CN109391016B - 充电装置和充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于给电储能器充电的充电装置，包括：电源电路，用于接入电源；交流电转换电路，用于使电源电路接入的电源转换为具有预设频率值的第一交流电；变压器，用于使第一交流电转换为第二交流电，第二交流电的电压值小于第一交流电的电压值；直流电压转换电路，用于使第二交流电转换为平滑直流电以为电储能器充电；其中，交流电转换电路与电源电路连接，变压器与交流电转换电路连接，直流电压转换电路与变压器连接。充电装置具有成本低、寿命长且充电效率高的优点。

Description

充电装置和充电方法
技术领域
本发明涉及一种充电装置，具体涉及一种用于给电能存储器充电的充电装置。
背景技术
现有的用于给电能存储器如电池包充电的充电装置，通常采用大电解电容将接入的电网电压进行平滑处理以得到平缓的直流电以为电池包充电。
一方面，由于大电解电容将随着电流负荷及使用次数的增加容易老化，使用寿命较短，从而影响充电装置的使用寿命。另一方面，大电解电容本身的高成本导致充电装置的成本高。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种寿命长且成本低的充电装置。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种用于给电储能器充电的充电装置，包括：电源电路，用于接入电源；交流电转换电路，用于使电源电路接入的电源转换为具有预设频率值的第一交流电；变压器，用于使第一交流电转换为第二交流电，第二交流电的电压值小于第一交流电的电压值；直流电压转换电路，用于使第二交流电转换为具有预设范围波动波形的直流电以为电储能器充电；其中，交流电转换电路与电源电路连接，变压器与交流电转换电路连接，直流电压转换电路与变压器连接。
进一步，交流电转换电路包括：开关装置，用于导通或关断电源电路与交流电转换电路的连接；充电装置还包括：控制器，通过控制开关装置的导通或关断的频率以使电源电路接入的电源转换为具有预设频率值的第一交流电。
进一步，还包括：检测电路，用于检测直流电压转换电路的输出电流；控制器，在输出电流达到预设电流值时控制器输出占空比为定值的控制信号至开关装置。
进一步，还包括：检测电路，用于检测直流电压转换电路的输出电流；控制器，用于依据输出电流的变化以输出占空比变化的控制信号至开关装置以使输出电流维持在一个预设值。
进一步，直流电压转换电路包括：整流单元，用于将第二交流电转换为脉动直流电；滤波电路，用于将脉动直流电转换换为平滑直流电以为电储能器供电。
进一步，交流电转换电路还包括：开关装置，用于导通电源电路与交流电转换电路的连接；电容，在开关装置导通时使开关装置和变压器构成电流回路。
进一步，电源电路的接入电源为交流电源。
进一步，变压器为高频变压器，高频的取值范围为5kHz~1MHz。
一种用于给电储能器充电的充电方法，包括：检测有效充电电流值；比较有效充电电流值与预设电流基准值；若有效充电电流值大于预设电流基准值则降低占空比；若有效充电电流值小于预设电流基准值则提高占空比。
一种用于给电储能器充电的充电方法，包括：检测有效充电电流峰值；比较有效充电电流峰值与预设电流基准峰值；若有效充电电流峰值大于预设电流基准峰值则降低占空比；若有效充电电流峰值小于预设电流基准峰值则提高占空比。
本发明的有益之处在于提供一种成本低、寿命长且充电效率高的充电装置和充电方法。
附图说明
图1是作为一个实施例的充电装置的结构图；
图2是作为一个实施例的充电电路图；
图3是作为另一个实施例的充电电路图；
图4是作为另一个实施例的充电电路图；
图5是充电电路中直流电压转换电路的输出波形图；
图6是作为一个实施例的充电方法的流程图；
图7是作为另一个实施例的充电方法的流程图；
图8是作为一个实施例的充电装置的充电时间曲线图；
图9是现有充电装置的充电时间曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参考图1所示，示例性地示出了一种充电装置100的结构图。其中，电池包200可拆卸式地连接至充电装置100，通过充电装置100接入外部电源以为电池包200充电。充电装置100包括用于接入交流市电的交流电插头110，接入的交流市电经充电装置100内部的充电电路120转换为直流电以为电池包200充电。
参考图2所示的充电电路120，充电电路120包括电源电路130、交流电转换电路140、变压器150和直流电压转换电路160。
充电装置100包括第一接入端111和第二接入端112，它们一起构成充电装置100的输入端。充电装置100还包括第一接出端113和第二接出端114，它们一起构成充电装置100的输出侧。其中，第一接入端111和第二接入端112用于与交流电压源连接，输入的交流电压加载在第一接入端111和第二接入端112之间，具体的，输入的交流电压为电网电压，第一接入端111和第二接入端112分别与交流电插头110连接。经由第一接入端111和第二接入端112给充电装置100提供输入电流，输入电流为正弦交流电。
第一接出端113和第二接出端114与需要充电的电储能器或电池包200连接，以便相应地对电储能器或电池包200充电。
第一接入端111和第二接入端112与电源电路130连接，电源电路130在输出侧与第一交流电接入端141和第二交流电接入端142连接。加载在第一接入端111和第二接入端112之间的交流电压经电源电路130整流后转换为单向脉动的直流电压输出，电源电路130在输出侧输出脉动的直流电压。也即在第一交流电接入端141和第二交流电接入端142之间加载单向脉动的直流电压。其中，电源电路130为桥式整流电路、半波整流电路或全波整流电路。本实施例中电源电路130为桥式整流电路。
充电装置100还包括交流电转换电路140和控制器170。交流电转换电路140包括第一交流电接入端141和第二交流电接入端142，第一交流电接入端141和第二交流电接入端142作为交流电转换电路140的输入侧分别与电源电路130的输出侧连接。交流电转换电路140还包括第一交流电接出端143和第二交流电接出端144，第一交流电接出端143和第二交流电接出端144作为交流电转换电路140的输出侧输出具有预设频率值的第一交流电。交流电转换电路140在控制器170的控制下将加载在第一交流电接入端141和第二交流电接入端142接入的单向脉动直流电转换为具有预设频率值的第一交流电。
具体的，交流电转换电路140包括第一电容C1、第二电容C2、第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2。其中，第一电容C1的一端与第一交流电接入端141连接，第一电容C1的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与第二交流电接入端142连接，第一半导体开关Q1的第一端连接至第一交流电接入端141，第一半导体开关Q1的第二端与第二半导体开关Q2的第一端连接，第二半导体开关Q2的第二端连接至第二交流电接入端142，第一交流电接出端143连接至第一电容C1和第二电容C2之间，第二交流电接出端144连接至第一半导体开关Q1的第二端和第二半导体开关Q2的第一端之间。第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2均具有一个用于接收控制器170的控制信号的第三端。控制器170发出使第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2种的一个导通而另一个断开的控制信号以使交流电转换电路140将单向脉动直流电压转换为具有预设频率值的第一交流电。其中，第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2为MOSFET或IGBT。
具体的，控制器170先发出使第一半导体开关Q1导通且第二半导体开关Q2断开的第一控制信号，再发送使第一半导体开关Q1断开且第二半导体开关Q2导通的第二控制信号，控制器170交替发送第一控制信号和第二控制信号从而使脉动电源转换为第一交流电。
参考图3所示，作为可能的实施方式，电源电路130和交流电压转换电路140之间连接一小电解电容CY，小电解电容CY的取值范围为：330nF<CY<(0.5*输出功率)nF，这里的输出功率指充电装置的输出功率，例如，充电装置的输出功率为45W，则小电解电容的取值范围为330nF~22.5nF。
与现有的充电装置100的不同之处在于，本实施例中的电源电路130和交流电压转换电路之间无需使用寿命短且体积大的大电解电容，降低了生产成本，使得充电装置100更为紧凑。
充电装置100还包括变压器150。变压器150具有初级线圈M1和次级线圈M2，其中，初级线圈M1包括第一初级端151和第二初级端152，第一初级端151与第一交流电接出端143连接，第二初级端152与第二交流电接出端144连接。也即第一初级端151与第二初级端152之间加载第一交流电。次级线圈M2包括第一次级端153和第二次级端154，第一次级端153和第二次级端154作为变压器150的输出侧连接至直流电压转换电路160160。变压器150用于使第一交流电转换为第二交流电，其中，第二交流电的电压值小于所述第一交流电的电压值。具体的，变压器150具有两个次级线圈M2，两个次级线圈M2首尾连接。具体的，变压器150为电子隔离变压器。
充电装置100还包括直流电压转换电路160。直流电压转换电路160包括第一直流接入端161和第二直流接入端162，第一直流接入端161连接至第一次级端153，第二直流接入端162连接至第二次级端154。也即第一直流接入端161和第二直流接入端162之间加载第二交流电。具体的，直流电压转换电路160包括第一二极管D1、第二二极管D2构成的整流单元和滤波电路，其中，滤波电路包括电感L和第三电容C3。第一二极管D1的阳极连接至第一次级端153，第一二极管D1的阴极与电感L的一端连接，电感L的另一端连接至第一接出端113，第二二极管D2的阳极连接至第二次级端154，第二二极管D2的阴极与电感L的一端连接，第三电容C3的一端连接至电感L的另一端，第三电容C3的另一端连接至两个初级线圈M1之间，也即第三电容C3的另一端连接至第二接出端114。第二交流电利用第一二极管D1和第二二极管D2的单向导通特性以及，电感L与第三电容C3构成的滤波电路对第二交流电进行滤波使得第一接出端113和第二接出端114输出具有波动波形的直流电压以为电池包200充电。
需要说明的是，这里的具有波动波形的直流电表示第一接出端113和第二接出端114输出的直流电的波形为预设范围内波动的波形，如类正弦半波波形或如图4所示的直流电波形。
由于电池包200的电压通过电池包200本身预先设定，因此第一接出端113和第二接出端114之间的输出电压基本保持稳定，而输出电流可变，因此充电装置100输出至电池包200的输出功率可通过调整直流电压转换电路160的输出电流来动态调整。
充电装置100包括检测模块180，检测模块180连接在电感L和第一接出端113之间，用于检测充电电路120的输出电流，控制器170依据检测模块180检测的输出电流输出相应的控制信号至第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2。此外，检测模块180也可连接至电池包200，检测电池包200的充电电流，控制器170依据检测模块180检测的充电电流输出相应的控制信号以控制第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2的导通或断开。
作为实施方式的一种，检测模块180采集充电电流，控制器170内预设允许的充电电流基准值，控制器170接收检测模块180采集的有效充电电流值，并与预设的充电电流基准值进行比较，以补偿校正输出恒定的占空比至第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2。具体的，控制器170同时输出使第一半导体开关Q1导通和第二半导体开关Q2断开的控制信号，采用脉宽调制的方式以恒定的占空比控制第一半导体开关Q1的导通或断开的频率。
参考图6所示，用于充电装置的充电方法包括如下步骤：
S601.检测有效充电电流值；
S602.比较有效充电电流值与预设电流基准值；若有效充电电流值大于预设电流基准值则转至步骤S603；若有效充电电流值小于预设电流基准值则转至步骤S604；
S603.输出降低占空比的控制信号至第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2；
S604.输出提高占空比的控制信号至第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2；
S605.判断有效充电电流值是否等于预设电流基准值；若是则转至步骤S606，若否则返回S602.
S606.以预设电流基准值充电。
在步骤S601中，具体的，检测模块采集电池包的充电电流值的采样频率为100HZ。有效充电电流值可通过检测模块采集充电装置的有效充电电流值，也可采集电池包的有效充电电流值。
作为实施方式的另一种，检测模块180采集充电电流的峰值，控制器170内预设电流基准峰值，控制器170接收检测模块180采集的充电电流峰值，并与预设电流基准峰值进行比较，补偿校正输出变化的占空比至第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2以使充电流以接近于预设电流基准峰值输出。
参考图7所示，另一种用于充电装置的充电方法包括如下步骤：
S701.检测有效充电电流峰值；
S702.比较有效充电电流峰值与预设电流基准峰值；若有效充电电流峰值大于预设电流基准峰值则转至步骤S603；若有效充电电流峰值小于预设电流基准峰值则转至步骤S604；
S703.输出降低占空比的控制信号至第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2；
S704.输出提高占空比的控制信号至第一半导体开关Q1和第二半导体开关Q2；
S705.判断有效充电电流峰值是否等于预设电流基准峰值；若是则转至步骤S706，若否则返回S702；
S706.以预设电流基准峰值充电。
在步骤S701中，具体的，检测模块采集电池包的充电电流值的采样频率为50kHZ。有效充电电流峰值可通过检测模块采集充电装置的有效充电电流峰值，也可采集电池包的有效充电电流峰值。
参考图4所示的另一充电电路220的电路图，与图2所示的充电电路120的不同之处在于交流电压转换电路240包括四个半导体开关k1，k2，k3，k4，第二接出端224与第二次级端254连接。控制器270输出相应的控制四个半导体开关的控制信号以使交流电压转换电路240将单向脉动直流电转换为具有预设频率的第一交流电。
一种用于给电储能器充电的充电方法，包括以下步骤：
S1.接入交流电源；
S2.使交流电源转换为具有预设频率值的第一交流电；
S3.使第一交流电转换为具有波动波形的直流电以为电储能器充电。
其中，步骤S2中通过占空比调节使交流电源转换为具有预设频率的第一交流电。
图8示出了采用上述充电电路和充电方法的充电装置的充电曲线图，图中横坐标表示充电时间，纵坐标表示充电电流和充电电压。
图9示出了现有充电装置的充电曲线图，图中横坐标表示充电时间，纵坐标表示充电电流和充电电压。
比较图8和图9所示，以相同的充电电流分别给本发明的充电装置充电和给现有充电装置充电，本发明的充电装置的充电时间约为4320s，而现有充电装置的充电时间约为5220s。显然，本发明的充电装置具有较高的充电效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于给电储能器充电的充电装置，包括：
电源电路，用于接入电源；
交流电转换电路，至少包括开关装置，所述开关装置用于导通所述电源电路与所述交流电转换电路的连接；所述交流电转换电路用于使所述电源电路接入的电源转换为具有预设频率值的第一交流电；
变压器，用于使所述第一交流电转换为第二交流电，所述第二交流电的电压值小于所述第一交流电的电压值；
直流电压转换电路，用于使所述第二交流电转换为具有预设范围波动波形的直流电以为所述电储能器充电；
电解电容，被配置为取值范围在330nF<CY<(0.5*输出功率)nF，所述输出功率为所述充电装置的输出功率，所述电解电容连接在所述电源电路和所述交流电- 转换电路之间；
其中，
所述电源电路为桥式整流电路；
所述电源电路和所述交流电转换电路之间无大容值的电解电容；
所述交流电转换电路还包括：
电容，在所述开关装置导通时使所述开关装置和所述变压器构成电流回路；
所述交流电转换电路与所述电源电路连接，所述变压器与所述交流电转换电路连接，所述直流电压转换电路与所述变压器连接。
2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，
所述交流电转换电路包括：
开关装置，用于导通或关断所述电源电路与所述交流电转换电路的连接；
所述充电装置还包括：
控制器，通过控制所述开关装置的导通或关断的频率以使所述电源电路接入的电源转换为具有预设频率值的第一交流电。
3.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，
还包括：
检测电路，用于检测所述直流电压转换电路的输出电流；
控制器，在所述输出电流达到预设电流值时所述控制器输出占空比为定值的控制信号至所述开关装置。
4.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，
还包括：
检测电路，用于检测所述直流电压转换电路的输出电流；
控制器，用于依据所述输出电流的变化以输出占空比变化的控制信号至所述开关装置以使所述输出电流维持在一个预设值。
5.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，
所述直流电压转换电路包括：
整流单元，用于将所述第二交流电转换为脉动直流电；
滤波电路，用于将所述脉动直流电转换为平滑直流电以为所述电储能器供电。
6.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，
所述电源电路的接入电源为交流电源。
7.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，
所述变压器为高频变压器。
8.一种具有小电解电容的充电装置给电储能器充电的充电方法，
所述充电装置包括：
电源电路，用于接入电源；
交流电转换电路，至少包括开关装置，所述开关装置用于导通所述电源电路与所述交流电转换电路的连接；所述交流电转换电路用于使所述电源电路接入的电源转换为具有预设频率值的第一交流电；
变压器，用于使所述第一交流电转换为第二交流电，所述第二交流电的电压值小于所述第一交流电的电压值；
直流电压转换电路，用于使所述第二交流电转换为具有预设范围波动波形的直流电以为所述电储能器充电；
电解电容，被配置为取值范围在330nF<CY<(0.5*输出功率)nF，所述输出功率为所述充电装置的输出功率，所述电解电容连接在所述电源电路和所述交流电转换电路之间；
所述电源电路为桥式整流电路；
所述电源电路和所述交流电转换电路之间无大容值的电解电容；
所述交流电转换电路还包括：
电容，在所述开关装置导通时使所述开关装置和所述变压器构成电流回路；
所述交流电转换电路与所述电源电路连接，所述变压器与所述交流电转换电路连接，所述直流电压转换电路与所述变压器连接；
所述方法包括：
检测有效充电电流值；
比较所述有效充电电流值与预设电流基准值；若所述有效充电电流值大于所述预设电流基准值则降低占空比；若所述有效充电电流值小于所述预设电流基准值则提高所述占空比。
9.一种具有小电解电容的充电装置给电储能器充电的充电方法，
所述充电装置包括：
电源电路，用于接入电源；
交流电转换电路，至少包括开关装置，所述开关装置用于导通所述电源电路与所述交流电转换电路的连接；所述交流电转换电路用于使所述电源电路接入的电源转换为具有预设频率值的第一交流电；
变压器，用于使所述第一交流电转换为第二交流电，所述第二交流电的电压值小于所述第一交流电的电压值；
直流电压转换电路，用于使所述第二交流电转换为具有预设范围波动波形的直流电以为所述电储能器充电；
电解电容，被配置为取值范围在330nF<CY<(0.5*输出功率)nF，所述输出功率为所述充电装置的输出功率，所述电解电容连接在所述电源电路和所述交流电转换电路之间；
所述电源电路为桥式整流电路；
所述电源电路和所述交流电转换电路之间无大容值的电解电容；
所述交流电转换电路还包括：
电容，在所述开关装置导通时使所述开关装置和所述变压器构成电流回路；
所述交流电转换电路与所述电源电路连接，所述变压器与所述交流电转换电路连接，所述直流电压转换电路与所述变压器连接；
所述方法包括：
检测有效充电电流峰值；
比较所述有效充电电流峰值与预设电流基准峰值；若所述有效充电电流峰值大于所述预设电流基准峰值则降低占空比；若所述有效充电电流峰值小于所述预设电流基准峰值则提高所述占空比。
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