具有防火防爆功能的电动自行车智能充电器及充电方法

摘要

本发明公开了一种电动自行车智能充电器，属于电动自行车技术领域，包括微控制器以及与所述微控制器相连的交流开关、可调直流电源、充电控制开关、电压采集模块、电流采集模块、存储器以及显示模块。另外，本发明还提供了一种基于上述充电器的电动自行车电池的充电方法。本发明的有益效果是：1、能够匹配不同型号电池，自动调整充电参数，解决了电动自行车充电器不能通用的问题；2、具有漏电流保护，保证用户人身安全。具有防过充、防过压、防过流和防过热等防护功能，电池充满后能够自动断电。保证电池充电过程安全。具有充电电压温度补偿功能，保证电池不过充，不欠充，失水少，延长电池使用寿命。

权利要求

1.一种电动自行车电池的充电方法，基于电动自行车智能充电器，所述电动自行车智能充电器包括微控制器(1)以及与所述微控制器(1)相连的交流开关(2)、可调直流电源(3)、充电控制开关(4)、电压采集模块(5)、电流采集模块(6)、存储器(7)以及显示模块(8)，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、将电池(10)与充电器相连接，充电器首先识别所要充电的电池(10)的参数，然后将获得的参数与存储器(7)内电池参数数据库中的数据进行匹配并找到最接近的匹配项；

步骤B、充电器按照电池参数数据库中最接近匹配项相对应的充电参数对电池(10)进行充电，充电完成后对电池(10)断电；

在步骤A中充电器对所要充电电池参数的识别包括以下步骤：步骤(1)、建立典型电池模型函数

其中，u为实测电池电压，范围在0～80V之间，U为额定电池电压，包括24V、36V、48V、60V四种电压，SOC为当前电池荷电状态，范围在0～100％之间，T为电池负极温度，i为实测充电电流，范围在0～10A之间，τ为设定的充电时长，C为电池容量，范围在10Ah～38Ah之间；

步骤(2)、检测电池电压u与电池负极温度T并与电池参数数据库内的数据进行比较，得到初步电池参数的一组可能解{u0,T0,U1,SOC1,C1}，{u0,T0,U2,SOC2,C2}，……，{u0,T0,Un,SOCn,Cn}；

步骤(3)、以电流i进行充电，充电时长τ后停止充电，检测充电停止时刻电池电压u1和电池负极温度T1，计算SOC变化值ΔSOC得到一组可能解：{u1,T1,U1,SOC1+ΔSOC1,C1}，{u1,T1,U2,SOC2+ΔSOC2,C2}，……，{u1,T1,Un,SOCn+ΔSOCn,Cn}，其中u1满足

步骤(4)、重复N次步骤(4)得到n组电池参数解集步骤(5)、计算实测电压值与参数模型计算值的残差平方和然后求n组解集中残差平方和SSR最小的解，得到与典型电池模型曲线拟合度最佳解{U,SOC,C}，

其中电池电压实测值为uM M＝1～N

电池模型预测值u′M＝fm(Um,SOCm+M*SOCm,Tm)M＝1～N,m＝1～n。

2.根据权利要求1所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，电池参数数据库中包括多组电池数据参数，每组电池数据参数包括额定电压、电池容量、电池荷电状态值、最大充电电压、最大充电电流。

3.根据权利要求2所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，在步骤B对电池充电的过程包括恒流均充阶段、恒压均充阶段和间歇充电阶段，并且依据所述的电池数据参数自动调整充电状态和充电参数；

首先以最大充电电流IMAX恒流均充方式进行充电，当充电电压升高到最大充电电压UMAX后，保持充电电压不变，进入恒压均充阶段并开始计时，其中IMAX＝0.15C～0.3C，UMAX＝

1.20U～1.30U；进入恒压均充阶段后，当检测到充电电流IC1在0.03C～0.04C间或者恒压均充持续时间超过T1后，停止充电，进入间歇充电阶段并开始计时，其中T1＝2h～6h；

进入间歇充电阶段后，实时监测电池电压，当充电电压大于UMAX时，停止充电，当电池电压下降到UC后，开始以电流IC2恒流充电，如此循环，其中，UC＝1.10U～1.15U，IC2＝0.04C～0.1C，间歇充电阶段持续时间T2为0.5h～3h，时间到后停止充电。

4.根据权利要求1‑3任一项所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，在充电过程中实时采集环境温度T和电池充电接头位置温度TBAT，并根据所检测到的电池温度TBAT自动修正最大充电电压值UMAX(T)，其中，UMAX(T)＝k1(T‑25)U25，UMAX(T)表示在电池温度为T时电池最大充电电压值，T在‑10℃～

55℃之间，k1为电池温度补偿系数，取值在‑0.1％/℃～‑0.3％/℃之间，U25表示在电池温度为25℃时电池最大充电电压值。

5.根据权利要求4所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，充电过程中依据电池温度TBAT、限流温差门槛ΔTMAX以及电池温度TBAT与环境温度T的差值ΔT实时调节充电电流，当检测到电池温度TBAT与环境温度T的差值ΔT大于ΔTMAX1时，调节充电电流为In+1＝k2(ΔT‑ΔTMAX1)In；当检测到电池温度升温速度超过ΔTMAX2/s则减小充电电流至In+1＝k3*In，其中，ΔTMAX1取值范围为5℃～10℃之间，In为当前充电电流，In+1为调节后充电电流，k2为调节系数并且 电池温度TBAT采样周期为1s～5s之间，k3为调节系数，取值范围为0.5～0.8之间，ΔTMAX2取值范围在3℃～5℃之间。

6.根据权利要求5所述的电动自行车电池的充电方法，其特征在于，充电过程中当检测到电池温度TBAT低于充电低温门槛TMAX1或高于过热停止充电门槛TMAX2时，停止充电；当电池温度TBAT与环境温度T的温差ΔT大于温差门槛ΔTMAX3时停止充电并上报温差越限告警，检测电池温升速度超过ΔTMAX4/s则立即停止充电，并产生声光报警，其中TMAX1取值范围在‑20℃～‑10℃之间，TMAX2取值范围在55℃～65℃之间，ΔTMAX3取值范围在15℃～20℃之间，ΔTMAX4取值范围在5℃～10℃之间，电池温度TBAT采样周期为1s～5s。

说明书

具有防火防爆功能的电动自行车智能充电器及充电方法

技术领域

[0001] 本发明属于电动自行车技术领域，具体涉及一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电器及充电方法。

背景技术

[0002] 普通充电器只能适用于固定型号的电池，如果充电器与电池信号不匹配，则可能导致电池无法充电或者严重过充，甚至造成电池起火爆炸。常规充电器的充电参数是按照
新电池参数调校的，随着在使用过程中电池的老化，会出现电池的内阻增大、容量会降、充
电尾电流增加等参数变化，会造成充电器不能及时由均充状态转为浮充状态，也会造成电
池严重过充甚至引起火灾。经调查，电动自行车引起的火灾事故案例中超过80％是在夜间
充电时发生的，很多电动自行车用户在晚上时间进行充电，电池充满后不能人为关断电源，
普通充电器不能在电池充满后自动断电，大大增加了电池过充起火的隐患。此外，普通充电
器还没有温度补偿功能，容易造成冬季欠充夏季过充，且对充电过程中电池温度异常，没有
保护功能。常规充电器没有硬件自检功能，如果限流或限压电路器件损坏很可能造成安全
事故。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电器及充电方法，通过对所要充电的电池参数进行识别并根据识别情况制定相应的充电策
略，可以有效防止电池过充过热，延长电池寿命，防止电池起火爆炸。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电器，其特征在于，包括微控制器以及与所述微控制器相连的交流开关、可调
直流电源、充电控制开关、电压采集模块、电流采集模块、存储器以及显示模块。

[0005] 本发明还提供了一种基于上述充电器的电动自行车电池的充电方法，包括以下步骤：步骤A、将电池与充电器相连接，充电器首先识别所要充电的电池的参数，然后将获得的
参数与存储器内电池参数数据库中的数据进行匹配并找到最接近的匹配项；

[0006] 步骤B、充电器按照电池参数数据库中最接近匹配项相对应的充电参数对电池进行充电，充电完成后对电池断电。

[0007] 本发明的有益效果是：1、能够匹配不同型号电池，自动调整充电参数，解决了电动自行车充电器不能通用的问题，防止因充电器与电池不匹配导致电池起火等安全隐患；2、
具有漏电流保护，保证用户人身安全。具有防过充、防过压、防过流和防过热等防护功能，电
池充满后能够自动断电，保证电池充电过程安全。具有充电电压温度补偿和过热保护功能，
防止电池起火爆炸。

[0008] 下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

[0009] 图1是本发明电动自行车智能充电器的控制原理图；

[0010] 图2是步骤A中电池参数识别的流程图；

[0011] 图3是不同规格电池电荷状态‑电压关系曲线示意图；

[0012] 图4是步骤B充电过程中的充电控制示意图。

[0013] 在附图中：1是微控制器，2是交流开关，3是可调直流电源，4是充电控制开关，5是电压采集模块，6是电流采集模块，7是存储器，8是液晶显示模块，9是电池温度和环境温度
采集模块，10是电池，大箭头代表电源线，小箭头代表控制线。

具体实施方式

[0014] 参见附图1和2，本发明提供了一种具有防火防爆功能的电动自行车智能充电器，包括微控制器1以及与所述微控制器1相连的交流开关2、可调直流电源3、充电控制开关4、
电压采集模块5、电流采集模块6、存储器7、显示模块8以及电池温度和环境温度采集模块9。

[0015] 市电经过漏电流传感器和交流开关2，连接到可调直流电源3。微控制器1控制可调直流电源3输出与电池10匹配的电压值。直流电压通过充电控制开关4后由充电接头引出，
充电接头处连接电压采集模块5和电流采集模块6。电池温度和环境温度采集模块9中的电
池负极温度传感器紧贴充电接头负极插针，环境温度传感器安装在充电器机壳外侧。

[0016] 本发明还提供了一种基于上述的电动自行车智能充电器的电动自行车电池的充电方法，包括以下步骤：

[0017] 步骤A、将电池10与充电器相连接，充电器首先识别所要充电的电池10的参数，然后将获得的参数与存储器7内电池参数数据库中的数据进行匹配并找到最接近的匹配项。

[0018] 电池参数数据库中包括多组电池数据参数，每组电池数据参数包括额定电压、电池容量、电池荷电状态值(SOC)、最大充电电压、最大充电电流。

[0019] 参见附图2和3，在本步骤中首先要识别所要充电的电池10的当前的参数，包括以下步骤：

[0020] 步骤(1)、建立典型电池模型函数

[0021] 其中，u为实测电池电压，范围在0～80V之间，U为额定电池电压，包括24V、36V、48V、60V四种电压，SOC为当前电池荷电状态，范围在0～100％之间，T为电池负极温度，i为
实测充电电流，范围在0～10A之间，τ为设定的充电时长，C为电池容量，范围在10Ah～38Ah
之间；

[0022] 步骤(2)、检测电池电压u与电池负极温度T并与电池参数数据库内的数据进行比较，得到初步电池参数的一组可能解{u0,T0,U1,SOC1,C1}，{u0,T0,U2,SOC2,C2}，……，{u0,T0,
Un,SOCn,Cn}；

[0023] 步骤(3)、以电流i进行充电，充电时长τ后停止充电，检测充电停止时刻电池电压u1和电池负极温度T1，计算SOC变化值ΔSOC得到一组可能解：

[0024] {u1,T1,U1,SOC1+ΔSOC1,C1}，{u1,T1,U2,SOC2+ΔSOC2,C2}，……，{u1,T1,Un,SOCn+ΔSOCn,Cn}，

[0025] 其中u1满足

[0026] 步骤(4)、重复N次步骤(3)得到n组电池参数解集

[0027]

[0028] 步骤(5)、计算实测电压值与参数模型计算值的残差平方和

[0029]

[0030] 然后求n组解集中残差平方和SSR最小的解，得到与典型电池模型曲线拟合度最佳解{U,SOC,C}，即得到当前电池的参数(额定电池电压值，当前电池荷电状态值，电池容量)，
其中，电池电压实测值为uM(M＝1～N)

[0031] 电池模型预测值u′M＝fm(Um,SOCm+M*ΔSOCm,Tm)(M＝1～N,m＝1～n)。

[0032] 步骤B、充电器按照电池参数数据库中最接近匹配项相对应的充电参数对电池10进行充电，充电完成后对电池10断电。在充电的过程中通过液晶显示模块显示当前的充电
参数。

[0033] 参见附图4，对电池10充电的过程包括恒流均充阶段、恒压均充阶段和间歇充电阶段。具体地，首先以IMAX恒流均充方式进行充电，当充电电压升高到UMAX后，保持充电电压不
变，进入恒压均充阶段并开始计时，其中IMAX＝0.15C～0.3C，UMAX＝1.20U～1.30U。进入恒压
均充阶段后，当检测到充电电流小于IC1或者恒压均充持续时间超过T1后，停止充电，进入间
歇充电阶段并开始计时，其中IC1＝0.03C～0.04C、T1＝2h～6h。进入间歇充电阶段后，实时
监测电池电压，当充电电压大于UMAX时，停止充电，当电池电压下降到UC后，开始以电流IC2恒
流充电，如此循环，其中，UC＝1.10U～1.15U，IC2＝0.04C～0.1C，间歇充电阶段持续时间T2
为0.5h～3h，时间到后停止充电。

[0034] 在上述的充电过程中实时采集环境温度T和电池充电接头位置温度TBAT。在充电过程中可依据电池温度TBAT实时调节充电电流，具体地，根据所检测到的电池温度TBAT自动修
正最大充电电压值UMAX(T)，其中，UMAX(T)＝k1(T‑25)U25，UMAX(T)表示在电池温度为T时电池
最大充电电压值，T在‑10℃～55℃之间，k1为电池温度补偿系数，取值在‑0.1％/℃～‑
0.3％/℃之间，U25表示在电池温度为25℃时电池最大充电电压值。

[0035] 充电过程中依据电池温度TBAT、限流温差门槛ΔTMAX以及电池温度TBAT与环境温度T的差值ΔT实时调节充电电流，当检测到电池温度TBAT与环境温度T的差值ΔT大于ΔTMAX1
时，调节充电电流为In+1＝k2(ΔT‑ΔTMAX1)In；当检测到电池温度升温速度超过ΔTMAX2/s则
减小充电电流至In+1＝k3*In，其中，ΔTMAX1取值范围为5℃～10℃之间，In为当前充电电流，
In+1为调节后充电电流，k2为调节系数并且 电池温度TBAT采样周期为1s
～5s之间，k3为调节系数，取值范围为0.5～0.8之间，ΔTMAX2取值范围在3℃～5℃之间。

[0036] 充电过充中具有多级温度保护功能。充电过程中当检测到电池温度TBAT低于充电低温门槛TMAX1或高于过热停止充电门槛TMAX2时，停止充电；当电池温度TBAT与环境温度T的温
差ΔT大于温差门槛ΔTMAX3时停止充电并上报温差越限告警，检测电池温升速度超过Δ
TMAX4/s则立即停止充电，并产生声光报警，其中TMAX1取值范围在‑20℃～‑10℃之间，TMAX2取
值范围在55℃～65℃之间，ΔTMAX3取值范围在15℃～20℃之间，ΔTMAX4取值范围在5℃～10
℃之间，电池温度TBAT采样周期为1s～5s。

[0037] 本发明智能充电器能够自动检测电池参数，可适用于不同型号的电动自行车电池。采用智能充电策略，电池充满后能够自动断电，防止长时间充电导致电池过充和失水，
延长电池循环寿命，防止电池起火爆炸，保证充电安全。具有充电电压温度补偿和过热保护
功能，保证电池不过充，不欠充，失水少，保证充电安全。

[0038] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然
可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发
明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。