CN102545311A - 一种具有补偿效应的电动车电池充电装置及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有补偿效应的电动车电池充电装置，包括：电池组(2)，包括若干个串联的电池单元；利用外接电源(10)向电池组(2)充电的充电部(1)，包括一个MCU(9)以及一个与其相连的温度传感器(16)；充电部(1)还包括主供电线路和辅助供电线路，主供电线路向电池组(2)供电，通过MCU(9)调节主供电线路的电流和电压，辅助供电线路向MCU(9)供电；所述电池组(2)和MCU(9)之间连接有一个温度传感器(18)，本发明还提供了上述一种具有补偿效应的电动车电池充电装置的充电方法。本发明能有效的对电池进行补偿充电，大幅减少充电后期的电池失水等现象，提高了蓄电池使用效率及使用寿命。本发明由MCU运算控制，性能可靠，无需维护。

Description

一种具有补偿效应的电动车电池充电装置及其充电方法

技术领域

本发明涉及一种电动车电池充电装置及其充电方法，特别涉及一种适用于电动车的阀控式铅酸蓄电池用具有补偿效应的电动车电池充电装置及其充电方法。

背景技术

目前市场上电动车的车用电池绝大多数采用铅酸蓄电池，尤其是控铅酸免维护蓄电池。电池长期不能充满会导致活性物质失效，或者过充较多引起电池失水致使电池失效约有半数以上；另外电池长期使用后，因充电参数不匹配或者充电方式不当易引起电池热失控现象，极大的减少了电池使用寿命。

因此本发明基于单片机的准确、快速的记录、强大的运算能力上设计开发该充电部1，很大程度上精简了电路***，但是却使得充电部1可控程度更加深入、功能更加全面，通过不同模式的补偿充电来减少此现象。

发明内容

本发明的目的是：

针对现有电池不能充满活性物质失效或者过充较多引起失水的问题，发明一种能够自动调整补偿充电模式的充电装置和充电方法。

本发明的目的可通过以下技术方案实现：

一种具有补偿效应的电动车电池充电装置，包括：

电池组，包括若干个串联的电池单元；

利用外接电源向电池组充电的充电部，包括一个MCU以及一个与其相连的温度传感器；

充电部还包括主供电线路和辅助供电线路，主供电线路向电池组供电，通过MCU调节主供电线路的电流和电压，辅助供电线路向MCU供电；

所述电池组和MCU之间连接有一个温度传感器。

所述MCU连接有风扇，辅助线路向风扇供电。

所述电池组中串联的电池单元为阀控铅酸蓄电池。

所述主供电线路还包括主电源、电流调节器和电压调节器。

一种具有补偿效应的电动车电池充电装置的充电方法，其中，电池组包括若干个串联的电池单元；利用外接电源向电池组充电的充电部，包括一个MCU以及一个与其相连的温度传感器；充电部还包括主供电线路和辅助供电线路，主供电线路向电池组供电，通过MCU调节主供电线路的电流和电压，辅助供电线路向MCU供电；所述电池组和MCU之间连接有一个温度传感器，MCU连接有风扇，包括以下充电步骤：

第1阶段，充电前期，通过检测电池组的初始端电压U₀和温度T检查、判断电池组连接是否正常，如果连接不正常则通过MCU将信号反馈至外接电源使其停止输出，如果连接正常则进行充电，并经过MCU预设定的Δt₁时间判断电池组的放电情况；

第2阶段，充电至实际环境下满电状态，MCU记录当第2阶段充电时间Δt后的电池温度T₂；记录的温度过高则启动风扇为充电部1散热；

第3阶段，根据第1、2阶段记录的电压、温度和充电时间预判需要补偿充电的时间，进行补偿充电；

第4阶段浮充阶段充电部1对电池组进行定时充电。

所述还包括以下子步骤：

第1阶段：接通外接电源，MCU数据初始化，检测电池组的初始端电压U₀、温度T，若检测到U₀＞0，将初始端电压U₀记录入MCU；若检测到U₀≤0，则表示电池组未与充电部连接或者电池组正负极反接，应检查电池组连接是否正常，若重新连接正常，继续检测到U₀≤0，则MCU反馈信号给外接电源使其停止输出；

在经过MCU预设定的Δt₁时间后检测电池组端电压U₁，若检测到U₁＞U₀，则将数据保存入MCU；若检测到电压U₁未变化，则检查充电部与电池组是否连接异常；

在MCU内存储设定的标准端电压变化率V₀以及标准补偿充电时间Δt₀，所述的标准端电压变化率V₀是指在标准状况下对完全放电的电池组进行充电，在Δt₁时间内端电压的变化率；所述的标准补偿充电时间Δt₀是指在标准状况下，对电池组补偿充电的时间，K₀是指补偿充电容量与标准状况下放电容量Ce的百分比，即是偿充电容量C_Δt1＝Ce·K₀；

将保存入MCU的电压U₀和U₁，计算Δt₁时间内电压变化率V₁；计算K₂＝V₁/V₀，若K₂＞1，则电池组未完全放电或者电池容量衰减；若K₂＜1，则电池组深度放电；

第2阶段：

充电初始化后，MCU记录环境温度T₁和充电部1内部温度T₃，当Δt时间后记录电池温度T₂，当温度差值ΔT及电流I超过设定值ΔT₀和I₀时，MCU将信号反馈给主电源通过电流调节器和电压调节器分别调节调节充电电流及充电电压，强制使其进入第4阶段以避免电池热失控现象发生；当温度差值ΔT及电流I均在设定范围内时，计算温度补偿系数K₁；若温度传感器在充电部内部时，记录的温度过高则启动风扇为充电部1散热；

第3阶段：

MCU计算电池组充满后容量C；电池组充满电容量C可由第1阶段容量C₁和第2阶段C₂(C₂可视为常数)组成，即C＝C₁+C₂；而初始容量C₀越高，第1阶段充入容量C₁越小，则可视作C₁＝I·t₁，I₁为第1阶段充电电流，t₁为第1阶段充电时间；

计算补偿容量ΔC＝f·C＝f·(I₁·t₁+C₂)，f是K₁和K₂综合计算的补偿系数；

根据补偿容量ΔC与调制的平均电流I，计算补偿充电时间Δt₂；

补偿充电阶段，MCU将控制器信号反馈给主电源调节充电电流及调节充电电压；

第4阶段：

补偿充电结束后，MCU内部定时器设定浮充充电时间为Δt₃，经Δt₃停止对电池组2进行充电。

本发明的有益效果：

本发明能有效的对电池进行补偿充电，大幅减少充电后期的电池失水等现象，提高了蓄电池使用效率及使用寿命。

本发明由MCU运算控制，性能可靠，无需维护。

附图说明

图1是本发明充电部1和电池组的电路示意图。

图2是本发明充电过程流程图。

图3是本实新型充电曲线示意图。

其中：1、充电部；2、电池组；3、触点；4、触点；5触点；6、触点；7、触点；8、触点；9、MCU；10、外接电源；11、主电源；12、辅助电源；13、电流调节器；14、电压调节器；15、风扇；16、温度传感器；17、触点；18、温度传感器；19、触点；20触点。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明的一种具有补偿效应的电动车电池充电装置，包括：

电池组2，包括若干个串联的电池单元；

利用外接电源10向电池组2充电的充电部1，包括一个MCU9以及一个与其相连的温度传感器16；

充电部1还包括主供电线路和辅助供电线路，主供电线路向电池组2供电，通过MCU9调节主供电线路的电流和电压，辅助供电线路向MCU9供电；

所述电池组2和MCU9之间连接有一个温度传感器18。

所述MCU9连接有风扇15，辅助线路向风扇15供电。

所述电池组2中串联的电池单元为阀控铅酸蓄电池。

所述主供电线路还包括主电源11、电流调节器13和电压调节器14。

本发明还要求保护一种具有补偿效应的电动车电池充电装置的充电方法，其中，电池组2包括若干个串联的电池单元；利用外接电源10向电池组2充电的充电部1，包括一个MCU9以及一个与其相连的温度传感器16；充电部1还包括主供电线路和辅助供电线路，主供电线路向电池组2供电，通过MCU9调节主供电线路的电流和电压，辅助供电线路向MCU9供电；所述电池组2和MCU9之间连接有一个温度传感器18，MCU9连接有风扇15，包括以下充电步骤：

第1阶段，充电前期，通过温度传感器18和MCU9检测电池组2的初始端电压U₀和温度T检查、判断电池组2连接是否正常，如果连接不正常则通过MCU9将信号反馈至外接电源10使其停止输出，如果连接正常则进行充电，并经过MCU9预设定的Δt₁时间判断电池组2的放电情况；

第2阶段，充电至实际环境下满电状态，MCU9记录当第2阶段充电时间Δt后的电池温度T₂；记录的温度过高则启动风扇15为充电部1散热；

第3阶段，根据第1、2阶段记录的电压、温度和充电时间预判需要补偿充电的时间，进行补偿充电；

第4阶段浮充阶段充电部1对电池组2进行定时充电。

还包括以下子步骤：

第1阶段：接通外接电源10，MCU9数据初始化，检测电池组2的初始端电压U₀、温度T，若检测到U₀＞0，将初始端电压U₀记录入MCU；若检测到U₀≤0，则表示电池组2未与充电部1连接或者电池组2正负极反接，应检查电池组2连接是否正常，若重新连接正常，继续检测到U₀≤0，则MCU9反馈信号给外接电源10使其停止输出；

在经过MCU9预设定的Δt₁时间后检测电池组2端电压U₁，若检测到U₁＞U₀，则将数据保存入MCU9；若检测到电压U₁未变化，则检查充电部1与电池组2是否连接异常；

在MCU9内存储设定的标准端电压变化率V₀以及标准补偿充电时间Δt₀，所述的标准端电压变化率V₀是指在标准状况下对完全放电的电池组2进行充电，在Δt₁时间内端电压的变化率；所述的标准补偿充电时间Δt₀是指在标准状况下，对电池组2补偿充电的时间，K₀是指补偿充电容量与标准状况下放电容量Ce的百分比，即是偿充电容量C_Δt1＝Ce·K₀；

将保存入MCU9的电压U₀和U₁，计算Δt₁时间内电压变化率V₁；计算K₂＝V₁/V₀，若K₂＞1，则电池组2未完全放电或者电池容量衰减；若K₂＜1，则电池组2深度放电；

第2阶段：

充电初始化后，MCU9记录环境温度T₁和充电部1内部温度T₃，当Δt时间后记录电池温度T₂，当温度差值ΔT及电流I超过设定值ΔT₀和I₀时，MCU9将信号反馈给主电源11通过电流调节器13和电压调节器14分别调节调节充电电流及充电电压，强制使其进入第4阶段以避免电池热失控现象发生；当温度差值ΔT及电流I均在设定范围内时，计算温度补偿系数K₁；若温度传感器16在充电部1内部时，记录的温度过高则启动风扇15为充电部1散热；

第3阶段：

MCU9计算电池组2充满后容量C；电池组2充满电容量C可由第1阶段容量C₁和第2阶段C₂组成，C₂可视为常数，即C＝C₁+C₂；而初始容量C₀越高，第1阶段充入容量C₁越小，则可视作C₁＝I·t₁，I₁为第1阶段充电电流，t₁为第1阶段充电时间；计算补偿容量ΔC＝f·C＝f·(I₁·t₁+C₂)，f是K₁和K₂综合计算的补偿系数；

根据补偿容量ΔC与调制的平均电流I，计算补偿充电时间Δt₂；

补偿充电阶段，MCU9将控制器信号反馈给主电源11调节充电电流13及调节充电电压14；

第4阶段：

补偿充电结束后，MCU9内部定时器设定浮充充电时间为Δt₃，经Δt₃停止对电池组2进行充电。

本发明充电部1由MCU9分析采集的充电电压、环境和电池温度，计算温度的变化及Δt₁内端电压变化率V₁，通过MCU9调整补偿充电的时间，以此来保证电池能够充满同时失水较少以及充电时引起的热失控现象，增加电池使用效率及使用寿命。

所述的充电部1的MCU9是指可对其内部进行编程，并可对其***电路进行设计，达到控制要求的单片机。

所述的充电电压是指在第1阶段充电过程中在Δt₁时间内，电池端电压U。

所述的环境温度是指电池充电时周围环境的温度；所述电池温度是指电池在充电时电池表面温度。

所述的Δt₁内端电压变化速率V₁是指第1阶段充电过程中在Δt₁时间内，端电压由U₀变化为U₁的速率，即是Δt₁时间内充电电压曲线的斜率。

所述的补偿充电的模式是指调整第3阶段Δt₂时间内充电电压、充电电流、充电时间达到补偿充电的目的。

如图1所示。

该图中，电池组2连接在充电部1上，电池组2可以包括多个串联的电池单元，这些串联单元规定了电池组2的电压和存储容量。电池组2包括：触点3和5为电池组2的B+(正)端，触点4和触点6为电池组2的B-(负)端/公共端，电池触点5和触点6是从充电部1接收充电电流来向电池组2充电。

充电部1包括一个MCU9，包括一个B+(正)端(7)和一个B-(负)端(8)，通过电池组2的触点3和触点4连接入充电部1。触点7和触点8可以用作数字或者模拟信号输入给MCU9，以便监测电池组2端电压。

充电部1还可包括一个温度传感器16，通过触点17将环境温度的模拟/数字信号传输给MCU；另外通过触点19连接在电池组2上的温度传感器18将电池组2的温度以数字/模拟信号通过触点20传输给MCU9。

充电部1电源部分10包括主电源11和辅助电源(12)部分，主电源11为电池组2充电，辅助电源12为MCU9和风扇15提供电源。

如图2所示。

MCU9在电源接通后，MCU9初始化，清空上次记录的数据，并检测电池组2的初始端电压U₀和温度T，若检测到U₀＞0，将初始端电压U₀记录入MCU9；若检测到U₀≤0，则表示电池组2未与充电部1连接或者电池组2正负极反接，应人为检查电池组2连接是否正常，若重新连接正常，继续检测到U₀≤0，则MCU9反馈信号给电源部分10使其停止输出。

在经过MCU9设定的Δt₁时间后检测电池端电压U₁，若检测到U₁＞U₀，则将数据保存入MCU9；若检测到电压U₁未变化，则检查充电部1与电池组2是否连接异常。

在MCU9内存储设定的标准端电压变化率V₀以及标准补偿充电时间Δt₀。所述的标准端电压变化率V₀是指在标准状况下对完全放电的电池进行充电，在Δt₁时间内端电压的变化率；所述的标准补偿充电时间Δt₀是指在标准状况下，对电池补偿充电的时间(K₀是指补偿充电容量与标准状况下放电容量Ce的百分比，即是偿充电容量C_Δt1＝Ce·K₀)。

将保存入MCU9的电压U₀和U₁，计算Δt₁时间内电压变化率V₁；计算K₂＝V₁/V₀，若K₂＞1，则电池未完全放电或者电池容量衰减；若K₂＜1，则电池深度放电。

充电初始化后，记录环境温度T₁/充电部1内部温度T₃，当Δt(在第2阶段)时间后记录电池温度T₂，当温度差值ΔT及电流I超过设定值ΔT₀和I₀时，MCU9将信号反馈给主电源部分11调节充电电流13及调节充电电压14，强制使其进入第4阶段以避免电池热失控现象发生。当温度差值ΔT及电流均在设定范围内时，计算温度补偿系数K₁；若温度传感器16在充电部1内部时，记录的温度过高则启动风扇15为充电部1散热。

计算电池充满后容量C；电池充满电容量C可由第1阶段容量C₁和第2阶段C₂(C₂可视为常数)组成，即C＝C₁+C₂；而初始容量C₀越高，第1阶段充入容量C₁越小，则可视作C₁＝I·t₁(I₁为第1阶段充电电流，t₁为第1阶段充电时间)。

计算补偿容量ΔC＝f·C＝f·(I₁·t₁+C₂)。(f是K₁和K₂综合计算的补偿系数)

根据补偿容量ΔC与调制的平均电流I，计算补偿充电时间Δt₂。

补偿充电阶段，MCU9将控制器信号反馈给主电源部分11调节充电电流13及调节充电电压14。

补偿充电结束后，MCU9内部定时器设定浮充充电时间为Δt₃，经Δt₃停止对电池组2进行充电。

如图3所示。

第1阶段充电前期，电池端电压(U)主要由电池开路电压(E)和电池内部压降(Ir)组成(即U＝E+Ir)，因此Δt₁时间内电压差ΔU≈Ir，由此可计算端电压变化率V₁≈Ir/Δt₁。

第2阶段当充电至实际环境下满电状态，进入第3阶段为电池组补偿充电。

第3阶段MCU9根据将控制器信号反馈给主电源部分11调节电流调节器13及电压调节器14为电池组充电(将充电电压升高至U₃，充电电流为脉冲式(平均电流较小)，以防止电池失水现象)。

第4阶段浮充阶段充电部1对电池组2进行定时充电。

虽然在这里通过某个或某些特殊配置描述和阐明本发明，然而其目的并不在于限制所述细节，因为可能在专利要求范围内有各种修改和结构变更，并不偏离发明精神。

本发明涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种具有补偿效应的电动车电池充电装置，其特征在于包括：

电池组(2)，包括若干个串联的电池单元；

利用外接电源(10)向电池组(2)充电的充电部(1)，包括一个MCU(9)以及一个与其相连的温度传感器(16)；

充电部(1)还包括主供电线路和辅助供电线路，主供电线路向电池组(2)供电，通过MCU(9)调节主供电线路的电流和电压，辅助供电线路向MCU(9)供电；

所述电池组(2)和MCU(9)之间连接有一个温度传感器(18)。

2.根据权利要求1所述的一种具有补偿效应的电动车电池充电装置，其特征在于所述MCU(9)连接有风扇(15)，辅助线路向风扇(15)供电。

3.根据权利要求1所述的一种具有补偿效应的电动车电池充电装置，其特征在于所述电池组(2)中串联的电池单元为阀控铅酸蓄电池。

4.根据权利要求1所述的一种具有补偿效应的电动车电池充电装置，其特征在于所述主供电线路还包括主电源(11)、电流调节器(13)和电压调节器(14)。

5.一种具有补偿效应的电动车电池充电装置的充电方法，其中，电池组(2)包括若干个串联的电池单元；利用外接电源(10)向电池组(2)充电的充电部(1)，包括一个MCU(9)以及一个与其相连的温度传感器(16)；充电部(1)还包括主供电线路和辅助供电线路，主供电线路向电池组(2)供电，通过MCU(9)调节主供电线路的电流和电压，辅助供电线路向MCU(9)供电；所述电池组(2)和MCU(9)之间连接有一个温度传感器(18)，MCU(9)连接有风扇(15)，其特征在于包括以下充电步骤：

第1阶段，充电前期，通过温度传感器(18)和MCU(9)检测电池组(2)的初始端电压U₀和温度T检查、判断电池组(2)连接是否正常，如果连接不正常则通过MCU(9)将信号反馈至外接电源(10)使其停止输出，如果连接正常则进行充电，并经过MCU(9)预设定的Δt₁时间判断电池组(2)的放电情况；

第2阶段，充电至实际环境下满电状态，MCU(9)记录当第2阶段充电时间Δt后的电池温度T₂；记录的温度过高则启动风扇(15)为充电器散热；

第3阶段，根据第1、2阶段记录的电压、温度和充电时间预判需要补偿充电的时间，进行补偿充电；

第4阶段浮充阶段充电器对电池组(2)进行定时充电。

6.根据权利要求5所述的一种具有补偿效应的电动车电池充电装置的充电方法，其特征在于还包括以下子步骤：

第1阶段：接通外接电源(10)，MCU(9)数据初始化，检测电池组(2)的初始端电压U₀、温度T，若检测到U₀＞0，将初始端电压U₀记录入MCU；若检测到U₀≤0，则表示电池组(2)未与充电部(1)连接或者电池组(2)正负极反接，应检查电池组(2)连接是否正常，若重新连接正常，继续检测到U₀≤0，则MCU(9)反馈信号给外接电源(10)使其停止输出；

在经过MCU(9)预设定的Δt₁时间后检测电池组(2)端电压U₁，若检测到U₁＞U₀，则将数据保存入MCU(9)；若检测到电压U₁未变化，则检查充电部(1)与电池组(2)是否连接异常；

在MCU(9)内存储设定的标准端电压变化率V₀以及标准补偿充电时间Δt₀，所述的标准端电压变化率V₀是指在标准状况下对完全放电的电池组(2)进行充电，在Δt₁时间内端电压的变化率；所述的标准补偿充电时间Δt₀是指在标准状况下，对电池组(2)补偿充电的时间，K₀是指补偿充电容量与标准状况下放电容量Ce的百分比，即是偿充电容量C_Δt1＝Ce·K₀；

将保存入MCU(9)的电压U₀和U₁，计算Δt₁时间内电压变化率V₁；计算K₂＝V₁/V₀，若K₂＞1，则电池组(2)未完全放电或者电池容量衰减；若K₂＜1，则电池组(2)深度放电；

第2阶段：

充电初始化后，MCU(9)记录环境温度T₁和充电器内部温度T₃，当Δt时间后记录电池温度T₂，当温度差值ΔT及电流I超过设定值ΔT₀和I₀时，MCU(9)将信号反馈给主电源(11)通过电流调节器(13)和电压调节器(14)分别调节调节充电电流及充电电压，强制使其进入第4阶段以避免电池热失控现象发生；当温度差值ΔT及电流I均在设定范围内时，计算温度补偿系数K₁；若温度传感器(16)在充电部(1)内部时，记录的温度过高则启动风扇(15)为充电器散热；

第3阶段：

MCU(9)计算电池组(2)充满后容量C；电池组(2)充满电容量C可由第1阶段容量C₁和第2阶段C₂组成，C₂可视为常数，即C＝C₁+C₂；而初始容量C₀越高，第1阶段充入容量C₁越小，则可视作C₁＝I·t₁，I₁为第1阶段充电电流，t₁为第1阶段充电时间；

计算补偿容量ΔC＝f·C＝f·(I₁·t₁+C₂)，f是K₁和K₂综合计算的补偿系数；

根据补偿容量ΔC与调制的平均电流I，计算补偿充电时间Δt₂；

补偿充电阶段，MCU(9)将控制器信号反馈给主电源(11)调节充电电流(13)及调节充电电压(14)；

第4阶段：

补偿充电结束后，MCU(9)内部定时器设定浮充充电时间为Δt₃，经Δt₃停止对电池组2进行充电。

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