CN109228959A - 具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***，属于电动自行车技术领域，包括服务器以及智能充电器，所述智能充电器包括微控制器以及与所述微控制器相连的交流开关、可调直流电源、充电控制开关、电压采集模块、电流采集模块、数据传输模块以及液晶显示模块。另外，本发明还提供了一种基于上述充电***的电动自行车电池的充电方法。本发明的有益效果是：能够采集充电过程电池电压、充电电流、电池温度、环境温度等充电状态信息，并将所测数据通过无线方式上送到后台服务器，由后台服务器依据电池充电数据，估测电池荷电状态和电池实际容量等信息，能够匹配不同型号电池，自动调整充电参数，解决了电动自行车充电器不能通用的问题。

Description

具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***及充电方法

技术领域

本发明属于电动自行车技术领域，具体涉及一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***及充电方法。

背景技术

普通充电器只能适用于固定型号的电池，如果充电器与电池信号不匹配，则可能导致电池无法充电或者严重过充，甚至造成电池起火***。常规充电器的充电参数是按照新电池参数调校的，随着在使用过程中电池的老化，会出现电池的内阻增大、容量下降、充电尾电流增加等参数变化，会造成充电器不能及时由均充状态转为浮充状态，也会造成电池严重过充甚至引起火灾。经调查，电动自行车引起的火灾事故案例中超过80％是在夜间充电时发生的，很多电动自行车用户主要在夜间进行充电，普通充电器不能在电池充满后自动断电，大大增加了电池过充起火的隐患。此外，普通充电器还没有温度补偿功能，容易造成冬季欠充夏季过充，且对充电过程中电池温度异常，没有保护功能。常规充电器没有硬件自检功能，如果限流或限压电路器件损坏很可能造成安全事故。普通充电器显示充电状态只有充电指示灯和充满指示灯，用户无法获得详细充电数据，没有与用户实现信息的交互。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有防火防爆功能的具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***及充电方法，通过对所要充电的电池参数进行识别并根据识别情况制定相应的充电策略，可以有效延长电池寿命、防止过充过热，防止电池起火***。用户可以通过手机APP与服务器或者充电器对电池的状态以及充电状态进行查看。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***，包括服务器以及智能充电器，其特征在于，所述智能充电器包括微控制器以及与所述微控制器相连的交流开关、可调直流电源、充电控制开关、电压采集模块、电流采集模块、数据传输模块以及液晶显示模块。

本发明还提供了一种基于上述充电***的电动自行车电池的充电方法，包括以下步骤：

步骤A、将电池与智能充电器相连接，连接后所述智能充电器识别所要充电的电池的参数并将获得的参数传输至服务器，所述服务器将获取的参数与电池参数数据库中的数据进行匹配并找到最接近的匹配项然后将匹配项对应的充电数据传输至智能充电器；

步骤B、智能充电器获取并按照充电数据对电池进行充电，充电完成后对电池断电。

本发明的有益效果是：1、能够采集充电过程电池电压、充电电流、电池温度、环境温度等充电状态信息，并将所测数据通过无线方式上送到后台服务器，由后台服务器依据电池充电数据，估测电池荷电状态和电池实际容量等信息，能够匹配不同型号电池，自动调整充电参数，解决了电动自行车充电器不能通用的问题，防止因充电器与电池不匹配导致电池起火等安全隐患；2、具有漏电流保护功能：充电过程中，交流电源部分检测到漏电流超上限，则控制交流侧开关自动关断交流电源，保证用户人身安全；3、具有防过充、防过压、防过流和防过热等防护功能，电池充满后能够自动断电，保证电池充电过程安全；4、具有充电电压温度补偿功能，保证电池不过充，不欠充，失水少，延长电池使用寿命；5、用户可用过配套的手机APP查看电动自行车充电过程中电池电压、充电电流、电池温度、环境温度、电池荷电状态、本次充电曲线，当前充电进度和预计充满时间，以及电池实际最大容量等信息，对充电过程心中有数；6、硬件自检功能，能够检测各功能模块工作状态是否正常，如发生硬件故障，充电器可通过蓝牙和GPRS/4G上送故障信息，应急自检包括可调直流电源自检，充电控制开关自检，温度采集模块自检，电压采集模块自检，电流采集模块自检等，保证智能充电器及时发现故障，保障充电安全，如监测到硬件异常，会自动停止充电并将异常信息发送至手机APP。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***的原理图；

图2是本发明具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***中智能控制器的控制原理图；

图3是本发明电动自行车电池的充电方法的步骤A中电池参数识别的流程图；

图4是不同规格电池电荷状态-电压关系曲线示意图；

图5是电动自行车电池的充电方法的步骤B充电过程中的充电控制示意图。

在附图中：1是微控制器，2是交流开关，3是可调直流电源，4是充电控制开关，5是电压采集模块，6是电流采集模块，7是数据传输模块，8是液晶显示模块，9是电池温度和环境温度采集模块，10是电池，大箭头代表电源线，小箭头代表控制线。

具体实施方式

参见附图1和2，本发明提供了一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***，包括服务器以及智能充电器，智能充电器包括微控制器1以及与微控制器1相连的交流开关2、可调直流电源3、充电控制开关4、电压采集模块5、电流采集模块6、数据传输模块7、液晶显示模块8以及述微控制器1相连的电池温度和环境温度采集模块9。

本***中还可以包括内置有配套手机APP的手机，通过手机APP可以实现与服务器或者智能充电器的数据通信查看当前电池电压、充电电流，历史充电曲线，预计充满所需时间等信息。上述的数据传输模块7可以是蓝牙模块、以太网模块、4G模块、GPRS模块中的一种或几种。

服务器为电池参数识别和电池充电策略提供数据处理服务。后台服务器包含市场上电动自行车适用电池常见型号特性参数数据库、用户信息数据库，具有用户信息管理和用户充电数据处理等功能。

市电经过漏电流传感器和交流开关2，连接到可调直流电源3。微控制器1控制可调直流电源3输出与电池10匹配的电压值。直流电压通过充电控制开关4后由充电接头引出，充电接头处连接电压采集模块5和电流采集模块6。电池温度和环境温度采集模块9中的电池负极温度传感器紧贴充电接头负极插针，环境温度传感器安装在充电器机壳外侧。

本发明还提供了一种基于上述的具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***的电动自行车电池的充电方法，其包括以下步骤：

步骤A、将电池10与智能充电器相连接，连接后智能充电器识别所要充电的电池10的参数并将获得的参数传输至服务器，服务器将获取的参数与电池参数数据库中的数据进行匹配并找到最接近的匹配项然后将匹配项对应的充电数据传输至智能充电器。

由于电动自行车电池组额定电压在24V～60V之间，容量在10Ah～38Ah之间，因此可以在服务器内建立电池参数数据库，存储在服务器中的电池参数数据库中包括多组电池数据参数，每组电池数据参数包括额定电压、电池容量、电池荷电状态SOC值、最大充电电压、最大充电电流。

在此步骤中所要充电电池10的参数识别包括以下步骤：参见附图3和4，

步骤(1)、建立典型电池模型函数获取电池电压u与电池负极温度T并传输至服务器，

其中，u为实测电池电压，范围在0～80V之间，U为额定电池电压，包括24V、36V、48V、60V四种电压，SOC为当前电池荷电状态，范围在0～100％之间，T为电池负极温度，i为实测充电电流，范围在0～10A之间，τ为设定的充电时长，C为电池容量，范围在10Ah～38Ah之间；

步骤(2)、服务器将获得的数据与电池参数数据库内的数据进行比较，得到初步电池参数的一组可能解{u₀,T₀,U₁,SOC₁,C₁}，{u₀,T₀,U₂,SOC₂,C₂}，……，{u₀,T₀,U_n,SOC_n,C_n}；

步骤(3)、智能充电器(B)以电流i进行充电，充电时长τ后停止充电，检测充电停止时刻电池电压u₁和电池负极温度T₁并传输至服务器；

步骤(4)，服务器获得数据后计算SOC变化值ΔSOC得到一组可能解：{u₁,T₁,U₁,SOC₁+ΔSOC₁,C₁}，{u₁,T₁,U₂,SOC₂+ΔSOC₂,C₂}，……，{u₁,T₁,U_n,SOC_n+ΔSOC_n,C_n}，

其中u₁满足

步骤(5)、重复N次步骤(3)和(4)得到n组电池参数解集

步骤(6)、计算实测电压值与参数模型计算值的残差平方和

然后求n组解集中残差平方和SSR最小的解，得到与典型电池模型曲线拟合度最佳解{U,SOC,C}，即得到当前电池的参数(额定电池电压值，当前电池荷电状态值，电池容量)，其中电池电压实测值为u_M(M＝1～N)电池模型预测值u′_M＝f_m(U_m,SOC_m+M*ΔSOC_m,T_m)(M＝1～N,m＝1～n)。

步骤B、智能充电器获取并按照充电数据对电池10进行充电，充电完成后对电池10断电。在充电的过程中通过液晶显示模块显示当前的充电参数。

参见附图5，对电池10充电的过程包括恒流均充阶段、恒压均充阶段和间歇充电阶段。更具体地，首先以I_MAX恒流均充方式进行充电，当充电电压升高到U_MAX后，保持充电电压不变，进入恒压均充阶段并开始计时，其中I_MAX＝0.15C～0.3C，U_MAX＝1.20U～1.30U。进入恒压均充阶段后，当检测到充电电流I_C1在0.03C～0.04C间或者恒压均充持续时间超过T₁后，停止充电，进入间歇充电阶段并开始计时，其中T₁＝2h～6h。进入间歇充电阶段后，实时监测电池电压，当充电电压大于U_MAX时，停止充电，当电池电压下降到U_C后，开始以电流I_C2恒流充电，如此循环，其中，U_C＝1.10U～1.15U，I_C2＝0.04C～0.1C，间歇充电阶段持续时间T2为0.5h～3h，时间到后停止充电。

在上述的充电过程中实时采集环境温度T和电池充电接头位置温度T_BAT，并根据所检测到的电池温度T_BAT，自动修正最大充电电压值U_MAX(T)，其中，U_MAX(T)＝k₁(T-25)U₂₅，U_MAX(T)表示在电池温度为T时，电池最大充电电压值，T在-10℃～55℃之间，k₁为电池温度补偿系数，取值在-0.1％/℃～-0.3％/℃之间，U₂₅表示在电池温度为25℃时，电池最大充电电压值。

充电过程中依据电池温度T_BAT、限流温差门槛ΔT_MAX以及电池温度T_BAT与环境温度T的差值ΔT实时调节充电电流，当检测到电池温度T_BAT与环境温度T的差值ΔT大于ΔT_MAX1时，调节充电电流为I_n+1＝k₂(ΔT-ΔT_MAX1)I_n；当检测到电池温度升温速度超过ΔT_MAX2/s则减小充电电流至I_n+1＝k₃*I_n，其中，ΔT_MAX1取值范围为5℃～10℃之间，I_n为当前充电电流，I_n+1为调节后充电电流，k₂为调节系数并且电池温度T_BAT采样周期为1s～5s之间，k3为调节系数，取值范围为0.5～0.8之间，ΔT_MAX2取值范围在3℃～5℃之间。

充电过充中具有多级温度保护功能。充电过程中当检测到电池温度T_BAT低于充电低温门槛T_MAX1或高于过热停止充电门槛T_MAX2时，停止充电；当电池温度T_BAT与环境温度T的温差ΔT大于温差门槛ΔT_MAX3时停止充电并上报温差越限告警，检测电池温升速度超过ΔT_MAX4/s则立即停止充电，并产生声光报警，其中T_MAX1取值范围在-20℃～-10℃之间，T_MAX2取值范围在55℃～65℃之间，ΔT_MAX3取值范围在15℃～20℃之间，ΔT_MAX4取值范围在5℃～10℃之间，电池温度T_BAT采样周期为1s～5s。

首次充电完成后，服务器自动为该电池10建立用户电池数据库。用户可通过手机APP设置电池编号，如1#电池、2#电池等等。建立用户电池数据库后，可以加快充电器识别电池参数的速度，特别适用于一个家庭有多个电动自行车的情况。

在对电池10充电时往往会出现充电不足或者过度充电的情况。当充电不足时电池内活性硫酸铅未能完全转化，电池放电容量逐渐减少，如果长期充电不足，则会造成极板硫酸盐化，电池寿命缩短。当电池过充时，电池内水分子被电解为氢气和氧气，氧气在电池负极被极板吸收，造成电池负极温度升高，电解液失水造成电池干涸失效。

本发明中在对该电池10建立数据库后，步骤B中采用周期性激活的充电方式对该电池10进行充电。即：在正常充电时，为避免电池过充，每次只能充到电池容量C的97％～99％。在激活充电时，会对电池进行适量过充(如120％C)，以少量失水为代价，以此避免电池硫酸盐化，延长电池循环寿命。每经过n次正常充电后，进行一次激活充电，n为最佳经验值。

本发明智能充电***能够自动检测电池参数，可适用于不同型号的电动自行车电池。采用智能充电策略，电池充满后能够自动断电，防止长时间充电导致电池过充和失水，延长电池循环寿命。具有充电电压温度补偿功能，保证电池不过充，不欠充，失水少。可以实现与用户的信息交互，便于用户查看电池10的状态。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***，包括服务器以及智能充电器，其特征在于，所述智能充电器包括微控制器(1)以及与所述微控制器(1)相连的交流开关(2)、可调直流电源(3)、充电控制开关(4)、电压采集模块(5)、电流采集模块(6)、数据传输模块(7)以及液晶显示模块(8)。

2.根据权利要求1所述的具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***，其特征在于，所述智能充电器还包括与所述微控制器(1)相连的电池温度和环境温度采集模块(9)。

3.一种电动自行车电池的充电方法，基于权利要求1或2所述的具有防火防爆功能的电动自行车智能充电***，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、将电池(10)与智能充电器相连接，连接后所述智能充电器识别所要充电的电池(10)的参数并将获得的参数传输至服务器，所述服务器将获取的参数与电池参数数据库中的数据进行匹配并找到最接近的匹配项然后将匹配项对应的充电数据传输至智能充电器；

步骤B、智能充电器获取并按照充电数据对电池(10)进行充电，充电完成后对电池(10)断电。

4.根据权利要求3所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，在步骤A中所要充电电池(10)的参数识别包括以下步骤：

步骤(1)、建立典型电池模型函数

获取电池电压u与电池负极温度T并传输至服务器，

其中，u为实测电池电压，范围在0～80V之间，U为额定电池电压，包括24V、36V、48V、60V四种电压，SOC为当前电池荷电状态，范围在0～100％之间，T为电池负极温度，i为实测充电电流，范围在0～10A之间，τ为设定的充电时长，C为电池容量，范围在10Ah～38Ah之间；

步骤(2)、服务器将获得的数据与电池参数数据库内的数据进行比较，得到初步电池参数一组可能解{u₀,T₀,U₁,SOC₁,C₁}，{u₀,T₀,U₂,SOC₂,C₂}，……，{u₀,T₀,U_n,SOC_n,C_n}；

步骤(3)、智能充电器(B)以电流i进行充电，充电时长τ后停止充电，检测充电停止时刻电池电压u₁和电池负极温度T₁并传输至服务器；

步骤(4)，服务器获得数据后计算SOC变化值ΔSOC得到一组可能解：

{u₁,T₁,U₁,SOC₁+ΔSOC₁,C₁}，{u₁,T₁,U₂,SOC₂+ΔSOC₂,C₂}，……，{u₁,T₁,U_n,SOC_n+ΔSOC_n,C_n}，

其中u₁满足

步骤(5)、重复N次步骤(3)和(4)得到n组电池参数解集

步骤(6)、计算实测电压值与参数模型计算值的残差平方和

然后求n组解集中残差平方和SSR最小的解，得到与典型电池模型曲线拟合度最佳解{U,SOC,C}，

其中电池电压实测值为u_M(M＝1～N)

电池模型预测值u′_M＝f_m(U_m,SOC_m+M*ΔSOC_m,T_m)(M＝1～N,m＝1～n)。

5.根据权利要求3所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，存储在服务器中的电池参数数据库中包括多组电池数据参数，每组电池数据参数包括额定电压、电池容量、电池荷电状态SOC值、最大充电电压、最大充电电流。

6.根据权利要求3所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，在步骤B对电池充电的过程包括恒流均充阶段、恒压均充阶段和间歇充电阶段，并且依据权利要求5所述的电池数据参数自动调整充电状态和充电参数；

首先以I_MAX恒流均充方式进行充电，当充电电压升高到U_MAX后，保持充电电压不变，进入恒压均充阶段并开始计时，其中I_MAX＝0.15C～0.3C，U_MAX＝1.20U～1.30U；

进入恒压均充阶段后，当检测到充电电流I_C1在0.03C～0.04C间或者恒压均充持续时间超过T₁后，停止充电，进入间歇充电阶段并开始计时，其中T₁＝2h～6h；进入间歇充电阶段后，实时监测电池电压，当充电电压大于U_MAX时，停止充电，当电池电压下降到U_C后，开始以电流I_C2恒流充电，如此循环，其中，

U_C＝1.10U～1.15U，I_C2＝0.04C～0.1C，间歇充电阶段持续时间T2为0.5h～3h，时间到后停止充电。

7.根据权利要求3-6任一项所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，在充电过程中实时采集环境温度T和电池充电接头位置温度T_BAT，并根据所检测到的电池温度T_BAT自动修正最大充电电压值U_MAX(T)，其中，U_MAX(T)＝k₁(T-25)U₂₅，U_MAX(T)表示在电池温度为T时，电池最大充电电压值，T在-10℃～55℃之间，k₁为电池温度补偿系数，取值在-0.1％/℃～-0.3％/℃之间，U₂₅表示在电池温度为25℃时电池最大充电电压值。

8.根据权利要求7所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，充电过程中依据电池温度T_BAT、限流温差门槛ΔT_MAX以及电池温度T_BAT与环境温度T的差值ΔT实时调节充电电流，当检测到电池温度T_BAT与环境温度T的差值ΔT大于ΔT_MAX1时，调节充电电流为I_n+1＝k₂(ΔT-ΔT_MAX1)I_n；当检测到电池温度升温速度超过ΔT_MAX2/s则减小充电电流至I_n+1＝k₃*I_n，其中，ΔT_MAX1取值范围为5℃～10℃之间，I_n为当前充电电流，I_n+1为调节后充电电流，k₂为调节系数并且电池温度T_BAT采样周期为1s～5s之间，k3为调节系数，取值范围为0.5～0.8之间，ΔT_MAX2取值范围在3℃～5℃之间。

9.根据权利要求8所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，充电过程中当检测到电池温度T_BAT低于充电低温门槛T_MAX1或高于过热停止充电门槛T_MAX2时，停止充电；当电池温度T_BAT与环境温度T的温差ΔT大于温差门槛ΔT_MAX3时停止充电并上报温差越限告警，检测电池温升速度超过ΔT_MAX4/s则立即停止充电，并产生声光报警，其中T_MAX1取值范围在-20℃～-10℃之间，T_MAX2取值范围在55℃～65℃之间，ΔT_MAX3取值范围在15℃～20℃之间，ΔT_MAX4取值范围在5℃～10℃之间，电池温度T_BAT采样周期为1s～5s。