CN2257257Y - 电动车辆用全自动充电机 - Google Patents
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Abstract
一种电动车辆用全自动充电机，由主回路电路和控制回路两部分组成。主回路包括双路开关、交流接触器、隔离变压器、伺服补偿调压器等，控制电路包括采样信号输入和前级放大电路，电压比较和电机驱动电路，定压切换和继电器驱动电路，恒流切换电路、过流保护电路和充电结束定时电路。本充电机实现了优化充电、无伤害充电，延长了电池的使用寿命。
Description
本实用新型涉及一种电动车辆用全自动充电机，属汽车技术领域。
国内目前生产的充电机主要是用来给燃油汽车、无轨电车、机车、电信行业和不间断电源(UPS)所用的蓄电池充电。多数充电机功能有限，充电策略单一(采用单独恒流或恒压充电)，充电电压底(小于48V)，对电网不隔离，有的要人工控制充电过程和充电时间，因而容易造成过充或充电不足，对蓄电池寿命和性能产生危害，甚至发生安全事故，造成人员伤亡和设备的损害。还有少量的充电机采用模拟和数字控制充电过程，在一定程度上解决了部分问题，但这种充电机多采用可控硅来调节电压，在功率较大时会对电网产生严重的干扰，不满足环保的要求。
随着电动汽车在世界范围内的再次兴起，充电机的需求不断扩大，同时也对充电机本身提出了许多新的要求，电动汽车要求充电输出电压高(120V以上)，输出电流大(15-300A)，速度快、效率高、安全和自动化程度高等特点，原有的充电机基本上已经不能适应电动汽车的充电要求。
本实用新型的目的是设计一种新型的电动车辆全自动充电机，采用现代自动控制原理，以模拟电路控制的高精度伺服调压技术为核心进行设计。采用多段恒流和定压充电方式。在充电初期选取大电流，中期切换成小电流，当逼近析气电压时进行定压充电。这样的充电过程即避免了电池的过充和不足，又满足了充电速度的要求。实现了优化充电和延长电池的使用寿命。
本实用新型设计的电动车辆用充电机，由主回路和控制电路两部分组成，其中的主回路包括：
(1)控制自动充电机通断的开关，由双路空气开关S3、交流接触器及其起动钥匙开关S5组成；
(2)将通过控制电机调节伺服调压器的输出电压以改变整个充电机输出电压的伺服调压器T2与隔离变压器T1；
(3)将交流电源经变压、整流和滤波后输出给蓄电池的变换电路，由整流桥和滤波器L1、C1和C2组成；
(4)对蓄电池充电进行电压、电流采样的电阻R2和R3；其中的控制电路包括：
(1)为控制电路提供直流电源的电路模块：包括对交流变压器输出进行全波整流并产生15V电源的D3、D4、D5和D6；
(2)对采样信号进行前级处理的信号输入和前级放大模块，包括由R13、R12、R14和Z2构成的降压电路，对采样电阻获得的与充电电流成比例的电压信号进行分压的分压电路R35、R58、R59，由采样信号通过R10、R11分压后控制系统切换的继电器J1，将经过变换的充电电压和充电电流采样信号进行放大的由IC2、R16、R18、R19和R20构成的比例放大器；
(3)将充电机电压与给定值进行比较的电压比较和电机驱动电路模块，为一由R23、R25、集成运放IC3和反馈电阻R22构成的反相电压比例求和放大电路；
(4)通过对充电电压的监测控制充电过程的定压切换和继电器驱动模块，包括由R3、R4集成运放CAM1和反馈电阻R5构成的同相电压比例求和放大电路和稳压二极管Z1和R1构成的固定偏压电路；
(5)通过对充电电流的监测判断充电电流大小的两段恒流切换电路，包括由R33、R34、集成运放CAM3和反馈电阻R35构成的同相电压比例求和放大电路和稳压二极管Z5和R47构成的固定偏压电路；
(6)保证充电机安全的过流保护模块，包括由R40、R41、R42和集成运放CM2构成的同相比例放大电路和由Z4和R43构成的固定编压电路；
(7)控制充电时间防止电流过充的充电自动结束定时模块，包括比较器CAM4和定时器IC8。
附图说明：
图1是全自动充电机系统框图。
图2是全自动充电机主回路电路原理图。
图3是控制电路逻辑框图。
图4是控制回路电路原理图。
该全自动充电机主要采用现代复合控制的思想，即能量输送回路由不可控和可控两部分组成，控制电路通过对电机伺服式调压器的控制来克服电网的干扰和负载的变化，实现较高精度的恒流和定压充电，这样即减小了可控部分的功率，也提高了系统的安全性。
全自动充电机的系统框图，如图1所示，其中细线代表控制信号的流通，由控制电路实现，粗线代表能量的流通，由主回路实现，控制电路和主回路一起构成一个闭环反馈调节系统。串接在主回路中的采样电阻获得与充电电流相对应的电压信号，控制电路根据采样信号控制继电器和开关来选择充电阶段，即充电开始时采用大电流(Ki1)充电，充电70一80％时采用小电流充电(Ki2)，大于析气电压U时采用恒压充电(Ku)，即用一个控制电路构成电流(两段)和电压的多路反馈控制。充电采样到的信号经过前级放大(K0)后与控制给定电压比较，误差信号经放大(K1)后直接驱动电机(G(s))动作。电机的旋转改变补偿调压器的输出从而改变整个充电机的直流输出，这样就构成了一个反馈环。
主回路的电路原理图如附图2所示，具体描述如下：POWER(3PIN)为交流220V电源输入；S3为双路空气开关当电流大于一定值时自动保护；QUTOKEEP为交流接触器，S5为钥匙开关，开关接通接触器吸合主回路导通，接触器同时受过流保护电路控制，当电流过载时将自动断开。
T1为隔离变压器；T2为伺服补偿调压器，通过控制电机可以调节T2的输出电压从而改变整个充电机的输出电压或电流；T3为2∶1变压器；T6为控制电路电源变压器，输出交流18V。
BRIDGB为整流桥，L1、C1、C2形成π型滤波，交流电流通过变压、整流和滤波后输出直流给蓄电池充电，T2为直流输出保险，D为反向二极管防止充电时防止电流反灌，(V)和(A)为指针式电压和电流表。
R2和R3为电流采样电阻，通过信号线与控制电路相连；发光二极管ID和VD分别指示恒流和定压充电状态。
全自动充电机的核心是控制电路，控制电路除了上面提到的控制电机的旋转调节伺服调压器的输出，构成反馈控制系统的功能外，还有以下几个功能：
1、显示充电电压和电流，用发光二极管指示当前充电状态(恒压或定流)；
2、通过检测电流信号，控制交流接触器，进行过流保护；
3、通过监测充电电压和充电状态，驱动定时电路。
控制电路由以下七个逻辑部分构成，如图3和图4所示：
图3中，1是电机，2是交流接触器。
(1)控制电路电源模块，即过流保护模块
控制电路的工作点和性能受电源的影响很大，该模块采用全波整流，两级滤波和集成稳压器件保证电源的稳度和精度。其中D3、D4、D5、D6对交流变压器输出进行全波整流并产生15V的电源；EC5、EC6、和EC2、EC3构成两级滤波；IC5(MC7815)、IC6(MC7915)集成稳压块保证输出电源电压稳定。
(2)采样信号输入和前级放大模块
该模块对采样信号进行前级处理和放大，采样到的充电高电压通过R13、R12 R14和Z2构成的降压电路变换成与前级放大电路相匹配的信号，其中可调电阻R12用来调整定压值，反向二极管Z2形成固定的电压降提高系统的动态放大系数；采样电阻获得的与充电电流成比例的电压信号通过R35、R58和R59构成的分压电路与前级放大电路相匹配，可调电阻R58用来调整需要的恒流值，R59与一开关(ON1)并接，开关断开对应于第一段恒流充电状态，开关闭和对应为第二段恒流充电状态。采样输入信号通过继电器(J1(DS2Y)切换，继电器的4和6脚常导通对应为恒流充电状态，切换后4脚和8脚导通对应于定压充电状态。
集成运放IC2和R16、R18、R19、R20构成同相比例放大器作为前级放大，将经过变换的充电电压和充电电流采样信号进行放大，以提高系统的精度，其放大系数主要由R16与R19的比例决定。
(3)电压比较和电机驱动电路模块
R23、R25、集成运放IC3和反馈电阻R22构成反相电压比例求和放大电路，当前级放大电路输出电压小于给定值时IC3输出为正，三极管N2导通电机逆时针旋转，主回路电压升高；反之，当前级输出电压大于给定值时IC3输出为负，三极管P1导通电机顺时针旋转，主回路电压降低；这样就构成了电压负反馈。
(4)定压切换和继电器驱动模块
该模块通过对充电电压的监测来判断是否切换到定压充电状态。R3、R4、集成运放CAM1和反馈电阻R5构成同相电压比例求和放大电路。稳压二极管Z1和R1构成固定偏压，电压采样信号通过R10、R11分压与固定偏压进行比例求和，当充电电压大于一定的值时，CAM1输出为正，三极管N1导通，继电器(DS2Y)吸合，4脚和8脚导通进入定压充电状态。其中可调电阻R11用来调电阻R11用来调节定压转换值。
(6)两段恒流切换电路
该模块通过对充电电流的监测来判断用大电流(第一段)还是小电流充电(第二段)。R33、R34、集成运放CAM3和反馈电阻R35构成同相电压比例求和放大电路。稳压二极管Z5和R47构成固定偏压，电汉采样信号通过R61、R5分压与固定偏压进行比例求和，当充电电流大于一定的值时，CAM2输出为正，N3导通，继电器J2吸合，接触器断开主回路关断。可调电阻R44用来调节保护电流值的大小。
(7)充电结束定时模块
控制充电时间是防止电池过充的有效途径，该模块通过比较器(CAM4)在定压状态下比较充电电流，当电流降到阀值时，比较器输出高电位，启动IC8定时器，定时时间为1-2小时，延时时间到后则直接驱动保护电路，切断接触器，整个充电过程结束。
本实用新型设计的电动车辆用全自动充电机，具有以下优点：
1、充电输出电压高、电流大，功率输出范围3KW-30KW。
2、充电过程优化，具有防止过充、保证充满和均衡充电的功能，对电池无伤害从而能够有效的延长电池的使用寿命。
3、充电过程自动化，通过控制电路自动实现两段或三段式恒流、定压充电，能够自动判断充电结束条件并进行自动关断。
4、充电过程安全，采用全隔离主回路，通过交流接触器和快速保险形成多级保护措施，自动监测充电电流，过流则自动断开接触器，切断主回路。
5、充电操作简单化，通过发光二极管指示充电状态，指针式电压和电流表显示充电电压和电流，操作简单，使用方便。
6、采用伺服电机控制补偿调压结构，对电网无脉冲干扰，同时降低了成本，提高了可靠性，具有易于维护的特点。
Claims (1)
1、一种电动车辆用全自动充电机，其特征在于该充电机由主回路和控制电路两部分组成，其中的主回路包括：
(1)控制自动充电机通断的开关，由双路空气开关S3、交流接触器及其起动钥匙开关S5组成；
(2)将通过控制电机调节伺服调压器的输出电压以改变整个充电机输出电压的伺服调压器T2与隔离变压器T1；
(3)将交流电源经变压、整流和滤波后输出给蓄电池的变换电路，由整流桥和滤波器L1、C1和C2组成；
(4)对蓄电池充电进行电压、电流采样的电阻R2和R3；其中的控制电路包括：
(1)为控制电路提供直流电源的电路模块：包括对交流变压器输出进行全波整流并产生15V电源的D3、D4、D5和D6；
(2)对采样信号进行前级处理的信号输入和前级放大模块，包括由R13、R12、R14和Z2构成的降压电路，对采样电阻获得的与充电电流成比例的电压信号进行分压的分压电路R35、R58、R59，由采样信号通过R10、R11分压后控制系统切换的继电器J1，将经过变换的充电电压和充电电流采样信号进行放大的由IC2、R16、R18、R19和R20构成的比例放大器；
(3)将充电机电压与给定值进行比较的电压比较和电机驱动电路模块，为一由R23、R25、集成运放IC3和反馈电阻R22构成的反相电压比例求和放大电路；
(4)通过对充电电压的监测控制充电过程的定压切换和继电器驱动模块，括由R3、R4集成运放CAM1和反馈电阻R5构成的同相电压比例求和放大电路和稳压二极管Z1和R1构成的固定偏压电路；
(5)通过对充电电流的监测判断充电电流大小的两段恒流切换电路，包括由R33、R34、集成运放CAM3和反馈电阻R35构成的同相电压比例求和放大电路和稳压二极管Z5和R47构成的固定偏压电路；
(6)保证充电机安全的过流保护模块，包括由R40、R41、R42和集成运放CM2构成的同相比例放大电路和由Z4和R43构成的固定编压电路；
(7)控制充电时间防止电流过充的充电自动结束定时模块，包括比较器CAM4和定时器IC8。
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