一體化蓄電池充放電過程自適應測控系統的製作方法

2023-04-22 19:06:36

專利名稱：一體化蓄電池充放電過程自適應測控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通用一體化蓄電池充放電過程自適應控測系統。特別是涉及一種根據電動車蓄電池組完整生命周期內多變量的實時狀態，動態調控電源適配器、負載功率控制器工作在相應的優化狀態，使應用實例具有更完善安全、保護功能的一體化蓄電池充電和放電過程自適應控測系統。
背景技術：
蓄電池組體溫、荷電狀態、電解液濃度、隔板液體飽和度、極板活性物質的微觀結構等隨時都在發生著變化，特別是在惡劣的使用環境下，如公知電動車充電和放電過程的關鍵控制參數，偏離其充電器、負載功率控制器的設計值甚遠。我們以一年為周期考察電動車可能的工作環境溫度，其變化範圍可達負30至55攝氏度，這意味著蓄電池組的體溫變化可能達80攝氏度之巨。由於蓄電池組的物理性質所致，適宜充電電壓必然隨其體溫發生顯著的改變，具體數據後文給出。由於公知電動車的蓄電池充、放電過程控制採用固定參數的技術模式設計、製造，這必然導致充電、放電電壓嚴重偏離最佳值，不僅浪費了大量能源，還直接導致蓄電池組因過充、欠充、過放電而迅速報廢。特別是面向消費者使用的蓄電池組一旦售出，很難得到專業的技術支持、維護。因此，即使長期處於極不適當的充電、放電狀態，由於難以直觀發現存在的問題，用戶自然毫不知情，導致蓄電池的使用壽命與設計壽命雖然差距巨大，卻被長期隱藏，甚至連專業人員也習以為常。由於蓄電池組在電信、銀行、各種電動車輛等其他行業的使用十分廣泛，我們已為此付出了巨大的社會成本和環境成本！公知電動車充電系統採用外置充電器的技術結構，這樣做雖然能夠避開各個國家推行的家用電器強制安全認證，卻使許多用戶只得隨車攜帶外置充電器，雖然不十分不便， 也能實現部分用戶移動充電的需求。但是，由於其是非抗震、室內應用設計，車體震動極易造成外置充電器損壞，一旦進水、結露還有很大的安全隱患。由於對蓄電池組充電原理認識上的錯誤，普遍把充電器的功率做得儘量小，唯恐把蓄電池組充壞，卻忽視、迴避了由於外置充電器不能適應蓄電池組完整生命周期內多變量的線性和非線性的變化，導致充電、放電過程嚴重偏離了最佳值，這才是外置充電器，功率控制器成為蓄電池組隱形殺手的關鍵因素。公知電動自行車外置充電器與蓄電池連接的插頭、插座，大多採用國際通用 110V/220V交流市電的電源接口代用，雖然能降低成本、方便更換，卻顯然違背基本的安全設計原則，存在許多重大安全隱患！如可能將交流市電的高壓電源插頭直接與蓄電池的低壓直流電相連等！對廣大消費者的安全、財產構成威脅。由於國際上很難接受這種不規範的電源接口設計，嚴重製約了電動車的推廣應用。利用通用的110V/220V市電電源為電動車隨處快速充電，可無限擴展電動車的騎行半徑，外置充電器卻帶來了電源接口的混亂和重大安全隱患。
同樣，蓄電池電量顯示裝置也應根據蓄電池體溫變化做出相應的矯正，只有這樣， 才能正確顯示蓄電池荷電狀態、剩餘電量，避免誤導管理、駕乘人員。公知電動車的負載功率調控、管理部分的安全、保護功能也存在嚴重技術、設計缺陷。例如車速調控機構的腳踏車速調控器或手控轉把式車速調控器的接地線一旦開路或輸出線與電源線短路，電動車立即進入失控的最高車速狀態運行，也即俗稱的飛車！對兒童、老年及不熟練的駕乘人員的生命財產構成潛在威脅！在某些類型的電動車輛上設置有自鎖手剎車機構，用於停車時避免車輛的滑行， 許多情況下由於不熟悉操作步奏、健忘、突發緊急事由等其他因素，正常行駛前忘記了釋放自鎖手剎車機構，導致車輛在剎車狀態運行，不僅浪費大量電能，時間一長，很可能損壞剎車機構，帶來安全隱患。因此，用戶迫切需要一種質量可靠、價格低廉的能夠確保蓄電池組完整生命周期內始終處於優化充電、放電、蓄電池體溫、荷電狀態超限保護、剩餘電量顯示等，使各種應用實例具有更完善安全、保護功能的一體化蓄電池充電和放電過程自適應測控系統。

發明內容
本發明以公知電動車鉛酸蓄電池組的充電、放電過程測控系統存在的種種缺陷為例，提出了經長期實驗研究，可通用於發光二極體照明系統、備用電源系統、艦船電源系統、 汽車電源系統、太陽能蓄、供電系統等其它應用環境、場合的蓄電池完整生命周期內充電、 放電過程自適應測控、管理系統的技術實現方法。傳統鉛酸蓄電池組，在幾十年以前就可以輕鬆實現1500——2000次深循環，浮充使用壽命可長達15年 20年(詳見機械工業出版社出版的《鉛酸蓄電池製造與過程控制》 一書，第一章第12頁，而目前好的(尤其是電動自行車應用)閥控式密封鉛酸蓄電池組的實際深循環使用壽命，只能達到三百多次，其它應用環境、場合的情況也大多如此。請注意是現場應用環境、場合中的實際使用壽命，而不是實驗室特定條件下的測試結果。這兩者的差距很大！長期以來，由於電動車等其它應用環境、場合蓄電池的實際使用壽命和設計壽命相比，存在巨大的差距，始終沒有得到有效的解決，使電動車蓄電池成為公認的電動車上價值最高、用戶抱怨最強烈的易損件。負載功率過程控制部分的安全、保護功能也存在嚴重技術、設計缺陷，整車電路布局不合理造成易浸水、浪費大量銅線、檢修複雜、困難、顯著增加了安全隱患。為解決蓄電池及其相關電路在上述公知電動車等其它應用環境、場合存在的許多重大安全隱患和蓄電池的實際使用壽命與設計壽命存在巨大差距的技術難題。本發明提出具有測控模塊、蓄電池組、電源適配器、負載功率控制器、一體化密封、散熱結構的一體化蓄電池完整生命周期內充電、放電過程自適應測控系統的技術實現方法。下文結合附圖闡述本發明內容。請參見附圖1、附圖2、附圖3、附圖4、附圖5、附圖6、附圖7。自適應充放電模式研究發現，目前公知電動車等其它應用環境、場合廣泛採用的各種多階段型蓄電池充電器、充電裝置，都不能擺脫恆流、恆壓、浮充的充電過程，由於恆流、恆壓、浮充充電過程中各階段轉換的判斷依據是蓄電池組的端電壓！而且都是固定不變的一個電壓點值 (包括各種智能型脈衝充電器)。例如在電動車可能的工作環境內，我們以一年為周期考察，蓄電池組體溫年變化周期的最高溫差可達80攝氏度之巨，在年體溫變化周期上，還疊加有變化明顯的日體溫變化周期。由於蓄電池組的充、放電過程是電化學反應，其端電壓對溫度非常敏感(詳見人民郵電出版社出版的《充電器電路設計與應用》一書，第一章第50頁等)。因此，多階段型蓄電池充電器輸出的電壓、電流、充放電比不能適應蓄電池組完整生命周期內，因內部微觀結構和外部環境溫度變化引起的線性和非線性的端電壓變化，使充電電壓嚴重偏離了最佳值，是導致蓄電池的實際使用壽命和設計壽命相比，存在巨大差距的決定性因素。尤其是在移動基站、電摩、電動汽車、牽引車、叉車、公交車、遊覽車等更多蓄電池組串聯的大功率應用中，更成為限制性因素。以60V蓄電池組為例同樣的蓄電池荷電狀態，蓄電池過放電保護電壓值年變化周期內的最高偏差值可達7200mv以上，而公知電動車蓄電池的欠壓保護值是固定不變的 52. 5V，這不僅導致夏季因蓄電池的欠壓保護值過高，不能完全放電，限制了續行裡程。到冬季因蓄電池的欠壓保護值又過低，直接導致蓄電池組嚴重過放電而迅速報廢！因此，蓄電池充、放電過程的端電壓控制曲線，應跟隨內部微觀結構和外部環境溫度變化引起的線性和非線性的端電壓變化，做出相應的校正！公知的恆壓浮充、恆流浮充只有在嚴格的實驗室條件下才能夠實現單格蓄電池析氣與板柵腐蝕的微弱平衡，在多蓄電池組串聯應用中，由於各單格蓄電池參數的離散性、充電產生的極板溫差梯度等因素引起的浮充電壓在極板不同區域的偏差，使部分單格蓄電池析氣與板柵腐蝕的平衡幾乎不可能實現。為確保蓄電池處於充分充電狀態，公知充電制度規定了偏高的浮充電壓，而長期偏高的浮充電壓會加速正極板柵腐蝕與電解液損失，這更強化了各單格蓄電池參數的離散性，導致部分單格蓄電池提前報廢。在蓄電池組的完整生命周期內，還有其它許多非線性因素導致蓄電池組充電過程端電壓控制曲線的不確定性。例如在蓄電池組生命周期的後期，由於不可避免的析出損失，隔板液體飽和度的明顯改變，在隔板中逐漸形成了氧循環快速通道，使氧循環效率增強，在充電過程後期，閥控式密封鉛酸蓄電池組的大部分負極幾乎被氧氣包圍，其濃度比富液式蓄電池高几個數量級。於是，所有的浮充充電電流被溫度較高部位負極的氧循環所消耗，致使溫度較低部位極板活性物質長期處於欠充電的狀態，這將不可避免地引起負極容量的持續、快速損失。氧循環消耗的大量電能將白白地轉化成熱量，過高的熱量在產生了許多副作用的同時，更增強了這種惡性循環，此時再簡單地增加過充電量的百分數只能產生更多的副作用，甚至發生熱失控！蓄電池組隔板、玻璃棉、極板活性物質微觀結構的隨機梯度、非線性、永久性的改變等其它因素導致蓄電池組充放電過程的端電壓控制曲線的不確定性，這裡就不展開討論了。一般邏輯思維認為一個產品的壽命是其製造材料、設計參數和工藝條件決定的。 例如蓄電池組的有效容量和壽命，應該由板柵合金的成分、鉛膏的配方、極板的厚度、正、 負極活性物質的多少、電解液的濃度、放電速率、放電深度、原材料的純度、正、負極板的化
6成工藝、生產過程的質量控制等條件決定的。而實際應用中卻發現，是充電、放電模式決定了蓄電池組的有效容量和實際使用壽命，尤其是對閥控式密封鉛酸蓄電池組的有效容量和實際使用壽命更是關鍵。是的，好的材料、設計參數和工藝條件可能使蓄電池組的有效容量和實際使用壽命增加一定的百分數，這毫無疑問只是增加了潛在的設計壽命。實驗證明，由測控模塊根據蓄電池組完整生命周期內不斷變化的多變量實時測控數據，動態調控電源適配器、負載功率控制器工作在自動優化狀態的自適應充電、放電模式，可以成倍延長蓄電池組的實際使用壽命！並實現快速充電。如應用於發光二極體照明系統、銀行、電信的備用電源系統、艦船電源系統、汽車電源系統、太陽能蓄、供電系統等其它實施場合時，只需把電源適配器和負載功率控制器做針對性的組合，即可組成相應的自適應蓄電池充電和負載功率調控、過程管理系統。例如備用電源系統的電源適配器可以是內燃機發電機、水力發電機、太陽能電池板等等電力源。其負載功率控制器的負載可以是發光二極體照明系統、輸配電電網等等負荷；汽車電源系統的電源適配器可以是車載發電機， 其負載功率控制器的負載可以是燈光、空調、汽車啟動電機等。如此繁多的電源適配器、負載功率控制器、蓄電池組及其應用場所，不論功率大小、容量高低，從測控原理、充電、放電過程優化控制上考察並沒有本質的差別，都適合應用自適應充電、放電模式進行升級改造。 請參見附圖1。本發明的自適應充電模式是在充電過程的前期，測控模塊根據蓄電池組可接受電流變化曲線，協同電源適配器輸出連續大電流快速充電，當達到經蓄電池體溫變化動態矯正的蓄電池組荷電狀態的預定值時，轉為自適應充電過程後期，在自適應充電過程的後期充電脈衝的寬度、周期在大範圍內連續變化，使電源適配器輸出的平均功率，以長周期、強電流、窄脈衝的高能量猝發模式充電，並持續跟蹤蓄電池組最大適宜接受功率的變化曲線。 這樣在蓄電池組完整生命周期內，始終確保蓄電池組在最優化充電狀態，在最短的時間內完成充電過程。 本發明的自適應放電模式是通過一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器，連續監視、 比較，經蓄電池體溫變化矯正的蓄電池的端電壓值，一旦蓄電池的端電壓進入經矯正的設定閾值，立即發出提示信息。在一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器發出提示後，二級蓄電池體溫自適應欠壓監控器還在連續監視、比較，經蓄電池體溫變化矯正的蓄電池的端電壓值， 一旦蓄電池的端電壓進入經蓄電池組體溫矯正的二級設定閾值，立即控制故障狀態自鎖器進入超限自鎖狀態，同時控制繼電器關閉相關電路，保護蓄電池組。在自適應充電模式的後期，測控模塊利用經蓄電池體溫變化矯正的相關充電參數，用猝發的高能量集中充電模式，控制電源適配器輸出足以達到處於極板劣勢部位全部活性物質的長周期、強電流、窄脈衝的充電電流，克服後期充電電流被負極的氧循環等其它因素優先攔截、消耗的結構性屏障。在自適應充電過程的後期，本發明通過非線性自適應範圍設定器的自適應範圍設定電阻器，來改變三曲線擬合調理器監測蓄電池組端電壓變化的靈敏度，確保自適應充電模式在蓄電池組完整生命周期內，端電壓可能產生的實際非線性偏差不超出預定範圍，在此範圍內任何因素導致的端電壓變化，控制曲線與實際狀態的非線性偏差，不影響確保極板遠端、深部處於劣勢部位的極板活性物質獲得足夠的電能，既保持各組蓄電池在充分的荷電狀態，又不導致蓄電池長期過充電、欠充，使各組蓄電池恢復、保持均衡狀態。
請參見附圖2。由於自適應充電、放電模式需要長期、精確、穩定測量蓄電池組完整生命周期內多變量的實時狀態和自適應不可預知的各種非線性變化，對測控模塊協同電源適配器、負載功率控制器可靠工作提出了非常高的要求。測控模塊由於變化緩慢、微弱的電信號傳輸時極易受到幹擾，本發明把測控模塊設置在蓄電池組體內，使傳感器感知的變化緩慢、微弱的電信號轉換成開關信號遠距離傳輸。因此， 測控模塊要在一塊儘量小的電路板或晶片上集成蓄電池體溫傳感器、蓄電池端電壓監視器、非線性自適應範圍設定器、三曲線擬合調理器、蓄電池體溫監視器、一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器、數位化狀態機、蓄電池實時狀態輸出接口，它們協同監測蓄電池組完整生命周期內不斷變化的多變量實時狀態，並據此動態調控電源適配器、負載功率控制器工作在自適應充電、放電模式。下面分別介紹本發明測控模塊各功能實體的具體內容。請參見附圖3蓄電池組體溫傳感器為確保蓄電池組在完整生命周期內始終在最優化狀態工作，要求在蓄電池組整個額定工作溫度範圍內對系統內的各相關關鍵參數進行線性化矯正、補償，為其它功能實體提供與蓄電池組體溫相關的參考電壓。因此，蓄電池組體溫傳感器本身的溫度穩定性、線性度和功耗對系統的可靠性、穩定性、等其它關鍵性能指標，起著至關重要的作用。本發明採用集成電路體溫傳感器配合電平匹配恆壓源，確保其輸出電壓便於三曲線擬合的同時與蓄電池組體溫按比例變化。蓄電池端電壓監視器蓄電池端電壓是蓄電池組完整生命周期內，優化充電、放電過程的關鍵參數，本發明通過蓄電池端電壓監視器的輸出變化曲線與三曲線擬合調理器另一輸入端連接的蓄電池體溫傳感器的輸出變化曲線和蓄電池端電壓溫度修正補償變化曲線同時擬合、匹配設計、實施方法，為三曲線擬合調理器或微控制器採集器、控制、計算程序提供正確的基礎數據。非線性自適應範圍設定器本發明通過非線性自適應範圍設定器的自適應範圍設定電阻器，來改變三曲線擬合調理器監測蓄電池組端電壓變化的靈敏度，確保自適應充電模式在蓄電池組完整生命周期內，蓄電池端電壓可能產生的實際非線性偏差不超出預定範圍，在此範圍內任何因素導致的端電壓變化控制曲線與實際的非線性偏差，不影響確保極板遠端、深部處於劣勢部位的極板活性物質，獲得足夠的電能，既保持各組蓄電池在充分的荷電狀態，又不導致蓄電池長期過充電、欠充，使各組蓄電池恢復、保持均衡狀態。三曲線擬合調理器由於蓄電池組的充放電過程是電化學反應，其端電壓對溫度非常敏感，蓄電池的電動勢具有每攝氏度負3mV至5mV的溫度係數，因次，必須對蓄電池端電壓充電控制曲線進行負的溫度係數修正補償。本發明採用三曲線擬合調理器實現蓄電池體溫傳感輸出變化曲線與蓄電池端電壓監視器的輸出變化曲線和蓄電池端電壓溫度係數修正補償變化曲線同時擬合、匹配的設計方法，為相關電路或微控制器採集器、控制、計算程序提供正確的基礎數據，相關電路據此輸出開啟、休眠、蓄電池體溫、荷電狀態、測控、保護信息。在滿足蓄電池體溫傳感器輸出變化曲線與另一輸入端連接的蓄電池端電壓監視器的輸出變化曲線和蓄電池端電壓溫度修正補償變化曲線這三條變化曲線同時擬合設計要求的前提下，三曲線擬合調理器計算蓄電池端電壓偏離設定擬合曲線的差值，並傳送給數位化狀態機。當其差值超過某一預定值時，表示和控制電源適配器進入開啟狀態，同時控制電源適配器輸出連續大電流快速充電。當其差值小於某一預定值時表示和控制電源適配器進入休眠狀態，同時關閉主電源變換器。當其差值在上述兩個預定值之間時表示工作在自適應充電過程的後期，通過調控充電脈衝寬度、周期在大範圍連續變化，使電源適配器輸出的平均功率，持續跟蹤蓄電池組的最大可接受功率變化曲線。蓄電池體溫監視器在特殊的故障狀態時，蓄電池組的體溫仍有可能超過安全值，本發明通過蓄電池體溫監視器連續監視蓄電池體溫信號調理電路表示其體溫的電壓值，一旦蓄電池組的體溫達到或超過其設定的上限值時，具有最高優先級，立即控制數位化狀態機進入超限狀態，同時輸出具有回差的停止充電信號，控制電源適配器停止充電。一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器在電動車可能的工作環境內，如我們以一年為周期考察，蓄電池組體溫年變化周期的溫差可達80攝氏度之巨，在此年周期上，還疊加有變化明顯的日周期。因此，同樣的蓄電池荷電狀態，以60V蓄電池組為例，其年變化周期內的最高偏差值可達7200mv以上。 因此，過放電保護電壓值應跟隨蓄電池組的體溫變化自動調整，否則，不僅導致夏季因蓄電池的欠壓保護值過高，不能完全放電，限制了續行裡程，而冬季因蓄電池的欠壓保護值又過低，直接導致蓄電池組嚴重過放電而迅速報廢。本發明通過一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器，實現復用蓄電池體溫傳感器輸出變化曲線，並與一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器另一輸入端連接的第二蓄電池端電壓監視器的輸出變化曲線和蓄電池端電壓溫度修正補償變化曲線同時擬合、匹配的設計要求， 為一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器提供正確的工作點，連續監視、比較，蓄電池體溫調理電路輸出的體溫變化矯正電壓值和蓄電池的端電壓，一旦蓄電池的端電壓進入設定閾值， 立即輸出提示、控制信息。數位化狀態機數位化狀態機根據經溫度變化修正補償後的蓄電池端電壓變化曲線，準確判定其應當工作在自適應充電過程的前期或者後期，在自適應充電過程的前期，其根據蓄電池組最大可接受電流變化曲線，控制電源適配器輸出連續大電流快速充電，當達到經蓄電池體溫變化動態矯正的蓄電池組荷電狀態預定值時，其轉換為自適應充電過程的後期充電模式，通過調控充電脈衝的寬度、周期大範圍連續變化，使電源適配器輸出的平均功率，持續跟蹤蓄電池組最大可接受功率的變化曲線，協同非線性自適應範圍設定器，以長周期、強電流、窄脈衝的高能量猝發充電模式，確保在極板遠端、深部處於劣勢部位的極板活性物質，獲得足夠的電能，確保蓄電池組完整生命周期內，多種因素導致的端電壓可能產生的線性、 非線性偏差不超出設定的自適應範圍。數位化狀態機根據經溫度變化修正補償後的蓄電池端電壓變化曲線，準確判定其應當工作在自適應充電過程的前期或者後期，產生對應寬度的充電脈衝，通過控制輸出接口線上兩種狀態轉換的時間，精確地表示和傳送實時測控數據值，使測控模塊只需通過普通導電線作為接口線，即可精確地遠距離傳送開啟、休眠、蓄電池體溫、荷電狀態，把傳感器感知的變化緩慢、微弱的電信息轉換成開關信號遠距離傳輸，實現相應的測控功能。蓄電池實時狀態輸出接口在電動車和蓄電池組各種可能的工作環境內，同樣的蓄電池荷電狀態，以60V蓄電池組為例，其電壓值年變化周期內的最高偏差值可達7200mv以上。因此，為正確顯示蓄電池荷電狀態、剩餘電量，避免誤導駕乘人員，蓄電池電量顯示裝置也應根據蓄電池體溫變化做出相應矯正，只有這樣，才能做到蓄電池電量顯示裝置的顯示值與蓄電池實際電量相符。本發明通過蓄電池實時狀態輸出接口，提供已進行線性化處理，便於正確計算、顯示蓄電池荷電狀態、體溫自適應欠壓保護、剩餘電量、蓄電池體溫的輸出接口電路。蓄電池組把本發明的測控模塊安裝、設置在蓄電池組內部是簡單可靠的實現方法，但需要在設計、製造時實施。由於社會保有量巨大，有時，為改制現有的蓄電池組等其他特殊需要， 也可在蓄電池組殼體外安裝、設置測控模塊，感知自適應蓄電池組極群內部的體溫，這時測控模塊的內側面雙向傳熱，其它面作絕熱處理，形成裝配測控模塊的密封、耐腐蝕熱隔離的封裝腔體，實現等效監測蓄電池組內部極群體溫等其它完整生命周期內不斷變化的多變量實時狀態的目的。蓄電池組的外露電極由於其端電壓不是很高，安全防護往往被忽視，當發生各種意外、故障、車禍時，蓄電池組的外露電極極易被金屬工具、殼體等其他導電體短路，由於短路電流極高，極易引起燃燒、爆炸事件的發生。本發明蓄電池組的外露電極設置有防止因各種意外、故障、車禍時，金屬工具、殼體、導體短路蓄電池組引起的燃燒、爆炸事件發生的絕緣、隔離護套。電源適配器公知電動車充電系統採用外置充電器的技術結構，這樣做雖然能夠避開國家推行的家用電器強制安全認證，卻使許多用戶只得隨車攜帶外置家用充電器，雖然不十分不便， 也能實現部分用戶移動充電的需求，由於其是非抗震設計，車體震動極易造成外置充電器損壞，還很可能進水、結露造成很大的安全隱患。由於對蓄電池組充電原理認識上的錯誤， 公知充電器把功率做的儘量小，唯恐把蓄電池組充壞。卻不知是由於外置充電器不能適應蓄電池組完整生命周期內多變量的線性和非線性的變化，導致充電電壓嚴重偏離最佳值， 才是導致外置充電器成為蓄電池組隱形殺手的關鍵因素。本發明為滿足安全、移動的設計要求，特別是快速充電對電源適配器的大功率、低成本和可靠性方面極高的要求。通過發揮一些器件的獨特技術潛力，把輸入電壓自適應控制器、輸出限壓器、最大輸出功率限制器、遠程軟開關控制信號開路短路保護器、分體組合大功率光磁耦合控制器、功率擴展模塊、休眠電源、過熱保護器，進行防水、防結露、防震處理後，封裝在散熱殼體結構內與電動車一體化組合、裝配，更利於電源適配器和測控模塊協同工作，充分支持自適應充電模式、保護蓄電池組，方便用戶隨處快速充電。輸入電壓自適應控制器。請參見附圖4、附圖5、附圖6為實現電動車在行駛途中隨處利用通用110V/220V380V的市電電源，甚至是蓄電池組、發電機或其他直流電源為電動車快速充電，使電動車不再受蓄電池組續行裡程的限制，因此，電源適配器必須適應世界各地不同的市電電壓或其他直流電源，本發明在幾乎不增加成本的前提下，通過輸入電壓自適應控制器使電源適配器滿足了這些要求，並在極寬的範圍內實現輸入超壓、欠壓自動關閉保護電源適配器。輸出限壓器由於自適應充電模式的自適應特性，對電源適配器輸出的充電電壓沒有嚴格的限制，本發明採用了簡單、低成本的穩壓二極體和緩衝阻尼器來實現，可大幅度提高輸出限壓器的抗幹擾能力、可靠性、穩定性，輕鬆確保輸出限壓器在負載開路時電源適配器的輸出不超限，只有在必要的時候電源適配器的輸出電壓才設計成蓄電池組體溫自適應的模式。最大輸出功率限制器本發明的輸出電流限制是通過檢測最大輸出功率電路實現，這不僅使輸出限流電路的成本大幅降低，還省去了電流採樣電阻，電流採樣電阻上幾瓦的無意義功耗也同時降為零，更重要的是大幅度提高了整機的可靠性，簡化了電路、降低了體積。外接控制信號開路短路保護器為提高電源適配器的可靠性和安全性，保護蓄電池組，外接控制信號開路、短路保護器採用光電隔離耦合器實現，確保外接控制信號在開路、短路的故障狀態時，電源適配器自動進入休眠狀態。為避免電源適配器在開啟、關閉時對電網的擾動，外接控制信號開路、 短路保護器還通過場效應積分開關實現了極輕柔的軟開、關設計。過熱保護器功率器件過熱是其損壞的主要原因，本發明在電源適配器多個功率器件的近處設置了熱敏電阻，當相應功率器件溫度超限時自動關閉電源適配器，保護其不發生過熱損壞。分體組合大功率光磁耦合控制器本發明的電源適配器與電動車一體化裝配，為在不增加成本的前提下確保人車安全，通過分體組合式大功率光磁耦合控制器，實現了電源適配器輸入電路與輸出電路的可以快速分離、組合，從而實現了市電電源與電動車無金屬導體的直接電器連接，即可向蓄電池傳送大功率充電流、快速充電的設計目標，方便、快速、安全、全世界通用充電接口使電動車不再受蓄電池組續行裡程的限制。同時也避免了市電電源與電動車之間採用金屬導體插接傳導大功率電流時插接處隨時可能產生電火花引燃易燃、易爆物品的安全隱患。功率擴展模塊為適應大容量蓄電池組快速充電對電源適配器的功率要求，本發明實現了只需要通過簡單添加功率擴展模塊，即可使電源適配器的輸出功率以千瓦為單位，低成本成倍增加的設計目標，不僅大幅度降低了大功率電源的設計、製造難度，同時還使製造原材料的通用性大幅度提高。休眠電源為降低休眠時電源適配器的功耗，本發明的電源適配器設置了專門的休眠電源， 為電源適配器的主電源變換器提供可喚醒支持和為測控模塊提供電源，即使在蓄電池長期
11閒置時測控模塊也幾乎不消耗蓄電池的能量。負載功率控制器負載功率控制器決定著電動車的可操控性、加減速舒適性、安全性、蓄電池的實際使用壽命、有效續行裡程等關鍵部位的性能指標。本發明的負載功率控制器，具有回差、脈寬調製複合比較控制器、調速幹擾信號抑制器和開關管監控器、功率控制信號監控器、負載電流監控器、二級蓄電池體溫自適應欠壓監控器、防飛車剎車複合開關、故障狀態自鎖器、 倒車狀態自動降速器、自鎖手剎車狀態監控器、電源導線複合電流採樣器，使車輛具有了完整的安全、舒適和充分、可靠的保護功能。回差、脈寬調製複合比較控制器。請參見附圖7電動車的加減速是通過控制脈寬調製器的佔空比來實現的，為避免各種幹擾導致的臨界點高頻振蕩，本發明通過在脈寬調製比較器中引入正反饋、回差機制，徹底避免了脈寬調器在臨界點的高頻振蕩現象，保護功率驅動電路。調速幹擾信號抑制器電動車的加減速是通過手控、腳控車速調節裝置來實現的，由於負載功率控制器與手控、腳控車速調節裝置之間有很長的連接線，連接線上感應的高頻幹擾信號必須經調速幹擾信號抑制器來濾除，才能確保電動車的加減速穩定可靠，保護功率驅動電路。本發明通過阻、容吸收回路實現消除調速器及其到線上的高頻幹擾信號。開關管監控器電動車負載功率控制器的開關管一旦短路，公知電動車立即進入失控的最高車速狀態運行，對兒童、老年及不熟練的駕乘人員的生命、財產構成潛在威脅，由於開關管損壞率較高，本發明通過開關管監控器隨時監控開關管的工作狀態，一旦其擊穿、短路，立即控制故障狀態自鎖器進入超限自鎖狀態，同時控制繼電器關閉相關電路，確保人車安全。功率控制信號監控器開關管監控器監控開關管的工作狀態，判斷其是否擊穿、短路，需要參考功率控制信號是否存在，本發明通過功率控制信號監控器為開關管監控器提供準確的判斷依據。負載電流監控器電動車負載過重、傳動機構故障、驅動輪卡死等其它特殊情況下，電動車負載電流可能超過最高設計能力，導致負載功率控制器、電動機永久損壞。本發明通過負載電流監控器連續監視負載電流的工作狀態，負載電流一旦超過設定閾值，立即控制故障狀態自鎖器進入超限自鎖狀態，同時控制繼電器關閉相關電路，保護負載、驅動電路。二級蓄電池體溫自適應欠壓監控器適當的過放電保護電壓值在很大程度上決定著電動車的續行裡程和蓄電池組的實際使用壽命。本發明通過一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器提示後，二級蓄電池體溫自適應欠壓監控器也在連續監視、比較，蓄電池體溫調理電路輸出的經體溫矯正的蓄電池端電壓的變化值，一旦蓄電池的端電壓進入經蓄電池組體溫矯正的二級設定閾值，立即控制故障狀態自鎖器進入超限自鎖狀態，同時控制繼電器關閉相關電路，保護蓄電池組。防飛車剎車複合開關電動車有刷電動機手控、腳控車速調節裝置的地線一旦開路或輸出線與電源線短路，公知電動車立即進入失控的最高車速狀態運行，本發明通過防飛車剎車複合開關，實現車速調節裝置的地線開路時的防飛車控制，由於採用與剎車開關複合並且開路有效、多級控制的設計，一旦相關線路、開關的某一部分損壞或故障，通過防飛車剎車複合開關即可立即關閉負載驅動電路。不但不增加成本，還減少了整車布線數量，由於剎車制動響應時間是安全行駛的極重要指標，所以本發明通過電子開關控制，可使響應時間提高到萬分之一秒以上，頻繁開關幾乎不影響電路的壽命，與公知的接觸器控制方式相比，不僅響應時間大幅度提高，相關器件的壽命、可靠性也大為提高，使電動車具有了多道安全防線，可更加有效地保確保人、車安全。在應用在採用無刷電動機的電動車上時，由於公知無刷電動機是通過微控制器的專用埠實現剎車時關閉負載驅動電路的，因此，本發明能減少中斷埠佔用、簡化程序結構、降低內存佔用、節省CPU的寶貴時間、更能提高剎車制動響應時間和可靠性。故障狀態自鎖器為避免在故障狀態臨界點的高頻振蕩現象，保護相關電路、結構、裝置，本發明通過故障狀態自鎖器連續監視相應電路的工作狀態，一旦某一被監控對象超過設定閾值，立即控制故障狀態自鎖器進入超限自鎖狀態，發出聲光報警信息。同時控制繼電器關閉相關電路，保護功率驅動電路、蓄電池組。如故障狀態沒有解除重新開機、啟動，立即重新進入超限自鎖狀態。倒車狀態自動降速器倒車時，不需要很高的車速，本發明通過倒車狀態自動降速器連續監視前進、倒車狀態，一旦進入倒車狀態，立即控制控制脈寬調製器的佔空比實現自動降低最高車速、提高車速調節精度。手剎車狀態監控器在某些類型的大型電動車輛上，設置有自鎖手剎車機構，用於停車時避免車輛的滑行，許多情況下由於不熟悉操作步奏、健忘、突發緊急事由等其他因素，正常行駛前忘記了釋放自鎖手剎車機構，導致車輛在剎車狀態運行，不僅浪費大量電能，時間一長，很可能損壞剎車機構，帶來安全隱患。本發明通過自鎖手剎車狀態監控器，在制動狀態自動關閉、 禁用負載的驅動電路，在進入正常行駛狀態時，強制提醒司機釋放自鎖手剎車機構。電源導線複合電流採樣器有經驗的設計人員都知道，電動車負載功率控制器都設有康銅絲採樣電阻來檢測負載的電流，大功率康銅絲採樣電阻極易因負載過流而使電動車負載功率控制器過熱損毀，本發明通過監測電源導線上的線損壓降代替康銅絲採樣電阻，利用電源導線復用實現電流採樣器，這不僅使電流採樣電阻的成本降為零，還使採樣電阻上幾瓦的無意義功耗也同時降為零，更重要的是消除了負載功率控制器內的大功率發熱電阻、大幅度提高了整機的可靠性，降低了負載功率控制器的體積。兩線式輸出保護器由於公知的電動貨運三輪車、觀光車、高爾夫車、警車等其它有刷電動機驅動車輛的負載功率控制器輸出保護功能不完善，致使倒車轉換開關與被控電動機採用四根大電流銅導線遠距離連接。本發明通過增加具有雙向續流二極體保護通道的兩線式輸出保護器， 完善了負載功率控制器輸出保護功能及倒車控制開關安裝位置和連接方法的合理設計，只需兩根導線即可實現同樣的前進、停止、倒車功能，大幅度降低了銅線的浪費，同時還使倒車轉換開的大電流觸點相應減少，明顯降低了成本、提高了可靠性。一體化密封、散熱結構為實現零庫存管理，個性化定製，要求產品儘量能在銷售終端靈活組裝、互換，此狀態下如何確保最終產品質量？對設計、製造提出了嚴重的挑戰。也就是對產品設計的標準化、模塊化提出了很高的要求。由於公知電動車整車電路布局不合理，既造成裝配、調試困難，又浪費大量銅線，還造成檢修複雜、困難、易浸水等其它缺陷，顯著增加了安全隱患。 為徹底解決上述問題，本發明將電源適配器、負載功率控制器的電路板、功率器件進行防水、防結露、防震處理後，封裝在散熱殼體結構內與對應裝置一體化可快速組合、分離裝配， 因此，顯著提高了零部件的復用率、模塊化。不僅降低了生產成本、方便了售後服務，還方便了裝配、維修和提高了整車的靈活性、可靠性。防震、防水、防結露本發明是通過將電源適配器、負載功率控制器的線路板、功率器件等用絕緣漆、密封膠，採用絕緣密封工藝進行耐震、防水、防結露密封處理並封裝在在散熱殼體結構內實現耐震、防水、防結露。


附圖1是自適應充電過程蓄電池組的端電壓值與充電時間對應關係的兩坐標展開示意圖。縱軸刻度標示自適應蓄電池組端電壓值，橫軸刻度標示充電時間。圖中陰影部分是自適應蓄電池組充電模式根據蓄電池組完整生命周期內不斷變化的多變量實時測控數據，動態調控電源適配器自適應蓄電池組充電電壓值可能工作點的分布區域；圖中陰影區域的以下部分是蓄電池組完整生命周期內故障狀態端電壓的受保護區域。附圖2是自適應充電模式進入自適應充電過程的後期時，非線性自適應範圍設定器進入自適應工作狀態時，在充電過程轉換瞬間，非線性自適應端電壓值與蓄電池組荷電狀態對應關係的兩坐標展開示意圖。縱軸刻度標示自適應端電壓值，橫軸刻度標示蓄電池組荷電狀態。圖中陰影部分是電源適配器非線性自適應蓄電池組端電壓值可能工作點的分布區域。附圖3是測控模塊各功能實體的電路原理圖。附圖4是電源適配器主變換器各功能實體的電路原理圖。附圖5是電源適配器輔助電源功能實體的電路原理圖。附圖6是電源適配器功率擴展模塊功能實體的電路原理圖。附圖7是負載功率控制器各功能實體的電路原理圖。
具體實施例方式為更清晰、直觀說明本發明具體實施方式
，下文結合附圖以一個不採用微控制器的實施例詳細闡述具體實施方式
。本實施例特別適合應用在電動三輪車等各種移動動力電源系統上。請參見附圖3，按附圖3所示的一體化自適應充電、負載管理系統測控模塊的電路原理圖，製作一 12乘36毫米的電路板，裝配在緊貼自適應蓄電池組殼體外側的封裝腔體內，封裝腔體內側面雙向傳熱，其它面作絕熱處理。或安裝、設置在蓄電池組內部測控模塊的密封、耐腐蝕的封裝腔體內。然後通過蓄電池實時狀態輸出接口與相關電路連接組成一體化蓄電池充、放電過程自適應控測系統。圖中由U3、R8、R3、R4、R7組成精密恆壓源為測控模塊各功能實體提供工作電源； 蓄電池組體溫傳感器由U1、U2、RU R6、R9、Cl組成的電路實體實現；蓄電池端電壓監視器由Rll、R12、R17組成的電路實體實現；非線性自適應範圍設定器由R16實現；三曲線擬合調理器由Ql、Q2、RlO、C4實現；蓄電池體溫監視器由U4A、Dl、R2、R5、R13、C3組成的電路實體實現；一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器由U4C、D2、R14、R18、R19、R21、R22、R23、C6組成的電路實體實現；數位化狀態機由U4B、D3、R15、R20、R24、R25、C5組成的電路實體實現； 蓄電池實時狀態輸出接口由P9實現。電源適配器主變換器各功能實體、功率擴展模塊的輸入電路與輔助電源單獨製作一獨立模塊與輸出電路模塊組成可以快速分離、組合的大功率光磁耦合一體化結構。請參見附圖4、5、6，按附圖4、5、6所示的電源適配器各功能實體的電路原理圖，分別製作成電路板並進行防水、防結露、防震處理後，分別封裝在散熱殼體結構內與對應裝置一體化可快速組合、分離裝配。圖中輸入電壓自適應控制器由U1、D1、Q3、T1、F1、AC1、R2、R3、R11、R13、R20、C1、 C6、C5、C10組成的電路實體實現；輸出限壓器由D18、R17實現；最大輸出功率限制器由U1、 D2、D3、Q2、R5、RU R6、R14、C2、C3組成的電路實體實現；外接控制信號開路短路保護器由 U1、U1/3、Q6、Q7、R18、R23、R24、R26、R27、C15、C17、C18 和 R28、U2/3 組成的電路實體實現； 過熱保護器由Ul、R7、RIO、R9、C7組成的電路實體實現。分體組合大功率光磁耦合控制器的輸入電路由Ul、Ul/2、Tl/2、Ql、Q4、Q5、Q8、D4、 D6、R4、R8、R12、R15、R16、R19、R21、R22、R25、C4、C9、C11、C12、C13、C14、C16 組成的電路實
體實現。功率擴展模塊實施方式，請參見附圖6。功率擴展模的輸入電路由Tl/4、D9、D10、D14、D12、Q9、Q10、QlU Q12、Q13、Q14、 Q15、Q16、Q17、Q18、R30、R31、R32、R33、R34、R35、C19、C21、C22、C23、C24 組成的電路實體
實現；電源適配器輸出電路模塊實施方式，請參見附圖4、6。電源適配器輸出電路模塊由T2/2、T2/4、D5、D7、Dll、D13、C8、C20組成的電路實
體實現。休眠電源實施方式，請參見附圖5，為簡化休眠電源本實施例測控模塊的電源由蓄電池組供電。休眠電源由Tl、Dl、D2、D3、D4、D5、D6、Ql、Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、Cl、C2、C3、
C4、C5組成的電路實體實現。負載功率控制器各功能實體單獨製作一獨立模塊與電源適配器輸出電路模塊、其他相關部件一體化裝配。請參見附圖7。圖中由BT1、R5、D7、C7、C9、R2、D2、C1組成恆壓源為負載功率控制器各功能實體提供工作電源；圖中回差、脈寬調製複合比較控、制器由U1A、U1B、QU Q2、Q3、Q4、R3、R4、R6、 R7、R9、Rll、R12、R13、C2組成的電路實體實現。調速幹擾信號抑制器由調速控制器H、C3、R15、C4實現。開關管監控器由D6、R10、R14、C5組成的電路實體實現。功率控制信號監控器由D4、R8實現。負載電流監控器由U1C、R17、RM、C12組成的電路實體實現。二級蓄電池體溫自適應欠壓監控器由D5實現。防飛車剎車複合開關由多個K2、K3串聯實現。故障狀態自鎖器由 U1D、Κ5、Κ6、Q5、DS1、R16、R18、R19、R20、R22、R23、C8、CIO、Cll 組成的電路實體實現。倒車狀態自動降速器由Kl、Rl實現。手剎車狀態監控器由多個Κ4串聯實現。電源導線複合電流採樣器由R21實現。兩線式輸出保護器由D1、D3、K1、B1實現。
Pl至P16分別與對應接口連接。
權利要求
1.一體化蓄電池充放電過程自適應測控系統，包括測控模塊、蓄電池組、電源適配器、負載功率控制器、一體化密封散熱結構，其特徵在於所述的測控模塊是在一塊電路板或晶片上集成有蓄電池體溫傳感器、蓄電池端電壓監視器、非線性自適應範圍設定器、三曲線擬合調理器、蓄電池體溫監視器、一級蓄電池體溫自適應欠壓監控器、數位化狀態機、蓄電池狀態輸出接口，它們協同監測蓄電池組完整生命周期內不斷變化的多變量實時狀態，動態調控電源適配器、負載功率控制器工作在自適應蓄電池組各種不斷變化的充電、放電狀態；所述蓄電池組的內部或外側面設置、裝配有密封、耐腐蝕、熱隔離的測控模塊安裝腔體；所述的電源適配器具有輸入電壓自適應控制器、輸出限壓器、最大輸出功率限制器、遠程軟開關控制信號開路短路保護器、分體組合大功率光磁耦合控制器、功率擴展模塊、休眠電源，它們與測控模塊、各種市電電源協同工作，實現自適應充電工作模式；所述的負載功率控制器具有回差、脈寬調製複合比較器、高頻幹擾信號抑制器、開關管監控器、功率控制信號監控器、負載電流監控器、二級蓄電池體溫自適應欠壓保護器、防飛車剎車複合開關、故障狀態自鎖器、倒車狀態自動降速器、剎車軟起動控制器、自鎖手剎車狀態監控器、電源導線複合電流採樣器、兩線式輸出保護器，它們與測控模塊協同工作實現自適應放電工作模式；所述的一體化散熱、密封結構是將電源適配器、負載功率控制器的印刷電路板、功率器件進行防水、防結露、防震處理後，封裝在散熱殼體結構內與相關裝置一體化可組合、分離裝配。
2.根據權利要求1所述的測控模塊，其特徵是所述的三曲線擬合調理器在滿足蓄電池體溫傳感器輸出變化曲線與蓄電池端電壓監視器的輸出變化曲線和蓄電池端電壓溫度變化修正補償曲線這三條變化曲線同時擬合、匹配設計要求的前提下，實現計算、傳送蓄電池端電壓偏離設定擬合曲線的差值，為相關電路據此輸出開啟、休眠、蓄電池體溫、荷電狀態蓄電池體溫自適應欠壓保護信息，動態調控相應電路提供基礎數據。
3.根據權利要求1所述的測控模塊，其特徵是所述的數位化狀態機根據經溫度變化修正補償後的蓄電池端電壓變化曲線，準確判定其應當工作在自適應充電過程的前期或者後期，動態調控相應電路工作在自適應充電工作模式。
4.根據權利要求1所述的測控模塊，其特徵是所述的蓄電池狀態輸出接口提供已進行線性化處理，便於正確計算、顯示蓄電池荷電狀態、體溫自適應欠壓保護、剩餘電量、蓄電池體溫的輸出接口電路。
5.根據權利要求1所述的蓄電池組，其特徵是所述的蓄電池組的外露電極設置有防止因意外、故障時各種導體短路蓄電池組，引起燃燒、爆炸事件發生的絕緣、隔離護套。
6.根據權利要求1所述的電源適配器，其特徵是所述的電源適配器與電動車一體化、 模塊化組合裝配，通過110V/220V/380V通用交流電源接口、電源線與各種電源自適應連接。
7.根據權利要求1所述的電源適配器，其特徵是所述的分體、組合大功率光、磁耦合控制器製成可分體、組合的大功率光、磁耦合、傳送、控制結構，在實現向蓄電池傳送大功率充電流的同時，實現各種電源與電動車、各種負載可快速分拆、組合的完全電氣隔離。
8.根據權利要求1所述的負載功率控制器，其特徵是所述的防飛車剎車複合開關，採用與剎車開關複合並且開路有效、多級控制，實現車速調節裝置的地線開路或輸出線與電源線短路時防止車速失控。
9.根據權利要求1所述的負載功率控制器，其特徵是所述的二級蓄電池體溫自適應欠壓監控器連續監視蓄電池的體溫、端電壓值，一旦蓄電池的端電壓進入經蓄電池體溫矯正的設定閾值，立即控制故障狀態自鎖器進入超限自鎖狀態，同時控制繼電器關閉相關電路，發出聲光報警信息，如故障狀態沒有解除重新開機、啟動，立即重新進入超限自鎖狀態。
10.根據權利要求1所述的負載功率控制器，其特徵是所述的兩線式輸出保護器具有雙向續流二極體保護負載功率控制器的功率開關器件。
全文摘要
本發明涉及一種通用一體化蓄電池充放電過程自適應控測系統。特別是涉及一種根據電動車蓄電池組完整生命周期內多變量的實時狀態，動態調控電源適配器、負載功率控制器工作在相應的優化狀態，使應用實例具有更完善安全、保護功能的一體化蓄電池充電和放電過程自適應控測系統。由測控模塊動態調控電源適配器、負載功率控制器工作在自動優化狀態的自適應充電、放電模式，可以成倍延長蓄電池組的實際使用壽命，並實現快速充電。廣泛適用於照明系統、備用電源系統、動力電源系統、艦船電源系統、汽車電源系統、太陽能蓄、供電系統、移動電源系統等應用場合。
文檔編號H02J7/00GK102176627SQ20111003550
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月10日 優先權日2011年2月10日
發明者張佳賓 申請人:張佳賓