CN107910928A - 一种大功率整流谐振快速充电器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率整流谐振快速充电器及其控制方法，该充电器包括由变压器和整流器串联而成的变压整流电路、由大功率恒流充电电路和小功率恒压充电电路并联而成的变功率充电电路和由控制器、电压采集器和切换开关组成的监测控制电路。该控制方法利用自由模块化锂电池的特有优势，通过整流谐振方式，并结合满电智能管理策略对自由模块化锂电池进行快速充电。在大功率模式下可直接完成95%以上电量的快充，在小功率模式下可进行慢充，反复几次便可使电池进入涓流缓冲状态，逐渐达到满电。本发明具有结构简单，性能可靠的优点，特别是寿命优势和成本优势突出，可广泛应用于中小型电动交通工具的车载快速充电器，具有大规模推广的经济价值。

Description

一种大功率整流谐振快速充电器及其控制方法

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种大功率整流谐振快速充电器及其控制方法。

背景技术

传统锂电池的充电策略一般为恒流转恒压模式（CC-CV），即在充电前期为恒流充电，当电池的电量接近满电时，转为恒压充电，这种充电模式对功率控制提出了较高的要求。目前，主流的功率控制方案均采用开关电源控制方法，其优点是电流稳定，精度高，对电池的安全有一定的好处；其缺点是在大功率充电时，成本居高不下。主要原因是，用于控制功率的半导体开关应用在如手机、笔记本等低功率产品时技术比较成熟，而在承受较高的电压波动和浪涌冲击的情况下会存在风险，因此在应对未来电动交通工具的快速充电需求上存在成本较高的问题，这也是制约新能源推广的因素之一。

随着锂电池技术的不断进步，动力锂电池的应用越来越广泛。今天，动力锂电池已经步入模快化，标准化和自由组合化的时代。机械保护开关的成熟应用和高效率动态群均衡管理的普及化，使得动力锂电池的特有优势开始展现。特别是随着新能源电动交通工具规划的加速推进，对于基于锂电池特性的快速充电器也逐渐开始得到重视。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明专门提供了一种大功率整流谐振快速充电器及其控制方法。

为达到上述技术目的及效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种大功率整流谐振快速充电器，包括变压整流电路、变功率充电电路和监测控制电路；

所述变压整流电路由变压器和整流器串联而成，所述变功率充电电路由大功率恒流充电电路和小功率恒压充电电路并联而成，所述监测控制电路由控制器、电压采集器和切换开关组成；

所述变压器的输入端与市电连接，所述变压器的输出端与所述整流器的输入端连接，所述整流器的输出端通过所述切换开关分别与所述大功率恒流充电电路和所述小功率恒压充电电路的输入端连接，所述大功率恒流充电电路和所述小功率恒压充电电路的输出端分别与锂电池组连接，所述大功率恒流充电电路可以直接为输电线，所述小功率恒压充电电路可以直接采用PTC+NTC平衡限流或传统限流装置限流；所述电压采集器设置在所述锂电池组的正负极两端，所述控制器的一端与所述电压采集器连接，所述控制器的另一端与所述切换开关连接。

进一步的，所述变压器和所述整流器可以设计成一个整体的变压整流电路模块，因此在所述市电与所述切换开关之间可以通过并联若干个变压整流电路模块，来实现不同变压整流目标的需求。

进一步的，为了控制成本，所述变压器可以为固定电压式变压器，即只能专门适用于某一种电压值的市电，例如只能用于220V中制市电或110V英制市电。

进一步的，为了用户的使用方便，所述变压器为选择电压式变压器，即一个充电器可以通过模式切换来适用于多种电压值的市电，例如既可用于220V中制市电，也可用于110V英制市电。

进一步的，所述的选择电压式变压器中包含有两组绕组线圈以及一个用于切换两组所述绕组线圈串并联关系的选择开关。

进一步的，所述变压器与所述市电之间设置有一个市电电压检测芯片，所述市电电压检测芯片与所述选择开关连接，用于实现所述选择开关的自动切换。

进一步的，所述选择开关包括输入触点、输出触点、第一活动触点、第二活动触点和中心触点；所述输入触点分别与市电以及第一个所述绕组线圈的输入端连接，所述输出触点分别与所述整流器以及第二个所述绕组线圈的输出端连接；所述第一活动触点的固定端与第一个所述绕组线圈的输出端连接，所述第一活动触点的活动端可在所述输出触点和所述中心触点之间进行选择性接触；所述第二活动触点的固定端与第二个所述绕组线圈的输入端连接，所述第二活动触点的活动端可在所述输入触点和所述中心触点之间进行选择性接触。

进一步的，当所述第一活动触点的活动端与所述输出触点接触，且所述第二活动触点的活动端与所述输入触点接触时，两个所述绕组线圈串联，串联后的两个所述绕组线圈可以使得所述变压器适用于220V的市电；

当所述第一活动触点的活动端和所述第二活动触点的活动端同时与所述中心触点接触时，两个所述绕组线圈并联，并联后的两个所述绕组线圈可以使得所述变压器适用于110V的英制市电，保证了所述变压器输出的电压与220V中制市电时输出的电压相一致。

本发明的大功率整流谐振快速充电器是一种专门为自由模块化锂电池提供的充电器。所述的自由模块化锂电池是本发明人在先申请的专利“一种基于脱桥式双稳态继电器的锂电池管理系统”（申请号：201620777597.5），这种自由模块化锂电池中同时设计有脱桥式双稳态磁保持继电器和电池能量管理器，通过多组合协同的方式对锂电池组进行保护，使得锂电池组形成了独特的模块化电池管理系统。其中，脱桥式双稳态磁保持继电器采用了机械开关对动力锂电池进行安全防护，解决了传统半导体开关无法承受高压，浪涌等问题。电池能量管理器中采用了均衡电阻对锂电池模块进行能量均衡，将锂电池模块中过充电芯的电量转化为均衡电阻的热能，解决了锂电池组内部电芯的一致性问题。这两者的结合，直接提升了锂电池模块的工作能力，抗高压能力以及抗浪涌能力，使其具备大电流动态均衡能力，得以实现锂电池的自由串并联，并能直接承受2C的大功率充电。

一种大功率整流谐振快速充电器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1）利用监测控制电路中的控制器设定锂电池组的变功率充电电压值，所述的变功率充电电压值为所述锂电池组满电电压的90%~95%；

步骤2）当充电器的输入端和输出端分别接入市电和所述锂电池组时，市电电压检测芯片立刻对所述市电电压进行检测和判断；

步骤3）若检测到所述市电的电压为220V，则所述市电电压检测芯片立刻控制变压器中的选择开关将两组绕组线圈转变成串联结构；若检测到所述市电的电压为110V，则所述市电电压检测芯片立刻控制所述选择开关将两组所述绕组线圈转变成并联结构；该步骤实现了智能宽频交流电压输入的适应性，以保持输出直流电压相一致；

步骤4）所述变压器完成转换后所述充电器接通，所述市电输入的交流电依次经过所述变压器和整流器的变压、整流、滤波后，直接转变成达到所述锂电池组目标充电电压的直流电；

步骤5）在充电过程中，所述监测控制电路中的电压采集器对所述锂电池的总电压进行实时采集；

步骤6）当所述电压采集器检测到所述锂电池组的总电压未达到所述的变功率充电电压值时，所述检测控制电路中的切换开关将充电线路接入大功率恒流充电电路，达到目标充电电压的直流电直接通过所述大功率恒流充电电路为所述锂电池组进行大功率快速充电；

步骤7）当所述电压采集器检测到所述锂电池组的总电压达到所述的变功率充电电压值时，所述切换开关将充电线路接入小功率恒压充电电路，所述小功率恒压充电电路对达到目标充电电压的直流电进行限流，从而为所述锂电池组进行小功率涓流充电；

步骤8）当所述电压采集器检测到所述锂电池组的总电压因为虚电而再次下降到所述的变功率充电电压值之下时，所述切换开关将充电线路接入所述大功率恒流充电电路，对所述锂电池组进行大功率充电；

步骤9）当所述电压采集器检测到所述锂电池组的总电压再达到所述的变功率充电电压值时，所述切换开关再次将充电线路接入小功率恒压充电电路，为所述锂电池组进行小功率涓流充电；

步骤10）重复几次步骤6）~步骤9），所述锂电池组随即进入涓流缓冲状态，所述锂电池组会逐渐满电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对我国电网标准制式，利用自由模块化锂电池的特有优势，通过最简单明了的整流谐振方式，并结合满电智能管理策略对自由模块化锂电池进行快速充电。自由模块化锂电池具有零电阻的特性，整流器具有输出功率稳定的特性，是实现快速充电的简捷路径，实践证明，在本发明的大功率充电模式下，可以完成自由模块化锂电池95%以上电量的快速充电，在小功率充电模式下，可以对自由模块化锂电池进行慢速充电，反复几次便可使电池进入涓流缓冲状态，逐渐电池就能达到满电。

本发明对于使用电子功率开关的传统充电器而言，具有结构简单，性能可靠的优点，特别是寿命优势和成本优势突出，成本仅为传统充电器的1/3。本发明可以广泛应用于中小型电动交通工具的车载快速充电器，具有大规模推广的经济价值。本发明在经过升级后，可以实现220V和110V市电的通用充电，同时兼顾我国电网和英制电网，大大方便了用户的使用，更具有人性化。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种实施例的整体结构原理图；

图2为本发明另一种实施例的整体结构原理图；

图3为本发明所采用的选择电压式变压器的结构原理图；

图4为本发明所采用的选择电压式变压器中选择开关的原理图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1所示，一种大功率整流谐振快速充电器，包括变压整流电路、变功率充电电路和监测控制电路；

所述变压整流电路由变压器1和整流器2串联而成，所述变功率充电电路由大功率恒流充电电路3和小功率恒压充电电路4并联而成，所述监测控制电路由控制器5、电压采集器6和切换开关7组成；

所述变压器1的输入端与市电8连接，所述变压器1的输出端与所述整流器2的输入端连接，所述整流器2的输出端通过所述切换开关7分别与所述大功率恒流充电电路3和所述小功率恒压充电电路4的输入端连接，所述大功率恒流充电电路3和所述小功率恒压充电电路4的输出端分别与锂电池组9连接，所述电压采集器6设置在所述锂电池组9的正负极两端，所述控制器5的一端与所述电压采集器6连接，所述控制器5的另一端与所述切换开关7连接。

进一步的，参见图2所示，所述变压器1和所述整流器2可以设计成一个整体的变压整流电路模块，因此在所述市电8与所述切换开关7之间可以通过并联若干个变压整流电路模块，来实现不同变压整流目标的需求。

进一步的，为了控制成本，所述变压器1可以为固定电压式变压器，即只能专门适用于某一种电压值的市电，例如只能用于220V中制市电或110V英制市电。

进一步的，为了用户的使用方便，所述变压器1为选择电压式变压器，即一个充电器可以通过模式切换来适用于多种电压值的市电，例如既可用于220V中制市电，也可用于110V英制市电。

进一步的，参见图3所示，所述的选择电压式变压器中包含有两组绕组线圈11以及一个用于切换两组所述绕组线圈11串并联关系的选择开关12；所述变压器1与所述市电8之间设置有一个市电电压检测芯片10，所述市电电压检测芯片10与所述选择开关12连接，用于实现所述选择开关12的自动切换。

进一步的，参见图4所示，所述选择开关12包括输入触点121、输出触点122、第一活动触点123、第二活动触点124和中心触点125；所述输入触点121分别与市电8以及第一个所述绕组线圈11的输入端连接，所述输出触点122分别与所述整流器2以及第二个所述绕组线圈11的输出端连接；所述第一活动触点123的固定端与第一个所述绕组线圈11的输出端连接，所述第一活动触点123的活动端可在所述输出触点122和所述中心触点125之间进行选择性接触；所述第二活动触点124的固定端与第二个所述绕组线圈11的输入端连接，所述第二活动触点124的活动端可在所述输入触点121和所述中心触点125之间进行选择性接触。

进一步的，当所述第一活动触点123的活动端和所述第二活动触点124的活动端同时与所述中心触点125接触时，两个所述绕组线圈11串联，串联后的两个所述绕组线圈11可以使得所述变压器1适用于220V的市电；

当所述第一活动触点123的活动端与所述输出触点122接触，且所述第二活动触点124的活动端与所述输入触点121接触时，两个所述绕组线圈11并联，并联后的两个所述绕组线圈11可以使得所述变压器1适用于110V的英制市电，保证了所述变压器1输出的电压与接入220V市电时输出的电压相一致。

按全球交流配电网的设计规范，本发明的充电器最大输出功率不高于5000W，以保证国家电网没有功率冲击。

本发明的大功率整流谐振快速充电器是一种专门为自由模块化锂电池提供的充电器。所述的自由模块化锂电池是本发明人在先申请的专利“一种基于脱桥式双稳态继电器的锂电池管理系统”（申请号：201620777597.5），这种自由模块化锂电池中同时设计有脱桥式双稳态磁保持继电器和电池能量管理器，通过多组合协同的方式对锂电池组进行保护，使得锂电池组形成了独特的模块化电池管理系统。其中，脱桥式双稳态磁保持继电器采用了机械开关对动力锂电池进行安全防护，解决了传统半导体开关无法承受高压，浪涌等问题。电池能量管理器中采用了均衡电阻对锂电池模块进行能量均衡，将锂电池模块中过充电芯的电量转化为均衡电阻的热能，解决了锂电池组内部电芯的一致性问题。这两者的结合，直接提升了锂电池模块的工作能力，抗高压能力以及抗浪涌能力，使其具备大电流动态均衡能力，得以实现锂电池的自由串并联，并能直接承受2C的大功率充电。

一种大功率整流谐振快速充电器的控制方法，以满电电压为87V的锂电池组为例，包括以下步骤：

步骤1利用监测控制电路中的控制器5设定锂电池组9的变功率充电电压值为所述锂电池组9为83V；

步骤2当充电器的输入端和输出端分别接入市电8和所述锂电池组9时，市电电压检测芯片10立刻对所述市电8电压进行检测和判断；

步骤3若检测到所述市电8的电压为220V，则所述市电电压检测芯片10立刻控制变压器1中的选择开关12将两组绕组线圈11转变成并联结构；若检测到所述市电8的电压为110V，则所述市电电压检测芯片10立刻控制所述选择开关12将两组所述绕组线圈11转变成串联结构；该步骤实现了智能宽频交流电压输入的适应性，以保持输出直流电压相一致；

步骤4所述变压器1完成转换后所述充电器接通，所述市电8输入的交流电依次经过所述变压器1和整流器2的变压、整流、滤波后，直接转变成达到所述锂电池组9目标充电电压75V的直流电；

步骤5在充电过程中，所述监测控制电路中的电压采集器6对所述锂电池组9的总电压进行实时采集；

步骤6当所述电压采集器6检测到所述锂电池组9的总电压未达到83V时，所述检测控制电路中的切换开关7将充电线路接入大功率恒流充电电路3，充分利用电压跟随法，75V的直流电直接通过所述大功率恒流充电电路3为所述锂电池组9进行大功率快速充电；

步骤7当所述电压采集器6检测到所述锂电池组9的总电压达到83V时，所述切换开关7将充电线路接入小功率恒压充电电路4，所述小功率恒压充电电路4对达到目标充电电压的直流电进行限流，从而为所述锂电池组9进行小功率涓流充电；

步骤8当所述电压采集器6检测到所述锂电池组9的总电压因为虚电而再次下降到83V之下时，所述切换开关7将充电线路接入所述大功率恒流充电电路3，对所述锂电池组9进行大功率充电；

步骤9当所述电压采集器6检测到所述锂电池组9的总电压再达到83V时，所述切换开关7再次将充电线路接入小功率恒压充电电路4，为所述锂电池组9进行小功率涓流充电；

步骤10重复几次步骤6~步骤9，所述锂电池组9随即进入涓流缓冲状态，所述锂电池组9会逐渐满电至87V。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大功率整流谐振快速充电器，其特征在于：包括变压整流电路、变功率充电电路和监测控制电路；

所述变压整流电路由变压器（1）和整流器（2）串联而成，所述变功率充电电路由大功率恒流充电电路（3）和小功率恒压充电电路（4）并联而成，所述监测控制电路由控制器（5）、电压采集器（6）和切换开关（7）组成；

所述变压器（1）的输入端与市电（8）连接，所述变压器（1）的输出端与所述整流器（2）的输入端连接，所述整流器（2）的输出端通过所述切换开关（7）分别与所述大功率恒流充电电路（3）和所述小功率恒压充电电路（4）的输入端连接，所述大功率恒流充电电路（3）和所述小功率恒压充电电路（4）的输出端分别与锂电池组（9）连接，所述电压采集器（6）设置在所述锂电池组（9）的正负极两端，所述控制器（5）的一端与所述电压采集器（6）连接，所述控制器（5）的另一端与所述切换开关（7）连接。

2.根据权利要求1所述的大功率整流谐振快速充电器，其特征在于：所述市电（8）与所述切换开关（7）之间并联有若干个所述变压整流电路。

3.根据权利要求1所述的大功率整流谐振快速充电器，其特征在于：所述变压器（1）为固定电压式变压器。

4.根据权利要求1所述的大功率整流谐振快速充电器，其特征在于：所述变压器（1）为选择电压式变压器。

5.根据权利要求4所述的大功率整流谐振快速充电器，其特征在于：所述的选择电压式变压器中包含有两组绕组线圈（11）以及一个用于切换两组所述绕组线圈（11）串并联关系的选择开关（12）。

6.根据权利要求5所述的大功率整流谐振快速充电器，其特征在于：所述变压器（1）与所述市电（8）之间设置有一个市电电压检测芯片（10），所述市电电压检测芯片（10）与所述选择开关（12）连接，控制所述选择开关（12）的切换。

7.根据权利要求5或6中任意一项所述的大功率整流谐振快速充电器，其特征在于：所述选择开关（12）包括输入触点（121）、输出触点（122）、第一活动触点（123）、第二活动触点（124）和中心触点（125）；所述输入触点（121）分别与市电（8）以及第一个所述绕组线圈（11）的输入端连接，所述输出触点（122）分别与所述整流器（2）以及第二个所述绕组线圈（11）的输出端连接；所述第一活动触点（123）的固定端与第一个所述绕组线圈（11）的输出端连接，所述第一活动触点（123）的活动端可在所述输出触点（122）和所述中心触点（125）之间进行选择性接触；所述第二活动触点（124）的固定端与第二个所述绕组线圈（11）的输入端连接，所述第二活动触点（124）的活动端可在所述输入触点（121）和所述中心触点（125）之间进行选择性接触。

8.根据权利要求7所述的大功率整流谐振快速充电器，其特征在于：当所述第一活动触点（123）的活动端与所述输出触点（122）接触，且所述第二活动触点（124）的活动端与所述输入触点（121）接触时，两个所述绕组线圈（11）并联；当所述第一活动触点（123）的活动端和所述第二活动触点（124）的活动端同时与所述中心触点（125）接触时，两个所述绕组线圈（11）串联。

9.一种大功率整流谐振快速充电器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）利用监测控制电路中的控制器（5）设定锂电池组（9）的变功率充电电压值，所述的变功率充电电压值为所述锂电池组（9）满电电压的90%~95%；

步骤2）当充电器的输入端和输出端分别接入市电（8）和所述锂电池组（9）时，市电电压检测芯片（10）立刻对所述市电（8）电压进行检测和判断；

步骤3）若检测到所述市电（8）的电压为220V，则所述市电电压检测芯片（10）立刻控制变压器（1）中的选择开关（12）将两组绕组线圈（11）转变成串联结构；若检测到所述市电（8）的电压为110V，则所述市电电压检测芯片（10）立刻控制所述选择开关（12）将两组所述绕组线圈（11）转变成并联结构；

步骤4）所述变压器（1）完成转换后所述充电器接通，所述市电（8）输入的交流电依次经过所述变压器（1）和整流器（2）的变压、整流、滤波后，直接转变成达到所述锂电池组（9）目标充电电压的直流电；

步骤5）在充电过程中，所述监测控制电路中的电压采集器（6）对所述锂电池组（9）的总电压进行实时采集；

步骤6）当所述电压采集器（6）检测到所述锂电池组（9）的总电压未达到所述的变功率充电电压值时，所述检测控制电路中的切换开关（7）将充电线路接入大功率恒流充电电路（3），达到目标充电电压的直流电直接通过所述大功率恒流充电电路（3）为所述锂电池组（9）进行大功率快速充电；

步骤7）当所述电压采集器（6）检测到所述锂电池组（9）的总电压达到所述的变功率充电电压值时，所述切换开关（7）将充电线路接入小功率恒压充电电路（4），所述小功率恒压充电电路（4）对达到目标充电电压的直流电进行限流，从而为所述锂电池组（9）进行小功率涓流充电；

步骤8）当所述电压采集器（6）检测到所述锂电池组（9）的总电压因为虚电而再次下降到所述的变功率充电电压值之下时，所述切换开关（7）将充电线路接入所述大功率恒流充电电路（3），对所述锂电池组（9）进行大功率充电；

步骤9）当所述电压采集器（6）检测到所述锂电池组（9）的总电压再达到所述的变功率充电电压值时，所述切换开关（7）再次将充电线路接入小功率恒压充电电路（4），为所述锂电池组（9）进行小功率涓流充电；

步骤10）重复步骤6）~步骤9）几次，所述锂电池组（9）随即进入涓流缓冲状态，所述锂电池组（9）会逐渐满电。