CN116653641A - 一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机及充电方法，包括有三相交流电源、动力锂电池和充电机，充电机的输出端通过连接器与动力锂电池的充电端口相连接，充电机包括有直流电源变换器、控制单元和低压直流电源，直流电源变换器用于将交流电转换成直流电并输出，为动力锂电池充电；控制单元用于接收电池管理系统的充电电压和充电电流请求信息，并向直流电源变换器发送输出电压和输出电流请求信息，由直流变换器输出相应的电压和电流；低压直流电源变换器用于为控制单元和电池管理系统提供工作电源。本发明能够满足大多数不同电压等级、不同类型的叉车锂电池的充电需求，通过CAN网络联机，能够实现自动、智能化的充电。

Description

一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机及充电方法

技术领域

本发明涉及电动叉车的充电技术领域，具体是一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机及充电方法。

背景技术

电动叉车是指以动力电池为能量来进行现场作业的叉车，包括各种四向电动叉车、电动牵引车等电动系列物料搬运设备。越来越多的电池系统是为动力锂电池为源动力，由于锂离子电池重量仅为同容量铅酸电池的1/4，体积仅为同容量铅酸电池的1/3。在同一动力下行驶的里程得到了增加，同时锂电池组装后，无需进行任何特殊维护，锂离子电池组内部具有智能电池管理系统和保护电路，当电池发生低电量、短路、过充电、高温等故障能自动切断主电路，具有无污染、易操作、节能高效等优点。

电动叉车动力锂电池放电后，用直流电源对锂电池进行充电，使它恢复工作能力，这个过程称为锂电池充电过程，不同的充电电流及充电电压，不仅对充电的时间有影响，而且对电池的容量和使用寿命有直接的影响。因此，根据不同的电池的类型选择合适的充电方式，以使锂电池保持在一个最佳状态。

针对常规锂电池系统进行充电，大多数采用大功率充电机进行充电，具体的表现为充电机内部采用大功率直流变换单元，对锂电池进行大电流充电，现有常规充电设备功能较齐全，充电桩内部配有互联网通讯网络、读卡/刷卡设备、音频设备、多功能显示屏、计费/收费单元，在对外接口上，常规充电器配备有挂枪座，标准的汽车充电桩的接口，充电枪系统配备有电子锁，温度采样，电子锁状态检测等功能，其充电连接按国标充电方式进行通讯并连接，有一套严格的上电流程和通讯方式；在控制系统上有功率控制模块，2-4个充电模块，及充电主控模块，其最大充电电流可达250A，因此，采用传统充电桩方案，其成本相对较高，叉车锂电池功能相对比较简单，最大充电电流只有几十伏，流电电流在100A左右，其特定的应用场景决定了常规主流充电桩无法在叉车锂电池充电系统中进行应用。

此外，配有锂电池的叉车，大多数为工厂或企业自用，无需功能复杂的计费，通讯网络，对充电电压和充电电流的要求也比较低，充电枪连接上之后，充电机根据电池管理系统的请求电压和请求电流进行相应的输出即可，因此，采用适合叉车锂电池应用场景，功能简单，性能可靠的低成本锂电池充电机为应用企业的首选充电设备。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机及充电方法，能够满足大多数不同电压等级、不同类型的动力锂电池的充电需求，通过CAN网络联机，能够实现自动、智能化的充电。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，包括有三相交流电源、装载于电动叉车上的动力锂电池和充电机，所述充电机的输出端通过连接器与所述动力锂电池的充电端口相连接，其特征在于：所述的充电机包括有直流电源变换器、控制单元和低压直流电源，

所述直流电源变换器的交流输入端与所述三相交流电源相连接，直流电源变换器的直流输出端通过所述的连接器与所述动力锂电池的充电端口相连接，用于将交流电转换成直流电并输出，为动力锂电池充电；

所述的控制单元通过CAN网络分别与所述直流电源变换器的通信接口和动力锂电池的电池管理系统的通信接口相连接，用于接收所述电池管理系统的充电电压和充电电流请求信息，并向直流电源变换器发送输出电压和输出电流请求信息，由直流变换器输出相应的电压和电流；

所述低压直流电源变换器的交流输入端与所述三相交流电源相连接，低压直流电源变换器的直流输出端一方面与所述控制单元相连接，另一方面通过所述的连接器与所述电池管理系统相连接，用于为控制单元和电池管理系统提供工作电源。

进一步的，所述的充电机还包括有输入空气开关、三相交流接触器、控制变压器、BMS电源继电器、充电直流接触器和显示单元。

进一步的，所述输入空气开关的一端与所述三相交流电源相连接，输入空气开关的另一端连接所述三相交流接触器的常开触点后与所述直流变换器的交流输入端相连接，直流变换器的直流输出端连接所述充电直流接触器的常开触点后，通过与所述的连接器与所述动力锂电池的充电端口相连接，构成充电主回路；所述的输入空气开关、三相交流接触器的常开触点和充电直流接触器的常开触点闭合后，所述直流变换器将380V的三相交流电转换成直流电并输出，为所述的动力锂电池充电。

进一步的，所述的直流电源变换器至少有两个，两个所述直流电源变换器的交流输入端和直流输出端分别对应相并联。

进一步的，所述控制变压器的交流输入端与所述输入空气开关的另一端相连接，控制变压器的交流输出端与所述低压直流电源变换器的交流输出端相连接，低压直流电源变换器的直流输出端一方面与所述的控制单元相连接，另一方面连接所述BMS电源继电器的常开触点后，与所述的电池管理系统相连接；所述的输入空气开关和BMS电源继电器的常开触点闭合后，所述控制变压器将380V的三相交流电变换成220V的交流电，所述低压直流电源变换器再将220V的交流电转换成12V的直流电并输出，分别为所述的控制的单元和电池管理系统提供工作电源。

进一步的，所述低压直流电源变换器的直流输出端串联有急停按钮。

进一步的，所述的三相交流接触器、BMS电源继电器和充电直流接触器均由所述控制单元控制其通断。

进一步的，所述的显示单元为一个信息显示与控制设置的人机交互装置，通过RS232接口与所述控制单元相连接，用于输入所述充电机当前的运行参数，并在线修改或设置充电机当前的运行参数，以及控制充电机的启停，还用于显示充电机和所述电池管理系统当前的运行参数。

一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机的充电方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1.联机阶段：将所述充电机的输出端通过连接器与所述动力锂电池的充电接口相连接，所述的空气开关闭合后，所述控制变压器将380V的三相交流电变换成220V的交流电，所述低压直流电源变换器再将220V的交流电转换成12V的直流电并输出，为所述的控制单元提供工作电源，控制单元工作，控制所述BMS电源继电器吸合，BMS电源继电器的常开触点闭合，为所述的电池管理系统提供工作电源；同时，控制所述三相交流接触器吸合，三相交流接触器的常开触点闭合，交流电加载到所述直流变换器的交流输入端，直流变换器工作；

S2.握手阶段：所述的电池管理系统工作后，通过CAN网络向所述控制单元发送充电请求报文，包括充电电压和充电电流请求信息，控制单元接收到所述充电请求报文后，通过解析，判断所述动力锂电池及电池管理系统通信正常后握手成功，当通信异常或在充电过程中，超过3S未接收到所述充电请求报文时，控制所述三相交流接触器释放，三相交流接触器的常开触点断开，所述直流电源转换器停止工作，结束充电流程；

S3.充电阶段：所述的控制单元接收到的充电请求报文符合所述充电机的输出要求范围，且系统剩余电量未达到100％时，向所述的直流电源变换器发送输出电压和输出电流请求信息，由直流变换器输出相应的电压和电流，并自动进行均流调节，为所述的动力锂电池充电；

S4.停止阶段：在充电过程中，当所述的控制单元接收到由所述显示单元发送的充电停止、暂停指令、所述电池管理系统发送的关闭输出指令、或接收到电池管理系统或直流变换器的故障信息时，转为充电停止模式，在充电停止模式下，所述的直流变换器执行软关机指令，在逐级降低输出电压和电流后，停止输出电压和电流，随后控制所述三相交流接触器和充电直流接触器释放，三相交流接触器和充电直流接触器的常开触点断开，切断所述直流变换器的输入和输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于锂电池可以进行大倍率充放电，因此本发明采用了两个或多个直流转换器相并联，以增加充电机的输出功率，直流转换器的交流输入端和直流输出端均并联连接，每个直流变换器单元之间均通过CAN网络与控制单元进行通信，当直流变换器开始工作之后，各直流变换器之间进行自动均流调节，即根据温度的相应控制，保证并联系统的功率分配方法，对各直流变换器之间进行不同的并联处理，同时根据其自身的温度对实时输出功率进行相应的调节，采用温度控制的方法，各直流变换器的输出功率是由其当前的温度决定的，而不是由电流决定的，从而使各直流变换器的内部温度趋于相等，这样，在最低成本下能够达到最高的可靠性。

2、本发明的充电机与动力锂电池连接后，锂电池内部的电池管理系统与控制单元之间通过CAN网络进行信息交互，通过信息交互，获取当前的充电电压及充电电流请求信息，并向直流电源变换器发送输出电压和输出电流请求信息，由直流变换器输出相应的电压和电流，并自动进行均流调节；由控制单元对电池管理系统和直流变换器分别进行独立控制，使二者独立工作，从而降低了充电机的故障率，提升了系统的可靠性。

3、本发明在充电机通电后，由控制单元对输入和输出回路进行独立控制，在确保系统正常的情况下，才能接通输入和输出回路；同时，在系统上电，低压直流电源变换器工作之后，只要通信正常，无需用户参与，充电机通过CAN网络自动识别当前动力锂电池的充电电压和充电电流请求信息，并由直流变换器自动输出相应的电压和电流，自动进入充电状态，从而提高了充电机使用的便利性。

附图说明

图1为本发明实施例中充电机的结构原理框图。

图2是本发明实施例中动力锂电池的电池管理系统与充电机的充电交互流程图。

图3是本发明实施例中充电机与动力锂电池的电池管理系统的充电交互流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，包括有三相交流电源、装载于电动叉车上的动力锂电池(图中未示出)和充电机，充电机的输出端通过连接器(图中未示出)与动力锂电池的充电端口相连接。

充电机包括有直流电源变换器、控制单元、低压直流电源变换器B0、输入空气开关K0、三相交流接触器J1、控制变压器T1、BMS电源继电器J3、充电直流接触器J2和显示单元。其中，直流变换器为一个电源转换装置，由两个直流电源变换器B1、B2并联组成，即直流电源变换器B1、B2的交流输入端和直流输出端分别对应相并联，由此能够增加充电机的输出功率，在充电机进行输出时，各直流转换器根据其自身的温度进行自动均流调节，各直流转换器的输出功率是由其当前温度决定，从而使各各直流转换器的内部温度趋于相等，这样，在最低成本下达到最高的可靠性。

输入空气开关K0的一端与三相交流电源相连接，输入空气开关K0的另一端连接三相交流接触器J1的常开触点J1-1后与直流电源变换器的交流输入端相连接，直流电源变换器的直流输出端连接充电直流接触器J2的常开触点J2-1后，通过与连接器与动力锂电池的充电端口相连接，构成充电主回路。

输入空气开关K0、三相交流接触器J1的常开触点J1-1和充电直流接触器J2的常开触点J2-1闭合后，直流电源变换器将380V的三相交流电转换成动力锂电池所需的直流电并输出，为动力锂电池充电。

控制单元为充电机的核心控制模块，通过CAN网络分别与直流电源变换器的通信接口和动力锂电池的电池管理系统的通信接口相连接，用于接收电池管理系统的充电电压和充电电流请求信息，并向直流电源变换器发送输出电压和输出电流请求信息，由直流电源变换器输出相应的电压和电流。

控制变压器T1的交流输入端与输入空气开关K0的另一端相连接，控制变压器T1的交流输出端与低压直流电源变换器B0的交流输出端相连接，低压直流电源变换器B0的直流输出端一方面与控制单元相连接，另一方面连接BMS电源继电器J3的常开触点J3-1后，与电池管理系统相连接。

输入空气开关K0和BMS电源继电器J3的常开触点J3-1闭合后，控制变压器T1将380V的三相交流电变换成220V的交流电，低压直流电源变换器B0再将220V的交流电转换成12V的直流电并输出，分别为控制的单元和电池管理系统提供工作电源。

本实施例中，低压直流电源变换器B0的直流输出端串联有急停按钮K1。

当充电机在工作中遇到紧急情况需要停机时，通过按拍急停按钮K1的蘑菇头，即可实现紧急断电。

本实施例中，三相交流接触器J1、BMS电源继电器J3和充电直流接触器J2均由控制单元控制其通断。

显示单元为一个信息显示与控制设置的人机交互装置，通过RS232接口与控制单元相连接，用于输入充电机当前的运行参数，并在线修改或设置充电机当前的运行参数，以及控制充电机的启停，还用于显示充电机和电池管理系统当前的运行参数，例如当前的充电电压、充电电流、充电功率、充电总安时，以及当前的充电状态、充电时间、故障信息等。

在充电过程中，用户可以通过该人机交互装置进行信息查看，参数调节，停止或暂停充电，或重新启动充电过程等操作。

默认情况下，充电机与动力锂电池联机，空气开关K0接通，充电机通电之后，充电机无须人工干预即可进行自动联机工作，随后进行充电过程；当系统通电，低压直流电源变换器B0工作之后，只要通信正常，控制单元对输入和输出回路进行自动控制，在确认系统正常的情况下，自动接通输入和输出回路；同时，电池管理系统上电，充电机通过CAN网络自动识别当前动力锂电池的充电电压和充电电流请求信息，并由直流变换器自动输出相应的电压和电流，自动进入充电状态，提高了充电机使用的便利性。

参见图2，BMS电源继电器J3吸合后，电池管理系统的电源接通，并开始工作，电池管理系统对动力锂电池的电压进行采样，并判断系统有无故障，当电池管理系统正常之后，电池管理系统通过CAN网络向控制单元发送充电电压和充电电流的请求报文，控制单元接收到该请求报文之后，对该请求报文信息进行回应，完成通信握手过程，当握手成功之后，电池管理系统发送开始充电指令，充电机输出相应的电压和电流，系统进入正常充电过程，随着充电的持续，动力锂电池的系统剩余电量(SOC)慢慢增加，当电量充满之后，电池管理系统发出停止充电报文，结束充电，反之，当电池管理系统出现故障或通信握手失败之后，则系统进入中止充电流程，停止充电并结束充电过程。

参见图3，当充电机接通电源开始工作之后，内部的电源转换器开始工作，控制单元通过接收直流电源变换器的通信报文，判断各直流电源变换器是否工作正常，如果有异常，则停止直流电源转换器工作，停止充电。此外，控制单元通过CAN网络接收电池管理系统的充电请求报文，并判断该充电请求中电电压是否超出直流电源变换器的输出要求，如满足要求，则通过CAN网络向直流电源变换器发出请求输出报文，执行软开机流程，输出电源逐级上升到指定值，随后控制充电直流接触器J2吸合，充电直流接触器J2的常开触点J2-1闭合，直流变换器输出相应的电压和电流，经过充电直流接触器J2向动力锂电池输出电源，系统进入正常工作状态；当控制单元接收到电池管理系统的充电停止请求信息，显示单元发送过来的充电暂停/停止信息时，控制单元向直流变换器发送停止输出报文，系统执行软关机流程，随后结束充电流程。

结合电池管理系统与充电机之间的充电交互流程，本发明一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机的充电方法，具体包括以下步骤：

S1.联机阶段：将充电机的输出端通过连接器与动力锂电池的充电接口相连接，空气开关K0闭合后，控制变压器T1将380V的三相交流电变换成220V的交流电，低压直流电源变换器B0再将220V的交流电转换成12V的直流电并输出，为控制单元提供工作电源，控制单元工作，控制BMS电源继电器J3吸合，BMS电源继电器J3的常开触点J3-1闭合，为电池管理系统提供工作电源；同时，控制三相交流接触器J1吸合，三相交流接触器J1的常开触点J1-1闭合，交流电加载到直流变换器的交流输入端，直流变换器工作。

S2.握手阶段：电池管理系统工作后，通过CAN网络向控制单元发送充电请求报文，包括充电电压和充电电流请求信息，控制单元接收到充电请求报文后，通过解析，判断动力锂电池及电池管理系统通信正常后握手成功，当通信异常或在充电过程中，超过3S未接收到充电请求报文时，控制三相交流接触器J1释放，三相交流接触器J1的常开触点J1-1断开，直流电源转换器停止工作，结束充电流程。

S3.充电阶段：控制单元接收到的充电请求报文符合充电机的输出要求范围，且系统剩余电量(SOC)未达到100％时，向直流电源变换器发送输出电压和输出电流请求信息，由直流变换器输出相应的电压和电流，并自动进行均流调节，为动力锂电池充电。

S4.停止阶段：在充电过程中，当控制单元接收到由显示单元发送的充电停止、暂停指令、电池管理系统发送的关闭输出指令、或接收到电池管理系统或直流变换器的故障信息时，转为充电停止模式，在充电停止模式下，直流变换器执行软关机指令，在逐级降低输出电压和电流后，停止输出电压和电流，随后控制三相交流接触器J1和充电直流接触器J2释放，三相交流接触器J1和充电直流接触器J2的常开触点J1-1和J2-1断开，切断直流变换器的输入和输出。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，包括有三相交流电源、装载于电动叉车上的动力锂电池和充电机，所述充电机的输出端通过连接器与所述动力锂电池的充电端口相连接，其特征在于：所述的充电机包括有直流电源变换器、控制单元和低压直流电源变换器，

所述直流电源变换器的交流输入端与所述三相交流电源相连接，直流电源变换器的直流输出端通过所述的连接器与所述动力锂电池的充电端口相连接，用于将交流电转换成直流电并输出，为动力锂电池充电；

所述的控制单元通过CAN网络分别与所述直流电源变换器的通信接口和动力锂电池的电池管理系统的通信接口相连接，用于接收所述电池管理系统的充电电压和充电电流请求信息，并向直流电源变换器发送输出电压和输出电流请求信息，由直流变换器输出相应的电压和电流；

所述低压直流电源变换器的交流输入端与所述三相交流电源相连接，低压直流电源变换器的直流输出端一方面与所述控制单元相连接，另一方面通过所述的连接器与所述电池管理系统相连接，用于为控制单元和电池管理系统提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，其特征在于：所述的充电机还包括有输入空气开关、三相交流接触器、控制变压器、BMS电源继电器、充电直流接触器和显示单元。

3.根据权利要求2所述的一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，其特征在于：所述输入空气开关的一端与所述三相交流电源相连接，输入空气开关的另一端连接所述三相交流接触器的常开触点后与所述直流变换器的交流输入端相连接，直流变换器的直流输出端连接所述充电直流接触器的常开触点后，通过与所述的连接器与所述动力锂电池的充电端口相连接，构成充电主回路；所述的输入空气开关、三相交流接触器的常开触点和充电直流接触器的常开触点闭合后，所述直流变换器将380V的三相交流电转换成直流电并输出，为所述的动力锂电池充电。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，其特征在于：所述的直流电源变换器至少有两个，两个所述直流电源变换器的交流输入端和直流输出端分别对应相并联。

5.根据权利要求2所述的一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，其特征在于：所述控制变压器的交流输入端与所述输入空气开关的另一端相连接，控制变压器的交流输出端与所述低压直流电源变换器的交流输出端相连接，低压直流电源变换器的直流输出端一方面与所述的控制单元相连接，另一方面连接所述BMS电源继电器的常开触点后，与所述的电池管理系统相连接；所述的输入空气开关和BMS电源继电器的常开触点闭合后，所述控制变压器将380V的三相交流电变换成220V的交流电，所述低压直流电源变换器再将220V的交流电转换成12V的直流电并输出，分别为所述的控制的单元和电池管理系统提供工作电源。

6.根据权利要求5所述的一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，其特征在于：所述低压直流电源变换器的直流输出端串联有急停按钮。

7.根据权利要求2所述的一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，其特征在于：所述的三相交流接触器、BMS电源继电器和充电直流接触器均由所述控制单元控制其通断。

8.根据权利要求2所述的一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机，其特征在于：所述的显示单元为一个信息显示与控制设置的人机交互装置，通过RS232接口与所述控制单元相连接，用于输入所述充电机当前的运行参数，并在线修改或设置充电机当前的运行参数，以及控制充电机的启停，还用于显示充电机和所述电池管理系统当前的运行参数。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种用于电动叉车锂电池充电的智能充电机的充电方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1.联机阶段：将所述充电机的输出端通过连接器与所述动力锂电池的充电接口相连接，所述的空气开关闭合后，所述控制变压器将380V的三相交流电变换成220V的交流电，所述低压直流电源变换器再将220V的交流电转换成12V的直流电并输出，为所述的控制单元提供工作电源，控制单元工作，控制所述BMS电源继电器吸合，BMS电源继电器的常开触点闭合，为所述的电池管理系统提供工作电源；同时，控制所述三相交流接触器吸合，三相交流接触器的常开触点闭合，交流电加载到所述直流变换器的交流输入端，直流变换器工作；

S2.握手阶段：所述的电池管理系统工作后，通过CAN网络向所述控制单元发送充电请求报文，包括充电电压和充电电流请求信息，控制单元接收到所述充电请求报文后，通过解析，判断所述动力锂电池及电池管理系统通信正常后握手成功，当通信异常或在充电过程中，超过3S未接收到所述充电请求报文时，控制所述三相交流接触器释放，三相交流接触器的常开触点断开，所述直流电源转换器停止工作，结束充电流程；

S3.充电阶段：所述的控制单元接收到的充电请求报文符合所述充电机的输出要求范围，且系统剩余电量未达到100％时，向所述的直流电源变换器发送输出电压和输出电流请求信息，由直流变换器输出相应的电压和电流，并自动进行均流调节，为所述的动力锂电池充电；

S4.停止阶段：在充电过程中，当所述的控制单元接收到由所述显示单元发送的充电停止、暂停指令、所述电池管理系统发送的关闭输出指令、或接收到电池管理系统或直流变换器的故障信息时，转为充电停止模式，在充电停止模式下，所述的直流变换器执行软关机指令，在逐级降低输出电压和电流后，停止输出电压和电流，随后控制所述三相交流接触器和充电直流接触器释放，三相交流接触器和充电直流接触器的常开触点断开，切断所述直流变换器的输入和输出。