CN101944760A - 锂电池组恒功率充电系统及方法 - Google Patents

锂电池组恒功率充电系统及方法 Download PDF

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CN101944760A CN201010298412XA CN201010298412A CN101944760A CN 101944760 A CN101944760 A CN 101944760A CN 201010298412X A CN201010298412X A CN 201010298412XA CN 201010298412 A CN201010298412 A CN 201010298412A CN 101944760 A CN101944760 A CN 101944760A
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袁昌杰
王自鑫
陈瑞祥
李佳明
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Sun Yat Sen University
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GUANGDONG APOWER ELECTRONICS CO Ltd
Guoguang Electric Co Ltd
National Sun Yat Sen University
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Abstract

一种锂电池组恒功率充电系统及方法，主控制器通过CAN总线与分控制器通讯，分控制器接收命令后，控制电压测量模块进行电压测量；电压检测模块将其检测到的小电池组的电压通过光电隔离电路传给分控制器，分控制器把信息传给主控制器；主控制器根据接收到的测量的总电压V，判断该电压值是否在规定的范围内，是则继续，否则退出循环；主控制器利用总电压V加上充电线路中电压耗损ΔV得理论充电电压；主控制器判断Vtrue是否小于充电机最大充电电压，是则继续，否则退出循环；主控制器利用充电机最大功率除以理论充电电压Vtrue，得到理论电流值；主控制器通过CAN总线将Vtrue和发送给充电机，充电机根据接受的电压和电流对大电池组进行充电。

Description

锂电池组恒功率充电系统及方法
技术领域
本发明涉及充电管理技术领域，尤其是大容量动力锂电池组的快速充电方法和充电管理系统的实现。
背景技术
锂电池自发明以来，具体能量密度高、工作电压高、自放电率低、循环寿命长、无污染等独特优势，无可厚非的成为电动车动力电池的首选。一方面，为保证电动车续航能力，锂电池电容量被尽量做大；另一方面，如何对大容量的锂电池，尤其是整个电池组进行快速稳定安全的充电，成为亟待解决的问题。目前，市场上针对锂电池的充电，多采用恒压充电、恒流充电或者两者兼备充电的方式。在给定充电机最大输出功率时，充电机的最大功率出现时间短，由于绝大多数时间中充电机没有用到最大输出功率，所以充电时间都较长，不适合大容量电池的快速充电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是提供一种锂电池组恒功率充电系统，系统改用恒定功率充电，最大限度发挥充电机的充电能力，使得充电机始终工作在其最大输出功率状态下，这样既能提高充电效率，节省充电时间，又能保证充电安全，延长电池和充电机寿命。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种锂电池组恒功率充电方法，改用恒定功率充电方式，最大限度发挥充电机的充电能力，使得充电机始终工作在其最大输出功率状态下，这样既能提高充电效率，节省充电时间，又能保证充电安全，延长电池和充电机寿命。
为解决上述技术问题之一，本发明的技术方案是：一种锂电池组恒功率充电系统，包括主控制器、充电机、由一个以上单体锂电池串联构成的大电池组，所述大电池组中分成若干小电池组，所述每个小电池组对应一个充电单元；所述充电单元包括分控制器、电压测量模块、光电隔离电路、电源模块，所述分控制器通过SPI总线与光电隔离电路连接，光电隔离电路通过SPI总线与电压测量模块连接，所述电压测量模块与其对应的小电池组正、负极连接；所述主控制器通过CAN总线分别与充电机、每个分控制器连接通讯；所述充电机输出端正极与大电池组正极连接，输出端负极与大电池组负极连接。每个充电单元检测其对应的小电池组的端电压，并将该端电压的数字分析处理后传输到主控制中，主控制根据接收到的电压信息，计算出大电池组的总电压值，进而计算出需要对大电池组进行充电的电压和电流数值，通过主控制器与充电机之间的协调，实现了对锂电池组的恒定功率充电。
作为改进，所述电压测量模块为集线式电压测量电路。
作为改进，主控制器是以高稳定度的飞思卡尔MC9S12XS128MAA为核心的单片机，通过高速的CAN总线通讯，对充电单元和充电机当前的状态进行快速查询，根据得到的各电池的电压数据进行运算和处理，最后得到相应的配置电压和电流，同时通过CAN通讯配置给充电机。
作为改进，所述CAN总线是基于CAN2.0B高速通讯协议的高可靠性通讯总线，采用250Khz的通讯频率，为总线上各模块之间高速数据交换提供可靠的通道。
作为改进，所述光电隔离电路为数字光电隔离电路。
为解决上述技术问题之二，本发明的技术方案是：一种锂电池组恒功率充电方法，包括主控制器、充电机、由一个以上单体锂电池串联构成的大电池组，所述大电池组中分成若干小电池组，所述每个小电池组对应一个充电单元；所述的恒功率充电方法如下：
1）          主控制器通过CAN总线与每个充电单元中的分控制器通讯，分控制器接收命令后，控制电压测量模块进行电压测量；
2）          电压检测模块将其检测到的小电池组的电压通过光电隔离电路传给分控制器，分控制器把信息处理后通过CAN总线传给主控制器；
3）          主控制器根据接收到的测量的总电压V，判断该电压值是否在规定的范围内，是则继续，否则退出循环；
4）          主控制器利用总电压V加上充电线路中电线和接线柱等的电压耗损ΔV计算得理论充电电压                                               
Figure 893902DEST_PATH_IMAGE002
，其中ΔV为系统给定的固定参数；
5）          主控制器判断
Figure 811042DEST_PATH_IMAGE002
是否小于充电机最大充电电压
Figure 121938DEST_PATH_IMAGE004
，是则继续，否则退出循环；
6）          主控制器利用充电机最大功率
Figure 517147DEST_PATH_IMAGE006
除以理论充电电压
Figure 984382DEST_PATH_IMAGE002
，得到理论电流值
Figure 806845DEST_PATH_IMAGE008
；
7）          主控制器通过CAN总线将
Figure 605036DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 803936DEST_PATH_IMAGE008
发送给充电机，充电机根据接受的电压和电流
Figure 872704DEST_PATH_IMAGE008
对大电池组进行充电。
作为改进，
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAAAA
=V+ΔV，
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAAA
=
Figure DEST_PATH_IMAGE014AA
/。
作为改进，所述电压测量模块为集线式电压测量电路，所述主控制器是以高稳定度的MC9S12XS128MAA为核心的单片机，所述光电隔离电路为数字光电隔离电路，所述CAN总线是基于CAN2.0B高速通讯协议的高可靠性通讯总线，采用250Khz的通讯频率。
作为改进，充电机是通过负反馈技术使得其输出的电压值和电流值与主控制器配置的电压
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAAAAAA
和电流
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAAAA
数据相同。
作为改进，所述步骤2）中，电压测量模块通过SPI总线与光电隔离电路连接，光电隔离电路通过SPI总线与控制器连接。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
运用充电管理系统与充电机共同实现恒定功率充电的技术，此技术摒弃传统的恒流或者恒压充电思想，改用恒定功率充电，最大限度发挥充电机的充电能力，使得充电机始终工作在其最大输出功率状态下，这样既能提高充电效率，节省充电时间，又能保证充电安全，延长电池和充电机寿命。
附图说明
图1为本发明电路结构示意图。
图2为充电单元电路结构示意图。
图3为本发明恒功率充电方法流程图。
图4为传统恒流恒压充电曲线。
图5为本发明恒功率充电曲线。
图6为恒功率充电与传统恒流恒压充电效果比较图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种锂电池组恒功率充电系统，包括主控制器1、充电机4、由多个单体锂电池串联构成的大电池组5，所述大电池组5中分成若干小电池组6，本发明中，每12节电池为一个小电池组6，所述每个小电池组6对应一个充电单元3。如图2所示，所述充电单元3包括分控制器32、电压测量模块31、光电隔离电路34、电源模块33，所述电压测量模块31为集线式电压测量电路，所述主控制器1是以高稳定度的MC9S12XS128MAA为核心的单片机，所述光电隔离电路34为数字光电隔离电路34，所述CAN总线2是基于CAN2.0B高速通讯协议的高可靠性通讯总线，采用250Khz的通讯频率。所述分控制器32通过SPI总线与光电隔离电路34连接，光电隔离电路34通过SPI总线与电压测量模块31连接，所述电压测量模块31与其对应的小电池组6正、负极连接；所述主控制器1通过CAN总线2分别与充电机4、每个分控制器32连接通讯；所述充电机4输出端正极与大电池组5正极连接，输出端负极与大电池组5负极连接。
如图3所示，锂电池组恒功率充电的控制方法如下：
1）          主控制器1通过CAN总线2与每个充电单元3中的分控制器32通讯，分控制器32接收命令后，控制电压测量模块31进行电压测量；
2）          电压检测模块将其检测到的小电池组6的电压通过光电隔离电路34传给分控制器32，分控制器32把信息处理后通过CAN总线2传给主控制器1；
3）          主控制器1根据接收到的测量的总电压V，判断该电压值是否在规定的范围内，是则继续，否则退出循环；
4）          主控制器1利用总电压V加上充电线路中电线和接线柱等的电压耗损ΔV计算得理论充电电压
Figure 469776DEST_PATH_IMAGE002
，其中ΔV为系统给定的固定参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAAAAAAA
=V+ΔV；
5）          主控制器1判断是否小于充电机4最大充电电压
Figure 667856DEST_PATH_IMAGE004
，是则继续，否则退出循环；
6）          主控制器1利用充电机4最大功率
Figure 753493DEST_PATH_IMAGE006
除以理论充电电压
Figure 995118DEST_PATH_IMAGE002
，得到理论电流值
Figure 801400DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAAAAA
=/
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAAAAAAAA
；
7）          主控制器1通过CAN总线2将
Figure 572435DEST_PATH_IMAGE002
和发送给充电机4，充电机4根据接受的电压
Figure 43047DEST_PATH_IMAGE002
和电流对大电池组5进行充电；充电机4是通过负反馈技术使得其输出的电压值和电流值与主控制器1配置的电压
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAAAAAAAAA
和电流
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAAAAAA
数据相同。
恒功率充电与恒流恒压充电技术的对比分析如下：
如图4所示，锂电池的恒流恒压充电特性曲线，曲线反映的充电模式为先以恒定的电流流
Figure 337948DEST_PATH_IMAGE016
对电池组进行充电，此时电池组的电压为
Figure 516120DEST_PATH_IMAGE018
，当电池充电到给定的电压
Figure 466758DEST_PATH_IMAGE020
后转换为以电压为的恒压充电，恒压过程直到充电电流小于等于
Figure 232906DEST_PATH_IMAGE022
。锂电池组在恒流恒压充电过程中恒流过程电池充入的电量占整个电池组总容量的百分比为R，电池组总容量为A，恒流充入的容量为R*A，那么恒流充电过程需要的时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
恒流恒压充电需要的最大功率
Figure 362405DEST_PATH_IMAGE026
=
此种充电模式下充电机输出功率曲线，从曲线中可以得出充电机只在恒流充电的末尾和恒压充电开始时段中输出功率才是最大的
Figure 627481DEST_PATH_IMAGE026
，其他时间段的充电功率小于等于最大输出功率，由此可见充电机的输出能力并不是每时每刻都在充分的利用，所以充电速度也将更慢，充电时间将延长。
此恒流过程中可以利用线性近似原理得出锂电池在此过程中等效的平均电压为U：
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
那么恒流阶段充入的电能为Q：
Figure DEST_PATH_IMAGE032AA
如图5所示，锂电池的恒功率充电特性曲线，曲线中反映出的充电模式是当电池组电压较低时充电电流较大，当电池组电压较高时充电电流较低，每时每刻使得充电机4输出功率最大。同时假设充电机4最大输出功率为，锂电池组充电起始电压
Figure 856840DEST_PATH_IMAGE018
，那么恒功率充电过程中充电机4以最大功率输出充电的时段为充电开始到电池电压达到给定值
Figure 81148DEST_PATH_IMAGE020
。锂电池组在恒功率过程中充入的电量占整个电池组总容量的百分比为R，电池组总容量为A，恒流充入的容量为R*A，对应充入的电能Q为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032AAA
由此得到恒功率充电时间为
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
由此可以得到恒功率充电比恒流充电缩短的时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE036A
如图6所示，可以得到恒功率充电在电池组容量和充电机4最大输出功率相同的条件下，能够明显的缩短锂电池组的充电时间。
实施例1
大电池组5由96节锂电池串联，单节容量为100Ah，标称电压为355V的锰酸锂电池组进行充电，大电池组5起始电压为
Figure 276068DEST_PATH_IMAGE018
充电终止电压为
Figure 966943DEST_PATH_IMAGE020
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
根据锰酸铁锂电池的特性，在0.2C充电速率下，采用常规恒流恒压充电方式，恒流充电阶段充入的电池容量占电池总容量的比例R为85%左右。
（1）  恒流恒压充电模式下，充电机的输出参数为403V和20A，充电机的最大功率
Figure 910629DEST_PATH_IMAGE026
=
Figure 594420DEST_PATH_IMAGE042
，那么恒流阶段需要占用的时间为
Figure 307161DEST_PATH_IMAGE044
Figure DEST_PATH_IMAGE046A
恒流充电过程需要消耗4.25小时，根据锰酸锂电池的特性，其曲在恒流充电过程中在3.5V-4.1V之间可以采用线性拟合的方法进行近似处理，而且这段时间占整个恒流过程的时间也较长，可以得到恒流充电过程中电池的平均电压U
Figure DEST_PATH_IMAGE048A
由此可得恒流阶段充入的电能为Q
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
（2）  在恒功率充电模式下，充电机4参数为
Figure 90309DEST_PATH_IMAGE052
，最大输出电压为403V，最大输出电流为28A，根据上面的数据可得恒功率阶段需要的时间为
Figure 521290DEST_PATH_IMAGE054
由此可得在充入相同的电能下，恒功率充电只需要3.875小时，比恒流充电快了0.375小时，快了10%，对于大容量的电池组来说提高10%的时间是很有必要的，尤其是在充电时间较长时充电速度将更加明显。
实施例2
大电池组5由120节电池串联，单节容量为100Ah，标称电压为360V的磷酸铁锂电池组进行充电，大电池组5起始电压为
Figure 493926DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE058AA
充电终止电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE060AA
根据锰酸铁锂电池的特性，在0.2C充电速率下，采用常规恒流恒压充电方式，恒流充电阶段充入的电池容量占电池总容量的比例R为90%左右。
（1）    恒流恒压充电模式下，充电机的输出参数为444V和20A，充电机的最大功率
Figure 874277DEST_PATH_IMAGE026
=
Figure 667921DEST_PATH_IMAGE062
，那么恒流阶段需要占用的时间为
Figure 37722DEST_PATH_IMAGE044
恒流充电过程需要消耗4.5小时，根据磷酸铁酸锂电池的特性，其曲在恒流充电过程中在30V-3.5V之间可以采用线性拟合的方法进行近似处理，而且这段时间占整个恒流过程的时间也较长，可以得到恒流充电过程中电池的平均电压U
Figure DEST_PATH_IMAGE066A
由此可得恒流阶段充入的电能为Q
Figure DEST_PATH_IMAGE068A
（2）    在恒功率充电模式下，假如使得在相同时间内充入电池组中的能量相同，那么恒功率需要的充电机4功率为
Figure 55881DEST_PATH_IMAGE026
Figure DEST_PATH_IMAGE070A
由此可见，在相同的时间内充入相同的能量，恒功率充电对充电机4的功率要求只需要7.8kw，比常规的恒流恒压充电的最大功率小了1.08kw，功率要求降低了12.2%，这样可以反应出充电机4的成本将降低12%左右，一个8.88kw的充电机4大概为10000元，一个7.8kw的充电机4大概为8500元，降低成本1500元，效果非常明显。
实施例3
大电池组5由120节电池串联，单节容量为100Ah，标称电压为360V的磷酸铁锂电池组进行充电，电池组起始电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE058AAA
充电终止电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE060AAA
根据锰酸铁锂电池的特性，在1C充电速率下，采用常规恒流恒压充电方式，恒流充电阶段充入的电池容量占电池总容量的比例R为70%左右。
（1）  恒流恒压充电模式下，充电机的输出参数为444V和100A，充电机的最大功率
Figure 291057DEST_PATH_IMAGE026
=
Figure 957530DEST_PATH_IMAGE072
，那么恒流阶段需要占用的时间为
Figure 925486DEST_PATH_IMAGE044
恒流充电过程需要消耗42分钟，根据磷酸铁锂电池的特性，其曲在恒流充电过程中在3 V-3.7V之间可以采用线性拟合的方法进行近似处理，而且这段时间占整个恒流过程的时间也较长，可以得到恒流充电过程中电池的平均电压U
Figure DEST_PATH_IMAGE076A
由此可得恒流阶段充入的电能为Q
（2）  在恒功率充电模式下，充电机4参数为，最大输出电压为444V，最大输出电流为148A，根据上面的数据可得恒功率阶段需要的时间为
Figure 795539DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE082A
由此可得在充入相同的电能下，恒功率充电只需要38分钟，比恒流充电快了4分钟，快了10%，对于大容量的电池组来说提高10%的时间是很有必要的，尤其是在充电时间较长时充电速度将更加明显。
运用充电管理系统与充电机4共同实现恒定功率充电的技术，此技术摒弃传统的恒流或者恒压充电思想，改用恒定功率充电，最大限度发挥充电机4的充电能力，使得充电机4始终工作在其最大输出功率状态下，这样既能提高充电效率，节省充电时间，又能保证充电安全，延长电池和充电机4寿命。

Claims (10)

1.一种锂电池组恒功率充电系统，其特征在于：包括主控制器、充电机、由一个以上单体锂电池串联构成的大电池组，所述大电池组中分成若干小电池组，所述每个小电池组对应一个充电单元；所述充电单元包括分控制器、电压测量模块、光电隔离电路、电源模块，所述分控制器通过SPI总线与光电隔离电路连接，光电隔离电路通过SPI总线与电压测量模块连接，所述电压测量模块与其对应的小电池组正、负极连接；所述主控制器通过CAN总线分别与充电机、每个分控制器连接通讯；所述充电机输出端正极与大电池组正极连接，输出端负极与大电池组负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池组恒功率充电系统，其特征在于：所述电压测量模块为集线式电压测量电路。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池组恒功率充电系统，其特征在于：所述主控制器是以高稳定度的MC9S12XS128MAA为核心的单片机。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池组恒功率充电系统，其特征在于：所述CAN总线是基于CAN2.0B高速通讯协议的高可靠性通讯总线，采用250Khz的通讯频率。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池组恒功率充电系统，其特征在于：所述光电隔离电路为数字光电隔离电路。
6.一种锂电池组恒功率充电方法，其特征在于：包括主控制器、充电机、由一个以上单体锂电池串联构成的大电池组，所述大电池组中分成若干小电池组，所述每个小电池组对应一个充电单元；所述的恒功率充电方法如下：
1)主控制器通过CAN总线与每个充电单元中的分控制器通讯，分控制器接收命令后，控制电压测量模块进行电压测量；
2)电压检测模块将其检测到的小电池组的电压通过光电隔离电路传给分控制器，分控制器把信息处理后通过CAN总线传给主控制器；
3)主控制器根据接收到的测量的总电压V，判断该电压值是否在规定的范围内，是则继续，否则退出循环；
4)主控制器利用总电压V加上充电线路中电线和接线柱等的电压耗损ΔV计算得理论充电电压                                               
Figure 303318DEST_PATH_IMAGE002
，其中ΔV为系统给定的固定参数；
5)主控制器判断
Figure 571488DEST_PATH_IMAGE002
是否小于充电机最大充电电压
Figure 94873DEST_PATH_IMAGE004
，是则继续，否则退出循环；
6)主控制器利用充电机最大功率
Figure 931242DEST_PATH_IMAGE006
除以理论充电电压
Figure 172868DEST_PATH_IMAGE002
，得到理论电流值
Figure 979150DEST_PATH_IMAGE008
；
7)主控制器通过CAN总线将
Figure 622621DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 957787DEST_PATH_IMAGE008
发送给充电机，充电机根据接受的电压
Figure 342501DEST_PATH_IMAGE002
和电流
Figure 421315DEST_PATH_IMAGE008
对大电池组进行充电。
7.根据权利要求6所述的一种锂电池组恒功率充电方法，其特征在于：
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAA
=V+ΔV，=
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
/
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAA
。
8.根据权利要求6所述的一种锂电池组恒功率充电方法，其特征在于：所述电压测量模块为集线式电压测量电路，所述主控制器是以高稳定度的MC9S12XS128MAA为核心的单片机，所述光电隔离电路为数字光电隔离电路，所述CAN总线是基于CAN2.0B高速通讯协议的高可靠性通讯总线，采用250Khz的通讯频率。
9.根据权利要求6所述的一种锂电池组恒功率充电方法，其特征在于：充电机是通过负反馈技术使得其输出的电压值和电流值与主控制器配置的电压
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAAAA
和电流
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAA
数据相同。
10.根据权利要求6所述的一种锂电池组恒功率充电方法，其特征在于：所述步骤2）中，电压测量模块通过SPI总线与光电隔离电路连接，光电隔离电路通过SPI总线与控制器连接。
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