车用动力电池组无损伤快速充电器的制作方法

专利名称：车用动力电池组无损伤快速充电器的制作方法
技术领域：
车用动力电池组无损伤快速充电器，属于蓄电池快速充电控制技术领域。
背景技术：
目前，对于电动自行车，摩托车用蓄电池(电池容量一般在20AH以下)的快速充 电技术已趋于成熟，以马斯三定律为基础的各种脉冲充电器广泛应用于市面，普遍被消费 者接受，实际的充电效果比较理想，各种快速充电站也相继出现在各大超市，商场和重要交 通路口，给人们出行带来极大地方便。另一方面，与之同步的电动汽车用动力电池组的快速充电技术受家用电网的功率 上限限制，这一技术难题一直难有突破，大多生产厂商还是在销售电动汽车时配套传统的 三段式充电器；但由于电动汽车用动力电池组的容量大都在120AH以上，而大多传统充电 器的充电电流上限基本维持在20A左右，一组电池的充电时间至少要在8小时以上，显然 不能满足消费者的需求，而且电动汽车对于电池动力的需求远比电动汽车和电动摩托车苛 刻，因此对于快速充电的要求也就更为迫切。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是针对目前车用动力电池组充电技术现状，提供 一种车用动力电池组无损伤快速充电器，以解决家用电网功率限制，充电时间过长和电池 易充坏的问题。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是该车用动力电池组无损伤快速 充电器，其特征在于包括输入输出过流欠压保护模块，功率因数校正模块，半桥逆变模块， 半桥驱动模块，逆变输出整流稳压模块，蓄电池参数动态采样模块，充电智能控制模块，内 部供电辅助电源模块，信号数据通信模块，充电器液晶显示模块，电动车综合仪表和远程控 制；输入输出过流欠压保护模块与功率因数校正模块相连，功率因数校正模块与半桥逆变 模块相连，半桥驱动模块与半桥逆变模块相连，半桥逆变模块与逆变输出整流稳压模块相 连，逆变输出整流稳压模块连接待充电蓄电池，蓄电池参数动态采样模块连接待充电蓄电 池，充电智能控制模块分别与输入输出过流欠压保护模块，半桥驱动模块，蓄电池参数动态 采样模块和内部供电辅助电源模块相连，内部供电辅助电源模块还与输入输出过流欠压保 护模块，功率因数校正模块，半桥驱动模块，蓄电池参数动态采样模块相连，信号数据通信 模块与充电智能控制模块互连，信号数据通信模块与充电器液晶显示模块相连，远程控制 接口通过RS232数据通信模式与信号数据通信模块相连，电动车综合仪表接口通过CAN_ BUS数据通信模式与信号数据通信模块相连。所述功率因数校正模块，包括升压滤波电感Li、功率开关管Ql、Q3、功率管驱动芯 片U1、功率因数校正芯片U2、接口 J9、超快恢复二极管D1、电解电容C6、C7、Cll、C12、C17、 C26、隔直滤波电容 C15、C21、C22、C27、C29、C31、C32、功率电阻 Rl、R2、R5、R9、R13、R15 和 电阻R11、R12、R21、R31、R32，升压滤波电感Ll的接入端为接口 J3，输出端与功率开关管Ql的漏极相连；功率开关管Ql和Q3并联在交流输入端之间，功率开关管Ql的门极串接功率 电阻R2，功率开关管Q3的门极串接功率电阻R9，功率开关管Ql的门极和源极之间串联电 阻R11，功率开关管Q3的门极和源极之间串联电阻R12，功率开关管Ql和Q3的源极分别接 电源地；超快恢复二极管Dl的输入端接功率开关管Q3的漏极，输出端与电源地之间串联 功率电阻Rl, R5和R13 ；电解电容Cll, C6，C12，C7分别并联在380V/DC输出端和电源地之 间；接口 J9串联功率电阻R15后接电源地，接口 J9还依次串接有电阻R21，隔直滤波电容 C22入电源地；功率开关管驱动芯片Ul的1脚和6脚相连，且接在插座P5的4脚，并和电源 地之间分别串有电解电容C17和隔直滤波电容C15，功率开关管驱动芯片Ul的3脚接电源 地，7脚接在功率电阻R2，R9的输入侧，2脚接功率因数校正芯片U2的8脚；功率因数校正 芯片U2的3脚串接隔直滤波电容C22入电源地，功率因数校正芯片U2的1脚接电源地，6 脚接在功率电阻R5和R13之间，并串接隔直滤波电容C21入电源地，功率因数校正芯片U2 的2脚串接隔直滤波电容C31入电源地，功率因数校正芯片U2的4脚串接电阻R31入电源 地，功率因数校正芯片U2的5脚一侧依次串接电阻R32和隔直滤波电容C32入电源地，另 一侧串接隔直滤波电容以9入电源地，功率因数校正芯片U2的7脚接插座P5的4脚，并分 别通过串接电解电容以6和隔直滤波电容C27入电源地。所述半桥驱动模块，包括PWM输出控制芯片U8、单通道高速光耦U9、U12、门极驱动 芯片U5及其外围电路，其特征在于在PWM输出控制芯片U8的9脚和1脚之间设补偿器， 补偿器包括电阻R67、R69，电容C48、C49、C52和C53，电阻R67和电容C48相串联后再与电 容C52并接，电阻R67和电容C52 —端接P丽输出控制芯片U8的9脚，电容C48和电容C52 一端接PWM输出控制芯片U8的1脚，PWM输出控制芯片U8的1脚通过电容C53接地，电阻 R69和电容C49并接一端接PWM输出控制芯片U8的1脚，另一端接芯片U4。所述逆变输出整流模块包括超快恢复二极管D4、D5、D7、D25、功率电阻R8、R17、隔 直滤波电容C3、C18、电解电容C13、C14、滤波稳压电感L3、功率电阻R8和隔直滤波电容C3 串联后并接在超快恢复二极管D5的两端，功率电阻R17和隔直滤波电容C18串联后并接在 超快恢复二极管D7的两端，超快恢复二极管D5的输入侧接半桥变压器Tl的Tll端，输出 侧接滤波稳压电感L3的输入侧，超快恢复二极管D7的输入侧接半桥变压器Tl的T13端， 输出侧接滤波稳压电感L3的输入侧，半桥变压器Tl的T12端接电池负极侧，超快恢复二极 管D4和D25并联后接电池正极侧，滤波稳压电感L3的输出侧接超快恢复二极管D4的输入 侧，超快恢复二极管D25的输入侧与信号地之间依次并接有电解电容C13和电解电容C14。所述蓄电池参数动态采样模块包括多段模拟开关U4、三极管Q7、Q8、Q9、电位器 R29、R60、隔直滤波电容 C24、电解电容 C25、电阻 R27、R33、R35、R36、R37、R38、R40、R41、R42、 R44、R45、R46、R54、R56、R58、R59、R65，多段模拟开关U4的内部数字0 7表示八路开关 通道，外部数字1 16表示引脚，其中6脚接信号地，其特征在于多段模拟开关U4的15 脚一侧接霍尔电流传感器UlO的3脚，一侧依次串接电阻R35，R38，R42，R46，R54，R58和电 位器R60入信号地，电池的正极侧依次串接电阻R27，电位器R29，电阻R33，电阻R37，电阻 R40，电阻R44入信号地，插座P3的20脚接在电位器似9和电阻R33之间，插座P3的19脚 接在电阻R42和R46之间；多段模拟开关U4的4脚接在电阻R35和电阻R38之间，多段模 拟开关U4的5脚接在电阻R46和电阻肪4之间，多段模拟开关U4的1脚接在电阻R38和 电阻R42之间，多段模拟开关U4的12脚接在电阻R33和电阻R37之间，多段模拟开关U4的13脚接在电阻R40和电阻R44之间，多段模拟开关U4的14脚接在电阻RM和电阻R58 之间，多段模拟开关U4的2脚接在电阻R58和电位器R60之间。所述电动车综合仪表通过CAN_BUS数据通信模式与信号数据通信模块相连，其特 征在于CAN_BUS数据通信电路包括CAN收发器MU3、排阻MPl、插排MP2、蜂鸣器LSl、电位器 MR25、三极管 MQ4、隔直滤波电容 MClO、MC22、MC25、MC26、MC27、MC41、MC42、电解电容 MC19、 MC21、接口 MJ4、电阻MR17、MR18、MR20、MI^6、CAN收发器MU3的1脚接中央处理单元MCU的 19脚，CAN收发器MU3的4脚接中央处理单元MCU的20脚，CAN收发器MU3的3脚接+5V，2 脚接信号地，8脚串接电阻MR17入信号地，CAN收发器MU3的6脚和7脚之间串接电阻MR20， CAN收发器MU3的7脚接接口 MJ4的1脚，CAN收发器MU3的6脚接接口 MJ4的2脚；+5V 与信号地之间分别串接电解电容MC19，MC21，隔直滤波电容MC41，MC22，MC25，MC26，MC42， 排阻MPl的1脚接+5V ；插排MP2的1脚接信号地，2脚接+5V，20脚接信号地，15脚接信号 地，19脚接+5V，4脚接中央处理单元MCU的30脚，插排MP2的5脚接中央处理单元MCU的 29脚，插排MP2的6脚接中央处理单元MCU的31脚，插排MP2的3脚和18脚之间串接电位 器MR25，插排MP2的17脚和19脚之间串接电阻MR26，插排MP2的15脚和17脚之间串接 隔直滤波电容MC27 ；三极管MQ4的基极串接电阻MR18接中央处理单元MCU的26脚，集电 极经蜂鸣器LSl接信号地，发射极接+5V，+5V与信号地之间串接隔直滤波电容MC10。所述内部供电辅助电源模块采用小功率开关电源。输入输出过流欠压保护模块，加入整流桥保护措施，通过控制继电器的通断，改变 回路输出阻抗，抑制电流尖峰对整流桥的冲击；功率因数校正模块旨在提升家庭电网的有 功功率效能；半桥逆变模块采用双功率管并联驱动以增加后级可调整电流范围；半桥驱动 模块采用智能充电控制模块，PWM输出控制芯片和多段模拟开关的软硬件相结合的控制方 式；逆变输出整流稳压模块在加有LC网络的基础上，在蓄电池正极侧输入端并联两个齐 纳二极管进行进一步的稳压操作；蓄电池参数动态采样模块采用0. 25W千分之一电阻分压 和霍尔电流传感器获得充电状态参数，并采用多段模拟可控开关实现充电流程的自适应控 制。与现有技术相比，本实用新型的车用动力电池组无损伤快速充电器所具有的有益 效果是①充分利用家用电网功率，提升有功功率效能15% 30% ；②充电过程严格监控蓄电池温度和电压上限阈值，并进行输出过流保护，3. 5小时 内无损伤快速充电至蓄电池荷电量95%以上，达到快速充电而不损伤电池的目的；③对充电目标具有自适应检测的功能，充电控制部分采用传感器的检测信息(电 流，电压)，构成双闭环控制；④充电目标参数采集通过CAN-BUS通信接口板实时输出，便于与全车控制总线接 口和车用仪表系统的显示和监控。⑤充电器备有远程控制接口，可以随时进行充电策略的调整。
图1本实用新型车用动力电池组无损伤快速充电器电路原理框图；图2输入输出过流欠压保护模块电路原理图；[0021]图3功率因数校正模块电路原理图；图4半桥驱动模块电路原理图；图5半桥逆变模块电路原理图；图6逆变输出整流稳压模块电路原理图；图7蓄电池参数动态采样模块电路原理图；图8充电智能控制模块微处理器电路原理图；图9充电智能控制模块复位电路原理图；图10CAN通讯电路原理图；图11按键及RS232数据传送电路原理图；图12内部供电辅助电源模块电路原理图；图13插座引脚示意图。图14充电控制方法示意图。图15中央处理单元快充/标充转换模块的充电处理流程。附图1-15是本实用新型的车用动力电池组无损伤快速充电器最佳实施例。其中图2中RV1_RV3压敏电阻；DVl双极气体放电管；Fl保险丝；Pl，P6，P7双 针插座 Jl，J2，J3，J4，J6，J7，J8，Jll, J12，J18，J19 接口 ；RTl 防浪涌电阻；L2 共模滤波 电感；Bl隔离变压器；BDl整流桥；U3 NPN晶体管阵列；Kl继电器；U13 RS触发器；U7高线 性模拟光耦；U6，Ull单电源供电双运放；U14双电压比较器；D10，Dll, D12超快恢复二极 管；D13，D14，D15，D16，D18，D20, D23，D24小信号肖特基二极管；D17普通塑封整流二极管； Cl, C4, C9, C37, C54, C55, C56, C57, C59, C61, C62, C63 隔直滤波电容；C23, C28 电解电容； R24, R26, R30, R34, R39, R43, R48, R51, R55, R57, R70, R71, R75, R80, R81 电阻；R25, R79 电 位器；图3中Ll升压滤波电感；Q1，Q3功率开关管；Ul功率管驱动芯片；U2功率因数校 正芯片；J9 接口 ；Dl 超快恢复二极管；C6, C7，Cll, C12，C17，C26 电解电容；C15, C21，C22， C27, C29, C31, C32 隔直滤波电容；Rl, R2, R5, R9, R13, R15 功率电阻；Rll, R12, R21, R31, R32电阻；图4中U8PWM输出控制芯片；U9，U12单通道高速光耦；U5门极驱动芯片；UlO霍 尔电流传感器；D19超快恢复二极管；QlO三极管；R28, R49，R50, R52，R53，R62，R63，R64， R66, R67, R69, R72, R73, R74, R76 电阻；C33, C36, C41, C42, C44, C47 电解电容；C30, C34, C35, C38, C39, C40, C43, C45, C46, C48, C49, C51, C52, C53, C58 隔直滤波电容；图5中Q2，Q4，Q5，Q6超级功率晶体管；D3，D9齐纳二极管；D2，D8高效整流二极 管；Tl 半桥变压器；R3, R4, R7, RIO, R16, R18, R19, R22 功率电阻；R6, R14, R20, R23 电阻； C2，C16电解电容；C8, CIO, C19隔直滤波电容；图6中:D4, D5，D7，D25超快恢复二极管；R8, R17功率电阻；C3, C18隔直滤波电 容；C13，C14电解电容；L3滤波稳压电感；图7中U4多段模拟开关；Q7，Q8，Q9三极管；R29，R60电位器；CM隔直滤波电容； C25 电解电容；R27, R33, R35, R36, R37, R38, R40, R41, R42, R44, R45, R46, R54, R56, R58, R59, R65 电阻；图 8 中=MCU 中央处理单元，MD2, MD3, MD4, MD5, MD6, MD7, MD8, MD9, MD10, MDll 快速开关二极管；MC2，MC3，MC4，MC5，MC6，MC7，MC9滤波隔直电容；MC8电解电容；Yl晶振； MR6, MR14, MRl5, MR16 电阻；图9中MJ2程序下载接口 ；MUlCPU监视芯片；MDl小信号肖特基二极管；MSl按钮 开关；MJl 接口 ；MCl 电解电容；MRl, MR2, MR3, MR4, MR5, MRl3 电阻；图10中MU3CAN收发器；MPl排阻；MP2插排；LSl蜂鸣器；MR25电位器；MQ4三极 管；MC10, MC22, MC25, MC26, MC27, MC41, MC42 隔直滤波电容；MC19, MC21 电解电容；MJ4 接 口 ；MR17, MR18, MR20, MR26 电阻；图11中MU4多通道RS-232驱动器，MDBl串行通讯口，MLEDl，MLED2，MLED3发光 二极管；KEY1，KEY2, KEY3, KEY4 按键；MRTl 热敏电阻；MQ5，MQ6, MQ7 三极管；MC11，MC12, MC14, MC16, MC17, MC18, MC38, MC39 隔直滤波电容；MC15 电解电容；MR19, MR21, MR22, MR23, MR24, MR30, MR31, MR32 电阻；图12中NT1反激变压器；NU3离线电流模式控制器；NU4可控光耦；DSLEDl数字 发光二极管；NUl, NU2, NU5, NU6, NU7三端稳压电源；NQl可编程精密参考；NCI, NC2, NC5， NC9, NCl 1, NC12, NC13, NC21, NC22, NC24, NC25 电解电容；NC3, NC4, NC6, NC7, NC10, NC15, NC16,NC17,NC18,NC19,NC20,NC23,NC26,NC27 隔直滤波电容；NR6 功率电阻；NR1，NR2，NR3， NR4, NR5, NR7, NR8, NR9, NR10, NRll 电阻；NDl, ND4 超速开关二级管；ND2, ND3, ND4, ND5, ND6，ND7, ND8, ND9快速高效整流管；图 13 中P3，P4，P5 插座。
具体实施方式

以下结合附图1-15，对本实用新型的车用动力电池组无损伤快速充电器做进一步 详细说明。如附图1所示本实用新型车用动力电池组无损伤快速充电器包括输入输出过流欠压保护模块， 功率因数校正模块，半桥逆变模块，半桥驱动模块，逆变输出整流稳压模块，蓄电池参数动 态采样模块，充电智能控制模块，内部供电辅助电源模块，信号数据通信模块，充电器液晶 显示模块，电动车综合仪表，远程控制；输入输出过流欠压保护模块与功率因数校正模块相 连，功率因数校正模块与半桥逆变模块相连，半桥驱动模块与半桥逆变模块相连，半桥逆变 模块与逆变输出整流稳压模块相连，逆变输出整流稳压模块连接蓄电池，蓄电池参数动态 采样模块连接蓄电池，充电智能控制模块分别与输入输出过流欠压保护模块，半桥驱动模 块，蓄电池参数动态采样模块和内部供电辅助电源模块相连，内部供电辅助电源模块还与 输入输出过流欠压保护模块，功率因数校正模块，半桥驱动模块，蓄电池参数动态采样模块 相连，信号数据通信模块与充电智能控制模块互连，信号数据通信模块与充电器液晶显示 模块相连，远程控制接口通过RS232数据通信模式与信号数据通信模块相连，电动车综合 仪表接口通过CAN_BUS数据通信模式与信号数据通信模块相连。如附图2所示输入输出过流欠压保护模块电路原理图，NPN晶体管阵列U3的13脚接继电器Kl 的一端，并和+12V电源之间串接超快恢复二极管D12 ；NPN晶体管阵列U3的8脚和9脚之 间接有电解电容C23，8脚接入信号地；插座Pl的1脚接交流输入的N极，2脚通过继电器Kl接交流输入的L极；高线性模拟光耦U7的1脚接电源地，高线性模拟光耦U7的2脚通 过电阻R48接入单电源供电双运放U6的1脚，高线性模拟光耦U7的3脚接单电源供电双 运放U6的8脚，高线性模拟光耦U7的4脚接单电源供电双运放U6的2脚，高线性模拟光 耦U7的5脚接单电源供电双运放Ull的3脚，高线性模拟光耦U7的6脚接单电源供电双 运放Ull的8脚；单电源供电双运放TO的1脚和2脚之间串联隔直滤波电容C37，单电源供 电双运放TO的3脚串接电阻R51入电源地，单电源供电双运放U6的3脚和4脚之间串联 电阻R57，单电源供电双运放TO的4脚接电源地，单电源供电双运放TO的5脚接电源地，单 电源供电双运放U6的6脚和7脚相连；单电源供电双运放Ull的1脚与2脚连接，单电源 供电双运放Ul 1的3脚与4脚之间串联电阻R55，单电源供电双运放Ul 1的5脚接信号地， 单电源供电双运放Ull的6脚和7脚相连，单电源供电双运放Ull的8脚接+5V电源，并与 信号地之间串接有隔直滤波电容C63 ；双电压比较器U14的1脚接小信号肖特基二极管D23 的输出侧，并与信号地之间串接有隔直滤波电容C57，双电压比较器U14的2脚接current out端，并于信号地之间串接有隔直滤波电容C55，双电压比较器U14的3脚和8脚之间串 接有电阻R70，并和信号地之间串联电位器R68，双电压比较器U14的4脚接信号地，6脚接 short端，双电压比较器U14的7脚接小信号肖特基二极管DM的输出侧，8脚接+5V电源， 双电压比较器U14的5脚和8脚之间串联电阻R80，且5脚和信号地之间串联电位器R79， 双电压比较器U14的8脚和信号地之间串联隔直滤波电容C59 ；RS触发器U13的1脚通过 串联电阻R71接+5V电源，并通过串接电阻R75接RSl端口，另外小信号肖特基二极管D23 和DM的输入侧也接在的RS触发器U13的1脚，RS触发器U13的3脚接Shutd端，RS触发 器U13的6脚串接电阻R81接+5V，RS触发器U13的1脚和6脚之间串接有隔直滤波电容 C56，C61 ；隔直滤波电容C56和C61之间接信号地。J6，J7为继电器强电接口，用于控制防浪涌电阻RTl的接入时机，保护整流桥BDl 免受电网尖峰的破坏；插座Pl，P6，P7为继电器弱电接口，由NPN晶体管阵列U3驱动而分 别控制市电电路的通断，防浪涌电阻电路的通断及散热风扇电路的通断；隔离变压器Bl用 于感应电路的过流电压，通过小信号肖特基二极管D13-D16进行整流并经过滤波后，输出 至双电压比较器U14 —侧U14B的负反馈端，通过RS触发器来控制Shutd端的高低电平，从 而控制PWM输出控制芯片U8的关断，从而实现对整个电路进行输入过流保护，同时双电压 比较器U14的另一侧U14A的负反馈端接入current out端进行输出过流保护；通过单电源 供电双运放TO，U11和高速线性光耦U7组成的电路接入整流输出的正极侧，并将输出的A/ D值送入插座P3的14脚，等待中央处理器MCU进行电路的欠压保护操作。如图3所示功率因数校正模块电路原理图，升压滤波电感Ll的接入端为接口 J3，输出端与功 率开关管Ql的漏极相连；功率开关管Ql和Q3并联在交流输入端之间，功率开关管Ql的门 极串接功率电阻R2，功率开关管Q3的门极串接功率电阻R9，功率开关管Ql的门极和源极 之间串联电阻R11，功率开关管Q3的门极和源极之间串联电阻R12，功率开关管Ql和Q3的 源极分别接电源地；超快恢复二极管Dl的输入侧接功率开关管Q3的漏极，输出端与电源地 之间串联功率电阻R1，R5和R13 ；接口 J9串联功率电阻R15后接电源地，接口 J9还依次串 接有电阻R21，隔直滤波电容C22入电源地；功率开关管驱动芯片Ul的1脚和6脚相连，且 接在插座P5的4脚，并和电源地之间分别串有电解电容C17和隔直滤波电容C15，功率开关10管驱动芯片Ul的3脚接电源地，7脚接在功率电阻R2，R9的输入侧，2脚接功率因数校正芯 片U2的8脚；功率因数校正芯片U2的3脚串接隔直滤波电容C22入电源地，功率因数校正 芯片U2的1脚接电源地，6脚接在功率电阻R5和R13之间，并串接隔直滤波电容C21入电 源地，功率因数校正芯片U2的2脚串接隔直滤波电容C31入电源地，功率因数校正芯片U2 的4脚串接电阻R31入电源地，功率因数校正芯片U2的5脚一侧依次串接电阻R32和隔直 滤波电容C32入电源地，另一侧串接隔直滤波电容以9入电源地，功率因数校正芯片的7脚 接插座P5的4脚，并分别通过串接电解电容以6和隔直滤波电容C27入电源地。功率因数校正芯片U2通过3脚接入电路电流的参考电压值和6脚接入的升压后 的分压电压值，经过内部比较输出门极驱动信号，并通过功率开关管驱动芯片Ui来控制功 率开关管Ql，Q3的开关时机，确保输出电压稳定在380V/DC，即构成所谓的双闭环控制电 路，有效提高有功功率值，减少谐波污染。如图4所示半桥驱动模块电路原理图，由PWM输出控制芯片U8、单通道高速光耦U9、U12、门极 驱动芯片U5及其外围电路组成，在PWM输出控制芯片U8的9脚和1脚之间设补偿器，补偿 器包括电阻R67、R69，电容C48、C49、C52和C53，电阻R67和电容C48相串联后再与电容C52 并接，电阻R67和电容C52 —端接P丽输出控制芯片U8的9脚，电容C48和电容C52 —端 接PWM输出控制芯片U8的1脚，PWM输出控制芯片U8的1脚通过电容C53接地，电阻R69 和电容C49并接一端接PWM输出控制芯片U8的1脚，另一端接芯片U4。如图5所示半桥逆变模块电路原理图，超级功率晶体管Q2和Q4并联，Q2的漏极接380V/DC 输入端，源极接门极驱动芯片U5的6脚，基极串接功率电阻R3后接在门极驱动芯片U5的 7脚，基极和源极之间串接电阻R6，Q3的漏极接380V/DC输入端，源极接门极驱动芯片TO 的6脚，基极串接功率电阻RlO后接在门极驱动芯片U5的7脚，基极和源极之间串接电阻 R14 ；超级功率晶体管Q5和Q6并联，Q5的漏极接接门极驱动芯片U5的6脚，源极接电源地， 基极串接功率电阻R16后接在门极驱动芯片U5的4脚，基极和源极之间串接电阻R20，Q6 的漏极接门极驱动芯片U5的6脚，源极接电源地，基极串接功率电阻R22后接在门极驱动 芯片U5的4脚，基极和源极之间串接电阻R23 ；380V/DC输入端与门极驱动芯片U5的6脚 之间接有齐纳二极管D3 ；高效整流管D2和电阻R4并联后与隔直滤波电容ClO串联并接在 380V/DC输入端与门极驱动芯片U5的6脚之间；极驱动芯片U5的6脚与门极驱动芯片U5 的4脚之间接有齐纳二极管D9 ；高效整流管D8和电阻R18并联后与隔直滤波电容C19串 联并接在极驱动芯片U5的6脚与门极驱动芯片U5的4脚之间；电解电容C12和C16串联 后并接在380V/DC输入端与电源地之间；电阻R7和电阻R19串联后并接在380V/DC输入端 与电源地之间；半桥变压器Tl的初级侧同名端串联隔直滤波电容C8后一侧接在电阻R7和 R19之间，另一侧接在电解电容C2和C16之间，半桥变压器Tl的次级侧以同名端为首从上 到下依次接半桥变压器Tl的Tll端，半桥变压器Tl的T12端和半桥变压器Tl的T13端。功率开关管Q2，Q4并联，功率开关管Q5，Q6并联，意在增大半桥变压器Tl初级 侧的负载电流，从而提升次级侧输出电流的调整范围，节省充电时间；其中功率开关管Q2， Q4，Q5，Q6的门极和源极之间都加有负载电阻，目的是给功率开关管Q2，Q4，Q5，Q6内部的 电容放电，抑制电流尖峰，防止功率开关管发热严重而爆管，且半桥逆变电路的上下两个桥臂加有RDC的吸收网络和齐纳二极管D3，D9，有效地保证了半桥变压器输入端电流的稳健 性，防止半桥变压器Tl过热和偏磁，磁饱和现象的发生。如图6所示逆变输出整流稳压模块电路原理图，功率电阻R8和隔直滤波电容C3串联后并接 在超快恢复二极管D5的两端；功率电阻R17和隔直滤波电容C18串联后并接在超快恢复二 极管D7的两端；超快恢复二极管D5的输入侧接半桥变压器Tl的Tll端，输出侧接滤波稳 压电感L3的输入侧；超快恢复二极管D7的输入侧接半桥变压器Tl的T13端，输出侧接滤 波稳压电感L3的输入侧；半桥变压器Tl的T12端接电池负极侧；超快恢复二极管D4和D5 并联后接电池正极侧；滤波稳压电感L3的输出侧接超快恢复二极管D4的输入侧；超快恢 复二极管D5的输入侧与信号地之间依次并接有电解电容C13和电解电容C14。逆变输出整流稳压模块在保留RDC吸收网络的同时，在整流输出端又加入一级电 容值较大的电解电容进行稳流，并同时在输出正极侧并联两个超快恢复二极管D4，D25，确 保充电电压的稳健性和提高充电电路的安全系数。如图7所示蓄电池参数动态采样模块电路原理图，多段模拟开关U4的内部数字0 7表示八 路开关通道，外部数字1 16表示引脚，其中6脚接信号地；三极管Q7的集电极一侧接多 段模拟开关U4的11脚，另一侧串接电阻R36接+15V，三极管Q7的基极串接电阻R41后接 插座P3的16脚，三极管Q7的发射极接信号地；三极管Q8的集电极一侧接多段模拟开关 U4的10脚，另一侧串接电阻R45接+15V，三极管Q8的基极串接电阻R56后接插座P3的17 脚，三极管Q8的发射极接信号地；三极管Q9的集电极一侧接多段模拟开关U4的9脚，另一 侧串接电阻R59接+15V，三极管Q9的基极串接电阻R65后接插座P3的8脚，三极管Q9的 发射极接信号地；多段模拟开关U4的7脚和8脚相接后入信号地，多段模拟开关U4的16 脚接+15V，+15V与信号地之间依次串接有隔直滤波电容CM和电解电容C25 ；多段模拟开 关U4的15脚一侧接霍尔电流传感器UlO的3脚，一侧依次串接电阻R35，R38，R42，R46， RM，R58和电位器R60入信号地；电池的正极侧依次串接电阻R27，电位器R29，电阻R33，电 阻R37，电阻R40，电阻R44入信号地；插座P3的20脚接在电位器似9和电阻R33之间，插 座P3的19脚接在电阻R42和R46之间；多段模拟开关U4的4脚接在电阻R35和电阻R38 之间，多段模拟开关U4的5脚接在电阻R46和电阻RM之间，多段模拟开关U4的1脚接在 电阻R38和电阻R42之间，多段模拟开关U4的12脚接在电阻R33和电阻R37之间，多段模 拟开关U4的13脚接在电阻R40和电阻R44之间，多段模拟开关U4的14脚接在电阻肪4 和电阻R58之间，多段模拟开关U4的2脚接在电阻R58和电位器R60之间。采用三极管Q7，Q8和Q9控制多段模拟开关U4的9，10和11脚，保证了三个引脚 有足够强度的信号，保证了多段模拟开关U4的工作稳健性，另外多段模拟开关U4的14，15， 12，1，5，2，4引脚分别从串联到信号地的精密电阻和精密电位器采样获得电压信号，且电池 两端并联精密电阻和精密电位器相结合的分压策略，使充电控制更加准确及时，提高了充 电效率。如图8所示充电智能控制模块微处理器电路原理图，中央处理单元MCU的1脚接插座P3的8 脚，2脚接插座P3的17脚，4脚接插座P3的16脚，5脚接插座P3的15脚，35脚接插座P3的20脚，36脚接插座P3的10脚，37脚接插座P3的19脚，38脚接插座P3的14脚，43脚 接插座P3的9脚，44脚接插座P3的18脚，33脚接信号地，10脚接信号地；中央处理单元 MCU的11脚与12脚之间串接电阻MR14，中央处理单元MCU的11脚与13脚之间串接电阻 MR15，中央处理单元MCU的11脚与14脚之间串接电阻MR16，中央处理单元MCU的11脚接 +5V ；中央处理单元MCU的9脚串接电解电容MC8入信号地，中央处理单元MCU的6脚串接 电阻MR6入信号地，中央处理单元MCU的7脚串接隔直滤波电容MC7入信号地，中央处理单 元MCU的7脚串接隔直滤波电容MC9入信号地，中央处理单元MCU的7脚和8脚之间串接 晶振Yl，中央处理单元MCU的32脚接+5V。如图9所示充电智能控制模块复位电路原理图，上电复位电路使用的是CPU监视芯片MUl的 上电复位功能。如图10所示CAN通讯电路原理图，CAN收发器MU3的1脚接中央处理单元MCU的19脚，CAN收 发器MU3的4脚接中央处理单元MCU的20脚，CAN收发器MU3的3脚接+5V，2脚接信号地， 8脚串接电阻MR17入信号地，CAN收发器MU3的6脚和7脚之间串接电阻MR20，CAN收发器 MU3的7脚接接口 MJ4的1脚，CAN收发器MU3的6脚接接口 MJ4的2脚。如图11所示按键及RS232数据传送电路原理图，MLED1，MLED2，MLED3用于显示充满，故障和快 充状态的指示灯，KEYl，KEY2,KEY3,KEY4四个按键用于启动停止充电状态，快速充电与标准 充电切换，内部辅助电源启动停止状态，数据通信模式通道选择的控制。如图12所示内部供电辅助电源模块电路原理图，反激变压器NTl次级侧通过可编程精密参考 NQl获得比较信号后，经由可控光耦NU4将光电信号传送给离线开关电源电流模式控制器 NU3，用以控制调整初级侧输入占空比，达到根据电路负载自动调整输出的目的，此设计主 要是为了保证电路供电的稳健性。如图14所示本实用新型的车用动力电池组无损伤快速充电器充电控制方法如下1家用电网输入后，充电器内部进行过流欠压情况判断，若出现电路过流或是欠压 情况，则转入步骤9 ；否则，转入步骤2 ；2仪表盘显示电网状态正常，按键启动内部供电辅助电源控制开关，充电器内部充 电控制模块进行软硬件初始化操作，转入步骤3 ；3进行蓄电池状态检测，判断蓄电池有无短路或失效现象，若出现短路或失效现象 则仪表盘提示并预警，转入步骤9 ；否则，转入步骤4 ；4充电器内部充电控制模块通过采样的蓄电池状态参数，判断蓄电池是否亏电，若 是，则转入步骤5 ；否则，转入步骤9 ；5充电器内部充电控制模块通过采样的蓄电池状态参数和家用电网状态参数，计 算蓄电池可获得的最大初始充电电流，若算出的充电电流值不足蓄电池容量值的1/20，则 转入步骤9 ；否则转入步骤6 ；6充电器内部充电控制模块根据获得的充电电流值，采用慢脉冲的充电控制方式进行蓄电池的快速充电过程，若充电过程中蓄电池的温度采样值一定时间内持续超出充电 控制模块中预设的蓄电池允许最大温度值，则同时转入步骤8和步骤3 ；否则，转入步骤7 ；7快速充电进行过程中若蓄电池的端电压采样值一定时间内持续超出充电控制模 块中预设的蓄电池低析气率下允许的最大电压值，则转入步骤3 ；如若不然，则继续快速充 电过程；8仪表盘发出温度预警，充电过程暂停并提示是否按键停止内部辅助电源供电；9充电器内部充电控制模块发出电平信号，控制继电器使充电器主电路断电。现就智能充电控制模块的某一单元的工作过程进行一些具体描述如图15所示，以淄博火炬电池充电过程为例，对本实用新型车用动力电池组无损伤快速充电器 中央处理单元快充/标充转换模块的充电处理流程部分进行说明，淄博火炬电池组6节 12V/120AH单体电池串联，快充充电时间在3. 5小时 3. 7小时，标准充电时间在8小时以 上。具体充电处理流程如下智能充电控制模块首先进行初始化操作，并检测蓄电池是否接入电路，若否，则 返回智能充电控制模块的初始化状态；否则将进行人工选择充电模式标准充电或快速充 电。若选择标准充电则智能充电控制模块判断充电标志rimstate的值，确认为标准 充电模式后，先进行蓄电池故障检测，一旦发现蓄电池短路或是其他故障则立即停止充电 过程；若智能充电控制模块检测蓄电池无故障，则首先进行电池的恢复性充电，并判断充电 标志runstate的状态值为0 ；时间判定若一分钟时间未到，则显示处理充电标志runstate 值，继续恢复性充电；若一分钟时间到，则充电标志runstate的值加2并显示处理判断充电 标志runstate值而进入23A的恒流充电阶段，此时判断蓄电池端电压是否超过84. 6V (此 值为保守值，实际中此电压的取值由智能充电控制模块根据蓄电池实际参数获得，一般为 84. 6V 87. 6V之间)，若超过此电压阈值则充电标志runsta的值加1，经显示处理并判 断其标志位数据值而进入15A恒流充电阶段；否则显示处理充电标志并判断其标志位数据 值后继续23A恒流充电过程；进入15A恒流充电过程时，依旧判断蓄电池端电压是否超出 84. 6V，若未超出则显示处理充电标志并判断其标志位数据继续进行15A的恒流充电过程， 否则，充电标志runstate值加1，显示处理并判断充电标志位数值后进入恒压充电阶段，此 时改为判断充电电流值是否小于5A(此值为保守值，实际中此电流的取值由智能充电控制 模块根据蓄电池实际参数获得，一般为蓄电池额定容量的1/20左右)，若否则继续恒压充 电过程，否则结束充电过程。若选择快速充电，则智能充电控制模块判断充电标志runstate的值，确认为快速 充电模式后，先进行蓄电池故障检测，一旦发现蓄电池短路或是其他故障则立即停止充电 过程；若智能充电控制模块检测蓄电池无故障，则首先进行电池的恢复性充电，并判断充电 标志runstate的状态值为0 ；时间判定若一分钟时间未到，则显示处理充电标志runstate 值，继续恢复性充电；若一分钟时间到，则充电标志runstate的值加1并显示处理判断充 电标志runstate值而进入46A的恒流慢脉冲充电阶段，此时判断蓄电池端电压是否超过 84. 6V(此值为保守值，实际中此电压的取值由智能充电控制模块根据蓄电池实际参数获 得，一般为84. 6V 87. 6V之间)，若超过此电压阈值则充电标志runsta的值加1，经显示处理并判断其标志位数据值而进入32A恒流慢脉冲充电阶段；否则显示处理充电标志并判 断其标志位数据值后继续46A恒流慢脉冲充电过程；进入32A恒流慢脉冲充电过程时，依 旧判断蓄电池端电压是否超出84. 6V，若未超出则显示处理充电标志并判断其标志位数据 继续进行32A的恒流慢脉冲充电过程，否则，充电标志rimstate值加1，进入20A恒流慢脉 冲充电过程时，依旧判断蓄电池端电压是否超出84. 6V，若未超出则显示处理充电标志并判 断其标志位数据继续进行20A的恒流慢脉冲充电过程，否则，充电标志rimstate值加1，显 示处理并判断充电标志位数值后进入恒压慢脉冲充电阶段，此时改为判断充电电流值是否 小于9A(此值为保守值，实际中此电流的取值由智能充电控制模块根据蓄电池实际参数获 得，一般为蓄电池额定容量的1/20左右)，若否则继续恒压充电过程，否则结束充电过程。 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式 的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同 变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实 质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保 护范围。
权利要求1.一种车用动力电池组无损伤快速充电器，其特征在于包括输入输出过流欠压保护 模块，功率因数校正模块，半桥逆变模块，半桥驱动模块，逆变输出整流稳压模块，蓄电池参 数动态采样模块，充电智能控制模块，内部供电辅助电源模块，信号数据通信模块，充电器 液晶显示模块，电动车综合仪表接口和远程控制接口 ；输入输出过流欠压保护模块与功率 因数校正模块相连，功率因数校正模块与半桥逆变模块相连，半桥驱动模块与半桥逆变模 块相连，半桥逆变模块与逆变输出整流稳压模块相连，逆变输出整流稳压模块连接待充电 蓄电池，蓄电池参数动态采样模块连接待充电蓄电池，充电智能控制模块分别与输入输出 过流欠压保护模块，半桥驱动模块，蓄电池参数动态采样模块和内部供电辅助电源模块相 连，内部供电辅助电源模块还与输入输出过流欠压保护模块，功率因数校正模块，半桥驱动 模块，蓄电池参数动态采样模块相连，信号数据通信模块与充电智能控制模块互连，信号数 据通信模块与充电器液晶显示模块相连，远程控制接口通过RS232数据通信模式与信号数 据通信模块相连，电动车综合仪表接口通过CAN BUS数据通信模式与信号数据通信模块相 连。
2.根据权利要求1所述的车用动力电池组无损伤快速充电器，其特征在于所述功率 因数校正模块，包括升压滤波电感Li、功率开关管Q1、Q3、功率管驱动芯片U1、功率因数校 正芯片U2、接口 J9、超快恢复二极管D1、电解电容C6、C7、C11、C12、C17、C26、隔直滤波电容 C15、C21、C22、C27、C29、C31、C32、功率电阻 Rl、R2、R5、R9、R13、R15 和电阻 Rll、R12、R21、 R31、R32，升压滤波电感Ll的接入端为接口 J3，输出端与功率开关管Ql的漏极相连，功率 开关管Ql和Q3并联在交流输入端之间，功率开关管Ql的门极串接功率电阻R2，功率开关 管Q3的门极串接功率电阻R9，功率开关管Ql的门极和源极之间串联电阻R11，功率开关管 Q3的门极和源极之间串联电阻R12，功率开关管Ql和Q3的源极分别接电源地，超快恢复 二极管Dl的输入端接功率开关管Q3的漏极，输出端与电源地之间串联功率电阻Rl，R5和 R13 ；电解电容Cll，C6，C12，C7分别并联在380V/DC输出端和电源地之间；接口 J9串联功 率电阻R15后接电源地，接口 J9还依次串接有电阻R21，隔直滤波电容C22入电源地；功率 开关管驱动芯片Ul的1脚和6脚相连，且接在插座P5的4脚，并和电源地之间分别串有电 解电容C17和隔直滤波电容C15，功率开关管驱动芯片Ul的3脚接电源地，7脚接在功率电 阻R2，R9的输入侧，2脚接功率因数校正芯片U2的8脚，功率因数校正芯片U2的3脚串接 隔直滤波电容C22入电源地，功率因数校正芯片U2的1脚接电源地，6脚接在功率电阻R5 和R13之间，并串接隔直滤波电容C21入电源地，功率因数校正芯片U2的2脚串接隔直滤 波电容C31入电源地，功率因数校正芯片U2的4脚串接电阻R31入电源地，功率因数校正 芯片U2的5脚一侧依次串接电阻R32和隔直滤波电容C32入电源地，另一侧串接隔直滤波 电容以9入电源地，功率因数校正芯片U2的7脚接插座P5的4脚，并分别通过串接电解电 容以6和隔直滤波电容C27入电源地。
3.根据权利要求1所述的车用动力电池组无损伤快速充电器，其特征在于所述半桥 驱动模块，包括PWM输出控制芯片U8、单通道高速光耦U9、U12、门极驱动芯片U5及其外围 电路，其特征在于在PWM输出控制芯片U8的9脚和1脚之间设补偿器，补偿器包括电阻 R67、R69，电容C48、C49、C52和C53，电阻R67和电容C48相串联后再与电容C52并接，电阻 R67和电容C52 —端接P丽输出控制芯片U8的9脚，电容C48和电容C52 —端接P丽输出 控制芯片U8的1脚，PWM输出控制芯片U8的1脚通过电容C53接地，电阻R69和电容C49并接一端接PWM输出控制芯片U8的1脚，另一端接芯片U4。
4.根据权利要求1所述的车用动力电池组无损伤快速充电器，其特征在于所述逆变 输出整流模块包括超快恢复二极管D4、D5、D7、D25、功率电阻R8、R17、隔直滤波电容C3、 C18、电解电容C13、C14、滤波稳压电感L3、功率电阻R8和隔直滤波电容C3串联后并接在超 快恢复二极管D5的两端，功率电阻R17和隔直滤波电容C18串联后并接在超快恢复二极管 D7的两端，超快恢复二极管D5的输入侧接半桥变压器Tl的Tll端，输出侧接滤波稳压电 感L3的输入侧，超快恢复二极管D7的输入侧接半桥变压器Tl的T13端，输出侧接滤波稳 压电感L3的输入侧，半桥变压器Tl的T12端接电池负极侧，超快恢复二极管D4和D25并 联后接电池正极侧，滤波稳压电感L3的输出侧接超快恢复二极管D4的输入侧，超快恢复二 极管D25的输入侧与信号地之间依次并接有电解电容C13和电解电容C14。
5.根据权利要求1所述的车用动力电池组无损伤快速充电器，其特征在于所述蓄电 池参数动态采样模块包括多段模拟开关U4、三极管Q7、Q8、Q9、电位器R29、R60、隔直滤波电 容 C24、电解电容 C25、电阻 R27、R33、R35、R36、R37、R38、R40、R41、R42、R44、R45、R46、R54、 R56、R58、R59、R65，多段模拟开关U4的内部数字0 7表示八路开关通道，外部数字1 16表示引脚，其特征在于多段模拟开关U4的15脚一侧接霍尔电流传感器UlO的3脚，一 侧依次串接电阻R35，R38，R42，R46，R54，R58和电位器R60入信号地，电池的正极侧依次串 接电阻R27，电位器R29，电阻R33，电阻R37，电阻R40，电阻R44入信号地，插座P3的20脚 接在电位器似9和电阻R33之间，插座P3的19脚接在电阻R42和R46之间，多段模拟开关 U4的4脚接在电阻R;35和电阻R38之间，多段模拟开关U4的5脚接在电阻R46和电阻RM 之间，多段模拟开关U4的1脚接在电阻R38和电阻R42之间，多段模拟开关U4的12脚接 在电阻R33和电阻R37之间，多段模拟开关U4的13脚接在电阻R40和电阻R44之间，多段 模拟开关U4的14脚接在电阻RM和电阻R58之间，多段模拟开关U4的2脚接在电阻R58 和电位器R60之间。
6.根据权利要求1所述的车用动力电池组无损伤快速充电器，其特征在于所述电动 车综合仪表接口通过CAN BUS数据通信模式与信号数据通信模块相连，CAN BUS数据通信 电路包括CAN收发器MU3、排阻MP1、插排MP2、蜂鸣器LSI、电位器MR25、三极管MQ4、隔直滤 波电容MC10、MC22、MC25、M(^6、MC27、MC41、MC42、电解电容MC19、MC21、接口 MJ4、电阻MR17、 MR18、MR20、MR26、CAN收发器MU3的1脚接中央处理单元MCU的19脚，CAN收发器MU3的4 脚接中央处理单元MCU的20脚，CAN收发器MU3的3脚接+5V，2脚接信号地，8脚串接电阻 MRl7入信号地，CAN收发器MU3的6脚和7脚之间串接电阻MR20，CAN收发器MU3的7脚接 接口 MJ4的1脚，CAN收发器MU3的6脚接接口 MJ4的2脚；+5V与信号地之间分别串接电 解电容此19，]\ 21，隔直滤波电容]\ 41，]\ 22，]\ 25，]\ ^6，]\ 42，排阻]\^1 的 1 脚接 +5V ；插 排MP2的1脚接信号地，2脚接+5V，20脚接信号地，15脚接信号地，19脚接+5V，4脚接中央 处理单元MCU的30脚，插排MP2的5脚接中央处理单元MCU的四脚，插排MP2的6脚接中 央处理单元MCU的31脚，插排MP2的3脚和18脚之间串接电位器MR25，插排MP2的17脚 和19脚之间串接电阻MR26，插排MP2的15脚和17脚之间串接隔直滤波电容MC27 ；三极管 MQ4的基极串接电阻MR18接中央处理单元MCU的沈脚，集电极经蜂鸣器LSl接信号地，发 射极接+5V，+5V与信号地之间串接隔直滤波电容MC10。
7.根据权利要求1所述的车用动力电池组无损伤快速充电器，其特征在于所述内部供电辅助电源模块采用小功率开关电源。
专利摘要一种车用动力电池组无损伤快速充电器，属于蓄电池快速充电控制技术领域。包括输入输出过流欠压保护模块，功率因数校正模块，半桥逆变模块，半桥驱动模块，逆变输出整流稳压模块，蓄电池参数动态采样模块，充电智能控制模块，内部供电辅助电源模块，电动车综合仪表接口和远程控制接口；电动车综合仪表接口通过CAN_BUS数据通信模式与信号数据通信模块相连。充电控制方法为家用电网过流欠压情况判断，仪表盘显示电网状态，蓄电池状态检测，计算蓄电池可获得的最大初始充电电流，采用慢脉冲的充电控制方式进行蓄电池的快速充电过程等。具有不受家用电网功率限制，充电时间短和保护电池等优点。
文档编号H02J7/10GK201829999SQ20102052189
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者刘东林, 刘洪娥, 王任超, 秦玲, 高小群, 高述辕 申请人:山东申普汽车控制技术有限公司