CN209955803U - 电池组充电装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了电池组充电装置，其包括充电座、主控制器、电池模拟直直变换器和至少一输出终端；主控制器适于响应于获得BMS供电电源电压，和充电桩进行BMS协议握手通信并在通信成功后通知电池模拟直直变换器启动工作；电池模拟直直变换器适于对BMS供电电源电压进行升压变换以获得模拟电压，其中模拟电压在充电桩的合法电压范围内；主控制器还适于将充电需求电压和充电需求电流发给充电桩，其中充电需求电压大于模拟电压，及响应于检测到充电桩输出电压而使能输出终端，输出终端适于将充电桩输出电压输出给外部充电器以对电池充电。本实用新型使标准充电枪可用于低额定电压电池的充电。

Description

电池组充电装置

技术领域

本申请涉及供电或配电的电路装置或系统领域，尤其涉及电池组充电装置。

背景技术

动力锂电池的产能日益快速扩张，成本不断下降，在部分应用场合逐步替代铅酸电池。在互联网经济的浪潮下，快递物流和外卖行业加速发展，终端普遍采用分区管理，再通过骑手将快递件和外卖送到客户处，为保证收入骑手需要充分利用白天时间送件，传统的铅酸电池在续航里程和循环寿命上无法满足负荷需求，因此采用锂电的电动自行车被大量投入使用。为追求轻资产运营，行业普遍采用锂电池租赁的模式，自身不负责充电而采用满电电池组替换亏电电池组的方案，将电池组里程衰减风险转嫁给锂电池租赁运营商。然而，为数量庞大的锂电池组进行集中充电的场地和电源来源问题成为电池租赁运营商商业模式的成本大头和痛点。因而需要利用已建成的直流充电桩和场站为电池组进行集中充电，以减少租赁运营商自建充电场站的成本投入，做到客户在哪里充电站就在哪里。

然而，电动自行车的锂电池组额定电压普遍在100V以下，而目前国内保有的所有直流快速充电桩的充电规格仅有两种即500V和750V，绝大部分最低工作电压分别是200V和250V，发展到现在低压端也最多能到100V，仍然无法为电动自行车使用的锂电池充电。

实用新型内容

本申请的目标在于提供一种电池组充电装置，其使得目前保有的标准高电压充电桩可用于低额定电压电池尤其是电动自行车锂电池的充电。

为解决上述技术问题，根据本实用新型的第一方面，提供一种电池组充电装置，其包括充电座、主控制器、电池模拟直直变换器和至少一输出终端；主控制器适于响应于获得BMS(电池管理系统)供电电源电压，和充电桩进行 BMS协议握手通信并在通信成功后通知电池模拟直直变换器启动工作；电池模拟直直变换器适于对BMS供电电源电压进行升压变换以获得模拟电压并将模拟电压输出到充电座，其中模拟电压在充电桩的合法电压范围内；主控制器还适于将充电需求电压和充电需求电流发给充电桩，其中充电需求电压大于模拟电压，及响应于检测到充电桩输出电压而使能输出终端，输出终端适于将经充电座获得的充电桩输出电压输出给外部充电器以对电池充电。

作为本实用新型第一方面的改进，电池模拟直直变换器的输出正极与所述电池组充电装置的电源输入正极之间连接有钳位二极管。

作为本实用新型第一方面的另一改进，所述电池组充电装置还包括泄放电路，其适于在主控制器确定充电结束或异常时将高电压泄放到安全电压以下。

作为本实用新型第一方面的又一改进，所述电池组充电装置还包括人机交互单元，其适于将用户输入传给主控制器和/或从主控制器接收信息进行显示。

作为本实用新型第一方面的再一改进，所述电池组充电装置还包括状态显示单元，其适于显示所述电池组充电装置的当前状态。

作为本实用新型第一方面的另一改进，所述主控制器还适于，响应于达到充电结束条件，通知电池模拟直直变换器停止工作。

作为本实用新型第一方面的又一改进，所述输出终端包括至少一对分别串联连接的三孔插座和输出继电器，所述输出继电器在所述输出终端使能时闭合。

作为本实用新型第一方面的再一改进，所述充电需求电流为充电桩的最大输出能力电流值。

通过本实用新型装置，将电动自行车锂电池模拟成一个具有额定电压如 300V的虚拟电池，从而使其能使用目前500V和750V规格的充电桩进行充电，使目前500V和750V规格的充电桩能更大限度的投入使用，创造价值。具体地，本实用新型具有下述优点：

1)本实用新型实现了电池模拟器功能，主控制器模拟为BMS单元给充电桩发送电池信息，保证具有低额定电压的电池(组)能被所有充电桩有效识别，顺利进入充电流程控制；在电池组和充电装置无通信时，给充电桩发送的数据是虚拟值；

2)本实用新型装置内设计有泄放电路，保证充电结束时快速将高压泄放到安全电压以下，保证安全；

3)将本实用新型的充电装置和待充电池组放置在车辆上可以充分利用就近的充电站进行充电，无场地和自建桩的投入，用最短的运输距离将充满电的电池组从客户处替换回亏电电池组，极大降低运营成本和提高商业模式的灵活性；

4)包括主控制器和电池模拟直直变换器的功率桥部分和输出终端部分可以各自独立成柜体，当然，此时除了和功率桥部分之间的动力连线外需要有输出继电器的控制线连线。独自成柜体的优势是可以灵活配置终端数量，便于运输、组装和最大限度地增加充电电池组数量；

5)本实用新型可以将社会上的闲置充电桩充分利用起来，具有很强的社会效益；

6)当充电装置只有一个输出终端时可以直接用于电动自行车充电而不用拆卸电池组；

7)当外部充电器带有通信功能时，主控制器可以实现更好的充电策略控制，将本实用新型的充电装置优势发挥到最大。

附图说明

图1为根据本实用新型的电池组充电装置的一实施例的结构框图。

图2为图1中所示的电池模拟直直变换器的工作原理示意图。

图3为图1中所示的电池模拟直直变换器的结构框图。

图4为根据本实用新型的电池组充电装置的运行方法的流程图。

为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本实用新型所必要的细节，而省略其他细节。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型的实施方式和实施例进行详细说明。

通过下面给出的详细描述，本实用新型的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本实用新型优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。

图1示出了本实用新型电池组充电装置的一优选实施例的结构。该实施例的电池组充电装置包括充电座、电源电路、主控制器、电池模拟直直变换器、输出终端、人机交互单元及泄放电路。输出终端包括多个分别串联连接的国标 3孔插座(L，N，PE)和输出继电器，每个3孔插座的电源输出受输出继电器控制。充电座采用最新国家标准的充电座接口，用于在电池组充电装置工作时与直流充电桩的充电枪相连。电源电路的输入由充电桩上的充电枪BMS供电电源提供，电源电路支持9-36V宽电压范围输入，保证能兼容提供24V和12V BMS供电电源的充电桩，电源电路对BMS提供的电源进行一些处理如滤波处理，电源电路的输出供给主控制器、电池模拟直直变换器、及其它元件如接触器和指示灯等。在其它实施例中，主控制器、电池模拟直直变换器等的工作电压也可直接从 BMS供电电源获得。主控制器实现模拟BMS功能、控制电池模拟直直变换器的起停以及运行参数、控制泄放电路以及输出终端的输出继电器。主控制器适于响应于获得BMS供电电源电压，按照国标协议和充电桩进行BMS协议握手通信并在通信成功后根据相应国家标准通知电池模拟直直变换器启动工作，保证充电桩能采样到合法电压值后充电桩控制器能正确进入下一步交互流程。电池模拟直直变换器是用于模拟电池电压，可以是变压器隔离型和无变压器非隔离型。充电装置和充电桩通信握手过程中，电池模拟直直变换器开始工作，对BMS供电电源电压进行升压变换以模拟电池电压并将模拟的电池电压输出到充电座，该模拟的电池电压为用于模拟某一电池电压的已设定值，该值大小和连接插座的外部充电器规格相关并在充电桩的合法电压范围内，保证具有低额定电压的电池能被充电桩识别为真实电池。使模拟的电池电压在充电桩的合法电压范围内主要是让充电桩检测到的电压在充电桩的充电输出范围(正常工作范围)内。合法电压范围通常为充电桩的额定电压输出范围，结合目前国内充电桩存在 500V和750V两种规格，这个合法电压范围可以取200～500V，结合不同产品应用再选取一个最优值。电池模拟直直变换器在充电过程中可停止工作，以便降低充电桩BMS供电电源的负荷。主控制器还适于将充电需求电压和充电需求电流发给充电桩，其中充电需求电压大于模拟的电池电压，充电需求电流可为充电桩的最大输出能力电流值。主控制器还响应于检测到充电桩输出电压而使能输出终端，输出终端的输出继电器闭合，将经充电座获得的充电桩输出电压输出给外部充电器，外部充电器检测到正常输入电压后可自动给电池组充电。将市场销售的通用ACDC充电器的输入电路经适当改整即可用作外部充电器，也可开发专用的DCDC充电器。泄放电路用于在主控制器确定充电结束或者异常结束时快速将装置内输入端和输出端的不安全高压泄放到安全电压以下。人机交互单元可由屏幕、按键等组成或者配置为更先进的触摸屏。在其它实施例中，电池组充电装置还可包括状态显示单元如指示灯、蜂鸣器等，其适于显示电池组充电装置的当前状态。人机交互单元和/或状态显示单元的具体组成可结合成本控制进行合理增删。本实用新型的充电装置通过读取充电桩发出的当前输出电压和电流值并结合其与充电桩的额定值的比较来控制3孔电源座的输出继电器通断从而保证充电桩不过载正常运行。

在其它实施例中，电池组充电装置可包括两个以上输出终端，输出终端的数量可以通过扩展主控制器的硬件电路增加。

在其它实施例中，电池组充电装置也可不包括人机交互单元、状态显示单元和/或泄放电路。

图2示出了图1中的电池模拟直直变换器的工作原理。V4为充电桩输出的 BMS供电电源电压，对于不同的充电桩，此电压存在有12V和24V两种。模拟电池直直变换器将电压V4升压后得到V1，主控制器向充电桩发出的充电需求电压是V3，需求电流按充电桩最大输出电流给出，V3＞V1＞V4。充电桩启动后，此时由于电池模拟直直变换器的输出正极和充电桩的输出正极(即电池组充电装置的输入正极)之间有钳位二极管(电池模拟直直变换器的输出负和充电桩的输出负接在一起)，钳位二极管阻断充电桩输出电压对电池模拟直直变换器的影响，充电桩工作在恒压模式，恒压点为V3，模拟电池直直变换器仍旧输出V1，但充电装置的端口电压将由V1上升为V3。主控制器逐个闭合输出继电器，外部充电器启动工作，电池的充电电流由外部充电器给出，主控制器对于无通信接口的充电器无法控制充电器的输出电流。此种方法的特点是充电桩主要工作在恒压模式，如果由于待充电池组太多导致充电需求过大，充电桩输出进入恒流模式，即主控制器检测到电压V3即将小于V1时，通过断开部分输出继电器保证充电桩输出功率减低并逐步恢复到恒压模式。

图3示出了电池模拟直直变换器的示意性结构。直流输入滤波电容用于滤除外部输入的电磁干扰以及减少自身对外界的干扰。母线电容C用来稳定直流输入电压，保证充电过程的稳定性。功率开关逆变电路由功率MOS管或IGBT 和与之配套的驱动电路组成，用于对输入直流电压进行高频切换通断。变压器采用高频变压器方案，将原边的方波电压进行升压或者降压，由变换器控制芯片决定，如采用不隔离方案此变压器可以不采用。功率整流电路将交流方波电压整流成直流电压，电压值由控制芯片决定。输出滤波电路用于降低滤除变换器自身产生的电路干扰，减少对外界电路的影响。控制芯片根据装置的主控系统给出的运行指令，启动或者停止工作，启动时需要采样输出的电压，电流值并按算法计算出电平信号到功率开关逆变电路的驱动电路，最终得到需要的输出电压值。本实用新型中的直直变换器为通用设计，本领域技术人员均可设计完成，只是在成本、可靠性以及实现原理拓扑上有差异，但以上差异并不会影响到本实用新型的最终实现原理和装置的可用性。

图4示出了本实用新型的电池组充电装置的使用和运行方法。在步骤S10，将外部充电器分别与输出终端及电池组连接。在步骤S11，将充电桩的枪插入本实用新型充电装置的国标充电座。这两步操作没有必然的先后关系。在步骤 S12，当充电装置的两端连接完毕后，在充电桩上进行充电操作，充电桩按国标协议要求进行自检，自检无异常后通过充电枪输出BMS供电电源。在步骤 S13，充电装置得到BMS供电电源后，主控制器被唤醒开始模拟BMS的工作，按照国标协议和充电桩开始充电协议握手，在握手成功后，主控制器通知电池模拟直直变换器工作并输出电压，保证充电桩能采样到合法电压值后充电桩控制器能正确进入下一步交互流程，同时可进行状态显示以及异常处理(步骤 S20)。在步骤S14，按国标协议交互流程，充电装置给充电桩发出充电需求指令，该指令中的电压值为一个适当值，但该值必须大于电池模拟直直变换器的输出电压，而电流值为充电桩的最大输出能力电流值，充电桩按国标协议已经下发该电流值给装置控制器。在步骤S15，充电桩输出电压，此时充电桩工作在恒压模式。在步骤S16，主控制器检测到充电桩输出电压后逐步闭合输出终端的输出继电器，外部充电器检测到输入电源后自动给电池组进行充电，此时充电桩工作在恒压模式，恒压点由主控制器通过通信给充电桩发出。在步骤 S17，到达结束条件(由充电装置或者充电桩给出)后，进入停机流程，按国标流程进行停机处理，主控制器令电池模拟直直变换器停止工作。在步骤S18，充电桩进行停机处理，中断BMS供电电源输出，充电装置进入休眠状态，整个充电流程结束。以上步骤如出现异常则进入异常处理步骤S20，表现结果为充电无法进行或者停止充电。

在此所述的多个不同实施例或者其特定特征、结构或特性可在本实用新型的一个或多个实施方式中适当组合。

除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”均包括复数含义(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、操作、元件、部件和/或其组合。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。

前面说明了本实用新型的一些优选实施例，但是应当强调的是，本实用新型不局限于这些实施例，而是可以本实用新型主题范围内的其它方式实现。本领域技术人员可以在本实用新型技术构思的启发和不脱离本实用新型内容的基础上对本实用新型作出各种变型和修改，这些变型或修改仍落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电池组充电装置，包括充电座，其特征在于，所述充电装置还包括主控制器、电池模拟直直变换器和至少一输出终端；主控制器适于响应于获得BMS供电电源电压，和充电桩进行BMS协议握手通信并在通信成功后通知电池模拟直直变换器启动工作；电池模拟直直变换器适于对BMS供电电源电压进行升压变换以获得模拟电压并将模拟电压输出到充电座，其中模拟电压在充电桩的合法电压范围内；主控制器还适于将充电需求电压和充电需求电流发给充电桩，其中充电需求电压大于模拟电压，及响应于检测到充电桩输出电压而使能输出终端，输出终端适于将经充电座获得的充电桩输出电压输出给外部充电器以对电池充电。

2.根据权利要求1所述的电池组充电装置，其特征在于，电池模拟直直变换器的输出正极与所述电池组充电装置的电源输入正极之间连接有钳位二极管。

3.根据权利要求1所述的电池组充电装置，其特征在于，所述输出终端包括至少一对分别串联连接的三孔插座和输出继电器，所述输出继电器在所述输出终端使能时闭合。

4.根据权利要求1所述的电池组充电装置，其特征在于，所述电池组充电装置还包括泄放电路，其适于在主控制器确定充电结束或异常时将高电压泄放到安全电压以下。

5.根据权利要求1所述的电池组充电装置，其特征在于，所述电池组充电装置还包括人机交互单元，其适于将用户输入传给主控制器和/或从主控制器接收信息进行显示。

6.根据权利要求1或5所述的电池组充电装置，其特征在于，所述电池组充电装置还包括状态显示单元，其适于显示所述电池组充电装置的当前状态。

7.根据权利要求1所述的电池组充电装置，其特征在于，所述主控制器还适于，响应于达到充电结束条件，通知电池模拟直直变换器停止工作。

8.根据权利要求1所述的电池组充电装置，其特征在于，所述充电需求电流为充电桩的最大输出能力电流值。

9.根据权利要求6所述的电池组充电装置，其特征在于，所述状态显示单元为指示灯、蜂鸣器和/或触敏显示器。

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