充电装置及充电方法与流程

1.本发明涉及一种充电装置，具体涉及一种电池包光伏充电的充电装置及充电方法。


背景技术：

2.随着电池技术的发展，满足了电动工具在不同应用场景下的供电需求。可充电电池包（例如，锂电池包）基于其储备的电能为电动工具在户外或其他不便于直接进行交流供电的场景下工作时供电。
3.然而，在户外工作或旅游时，电池包存储的电能并不能满足长时间的使用需求，一旦其存储的电能耗尽，将无法继续提供用电电能。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能持续供电的充电装置。
5.本发明采用如下的技术方案：一种充电装置，包括：光伏接口，用于接入光伏板；输出接口，用于接入电池包；滤波器，与所述光伏接口电性连接，用于对所述光伏接口接入的电能信号进行抗干扰处理以输出滤波信号；电压转换电路，与所述滤波器连接，用于输出适配所述电池包的充电电压为所述电池包充电；第一充电电路，与所述电压转换电路连接，用于使所述光伏接口接入的电能以第一充电模式给所述电池包充电；第二充电电路，与所述电压转换电路连接，用于使所述光伏接口接入的电能以第二充电模式给所述电池包充电；检测模块，用于实时检测与所述电池包相关的电参量；控制器，被配置为：获取所述电池包的电参量；在所述电池包的电参量大于等于参量阈值时，所述控制器输出第一控制信号至所述第一充电电路以使所述光伏接口接入的电能以第一充电模式对所述电池包充电；在所述电池包的电参量小于所述参量阈值时，所述控制器输出第二控制信号至所述第二充电电路以使所述光伏接口接入的电能以第二充电模式对所述电池包充电。
6.进一步的，所述与所述电池包相关的电参量为所述电池包的电量、电压、充电电流或功率中的一种或组合。
7.进一步的，所述与所述电池包相关的电参量为所述电池包的充电电流。
8.进一步的，所述第一充电模式为标准充电模式；所述第二充电模式为最大功率点追踪充电模式。
9.进一步的，所述控制器还被配置为：获取所述电池包的电量；在所述电池包的电量小于等于电量阈值时，输出第三控制信号至所述第二充电电路以使所述光伏接口接入的电能以预充电模式对所述电池包充电。
10.进一步的，所述控制器还被配置为：获取所述电池包的充电功率；在所述电池包的充电功率小于等于功率阈值时，输出第二控制信号至所述第二充电电路以使所述光伏接口接入的电能以第二充电模式对所述电池包充电；在所述电池包的充电功率大于所述功率阈
值时，获取所述电池包的充电电流；在所述电池包的充电电流小于电流阈值时，输出第二控制信号至所述第二充电电路以使所述光伏接口接入的电能以第二充电模式对所述电池包充电；在所述电池包的充电电流大于等于所述电流阈值时，输出第一控制信号至所述第一充电电路以使所述光伏接口接入的电能以第一充电模式对所述电池包充电。
11.进一步的，所述第一充电电路，包括：第一输入接口，用于接入所述控制器，获取所述控制器发送的所述第一控制信号；第二输入接口，用于接入所述检测模块，获取所述检测模块发送的所述电池包的充电电流；第一信号处理电路，用于生成第一充电信号；第一输出接口，用于输出所述第一充电信号；第一半导体开关，用于根据所述第一充电信号的状态控制所述第一充电电路的通断状态。
12.进一步的，所述第二充电电路，包括：第三输入接口，用于接入所述控制器，获取所述控制器发送的所述第二控制信号；第四输入接口，用于接入所述检测模块，获取所述检测模块发送的所述电池包的充电电压；第二信号处理电路，用于生成第二充电信号；第二输出接口，用于输出所述第二充电信号；第二半导体开关，用于根据所述第二充电信号的状态控制所述第二充电电路的通断状态。
13.进一步的，所述检测模块，还用于实时检测所述光伏板的输出电压；所述控制器还被配置为：获取所述光伏板的输出电压；在所述光伏板的输出电压小于电压阈值时，获取所述输出电压降至电压阈值时的第一时刻；以所述第一时刻为计时起点，获取所述充电电压维持小于所述电压阈值的维持时长；在所述维持时长大于等于时长阈值时，输出第二控制信号至所述第二充电电路以使所述光伏接口接入的电能以第二充电模式对所述电池包充电；在所述维持时长小于所述时长阈值，且所述电池包当前为第一充电模式时，输出第一控制信号至所述第一充电电路以使电解电容释放的电能维持所述第一充电模式对所述电池包充电；在所述维持时长小于所述时长阈值，且所述电池包当前为第二充电模式时，输出第二控制信号至所述第二充电电路以使电解电容释放的电能维持所述第二充电模式对所述电池包充电。
14.一种适用于电池包光伏充电的充电方法，包括：获取所述电池包的充电电流；在所述电池包的充电电流大于等于电流阈值时，输出第一控制信号以第一充电模式对所述电池包充电；在所述电池包的充电电流小于所述电流阈值时，输出第二控制信号以第二充电模式对所述电池包充电。
15.本发明的有益之处在于：提供一种能够持续提供电能的充电装置。
附图说明
16.图1是作为一种实施方式的充电装置的结构图；图2是作为一种实施方式的充电装置的电路框图；图3是作为一种实施方式的充电装置的电路框图；图4是作为一种实施方式的充电装置的硬件电路图；图5是作为一种实施方式的光伏充电pv曲线图；图6是作为一种实施方式的用于电池包光伏充电方法的流程示意图；图7是作为一种实施方式的用于电池包光伏充电方法的流程示意图；图8是作为一种实施方式的用于电池包光伏充电方法的流程示意图；
图9是作为一种实施方式的用于电池包光伏充电方法的流程示意图。
具体实施方式
17.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
18.参考图1至图3所示的充电装置100。充电装置100是通过光伏板200发出的电能为电池包300充电的系统。充电装置100包括光伏接口10、输出接口20、滤波器30、第一充电电路40、第二充电电路50、控制器60、检测模块70和电压转换电路80。
19.充电装置100可以通过光伏接口10接入光伏板200，以为不同类型的电池包300充电，例如锂电池包、锂基电池包、固态电池包或石墨烯电池包。在本发明实施例中，采用充电装置100充电的电池包的电压、容量、结构、外形和尺寸等不做限定。例如，充电装置100可为额定电压为18v、20v、24v、28v、30v、56v、大于56v等的电池包充电。或者，充电装置100可为额定电压在上述电压范围的电池包充电。充电装置100也可为电池容量为1.2ah，1.3ah，1.4ah，2.0ah，2.4ah，2.5ah，2.6ah，3.0ah，4.0ah，5.0ah，6.0ah，7.5ah，10.0ah等的电池包充电。
20.光伏接口10，用于将太阳能光伏板接入充电装置100。在一个实施例中，光伏接口10可以接入一个或多个光伏板200，具体接入光伏板的数量及连接方式（光伏板串联或变联）与充电电池包300所承受的最大充电电流、功率相关，或者与充电装置100的输入电压范围及电能转化功率相关。
21.输出接口20，用于接入电池包300。在一个实施例中，输出接口20可以包括正极端子bat+和负极端子bat-及电池包与充电器通讯信号。电池包300通过输出接口20可拆卸式的连接至充电装置100。
22.在一个实施例中，充电装置100还包括充电控制模块（图中未示出），该模块与电压转换电路80连接，用于控制是否对电池包充电。在一个实施例中，充电控制模块可以是继电器。
23.滤波器30，与光伏接口10连接，用于对光伏接口10接入的电能信号进行抗干扰处理以输出滤波电信号。在一个实施例中，滤波器30为电磁干扰滤波器即emi滤波器。
24.在一个实施例中，滤波器30的输出端连接有辅助电源电路90，用于输出3.3v的电压为控制器60供电。
25.在一个实施例中，滤波器30的输出端还接入电解电容c，用于存储电能，以提供临时充电电能。
26.检测模块70，用于实时检测与电池包300相关的电参量。在一个实施例中，电参量为电池包的电量、电压、充电电流或功率中的一种或多种的组合。在一个实施例中，检测模块70与控制器60、第一充电电路40以及第二充电电路50连接。在一个实施例中，检测模块70传输至控制器60、第一充电电路40以及第二充电电路50中的电参量相同。在一个实施例中，检测模块70传输至控制器60、第一充电电路40以及第二充电电路50中的电参量均不同。
27.第一充电电路40，包括与控制器60连接的第一输入接口11、与检测模块70连接的第二输入接口12、连接两个输入接口的第一信号处理电路41、第一输出接口13以及第一半
导体开关d1。第一充电电路40通过第一输入接口11接收来自控制器60的第一控制信号，通过第二输入接口12接收来自检测模块70的电参量。第一信号处理电路41对第一控制信号和接收到的电参量处理后得到的模拟信号经第一输出接口13输出为第一充电信号。在一个实施例中，第一半导体开关d1为隔离半导体。在一个实施例中，隔离半导体开关为开关二极管。可以理解的是，第一输出接口13输出的第一充电信号低与参考量时，开关二极管d1截止，第一充电电路40不参与充电控制；第一充电信号为高于参考量开关二极管d1导通，第一充电电路40控制光伏接口10接入的电能以第一充电模式对电池包充300充电。其中，参考量为二极管导通时的最低电参量。
28.在一个实施例中，第一充电模式为标准充电模式。在一个实施例中，标准充电模式为恒流/恒压充电模式。
29.在一个实施例子中，检测模块70输入控制器60的电参量为电池包的充电电流。控制器60输入第一充电电路40的第一控制信号为根据上述充电电流生成的电流控制信号。检测模块70输入第一充电电路的电参量为电池包充电电流。在一个实施例中，第一信号处理电路41为图4所示的误差放大器，可以对两个输入接口输入的电流转换信号通过误差放大后，输出模拟电压为第一充电信号。
30.第二充电电路50，包括与控制器60连接的第三输入接口21、与检测模块70连接的第四输入接口22、连接两个输入接口的第二信号处理电路51、第二输出接口23以及第二半导体开关d2。第二充电电路50通过第三输入接口21接收来自控制器60的第二控制信号，通过第四输入接口22接收来自检测模块70的电参量。第二信号处理电路51对第二控制信号和接收到的电参量处理后得到的模拟信号通过经第二输出接口23输出为第二充电信号。在一个实施例中，第二半导体开关d2为隔离半导体。在一个实施例中，隔离半导体开关为开关二极管。可以理解的是，第二充电信号为低于参考量，开关二极管d2截止，第二充电电路50不参与充电控制。第二充电信号为高于参考量，开关二极管d2导通，第二充电电路50控制光伏接口10接入的电能以第二充电模式对电池包充300充电。其中，参考量为二极管导通时的最低电参量。
31.在一个实施例中，第二充电模式为最大功率点追踪充电模式，即通过mppt控制器追踪光伏板200的最大光伏输出功率，并始终以最大光伏输出功率为电池包300充电。在本技术实施例中，简称第二充电模式为mppt充电模式。
32.在一个实施例子中，检测模块70输入控制器60的电参量为电池包的充电电压。控制器60输入第二充电电路50的第二控制信号为根据上述充电电压生成的电压控制信号。检测模块70输入第二充电电路50的电参量为电池包充电电压。在一个实施例中，第二信号处理电路51为图4所示的误差放大器，可以对两个输入接口输入的电压信号通过误差放大后，输出模拟电压为第二充电信号。
33.可以理解的是，控制器60会同时输入两个控制信号至两个充电电路，两个控制信号中只有一个会使相应的充电电路导通，另一个则使相应的充电电路截止，从而实现以一种充电模式对电池包300充电。
34.电压转换电路80，与滤波器30连接，并接入第一充电电路40或者第二充电电路50输入的充电信号，以转化为适配电池包300的充电电压为电池包充电。
35.在一个实施例中，与电池包相关的电参量为电池包的充电电流。控制器60可以根
据电池包的充电电流与电流阈值的大小关系，确定的电池包的充电模式，进而确定第一充电电路40和第二充电电路50中需要导通的电路和需要截止的电路。
36.在一个实施例中，上述电流阈值为电池包300最大恒流充电电流。具体实现中，在电池包的充电电流大于等于电流阈值时，控制器60输入的第一控制信号使第一充电电路40导通，从而对电池包进行恒流/恒压模式的充电。在电池包的充电电流小于电流阈值时，控制器60输入的第二控制信号使第二充电电路50导通，从而对电池包进行mppt模式的充电。
37.在一个实施例中，与电池包相关的电参量为电池包的电量。控制器60可以根据电池包的电量与电量阈值的关系，确定充电装置100的充电模式是预充模式还是非预充模式。其中，非预充模式包括mppt充电模式和恒流/恒压充电模式。在一个实施例中，控制器60在监测到电池包300的电量小于等于电量阈值时，输出第三控制信号至第二充电电路40以使光伏接口10接入的电能以预充电模式对电池包300充电。可以理解的是，上述电量阈值为不损坏电池包且能快速充电时电池包剩余的最低电量。为实现电池包的预充电，控制器60可以输出控制第二充电电路50导通的第三控制信号，该信号使第二充电电路50输出使二极管d2导通的第三充电信号，从而使电池包300进入预充电模式。需要说明的是，上述第三控制信号为使mppt控制器在当前光照条件下保持负反馈的低电压，为一个固定值，该最低电压可用以对mppt控制器的限幅作用，防止mppt控制器的pv曲线进入正反馈阶段。其中，正反馈阶段和负反馈可以参考图5对pv曲线的描述。
38.在一个实施例中，控制器60可以监测预充模式下电池包300的充电功率，若该功率小于电池包300的预充功率，则认为当前光照条件非常差已经不能使用光伏充电。在上述条件下，控制器60输出控制第二充电电路50导通的第四控制信号，使充电装置100进入待机模式。可以理解的是，第四控制信号为使mppt控制器维持带电的最低电压值，是一个固定值。在第四控制信号下，不对电池包充电，只维持充电装置100为待机模式。通过使充电装置100待机，防止mppt控制器关死，可以在光照变好时，及时响应充电。
39.在一个实施例中，第四控制信号的电压值小于第三控制信号的电压值。
40.在一个实施例中，控制器60在监测到电池包300的电量大于电量阈值时，可以对电池包进行mppt模式的充电。为实现mppt充电，控制器60输出控制第二充电电路50导通的第二控制信号，同时控制器60需要输出控制第一充电电路40截止的第一控制信号，从而实现了mppt模式的充电。需要说明的是，mppt充电模式下的第二控制信号是随光照变化而变化的扰动电压。
41.在一个实施例中，控制器60在监测到电池包300的电量达到接近满电阈值时，输出使第一充电电路40导通的第一控制信号，以恒流/恒压模式对电池包300充电。可以理解的是，接近满电阈值小于电池包满电时的电量，电池包在达到该阈值时还有一定的充电空间。
42.需要说明的是，如图5所示的mppt控制器的 pv曲线可知，在mppt模式充电下，最大光伏输出功率与光伏板200接受的光照强度相关，而不同光照强度下，最大光伏输出功率对应的电压和电流也不同。图5中曲线1、2、3分别为400w/m2、600w/m2、800w/m2光照强度下的pv曲线。定义最大光伏输出功率之前的阶段为pv曲线的正反馈阶段，最大光伏输出功率之后的阶段为pv曲线的负反馈阶段。对于最大充电电压或者充电电流有限制或者较小的电池包来说，不适用于一直采用mppt模式的充电，特别是在光照条件非常好即光伏输出功率较高的情况下，会出现追踪到最大光伏输出功率之前，光伏输出功率就已经达到电池包所能承
受的最大恒流充电电流。
43.在一个实施例中，在mppt充电模式下，控制器60可以监测电池包300的充电电流是否达到电池包的最大恒流充电电流。如果达到，则控制器60输出控制第二充电电路50截止的第二控制信号，同时需要输出控制第一充电电路40导通的第一控制信号，从而实现了由mppt模式的充电转换为恒流/恒压模式的充电。在本实施例中，恒流/恒压充电模式为电池包标准的充电模式，此处不做详述。
44.在一个实施例中，在mppt充电模式下，控制器60可以从检测模块70获取电池包300当前的充电功率及充电电流。需要说明的是，电池包的充电功率在一定程度上或者完全体现光伏板200的光伏输出功率，即电池包充电功率的高低代表光照条件的好坏。在电池包300当前的充电功率大于功率阈值即当前的光照条件非常好时，控制器60比较电池包的充电电流与最大恒流充电电流的关系，以确定是否需要切换至恒流/恒压模式充电。例如，在电池包充电功率大于功率阈值的前提下，若电池包的充电电流小于电流阈值，则控制器60继续输出第二控制信号以mppt充电模式对电池包充电；电池包的充电电流大于等于电流阈值，则控制器60输出第一控制信号由当前的mppt充电模式切换至恒流/恒压充电模式对电池包充电。在电池包300当前的充电功率小于等于功率阈值即当前的光照条件一般或非常不好时，控制器60可以不再进行充电电流的监测，即不需要进行充电模式转换的监测，继续输出第二控制信号，以mppt充电模式对电池包充电。从而保证了充电模式随光照条件转换的灵活性。
45.在一个实施例中，控制器60可以根据电池包的充电功率以及当前的充电模式，设置控制第二充电电路50导通的第二控制信号的输出频率，即控制器60可以控制mppt控制器进行电压扰动的频率。具体的，在电池包300的充电功率大于或等于上述功率阈值，且电池包300的充电电流达到电池包的最大恒流充电电流，即光照非常好且电池包300以恒流/恒压模式充电时，mppt控制器不需要继续追踪最大光伏功率。在上述条件下，控制器60可以周期性的输出扰动的第二控制信号，避免由于完全关断mppt控制器，以使在光照条件突变时不能及时进行充电模式的转换。在电池包300的充电功率小于第一功率阈值即光照条件一般或非常不好时，电池包以mppt充电模式进行充电时，控制器60实时输出扰动的第二控制信号，保持mppt充电模式。
46.在一个实施例中，在mppt充电模式下或者恒流/恒压充电模式下，均存在热斑遮挡的现象，热斑遮挡时光伏板200的输出电压会降低。例如，一朵云或者一件物体遮住了光伏板200的光照，使其陷入热斑即阴影之中，则光伏板200的光伏输出功率会降低，从而导致输出电压突降。如图5所示，光照条件不同，同样的光伏输出功率150w时，600w/m2光照强度下输出电压v1小于800w/m2光照强度下的输出电压v2。基于此，控制器60可以通过比较光伏板200的输出电压确定是否有热斑遮挡。进一步的，控制器60还可以计时热斑遮挡的维持时长。
47.在一个实施例中，在热斑遮挡使光伏板200的输出电压降到小于电压阈值时，控制器60可以获取输出电压降至电压阈值时的第一时刻，并以该时刻为计时起点，获取输出电压维持小于电压阈值的维持时长。进一步的，控制器60可以根据遮挡时间的长短转换充电模式或者采用电解电容c临时释放充电功率。
48.具体实现中，若维持时长即热斑遮挡时长大于等于时间阈值，则无论当前电池包
300处于何种充电模式，控制器60均输出第二控制信号至第二充电电路50以mppt充电模式对电池包充电。即，在热斑遮挡时长大于等于时间阈值，当前充电模式为恒流/恒压充电模式时，控制器60输出第二控制信号切换至mppt充电模式；在热斑遮挡时长大于等于时间阈值，当前充电模式为mppt充电模式时，控制器60继续输出第二控制信号维持mppt充电模式。若热斑遮挡时小于时间阈值，即云朵或其他遮挡物对光伏板200的遮挡时间很短时，控制器60根据当前的充电模式继续输出该模式对应的控制信号，使电解电容c释放的电能维持当前的充电模式对电池包300充电。
49.在本技术实施例中，对上述不同光照条件、不同电量下电池包300充电模式的转换的顺序不做限定。
50.下面将结合图6说明用于电池包光伏充电的充电方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：s102，获取电池包的充电电流。s104，判断电池包充电电流是否大于等于电流阈值，若是则执行步骤s106，否则执行步骤s108。
51.s106，输出第一控制信号以第一充电模式对电池包充电。
52.s108，输出第二控制信号以第二充电模式对电池包充电。
53.下面将结合图7说明用于电池包光伏充电的充电方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：s202，获取电池包的电量。
54.s204，判断电量是否大于等于电量阈值，若是则执行步骤s206，否则执行步骤s212。
55.s206，电池包预充电。
56.s208，充电功率是否达到预充功率，若是则返回执行步骤s206，否则执行步骤s210。
57.s210，待机模式。
58.s212，mppt模式充电。
59.s214，充电电流是否达到最大恒流充电电流，若是则执行步骤s216，否则返回执行步骤s212。
60.s216，恒流/恒压模式充电。
61.在一个实施例中，如图8所示，在步骤s212之后，还包括以下步骤：s213，充电功率是否大于功率阈值，若是则执行步骤s214，否则返回执行步骤s212。
62.在一个实施例中，如图9所示，在步骤s216之后，还包括以下步骤：s217，热斑遮挡时间是否超过时长阈值，若是则返回执行步骤s212，否则执行步骤s218。
63.s218，电解电容放电，充电恒流/恒压充电模式不变。
64.在一个实施例中，在电池包处于mppt充电模式下，也可以判断热斑遮挡时间与时长阈值的关系。并在热斑遮挡时长小于时长阈值时维持原mppt充电模式不变，在在热斑遮挡时长大于等于时长阈值时，以电解电容放电，仍然维持mppt充电模式。即在mppt充电模式下，热斑遮挡时长不会带来充电模式的转换。
65.需要说明的是，上述充电方法施例中各步骤的详细执行过程可以参见充电装置实
施例中的描述，此处不再赘述。
66.上述方式可通过写入控制器的软件程序执行。
67.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。