CN211335615U - 一种家用电动车智能充放电检测系统及智能充电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种家用电动车智能充放电检测系统及智能充电器，涉及电池充放电技术领域，包括模拟信号采集模块、PWM驱动模块、双向AC/DC模块、双向直流变换模块、显示模块以及控制模块，其中：模拟信号采集模块，用于获取家用电动车智能充放电检测系统所需的多个模拟信号；PWM驱动模块，用于输出PWM驱动信号至双向AC/DC模块和双向直流变换模块以控制电池包进行充电或放电；显示模块，用于输入电池包的充电参数；控制模块，用于根据多个模拟信号控制PWM驱动模块输出PWM驱动信号，还用于根据充电参数控制对电池包停止充电。本实用新型可实现对电池包充放电的切换，避免电动车过充造成的电池损伤。

Description

一种家用电动车智能充放电检测系统及智能充电器

技术领域

本实用新型涉及电池充放电技术领域，具体而言，涉及一种家用电动车智能充放电检测系统及智能充电器。

背景技术

随着经济生活的不断进步，现在我国已成为全球最大的轻型电动车的生产国和消费国，到2018年我国电动自行车保有量已经突破2.5亿。现有的电动车大多从车主晚上下班充到第二天早晨去上班，连续充电时间超过12 个小时。然而电动车长期过充不仅损害电池容量，充电器和电池包过热也容易造成内部短路，从而引发火灾。多年以来电动车充电过程中引发的火灾频频发生，火灾造成的人员伤亡和经济损失已经引起国家的高度重视。

现有市场上的电动车充电器都是单一充电模式，充电完毕无法自动断开。图1所示为市场上常用的电动车充电器原理示意图，其只能单向充电， 220V交流经过T0双向电感，由不控整流桥经过电容的滤波得到300V左右的直流，再通过高频变压器反击得到一个稳定的电压给电池包充电。其给电池包充满电后，无法自行断开。当电动车的电池包经长期使用后容量会有所减小，完成充电所需的时间就相应缩短，夜里持续充电时的过充时间也会加长，造成电池包的损伤，同时也加大了安全风险。而且现有的电动车充电器大多只具有对电池包充电的单一功能，无法对电池包进行性能检测，也无法将电池包的性能状态反馈给用户。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。为达上述目的，本实用新型第一方面的实施例提供了一种家用电动车智能充放电检测系统，其包括：模拟信号采集模块、PWM驱动模块、双向AC/DC模块、双向直流变换模块、显示模块以及控制模块，所述模拟信号采集模块、所述PWM驱动模块和所述显示模块均电连接至所述控制模块，所述双向AC/DC模块和所述双向直流变换模块均电连接至所述PWM驱动模块，其中：

所述模拟信号采集模块，用于获取所述家用电动车智能充放电检测系统所需的多个模拟信号；

所述PWM驱动模块，用于输出PWM驱动信号至所述双向AC/DC模块和所述双向直流变换模块以控制电池包进行充电或放电；

所述显示模块，用于输入所述电池包的充电参数；

所述控制模块，用于根据所述多个模拟信号控制所述PWM驱动模块输出所述PWM驱动信号，还用于根据所述充电参数控制对所述电池包停止充电。

进一步地，所述双向AC/DC模块包括4个MOS管构成全桥拓扑，其中，所述4个MOS管由所述PWM驱动信号进行控制。

进一步地，所述双向AC/DC模块连接于电网与直流母线之间，用于当所述直流母线电压降低时，从所述电网抽取能量向所述电池包进行充电；还用于当所述直流母线电压升高时，将所述电池包电压转换成交流电压进行放电。

进一步地，所述双向直流变换模块包括多个MOS管以及变压器，其中， 4个MOS管构成全桥边接入所述变压器的原边，2个MOS管构成推挽边接入所述变压器的副边。

进一步地，所述全桥边连接至高压母线，所述推挽边连接至所述电池包。

进一步地，在所述电池包进行充电时，所述双向直流变换模块处于降压模式，所述全桥边的MOS管作为开关管，所述推挽边的MOS管作为同步整流管；在所述电池包进行放电时，所述双向直流变换模块处于升压模式，所述全桥边的MOS管作为同步整流管，所述推挽边的MOS管作为开关管。

进一步地，还包括温度传感器模块、报警模块和开关信号控制电路，其中：

所述温度传感器模块，用于检测所述电池包的温度；

所述报警模块，用于在所述电池包状态异常时进行报警；

所述开关信号控制电路，用于在检测到所述电池包状态异常时断开与电网的连接。

进一步地，所述显示模块还用于显示所述电池包的性能参数。

进一步地，所述多个模拟信号包括交流电压、交流电流、直流电流、直流母线电压、所述电池包电压以及所述电池包电流。

本实用新型基于PWM信号驱动双向AC/DC模块和双向直流变换模块，使得能量可以从220V交流电转换成直流电给电动自行车的电池包进行充电，也可以把电动自行车电池包的电池能量转换成220V的交流电，实现对电池包充放电的无缝切换，避免电动车长时间过充而造成的电池包损伤。当检测到电池包状态异常后，可以快速断开电网和充放电检测系统的连接，断开和电池包之间的连接，并进行报警，可有效提高电动车充电的安全性。本实用新型还支持手动输入各种功能性能指令，并可及时显示系统状况，提高用户体验。本实用新型可自动检测电池包充电电流变化，防止电池过充引起的充电器过热变形等意外；自动检测电池内阻，避免内阻太大时电池包过热引起自燃；还自动检测电池容量，当检测到容量发生急剧变化时，就说明电池包出现问题，可提示用户及时维修或更换电池包，提高电动车使用的安全性。

为达上述目的，本实用新型第二方面的实施例还提供了一种家用电动车智能充电器，其包括：具有如上所述的家用电动车智能充放电检测系统。

本实用新型的家用电动车智能充电器与上述家用电动车智能充放电检测系统相对于现有技术所具有的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

图1所示为现有技术的电动车充电器的原理示意图；

图2所示为本实用新型实施例的家用电动车智能充放电检测系统的结构示意图；

图3所示为本实用新型实施例的家用电动车智能充放电检测系统的系统框图；

图4所示为本实用新型实施例的双向AC/DC模块的电路示意图；

图5所示为本实用新型实施例的双向直流变换模块的电路示意图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本实用新型的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本实用新型的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本实用新型公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，本实用新型的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本实用新型各个实施例中的特征可以相互组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

市场上现在的电动自行车充电器大都只能给电池充电，充电分三个阶段：恒流充电阶段、恒压充电阶段以及涓流充电阶段，涓流充电阶段是电流非常小的恒压充电。现有的充电器无论插电多少个小时都会输出最高后电流慢慢较小，无法判断电池是否充满。长久以后充电器一直工作，电池包也是高压满电状态，长时间过充就容易发热引起火灾。

本实用新型第一方面的实施例提供了一种家用电动车智能充放电检测系统。图2所示为本实用新型实施例的家用电动车智能充放电检测系统200 的结构示意图，包括模拟信号采集模块201、PWM驱动模块202、双向 AC/DC模块203、双向直流变换模块204、显示模块205以及控制模块206，所述模拟信号采集模块201、所述PWM驱动模块202和所述显示模块205 均电连接至所述控制模块206，所述双向AC/DC模块203和所述双向直流变换模块204均电连接至所述PWM驱动模块205，其中：

模拟信号采集模块201用于获取所述家用电动车智能充放电检测系统所需的多个模拟信号。在本实用新型实施例中，所述多个模拟信号包括所述家用电动车智能充放电检测系统运行时的交流电压、交流电流、直流电流、直流母线电压、电池包电压、电池包电流以及电池包充电端口电容电压等，采集到的各模拟信号将发送至控制模块206。所述多个模拟信号反映了系统和电池包的实时状态，这样可实现快速根据系统情况进行控制和实时保护功能。在本实用新型其他实施例中，所需采集的模拟信号可根据系统需求进行调整，并不以上述举例为限。

PWM驱动模块202用于输出PWM驱动信号至双向AC/DC模块203 和双向直流变换模块204以控制所述电池包进行充电或放电。在本实用新型实施例中，双向AC/DC模块203和双向直流变换模块204均电连接至 PWM驱动模块202，接收PWM驱动模块202发出的PWM驱动信号。

显示模块205用于输入所述电池包的充电参数。在本实用新型实施例中，用户可以自行设定充电电压、电流以及功率上下限，或设定充电时间，其中任一设置的保护条件达到，则自动断开电池包和家用电动车智能充放电检测系统200之间的连接。

控制模块206用于根据所述多个模拟信号控制所述PWM驱动模块202 输出所述PWM驱动信号，还用于根据所述充电参数控制对所述电池包停止充电。在本实用新型实施例中，控制模块206对模拟信号采集模块201获取的多个模拟信号进行分析。并根据分析情况控制PWM驱动模块202输出不同的PWM驱动信号，以控制双向AC/DC模块203和双向直流变换模块204 的无缝切换。使得能量可以从220V交流电压转换成直流电压给电动自行车的电池包进行充电，也可以把电动自行车电池包的电池能量转换成220V的交流电压并入电网，实现在对电池包性能检测时充放电的无缝切换。

在本实用新型实施例中，家用电动车智能充放电检测系统200还包括温度传感器模块207、报警模块208和开关信号控制模块209(图中均未示出)，其中：

温度传感器模块207用于检测所述电池包的温度。在本实用新型实施例中，当控制模块206发现温度传感器模块207检测到电池包的温度出现异常时，将判断是否需要停止对电池包的充电，及时断开与电池包的连接，避免继续充电可能引发的火灾危险。

报警模块208用于在所述电池包状态异常时进行报警。在本实用新型实施例中，所述电池包状态异常包括例如温度异常升高、电池包电流、电压异常增大或减小、电池包容量异常变化、电池包内阻异常增大，还包括电池包起火产生烟雾等异常状态，但并不以此为限。

开关信号控制模块209用于在所述电池包状态异常时断开与电网连接。在本实用新型实施例中，当判断电池包出现各种异常状态时，开关信号控制模块209可及时断开电池包与交流电网之间的连接，停止对电池包继续充电，保证系统运行的安全性与可靠性。

图3所示为本实用新型实施例的家用电动车智能充放电检测系统的系统框图。在本实用新型实施例中，控制模块采用DSP控制器，例如美国TI 公司的TMS320F280X(但并不以此为限)，是一款集数字信号处理能力、嵌入式控制能力和事件管理能力于一体的32位定点数字信号处理器。具有功耗小、运算速度快等优点。该DSP控制器内置16通道高性能12位ADC 单元和多个增强型ePWM模块，可以精确控制PWM驱动模块发送PWM 驱动信号，从而实现对电动车电池包的充放电双向控制。

模拟信号采集模块采样多个模拟信号，例如电池包电压、电池包电流、电池包充电端口电容电压、高压直流母线、交流电压以及交流电流等，通过运放进行信号放大、降噪等处理后，通过DSP控制器的I/O接口发送到控制器的ADC单元，可实现对系统状态的快速获取，并进行相应控制和提供实时保护功能。

在本实用新型实施例中，所述DSP控制器的I/O接口还连接直流继电器，交流继电器、开关信号控制电路、温度传感器以及烟雾报警器。其中：

直流继电器用于连接电池包和所述家用电动车智能充放电检测系统，由DSP控制器对其进行控制，当DSP控制器发送高电平时所述直流继电器闭合，发送低电平时所述直流继电器断开。

交流继电器用于连接所述家用电动车智能充放电检测系统和220V交流电网，也是由DSP控制器的高低电平进行控制。当其接收高电平时闭合，接收低电平时断开。

开关信号控制电路可以是一个电源开关，当接上220V交流电后，需要把电源开关闭合，由220V交流电供给电池包进行充电。当电流突然过大时，电源开关可以断开与交流电网的连接，避免电流突变引发的危险，保证系统运行的安全性。

温度传感器和烟雾报警器可实时检测电池包温度和环境情况，当电池包温度过高或者检测到电池包起火造成的烟雾时，可进行蜂鸣报警，提示用户或管理员该电动车出现异常，需要及时进行处理，防范后续风险。

图4所示为本实用新型实施例的双向AC/DC模块的电路示意图，采样稳定的220V交流电压(AC)，通过隔离运放U3把交流电压的PI信号送到 DSP控制器，电流传感器通过隔离运放U2把交流电流信号送到DSP控制器，直流母线电压DC1通过隔离运放U1把电压信号送到DSP控制器。在本实用新型实施例中，采用4个MOS管MOS1～MOS4构成全桥拓扑型，采用全控型MOS管通过PWM高频脉冲对4个MOS管进行高频调制，可以实现交流、直流能量的双向流动。

所述双向AC/DC模块连接于电网与直流母线之间，用于在一定的功率范围内保持直流母线电压DC1的电压不变：当直流母线电压DC1升高时，所述双向AC/DC模块工作在逆变状态，从高压母线抽取能量，把直流母线电压DC1转换成AC交流，将电池包电压转换成交流电压进行放电；当直流母线电压DC1降低时，所述双向AC/DC模块工作再整流状态，从电网抽取能量向电池包进行充电，维持直流母线电压DC1保持不变。

在本实用新型实施例中，可以有两种MOS管开关的工作模式，由PWM 驱动信号进行控制。下文给出PWM驱动模块产生PWM驱动信号的具体示例如下所示：

工作模式1：MOS1、MOS3闭合，AC交流＝U，在正半周电流传感器采样到正电流，或在负半周期电流传感器采样到负电流；

工作模式2：MOS2、MOS4闭合，AC交流＝U，在正半周期电流传感器采样到负电流，或在负半周期电流传感器采样到正电流。

所述双向AC/DC模块在任一时刻只能工作于上述某一种工作模式，而在不同的时刻，可工作于不同的模式，以实现电流的双向流动。

在本实用新型实施例中，在接入220V交流电后增加工模电感L1和L2，当所述双向AC/DC模块处于整流状态时可滤除电网自带的高频谐波，处于逆变状态时可滤除MOS开关引起的高频谐波，能有效提高功率因数和减少电网谐波污染。增加聚丙乙烯安规电容(当电容器失效后不会导致电击，不危及人身安全的安全电容器)，其用于电源滤波器里，起到电源滤波作用，分别对共模、差模干扰起滤波作用。把主电感分成两个L3和L4，在交流电的正半周和负半周切换时，保证电流流过的阻抗都是一样的，可减小MOS 管导通时引起的震荡，提高稳定性，同时提高交流直流转换效率。

在本实用新型实施例中，MOS1～MOS4分别并接R1～R4，其中R1～ R4均由一个电容和一个电阻串联构成，用于吸收MOS管在导通关断时产生的高压尖峰，保护MOS管不过压，提高全桥的稳定性。

本实用新型实施例采用的双向AC/DC模块具有功率密度高、体积小、效率高、谐波含量低、可靠性高以及控制灵活高效的有点。且可实现网侧电流的正弦化，可运行于单位功率因数，因而可以克服传统二极管不可控整流或晶闸管相控整流给电网和用电设备带来的影响，其充电效率可高达 98％。

图5所示为本实用新型实施例的双向直流变换模块的电路示意图，所述双向直流变换模块包括多个MOS管以及变压器，采用推挽全桥拓扑构成，其中4个MOS管MOS5～MOS8构成全桥边(电压型)接入高频变压器T1 的原边，2个MOS管MOS9～MOS10构成推挽边(电流型)接入所述高频变压器T1的副边，其中，所述全桥边连接至高压母线，通过隔离运放U4 把电压信号送到DSP控制器；所述推挽边连接至电池包，通过隔离运放U6 把电压信号送到DSP控制器。在本实用新型实施例中，上述双向AC/DC 模块转化过来的直流DC接到双向直流变换模块的DC上(即图4中的DC1 和图5中的DC2是相连接在一起的)。

在本实用新型实施例中，高压母线DC2的数值是保持稳定不变的，当 DSP控制器接到给电池包充电的指令时，所述双向直流变换模块处于降压模式：MOS5～MOS8作为开关管使用，通过高频脉冲调制交替导通，为高频变压器T1充能；MOS9～MOS10作为同步整流管使用，交替导通达到降压的目的。当DSP控制器接收到给电池包放电的指令时，所述双向直流变换模块处于升压模式：MOS9～MOS10作为开关管使用，通过高频脉冲调制交替导通，使电池能量转换成高频变压器T1的磁能；MOS5～MOS8作为同步整流管使用，通过高频脉冲调制交替导通，达到升压的目的。

本实用新型实施例采用的双向直流变换模块可自由工作在升压模式或降压模式，两种模式根据系统需要进行切换。适于用在电压传出较大、电流较大的场合，使用高频变压器T1对电网和电池包进行了电气隔离，使得所述家用电动车智能充放电检测系统可以实现模块化和小型化。

在本实用新型实施例中，采用ARM控制器，例如S5PV210(但并不以此为限)，作为可控制命令处理器。其连接STC单片机触摸模块用于显示系统状况，输入各种命令。通过触摸屏可以设定充电时间、充电的最高电压、最高电流等指令，一旦达到某一条件，DSP控制器就会控制断开与电池包的连接，停止对电池包进行充电，避免电池包持续过充造成损伤。

在本实用新型实施例中，DSP控制器还可自动检测充电电流变化情况，可防止电池过充导致充电器过热变形等意外；还可自动检测电池内阻，避免因内阻太大导致电池包过热引起自燃；还可自动检测电池容量，当检测到容量急剧变化时，就说明电池包出现问题。当检测到上述异常情况时，均可通过触摸屏进行显示，及时提示用户电池包的各种状态，以及是否需要维修或更换，避免由于电池包故障引起的各种危险，提高使用的可靠性，保障用户安全。

采用本实用新型实施例的家用电动车智能充放电检测系统，基于PWM 信号驱动双向AC/DC模块和双向直流变换模块，使得能量可以从220V交流电转换成直流电给电动自行车的电池包进行充电，也可以把电动自行车电池包的电池能量转换成220V的交流电，实现对电池包充放电的无缝切换，避免电动车长时间过充而造成的电池包损伤。当检测到电池包状态异常后，可以快速断开电网和充放电检测系统的连接，断开和电池包之间的连接，并进行报警，可有效提高电动车充电的安全性。本实用新型还支持手动输入各种功能性能指令，并可及时显示系统状况，提高用户体验。本实用新型可自动检测电池包充电电流变化，防止电池过充引起的充电器过热变形等意外；自动检测电池内阻，避免内阻太大时电池包过热引起自燃；还自动检测电池容量，当检测到容量发生急剧变化时，就说明电池包出现问题，可提示用户及时维修或更换电池包，提高电动车使用的安全性。

本实用新型第二方面的实施例提供了一种家用电动车智能充电器，其设置为具有如上所述的家用电动车智能充放电检测系统。所述家用电动车智能充电器可以参照根据本实用新型第一方面实施例具体描述的内容实现，并具有与根据本实用新型第一方面实施例的家用电动车智能充放电检测系统具有类似的有益效果，在此不再赘述。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，包括模拟信号采集模块、PWM驱动模块、双向AC/DC模块、双向直流变换模块、显示模块以及控制模块，所述模拟信号采集模块、所述PWM驱动模块和所述显示模块均电连接至所述控制模块，所述双向AC/DC模块和所述双向直流变换模块均电连接至所述PWM驱动模块，其中：

所述模拟信号采集模块，用于获取所述家用电动车智能充放电检测系统所需的多个模拟信号；

所述PWM驱动模块，用于输出PWM驱动信号至所述双向AC/DC模块和所述双向直流变换模块以控制电池包进行充电或放电；

所述显示模块，用于输入所述电池包的充电参数；

所述控制模块，用于根据所述多个模拟信号控制所述PWM驱动模块输出所述PWM驱动信号，还用于根据所述充电参数控制对所述电池包停止充电。

2.根据权利要求1所述的家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，所述双向AC/DC模块包括4个MOS管构成全桥拓扑，其中，所述4个MOS管由所述PWM驱动信号进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，所述双向AC/DC模块连接于电网与直流母线之间，用于当所述直流母线电压降低时，从所述电网抽取能量向所述电池包进行充电；还用于当所述直流母线电压升高时，将所述电池包电压转换成交流电压进行放电。

4.根据权利要求1所述的家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，所述双向直流变换模块包括多个MOS管以及变压器，其中，4个MOS管构成全桥边接入所述变压器的原边，2个MOS管构成推挽边接入所述变压器的副边。

5.根据权利要求4所述的家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，所述全桥边连接至高压母线，所述推挽边连接至所述电池包。

6.根据权利要求4或5所述的家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，在所述电池包进行充电时，所述双向直流变换模块处于降压模式，所述全桥边的MOS管作为开关管，所述推挽边的MOS管作为同步整流管；在所述电池包进行放电时，所述双向直流变换模块处于升压模式，所述全桥边的MOS管作为同步整流管，所述推挽边的MOS管作为开关管。

7.根据权利要求1所述的家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，还包括温度传感器模块、报警模块和开关信号控制电路，其中：

所述温度传感器模块，用于检测所述电池包的温度；

所述报警模块，用于在所述电池包状态异常时进行报警；

所述开关信号控制电路，用于在检测到所述电池包状态异常时断开与电网的连接。

8.根据权利要求1所述的家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，所述显示模块还用于显示所述电池包的性能参数。

9.根据权利要求1所述的家用电动车智能充放电检测系统，其特征在于，所述多个模拟信号包括交流电压、交流电流、直流电流、直流母线电压、所述电池包电压以及所述电池包电流。

10.一种家用电动车智能充电器，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的家用电动车智能充放电检测系统。

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