CN102709981A - 一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置 - Google Patents

一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置 Download PDF

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李慧琪
查鸿山
周远山
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Abstract

本发明公开了一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,包括充电机、多个均衡充电模块和电池管理系统;串联电池组中每个单体锂电池都分别与一均衡充电模块连接,各个均衡充电模块分别通过通信总线与电池管理系统信号连接;充电机输出端与串联电池组的正负极相连,充电机与电池管理系统之间采用通信总线信号连接。本发明串联锂离子电池组中每个单体电池配置一个均衡充电模块,均衡充电模块根据设定电压电流值,对各单体电池分别进行均衡充电,实现串联电池组的能量无损均衡充电。本发明结构简单实用、充电时间短,均衡电流大效率高、无能量损耗、对应用环境要求低。适用于6-220只锂离子串联电池组的能量无损均衡充电。

Description

一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置
技术领域
[0001] 本发明涉及串联锂离子电池组均衡充电的领域,具体是一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电的方法及装置。本发明提出的方法适用于6-220只锂离子串联电池组的能量无损均衡充电。
背景技术
[0002] 电动车辆、储能系统等动力电池组一般是由多个单体电池或电池模块串联组成。由于电池组中众多单体电池之间存在制造工艺、材质、使用环 境、接线方式等差异,单个电池之间存在容量、端电压和内阻的不一致在所难免;由于各个单体动力电池的安放位置不同,导致温度等使用环境不同,使电池组各单体电池之间的老化和衰减出现差导;在电池组的应用中容量少的单体电池可能会使整个电池组提前终止放电,而容量多的单体电池可能会使整个电池组提前终止充电,上述三种情况,在不断的充放电循环中,使电池组各单体电池之间容量不一致性的状况不断积累和恶化。如使用一般充电方式直接为电池组进行整体充电,必然导致单个电池之间容量不一致性的加剧,降低电池组的整体使用效率,甚至出现个别电池的过电压充放电,严重影响电池组的安全和使用寿命。在锂离子串联电池组使用过程中,一般要求在充电过程中对电池组进行均衡充电,电池串联数量越多,均衡充电的要求越高,难度也越大。目前针对串联锂离子电池组的充电均衡方法主要有以下几种:
[0003] (I)能量耗散式均衡方法。在串联电池组的各单体电池上并联一个均衡电阻,以达到能量分流的作用。当某个单体电池首先充满时,均衡装置通过均衡电阻释放热能,中止该单体电池的充电,继续对尚未充满的电池充电。该方法简单容易实现,但会带来能量的损耗,能效低,并且产生热量,对应用环境提出了很高的要求。
[0004] ( 2 )能量转移式均衡方法。常用的有电容法和电感法,利用电容或电感等储能元件将能量进行传递,实现电池之间的电量转移,达到均衡的目的。优点是结构简单、体积可以做的很小,缺点是需要大量的开关器件、需要的时间也较长,该方法主要用在电池数量较少的场合,目前这种方法的技术和产品未见有在电动车辆及储能装置上的应用。同时由于锂离子电池充放电曲线斜率太小,在电压平台区能量转移式均衡几乎没有什么作用,又因电池之间不停地实行能量转移,势必影响电池循环寿命。
[0005] (3)能量转换式均衡方法。常用的有线圈能量转换法,利用变压器实现高压电池与低压电池之间或单体电池与电池组之间的能量转换,具有较佳的均衡效率,结构复杂,体积较大,成本相对较高,目前这种方法的技术和产品未见有实际应用。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于针对现有充电均衡方法的不足,提供一种串联锂离子电池组的无损均衡充电的装置,适用于6-220只串联锂离子电池组的充电均衡。该均衡方法充电均衡过程无能量损耗,均衡效率高。
[0007] 本发明通过如下技术方案实现:[0008] 一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,包括充电机、多个均衡充电模块和电池管理系统;串联电池组中每个单体锂电池都分别与一均衡充电模块连接,各个均衡充电模块分别通过通信总线与电池管理系统信号连接;充电机输出端与串联电池组的正负极相连,充电机与电池管理系统之间采用通信总线信号连接。
[0009] 进一步地,所述均衡充电模块包括电池接口负端、电池接口正端、220V交流电源输入端、整流电路、DC/DC变换单元、控制单元、输出滤波电路和电压电流采集电路;220V交流电源输入端一端与整流电路连接,另一端与交流电相连;整流电路、DC/DC变换单元、输出滤波电路和电压电流采集电路依次连接,电压电流采集电路上设有电池接口负端和电池接口正端;电池接口负端和电池接口正端分别与对应的串联电池组中单体锂电池的负极和正极连接;控制单元分别与DC/DC变换单元和电压电流采集电路连接,控制单元还通过通讯总线与电池管理系统连接。
[0010] 所述通信总线为CAN或485总线。
[0011] 所述主充电机选用具有CAN或RS485接口,由车载电池管理系统通过CAN或RS485总线进行控制的智能充电机。
[0012] 所述电池管理系统根据电池组类型设定充电电压、电流参数,并提供开放的CAN和 RS485 接口。
[0013] 本发明提供的另一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,包括集中式均衡充电机、多个均衡充电模块和电池管理系统;串联电池组中每个单体锂电池都分别与一均衡充电模块连接,各个均衡充电模块分别通过通信总线与电池管理系统信号连接;通信总线为CAN总线和RS485总线。
[0014] 相对于现有技术,本发明具有如下优点:
[0015] (I)无能量损耗:充电均衡过程中,已充满电的单体电池可直接切断其充电回路,对于尚未充满电的单体电池则继续充电,均衡过程中没有能力损失;
[0016] (2)充电时间短:电池组充电过程中,开始充电时采用大电流充电,当电池组中有单体电池快充满时,改用小电流充电(即涓流充电)进行均衡充电。采用本发明设计的均衡模块,当单体电池充满时,可以通过电池管理系统切断该单体电池充电回路,继续以相对较大的电流对其他单体电池充电,因而其充电时间将大大缩短。
[0017] (3)均衡电流大效率高:均衡充电中采用均衡模块对单体电池进行充电,均衡充电过程无能量损失。而且和一般的均衡方法相比,其均衡电流相对较大,均衡时间较短,因而其均衡充电效率高。
[0018] (4)结构简单实用;本发明的串联锂离子电池组的无损均衡充电装置主要由多个均衡充电模块和电池管理系统组成;串联电池组中每个单体锂电池都分别与一均衡充电模块连接,各个均衡充电模块分别通过通信总线与电池管理系统连接,设备少,整体结构简单。
附图说明
[0019] 图I为实施例I串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置结构原理图;
[0020] 图2为图I中均衡充电模块的原理图;
[0021] 图3为实施例2串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置结构原理图。[0022] 图中示出:串联电池组I、均衡充电模块2、充电机3、电池管理系统4电池接口负端5、电池接口正端6、交流电源输入端7、通讯总线8、整流电路9、DC/DC变换单元10、控制单元11、输出滤波电路12、电压电流采集电路13、集中式均衡充电机15。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明,但本发明要求保护的范围并不限于实施实例表示的范围。
[0024] 如图I所示,串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,包括充电机3、多个均衡充电模块2和电池管理系统4 ;串联电池组I中每个单体锂电池都分别与一均衡充电模块2连接,各个均衡充电模块2分别通过通信总线与电池管理系统4信号连接;即电池组每个单体电池都设有独立的均衡充电模块2,各个均衡模块2与串联电池组I中各个单体锂电池并联连接。充电机3输出端与串联电池组I相连,充电机3与电池管理系统4之间采用通信总线信号连接。通信总线为CAN或485总线。
[0025] 主充电机3选用具有CAN、RS485接口,可由车载电池管理系统通过CAN或RS485总线进行控制的智能充电机,如广州益维电动汽车有限公司开发的智能充电机EVC-600-300 ;北京启源新能科技开发公司开发的功率等级为20KW、40KW智能充电机,北京玉新联成电子技术有限公司开发的电动汽车用智能充电机。
[0026] 电池管理系统4要求能根据电池组类型设定充电电压、电流等参数,并提供开放的CAN和RS485接口,如广州益维电动汽车有限公司生产的EVB-600锂离子动力电池管理系统,湖南天恒新能源有限公司生产的电动汽车用锂离子锂电池管理系统,哈尔滨冠拓电源设备有限公司开发的MC17型锂动力电池管理系统。
[0027] 如图2所示,均衡充电模块2包括电池接口负端5、电池接口正端6、220V交流电源输入端7、通讯总线8、整流电路9、DC/DC变换单元10、控制单元11、输出滤波电路12和电压电流采集电路13 ;220V交流电源输入端7 —端与整流电路9连接,另一端与交流电相连,整流电路9、DC/DC变换单元10、输出滤波电路12和电压电流采集电路13依次连接,电压电流采集电路13上设有电池接口负端5和电池接口正端6 ;电池接口负端5和电池接口正端6分别与对应的串联电池组I中单体锂电池的负极和正极连接;控制单元11分别与DC/DC变换单元10和电压电流采集电路13连接,控制单元11还通过通讯总线8与电池管理系统4连接;220V交流市电通过交流电源输入端7输入整流电路9,经整流电路9整流为直流电,直流电再经DC/DC变换单元10降压后,经电池接口负端5和电池接口正端6输出,为串联电池组I的单体锂电池充电,提供合适的充电电压、电流;其充电电压、电流的大小由电池管理系统4根据电池组充电状态设定。充电过程中,电压电流采集单元13实时采集串联电池组I的各个单体锂电池的充电状态,并将采集的充电信号传送给控制单元11,控制单元11通过通讯总线8与电池管理系统4之间进行通信。控制单元11为通用单片机或电脑。
[0028] 对由大容量的单体锂离子电池组成的串联电池组I充电时,电池管理系统4首先控制大功率的充电机3对串联电池组I进行大功率快速充电。当串联电池组I中某个单体锂电池充电电压达到设定均衡充电电压值时,电池管理系统4关闭充电机3,启动均衡充电模块2分别对各个单体电池分别进行均衡充电,直至所有单体电池充满电为止。[0029] 对于单体容量较小的单体锂电池组成的串联电池组I或允许充电时间较长的串联电池组I充电时,电池管理系统4直接控制均衡充电模块2分别对各个单体电池I分别进行均衡充电,而不需大功率的充电机3对串联电池组I进行大功率快速充电。
[0030] 实施例I :用于纯电动大客车动力电池组充电
[0031] 该纯电动大客车设计时速80Km,续驶里程300km,额定驱动功率120Kw,采用额定电压576V,额定容量300Ah,采用180只单体磷酸铁锂电池串联的动力电池组作为驱动能源,电池管理系统采用哈尔滨冠拓电源设备有限公司开发的MC17型锂动力电池管理系统,也可用益维电动汽车有限公司开发的型号为EVB-600的锂离子动力电池管理系统。充电机采用北京启源新能科技开发公司开发的功率等级为20KW、40KW智能充电机,也可选用广州益维电动汽车有限公司开发的型号为EVC-600的智能充电机。每个单体电池配备图2所示的均衡充电模块2。
[0032] 结构如图I所示,电池管理系统4通过CAN总线控制充电机3与各均衡模块2。动力电池组充电过程分为电池组整体大电流充电和均衡充电两个过程:开始充电时,动力电池组荷电状态较低,充电机充电电流设置为0. 2C,即60A。随着动力电池组荷电状态的不断提高,可适当降低充电电流。充电过程中电池管理系统4检测到动力电池组中有单体电池充满电时,电池管理系统4自动发出控制指令切断主充电机,进入均衡充电过程,由电池管理系统4启动各均衡模块2对尚未充满电的单体电池继续充电。在均衡充电过程中,电池管理系统4检测各单体电池充电状态,当有单体电池充满电时,电池管理系统即控制其对应均衡模块停止充电,继续对尚未充满的单体电池充电直至所有单体电池均充满电。
[0033] 实施例2 :用于AGV货物运送车动力电池组充电
[0034] 该AGV货物运送车动力设计速度50m/min,载重3000Kg,额定驱动功率2Kw,采用额定电压48V,额定容量40Ah,采用15只单体磷酸铁锂电池串联的动力电池组作为驱动能源。电池管理系统4采用益维公司开发的型号为EVB-48的锂离子动力电池管理系统。应用图3所示的串联锂离子电池组的无损均衡充电装置对AGV货物运送车动力电池组充电。
[0035] 如图3所示,串联锂离子电池组的无损均衡充电装置,包括集中式均衡充电机15、多个均衡充电模块2和电池管理系统4 ;串联电池组I中每个单体锂电池都分别与一均衡充电模块2连接,各个均衡充电模块2分别通过通信总线与电池管理系统4信号连接;即串联电池组每个单体电池都设有独立的均衡充电模块2,各个均衡模块2与串联电池组I中各个单体锂电池并联连接。通信总线为CAN总线和RS485总线。集中式均衡充电机15是若干个均衡充电模块2的组合,各均衡模块2通过CAN总线由上层的电池管理系统4分别控制。各均衡充电模块2可单独为其对应单体电池充电,对应单体电池充电状态可实时通过CAN总线上传至电池管理系统。
[0036] 该串联锂离子电池组的无损均衡充电装置与图I所示装置相比主要是少了充电机3。电池管理系统4要求能根据电池组类型设定充电电压、电流等参数,并提供开放的CAN和RS485接口,可选用湖南天恒新能源有限公司生产的电动汽车用锂离子锂电池管理系统;均衡充电模块2同实施例1,参见图2。
[0037] 集中式均衡充电机15通过交流电源输入端7与电网相连,各均衡充电模块2通过CAN或485总线接受来自电池管理系统4的控制指令,来自电网的220V交流市电通过每个均衡充电模块2输出给定的电压电流值分别给动力电池组每个单体锂电池充电,当串联电池组I中某个单体锂电池的电压达到允许最高充电电压值时,对应该单体锂电池的均衡充电模块2在电池管理系统4的控制下自动关闭,其余尚未充满的单体电池继续充电,直至所有单体电池电压均达到允许最高充电电压值时,集中式均衡充电机15在电池管理系统4的 控制下停止工作,并切断充电机与电池组的联接。

Claims (6)

1. 一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,其特征在于,包括充电机、多个均衡充电模块和电池管理系统;串联电池组中每个单体锂电池都分别与一均衡充电模块连接,各个均衡充电模块分别通过通信总线与电池管理系统信号连接;充电机输出端与串联电池组的正负极相连,充电机与电池管理系统之间采用通信总线信号连接。
2.根据权利要求I所述的串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,其特征在于,所述均衡充电模块包括电池接口负端、电池接口正端、220V交流电源输入端、整流电路、DC/DC变换单元、控制单元、输出滤波电路和电压电流采集电路;220V交流电源输入端一端与整流电路连接,另一端与交流电相连;整流电路、DC/DC变换单元、输出滤波电路和电压电流采集电路依次连接,电压电流采集电路上设有电池接口负端和电池接口正端;电池接口负端和电池接口正端分别与对应的串联电池组中单体锂电池的负极和正极连接;控制单元分别与DC/DC变换单元和电压电流采集电路连接,控制单元还通过通讯总线与电池管理系统连接。
3.根据权利要求I所述的串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,其特征在于,所述通信总线为CAN或485总线。
4.根据权利要求I所述的串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,其特征在于,所述主充电机选用具有CAN或RS485接口,由车载电池管理系统通过CAN或RS485总线进行控制的智能充电机。
5.根据权利要求I所述的串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,其特征在于,所述电池管理系统根据电池组类型设定充电电压、电流参数,并提供开放的CAN和RS485接□。
6. 一种串联锂离子电池组能量无损均衡充电装置,其特征在于,包括集中式均衡充电机、多个均衡充电模块和电池管理系统;串联电池组中每个单体锂电池都分别与一均衡充电模块连接,各个均衡充电模块分别通过通信总线与电池管理系统信号连接;通信总线为CAN总线和RS485总线。
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