一種輕質充電器的制造方法

一種輕質充電器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及電池充電器，特別涉及一種輕質充電器。
【背景技術】
[0002] 鋰離子電池是20世紀末研發成功的新型高能電池，由于鋰離子電池具有放電電 壓穩定，工作溫度范圍寬、自放電率低、無公害等優點，目前已逐漸替代鉛酸蓄電池成為電 池的主流。鋰離子動力電池是指容量在3Ah以上的鋰離子電池，相對于鎳氫、鉛酸、鎳鎘電 池，就能量、體積、壽命、環保等多方面，其具有無可比擬的優勢，這些年來備受人們青睞。輕 量化的高頻智能充電器，再結合智能化的電池管理系統是由電力電子技術、微電腦控制技 術、檢測技術而構成的裝置，它與鋰離子動力電池同步而生，同步發展，是支撐鋰離子動力 電池應用發展的關鍵性技術裝置。電池管理系統對電池組和電池單元運行狀態進行動態監 控，精確測量電池的剩余電量，同時對電池進行充放電保護，并使電池工作在最佳狀態，達 到延長其使用壽命，降低運行成本，提高電池組運行的可靠性。近年來國內外紛紛掀起研 究鋰離子動力電池管理系統的熱潮，國外一些大的汽車生產商和電池生產商對電池管理系 統的研究已取得了一定的成果，如美國Aerovironment公司開發的SmartGuard系統，德國 B. Hauck設計的BATTMAN系統，有很多芯片產商也推出了 一些鋰離子電池管理芯片，如比亞 迪微電子的BM309/310,可以對級聯多數量的電池組進行管理。國內針對鋰離子動力電池， 也在關鍵性技術的發展上給予了一定政策和資金的支持，但國內就鋰離子電池的很多方面 都還沒有形成統一的標準，目前，國內很多高校聯合汽車制造商和電池供應商在做這方面 的研發，如北京理工大學、清華大學、北京交大等，在電池充電和管理方面取得了一些成果。 但由于針對鋰離子動力電池的容量等級劃分標準、測試試驗條件都還很不成熟，因此，針對 鋰離子動力電池的充電器和管理系統，還有許多關鍵技術有待研究。
[0003] 雖然說鋰離子動力電池在通信、電動汽車等領域的研究和應用取得了較大的進 展，但在煤礦機電裝備上至今還未使用，直至今年6月我國才首次出臺一項" IOOAh容量的 鋰離子動力電池防爆應用"標準，鋰離子動力電池在煤礦井下的應用潛力巨大。例如避難硐 室動力電源的提供，礦用軌道牽引電機車、牽引膠輪機、單軌吊車、運人侯車等設備，這些都 是煤礦重要的運輸裝備，其運行狀況、可靠性、耗能情況、運輸成本等，直接影響著煤礦生產 的安全、效率和經濟效益。如今，這些動力的能量提供還主要依靠傳統的鉛酸蓄電池，它存 在體積大、重量重，污染重、不環保，設備自重大、工作效率低，可靠性差、報廢率高，維護繁 瑣、占場地大等一系列缺點。而鋰離子電池完全可以克服這些缺點，所以在煤礦設備上推 廣應用鋰離子動力電池優勢明顯、潛力巨大。可以針對鋰離子動力電池在煤礦領域應用的 相關標準，其井下隔爆智能充電器技術，以及智能化的電池管理系統等方面展開研究，取得 一些成果，為鋰離子動力電池在煤礦井下的推廣應用服務，這種研究需求是很迫切的。具體 概括如下：
[0004] 1、鋰離子電池是20世紀末研發成功的新型高能電池，相對于鎳氫、鉛酸、鎳鎘電 池，就能量、體積、壽命、環保等多方面，其具有無可比擬的優勢，這些年來備受人們青睞，已 逐漸替代鉛酸蓄電池成為電池的主流。
[0005] 2、鋰離子動力電池在煤礦機電動力裝備上至今還未使用，鋰離子動力電池在煤礦 井下的應用潛力巨大。針對鋰離子動力電池在煤礦領域應用的相關標準，對井下隔爆智能 充電器技術以及電池管理系統等方面展開研究，為鋰離子動力電池在煤礦井下的推廣應用 服務，這種研究需求是很迫切的。
[0006] 3、電池管理系統對電池組和電池單元運行狀態進行動態監控，精確測量電池的剩 余電量，同時對電池進行充放電保護，并使電池工作在最佳狀態，達到延長其使用壽命，降 低運行成本，提高電池組運行的可靠性，近年來國內外紛紛掀起研究鋰離子動力電池管理 系統的熱潮。
[0007] 煤礦行業對鋰離子動力電池智能充電器的要求：
[0008] 1、考慮到煤礦蓄電池組的實際串并聯情況，充電器的容量應不低于55kW，最大充 電電流為60A ;
[0009] 2、鋰離子動力電池充電器輸出電壓：0V-100V連續可調；輸出電壓精度：±0. 5% ; 輸出電流：〇~60A連續可調；輸出電流精度：± IA ;
[0010] 3、鋰離子動力電池充電器要滿足蓄電池組充電的要求，運行可靠，設備體積小，質 量輕，便于移動，運輸和維修；
[0011] 4、考慮到井下的防爆要求，充電器為自然散熱；
[0012] 5、自動適應井下供電網電壓波動的適應能力（75%~120% )。
[0013] 現有的充電器主要采用幾種充電器主回路方案：
[0014] 1、傳統交-直（AC-DC)
[0015] 這是目前礦用鉛酸蓄電池充電器普遍使用的充電方案。主電路采用工頻變壓器和 晶閘管三相整流電路。輸出電壓的連續調節是通過晶閘管相控方式來實現的。
[0016] 此充電方案電能變換直接簡單，直接由直流電整流成交流電，同時變壓器的加入 有效實現了系統的輸入輸出電氣隔離使，但此充電方案表現出的不足之處有兩點，首先：根 據變壓器的構造原理可知，工頻變壓器的加入在一定程度上增加了整個充電設備的體積和 重量。其次是控制系統一般采用模擬控制，充電模式單一化，很難實現蓄電池的多段快速充 電功能，更大程度的偏離蓄電池可接受的充電曲線，達不到預期充電效果。
[0017] 2、交-直-直（AC/D(VDC2)
[0018] 此充電方案主電路由工頻變壓器、二極管整流電路和斬波電路組成，660V/50HZ 三相交流電壓經過工頻變壓器、二極管三相不控整流濾波和IGBT斬波后輸出直流電壓，輸 出電壓的連續調節是通過控制IGBT斬波部分來實現的。
[0019] 此充電方案是依靠 IGBT來實現電壓的有效調節，控制方法新穎，自動化程度高。 但主電路中工頻變壓器的加入以及直流側濾波電感的加入，大大增加了設備的體積和重 量，不便于安裝、搬運和拆卸。
[0020] 3、現有的礦用蓄電池充電方案主要針對的對象是鉛酸蓄電池，充電方式比較簡 單，只需控制好充電電壓電壓和充電電流實現多段充電即可，無需復雜的電池管理系統 (BMS)，而大容量鋰離子動力電池在煤礦上的應用，就必須有與之相配套的安全智能充電方 案，與傳統的鉛酸蓄電池充電方案相比最大的不同就是在充電的過程中加入了電池管理系 統（BMS)，可以實現對鋰離子動力電池組的均衡性、智能性充電，而且通過合理的電池荷電 狀態估算方法，可以有效的避免過充和欠充等現象。 【實用新型內容】
[0021] 為克服上述現有技術的缺陷與不足，本實用新型提供一種適用于礦用 AC380V/660V輸入電壓，井下和地面均可適用，充電過程中主回路和電池管理系統協調工 作，給鋰離子電池進行安全充電的輕質充電器。
[0022] 本實用新型的技術方案是：
[0023] 一種輕質充電器，包括充電主電路及分別與其連接的檢測電路、移相脈沖控制器 和基于單片機的主控單元；主控單元通過檢測電路檢測充電器的工作狀態，通過移相脈沖 控制器發出充電控制信號，完成對輸出電流和電壓的檢測和控制，實現蓄電池充電過程的 控制。
[0024] 所述充電主電路由整流電路、高頻直流變換電路組成。
[0025] 優選的，所述充電主電路由即前級功率變換器和后級功率變換器共二級功率變換 器組成。
[0026] 優選的，所述前級功率變換器輸入三相AC380V 50Hz交流正弦電壓經三相不可控 二極管整流，再接入電容濾波，利用電容所具有的儲能作用將整流后輸出電壓的脈動成分 降低，得到DC510V的直流電，再經過單相IGBT逆變器變換，得到幅值為AC510V/20kHz的交 流高頻方波電壓；所述后級功率變換器實現了從輸入幅值AC300V/20kHz的交流方波電壓 至直流電壓的整流變換。
[0027] 優選的，所述檢測電路對充電電流和充電電壓以及充電主電路功率器件參數進行 實時數據采集，采集的數據提供給單片機以及移相控制器，單片機根據預定的算法對數據 進行分析和計算，得出相應的控制數據，送到移相控制器的輸入端，通過與反饋信息相比 較，調節輸出移相角，控制功率器件開關和導通的時間，從而完成對充電主電路的輸出電 壓、電流的控制。
[0028] 優選的，待充電鋰離子動力電池還帶有電池管理系統，所述電池管理系統對電池 的SOC估算方法，采用基于安時法和電動勢法的帶加權因子的估算方法。
[0029] 優選的，所述電池管理系統包括管理芯片及分別與其連接的信號采集電路和單體 電池均衡電路；所述信號采集電路包括單體電池電壓采集電路、單體電池溫度采集電路、總 電流米集電路和總電壓米集電路。
[0030] 進一步優選的，通過MOS管實現對電池放電，當電池組充電時，電池組中的某一電 池單體的電壓與其他電池單體之間的差異超過設定值時，MOS管控制均衡電路的分流旁路 閉合，通過并聯在該電池單體的均衡電阻消耗該電池的電流，從而達到降低該電池充電電 壓的目地；當該單體電池的電壓趨于一值時，MOS管將控制均衡電路旁路斷開，均衡電阻斷 開與該單體電池的并聯停止均衡。
[0031] 進一步優選的，還包括由供電電源、通信電路、隔離電路、數據存儲電路和短路保 護電路組成的外圍電路。
[0032] 所述電池帶有電池硬件保護板，和電池管理系統的主控板通過通信電路連接，所 述通信電路采用RS485通信和CAN通信的雙總線通信。
[0033] 進一步優選的，所述短路保護電路分為兩級：一級是安裝在電池組的正接線端的 保險，另一極安裝在電池箱內。
[0034] 本實用新型的有益效果有：
[0035] (1)本實用新型可以完成對礦用大容量鋰離子電池組的安全智能性充電，將推動 礦用鋰離子動力電池取代礦用傳統的鉛酸蓄電池的步伐。
[0036] ⑵體積小，重量輕，實現了充電器的小型化與輕量化。同樣的輸出功率（容量）， 體積可以縮小為原來的1/3,重量可以減輕為原來的1/4。
[0037] (3)控制系統方面：全數字化微機控制代替了傳統的模擬控制。
[0038] (4)主電路改進方面：IGBT高頻整流電路代替了晶閘管工頻相控整流電路，高頻 DC/DC功率變換電路代替了相控調壓AC/DC變換電路。
[0039] (5)功能擴展方面：微機控制實現了智能充電、充電特性多段、自適應、多變量控 制調整充電曲線，延長了蓄電池的運用壽命。
[0040] (6)電池管理方面：采用專業的電池管理芯片AD7280A，將BMS加入傳統的礦用鉛 酸蓄電池智能充電機中，在對鋰離子電池進行充電的時候，可以對各個鋰離子電池單體進 行電壓均衡，有效的防止單體電池的過充或欠充，采用合理的SOC估算算法，可以較為精確 的估算電池的荷電狀態，對于合理的控制充電過程具有重要意義。
【附圖說明】
[0041] 圖1為本實用新型所述的鋰離子動力電池充電器整體結構拓撲圖；
[0042] 圖2為實施例的前級功率變換器的原理圖；
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