专利名称：一种电池充电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电池充电器，更具体地说，涉及一种应用于机动车辆的电池充电
o
背景技术：
电力电缆是通常与护层保持在一起的两个或更多个导电体的组装件。该组装件可 用于传输电力。可以以例如建筑物内、埋在地下、架布空中或暴露的固定配线方式来安装电 力电缆。柔性的电力电缆可用于便携式设备、移动工具和机器。电缆可包括三个主要部件导体、绝缘体和护套。各种电缆的组成可以根据用途变 化。构造和材料可以由工作电压、载电流容量和环境条件确定。电力电缆可使用绞成股的铜或铝导体。一些电缆可包括用于电路中性或接地连接 的无绝缘导体。整个组装件可以是圆形的或扁平的。可以将不导电填充缆股添加到组装件以保持 组装件的形状。用于架空或竖直使用的特定用途的电力电缆可具有附加的诸如钢或凯夫拉 (Kevlar)结构支撑物的元件。普通类型的一般用途电缆由国家和/或国际规定来管理。这些规定限定了可组成 电缆的各种合金线、电缆的绝缘类型和包括电缆抵抗化学物质和日光的特性的多种特性。常用的电力电缆可包含用于接地的无绝缘裸线。三脚电源插座和插头线需要地 线。延伸电缆通常具有被绝缘的接地线。R0MEX是一种由带有非金属塑料套的固体铜线和裸接地线制成的电缆，所述非 金属塑料套包含蜡纸，蜡纸包裹内部的至少一对600伏THWN塑料绝缘引入线(service wires)组。从而，普通的R0MEX电缆可具有三条线中性线(着成白色)、向负载提供电力 的线(着成黑色)和裸接地线。另一种普通的R0MEX变体具有白色标示的中性线、两相线(第一导体(黑色)和 第二导体(通常为红色))，以及无绝缘的铜接地线。这种类型一般可用于公共的或共用的 照明布置的多路开关场所，诸如用于位于走廊的任一端处的开关或用于上层和下层的用于 楼梯照明的开关。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了一种电池充电器，所述电池充电器能够从包括火线 和回线的配电线路接收电力并能够将所述电力传输到电池，所述电池充电器包括控制器 电路，被构造为基于配电线路的输出电流和输出电压来确定通过与配电线路电连接的负载 的电流以及配电线路的导线规格，并被构造为基于通过所述负载的电流和所述导线规格来 控制输出电流。在特定的实施例中，用于控制通过配电线路的电流的方法包括基于测量的配电 线路的输出电流和输出电压来确定⑴通过与配电线路电连接的负载的电流以及(ii)配电线路的导线规格。所述方法还包括基于通过负载的电流和导线规格来控制输出电流。尽管示出并公开了根据本发明的示例性实施例，但是这样的公开不应被解释为用 来限制本发明。预计在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种修改和选择性的设计。
图1是机动车辆的实施例的示意图。图2是电池充电器的实施例的示意图。图3是包括图2的电池充电器的示例电路的示意图。图4是图3的电路的可选的表示。图5是因图4电路中充电器的电流而变化的负载电流的百分比变化的示例图。图6是随着图3的电池充电器接通和断开的图3的回线和地线之间的电压随时间 变化的示例图。图7是在图4的电路中的导线的热力学模型。
具体实施例方式现在参照图1，机动车辆10的实施例(如，混合动力的、电动的等)包括牵引用电 池12、电机13、电池充电器14和底盘15。如普通技术人员所明白的，牵引用电池12可经电 机13为车辆10提供动力。电池充电器14可包括一对线圈16和18、桥式整流器20、晶体管22、二极管24和 电感器26。如普通技术人员所明白的，晶体管22、二极管24和电感器26形成降压调节器 27 (buck regulator)，并且可用降压调节器27来调节从桥式整流器20到牵引用电池12的 电流。线圈18包括火线端子28和回线端子30。可经电力电缆34将线圈18与电插座 32电连接。图1中的电插座32是120V的墙壁插座。在其它的实施例中，电插座32可以 是240V的墙壁插座、多相墙壁插座等。如本领域公知的，线圈16和线圈18的匝数比可取 决于与电池12和插座32相关的电压。可通过桥式整流器20、晶体管22和电感器26将线圈16与牵引用电池12电连接。 如本领域公知的，桥式整流器20 (或二极管电桥)可以是四个二极管以桥式构造布置。这 种布置可对任何极性的输入电压提供相同极性的输出电压。在本实施例中，桥式整流器20 将交流输入转变为直流输出。电力电缆34包括火线(power line) 36、回线(return line) 38和地线 (groundline)40o火线36与火线端子28电连接。回线38与回线端子30电连接。地线40 与底盘15电连接。在图1的实施例中，火线36将来自插座32的电流传送到线圈18，回线 38将来自线圈18的电流传送到插座32。电池充电器14还可包括微处理器42、电流传感器44、45和电压传感器46、47。微 处理器接收来自电流传感器44、45的电流信息和来自电压传感器46、47的电压信息。在图 1的实施例中，电流传感器44感测通过线圈18和回线端子30的电流，电压传感器46感测 回线端子30和地线40之间的电压。电流传感器45感测牵引用电池12的电流，电压传感 器47感测牵引用电池12的电压。然而，其它的布置也是可能的。作为示例，可将电压传感
4器46设置成感测火线端子28和回线端子30之间的电压。作为另一示例，可将电流传感器 44和/或电压传感器46设置成感测桥式整流器20和晶体管22之间的电流和/或电压。 也可考虑其它的构造。 微处理器42可基于例如电流传感器44测量的电流和电压传感器46测量的电压 确定火线36和/或回线38的温度变化。具有电阻温度系数a的导线的瞬时电阻R可以 与火线36和/或回线38的温度变化AT具有以下关系R = Ri(l+a AT)或
AR
(1)
AT
aR;
(2)其中，氏为导线的初始电阻。使用电压和电流，式⑵可被改写为
AT--
F'/. M-/
、 / II a
/---V
\-/
/'K
(3)或
A7 =
VL
V:I
1
aJ
⑷其中，I和V是分别由传感器44和46测量的瞬时电流和瞬时电压，L和\是分 别由传感器44和46测量的初始电流和初始电压。基于式(4)，微处理器42可基于电流传 感器44测量的电流和电压传感器46测量的电压确定火线36和/或回线38的温度变化。 在其它实施例中，电池充电器14可以以已知的方式控制通过电池充电器14的电流以保持 电流基本恒定。因此，微处理器42可仅基于电压传感器46测量的电压确定火线36和/或 回线38的温度变化。在又一其它实施例中，微处理器42可基于在火线端子28和回线端子 30之间测量的电压确定火线36和/或回线38的温度变化。如普通技术人员明白的(使用上述符号)，R.
V _ - V
y LN r LN,
21和
(5)
R
j/ _ 一 j/ — r LN y LN
21
(6)或
其中，VM是恰好在电流开始通过电池充电器14之前火线端子28和回线端子30 之间的瞬时电压，VLNi+是恰好在电流开始通过电池充电器14之后火线端子28和回线端子 30之间的瞬时电压，VLN+是在电流开始通过电池充电器14之后的任一时刻火线端子28和 回线端子30之间的瞬时电压，VNG-是恰好在电流开始通过电池充电器14之前回线端子30 和地线40之间的瞬时电压，VNM+是恰好在电流开始通过电池充电器14之后回线端子30和 地线40之间的瞬时电压。将式(5)和式(6)带入式⑵(并化简)得到 因此，基于式(8)，微处理器42可基于在火线端子28和回线端子30之间测量的电 压来确定火线36和/或回线38的温度变化。可选地，可以以任何适合的方式确定火线36和/或回线38的温度或温度变化。 例如，与微处理器42通信并与火线36和/或回线38连接的温度传感器(如惠斯登电桥 (ffheatstone bridge)、二极管结(diode junction)等)可检测火线36和/或回线38的 温度并将所述温度传给微处理器42。微处理器42可接通和断开晶体管22以控制流向牵引用电池12的电流。因此，微
AT
/ (8)
ou
处理器42可经晶体管22来控制通过火线36和/或回线38的电流。
输入到线圈18中的功率Pin等于线圈16输出的功率P。ut (假设损耗极小) Pin — Pout(9)使用电压和电流，式(9)可改写为(IrfflS IrJCos0 = IBAT VBAT(10)其中，IrfflS和V s分别为流至线圈18的均方根电流和线圈18的均方根电压，IBAT 和VBAT是牵引用电池12的电流和牵引用电池12的电压(分别由传感器45、47测量的电流 和电压)，9是1_和1 之间的相角。(如普通技术人员所明白的，在带有整功率因数校 正的系统中Cose通常等于1。此外，当测量线与中性点间电压和中性点与地间电压时，e 是这两个AC电压之间的相角。)假设VMS*VBAT基本恒定，根据式(10)，IBAT的变化将导致 IrfflS的变化。即，降低晶体管22的占空比(duty cycle)来减小IBAT，将减小1_。(因此，微 处理器42也可基于电流传感器44、45测量的电流和电压传感器47测量的电压确定火线36 和/或回线38的温度变化。例如，可变换式(10)以解得VMS并将式(10)带入式(8)。)为了保持火线36和/或回线38的温度在期望的范围内，当火线36和/或回线38 的温度和/或温度变化开始达到所述范围的上限时，微处理器42可以以已知的方式开始运 行晶体管22。例如，如果火线36和/或回线38的温度超过35°C，则微处理器42可开始运 行晶体管22以减小电流。可选地，如果火线36和/或回线38的温度变化在所述范围的上 限的7°C之内，则微处理器42可开始运行晶体管22以减小电流。然而，可以使用任何合适 的控制方案。如所示出的，充电器14与车辆10 —体地形成。然而，在其它实施例中，充电器14 可与车辆10分开。例如，充电器14可以是可插入到电插座32和车辆10的独立的单元。其 它的布置也是可能的。
6
现在参照图2，标号与图1中的元件标号差100的元件的描述与图1中的用标号表示的元件的描述类似。电池充电器114的实施例包括桥式整流器120、升压调节器121、降压 调节器127和微处理器142。桥式整流器120与升压调节器121电连接。升压调节器121 与降压调节器127电连接。微处理器142可控制升压调节器121和降压调节器127。桥式 整流器120、升压调节器121和降压调节器127的电路可选用任何合适的形式。桥式整流器120可与电力插座电连接并可将交流输入转换为直流输出。如普通技 术人员所明白的，微处理器142可以用已知的方式控制升压调节器121以调节由桥式整流 器120输出的直流从而实现功率因数校正。基于传感器144测量的电流和/或传感器146 测量的电压，微处理器142可使用与上述技术类似的技术控制降压调节器127，从而实现配 电温度管理。当然，其它的布置方式和/或构造也是可能的。现在参照图3，电池充电器114与包括负载149 (未知负载)、保险丝盒150和电源 152的电路148电连接。负载149(诸如冰箱的压缩机)位于电池充电器114和保险丝盒 150之间(例如，与在居住建筑中常见的那些类似)。如普通技术人员所明白的，来自电源 152的电力经保险丝盒150提供到电池充电器114。如下面的解释，未知负载149的存在会影响额定值，电池充电器114以所述额定值 从电路148吸收电流。下面描述用于确定示例电路148的负载能力的技术。这个负载能力 一旦确定，电流就可被从电路148中以最大额定值吸收，所述最大额定值将不超过电路148 的布线的能力或不烧断与电路148的布线相关的保险丝。现在参照图4，可重绘电路148以显示各种电阻、电流和电压，其中，R1是在保险丝 盒150和负载149之间的导线的电阻，R2是负载149和电池充电器114之间的导线的电阻， Rul是负载149的电阻，Rag,是电池充电器114的电阻，Rsource是电源152的电阻，Vac是电源 152的电压，Vfusebra是保险丝盒150的电压，V1是火线136的电压，Vn是回线138的电压，Vg 是地线140的电压，i2是流经电池充电器114的电流，iul是流经负载149的电流，I1是流 到保险丝盒150的电流。现在参照图3和图4，可通过用任何已知的方式测量三个电压八、Vn和Vg以及充 电器电流i2来确定电路148的特性。根据基尔霍夫定律(假设保险丝盒150和未知负载 149之间的导线的电阻队相同，未知负载149和电池充电器114之间的导线的电阻&相 同)，Vac = W(RsourcWVRul)-WRul(11)0 = (2R2+Rchgr+Rul)-I1^Rul(12)Vng = i^Ri+i^^ 禾口(13)0 = iri2-iul(14)此外，可用最大的电流额定值和最大的导线电阻估计电路148的特性。作为示 例，14G导线具有15A的电流额定值，12G导线具有20A的电流额定值。此外，14G导线具有 2. 54 Ω/IOOOft的导线电阻，12G导线具有1. 59 Ω/IOOOft的导线电阻。假设在墙壁插座处 的限制用电(brown-out)条件为80V或更小，当充电器114吸收的电流为15A并且未知负 载149吸收的电流为OA时，合理的最大导线电阻将是将Rchg,处的电压减小到80V所需要的 导线电阻。这将需要经每组电阻器R1和R2降低20V。已知V = IR, R^R2应该小于1. 3 Ω。 这个电阻甚至可更小。否则，在电路148的布线中会散失来自保险丝盒150的功率的1/3。
估计普通家庭可示出多小的电阻是合理的。考虑60ft长乘30ft高的1800ft2房 子(ranch)，在这个房子中从角落到角落将需要90ft (或更短)的导线。在这种情况下，对 14G导线来说Ri+R2等于(或小于)0. 23 Q。从120V线中产生15A所需的负载电阻是120V/15A或8 Q。当直接连接到120V(即， Ri+R2 = 0)时，任何更小的负载电阻将导致电流超过15A。当将最小负载电阻(如8Q)与 导线电阻(如0.23Q)相比时，负载电阻大得多。因此，可做出、保持恒定而与充电器负 载无关的假设。为了检验这个假设，考虑14G导线以及在未知负载149和保险丝盒150之 间的长度为90ft的导线。图5示出了对于12值的范围、的百分比变化。负载电流、的 改变小于5%。
从式(11)、式(12)和式(13)，
如果由于上述原因、恒定的话，则式(15)简化为
(16)在队<<1^1和/或1 0^大的情况下，式(16)大约等同于式(15)。求解Rs。_ (假设Va。不随负载变化)Vfusebox = y^-ao^so^e(17)和
Vfusebox = Vln+2Vng(18)其中，
vin = V,-Vn(19) 和
v g = Vn-Vg(20)
现在参照图3、图4和图6，在TO时刻(S卩，恰好在充电器114接通之前)i2 = 0， 在T1时刻(即，恰好在充电器114接通之后)i2 > 0。通过首先用i2 = 0求解式(17)然后 当i2 > 0时从式(17)中减去它，可在充电器114处测量VlnCI、VngQ(即，在TO时刻，火线136 与回线138之间的电压降以及回线138与地线140之间的电压降)、Vlnl、Vngl ( S卩，在T1时 亥lj，火线136与回线138之间的电压降以及回线138与地线140之间的电压降)以及i2的 值。在TO时刻，保险丝盒的瞬时电压是V—在T1时刻，保险丝盒的瞬时电压是
Vfusebox 1 °下式是从式(14)和式(17)得到的
.厂- V/useh0Xi = vac - {I, + 0) * Rsource 一 {Vac 一 (iltl + r2)) * Rsource(21)其中，Vfuseb。x(l是TO时刻保险丝盒的电压，Vfuseboxl是T1时刻保险丝盒的电压。
结合式(18)和式(21)得 求解导线电阳i+见(假设iul恒定)可在i2 = 0和i2 > 0的情况下求解式(13)。对于在TO时刻i2 = 0，式(13)和 式(14)简化为 对于在T1时刻i2 > 0，式(13)及式(14)可被改写为 式(24)减式(23)得
(23)
(24)
(25)其中Rt = R!+R2求解导线电阻得
(26) 求解导线电阻&可得到氏和R2之间的关系以确定iul的值。这可通过考虑当应用充电器114的额 外负载时因在电路148中的导线消耗的电力而使导线受到的加热来实现。现在参照图7，整个导线长度(与氏和民相关的长度)中因附加的充电器电流而 产生的能量 为
(28)其中，WK1和WK2分别是在与扎和R2相关的导线中的能量。整个导线长度中的能量变化JU是 其中，mi、m2、JD和力乃分别是由Ri和R2所代表的导线长度的质量和温度变化，
C是导线长度的比热容，QcE1为队传导出的热，QcE2为R2传导出的热。此外，Γ \Rl(illl+i,)2dt-Qc ^\R2{I^2Cit-QΔΓ = J -~-_^禾口 ΔΓ,=^---(30)
1cmt‘cm2当导线被加热时，其电阻改变参考式(1)和式(2)的描述。因此，使用R，式(30) 可改写为ARl=^i JX (。+“—felt- Qciu )和 M2 =^{\R2(i2fdt-Qcn )(31)
cm, JCm1 J在R1和R2上的电压降变化是Δν 二 AR*I或
AVl=^iiRi Uul +I1Ydt-QiJ* {iu, + )禾口
cmx J
cm2 J展开AV1得
AF^^cfc {ij + 2iul * i2 + i{)dt - α;(1) * (' / + i2)(33)
c/w 丨 J计算Δ Vt与Δ Vki的比率得 AKr
剛〒
=(34)
ΔΚι
aR、7？a^iο^
- ( A (w + 2,ul * ,2+；22 yit - ef(;i) * aul+,2)+(i R2 U21 )dt * o2) - α; 2) * '2_______________________cmI____
a R-,79
cm^如普通技术人员所公知的，导线的质量m与其面积A和长度1的关系为m = ζ*Α*1(35)其中，ζ是金属的密度。如普通技术人员所公知的，导线的电阻R与其面积和长 度的关系为R= ρ*1/Α(36)其中，ρ金属的电阻率。从式(35)和式(36)中可以看出，如果在电路148中导线面积(规格)恒定，则m R(37)和
A = I(38)
Rr mT其中，IHt = III1+]]^。考虑式(35)和式(36)，式(34)简化为
(39) QcE可被改写为
(40)其中，k是导线的绝缘体的热导率，A为暴露的绝缘体的面积，AT为导线的温度和 空气的温度之间的差，AX是温度读数之间的距离。(对于该分析，这些项将被假设为当其 被包含在式(39)分子和分母两者中时影响小并且影响也降低。)其它的实施方式可包括对 这些项的一些经验补偿。考虑式(40)，式(39)简化为
(41)随着导线温度的升高，导线电阻增加并且通过导线的电流略微降低。对于该分析， 将认为变化足够小而忽略。此外，i2的值可保持恒定，从而将式(41)化简为
(42)该式包含未知项R” R2和iul。如果( Ri+R2，则从式(23)得出
(43)因此，确立iul的最小值，其中
(44) 将式(26)、式(43)和式(44)带入式(42)得 AK+AK (45) 检查式(45)示出仅有的未知项是礼。求解会是计算上密集的，而且用能迭代以 正确求出R1的算法可以更好地求解。可选地，可作出附加的假设，即iul存在合理长的时间 使得导线被加热到恒定的温度(这可以被证实，例如，通过在一个时间段内测量Vngtl来确定 Vngtl不再增加)。使用这样的假设，式(45)简化为 当i2 > 0时，AV1的值不可测量，因此，式(45)的替代式在于测量i2 > 0的情况
下的分子和i2 = 0的情况下的分母。这将式(45)简化为 式(46)可解得R1:
R __ 2* Illlmm2* Rr+Vi-V2)
‘* Olllmm * - F1 + K2 - 3F3) + ^2 * (F0 - V3))其中，Vx是在图6的Tx处的Vng。求解R2由式(26)R2 = RT-R1(49)求解R11 和式(11)可用于求解Rul。在 TO 时亥lj，Vln = iul*Rul 和 Vng = iul*Ri。所以， 和(52)使用式(29)、式(30)、式(50)和式(51)可解得m” m2、R1和R20然后可使用存储 在例如微处理器142的存储器中的标准查找表来确定规格并因此确定最大总电流imax(与 Rl和R2相关的导线的额定值)。微处理器142随后可使用本文中所讨论的技术控制i2，以 使得Ifflax ^ iul+i2(53)
负载149的电阻Rul当然可包括电抗分量(reactive component)。如普通技术人 员所明白的，可以以已知的方式通过将θ (参照式(10)所描述的)带入到上述的合适的式 中来确定这些电抗分量。然而，可使用任何适合地技术。尽管已经示出并描述了本发明的实施例，但是这些实施例不意图示出和描述本发 明的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性的而非限制性的词语，应该理解，在不 脱离本发明的精神和范围的情况下可做出各种修改。
权利要求
一种电池充电器，所述电池充电器能够从包括火线和回线的配电线路接收电力并能够将所述电力传输到电池，所述电池充电器包括控制器电路，被构造为基于配电线路的输出电流和输出电压来确定通过与配电线路电连接的负载的电流以及配电线路的导线规格，并被构造为基于通过所述负载的电流和所述导线规格来控制输出电流。
2.如权利要求1所述的电池充电器，其中，在火线和回线之间测量输出电压。
3.如权利要求1所述的电池充电器，其中，配电线路还包括地线，并且在地线和火线之 间或在地线和回线之间测量输出电压。
4.如权利要求1所述的电池充电器，其中，回线为中性线。
全文摘要
本发明提供一种电池充电器，所述电池充电器能够从包括火线和回线的配电线路接收电力并能够将所述电力传输到电池，所述电池充电器包括控制器电路，被构造为基于配电线路的输出电流和输出电压来确定通过与配电线路电连接的负载的电流以及配电线路的导线规格，并被构造为基于通过所述负载的电流和所述导线规格来控制输出电流。
文档编号H02J7/04GK101867213SQ20101016373
公开日2010年10月20日 申请日期2010年4月13日 优先权日2009年4月14日
发明者保罗·威廉·凯贝里, 拉里·迪安·埃里, 艾伦·罗伊·盖尔, 迈克尔·W·德格内尔 申请人:福特全球技术公司