专利名称：一体化蓄电池充放电过程自适应测控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通用一体化蓄电池充放电过程自适应控测系统。特别是涉及一种根据电动车蓄电池组完整生命周期内多变量的实时状态，动态调控电源适配器、负载功率控制器工作在相应的优化状态，使应用实例具有更完善安全、保护功能的一体化蓄电池充电和放电过程自适应控测系统。
背景技术：
蓄电池组体温、荷电状态、电解液浓度、隔板液体饱和度、极板活性物质的微观结构等随时都在发生着变化，特别是在恶劣的使用环境下，如公知电动车充电和放电过程的关键控制参数，偏离其充电器、负载功率控制器的设计值甚远。我们以一年为周期考察电动车可能的工作环境温度，其变化范围可达负30至55摄氏度，这意味着蓄电池组的体温变化可能达80摄氏度之巨。由于蓄电池组的物理性质所致，适宜充电电压必然随其体温发生显著的改变，具体数据后文给出。由于公知电动车的蓄电池充、放电过程控制采用固定参数的技术模式设计、制造，这必然导致充电、放电电压严重偏离最佳值，不仅浪费了大量能源，还直接导致蓄电池组因过充、欠充、过放电而迅速报废。特别是面向消费者使用的蓄电池组一旦售出，很难得到专业的技术支持、维护。因此，即使长期处于极不适当的充电、放电状态，由于难以直观发现存在的问题，用户自然毫不知情，导致蓄电池的使用寿命与设计寿命虽然差距巨大，却被长期隐藏，甚至连专业人员也习以为常。由于蓄电池组在电信、银行、各种电动车辆等其他行业的使用十分广泛，我们已为此付出了巨大的社会成本和环境成本！公知电动车充电系统采用外置充电器的技术结构，这样做虽然能够避开各个国家推行的家用电器强制安全认证，却使许多用户只得随车携带外置充电器，虽然不十分不便， 也能实现部分用户移动充电的需求。但是，由于其是非抗震、室内应用设计，车体震动极易造成外置充电器损坏，一旦进水、结露还有很大的安全隐患。由于对蓄电池组充电原理认识上的错误，普遍把充电器的功率做得尽量小，唯恐把蓄电池组充坏，却忽视、回避了由于外置充电器不能适应蓄电池组完整生命周期内多变量的线性和非线性的变化，导致充电、放电过程严重偏离了最佳值，这才是外置充电器，功率控制器成为蓄电池组隐形杀手的关键因素。公知电动自行车外置充电器与蓄电池连接的插头、插座，大多采用国际通用 110V/220V交流市电的电源接口代用，虽然能降低成本、方便更换，却显然违背基本的安全设计原则，存在许多重大安全隐患！如可能将交流市电的高压电源插头直接与蓄电池的低压直流电相连等！对广大消费者的安全、财产构成威胁。由于国际上很难接受这种不规范的电源接口设计，严重制约了电动车的推广应用。利用通用的110V/220V市电电源为电动车随处快速充电，可无限扩展电动车的骑行半径，外置充电器却带来了电源接口的混乱和重大安全隐患。
同样，蓄电池电量显示装置也应根据蓄电池体温变化做出相应的矫正，只有这样， 才能正确显示蓄电池荷电状态、剩余电量，避免误导管理、驾乘人员。公知电动车的负载功率调控、管理部分的安全、保护功能也存在严重技术、设计缺陷。例如车速调控机构的脚踏车速调控器或手控转把式车速调控器的接地线一旦开路或输出线与电源线短路，电动车立即进入失控的最高车速状态运行，也即俗称的飞车！对儿童、老年及不熟练的驾乘人员的生命财产构成潜在威胁！在某些类型的电动车辆上设置有自锁手刹车机构，用于停车时避免车辆的滑行， 许多情况下由于不熟悉操作步奏、健忘、突发紧急事由等其他因素，正常行驶前忘记了释放自锁手刹车机构，导致车辆在刹车状态运行，不仅浪费大量电能，时间一长，很可能损坏刹车机构，带来安全隐患。因此，用户迫切需要一种质量可靠、价格低廉的能够确保蓄电池组完整生命周期内始终处于优化充电、放电、蓄电池体温、荷电状态超限保护、剩余电量显示等，使各种应用实例具有更完善安全、保护功能的一体化蓄电池充电和放电过程自适应测控系统。
发明内容
本发明以公知电动车铅酸蓄电池组的充电、放电过程测控系统存在的种种缺陷为例，提出了经长期实验研究，可通用于发光二极管照明系统、备用电源系统、舰船电源系统、 汽车电源系统、太阳能蓄、供电系统等其它应用环境、场合的蓄电池完整生命周期内充电、 放电过程自适应测控、管理系统的技术实现方法。传统铅酸蓄电池组，在几十年以前就可以轻松实现1500——2000次深循环，浮充使用寿命可长达15年 20年(详见机械工业出版社出版的《铅酸蓄电池制造与过程控制》 一书，第一章第12页，而目前好的(尤其是电动自行车应用)阀控式密封铅酸蓄电池组的实际深循环使用寿命，只能达到三百多次，其它应用环境、场合的情况也大多如此。请注意是现场应用环境、场合中的实际使用寿命，而不是实验室特定条件下的测试结果。这两者的差距很大！长期以来，由于电动车等其它应用环境、场合蓄电池的实际使用寿命和设计寿命相比，存在巨大的差距，始终没有得到有效的解决，使电动车蓄电池成为公认的电动车上价值最高、用户抱怨最强烈的易损件。负载功率过程控制部分的安全、保护功能也存在严重技术、设计缺陷，整车电路布局不合理造成易浸水、浪费大量铜线、检修复杂、困难、显著增加了安全隐患。为解决蓄电池及其相关电路在上述公知电动车等其它应用环境、场合存在的许多重大安全隐患和蓄电池的实际使用寿命与设计寿命存在巨大差距的技术难题。本发明提出具有测控模块、蓄电池组、电源适配器、负载功率控制器、一体化密封、散热结构的一体化蓄电池完整生命周期内充电、放电过程自适应测控系统的技术实现方法。下文结合附图阐述本发明内容。请参见附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6、附图7。自适应充放电模式研究发现，目前公知电动车等其它应用环境、场合广泛采用的各种多阶段型蓄电池充电器、充电装置，都不能摆脱恒流、恒压、浮充的充电过程，由于恒流、恒压、浮充充电过程中各阶段转换的判断依据是蓄电池组的端电压！而且都是固定不变的一个电压点值 (包括各种智能型脉冲充电器)。例如在电动车可能的工作环境内，我们以一年为周期考察，蓄电池组体温年变化周期的最高温差可达80摄氏度之巨，在年体温变化周期上，还叠加有变化明显的日体温变化周期。由于蓄电池组的充、放电过程是电化学反应，其端电压对温度非常敏感(详见人民邮电出版社出版的《充电器电路设计与应用》一书，第一章第50页等)。因此，多阶段型蓄电池充电器输出的电压、电流、充放电比不能适应蓄电池组完整生命周期内，因内部微观结构和外部环境温度变化引起的线性和非线性的端电压变化，使充电电压严重偏离了最佳值，是导致蓄电池的实际使用寿命和设计寿命相比，存在巨大差距的决定性因素。尤其是在移动基站、电摩、电动汽车、牵引车、叉车、公交车、游览车等更多蓄电池组串联的大功率应用中，更成为限制性因素。以60V蓄电池组为例同样的蓄电池荷电状态，蓄电池过放电保护电压值年变化周期内的最高偏差值可达7200mv以上，而公知电动车蓄电池的欠压保护值是固定不变的 52. 5V，这不仅导致夏季因蓄电池的欠压保护值过高，不能完全放电，限制了续行里程。到冬季因蓄电池的欠压保护值又过低，直接导致蓄电池组严重过放电而迅速报废！因此，蓄电池充、放电过程的端电压控制曲线，应跟随内部微观结构和外部环境温度变化引起的线性和非线性的端电压变化，做出相应的校正！公知的恒压浮充、恒流浮充只有在严格的实验室条件下才能够实现单格蓄电池析气与板栅腐蚀的微弱平衡，在多蓄电池组串联应用中，由于各单格蓄电池参数的离散性、充电产生的极板温差梯度等因素引起的浮充电压在极板不同区域的偏差，使部分单格蓄电池析气与板栅腐蚀的平衡几乎不可能实现。为确保蓄电池处于充分充电状态，公知充电制度规定了偏高的浮充电压，而长期偏高的浮充电压会加速正极板栅腐蚀与电解液损失，这更强化了各单格蓄电池参数的离散性，导致部分单格蓄电池提前报废。在蓄电池组的完整生命周期内，还有其它许多非线性因素导致蓄电池组充电过程端电压控制曲线的不确定性。例如在蓄电池组生命周期的后期，由于不可避免的析出损失，隔板液体饱和度的明显改变，在隔板中逐渐形成了氧循环快速通道，使氧循环效率增强，在充电过程后期，阀控式密封铅酸蓄电池组的大部分负极几乎被氧气包围，其浓度比富液式蓄电池高几个数量级。于是，所有的浮充充电电流被温度较高部位负极的氧循环所消耗，致使温度较低部位极板活性物质长期处于欠充电的状态，这将不可避免地引起负极容量的持续、快速损失。氧循环消耗的大量电能将白白地转化成热量，过高的热量在产生了许多副作用的同时，更增强了这种恶性循环，此时再简单地增加过充电量的百分数只能产生更多的副作用，甚至发生热失控！蓄电池组隔板、玻璃棉、极板活性物质微观结构的随机梯度、非线性、永久性的改变等其它因素导致蓄电池组充放电过程的端电压控制曲线的不确定性，这里就不展开讨论了。一般逻辑思维认为一个产品的寿命是其制造材料、设计参数和工艺条件决定的。 例如蓄电池组的有效容量和寿命，应该由板栅合金的成分、铅膏的配方、极板的厚度、正、 负极活性物质的多少、电解液的浓度、放电速率、放电深度、原材料的纯度、正、负极板的化
6成工艺、生产过程的质量控制等条件决定的。而实际应用中却发现，是充电、放电模式决定了蓄电池组的有效容量和实际使用寿命，尤其是对阀控式密封铅酸蓄电池组的有效容量和实际使用寿命更是关键。是的，好的材料、设计参数和工艺条件可能使蓄电池组的有效容量和实际使用寿命增加一定的百分数，这毫无疑问只是增加了潜在的设计寿命。实验证明，由测控模块根据蓄电池组完整生命周期内不断变化的多变量实时测控数据，动态调控电源适配器、负载功率控制器工作在自动优化状态的自适应充电、放电模式，可以成倍延长蓄电池组的实际使用寿命！并实现快速充电。如应用于发光二极管照明系统、银行、电信的备用电源系统、舰船电源系统、汽车电源系统、太阳能蓄、供电系统等其它实施场合时，只需把电源适配器和负载功率控制器做针对性的组合，即可组成相应的自适应蓄电池充电和负载功率调控、过程管理系统。例如备用电源系统的电源适配器可以是内燃机发电机、水力发电机、太阳能电池板等等电力源。其负载功率控制器的负载可以是发光二极管照明系统、输配电电网等等负荷；汽车电源系统的电源适配器可以是车载发电机， 其负载功率控制器的负载可以是灯光、空调、汽车启动电机等。如此繁多的电源适配器、负载功率控制器、蓄电池组及其应用场所，不论功率大小、容量高低，从测控原理、充电、放电过程优化控制上考察并没有本质的差别，都适合应用自适应充电、放电模式进行升级改造。 请参见附图1。本发明的自适应充电模式是在充电过程的前期，测控模块根据蓄电池组可接受电流变化曲线，协同电源适配器输出连续大电流快速充电，当达到经蓄电池体温变化动态矫正的蓄电池组荷电状态的预定值时，转为自适应充电过程后期，在自适应充电过程的后期充电脉冲的宽度、周期在大范围内连续变化，使电源适配器输出的平均功率，以长周期、强电流、窄脉冲的高能量猝发模式充电，并持续跟踪蓄电池组最大适宜接受功率的变化曲线。 这样在蓄电池组完整生命周期内，始终确保蓄电池组在最优化充电状态，在最短的时间内完成充电过程。 本发明的自适应放电模式是通过一级蓄电池体温自适应欠压监控器，连续监视、 比较，经蓄电池体温变化矫正的蓄电池的端电压值，一旦蓄电池的端电压进入经矫正的设定阈值，立即发出提示信息。在一级蓄电池体温自适应欠压监控器发出提示后，二级蓄电池体温自适应欠压监控器还在连续监视、比较，经蓄电池体温变化矫正的蓄电池的端电压值， 一旦蓄电池的端电压进入经蓄电池组体温矫正的二级设定阈值，立即控制故障状态自锁器进入超限自锁状态，同时控制继电器关闭相关电路，保护蓄电池组。在自适应充电模式的后期，测控模块利用经蓄电池体温变化矫正的相关充电参数，用猝发的高能量集中充电模式，控制电源适配器输出足以达到处于极板劣势部位全部活性物质的长周期、强电流、窄脉冲的充电电流，克服后期充电电流被负极的氧循环等其它因素优先拦截、消耗的结构性屏障。在自适应充电过程的后期，本发明通过非线性自适应范围设定器的自适应范围设定电阻器，来改变三曲线拟合调理器监测蓄电池组端电压变化的灵敏度，确保自适应充电模式在蓄电池组完整生命周期内，端电压可能产生的实际非线性偏差不超出预定范围，在此范围内任何因素导致的端电压变化，控制曲线与实际状态的非线性偏差，不影响确保极板远端、深部处于劣势部位的极板活性物质获得足够的电能，既保持各组蓄电池在充分的荷电状态，又不导致蓄电池长期过充电、欠充，使各组蓄电池恢复、保持均衡状态。
请参见附图2。由于自适应充电、放电模式需要长期、精确、稳定测量蓄电池组完整生命周期内多变量的实时状态和自适应不可预知的各种非线性变化，对测控模块协同电源适配器、负载功率控制器可靠工作提出了非常高的要求。测控模块由于变化缓慢、微弱的电信号传输时极易受到干扰，本发明把测控模块设置在蓄电池组体内，使传感器感知的变化缓慢、微弱的电信号转换成开关信号远距离传输。因此， 测控模块要在一块尽量小的电路板或芯片上集成蓄电池体温传感器、蓄电池端电压监视器、非线性自适应范围设定器、三曲线拟合调理器、蓄电池体温监视器、一级蓄电池体温自适应欠压监控器、数字化状态机、蓄电池实时状态输出接口，它们协同监测蓄电池组完整生命周期内不断变化的多变量实时状态，并据此动态调控电源适配器、负载功率控制器工作在自适应充电、放电模式。下面分别介绍本发明测控模块各功能实体的具体内容。请参见附图3蓄电池组体温传感器为确保蓄电池组在完整生命周期内始终在最优化状态工作，要求在蓄电池组整个额定工作温度范围内对系统内的各相关关键参数进行线性化矫正、补偿，为其它功能实体提供与蓄电池组体温相关的参考电压。因此，蓄电池组体温传感器本身的温度稳定性、线性度和功耗对系统的可靠性、稳定性、等其它关键性能指标，起着至关重要的作用。本发明采用集成电路体温传感器配合电平匹配恒压源，确保其输出电压便于三曲线拟合的同时与蓄电池组体温按比例变化。蓄电池端电压监视器蓄电池端电压是蓄电池组完整生命周期内，优化充电、放电过程的关键参数，本发明通过蓄电池端电压监视器的输出变化曲线与三曲线拟合调理器另一输入端连接的蓄电池体温传感器的输出变化曲线和蓄电池端电压温度修正补偿变化曲线同时拟合、匹配设计、实施方法，为三曲线拟合调理器或微控制器采集器、控制、计算程序提供正确的基础数据。非线性自适应范围设定器本发明通过非线性自适应范围设定器的自适应范围设定电阻器，来改变三曲线拟合调理器监测蓄电池组端电压变化的灵敏度，确保自适应充电模式在蓄电池组完整生命周期内，蓄电池端电压可能产生的实际非线性偏差不超出预定范围，在此范围内任何因素导致的端电压变化控制曲线与实际的非线性偏差，不影响确保极板远端、深部处于劣势部位的极板活性物质，获得足够的电能，既保持各组蓄电池在充分的荷电状态，又不导致蓄电池长期过充电、欠充，使各组蓄电池恢复、保持均衡状态。三曲线拟合调理器由于蓄电池组的充放电过程是电化学反应，其端电压对温度非常敏感，蓄电池的电动势具有每摄氏度负3mV至5mV的温度系数，因次，必须对蓄电池端电压充电控制曲线进行负的温度系数修正补偿。本发明采用三曲线拟合调理器实现蓄电池体温传感输出变化曲线与蓄电池端电压监视器的输出变化曲线和蓄电池端电压温度系数修正补偿变化曲线同时拟合、匹配的设计方法，为相关电路或微控制器采集器、控制、计算程序提供正确的基础数据，相关电路据此输出开启、休眠、蓄电池体温、荷电状态、测控、保护信息。在满足蓄电池体温传感器输出变化曲线与另一输入端连接的蓄电池端电压监视器的输出变化曲线和蓄电池端电压温度修正补偿变化曲线这三条变化曲线同时拟合设计要求的前提下，三曲线拟合调理器计算蓄电池端电压偏离设定拟合曲线的差值，并传送给数字化状态机。当其差值超过某一预定值时，表示和控制电源适配器进入开启状态，同时控制电源适配器输出连续大电流快速充电。当其差值小于某一预定值时表示和控制电源适配器进入休眠状态，同时关闭主电源变换器。当其差值在上述两个预定值之间时表示工作在自适应充电过程的后期，通过调控充电脉冲宽度、周期在大范围连续变化，使电源适配器输出的平均功率，持续跟踪蓄电池组的最大可接受功率变化曲线。蓄电池体温监视器在特殊的故障状态时，蓄电池组的体温仍有可能超过安全值，本发明通过蓄电池体温监视器连续监视蓄电池体温信号调理电路表示其体温的电压值，一旦蓄电池组的体温达到或超过其设定的上限值时，具有最高优先级，立即控制数字化状态机进入超限状态，同时输出具有回差的停止充电信号，控制电源适配器停止充电。一级蓄电池体温自适应欠压监控器在电动车可能的工作环境内，如我们以一年为周期考察，蓄电池组体温年变化周期的温差可达80摄氏度之巨，在此年周期上，还叠加有变化明显的日周期。因此，同样的蓄电池荷电状态，以60V蓄电池组为例，其年变化周期内的最高偏差值可达7200mv以上。 因此，过放电保护电压值应跟随蓄电池组的体温变化自动调整，否则，不仅导致夏季因蓄电池的欠压保护值过高，不能完全放电，限制了续行里程，而冬季因蓄电池的欠压保护值又过低，直接导致蓄电池组严重过放电而迅速报废。本发明通过一级蓄电池体温自适应欠压监控器，实现复用蓄电池体温传感器输出变化曲线，并与一级蓄电池体温自适应欠压监控器另一输入端连接的第二蓄电池端电压监视器的输出变化曲线和蓄电池端电压温度修正补偿变化曲线同时拟合、匹配的设计要求， 为一级蓄电池体温自适应欠压监控器提供正确的工作点，连续监视、比较，蓄电池体温调理电路输出的体温变化矫正电压值和蓄电池的端电压，一旦蓄电池的端电压进入设定阈值， 立即输出提示、控制信息。数字化状态机数字化状态机根据经温度变化修正补偿后的蓄电池端电压变化曲线，准确判定其应当工作在自适应充电过程的前期或者后期，在自适应充电过程的前期，其根据蓄电池组最大可接受电流变化曲线，控制电源适配器输出连续大电流快速充电，当达到经蓄电池体温变化动态矫正的蓄电池组荷电状态预定值时，其转换为自适应充电过程的后期充电模式，通过调控充电脉冲的宽度、周期大范围连续变化，使电源适配器输出的平均功率，持续跟踪蓄电池组最大可接受功率的变化曲线，协同非线性自适应范围设定器，以长周期、强电流、窄脉冲的高能量猝发充电模式，确保在极板远端、深部处于劣势部位的极板活性物质，获得足够的电能，确保蓄电池组完整生命周期内，多种因素导致的端电压可能产生的线性、 非线性偏差不超出设定的自适应范围。数字化状态机根据经温度变化修正补偿后的蓄电池端电压变化曲线，准确判定其应当工作在自适应充电过程的前期或者后期，产生对应宽度的充电脉冲，通过控制输出接口线上两种状态转换的时间，精确地表示和传送实时测控数据值，使测控模块只需通过普通导电线作为接口线，即可精确地远距离传送开启、休眠、蓄电池体温、荷电状态，把传感器感知的变化缓慢、微弱的电信息转换成开关信号远距离传输，实现相应的测控功能。蓄电池实时状态输出接口在电动车和蓄电池组各种可能的工作环境内，同样的蓄电池荷电状态，以60V蓄电池组为例，其电压值年变化周期内的最高偏差值可达7200mv以上。因此，为正确显示蓄电池荷电状态、剩余电量，避免误导驾乘人员，蓄电池电量显示装置也应根据蓄电池体温变化做出相应矫正，只有这样，才能做到蓄电池电量显示装置的显示值与蓄电池实际电量相符。本发明通过蓄电池实时状态输出接口，提供已进行线性化处理，便于正确计算、显示蓄电池荷电状态、体温自适应欠压保护、剩余电量、蓄电池体温的输出接口电路。蓄电池组把本发明的测控模块安装、设置在蓄电池组内部是简单可靠的实现方法，但需要在设计、制造时实施。由于社会保有量巨大，有时，为改制现有的蓄电池组等其他特殊需要， 也可在蓄电池组壳体外安装、设置测控模块，感知自适应蓄电池组极群内部的体温，这时测控模块的内侧面双向传热，其它面作绝热处理，形成装配测控模块的密封、耐腐蚀热隔离的封装腔体，实现等效监测蓄电池组内部极群体温等其它完整生命周期内不断变化的多变量实时状态的目的。蓄电池组的外露电极由于其端电压不是很高，安全防护往往被忽视，当发生各种意外、故障、车祸时，蓄电池组的外露电极极易被金属工具、壳体等其他导电体短路，由于短路电流极高，极易引起燃烧、爆炸事件的发生。本发明蓄电池组的外露电极设置有防止因各种意外、故障、车祸时，金属工具、壳体、导体短路蓄电池组引起的燃烧、爆炸事件发生的绝缘、隔离护套。电源适配器公知电动车充电系统采用外置充电器的技术结构，这样做虽然能够避开国家推行的家用电器强制安全认证，却使许多用户只得随车携带外置家用充电器，虽然不十分不便， 也能实现部分用户移动充电的需求，由于其是非抗震设计，车体震动极易造成外置充电器损坏，还很可能进水、结露造成很大的安全隐患。由于对蓄电池组充电原理认识上的错误， 公知充电器把功率做的尽量小，唯恐把蓄电池组充坏。却不知是由于外置充电器不能适应蓄电池组完整生命周期内多变量的线性和非线性的变化，导致充电电压严重偏离最佳值， 才是导致外置充电器成为蓄电池组隐形杀手的关键因素。本发明为满足安全、移动的设计要求，特别是快速充电对电源适配器的大功率、低成本和可靠性方面极高的要求。通过发挥一些器件的独特技术潜力，把输入电压自适应控制器、输出限压器、最大输出功率限制器、远程软开关控制信号开路短路保护器、分体组合大功率光磁耦合控制器、功率扩展模块、休眠电源、过热保护器，进行防水、防结露、防震处理后，封装在散热壳体结构内与电动车一体化组合、装配，更利于电源适配器和测控模块协同工作，充分支持自适应充电模式、保护蓄电池组，方便用户随处快速充电。输入电压自适应控制器。请参见附图4、附图5、附图6为实现电动车在行驶途中随处利用通用110V/220V380V的市电电源，甚至是蓄电池组、发电机或其他直流电源为电动车快速充电，使电动车不再受蓄电池组续行里程的限制，因此，电源适配器必须适应世界各地不同的市电电压或其他直流电源，本发明在几乎不增加成本的前提下，通过输入电压自适应控制器使电源适配器满足了这些要求，并在极宽的范围内实现输入超压、欠压自动关闭保护电源适配器。输出限压器由于自适应充电模式的自适应特性，对电源适配器输出的充电电压没有严格的限制，本发明采用了简单、低成本的稳压二极管和缓冲阻尼器来实现，可大幅度提高输出限压器的抗干扰能力、可靠性、稳定性，轻松确保输出限压器在负载开路时电源适配器的输出不超限，只有在必要的时候电源适配器的输出电压才设计成蓄电池组体温自适应的模式。最大输出功率限制器本发明的输出电流限制是通过检测最大输出功率电路实现，这不仅使输出限流电路的成本大幅降低，还省去了电流采样电阻，电流采样电阻上几瓦的无意义功耗也同时降为零，更重要的是大幅度提高了整机的可靠性，简化了电路、降低了体积。外接控制信号开路短路保护器为提高电源适配器的可靠性和安全性，保护蓄电池组，外接控制信号开路、短路保护器采用光电隔离耦合器实现，确保外接控制信号在开路、短路的故障状态时，电源适配器自动进入休眠状态。为避免电源适配器在开启、关闭时对电网的扰动，外接控制信号开路、 短路保护器还通过场效应积分开关实现了极轻柔的软开、关设计。过热保护器功率器件过热是其损坏的主要原因，本发明在电源适配器多个功率器件的近处设置了热敏电阻，当相应功率器件温度超限时自动关闭电源适配器，保护其不发生过热损坏。分体组合大功率光磁耦合控制器本发明的电源适配器与电动车一体化装配，为在不增加成本的前提下确保人车安全，通过分体组合式大功率光磁耦合控制器，实现了电源适配器输入电路与输出电路的可以快速分离、组合，从而实现了市电电源与电动车无金属导体的直接电器连接，即可向蓄电池传送大功率充电流、快速充电的设计目标，方便、快速、安全、全世界通用充电接口使电动车不再受蓄电池组续行里程的限制。同时也避免了市电电源与电动车之间采用金属导体插接传导大功率电流时插接处随时可能产生电火花引燃易燃、易爆物品的安全隐患。功率扩展模块为适应大容量蓄电池组快速充电对电源适配器的功率要求，本发明实现了只需要通过简单添加功率扩展模块，即可使电源适配器的输出功率以千瓦为单位，低成本成倍增加的设计目标，不仅大幅度降低了大功率电源的设计、制造难度，同时还使制造原材料的通用性大幅度提高。休眠电源为降低休眠时电源适配器的功耗，本发明的电源适配器设置了专门的休眠电源， 为电源适配器的主电源变换器提供可唤醒支持和为测控模块提供电源，即使在蓄电池长期
11闲置时测控模块也几乎不消耗蓄电池的能量。负载功率控制器负载功率控制器决定着电动车的可操控性、加减速舒适性、安全性、蓄电池的实际使用寿命、有效续行里程等关键部位的性能指标。本发明的负载功率控制器，具有回差、脉宽调制复合比较控制器、调速干扰信号抑制器和开关管监控器、功率控制信号监控器、负载电流监控器、二级蓄电池体温自适应欠压监控器、防飞车刹车复合开关、故障状态自锁器、 倒车状态自动降速器、自锁手刹车状态监控器、电源导线复合电流采样器，使车辆具有了完整的安全、舒适和充分、可靠的保护功能。回差、脉宽调制复合比较控制器。请参见附图7电动车的加减速是通过控制脉宽调制器的占空比来实现的，为避免各种干扰导致的临界点高频振荡，本发明通过在脉宽调制比较器中引入正反馈、回差机制，彻底避免了脉宽调器在临界点的高频振荡现象，保护功率驱动电路。调速干扰信号抑制器电动车的加减速是通过手控、脚控车速调节装置来实现的，由于负载功率控制器与手控、脚控车速调节装置之间有很长的连接线，连接线上感应的高频干扰信号必须经调速干扰信号抑制器来滤除，才能确保电动车的加减速稳定可靠，保护功率驱动电路。本发明通过阻、容吸收回路实现消除调速器及其到线上的高频干扰信号。开关管监控器电动车负载功率控制器的开关管一旦短路，公知电动车立即进入失控的最高车速状态运行，对儿童、老年及不熟练的驾乘人员的生命、财产构成潜在威胁，由于开关管损坏率较高，本发明通过开关管监控器随时监控开关管的工作状态，一旦其击穿、短路，立即控制故障状态自锁器进入超限自锁状态，同时控制继电器关闭相关电路，确保人车安全。功率控制信号监控器开关管监控器监控开关管的工作状态，判断其是否击穿、短路，需要参考功率控制信号是否存在，本发明通过功率控制信号监控器为开关管监控器提供准确的判断依据。负载电流监控器电动车负载过重、传动机构故障、驱动轮卡死等其它特殊情况下，电动车负载电流可能超过最高设计能力，导致负载功率控制器、电动机永久损坏。本发明通过负载电流监控器连续监视负载电流的工作状态，负载电流一旦超过设定阈值，立即控制故障状态自锁器进入超限自锁状态，同时控制继电器关闭相关电路，保护负载、驱动电路。二级蓄电池体温自适应欠压监控器适当的过放电保护电压值在很大程度上决定着电动车的续行里程和蓄电池组的实际使用寿命。本发明通过一级蓄电池体温自适应欠压监控器提示后，二级蓄电池体温自适应欠压监控器也在连续监视、比较，蓄电池体温调理电路输出的经体温矫正的蓄电池端电压的变化值，一旦蓄电池的端电压进入经蓄电池组体温矫正的二级设定阈值，立即控制故障状态自锁器进入超限自锁状态，同时控制继电器关闭相关电路，保护蓄电池组。防飞车刹车复合开关电动车有刷电动机手控、脚控车速调节装置的地线一旦开路或输出线与电源线短路，公知电动车立即进入失控的最高车速状态运行，本发明通过防飞车刹车复合开关，实现车速调节装置的地线开路时的防飞车控制，由于采用与刹车开关复合并且开路有效、多级控制的设计，一旦相关线路、开关的某一部分损坏或故障，通过防飞车刹车复合开关即可立即关闭负载驱动电路。不但不增加成本，还减少了整车布线数量，由于刹车制动响应时间是安全行驶的极重要指标，所以本发明通过电子开关控制，可使响应时间提高到万分之一秒以上，频繁开关几乎不影响电路的寿命，与公知的接触器控制方式相比，不仅响应时间大幅度提高，相关器件的寿命、可靠性也大为提高，使电动车具有了多道安全防线，可更加有效地保确保人、车安全。在应用在采用无刷电动机的电动车上时，由于公知无刷电动机是通过微控制器的专用端口实现刹车时关闭负载驱动电路的，因此，本发明能减少中断端口占用、简化程序结构、降低内存占用、节省CPU的宝贵时间、更能提高刹车制动响应时间和可靠性。故障状态自锁器为避免在故障状态临界点的高频振荡现象，保护相关电路、结构、装置，本发明通过故障状态自锁器连续监视相应电路的工作状态，一旦某一被监控对象超过设定阈值，立即控制故障状态自锁器进入超限自锁状态，发出声光报警信息。同时控制继电器关闭相关电路，保护功率驱动电路、蓄电池组。如故障状态没有解除重新开机、启动，立即重新进入超限自锁状态。倒车状态自动降速器倒车时，不需要很高的车速，本发明通过倒车状态自动降速器连续监视前进、倒车状态，一旦进入倒车状态，立即控制控制脉宽调制器的占空比实现自动降低最高车速、提高车速调节精度。手刹车状态监控器在某些类型的大型电动车辆上，设置有自锁手刹车机构，用于停车时避免车辆的滑行，许多情况下由于不熟悉操作步奏、健忘、突发紧急事由等其他因素，正常行驶前忘记了释放自锁手刹车机构，导致车辆在刹车状态运行，不仅浪费大量电能，时间一长，很可能损坏刹车机构，带来安全隐患。本发明通过自锁手刹车状态监控器，在制动状态自动关闭、 禁用负载的驱动电路，在进入正常行驶状态时，强制提醒司机释放自锁手刹车机构。电源导线复合电流采样器有经验的设计人员都知道，电动车负载功率控制器都设有康铜丝采样电阻来检测负载的电流，大功率康铜丝采样电阻极易因负载过流而使电动车负载功率控制器过热损毁，本发明通过监测电源导线上的线损压降代替康铜丝采样电阻，利用电源导线复用实现电流采样器，这不仅使电流采样电阻的成本降为零，还使采样电阻上几瓦的无意义功耗也同时降为零，更重要的是消除了负载功率控制器内的大功率发热电阻、大幅度提高了整机的可靠性，降低了负载功率控制器的体积。两线式输出保护器由于公知的电动货运三轮车、观光车、高尔夫车、警车等其它有刷电动机驱动车辆的负载功率控制器输出保护功能不完善，致使倒车转换开关与被控电动机采用四根大电流铜导线远距离连接。本发明通过增加具有双向续流二极管保护通道的两线式输出保护器， 完善了负载功率控制器输出保护功能及倒车控制开关安装位置和连接方法的合理设计，只需两根导线即可实现同样的前进、停止、倒车功能，大幅度降低了铜线的浪费，同时还使倒车转换开的大电流触点相应减少，明显降低了成本、提高了可靠性。一体化密封、散热结构为实现零库存管理，个性化定制，要求产品尽量能在销售终端灵活组装、互换，此状态下如何确保最终产品质量？对设计、制造提出了严重的挑战。也就是对产品设计的标准化、模块化提出了很高的要求。由于公知电动车整车电路布局不合理，既造成装配、调试困难，又浪费大量铜线，还造成检修复杂、困难、易浸水等其它缺陷，显著增加了安全隐患。 为彻底解决上述问题，本发明将电源适配器、负载功率控制器的电路板、功率器件进行防水、防结露、防震处理后，封装在散热壳体结构内与对应装置一体化可快速组合、分离装配， 因此，显著提高了零部件的复用率、模块化。不仅降低了生产成本、方便了售后服务，还方便了装配、维修和提高了整车的灵活性、可靠性。防震、防水、防结露本发明是通过将电源适配器、负载功率控制器的线路板、功率器件等用绝缘漆、密封胶，采用绝缘密封工艺进行耐震、防水、防结露密封处理并封装在在散热壳体结构内实现耐震、防水、防结露。
附图1是自适应充电过程蓄电池组的端电压值与充电时间对应关系的两坐标展开示意图。纵轴刻度标示自适应蓄电池组端电压值，横轴刻度标示充电时间。图中阴影部分是自适应蓄电池组充电模式根据蓄电池组完整生命周期内不断变化的多变量实时测控数据，动态调控电源适配器自适应蓄电池组充电电压值可能工作点的分布区域；图中阴影区域的以下部分是蓄电池组完整生命周期内故障状态端电压的受保护区域。附图2是自适应充电模式进入自适应充电过程的后期时，非线性自适应范围设定器进入自适应工作状态时，在充电过程转换瞬间，非线性自适应端电压值与蓄电池组荷电状态对应关系的两坐标展开示意图。纵轴刻度标示自适应端电压值，横轴刻度标示蓄电池组荷电状态。图中阴影部分是电源适配器非线性自适应蓄电池组端电压值可能工作点的分布区域。附图3是测控模块各功能实体的电路原理图。附图4是电源适配器主变换器各功能实体的电路原理图。附图5是电源适配器辅助电源功能实体的电路原理图。附图6是电源适配器功率扩展模块功能实体的电路原理图。附图7是负载功率控制器各功能实体的电路原理图。
具体实施例方式为更清晰、直观说明本发明具体实施方式
，下文结合附图以一个不采用微控制器的实施例详细阐述具体实施方式
。本实施例特别适合应用在电动三轮车等各种移动动力电源系统上。请参见附图3，按附图3所示的一体化自适应充电、负载管理系统测控模块的电路原理图，制作一 12乘36毫米的电路板，装配在紧贴自适应蓄电池组壳体外侧的封装腔体内，封装腔体内侧面双向传热，其它面作绝热处理。或安装、设置在蓄电池组内部测控模块的密封、耐腐蚀的封装腔体内。然后通过蓄电池实时状态输出接口与相关电路连接组成一体化蓄电池充、放电过程自适应控测系统。图中由U3、R8、R3、R4、R7组成精密恒压源为测控模块各功能实体提供工作电源； 蓄电池组体温传感器由U1、U2、RU R6、R9、Cl组成的电路实体实现；蓄电池端电压监视器由Rll、R12、R17组成的电路实体实现；非线性自适应范围设定器由R16实现；三曲线拟合调理器由Ql、Q2、RlO、C4实现；蓄电池体温监视器由U4A、Dl、R2、R5、R13、C3组成的电路实体实现；一级蓄电池体温自适应欠压监控器由U4C、D2、R14、R18、R19、R21、R22、R23、C6组成的电路实体实现；数字化状态机由U4B、D3、R15、R20、R24、R25、C5组成的电路实体实现； 蓄电池实时状态输出接口由P9实现。电源适配器主变换器各功能实体、功率扩展模块的输入电路与辅助电源单独制作一独立模块与输出电路模块组成可以快速分离、组合的大功率光磁耦合一体化结构。请参见附图4、5、6，按附图4、5、6所示的电源适配器各功能实体的电路原理图，分别制作成电路板并进行防水、防结露、防震处理后，分别封装在散热壳体结构内与对应装置一体化可快速组合、分离装配。图中输入电压自适应控制器由U1、D1、Q3、T1、F1、AC1、R2、R3、R11、R13、R20、C1、 C6、C5、C10组成的电路实体实现；输出限压器由D18、R17实现；最大输出功率限制器由U1、 D2、D3、Q2、R5、RU R6、R14、C2、C3组成的电路实体实现；外接控制信号开路短路保护器由 U1、U1/3、Q6、Q7、R18、R23、R24、R26、R27、C15、C17、C18 和 R28、U2/3 组成的电路实体实现； 过热保护器由Ul、R7、RIO、R9、C7组成的电路实体实现。分体组合大功率光磁耦合控制器的输入电路由Ul、Ul/2、Tl/2、Ql、Q4、Q5、Q8、D4、 D6、R4、R8、R12、R15、R16、R19、R21、R22、R25、C4、C9、C11、C12、C13、C14、C16 组成的电路实
体实现。功率扩展模块实施方式，请参见附图6。功率扩展模的输入电路由Tl/4、D9、D10、D14、D12、Q9、Q10、QlU Q12、Q13、Q14、 Q15、Q16、Q17、Q18、R30、R31、R32、R33、R34、R35、C19、C21、C22、C23、C24 组成的电路实体
实现；电源适配器输出电路模块实施方式，请参见附图4、6。电源适配器输出电路模块由T2/2、T2/4、D5、D7、Dll、D13、C8、C20组成的电路实
体实现。休眠电源实施方式，请参见附图5，为简化休眠电源本实施例测控模块的电源由蓄电池组供电。休眠电源由Tl、Dl、D2、D3、D4、D5、D6、Ql、Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、Cl、C2、C3、
C4、C5组成的电路实体实现。负载功率控制器各功能实体单独制作一独立模块与电源适配器输出电路模块、其他相关部件一体化装配。请参见附图7。图中由BT1、R5、D7、C7、C9、R2、D2、C1组成恒压源为负载功率控制器各功能实体提供工作电源；图中回差、脉宽调制复合比较控、制器由U1A、U1B、QU Q2、Q3、Q4、R3、R4、R6、 R7、R9、Rll、R12、R13、C2组成的电路实体实现。调速干扰信号抑制器由调速控制器H、C3、R15、C4实现。开关管监控器由D6、R10、R14、C5组成的电路实体实现。功率控制信号监控器由D4、R8实现。负载电流监控器由U1C、R17、RM、C12组成的电路实体实现。二级蓄电池体温自适应欠压监控器由D5实现。防飞车刹车复合开关由多个K2、K3串联实现。故障状态自锁器由 U1D、Κ5、Κ6、Q5、DS1、R16、R18、R19、R20、R22、R23、C8、CIO、Cll 组成的电路实体实现。倒车状态自动降速器由Kl、Rl实现。手刹车状态监控器由多个Κ4串联实现。电源导线复合电流采样器由R21实现。两线式输出保护器由D1、D3、K1、B1实现。
Pl至P16分别与对应接口连接。
权利要求
1.一体化蓄电池充放电过程自适应测控系统，包括测控模块、蓄电池组、电源适配器、负载功率控制器、一体化密封散热结构，其特征在于所述的测控模块是在一块电路板或芯片上集成有蓄电池体温传感器、蓄电池端电压监视器、非线性自适应范围设定器、三曲线拟合调理器、蓄电池体温监视器、一级蓄电池体温自适应欠压监控器、数字化状态机、蓄电池状态输出接口，它们协同监测蓄电池组完整生命周期内不断变化的多变量实时状态，动态调控电源适配器、负载功率控制器工作在自适应蓄电池组各种不断变化的充电、放电状态；所述蓄电池组的内部或外侧面设置、装配有密封、耐腐蚀、热隔离的测控模块安装腔体；所述的电源适配器具有输入电压自适应控制器、输出限压器、最大输出功率限制器、远程软开关控制信号开路短路保护器、分体组合大功率光磁耦合控制器、功率扩展模块、休眠电源，它们与测控模块、各种市电电源协同工作，实现自适应充电工作模式；所述的负载功率控制器具有回差、脉宽调制复合比较器、高频干扰信号抑制器、开关管监控器、功率控制信号监控器、负载电流监控器、二级蓄电池体温自适应欠压保护器、防飞车刹车复合开关、故障状态自锁器、倒车状态自动降速器、刹车软起动控制器、自锁手刹车状态监控器、电源导线复合电流采样器、两线式输出保护器，它们与测控模块协同工作实现自适应放电工作模式；所述的一体化散热、密封结构是将电源适配器、负载功率控制器的印刷电路板、功率器件进行防水、防结露、防震处理后，封装在散热壳体结构内与相关装置一体化可组合、分离装配。
2.根据权利要求1所述的测控模块，其特征是所述的三曲线拟合调理器在满足蓄电池体温传感器输出变化曲线与蓄电池端电压监视器的输出变化曲线和蓄电池端电压温度变化修正补偿曲线这三条变化曲线同时拟合、匹配设计要求的前提下，实现计算、传送蓄电池端电压偏离设定拟合曲线的差值，为相关电路据此输出开启、休眠、蓄电池体温、荷电状态蓄电池体温自适应欠压保护信息，动态调控相应电路提供基础数据。
3.根据权利要求1所述的测控模块，其特征是所述的数字化状态机根据经温度变化修正补偿后的蓄电池端电压变化曲线，准确判定其应当工作在自适应充电过程的前期或者后期，动态调控相应电路工作在自适应充电工作模式。
4.根据权利要求1所述的测控模块，其特征是所述的蓄电池状态输出接口提供已进行线性化处理，便于正确计算、显示蓄电池荷电状态、体温自适应欠压保护、剩余电量、蓄电池体温的输出接口电路。
5.根据权利要求1所述的蓄电池组，其特征是所述的蓄电池组的外露电极设置有防止因意外、故障时各种导体短路蓄电池组，引起燃烧、爆炸事件发生的绝缘、隔离护套。
6.根据权利要求1所述的电源适配器，其特征是所述的电源适配器与电动车一体化、 模块化组合装配，通过110V/220V/380V通用交流电源接口、电源线与各种电源自适应连接。
7.根据权利要求1所述的电源适配器，其特征是所述的分体、组合大功率光、磁耦合控制器制成可分体、组合的大功率光、磁耦合、传送、控制结构，在实现向蓄电池传送大功率充电流的同时，实现各种电源与电动车、各种负载可快速分拆、组合的完全电气隔离。
8.根据权利要求1所述的负载功率控制器，其特征是所述的防飞车刹车复合开关，采用与刹车开关复合并且开路有效、多级控制，实现车速调节装置的地线开路或输出线与电源线短路时防止车速失控。
9.根据权利要求1所述的负载功率控制器，其特征是所述的二级蓄电池体温自适应欠压监控器连续监视蓄电池的体温、端电压值，一旦蓄电池的端电压进入经蓄电池体温矫正的设定阈值，立即控制故障状态自锁器进入超限自锁状态，同时控制继电器关闭相关电路，发出声光报警信息，如故障状态没有解除重新开机、启动，立即重新进入超限自锁状态。
10.根据权利要求1所述的负载功率控制器，其特征是所述的两线式输出保护器具有双向续流二极管保护负载功率控制器的功率开关器件。
全文摘要
本发明涉及一种通用一体化蓄电池充放电过程自适应控测系统。特别是涉及一种根据电动车蓄电池组完整生命周期内多变量的实时状态，动态调控电源适配器、负载功率控制器工作在相应的优化状态，使应用实例具有更完善安全、保护功能的一体化蓄电池充电和放电过程自适应控测系统。由测控模块动态调控电源适配器、负载功率控制器工作在自动优化状态的自适应充电、放电模式，可以成倍延长蓄电池组的实际使用寿命，并实现快速充电。广泛适用于照明系统、备用电源系统、动力电源系统、舰船电源系统、汽车电源系统、太阳能蓄、供电系统、移动电源系统等应用场合。
文档编号H02J7/00GK102176627SQ20111003550
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月10日 优先权日2011年2月10日
发明者张佳宾 申请人:张佳宾