用於電能蓄電池的充電器的製作方法

2023-06-13 20:44:16 3

專利名稱:用於電能蓄電池的充電器的製作方法
本發明涉及一種用於可再充電型蓄電池的充電器，例如被用在電動車輛中的充電器。
現已知目前決定電驅動車輛的發展，特別是用於私人用途的最重要的因素之一在於它們的電源能夠提供最大的功率以便能夠行駛最大距離的能力。的確這些特徵值基本上決定了車輛的自身性能和它的行駛範圍。由於電源既可以包括一個由固定的充電器周期地充電的單個蓄電池，或在雙動力或多動力型汽車的情況下可以包括一個通過一個充電器與一個板熱力電源連接的蓄電池，所以人們理解適當地控制蓄電池的充電/放電周期是這種電動車輛的設計者們一直關心的。
在歐洲專利申請號0573832中由本發明的申請人公開了一種用於改進這種型式的蓄電池的充電周期的方法。在那個文件中公開的充電器能夠使蓄電池的最大充電容量的不均衡被補償。
為了這個目的，蓄電池的電池被分配在每個組至少包括一個電池的不同組中，每個電池組與其自己的充電電路連接，該充電電路由一個公共電源來供電。充電過程被分成兩個階段，在第一階段期間充電電路接收一個恆定密度的電流，而在第二階段期間實際上提供一個恆定的電壓。從當在每個蓄電池組上的端子上的電壓大於一個預定的參考電壓時的時刻產生從第一階段到第二階段的過渡。
因此，所有電池可以被充電到它們的最大容量，而不損害具有最低的最大充電容量的電池或電池組。
本發明的一個目的是提供一個可再充電的蓄電池充電器，該充電器是對上述簡單描述的充電器的一種改進和它能使蓄電池的充電速度被進一步地增加，並且能夠提供一個極好的整體輸出。
本發明涉及一個包括幾個電池或串聯連接的電池組的電能蓄電池充電器，該充電器包括一個通過一個電源為每個電池或每個電池組供電的充電電路，所述充電電路包括一個變壓器，變壓器的初級繞組接收從所述電源來的電力，其次級繞組通過一個整流器與蓄電池或相關的電池組連接，該充電器的特徵在於所述電源包括供電裝置，用於提供一個具有正弦波形的單向整流電壓，所述充電電路包括一個與所述供電裝置連接的回饋式變換器，並且所述充電器進一步包括用於檢測每個蓄電池或每個蓄電池組的電壓的裝置和用於控制與其相關的變換器振蕩的導通和關斷的裝置，以便作為由所述檢測裝置檢測的電壓值的一個函數。每個變換器包括所述變壓器和所述整流器和至少一個與所述變壓器的初級繞組串聯連接到所述供電裝置上的第一可控半導體元件。
由於這些特徵的結果，儘管在它們被製造時在它們的最大充電值中具有不均衡，蓄電池或蓄電池組都可以被充電到它們的最大值。此外，在放電過程中，本發明能夠使蓄電池電荷在所有的電池中被均勻地分布。
本發明的其它特徵和優點通過下面結合附圖僅作為例子所進行的描述將變得更明顯。

圖1和圖2表示根據本發明的一個可再充電蓄電池充電器的總電路圖，圖1和2分別是該總圖的一半。
在這些圖中，蓄電池1被表示為由一個或幾個蓄電池的一定數量的組，G1，G2…Gn所形成，例如E1-G1，E2-G1，E1-G2，E2-G2…E1-Gn，E2-Gn。例如，在此可以任意地選擇每組為兩個蓄電池的數量。的確，根據一般蓄電池使用標準可以隨意地選擇組的數量和每組蓄電池的數量，在此沒有必要進一步對它們進行解釋，同樣能夠理解本發明。
蓄電池E1-G1，E2-G1，E1-G2，E2-G2…E1-Gn，E2-Gn被串聯連接在一個正端2和一個負端3之間，其中正端是在一個正電位Ubatt，而負端位於地電位。然後，一個用於檢測電流強度的降壓電阻器4連接在蓄電池E2-Gn和地之間，該降壓電阻器4的作用將在下面被描述。
充電器包括一個通過端子6和7連接到一個交流電源(未示出)上的整流器5。在這種情況下，根據本發明的許多實際應用的一種應用，充電器裝配在一個電驅動電動車輛上，一個交流電源可以是公共供電系統，在該車輛上與公共供電系統對應的部分被固定以便對蓄電池進行充電。相反，如果它是一個裝備有一個由內燃機驅動的發電機的雙動力或多動力車輛，那麼交流電源可以是這個發電機。
整流器5包括一個在交流側與一個濾波器9連接的二極體整流橋8，濾波器9與端子6和7連接，在直流側上，二極體整流橋8與一個充電電容器10並聯連接。在充電電容器10的兩端上出現一個具有正弦波形的直流電壓。
整流器5的輸出端11與一個轉換開關13的固定極13a連接，該轉換開關13能夠使充電器的工作方式被變換。下面將解釋這個轉換開關13的作用。轉換開關13的移動觸點13c與一個半導體功率元件14的主通路的一端連接，例如該半導體功率元件14是一個IGBT元件。在本發明的最佳實施例中，這個通路的另外一端公共地與n個變壓器T1至Tn的初級繞組連接，也就是說變壓器的數量與蓄電池1的蓄電池組的數量是一樣的多。在另一個實施例中，這種形式的半導體元件可以分別地與每個初級繞組串聯連接。
根據所示的實施例，變壓器T1-Tn的初級繞組也分別地與可控矽晶閘管Th1-Thn的陽極連接，它們的陰極公共地與整流器5的端子12連接。
變壓器T1-Tn的次級繞組分別地與由整流器二級管D1-Dn和電容器C1-Cn組成的串聯電路並聯連接。在每個串聯電路中，在二極體和電容器之間的結點與蓄電池組的正電極15連接，而電容器和變壓器的次級繞組的連接點與蓄電池組的負電極16連接。例如，就組G2來說，二極體D2和電容器C2之間的結點與構成蓄電池E1-G2和E2-G2的正板的端子15連接，而在變壓器T2的次級繞組和電容器C2之間的連接點與構成蓄電池E1-G2和E2-G2的負極的端子16連接。應該注意的是與二極體D1和電容器C1之間的結點連接的端子15同時也是充電器的正輸出端。此外，構成蓄電池組Gn的負電極的端子16通過降壓電阻器4與變壓器Tn的次級繞組和電容器Cn之間的結點連接。
分別包括變壓器T1-Tn之中的一個變壓器、可控矽晶閘管Th1-Thn之中的一個可控矽晶閘管、二極體D1-Dn之中的一個電容器1、和電容器C1-Cn之中的一個電容器的電路與半導體功率元件14(對所有這些電路是公用的)一起構成許多變換器，由專家稱為「回饋式變換器」。在圖1和圖2中，已經分別給出了這些變換器總的參考符號CV1-CVn，並且在下面的描述中將把它們簡單地稱為「變換器」。
如能夠看到的，這些變換器是簡單設計並且保證一個有效的磁耦合，同時由一個公共的開關元件14來控制。每個變換器可以由它自己的可控矽晶閘管Th1-Thn來關斷。在供電側的情況下，變換器被串聯連接，僅在半導體功率元件14中流動的電流幅值中有一個變化，當可控矽晶閘管Th1-Thn關斷它們對應的變換器時，在這種情況下在其它變換器中的電流幅值保持不變化。因此，這些變換器相互不影響並且半導體功率元件的控制(導通間隔)與充電器的變換器的數量無關。
此外，應指出的是所有這些變換器可以電地和機械也相互被分離，以致於它們可以直接地與蓄電池組連接來供電。
在每個變換器CV1-CVn中，二極體D1-Dn可以是任何適合的矽型二極體。然而，最好是利用具有相對高的阻斷電壓的肖特基(Schottky)型二極體。
也應該指出的是電容器C1-Cn的作用是減少在蓄電池中流動的電流峰值。它們可以具有一個低的值。在一定的情況下，作為這些蓄電池的容性值的函數，甚至它們可以被完全地省略。
每個變換器CV1-CVn包括一個比較器電路COMP1-COMPn，它們用於監視由該變換器提供的蓄電池組的電壓。每個比較器接收從與其相關的蓄電池組來的電源。在這裡所示的實施例中，其中被設計用來精確地控制對蓄電池充電和放電的每個比較器電路COMP1-COMPn包括兩個比較器，它們把每個蓄電池組G1-Gn的電壓與兩個參考電壓相比較，即與全波充電值對應的第一較高參考電壓Us1，和與一個值對應的第二較低參考電壓Us2，在放電期間，在該值之後，一個給定的蓄電池組的充電必需通過其它蓄電池組的充電來補償。下面將描述利用這些參考電壓的過程。
這兩個參考電壓具有一個滯後量，該滯後量可以選擇相同的值，但它們必需至少補償相關蓄電池組的內部電阻。
應該指出每個比較器電路也可以監視蓄電池的其它運行參數，例如，把它的溫度與一個參考溫度相比較或把某個充電或放電周期與一個時間的參考周期相比較。這種型式的另一個實施例可以表示為除負載以外的蓄電池型式。也能夠使參考電壓Us1和Us2依賴於溫度，在該參考電壓上比較器電路起作用，為此目的可以利用合適的電阻器，而電阻器的電阻率是溫度的一個函數。
每個比較器電路COMP1-COMPn的輸出分別地與一個光耦合器OC1-OCn連接，它們確保比較器電路與位於電源側上充電器的部分電分離。
利用一個邏輯電路來確保充電器的操作控制，該邏輯電路包括至少在所示實施例中的一個適合編程的微處理器17和幾個具有AND邏輯功能的分立電路。然而，本領域裡的技術人員將理解由後者確保的功能也可以通過把它們編入到後者的程序中由微處理器17來進行，通過分立電路構成充電器的這種方式事實上最好是一個部分實施例。
在圖1和圖2中，微處理機17與接口18-1至18-5連接，通過該接口微處理機17與其它充電器部件聯繫。
接口18-1與一個用於檢測在端子6和7上出現的供電電壓的電路19。這個檢測電路19也與一個閾值電路20連接，該閾值電路20的輸出公共地與幾個AND門電路21-1至21n的一個第一輸入端連接，這些AND門電路分別地與變換器CV1-CVn相聯繫。閾值電路20使充電器在一個位於一個預定範圍之內的供電電壓上工作。
接口18-2與一個AND門電路22輸出端連接，該AND門電路22具有幾個分別與變換器CV1-CVn的光耦合器OC1-OCn連接的輸入端。AND門電路22包括另一個與一個脈衝寬度控制電路23連接的輸出端，一方面脈衝寬度控制電路23控制半導體元件14，另一方面，控制每個可控矽晶閘管Th1-Thn。
接口18-3與一個放大器24的輸出連接，該放大器的輸入端與一個降壓電阻器4連接。該放大器提供關於在蓄電池中流動的電流Ibatt的數據。相同的信號被提供給一個閾值檢測器25。
接口18-4與微處理機17連接，用於從微處理機17接收控制信號，該控制信號是由通過其它接口和由其它控制系統(在此沒有描述)提供給微處理機17的信號產生的。接口18-4提供一個信號給AND門電路26的第一輸入端，該AND門電路26在其另一輸入端上接收由閾值檢測器25提供的信號。AND門電路26的輸出端與光耦合器27連接，該光耦合器的輸出端與AND門電路21-1至21n的一個輸入端並聯連接。
接口18-5連接在微處理機17和充電器的端子2之間，用於傳送信號Ubatt。
AND門電路ET 21-1至21-n通過它們的一個輸入端與閾值電路20的輸出端連接。這些AND門電路的其它輸入端分別地與光耦合器OC1-OCn連接。它們的輸出端分別地與AND門電路28-1至28-n的一個輸入端連接，AND門電路28-1至28-n其它的輸入端分別地與AND門電路21-1至21-n的輸出端連接。AND門電路28-1至28-n其它的輸入端被連接在控制電路23的輸出端上。AND門電路28-1至28-n的輸出端分別地與可控矽晶閘管Th1-Thn的控制電極連接。
半導體功率元件14的控制電極與一個放大器29的輸出端連接，該放大器的輸入端也與控制電路23的輸出端連接。
最後，充電器的端子2與轉換開關13的固定觸點13b連接。A.蓄電池充電方式在這種方式中，轉換開關13位於「充電」位置，即，它的可動觸點13c位於固定觸點13a上。
在充電開始時，在由整流橋8提供的整流供電電壓的每半個周期期間，在由控制電路23提供的控制脈衝的整個持續時間上半導體功率元件14和可控矽晶閘管Th1-Thn一直導通。在這些條件下，這個電壓直接地提供給變換器CV1-CVn的變壓器T1-Tn的初級繞組。
在這些初級繞組中產生的電流以使它們的電感線性磁化的方式增加。由於在每半個周期期間半導體功率元件14的導通持續時間保持恆定，所以這些電流的幅值與供電電壓成正比並且電流的波形也是正弦波形直到半導體功率元件14不導通的時刻為止。濾波器9確保電壓諧波不能被反送給連接在端子6和7上的電源。而且，吸收的電流和電壓實際上是同相位的，以致於實際上無功分量不能使這個電源變化。
在半導體功率元件14的導通周期期間，在變壓器T1-Tn的初級繞組上的電壓被傳送給後面的次級繞組。然而，由於對應的初級繞組和次級繞組相反的繞組方向和由於對應的二極體D1和Dn的存在，所以沒有電流能夠在次級繞組中和在蓄電池中流動。當在由控制電路23提供一個控制脈衝的末端上半導體功率元件14不關斷時，在初級繞組中的電流突然地被中斷，它在次級繞組中感應出一個相反的電壓。這個電壓一直增加直到各個二極體D1-Dn開始導通為止。從這一時刻，在變壓器T1-Tn的磁路中聚積的功率被消耗在蓄電池的電池組G1-Gn中，在次級繞組中的電流實際上以一線性的方式減少直到零為止。在一個短的復位周期之後，在供電電壓的下半個周期期間這個過程能夠重複。
當它的電壓(端子15和16)達到第一參考電壓Us1時，對於每個電池組G1-Gn該過程結束。在這個時刻，這組的比較器電路，COMP1-COMPn，提供一個輸出信號給相應的AND門電路21-1至21n，該輸出信號是提供相應的光耦合器OC1-OCn提供的。AND門電路21-1至21-n將該信號傳送給與其連接的AND門電路28-1至28-n。從AND門電路28-1至28-n來的輸出信號使相關的變換器CV1-CVn不導通並且這組電池的充電暫時停止。
當所有的電池組已經達到等於第一參考電壓Us1的一個電壓和所有變換器被關斷時，微處理器17調整控制電路23以致充電電流此後被固定在一個低的電流密度上。通過減少由控制電路23提供的控制脈衝寬度可以產生這種情況。
由於充電方式被暫時地中斷，蓄電池組的電壓稍微地被降低，這是由公知的滯後現象引起的。在一個電池組的端子上電壓一降低到低於由對應比較器電路COMP1-COMPn固定的值，由於它的可控矽晶閘管Th1-Thn再次被導通，所以對應的變換器CV1-CVn就不被阻斷。因此，由上述變換器供電的充電組可以通過一個低強度的充電電流完成它的充電。在這組電池的內電阻的兩端上產生了一個低的電壓降，並且當最終的充電電壓(電壓Us1)再次被達到時，這個電池組的充電已經被增加。
當所有電池組已經再次達到一個與電壓Us1對應的電壓時，利用一個低的充電電流和低的強度該過程可以被重複幾次。每次重複的結果是所有蓄電池充電增加到它的最大容量，具有最大容量的電池也已經收到了他們的完整充電電平。
因此，可以看到，根據本發明的操作能夠使由於不可避免的機械公差引起的在蓄電池的容量中的不均衡被補償。總的充電持續時間與具有最大充電容量的電池組的充電持續時間相對應。B.蓄電池放電方式根據本發明特別有利的特徵，該充電器能夠使蓄電池的充電電平的補償在它們相互之間被進行，為此目的，可以利用與相對於充電方式已經描述的過程相同的過程來進行。
為了這個目的，在放電期間，轉換開關13被設置以致於它的移動觸點13c與它的固定觸點13b連接。在這些條件下，端子2的電壓被提供給半導體功率元件14以致於蓄電池本身能夠供電給變換器CV1-CVn。
充電電平補償實際的目的是降低當被製造時具有一個較低最大容量的蓄電池，並且由此明顯地增加容量。為了這個目的，本發明意圖是用某種方法把具有最大容量的電池容量轉入到具有最低容量的電池容量中。
因此，在放電方式期間，每個比較器電路COMP1-COMPn通過把與其相關的電池組的電壓與被固定在一個值上的參考電壓Us2相比較來監視相關電池組的電壓，在該固定的電壓值之後認為一組電池的充電應該由其它電池組的充電來補償。
如果在放電期間，一個給定組的電壓減少到低於電壓Us2，那麼與其相關的變換器CV1-CVn被導通，實際上它的可控矽晶閘管Th1-Thn被導通。除了此刻它是具有最大容量的蓄電池組之外，一個導通的變換器將以與在充電過程期間相同的方法操作，上述具有最大容量的蓄電池組將補償該組充電的缺少或補償用於操作變換器的蓄電池組的充電的缺少。
應該注意像應這樣一個有功變換器的變壓器磁路的激磁能量是從所有蓄電池中提取。然而，只要具有較低容量的電池數小於具有較大容量的電池數，在對應磁路(S)的去磁相位期間功率不提供給與導通交換器(S)連接的電池。
在所有充電電平之間一旦再次達到一個均衡狀態，所有變換器就被關斷，然後所有蓄電池組把功率提供給與蓄電池連接的損耗器。
在放電過程期間這個電流補償過程可以被重複幾次並且具有顯著的優點。首先，由於具有相對較低的最大容量的電池更慢地被放電並且達到對於蓄電池壽命的最小可允許容量，所以蓄電池所有明顯的最大容量是更高的。因此，對於所有電池來說該蓄電池更有規則地和更均勻地被放電。
因此，由於人們知道一般地一個蓄電池不應被完全地放電而被保持在一定的剩餘電荷上(從最大可能電荷的20-40％)，所以非常精確地監視這個最小允許電平是很重要的。例如對於具有非常頻繁的充電/放電循環的專門用途，例如電動車來說，這個要求是決定性的，由於本發明，特別是在所有蓄電池之間恆定均勻地放電，所以通過檢測蓄電池端子上的電壓Ubatt可以簡單地進行這個監視，該電壓是代表所有電池的充電電平的一個參數。
也應該注意的是固定在比較器電路COMP1-COMPn中的較低參考電壓Us2可以被用於容易地控制最小充電電平，人們希望把這個充電電平施加到蓄電池上。
本發明也能使蓄電池的狀態被監視。為了進行這個監視，微處理器17被編程以便對在放電狀態期間每個電池組與其相關的變換器連接的次數進行計數。這個數相對於用於其它電池組的數越高，上述電池組的質量將損壞的越大。
根據本發明設計的一個充電器僅作為例子可以包括下列元件整流橋8 Genera1 Instruments GBU8G變壓器T1-Tn Siemens，core ETD-49，N27，最大電感240mT半導體功率元件14 Mitsubishi IGBT，1200V，8A可控矽晶閘管Th1-Thn Texas Instruments 800V，4A二極體D1-Dn Schottky二極體30V，10A，反向峰值電壓35V光耦合器OC1-OCn27 Siemens ILCT6，DUAL比較器電路COMP1-COMPn LM339N，QUAD微處理器17 RISC Microchips 1651和1671
權利要求
1．包括幾個電池或串聯連接的電池組(G1-Gn；E1-G1，E2-G1，E1-G2，E2-G2，…E1-Gn-1，E2-Gn-1，E1-Gn，E2-Gn)的電能蓄電池充電器，該充電器包括一個通過一個電源(5，6，7)為每個電池或每個電池組供電的充電電路，所述充電電路包括一個變壓器(T1-Tn)，變壓器的初級繞組接收從所述電源來的電力，其次級繞組通過一個整流器(D1，C1，D2，C2…Dn1，Cn1，Dn，Cn)與蓄電池或相關的電池組連接，該充電器的特徵在於所述電源(5，6，7)包括供電裝置(8，9，10)，用於提供一個具有正弦形狀或波形的單向整流電壓，所述充電電路包括一個與所述供電裝置(8，9，10)連接的回饋式變換器(CV1-CVn)，並且所述充電器進一步包括用於檢測每個蓄電池或每個蓄電池組的電壓的裝置(COMP1-COMPn)和用於控制與其相關的變換器振蕩的導通和關斷的裝置(14，17，21-1至21n，23，28-1至28n，Th1-Thn)，以便作為由所述檢測裝置檢測的電壓值的一個函數，每個變換器(CV1-CVn)包括所述變壓器(T1-Tn)和所述整流器(D1-Dn，C1-Cn)和至少一個與所述變壓器(T1-Tn)的初級繞組串聯連接到所述供電裝置(8，9，10)上的第一可控半導體元件(14)。
2．根據權利要求
1的充電器，其特徵在於所述每個變壓器(T1-Tn)的初級繞組被串聯連接在所述第一可控半導體元件(14)和一個第二可控半導體元件(Th1-Thn)之間，並它們與所述供電裝置(8，9，10)串聯連接。
3．根據權利要求
2的充電器，其特徵在於所述第一可控半導體元件(14)對於所有變換器(CV1-CVn)是公用的。
4．根據權利要求
1-3中的任一個充電器，其特徵在於該充電器也包括開關裝置(13)，用於在所述蓄電池的充電方式期間使所述變換器(CV1-CVn)與所述供電裝置(8，9，10)連接，在它的放電期間使變換器(CV1-CVn)與蓄電池的端子的一端連接。
專利摘要
該充電器包括一個用於每個蓄電池或每個蓄電池組的充電電路。每個充電電路包括一個由提供一個連續的正弦波電壓的電源(5-12)供電的回饋式變換器(CV1)。每個變換器包括一個變壓器(T1)，變壓器的初級繞組被串聯連接在兩個可控半導體(14和Th1)之間的電源上。變換器(CV1)振蕩的導通和關斷被控制為蓄電池的電壓或蓄電池組(1)的電壓的函數。該裝置能使在製造時蓄電池具有的最大充電中的不均衡被補償。
文檔編號H02J7/00GKCN1066291SQ96110932
公開日2001年5月23日 申請日期1996年6月14日
發明者A·韋津尼 申請人:Smh管理服務有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2),