一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电器及充电方法与流程

1.本发明涉及电动车电池充电技术领域，具体的说，涉及一种电动车充电器，更具体的说，涉及一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电器及充电方法。


背景技术：

2.目前我国电动车数量庞大，人们在使用电动自行车时，希望电动车随时都能用，充电速度越快越好，而现有的充电器都是按规范充电原理设计的，充电时间较长，且基本没有安全考虑，导致超过一半的电动车火灾都发生在充电过程中。现有技术的充电电源多为传导式充电器，技术上就是指电池在车上，接通交流市电进行充电。
3.在充电效率方面，实现快充的必要条件是电池必须是允许快充的电池，其次充电电源必须能提供电池容量4倍以上的大功率恒流可调电源，第三要有可靠的基本安全措施。而目前传导充电器功率都比较小，锂电池的恒流充电阶段，充电电流在0.2c到1.2c之间，不具备快充的能力。在充电安全方面，传导充电器在线路中就是一个独立的提供电源的附件，对于充电过程中的防火还没有特别的设施，一般有一个或二个温度传感器。在传导式充电过程中发生火灾的原因之一是老化等线路问题，如果车内的导线发生短路，特别是线匝内短路，充电器和线路高温，易发生燃烧。发生火灾的原因之二是电池故障和电池内部的部分短路，此外过充电也是一个重要的起火原因。
4.目前也有一些专利是关于锂电池的防火保护。例如中国专利基于主动均衡的锂电池保护装置（申请号cn201520386420.8）和一种提高电动自行车锂电池安全及寿命的防护系统（申请号cn202022096126.7）也分别公开了锂电池保护的装置，但是这些专利普遍将温度传感布局在电池内部电芯的保护上，工作原理和使用环境与本发明都不一样。
5.综上所述，目前公开的电动车充电器不能同时实现快充和保证充电过程安全。


技术实现要素：

6.本发明为了有效地解决以上技术问题，本发明提供了一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电器及充电方法，这是一种技术上可行的传导式充电器，以满足电动车充电速度快，充电过程中安全防火的需求。
7.一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电器，包括电流输出可调式开关电源、电源开关控制线、电动车锂电池、信号调理模块、电流调节控制线、微处理器模块、dcdc变换器、温度传感器阵列数据采集器、电压取样电路、通信线、单数据总线、报警模块；所述电动车锂电池内置电池控制板；所述电流输出可调式开关电源连接信号调理模块，所述信号调理模块另一端连接电动车锂电池，所述信号调理模块的信号输出端连接微处理器模块；所述电压取样电路的采样端连接电动车锂电池两端，所述电压取样电路的信号输出端连接微处理器模块；所述微处理器模块分别通过电源开关控制线和电流调节控制线连接所述电流输出可调式开关电源；所述温度传感器阵列数据采集器通过单数据总线连接所述微处理器模块；所述微处理器模块通过通信线连接所述电池控制板；所述微处理器模块连接报警模
块；所述dcdc变换器连接所述电动车锂电池，变换成需要的电压分别连接所述微处理器模块、所述信号调理模块、温度传感器阵列数据采集器。
8.进一步的，所述温度传感器阵列数据采集器，为在所述电动车锂电池的外表面设计一个紧缚的多温度传感器阵列网，由若干温度传感器组成，以单数据总线组成阵列网。
9.进一步的，还包括电池盒，所述电动车锂电池安装在所述电池盒内，所述电池盒长宽高均大于所述电动车锂电池，所述电池盒空间大小和电动车锂电池的形状相匹配，所述电池盒内部用弹性部件把所述温度传感器紧紧贴在所述电动车锂电池的外表面。
10.进一步的，所述多温度传感器阵列网外包装的若干温度传感器以间距30mm上下左右平均分布。
11.进一步的，所述温度传感器采用半导体集成温度传感器，优选为贴片式半导体集成温度传感器芯片。
12.进一步的，所述温度传感器为微型温度传感器，采用半导体温度器件18b20,2mm微型封装。
13.进一步的，所述信号调理模块为电流传感器。
14.进一步的，还包括电池保护罩。
15.一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电方法，采用如下步骤：步骤一：充电过程监控，由所述微处理器模块控制电流输出可调式开关电源，进行充电电流控制输出，电动车锂电池端充电电压数据和信号调理模块采集的充电电流数据分别送到所述微处理器模块，由所述微处理器模块对充电电流和充电电压进行数字化监控，监控所述充电电流的突变脉冲的强度和频度，在所述充电电流和充电电压没明显变化时，即在电压电流稳定状态恒流恒压充电阶段调整所述电流输出可调式开关电源，使用2c~4c的充电电流，缩短充电时间,充电过程中所述微处理器模块根据电动车锂电池的充电技术要求分步骤控制进行，所述微处理器模块和电池控制板实时通信；步骤二：电流电压安全预警，所述微处理器模块监控的所述充电电流和充电电压出现突然性和快速变化现象，通信所述报警模块，发出安全预警；步骤三：温度安全预警，由所述微处理器模块监控所述温度传感器阵列数据采集器的温度变化的分布情况，充电时由若干所述温度传感器测量所述电动车锂电池四周的温度分布的变化，正常充电时将温度数据实时传输至所述微处理器模块存储，若温度发生异常升高变化，则利用温度扩散传播的时滞性,所述微处理器模块控制所述电流输出可调式开关电源，停止充电并通信所述报警模块，发出安全预警；步骤四：在电动车锂电池达到满电电压后，所述微处理器模块切断所述电流输出可调式开关电源，防止过充电火灾发生。
16.本发明的有益效果是：1.本发明使用电流输出可调式开关电源，充电电流可以自动调整为2c~4c，充电时间可以提高很多，由此达到了快充的目的。
17.2.本发明的自动调节恒流充电电流的强度，是在充电安全条件下自动选择的，由此达到了安全快充的目的。
18.3.电动车锂电池起火的原因是电池内部的多个电芯的一个短路或者故障引起发热，因此电动车锂电池发热的位置是不固定的。为了解决温度扩散传播的时滞性的问题，本
发明使用了温度传感器阵列数据采集器，比少数测温点更快发现电动车锂电池的温度，可以在没达到燃点时终止充电能量供给，防止火灾发生。
19.4.由于充电电流和电压的突变不能准确判定是否有火灾要发生，本发明采用信号调理模块能够监控充电电流和电压的突变，可以比温度传感器阵列数据采集器更早地发现异常现象，为之后的温度传感器阵列数据采集器火灾准确预警判断提供技术支持和保证。
20.5.本发明采用精密微小的贴片式集成温度传感器芯片测量多点的温度变化，微处理器模块查询温度的变化位置和变化速度，即可进行火灾预警计算，比单个或几个温度点测量预警起火的准确度要高许多，特别是不管电动车锂电池哪个位置发生热突变都可以及时发现。
附图说明
21.为了更好地表达本发明的技术方案，下面将对本发明的进行附图说明：图1是本发明实施例一结构框图。
22.附图标号说明：1.电流输出可调式开关电源；2.电动车锂电池；3.信号调理模块；4.微处理器模块；5.dcdc变换器；6.温度传感器阵列数据采集器；7.报警模块；8.电源开关控制线；9.电流调节控制线；10.电池盒；11.电压取样电路；12.通信线。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明进行细致全面地描述与说明,可以使得本领域的技术人员更好的了解本发明。
24.一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电器，“传导式”说明锂电池在固定的地方——车上，装锂电池的地方是固定的，我们就可以制造一个特殊的环境。安全快速充电器，“快速充电器”是要在短时间内充电80%，那么充电电流就很大，半小时充完10ah的电池需要20a的电流，这么大的电流对于电池和充电器都是巨大的故障（火灾）隐患，所以快速充电必须有更好的保护。
25.实施例一参阅图1，一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电器，包括电流输出可调式开关电源1、电源开关控制线8、电动车锂电池2、信号调理模块3、电流调节控制线9、微处理器模块4、dcdc变换器5、温度传感器阵列数据采集器6、电压取样电路11、通信线12、单数据总线、报警模块7、电池盒10。大功率锂电池一般是由多个电芯（即小电池）并串堆积起来的，这些小电池需要一个电池控制板，检测每一个小电芯或一组小电芯的充电和放电过程，电池控制板和电池其实是包装在一起的，就是锂电池，因此电动车锂电池2内置了电池控制板。电流输出可调式开关电源1连接信号调理模块3，信号调理模块3另一端连接电动车锂电池2，信号调理模块3的信号输出端连接微处理器模块4；电压取样电路11的采样端连接电动车锂电池2两端，电压取样电路11的信号输出端连接微处理器模块4；微处理器模块4通过电源开关控制线8连接电流输出可调式开关电源1；微处理器模块4通过电流调节控制线9连接电流输出可调式开关电源1。温度传感器阵列数据采集器6通过单数据总线连接微处理器模块4。本实施例的一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电器，还包括为电动车锂电池2设置长宽高均大于所述电动车锂电池的电池盒10，将电动车锂电池2安装在车上的电池盒10里，电池盒10空间大小和电动车锂电池2的形状相匹配，电池盒10内部用弹性部件
把若干贴片式半导体集成温度传感器芯片紧紧贴在电动车锂电池2的外表面。本实施例使用的弹性部件为弹性衬垫，使得电动车锂电池2和弹性衬垫紧密接触。本实施例的温度传感器阵列数据采集器6，为在电动车锂电池2的外表面设计一个紧缚的多温度传感器阵列网作为外包装，多温度传感器阵列网由若干微型贴片式半导体集成温度传感器芯片组成，若干微型贴片式半导体集成温度传感器芯片以间距30mm上下左右平均分布，微型贴片式半导体集成温度传感器芯片与微处理器模块4的连接导线放置在弹性衬垫内部，以单数据总线组成多温度传感器阵列网。本实施例的温度传感器采用半导体温度器件18b20,2mm微型封装。微处理器模块4通过通信线12连接电池控制板；微处理器模块4连接报警模块7；dcdc变换器5连接电动车锂电池2，变换成需要的电压分别连接微处理器模块4、信号调理模块3、温度传感器阵列数据采集器6。由于各模块有各自需要的工作电压，这些不同的工作电压都是由dcdc变换器5变换出来的，本实施例用“需要的电压”代替几种模块输出所需的工作电压。
26.本实施例使用的信号调理模块3为电流传感器，在充电输入线上安装电流传感器，正常充电，不管电流多大，都是平稳变化的，当电动车锂电池2有故障时，电流会有比较大的跳动脉冲，这样测量电流的变化可以判别充电负载（即电动车锂电池2）是否有“打火”故障。
27.本实施例使用电压取样电路11进行电压数据采集，将结果传输给微处理器模块4进行监控和分析。
28.本实施例还可以使用的弹性部件为弹性支架。
29.实施例二与实施例一的不同在于，首先，快速充电时，微处理器模块4根据信号调理模块3测量电流可以预算充电时间，同时进行电压测量可以判别和控制充电是否结束，避免过充电容易引起火灾。其次，快速充电或正常使用时，同样监视电压电流的变化，如果电动车上有短路发热的情况，报警模块7启动报警，防止电动车在运行和放置时发生火灾。第三，为了安全，充电和放电过程是单选的，使用自动开关切换，此为现有技术。第四，本发明的锂电池电动自行车传导式安全快速充电器是在车上配置的，应用时接通“充电“开关，充完电报警模块7自动报警，返回用电状态。第五，电动车锂电池2的外表面还可以安装电池保护罩，用于防爆应急，进一步保护电动车锂电池2。
30.电动车锂电池2起火的原因是电池内部的多个电芯的一个短路或者故障引起发热，因此电动车锂电池2发热的位置是不固定的。由于电动车锂电池2外壳和其内部有空隙，导致热量传递很慢，多温度传感器阵列网使得温度异常点附近总会有一个温度传感器先探测到温度异常，比在特定位置使用温度传感器发现时间要早很多，可以在未起火之前关掉电流输出可调式开关电源1，防止火灾发生。另外多温度传感器阵列网能够同时测量多个温度点，有一个温度分布空间，可以同时判别多个温度异常点和发热程度，以及热的传播速度，这些都是判断火灾灾害的重要数据。
31.实施例三一种锂电池电动自行车传导式安全快速充电方法，采用如下步骤：步骤一：充电过程监控，由微处理器模块4控制电流输出可调式开关电源1，进行充电电流控制输出，电动车锂电池2端充电电压数据和信号调理模块3采集的充电电流数据分别送到微处理器模块4，由微处理器模块4对充电电流和充电电压进行数字化监控，监控充电电流的突变脉冲的强度和频度，在充电电流和充电电压没明显变化时，即在电压电流稳定状态充电阶段调整电流输出可调式开关电源1，使用2c~4c的充电电流，缩短充电时间,充电过程中微处理器模块4根据电动车锂电池2的充电技术要求分步骤控制进行，微处理器模
块4和电池控制板实时通信。充电技术要求为现有公知常识。本发明的电流输出可调式开关电源1、微处理器模块4、dcdc变换器5、信号调理模块3、电压取样电路11、电池保护罩均为市面上可以采购的现有技术。本实施例使用的电压取样电路11应用电阻分压器（两电阻分压）；微处理器模块4使用stm32f系列；dcdc变换器5，各种电源管理芯片都可以，本实施例使用78xx系列；电流输出可调式开关电源1，市售数调开关电源，功率可选可调，本实施例使用明纬电源。
32.步骤二：电流电压安全预警，微处理器模块4监控的充电电流和充电电压出现突然性和快速变化现象，通信报警模块7，发出安全预警；步骤三：温度安全预警，由微处理器模块4监控温度传感器阵列数据采集器6的温度变化的分布情况，充电时由若干温度传感器测量电动车锂电池2四周的温度分布的变化，正常充电时将温度数据实时传输至微处理器模块4存储，若温度发生异常升高变化，则利用温度扩散传播的时滞性,微处理器模块4控制电流输出可调式开关电源1，停止充电并通信报警模块7，发出安全预警；步骤四：在电动车锂电池2达到满电电压后，微处理器模块4切断电流输出可调式开关电源1，防止过充电火灾发生。
33.本发明的技术效果是，若使用大电流快速充电，则充电时间变短。若采用2c的充电电流充电，充电时间理论上是30分钟充满。用4c的充电电流充电，20分钟充满。而电动车锂电池充电起火主要原因有，电路漏电短路，电动车锂电池内部故障，过充电。起火的过程都是温度急剧升高达到燃点，但是过程要有一段时间。因此快充的大电流状态更容易发生起火故障。电流电压安全预警设计和温度分布测量可以有效保证大电流充电的安全。
34.本发明有三个安全环节可以有效的预防故障的发生。一是在电动车锂电池的外表面设计有一个紧缚的多温度传感器阵列网作为外包装，精密微小的贴片式半导体集成温度传感器芯片测量多点的温度变化。二是微处理器模块查询温度的变化位置和变化速度，即可进行火灾预警计算。比单个或几个温度点测量预警起火的准确度要高许多，特别是不管锂电池哪个位置发生热突变都可以及时发现。三是充电过程中无论线路原因还是电动车锂电池原因引起的火灾时，初期都会发生充电电流和电压的剧烈变化，之后温度急剧上升，引起火灾。微处理器模块电流电压数据处理基本原则是，按照电动车锂电池的充电技术要求，进行充电控制，监控充电电流的突变脉冲的强度和频度，可以在多温度传感器阵列网温度升高之前，进行预警，结合多温度传感器阵列网的信息准确判断起火故障，发出报警信号，切断电源，停止充电。同时在保证没有火灾危险的前提下，控制开关电源进行最大量的恒流充电，节省充电时间。在电动车锂电池达到满电电压后，切断充电电源，防止过充电火灾发生。
35.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。