CN112787363A - 蓄电池系统、充电系统和充电方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种蓄电池系统、充电系统和充电方法，该蓄电池系统包括：蓄电池；降压斩波电路，包括：斩波模块，用于对蓄电池系统的输入电压进行降压处理，并将降压后的电压作为充电电压输出给蓄电池；电压检测模块，用于检测斩波模块的输出电压；电流检测模块，用于检测斩波模块的输出电流；驱动保护模块，用于向开关管提供开关驱动信号；控制器，用于当蓄电池系统的输入电压大于预设充电电压时或蓄电池系统的输入电流大于预设充电电流时，调整斩波模块中开关管的脉冲占空比，以使斩波模块输出的充电电压小于或等于预设充电电压且输出的充电电流小于或等于预设充电电流。本实施例可以自适应的调整输入电压以适应蓄电池不同的充电电压。

Description

蓄电池系统、充电系统和充电方法

技术领域

本发明涉及电力电技术领域，尤其涉及一种蓄电池系统、充电系统和充电方法。

背景技术

蓄电池充电曲线一般由前级充电机按照既定(事先给定)的曲线输出，但是当蓄电池容量调整或者材料升级时，很可能需要同步调整充电机输出特性曲线，否则可能存在因为充电曲线不匹配而导致的蓄电池充不满或者过充失效的风险，进而影响整个蓄电池系统的正常运行。

应用比较广泛的铅酸、镍铬蓄电池，充电机与蓄电池之间没有通讯接口，所以充电曲线的调整需要通过修改充电机软件来实现，整个过程就额外增加了充电机软件调整及相应验证的工作量，增加了蓄电池系统更新和改造的工作量、成本及难度。而镍氢蓄电池相对于既有的镍铬蓄电池、铅酸蓄电池，具有工作温度宽，低温性能好，充放电倍率高，能量密度高等优点，是属于无污染的二次电池电芯，所以其在轨道交通车辆电池系统改造市场前景广阔，其对应的充电机，规格和厂家也都很多，但是如果在蓄电池系统升级改造过程中调整充电机的输出特性，需要增加很多工作量，要么修改充电机输出特性曲线，要么增加与蓄电池的通讯，牵涉的面很广，升级改造的难度和成本也很高。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种充电系统和充电方法，以解决上述充电机的输出特性与蓄电池的升级改造不适配的问题。

第一方面，本申请的实施方式提供一种蓄电池系统，包括：蓄电池；降压斩波电路，所述降压斩波电路包括：斩波模块，其输出端连接所述蓄电池的输入端，用于对所述蓄电池系统的输入电压进行降压处理，并将降压后的电压作为充电电压输出给所述蓄电池；电压检测模块，其连接所述斩波模块的输出端，用于检测所述斩波模块的输出电压；电流检测模块，其连接所述斩波模块的输出端，用于检测所述斩波模块的输出电流；驱动保护模块，其连接所述斩波模块中的开关管，用于向所述开关管提供开关驱动信号；控制器，其连接所述电压检测模块、所述电流检测模块以及所述驱动保护模块，用于当所述蓄电池系统的输入电压大于预设充电电压时或所述蓄电池系统的输入电流大于预设充电电流时，输出控制信号，以控制所述驱动保护模块输出相应的驱动信号来调整所述斩波模块中开关管的脉冲占空比，以使所述斩波模块输出的充电电压小于或等于所述预设充电电压且输出的充电电流小于或等于所述预设充电电流。

可选的，所述斩波模块包括，所述开关管，以及电容、电感和单向导通单元，其中，所述开关管的集电极与所述开关管的基极和所述电容的第一端连接，所述开关管的发射极与所述电感的第一端和所述单向导通单元的负端连接，所述开关管的基极与所述驱动保护模块的输出端连接，所述电感的第二端与所述电流检测模块的第一端和所述电压检测模块的第一端连接，所述单向导通单元的正端与所述蓄电池的负端和所述电容的第二端连接，其中，所述开关管的集电极与所述电容的第二端构成所述蓄电池系统的输入端，用以连接充电机。

可选的，所述驱动保护模块还用于，检测所述开关管的电流上升率，当测得的所述开关管的电流上升率在预设范围之外时，停止向所述开关管提供脉冲驱动信号，以关断所述开关管。

可选的，所述单向导通单元为二极管。

可选的，所述开关管为IGBT管。

可选的，所述蓄电池为镍氢蓄电池。

第二方面，本申请的实施方式提供一种应用于如上文所述的蓄电池系统的充电方法，包括：获取所述蓄电池系统的输入电压和输入电流；获取预设充电电压和预设充电电流；当所述蓄电池系统的输入电压大于所述预设充电电压或所述蓄电池系统的输入电流大于所述预设充电电流时，调整所述斩波模块中开关管的脉冲占空比，以使所述蓄电池的输入电压小于或等于所述预设充电电压且输入电流小于或等于所述预设充电电流。

可选的，所述当所述蓄电池系统的输入电压大于所述预设充电电压或所述蓄电池系统的输入电流大于所述预设充电电流时，调整所述斩波模块中开关管的脉冲占空比，包括：当所述蓄电池系统的输入电压大于所述预设充电电压或所述蓄电池系统的输入电流大于所述预设充电电流时，减小所述斩波模块中的开关管的脉冲占空比。

第三方面，本申请的实施方式提供一种充电系统，包括充电机以及如上文所述的蓄电池系统，其中，所述充电机与所述蓄电池系统的降压斩波电路中的斩波模块的输入端连接，所述充电系统基于入上文所述的充电方法实现蓄电池充电。

本发明的有益效果在于：

本申请实施方式可以根据预设充电电压调整蓄电池系统的输入电压，根据预设充电电流调整蓄电池系统的输入电流，能够在蓄电池的充电曲线调整之后自适应的调整本系统的输入电压和输入电流，以适应蓄电池充电曲线对充电电压和充电电流的要求。避免了因蓄电池充电曲线的调整而引起的充电机等一系列关联产品的变更，减少了蓄电池自身参数调整的后顾之忧，有利于蓄电池的快速优化升级。并且新增的电路，在异常情况下还可主动断开蓄电池，停止对蓄电池充电，实现蓄电池的隔离保护。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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为充电机充给蓄电池充电的三种模式的示意图；

图2为根据本申请一示例性实施例的蓄电池系统的结构示意图；

图3为根据本申请一示例性实施例的充电方法的流程图；

图4为根据本申请一示例性实施例的充电系统的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

充电机和蓄电池一般是按照给定的曲线进行配合的，充电机根据给定的曲线所确定的电压或电流对蓄电池进行充电，充电机的输出曲线与蓄电池的充电曲线一一对应。如图1所示，充电机给蓄电池充电包括限流模式(Ⅰ段)、限功模式(Ⅱ段)和恒压浮充模式(Ⅲ段)三种模式，在多数情况下，在蓄电池还没充满之前，充电机给蓄电池充电采用限流模式或恒功模式，直到蓄电池即将充满，这时会切换到恒压浮充模式，充电电流越来越小，蓄电池等效内阻的压降也在减小，实际电池组内部电压也是略有升高，而我们测试到的电压是蓄电池内部电压与内阻压降的总电压，基本保持不变。但是当蓄电池材料升级或者电芯调整时，蓄电池的充电曲线往往会发生变化，也即蓄电池的充电电压或充电电流发生变化，充电机之前给蓄电池充电的输出曲线便不再适用，需要充电机修改相应的输出电压或电流，以满足新的蓄电池对充电曲线的要求。

本申请的实施方式的蓄电池系统能够对蓄电池系统的输入电压和输入电流进行自适应调整。

本申请的一实施方式提供一种蓄电池系统100，如图2所示，包括蓄电池110；降压斩波电路120，降压斩波电路120包括：斩波模块121，其输出端连接蓄电池110的输入端，用于对蓄电池系统110的输入电压进行降压处理，并将降压后的电压作为充电电压输出给蓄电池110；电压检测模块122，其连接斩波模块121的输出端，用于检测斩波模块121的输出电压；电流检测模块123，其连接斩波模块121的输出端，用于检测斩波模块121的输出电流；驱动保护模块124，其连接斩波模块121中的开关管Q，用于向开关管Q提供开关驱动信号；控制器125，其连接电压检测模块122、电流检测模块123以及驱动保护模块124，用于当蓄电池系统100的输入电压大于预设充电电压时或蓄电池系统100的输入电流大于预设充电电流时，输出控制信号，以控制驱动保护模块124输出相应的驱动信号来调整斩波模块121中开关管Q的脉冲占空比，以使斩波模块121输出的充电电压小于或等于预设充电电压且输出的充电电流小于或等于预设充电电流。

其中，预设充电电压可以为蓄电池110所允许的充电电压，预设充电电流可以为蓄电池110所允许的充电电流，可选的，蓄电池110，例如，可以是铅酸蓄电池、镍铬蓄电池和镍氢蓄电池，优选的，蓄电池110位镍氢蓄电池。

控制器完成斩波模块输出电压和电流的采集、计算，并根据通过与新电池管理系统的通讯要求的充电电压和充电电流的限值进行充电，自动调整开关管的脉冲占空比，实现斩波模块的输出电压和输出电流满足蓄电池的相关要求，保证电路的安全。

驱动保护模块主要完成开关管的脉冲隔离放大驱动，在系统异常情况下能封锁脉冲，保护主电路硬件安全。

电池管理系统，是新电池系统配置的，实时检测电池系统内部电压、温度等信息，输出蓄电池系统允许的充放电电流和电压。

本实施方式的蓄电池系统通过在蓄电池的输入端连接降压斩波电路，可以适应要求不同充电电压和充电电流的蓄电池的充电需求，尤其是在蓄电池因为材料升级等原因导致充电电压和充电电流变化时，本实施方式的蓄电池系统能够将较大输入电压范围和输入电流范围调整为适应充电池的充电电压和充电电流，免去了因为蓄电池的充电电压或充电电流改变而随之进行一系列的调整的麻烦，有利于蓄电池的快速更新换代。

作为一种可选的实施方式，斩波模块121包括开关管Q，以及电容C、电感L和单向导通单元D，其中，开关管Q的集电极与开关管Q的基极和所述电容C的第一端连接，所述开关管Q的发射极与所述电感L的第一端和所述单向导通单元D的负端连接，所述开关管Q的基极与所述驱动保护模块124的输出端连接，所述电感L的第二端与所述电压检测模块122的第一端和所述电流检测模块123的第一端连接，所述单向导通单元D的正端与所述蓄电池110的负端和所述电容C的第二端连接，其中，所述开关管Q的集电极与所述电容C的第二端构成所述蓄电池系统100的输入端，用以连接充电机。

充电电流是直流电，但不可能是理想的没有一点脉动的直流电流，控制器采集实时电流，会根据系统开关频率，软件周期等信息进行软硬件滤波，得到电流平均值，正常输出电流都是带有一定脉动或者纹波的电流。

作为一种可选的实施方式，驱动保护模块124，其与控制器125连接，用于检测开关管Q的电流上升率，当测得的开关管Q的电流上升率在预设范围之外时，停止向开关管Q提供脉冲驱动信号，以关断开关管Q。

当电流上升率过高时，超过了阈值范围的上限，斩波模块121的输出电流过大，可能会烧毁蓄电池110，同时也表明降压斩波模块中斩波模块的开关管Q可能已经损坏，当电流上升率过低时，低于阈值范围的下限，斩波模块121的输出电流过小，充电效率低下，同时也表明开关管Q可能已经损坏，需要及时更换。其中，预设范围可以根据电路的具体情况进行设定，以保证电路安全。

电流上升率在阈值范围内的情况中，当需要使开关管Q的脉冲占空比为1时，驱动信号使开关管Q一直处于闭合导通状态，斩波模块121不具有降压斩波功能，当需要使开关管Q的脉冲占空比大于0且小于1时，驱动信号使开关管Q以一定的频率和周期通断，斩波模块121发挥降压斩波的功能；电流上升率不在阈值范围内的情况中，说明开关管Q出现异常，驱动保护模块124封锁发送给开关管Q的脉冲信号，并且关断开关管Q，也即开关管Q的脉冲占空比为0，起到保护电路安全的作用。

本实施方式能够实现对电路中各器件的过流保护，有利于在过流时及时断开蓄电池，保护蓄电池不被烧毁。

作为一种可选的实施方式，单向导通单元D为二极管，例如，可以为续流二极管。

作为一种可选的实施方式，开关管为IGBT管。IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)管即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和MOS(Microsoft Office Specialist，绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

本申请实施方式的蓄电池系统，通过在蓄电池的输入端增加的降压斩波电路，可以根据不同蓄电池对充电电压和充电电流的要求快速调整输送给蓄电池的充电电压和充电电流，以适应不同蓄电池对充电电压和充电电流的要求，而无需额外增加充电机软件或硬件方面的修改，省去了很多麻烦；并且降压斩波电路还可实现对蓄电池系统的二次保护，通过封锁开关管脉冲，在开关管异常的情况下可以主动断开蓄电池，实现充电回路阻断和蓄电池的隔离保护，避免出现蓄电池烧毁等安全事故，同时又不影响蓄电池放电功能。

本申请的一实施方式提供一种应用于如上文所述的蓄电池系统的充电方法，如图3所示，包括：

S320：获取蓄电池系统的输入电压和输入电流；

S330：获取预设充电电压和预设充电电流；

S340：当蓄电池系统的输入电压大于预设充电电压或蓄电池系统的输入电流大于预设充电电流时，调整所述斩波模块中开关管的脉冲占空比，以使所述蓄电池的充电电压小于或等于所述预设充电电压且充电电流小于或等于所述预设充电电流。

作为一种可选的实施方式，当蓄电池系统的输入电压大于预设充电电压或蓄电池系统的输入电流大于预设充电电流时，调整所述斩波模块中开关管的脉冲占空比，包括：当蓄电池系统的输入电压大于预设充电电压或蓄电池系统的输入电流大于预设充电电流时，减小斩波模块中的开关管的脉冲占空比。当蓄电池系统的输入电压在蓄电池的充电电压允许的范围内且输入电流也在蓄电池的充电电流允许范围内时，例如，蓄电池系统的输入电压小于或等于蓄电池的充电电压且输入电流小于或等于蓄电池的充电电流时，调整斩波模块的开关管Q的脉冲占空比为1；当蓄电池系统的输入电压超出蓄电池的充电电压允许的范围或输入电流超出蓄电池的充电电流允许的范围时，例如，蓄电池系统的输入电压大于蓄电池的充电电压或输入电流大于蓄电池的充电电流时，减小斩波模块的开关管Q的脉冲占空比，蓄电池系统将输入电压和输入电流调整到蓄电池能够接受的范围内，再给蓄电池充电。蓄电池系统的输入电压大于预设充电电压与蓄电池系统的输入电流大于预设充电电流，这两个条件中的任何一个满足，都要减小脉冲斩波模块的脉冲占空比，以使蓄电池的充电电压小于或等于预设充电电压与蓄电池的充电电流小于或等于预设充电电流这两个条件同时满足。

作为一种可选的实施方式，可以检测充电机的输出电压和输出电流，当充电机的输出电压小于或等于预设充电电压时且充电机的充电电流小于或等于预设充电电流时，调整蓄电池系统中的降压斩波电路中的斩波模块中的开关管的脉冲占空比为1，当充电机的输出电压大于预设充电电压或充电机的输出电流大于预设充电电流时，调整蓄电池系统中的降压斩波电路中的脉冲斩波模块的脉冲占空比小于1，以使蓄电池的充电电压小于或等于预设充电电压且蓄电池的充电电流小于或等于预设充电电流。

本申请提供一种充电系统10，如图4所示，包括充电机200以及如上文所述的蓄电池系统100，其中，充电机200与蓄电池系统100的降压斩波电路120中的斩波模块121的输入端连接，充电系统10基于如上文所述的充电方法实现蓄电池充电。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

应当理解的是，本说明书中的示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，而不应当理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种蓄电池系统，其特征在于，包括：

蓄电池；

降压斩波电路，所述降压斩波电路包括：

斩波模块，其输出端连接所述蓄电池的输入端，用于对所述蓄电池系统的输入电压进行降压处理，并将降压后的电压作为充电电压输出给所述蓄电池；

电压检测模块，其连接所述斩波模块的输出端，用于检测所述斩波模块的输出电压；

电流检测模块，其连接所述斩波模块的输出端，用于检测所述斩波模块的输出电流；

驱动保护模块，其连接所述斩波模块中的开关管，用于向所述开关管提供开关驱动信号；

控制器，其连接所述电压检测模块、所述电流检测模块以及所述驱动保护模块，用于当所述蓄电池系统的输入电压大于预设充电电压时或所述蓄电池系统的输入电流大于预设充电电流时，输出控制信号，以控制所述驱动保护模块输出相应的驱动信号来调整所述斩波模块中开关管的脉冲占空比，以使所述斩波模块输出的充电电压小于或等于所述预设充电电压且输出的充电电流小于或等于所述预设充电电流。

2.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其特征在于，所述斩波模块包括，

所述开关管，以及电容、电感和单向导通单元，其中，所述开关管的集电极与所述开关管的基极和所述电容的第一端连接，所述开关管的发射极与所述电感的第一端和所述单向导通单元的负端连接，所述开关管的基极与所述驱动保护模块的输出端连接，所述电感的第二端与所述电流检测模块的第一端和所述电压检测模块的第一端连接，所述单向导通单元的正端与所述蓄电池的负端和所述电容的第二端连接，其中，所述开关管的集电极与所述电容的第二端构成所述蓄电池系统的输入端，用以连接充电机。

3.根据权利要求2所述的蓄电池系统，其特征在于，所述驱动保护模块还用于，

检测所述开关管的电流上升率，当测得的所述开关管的电流上升率在预设范围之外时，停止向所述开关管提供脉冲驱动信号，以关断所述开关管。

4.根据权利要求2所述的蓄电池系统，其特征在于，所述单向导通单元为二极管。

5.根据权利要求2所述的蓄电池系统，其特征在于，所述开关管为IGBT管。

6.根据权利要求2所述的蓄电池系统，其特征在于，所述蓄电池为镍氢蓄电池。

7.一种应用于如权利要求1-6中任意一项所述的蓄电池系统的充电方法，其特征在于，包括：

获取所述蓄电池系统的输入电压和输入电流；

获取预设充电电压和预设充电电流；

当所述蓄电池系统的输入电压大于所述预设充电电压或所述蓄电池系统的输入电流大于所述预设充电电流时，调整所述斩波模块中开关管的脉冲占空比，以使所述蓄电池的输入电压小于或等于所述预设充电电压且输入电流小于或等于所述预设充电电流。

8.根据权利要求7所述的充电方法，其特征在于，所述当所述蓄电池系统的输入电压大于所述预设充电电压或所述蓄电池系统的输入电流大于所述预设充电电流时，调整所述斩波模块中开关管的脉冲占空比，包括：

当所述蓄电池系统的输入电压大于所述预设充电电压或所述蓄电池系统的输入电流大于所述预设充电电流时，减小所述斩波模块中的开关管的脉冲占空比。

9.一种充电系统，其特征在于，包括充电机以及如权利要求1-6中任意一项所述的蓄电池系统，其中，所述充电机与所述蓄电池系统的降压斩波电路中的斩波模块的输入端连接，所述充电系统基于如权利要求7或8所述的充电方法实现蓄电池充电。

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