CN1897396A - 自动识别电池极性多分体充电机 - Google Patents

Abstract

一种自动识别电池极性的多分体充电机系统，包括多个单分体充电机，各单分体充电机无共地连接，输出端相互隔离，自成闭合的充电回路，且各单分体充电机引出的充电线首尾顺次连接，通过重载插接器与串联电池组连接；所述各单分体充电机包括充电机和极性识别系统，极性识别系统具有独立的电桥结构，用于区分电流走向，来确定充电A、B线的极性，利用光电耦合器件实现模拟量隔离，同时控制信号传递，控制对应的继电器吸合；实现对牵引电池组内的每节蓄电池进行同步饱和充电，保障每节蓄电池都进入最佳饱和状态，消除过量充电现象。

Description

自动识别电池极性多分体充电机

技术领域

本发明属于电动汽车充电技术领域，具体涉及到一种用于串联电池组上的单体同步饱和充电机组，适用于电动车充电和充电站电池组分体充电。

背景技术

目前，用于电动大客车上的充电方式都是由一台单体充电机对牵引电池组作相等电流串联同步充电。如图1所示。

这种传统的充电方式，虽然具有结构简单、操作方便等特点，但是这种方式只能做到对每节蓄电池等能量同步充电，既在单位时间内充入每节蓄电池内的能量是相同的。实际上，蓄电池单体之间存在蓄能量的差异(就极限值而言，任何两节蓄电池的蓄能量也不会完全相同)，而且电池组在长期使用过程中，随着个别单体性能的下降，这种差别会越来越大。

以铅酸蓄电池为例，单体蓄电池的额定电压是12V，适应220V动力系统车辆使用需要24节串联使用，额定总电压288V，适应380V动力系统使用，需要32节串联使用，额定总电压是384V。在电池组中容量小的单体充电时会被首先充饱和，放电时会被首先放空，采用传统的串联充电方式难免造成单体容量偏小的蓄电池出现过量充电现象，过量充电、过量放电都会加速蓄电池损坏过程。无序的更换往往造成更大的蓄能量的差异，从而造成整组蓄电池的报废。

目前在电动大客车上采用的铅酸蓄电池，一组造价约人民币20万元，如果一年报废一组，这样的运营成本是运营商无法承受的，而一组锂离子蓄电池的造价更高达人民币40多万元。

就锂离子电池而言，单体电池的额定电压是3.6V，适应220V动力系统使用需要80节单体电池串联使用，额定总电压是288V，适应380V动力系统使用，需要108节单体电池串联使用，额定总电压是388.8V。如此数量的电池单体，如何保持蓄电池容量的一致性是串联充电模式无法解决的。

串联充电模式分析，如图2所示。

在充电状态下，每节电池相当于一个负载电阻(RX)，随着蓄能量的增加、本身电动势的上升，RX会逐渐变大。电池组的总电阻也同步上升，恒定电压充电模式下充电电流会逐渐减小。当电池组的基础蓄能量偏差较大时，基础蓄能量偏大的单体电池的RX会首先上升，在某一单体出现断路时，其两端电压会上升到充电机输出的总电压，如288V或388V，这样的电压单体电池是无法承受的，12V的铅酸电池会被击穿，而3.6V的锂离子电池会出现燃烧、爆炸现象。

同体积、同重量的锂离子电池的蓄电量要比铅酸电池的蓄电量大两倍多，同一车辆上装配上锂离子电池组，车辆的行驶总里程要比装配铅酸电池组系统的大很多。由于现有的串联充电结构无法保障电池组的蓄电量的一致性，无法消除单体电池过充现象，无法消除锂电池燃烧、爆炸现象，造成大量锂离子电池组车辆被闲置。

发明内容

提供一种自动识别电池极性的多分体充电机系统，其特征在于：包括多个单分体充电机，各单分体充电机无共地连接，输出端相互隔离，自成闭合的充电回路，且各单分体充电机引出的充电线首尾顺次连接，通过重载插接器与串联电池组连接。

所述各单分体充电机包括充电机和极性识别系统，其特征在于：所述极性识别系统具有独立的电桥结构，用于区分电流走向，来确定充电A、B线的极性，利用光电耦合器件实现模拟量隔离，同时控制信号传递，控制对应的继电器吸合。

实现对牵引电池组内的每节蓄电池进行同步饱和充电，保障每节蓄电池都进入最佳饱和状态，消除过量充电现象。

自动监测每节电池的充电状态，如电池的电压、充电电流、电池的温度、充电持续时间。当某个蓄电池进入饱和限定电压时，系统自动释放，停止对该单体充电。

自动保护、报警提示，当被控参量出现异常时，系统自动释放，同时报警(声、光同步)。

记录每节电池的每次充电参数，为合理调整电池组提供可靠技术数据。

单体充电、串联使用是蓄电池的最佳使用方式。单体充电可保障每节电池都进入饱和状态，消除串联充电模式下，因基础蓄能量的不同而产生的过量充电、过量放电现象；串联使用为用电器提供合理的工作电压。

附图说明

附图1是现有技术的单体充电机对牵引电池组作相等电流串联同步充电的结构示意图；

附图2是现有技术的串联充电模式电路图；

附图3和附4是本发明的系统构成方框图；

附图5是本发明的自动识别电池极性的单分体充电机构成原理图；

附图6是本发明的电压比较器原理图；

附图7A和7B是本发明的锂电池单体充电机的自动电池极性识别系统原理图；

①附图7A：当电池是A+、B-输入时，电流走向是

控制电路给ZK1的线圈供电，ZK1的双触点吸合。实现充电机的正极与被充电池的正极对接，充电机的负极与被充电池的负极对接。

②附图7B：当电池是A-、B+输入时，电流走向是

控制电路给ZK2的线圈供电，ZK2的双触点吸合。实现充电机的正极与被充电池的正极对接，充电机的负极与被充电池的负极对接。D1、D2、D3、D4、R构成一个闭合的桥式识别电路，识别信号通过光电耦合器传递给驱动电路，实现电池极性的自动识别。光电耦合器是通过光信号实现控制的，隔断模拟量连接，在无被充电电池接入时，继电器ZK1、ZK2都处于开路状态，A、B两点与充电机断开。

附图8是本发明的充电器原理图；

附图9是本发明的系统构成方框图；

附图10是本发明的监控及报警系统组成方框图；

附图11是本发明的电池箱在车身分布示意图；

附图12是本发明的重载插接器的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图作进一步说明，本发明各部分的原理和实现的主要功能、技术指标如下：

1、系统构成方框图如图3、4所示

自动识别电池极性多分体充电机，是通过多路重载插接器与牵引电池组连接，实现对每节蓄电池单独充电。

电池箱在车身分布示意图如图11所示，重载插接器的构成如图12所示。

重载插接器一般由2-60个插接端子组成，每个插接端子的额定电流最大可达100A，可根据每箱内置串联电池组的电池数量选配不同针数的重载插接。

2、自动识别电池极性充电系统的单分体构成原理

自动识别电池极性多分体充电机是由自动识别电池极性单分体充电机有机组合而成。每台单分体充电机自成系统，无共地连接，输出端相互隔离，自成闭合的充电回路，可对串联电池组内的每节蓄电池进行同步不等量充电，直到每个单体都进入最佳饱和状态。自动识别电池极性的单分体充电机构成原理如附图5所示。

如图所示，单分体充电机具有如下功能：

1)自动识别极性；

2)自动控制充电机的充电电压、电流，当电池的端电压到4.25V时，充电机自动翻到4.20V的衡压充电模式；

3)对铅网电池而言，当电池电压充到13.8V时，充电机自动翻转到衡压13.8V的充电模式，保持4-6小时后自动切断总电源输入。

工作原理：

1)极性识别系统主要作用：

a)隔离充电器与充电线之间的连接，不管前端充电器处于什么状态，在无被充电蓄电池接入时，引出的充电线缆与充电器之间都是断开的。这种结构可以有效防止输出端子混接及触电事故发生；

b)自动识别电池的极性，充电机的引出线无正、负之分，负载电池接入时，控制器自动把电池的正、负端子与充电器的正、负端子对接，并亮红灯指示出正极接入线是那一条。

2)充电机：本系统采用的是开关电池结构的充电装置，通过调整激励源的频率控制充电机的电压、电流输出。12V充电系统的充电机的最高输出电压是15V，电池端控制在13.8V，最大充电电流是100A。3.6V充电系统的充电机的最高输出电压是6V，电池端控制在4.30V、最大充电电流是50A。

·数字电压表：检测线直接引到电池两端，显示电池的电压，精度0.001V；

·数字电流表：充电电流指示，精度0.1A；

·电压比较器：原理图见附图6，监测被充电电池的端电压，当电池的端电压上升到饱和临界时，控制充电器关闭；

·充电模式控制：初始充电时，采用恒定电流充电方式，当电池临界饱和状态时，自动转入恒定电压充电模式；

·计时器：计时器的时钟信号分内外两种，内部时钟信号用于单体充电机用，外部时钟用于多分体充电机，保障机组时钟同步；

·断路器等其它辅助电路(略)。

3、电池极性识别系统原理。

利用蓄电池本身的直流电源特性，通过独立的电桥结构，区分电流走向，确定A、B线的极性，利用光电耦合器件实现模拟量隔离，同时实现控制信号传递，控制对应的继电器吸合，完成充电器与充电线连接。

详见附图7A、7B

·充电机的充电引出线，分A/B两条。利用ZK1、ZK2实现与充电器连接或断开。独立的电桥与充电机本身无模拟量相连接，独立的电桥处于悬空状态与之随动，在无蓄电池接入信号时，ZK1、ZK2都处在常开状态。

·当电池是A线正极、B线负极输入时，电流走向如图7A所示，利用二极管的单向导电特性，电流走向是D3-＞R-＞D2D，支路上的光电耗合件(P521)有电流通过，控制电路给ZK1的线圈供电，ZK1的双触点吸合。实现充电机的正极与被充电池的正极对接，充电机的负极与被充电池的负极对接。

·当电池是A线负极、B线正极输入时，电流走向如图7B所示，利用二极管的单向导电特性，电流走向是D1-＞R-＞D4，支路上的光电耗合件(P521)有电流通过，控制电路给ZK2的线圈供电，ZK2的双触点吸合。实现充电机的正极与被充电池的正极对接，充电机的负极与被充电池的负极对接。通过光电耦合器驱动ZK2闭合。独立而又相互隔离的电桥结构可作串联组合，组成多分体充电单元。

D1、D2、D3、D4、R构成一个闭合的桥式识别电路，识别信号通过光电耦合器传递给驱动电路，实现电池极性的自动识别。光电耦合器是通过光信号实现控制的，隔断模拟量连接，在无被充电电池接入时，继电器ZK1、ZK2都处于开路状态，A、B两点与充电机断开。

4、充电器原理如图8所示，系统采用通用可靠电路结构，原理属于本领域公知常识，在此省略。

5、电压比较器原理如图6所示，利用稳压管建立限定电压标准，利用电压比较器实现逻辑控制。

6、计时器原理：略。

7、自动识别电池极性多分体充电机构成，详见附图4、图9。

自动识别电池极性多分体充电机的核心技术是自动识别电池极性单体充电机的有机组成，各单体充电机引出的充电线首尾顺次连接，通过重载插接器与串联的电池组连接。各单体充电单元自成闭合的充电回路，完成对接入的蓄电池进行饱和充电。

各单体充电单元是在监控及报警系统的统一控制下完成对每节蓄电池的饱和充电，当蓄电池进入饱和状态时，对应的充电单元在监控及报警系统的控制下被自动关闭。

·监控及报警系统原理框图如附图10所示，另作专利注册。(略)

·存贮、记录仪：用于记录所有技术参数，如：每节电池的编号、充电前电压、充电电流、充电持续时间、充电完成后的电压及电池在充电过程中的温度变化等，为合理调整电池组提供技术数据。

主要功能：

1.具有与计算机通讯功能；

2.打印功能。

自动识别电池极性多分体充电机的主要用途：

1.解决车队中每台车辆牵引电池组蓄能一致性调整的问题；

2.提高牵引电池的使用效率，延长电池的使用寿命，延长单次充电电动车的续驶里程；

3.建立标准充电站：本装置在无被充电负载挂接时，充电引出端处于切断状态，不管前端充电机处于何种状态，本装置充电引出端无电压输出，确保安全。

由于本装置所具有的安全特性，这种充电站可用于人群密集的环境，如小区内计费充电站，可解决高层用户电动车的充电问题(如：残疾电动车、电动自行车、电动小汽车等)。

Claims (5)

1.本发明涉及一种自动识别电池极性的多分体充电机系统，其特征在于：

包括多个单分体充电机，各单分体充电机无共地连接，输出端相互隔离，自成闭合的充电回路，且各单分体充电机引出的充电线首尾顺次连接，通过重载插接器与串联电池组连接。

所述各单分体充电机包括充电机、极性识别系统，其特征在于：

极性识别系统具有独立的电桥结构，用于区分电流走向，来确定接入充电电池的A、B线的极性；

利用光电耦合器件实现模拟量隔离，用于当无被充电电池接入时，充电A、B线与充电机断开。

2.本发明涉及一种自动识别电池极性的多分体充电机系统，其中所述充电机采用开关电源结构，通过调整激励源的频率控制充电机的电压、电流输出。

3.本发明涉及一种自动识别电池极性的多分体充电机系统，其中所述各单分体充电机还包括电压比较器，用于监测被充电电池的端电压，当电池的端电压上升至饱和临界时，控制充电器关闭。

4.本发明涉及一种自动识别电池极性的多分体充电机系统，其中所述各单分体充电机还包括恒压充电模式控制器，用于当电池临界饱和状态时，自动转入恒定电压充电模式。

5.本发明涉及一种自动识别电池极性的多分体充电机系统，其中所述各单分体充电机还包括计时器，分为内外两种，内部计时器用于单分体充电机的时钟信号，外部计时器用于多分体充电机各机组之间的时钟同步。

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