组中，每个电池组与其自己的充电电路连接，该充电电路由一个公共电源来供电。充电过程被分成两个阶段，在第一阶段期间充电电路接收一个恒定密度的电流，而在第二阶段期间实际上提供一个恒定的电压。从当在每个蓄电池组上的端子上的电压大于一个预定的参考电压时的时刻产生从第一阶段到第二阶段的过渡。
因此，所有电池可以被充电到它们的最大容量，而不损害具有最低的最大充电容量的电池或电池组。
本发明的一个目的是提供一个可再充电的蓄电池充电器，该充电器是对上述简单描述的充电器的一种改进和它能使蓄电池的充电速度被进一步地增加，并且能够提供一个极好的整体输出。
本发明涉及一个包括几个电池或串联连接的电池组的电能蓄电池充电器，该充电器包括：一个通过一个电源为每个电池或每个电池组供电的充电电路，所述充电电路包括一个变压器，变压器的初级绕组接收从所述电源来的电力，其次级绕组通过一个整流器与蓄电池或相关的电池组连接，该充电器的特征在于：所述电源包括供电装置，用于提供一个具有正弦波形的单向整流电压，所述充电电路包括一个与所述供电装置连接的回馈式变换器，并且所述充电器进一步包括用于检测每个蓄电池或每个蓄电池组的电压的装置和用于控制与其相关的变换器振荡的导通和关断的装置，以便作为由所述检测装置检测的电压值的一个函数。每个变换器包括所述变压器和所述整流器和至少一个与所述变压器的初级绕组串联连接到所述供电装置上的第一可控半导体元件。
由于这些特征的结果，尽管在它们被制造时在它们的最大充电值中具有不均衡，蓄电池或蓄电池组都可以被充电到它们的最大值。此外，在放电过程中，本发明能够使蓄电池电荷在所有的电池中被均匀地分布。
本发明的其它特征和优点通过下面结合附图仅作为例子所进行的描述将变得更明显。
图1和图2表示根据本发明的一个可再充电蓄电池充电器的总电路图，图1和2分别是该总图的一半。
在这些图中，蓄电池1被表示为由一个或几个蓄电池的一定数量的组，G1，G2…Gn所形成，例如E1-G1，E2-G1，E1-G2，E2-G2…E1-Gn，E2-Gn。例如，在此可以任意地选择每组为两个蓄电池的数量。的确，根据一般蓄电池使用标准可以随意地选择组的数量和每组蓄电池的数量，在此没有必要进一步对它们进行解释，同样能够理解本发明。
蓄电池E1-G1，E2-G1，E1-G2，E2-G2…E1-Gn，E2-Gn被串联连接在一个正端2和一个负端3之间，其中正端是在一个正电位Ubatt，而负端位于地电位。然后，一个用于检测电流强度的降压电阻器4连接在蓄电池E2-Gn和地之间，该降压电阻器4的作用将在下面被描述。
充电器包括一个通过端子6和7连接到一个交流电源(未示出)上的整流器5。在这种情况下，根据本发明的许多实际应用的一种应用，充电器装配在一个电驱动电动车辆上，一个交流电源可以是公共供电系统，在该车辆上与公共供电系统对应的部分被固定以便对蓄电池进行充电。相反，如果它是一个装备有一个由内燃机驱动的发电机的双动力或多动力车辆，那么交流电源可以是这个发电机。
整流器5包括一个在交流侧与一个滤波器9连接的二极管整流桥8，滤波器9与端子6和7连接，在直流侧上，二极管整流桥8与一个充电电容器10并联连接。在充电电容器10的两端上出现一个具有正弦波形的直流电压。
整流器5的输出端11与一个转换开关13的固定极13a连接，该转换开关13能够使充电器的工作方式被变换。下面将解释这个转换开关13的作用。转换开关13的移动触点13c与一个半导体功率元件14的主通路的一端连接，例如该半导体功率元件14是一个IGBT元件。在本发明的最佳实施例中，这个通路的另外一端公共地与n个变压器T1至Tn的初级绕组连接，也就是说变压器的数量与蓄电池1的蓄电池组的数量是一样的多。在另一个实施例中，这种形式的半导体元件可以分别地与每个初级绕组串联连接。
根据所示的实施例，变压器T1-Tn的初级绕组也分别地与可控硅晶闸管Th1-Thn的阳极连接，它们的阴极公共地与整流器5的端子12连接。
变压器T1-Tn的次级绕组分别地与由整流器二级管D1-Dn和电容器C1-Cn组成的串联电路并联连接。在每个串联电路中，在二极管和电容器之间的结点与蓄电池组的正电极15连接，而电容器和变压器的次级绕组的连接点与蓄电池组的负电极16连接。例如，就组G2来说，二极管D2和电容器C2之间的结点与构成蓄电池E1-G2和E2-G2的正板的端子15连接，而在变压器T2的次级绕组和电容器C2之间的连接点与构成蓄电池E1-G2和E2-G2的负极的端子16连接。应该注意的是与二极管D1和电容器C1之间的结点连接的端子15同时也是充电器的正输出端。此外，构成蓄电池组Gn的负电极的端子16通过降压电阻器4与变压器Tn的次级绕组和电容器Cn之间的结点连接。
分别包括变压器T1-Tn之中的一个变压器、可控硅晶闸管Th1-Thn之中的一个可控硅晶闸管、二极管D1-Dn之中的一个电容器1、和电容器C1-Cn之中的一个电容器的电路与半导体功率元件14(对所有这些电路是公用的)一起构成许多变换器，由专家称为“回馈式变换器”。在图1和图2中，已经分别给出了这些变换器总的参考符号CV1-CVn，并且在下面的描述中将把它们简单地称为“变换器”。
如能够看到的，这些变换器是简单设计并且保证一个有效的磁耦合，同时由一个公共的开关元件14来控制。每个变换器可以由它自己的可控硅晶闸管Th1-Thn来关断。在供电侧的情况下，变换器被串联连接，仅在半导体功率元件14中流动的电流幅值中有一个变化，当可控硅晶闸管Th1-Thn关断它们对应的变换器时，在这种情况下在其它变换器中的电流幅值保持不变化。因此，这些变换器相互不影响并且半导体功率元件的控制(导通间隔)与充电器的变换器的数量无关。
此外，应指出的是所有这些变换器可以电地和机械也相互被分离，以致于它们可以直接地与蓄电池组连接来供电。
在每个变换器CV1-CVn中，二极管D1-Dn可以是任何适合的硅型二极管。然而，最好是利用具有相对高的阻断电压的肖特基(Schottky)型二极管。
也应该指出的是电容器C1-Cn的作用是减少在蓄电池中流动的电流峰值。它们可以具有一个低的值。在一定的情况下，作为这些蓄电池的容性值的函数，甚至它们可以被完全地省略。
每个变换器CV1-CVn包括一个比较器电路COMP1-COMPn，它们用于监视由该变换器提供的蓄电池组的电压。每个比较器接收从与其相关的蓄电池组来的电源。在这里所示的实施例中，其中被设计用来精确地控制对蓄电池充电和放电的每个比较器电路COMP1-COMPn包括两个比较器，它们把每个蓄电池组G1-Gn的电压与两个参考电压相比较，即：与全波充电值对应的第一较高参考电压Us1，和与一个值对应的第二较低参考电压Us2，在放电期间，在该值之后，一个给定的蓄电池组的充电必需通过其它蓄电池组的充电来补偿。下面将描述利用这些参考电压的过程。
这两个参考电压具有一个滞后量，该滞后量可以选择相同的值，但它们必需至少补偿相关蓄电池组的内部电阻。
应该指出：每个比较器电路也可以监视蓄电池的其它运行参数，例如，把它的温度与一个参考温度相比较或把某个充电或放电周期与一个时间的参考周期相比较。这种型式的另一个实施例可以表示为除负载以外的蓄电池型式。也能够使参考电压Us1和Us2依赖于温度，在该参考电压上比较器电路起作用，为此目的可以利用合适的电阻器，而电阻器的电阻率是温度的一个函数。
每个比较器电路COMP1-COMPn的输出分别地与一个光耦合器OC1-OCn连接，它们确保比较器电路与位于电源侧上充电器的部分电分离。
利用一个逻辑电路来确保充电器的操作控制，该逻辑电路包括至少在所示实施例中的一个适合编程的微处理器17和几个具有AND逻辑功能的分立电路。然而，本领域里的技术人员将理解：由后者确保的功能也可以通过把它们编入到后者的程序中由微处理器17来进行，通过分立电路构成充电器的这种方式事实上最好是一个部分实施例。
在图1和图2中，微处理机17与接口18-1至18-5连接，通过该接口微处理机17与其它充电器部件联系。
接口18-1与一个用于检测在端子6和7上出现的供电电压的电路19。这个检测电路19也与一个阈值电路20连接，该阈值电路20的输出公共地与几个AND门电路21-1至21n的一个第一输入端连接，这些AND门电路分别地与变换器CV1-CVn相联系。阈值电路20使充电器在一个位于一个预定范围之内的供电电压上工作。
接口18-2与一个AND门电路22输出端连接，该AND门电路22具有几个分别与变换器CV1-CVn的光耦合器OC1-OCn连接的输入端。AND门电路22包括另一个与一个脉冲宽度控制电路23连接的输出端，一方面脉冲宽度控制电路23控制半导体元件14，另一方面，控制每个可控硅晶闸管Th1-Thn。
接口18-3与一个放大器24的输出连接，该放大器的输入端与一个降压电阻器4连接。该放大器提供关于在蓄电池中流动的电流Ibatt的数据。相同的信号被提供给一个阈值检测器25。
接口18-4与微处理机17连接，用于从微处理机17接收控制信号，该控制信号是由通过其它接口和由其它控制系统(在此没有描述)提供给微处理机17的信号产生的。接口18-4提供一个信号给AND门电路26的第一输入端，该AND门电路26在其另一输入端上接收由阈值检测器25提供的信号。AND门电路26的输出端与光耦合器27连接，该光耦合器的输出端与AND门电路21-1至21n的一个输入端并联连接。
接口18-5连接在微处理机17和充电器的端子2之间，用于传送信号Ubatt。
AND门电路ET 21-1至21-n通过它们的一个输入端与阈值电路20的输出端连接。这些AND门电路的其它输入端分别地与光耦合器OC1-OCn连接。它们的输出端分别地与AND门电路28-1至28-n的一个输入端连接，AND门电路28-1至28-n其它的输入端分别地与AND门电路21-1至21-n的输出端连接。AND门电路28-1至28-n其它的输入端被连接在控制电路23的输出端上。AND门电路28-1至28-n的输出端分别地与可控硅晶闸管Th1-Thn的控制电极连接。
半导体功率元件14的控制电极与一个放大器29的输出端连接，该放大器的输入端也与控制电路23的输出端连接。
最后，充电器的端子2与转换开关13的固定触点13b连接。A.蓄电池充电方式
在这种方式中，转换开关13位于“充电”位置，即，它的可动触点13c位于固定触点13a上。
在充电开始时，在由整流桥8提供的整流供电电压的每半个周期期间，在由控制电路23提供的控制脉冲的整个持续时间上半导体功率元件14和可控硅晶闸管Th1-Thn一直导通。在这些条件下，这个电压直接地提供给变换器CV1-CVn的变压器T1-Tn的初级绕组。
在这些初级绕组中产生的电流以使它们的电感线性磁化的方式增加。由于在每半个周期期间半导体功率元件14的导通持续时间保持恒定，所以这些电流的幅值与供电电压成正比并且电流的波形也是正弦波形直到半导体功率元件14不导通的时刻为止。滤波器9确保电压谐波不能被反送给连接在端子6和7上的电源。而且，吸收的电流和电压实际上是同相位的，以致于实际上无功分量不能使这个电源变化。
在半导体功率元件14的导通周期期间，在变压器T1-Tn的初级绕组上的电压被传送给后面的次级绕组。然而，由于对应的初级绕组和次级绕组相反的绕组方向和由于对应的二极管D1和Dn的存在，所以没有电流能够在次级绕组中和在蓄电池中流动。当在由控制电路23提供一个控制脉冲的末端上半导体功率元件14不关断时，在初级绕组中的电流突然地被中断，它在次级绕组中感应出一个相反的电压。这个电压一直增加直到各个二极管D1-Dn开始导通为止。从这一时刻，在变压器T1-Tn的磁路中聚积的功率被消耗在蓄电池的电池组G1-Gn中，在次级绕组中的电流实际上以一线性的方式减少直到零为止。在一个短的复位周期之后，在供电电压的下半个周期期间这个过程能够重复。
当它的电压(端子15和16)达到第一参考电压Us1时，对于每个电池组G1-Gn该过程结束。在这个时刻，这组的比较器电路，COMP1-COMPn，提供一个输出信号给相应的AND门电路21-1至21n，该输出信号是提供相应的光耦合器OC1-OCn提供的。AND门电路21-1至21-n将该信号传送给与其连接的AND门电路28-1至28-n。从AND门电路28-1至28-n来的输出信号使相关的变换器CV1-CVn不导通并且这组电池的充电暂时停止。
当所有的电池组已经达到等于第一参考电压Us1的一个电压和所有变换器被关断时，微处理器17调整控制电路23以致充电电流此后被固定在一个低的电流密度上。通过减少由控制电路23提供的控制脉冲宽度可以产生这种情况。
由于充电方式被暂时地中断，蓄电池组的电压稍微地被降低，这是由公知的滞后现象引起的。在一个电池组的端子上电压一降低到低于由对应比较器电路COMP1-COMPn固定的值，由于它的可控硅晶闸管Th1-Thn再次被导通，所以对应的变换器CV1-CVn就不被阻断。因此，由上述变换器供电的充电组可以通过一个低强度的充电电流完成它的充电。在这组电池的内电阻的两端上产生了一个低的电压降，并且当最终的充电电压(电压Us1)再次被达到时，这个电池组的充电已经被增加。
当所有电池组已经再次达到一个与电压Us1对应的电压时，利用一个低的充电电流和低的强度该过程可以被重复几次。每次重复的结果是所有蓄电池充电增加到它的最大容量，具有最大容量的电池也已经收到了他们的完整充电电平。
因此，可以看到，根据本发明的操作能够使由于不可避免的机械公差引起的在蓄电池的容量中的不均衡被补偿。总的充电持续时间与具有最大充电容量的电池组的充电持续时间相对应。B.蓄电池放电方式
根据本发明特别有利的特征，该充电器能够使蓄电池的充电电平的补偿在它们相互之间被进行，为此目的，可以利用与相对于充电方式已经描述的过程相同的过程来进行。
为了这个目的，在放电期间，转换开关13被设置以致于它的移动触点13c与它的固定触点13b连接。在这些条件下，端子2的电压被提供给半导体功率元件14以致于蓄电池本身能够供电给变换器CV1-CVn。
充电电平补偿实际的目的是降低当被制造时具有一个较低最大容量的蓄电池，并且由此明显地增加容量。为了这个目的，本发明意图是用某种方法把具有最大容量的电池容量转入到具有最低容量的电池容量中。
因此，在放电方式期间，每个比较器电路COMP1-COMPn通过把与其相关的电池组的电压与被固定在一个值上的参考电压Us2相比较来监视相关电池组的电压，在该固定的电压值之后认为一组电池的充电应该由其它电池组的充电来补偿。
如果在放电期间，一个给定组的电压减少到低于电压Us2，那么与其相关的变换器CV1-CVn被导通，实际上它的可控硅晶闸管Th1-Thn被导通。除了此刻它是具有最大容量的蓄电池组之外，一个导通的变换器将以与在充电过程期间相同的方法操作，上述具有最大容量的蓄电池组将补偿该组充电的缺少或补偿用于操作变换器的蓄电池组的充电的缺少。
应该注意：像应这样一个有功变换器的变压器磁路的激磁能量是从所有蓄电池中提取。然而，只要具有较低容量的电池数小于具有较大容量的电池数，在对应磁路(S)的去磁相位期间功率不提供给与导通交换器(S)连接的电池。
在所有充电电平之间一旦再次达到一个均衡状态，所有变换器就被关断，然后所有蓄电池组把功率提供给与蓄电池连接的损耗器。
在放电过程期间这个电流补偿过程可以被重复几次并且具有显著的优点。首先，由于具有相对较低的最大容量的电池更慢地被放电并且达到对于蓄电池寿命的最小可允许容量，所以蓄电池所有明显的最大容量是更高的。因此，对于所有电池来说该蓄电池更有规则地和更均匀地被放电。
因此，由于人们知道一般地一个蓄电池不应被完全地放电而被保持在一定的剩余电荷上(从最大可能电荷的20-40％)，所以非常精确地监视这个最小允许电平是很重要的。例如对于具有非常频繁的充电/放电循环的专门用途，例如电动车来说，这个要求是决定性的，由于本发明，特别是在所有蓄电池之间恒定均匀地放电，所以通过检测蓄电池端子上的电压Ubatt可以简单地进行这个监视，该电压是代表所有电池的充电电平的一个参数。
也应该注意的是：固定在比较器电路COMP1-COMPn中的较低参考电压Us2可以被用于容易地控制最小充电电平，人们希望把这个充电电平施加到蓄电池上。
本发明也能使蓄电池的状态被监视。为了进行这个监视，微处理器17被编程以便对在放电状态期间每个电池组与其相关的变换器连接的次数进行计数。这个数相对于用于其它电池组的数越高，上述电池组的质量将损坏的越大。
根据本发明设计的一个充电器仅作为例子可以包括下列元件：整流桥8             Genera1 Instruments GBU8G变压器T1-Tn         Siemens，core ETD-49，N27，最大电感240mT半导体功率元件14    Mitsubishi IGBT，1200V，8A可控硅晶闸管Th1-Thn Texas Instruments 800V，4A二极管D1-Dn         Schottky二极管30V，10A，反向峰值
                电压35V光耦合器OC1-OCn27   Siemens ILCT6，DUAL比较器电路COMP1-COMPn   LM339N，QUAD微处理器17              RISC Microchips 1651和1671

Claims (4)

1．包括几个电池或串联连接的电池组(G1-Gn；E1-G1，E2-G1，E1-G2，E2-G2，…E1-Gn-1，E2-Gn-1，E1-Gn，E2-Gn)的电能蓄电池充电器，该充电器包括：一个通过一个电源(5，6，7)为每个电池或每个电池组供电的充电电路，所述充电电路包括一个变压器(T1-Tn)，变压器的初级绕组接收从所述电源来的电力，其次级绕组通过一个整流器(D1，C1，D2，C2…Dn1，Cn1，Dn，Cn)与蓄电池或相关的电池组连接，该充电器的特征在于：所述电源(5，6，7)包括供电装置(8，9，10)，用于提供一个具有正弦形状或波形的单向整流电压，所述充电电路包括一个与所述供电装置(8，9，10)连接的回馈式变换器(CV1-CVn)，并且所述充电器进一步包括用于检测每个蓄电池或每个蓄电池组的电压的装置(COMP1-COMPn)和用于控制与其相关的变换器振荡的导通和关断的装置(14，17，21-1至21n，23，28-1至28n，Th1-Thn)，以便作为由所述检测装置检测的电压值的一个函数，每个变换器(CV1-CVn)包括所述变压器(T1-Tn)和所述整流器(D1-Dn，C1-Cn)和至少一个与所述变压器(T1-Tn)的初级绕组串联连接到所述供电装置(8，9，10)上的第一可控半导体元件(14)。
2．根据权利要求1的充电器，其特征在于所述每个变压器(T1-Tn)的初级绕组被串联连接在所述第一可控半导体元件(14)和一个第二可控半导体元件(Th1-Thn)之间，并它们与所述供电装置(8，9，10)串联连接。
3．根据权利要求2的充电器，其特征在于所述第一可控半导体元件(14)对于所有变换器(CV1-CVn)是公用的。
4．根据权利要求1-3中的任一个充电器，其特征在于该充电器也包括开关装置(13)，用于在所述蓄电池的充电方式期间使所述变换器(CV1-CVn)与所述供电装置(8，9，10)连接，在它的放电期间使变换器(CV1-CVn)与蓄电池的端子的一端连接。
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