CN103051034B - 均衡充电设备及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种均衡充电设备，由上位机、充电均衡装置和配套的信号输入输出端口组成；充电均衡装置和连接的充电电池组间通过所述配套的信号输入输出端口连接；上位机中包括充电控制装置，充电控制装置用于通过串行通信总线接收充电均衡装置采集的充电电池组中各充电电池的电流、电压变化数据，并形成相应的控制参数，通过串行通信总线传送至充电均衡装置进行各充电电池充电过程的状态控制；充电均衡装置中包括智能均衡模块，用于根据充电控制装置的控制参数调整相应信号输入输出端口的工作状态。可以对各充电电池进行独立充电控制，实现电池组中充电电池的均衡充电。让电池组的能量发挥到最大，延长电池组使用寿命。还包括一种相应的充电控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种充电设备，特别是涉及一种用于串联储能装置的充电设备。
背景技术
目前，锂离子电池在批量制造过程中，由于制造设备的性能，原材料的一致性，以及制造工艺中对温度、湿度的控制精度，会造成锂离子电池成品在极板厚度、面密度、隔膜孔径、隔膜厚度等指标参数上存在差异。这就必然导致批量生产的锂离子电池在容量和内阻上存在差别。当将锂离子电池经过串联、并联形成电动汽车或其他用电设备的电源后，进行充放电的过程中，各电池的自身能量损耗就会不同，多次运行后最终导致整组锂离子电池的不同电池之间带电量不一致，带电量的不一致会引起电池组的整体容量下降。
锂离子电池组在使用过程中需要用电池管理系统进行管理，为了防止电池的过电压充电和过电压放电（过电压充电及过电压放电会引起锂离子电池的失效），电池管理系统需要管理到每一串电池，实时的进行切断控制，保证电池组既不会过充又不会过放，保证电池组运行安全性。如果出现了电池之间的带电量不一致，在充电末端，由于充电设备不能区分锂离子电池的个体差别，为了设备和电路的安全，管理系统会因为其中个别电池先充满而引起管理系统切断整组电池的充电回路。这样就造成其它电池没有充满电。在放电的末端，又会因为其中个别电池的电量先放完，而引起管理系统会切断整组电池的放电回路，这样就造成其它电池仍有残余电量却放不出来的现象，导致整体放电容量较小，外部表现为电动汽车的续航里程变短形成续航里程缩短的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种均衡充电设备，解决充电电池组中的电池充电性能不一致，导致充电电池组充电、放电效率低的技术问题。
本发明的另一个目的是提供一种利用上述均衡充电设备，进行充电电池组充电的控制方法，解决充电电池组充电电量变小，不易维护的技术问题。
本发明的均衡充电设备，其中：由上位机、充电均衡装置和配套的信号输入输出端口组成；
所述上位机采用通用计算机系统，包括串行通信总线接口，所述充电均衡装置包括串行通信总线接口和交流电源接口，所述上位机和所述充电均衡装置之间通过串行通信总线接口进行数据通信，所述充电均衡装置通过交流电源接口接入交流电源，所述充电均衡装置和充电电池组间通过所述配套的信号输入输出端口连接；
所述上位机中包括充电控制装置，充电控制装置用于通过串行通信总线接收所述充电均衡装置采集的充电电池组中各充电电池的电流、电压变化数据，并形成相应的控制参数，通过串行通信总线传送至充电均衡装置进行各充电电池充电过程的状态控制；
所述充电均衡装置中包括智能均衡模块，用于根据充电控制装置的控制参数调整相应信号输入输出端口的工作状态，当处于充电状态时，根据控制参数调节输出至相应信号输入输出端口的充电电压和充电电流，当处于采集状态时，从相应信号输入输出端口采集充电电池的电流状态数据，电压状态数据。
所述智能均衡模块包括交直流转换装置、电流检测装置、电流强度控制装置、恒流恒压控制装置和信号处理装置；
交直流转换装置将接入的交流电转换为直流电，输出的正、负直流母线通过所述配套的信号输入输出端口连接在充电电池的两端，形成充电回路；电流检测装置和电流强度控制装置串接入充电回路，电流检测装置测得的充电回路电流变化信号分别传送至恒流恒压控制装置和信号处理装置的相应信号输入端，充电电池两端的电压变化信号通过采样回路分别传送至恒流恒压控制装置和信号处理装置的相应信号输入端，形成采样回路；信号处理装置的信号输出端连接恒流恒压控制装置的相应信号输入端，恒流恒压控制装置的信号输出端连接电流强度控制装置的信号输入端；
恒流恒压控制装置，根据接收的充电回路电流变化信号、充电电池两端的电压变化信号和信号处理装置发送的控制信号，生成控制电流强度控制装置的控制信号；
电流强度控制装置根据信号输入端的控制信号调节充电回路中的电池电压或充电电流；
信号处理装置用于接收通过串行通信总线传送的充电控制装置的控制参数，转换为功率控制信号输出至恒流恒压控制装置，用于接收充电电池两端的电压信号，充电电流信号，转换为充电电池的状态变化数据，通过串行通信总线传送至充电控制装置。
包括若干个所述充电均衡装置和所述配套的信号输入输出端口，所述充电均衡装置包括若干个所述智能均衡模块。
所述配套的信号输入输出端口包括充电均衡装置的插头和充电电池组的插座。
一种所述插座的引脚分别对应连接充电电池组中各充电电池的正极、负极；所述插头的对应引脚分别连接相应智能均衡模块的正、负直流母线。
一种所述插座的引脚分别对应连接充电电池组中各充电电池的正极、负极，插座有两个引脚分别连接到具有孤立正极的充电电池的正极，另有两个引脚分别连接到具有孤立负极的充电电池的负极；各充电电池的一根正极引脚导线和一根负极导线通过插座和插头05a接入相应智能均衡模块中的采样回路，各充电电池的另一根正极引脚导线和另一根负极导线分别与相应智能均衡模块的正、负直流母线连接。
一种所述插座的引脚分别对应连接充电电池组中各充电电池的正极、负极，插座有两个引脚分别连接到具有孤立正极的充电电池的正极，另有两个引脚分别连接到具有孤立负极的充电电池的负极；各充电电池的两根正极引脚导线和两根负极导线分别与相应智能均衡模块的正、负直流母线连接。
利用上述的均衡充电设备进行均衡充电的控制方法，包括以下步骤：
充电均衡装置通过配套的信号输入输出端口采集充电电池组中各充电电池的电压变化和充电回路电流变化，充电均衡装置将电压数据和电流数据通过串行通信总线接口传送至上位机的充电控制装置；
充电控制装置根据内置的控制策略形成相应的工作状态控制参数，通过串行通信总线接口传送至相应的智能均衡模块；
智能均衡模块根据充电回路电流变化信号、充电电池两端的电压变化信号和信号处理装置发送的工作状态控制参数，完成恒流恒压充电过程。
所述采集充电电池的电压变化与充电回路进行充电的过程，或是采用相同引脚导线线路，分时进行电流充电和电压采样；或是采用不同引脚导线线路，同时进行电流充电和电压采样。
所述完成恒流恒压充电过程后，还包括电池组维护步骤：
当充电电池组中的单只充电电池电压充电达到设定值后，充电控制装置计算充电电池内阻及自放电程度，实时对单只充电电池补充电能充电，直至同一充电电池组中所有单只充电电池都达到设定电量及电压值后，结束均衡充电维护过程。
本发明的均衡充电设备采用模块化设计，可以实现均衡充电装置的级联，扩充可同时均衡的充电电池组数量和充电电池数量。均衡充电时利用引脚导线的并联充电方式，可以实现高达20A以上的大电流均衡充电。既可以对电池组中的每一个串联电池进行均衡充电，也可以对每一个串联电池进行电压信号采样，使得各电池均衡充电完毕可以自动进入维护模式，激发电池材料的活性。本发明的均衡充电设备不使用时脱离用电设备和电池组，减少了设备的潜在故障，降低了设备负重。
利用本发明的均衡充电设备对充电电池组进行均衡充电后，会把电池组中的每一组串联的充电电池全部充满电，保证每一组串联的充电电池的带电量基本一致，让电池组的能量发挥到最大，使例如电动汽车等装备的续航里程均有所增加，约增加10-20%，利用本发明的均衡充电设备对锂离子充电电池组进行定期维护，会让锂离子电池的活性得以恢复，提高整组锂离子电池的一致性，均衡效果明显。
本发明的均衡充电设备可以同时维护多组串联的充电电池，经过对充电均衡装置与充电电池组配套插头和插座引脚线序的合理布置，本发明的均衡充电设备可以适应多种串、并联形式的电池组，大大简化了充电设备的配置数量和种类，是一种革命性的进步。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
附图说明
图1为本发明均衡充电设备的结构示意图；
图2为本发明均衡充电设备中充电均衡装置的结构示意图；
图3为本发明均衡充电设备中智能均衡模块的结构示意图；
图4为本发明均衡充电设备中充电均衡装置与充电电池组引脚连接形式1的连接示意图；
图5为本发明均衡充电设备中充电均衡装置与充电电池组引脚连接形式2的连接示意图；
图6为本发明均衡充电设备中利用的串联充电电池组的插座引脚结构定义示意图；
图7为采用本发明均衡充电设备前、后，充电电池组充电后各充电电池电量的比较示意图；
图8为采用本发明均衡充电设备进行均衡充电及维护后，充电电池组中各充电电池电压一致性的示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的均衡充电设备由上位机01和充电均衡装置03组成；上位机01采用通用计算机系统，包括串行通信总线接口，充电均衡装置03包括串行通信总线接口、交流电源接口和信号输入输出端口，上位机01和充电均衡装置03之间通过串行通信总线接口进行数据通信，充电均衡装置03通过交流电源接口接入交流电源，通过信号输入输出端口与充电电池组的信号输入输出端口连接；
上位机01中包括充电控制装置02，充电控制装置02用于通过串行通信总线接收充电均衡装置03采集的充电电池组04中各充电电池041的电流、电压变化数据，并形成相应的控制参数，通过串行通信总线传送至充电均衡装置03进行各充电电池041充电过程的状态控制；
充电均衡装置03中包括智能均衡模块031，用于根据充电控制装置02的控制参数调整信号输入输出端口的工作状态，当处于充电状态时，根据控制参数调节输出至信号输入输出端口的充电电压和充电电流，当处于采集状态时，从信号输入输出端口采集充电电池041的电流状态数据，电压状态数据；
如图3所示，智能均衡模块031包括交直流转换装置031a、电流检测装置031b、电流强度控制装置031c、恒流恒压控制装置031d和信号处理装置031e；
交直流转换装置031a将接入的交流电转换为直流电，输出的正、负直流母线通过信号输入输出端口连接在充电电池041的两端，形成充电回路，电流检测装置031b和电流强度控制装置031c串接入充电回路；电流检测装置031b测得的充电回路电流变化信号分别传送至恒流恒压控制装置031d和信号处理装置031e的相应信号输入端，充电电池041两端的电压变化信号通过采样回路分别传送至恒流恒压控制装置031d和信号处理装置031e的相应信号输入端，形成采样回路；信号处理装置031e的信号输出端连接恒流恒压控制装置031d的相应信号输入端，恒流恒压控制装置031d的信号输出端连接电流强度控制装置031c的信号输入端；
恒流恒压控制装置031d，根据接收的充电回路电流变化信号、充电电池041两端的电压变化信号和信号处理装置031e发送的控制信号，生成控制电流强度控制装置031c的控制信号；
电流强度控制装置031c根据信号输入端的控制信号调节充电回路中的电池电压或充电电流；
信号处理装置031e用于接收通过串行通信总线传送的充电控制装置02的控制参数，转换为控制信号输出至恒流恒压控制装置031d，用于接收充电电池两端的电压信号，充电电流信号，转换为充电电池的状态变化数据，通过串行通信总线传送至充电控制装置02。
通过智能均衡模块031可以对单一充电电池041的充放电状态及内阻值变化进行连续信号采集，充电均衡装置03中的若干智能均衡模块031可以通过输入输出端口同时采集充电电池组04中相应充电电池041的状态信号。充电控制装置02根据获得的各充电电池041的状态数据及内置的充放电控制策略，生成各充电电池041的充电控制参数，智能均衡模块031根据相应的控制参数完成充电电池041的充电过程，使得各充电电池041充电指标均衡，使得充电电池组04的整体供电性能能够得到较长时间的维持。
恒流恒压控制装置031d依据信号处理装置031e发出的充电指令，以恒定的电流对单体充电电池041进行充电，并在电池电压达到设定值时对单体充电电池041进行稳压充电，直至单体充电电池041电压不再下降，电流降到设定值后停止充电。电流强度控制装置031c会依据恒流恒压控制装置031d发出的恒流恒压信号实时调节充电回路内阻，起到调节充电回路电流强度的作用，达到保持均衡电流恒定的目的。
信号处理装置031e主要起到接受工作信号、上传电流、电压数据、发出恒流恒压信号、采集电池电压、采集充电电流强度的作用。
整个智能均衡模块031的各个部分相互配合，完成对所对应的单体充电电池041的均衡充电工作。
如图4所示，充电均衡装置03的信号输入输出端口采用插头05a形式，对应的充电电池组04的信号输入输出端口采用插座05b形式，两者相匹配。在插座05b引脚连接形式1中，充电电池组04的插座05b的引脚分别对应连接充电电池组04中各充电电池041的正极、负极。充电均衡装置03的插头05a的对应引脚分别连接相应智能均衡模块031的正、负直流母线。
在本引脚连接的实施例中，单一充电电池041两端的引脚导线即用于均衡电流充电，也用于电压信号采样。采用分时断电流采样的步骤，在对充电电池041电压采样时，停止对电池的均衡充电，引脚导线作为相应智能均衡模块031中采样回路的电压采集线使用；电压采样完毕后重新恢复均衡充电电流。电压采集时间控制在10ms，间隔30秒采集一次，在电流间歇时智能均衡模块031采样并A\D转换，通过信号处理单元031e将电压数据上传上位机01。
如图5所示，在引脚连接形式2中，在与插座05b引脚连接形式1基本相同的基础上，充电电池组04的插座05b有两个引脚分别连接到具有孤立正极的充电电池041的正极，另有两个引脚分别连接到具有孤立负极的充电电池041的负极。
在本引脚连接的实施例中，单一充电电池041两端各有两根独立的引脚导线，一种与充电均衡装置03的连接结构是通过转换充电均衡装置03的插头05a的线序组合，充电电池041的一根正极引脚导线和一根负极导线接入相应智能均衡模块031中的采样回路，作为电压采集线使用，充电电池041的另一根正极引脚导线和另一根负极导线分别与相应智能均衡模块031的正、负直流母线连接，作为均衡充电电流导线使用。这样电流充电回路和电压采样回路分离，相互不影响，不会产生电池电压采集不准的现象，信号采集实时性很高。
另一种与充电均衡装置03的连接结构是通过转换充电均衡装置03的插头05a的线序组合，充电电池041的两根正极引脚导线和两根负极导线分别与相应智能均衡模块031的正、负直流母线连接，皆作为均衡充电电流导线使用，形成并联充电方式，使得对充电电池的充电电流增倍，实现以较大的充电电流快速对充电电池均衡。
如图6所示，利用本发明的均衡充电设备进行均衡充电的充电电池组的插座05b引脚定义采用引脚连接形式2，对应充电均衡装置03的插头05a采用的26针航空插头，这样通过更换不同线序组合的充电均衡装置03的插头05a，既可以实现对大量单一充电电池041的均衡充电和维护监测，又可以实现对个别充点电池041的快速均衡充电和状态实时监测。采用本引脚连接形式2的充电电池组04包括12个串联的充电电池，相应的充电均衡装置03中包括12个智能均衡模块031，每个引脚的电流负荷上限为16A。
本发明的均衡充电设备通过串行通信总线，上位机01可以同时管理大量的充电均衡装置03，众多的充电电池041，根据上位机01中充电控制装置02的内置充放电控制策略，可以实现对不同充电电池组中的充电电池均衡充电，对单独充电电池有针对性的大电流快速均衡充电。针对充电电池的个体差别，当充电电池组中的单只充电电池电压充电达到设定值后可以自动进入维护模式，计算充电电池内阻及自放电程度，从而实时对单只充电电池补充电能直至同一充电电池组中所有单只充电电池都达到设定电量及电压值后，结束均衡充电维护过程。
如图7所示，采用本发明的均衡充电设备对充电电池组进行充电后，各单体充电电池的电量趋于一致。
如图8所示，采用本发明的均衡充电设备对充电电池组进行充电后，各单体充电电池的电压趋于一致。
实际应用中，采用本发明的均衡充电设备对充电电池组进行均衡充电，对锂离子电池组进行带电量的一致性修复，明显提高了电池组的使用寿命，循环使用次数从低于2000次提高至循环6000次。
本发明的均衡充电设备为模块化结构，可以针对电池组的数量进行扩充，利用成熟的RS485串行通信总线就可以完成数据级联，电流检测装置031b可以简化为串联在充电回路中的取样电阻，电流强度控制装置031c可以简化为串联在充电回路中的功率管。这样使得每一个智能均衡模块031制造成本降低，有利于大量配置。
利用上述的均衡充电设备进行均衡充电的控制方法，包括以下步骤：
充电均衡装置通过配套的信号输入输出端口采集充电电池组中各充电电池的电压变化和充电回路电流变化，充电均衡装置将电压数据和电流数据通过串行通信总线接口传送至上位机的充电控制装置；
充电控制装置根据内置的控制策略形成相应的工作状态控制参数，通过串行通信总线接口传送至相应的智能均衡模块；
智能均衡模块根据充电回路电流变化信号、充电电池两端的电压变化信号和信号处理装置发送的工作状态控制参数，完成恒流恒压充电过程。
所述采集充电电池的电压变化与充电回路进行充电的过程，或是采用相同引脚导线线路，分时进行电流充电和电压采样；或是采用不同引脚导线线路，同时进行电流充电和电压采样。
所述完成恒流恒压充电过程后，还包括电池组维护步骤：
当充电电池组中的单只充电电池电压充电达到设定值后，充电控制装置计算充电电池内阻及自放电程度，实时对单只充电电池补充电能充电，直至同一充电电池组中所有单只充电电池都达到设定电量及电压值后，结束均衡充电维护过程。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种均衡充电设备，其特征在于：由上位机(01)、充电均衡装置(03)和配套的信号输入输出端口组成；
所述上位机(01)采用通用计算机系统，包括串行通信总线接口，所述充电均衡装置(03)包括串行通信总线接口和交流电源接口，所述上位机(01)和所述充电均衡装置(03)之间通过串行通信总线接口进行数据通信，所述充电均衡装置(03)通过交流电源接口接入交流电源，所述充电均衡装置(03)和充电电池组(04)间通过所述配套的信号输入输出端口连接；
所述上位机(01)中包括充电控制装置(02)，充电控制装置(02)用于通过串行通信总线接收所述充电均衡装置(03)采集的充电电池组(04)中各充电电池(041)的电流、电压变化数据，并形成相应的控制参数，通过串行通信总线传送至充电均衡装置(03)进行各充电电池(041)充电过程的状态控制；
所述充电均衡装置(03)中包括智能均衡模块(031)，用于根据充电控制装置(02)的控制参数调整相应信号输入输出端口的工作状态，当处于充电状态时，根据控制参数调节输出至相应信号输入输出端口的充电电压和充电电流，当处于采集状态时，从相应信号输入输出端口采集充电电池(041)的电流状态数据，电压状态数据；
所述智能均衡模块(031)包括交直流转换装置(031a)、电流检测装置(031b)、电流强度控制装置(031c)、恒流恒压控制装置(031d)和信号处理装置(031e)；
交直流转换装置(031a)将接入的交流电转换为直流电，输出的正、负直流母线通过所述配套的信号输入输出端口连接在充电电池(041)的两端，形成充电回路，电流检测装置(031b)和电流强度控制装置(031c)串接入充电回路；电流检测装置(031b)测得的充电回路电流变化信号分别传送至恒流恒压控制装置(031d)和信号处理装置(031e)的相应信号输入端，充电电池(041)两端的电压变化信号通过采样回路分别传送至恒流恒压控制装置(031d)和信号处理装置(031e)的相应信号输入端，形成采样回路；信号处理装置(031e)的信号输出端连接恒流恒压控制装置(031d)的相应信号输入端，恒流恒压控制装置(031d)的信号输出端连接电流强度控制装置(031c)的信号输入端；
恒流恒压控制装置(031d)，根据接收的充电回路电流变化信号、充电电池(041)两端的电压变化信号和信号处理装置(031e)发送的控制信号，生成控制电流强度控制装置(031c)的控制信号；
电流强度控制装置(031c)根据信号输入端的控制信号调节充电回路中的电池电压或充电电流；
信号处理装置(031e)用于接收通过串行通信总线传送的充电控制装置(02)的控制参数，转换为功率控制信号输出至恒流恒压控制装置(031d)，用于接收充电电池两端的电压信号，充电电流信号，转换为充电电池的状态变化数据，通过串行通信总线传送至充电控制装置(02)。
2.根据权利要求1所述的均衡充电设备，其特征在于：包括若干个所述充电均衡装置(03)和所述配套的信号输入输出端口，所述充电均衡装置(03)包括若干个所述智能均衡模块(031)。
3.根据权利要求2所述的均衡充电设备，其特征在于：所述配套的信号输入输出端口包括充电均衡装置(03)的插头(05a)和充电电池组(04)的插座(05b)。
4.根据权利要求3所述的均衡充电设备，其特征在于：所述插座(05b)的引脚分别对应连接充电电池组(04)中各充电电池(041)的正极、负极；所述插头(05a)的对应引脚分别连接相应智能均衡模块(031)的正、负直流母线。
5.根据权利要求3所述的均衡充电设备，其特征在于：所述插座(05b)的引脚分别对应连接充电电池组(04)中各充电电池(041)的正极、负极，插座(05b)有两个引脚分别连接到具有孤立正极的充电电池(041)的正极，另有两个引脚分别连接到具有孤立负极的充电电池(041)的负极；各充电电池(041)的一根正极引脚导线和一根负极导线通过插座(05b)和插头05a接入相应智能均衡模块(031)中的采样回路，各充电电池(041)的另一根正极引脚导线和另一根负极导线分别与相应智能均衡模块(031)的正、负直流母线连接。
6.根据权利要求3所述的均衡充电设备，其特征在于：所述插座(05b)的引脚分别对应连接充电电池组(04)中各充电电池(041)的正极、负极，插座(05b)有两个引脚分别连接到具有孤立正极的充电电池(041)的正极，另有两个引脚分别连接到具有孤立负极的充电电池(041)的负极；各充电电池(041)的两根正极引脚导线和两根负极导线分别与相应智能均衡模块(031)的正、负直流母线连接。
7.利用权利要求1至6任一所述的均衡充电设备进行均衡充电的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
充电均衡装置(03)通过配套的信号输入输出端口采集充电电池组(04)中各充电电池(041)的电压变化和充电回路电流变化，充电均衡装置(03)将电压数据和电流数据通过串行通信总线接口传送至上位机(01)的充电控制装置(02)；
充电控制装置(02)根据内置的控制策略形成相应的工作状态控制参数，通过串行通信总线接口传送至相应的智能均衡模块(031)；
智能均衡模块(031)根据充电回路电流变化信号、充电电池(041)两端的电压变化信号和信号处理装置(031e)发送的工作状态控制参数，完成恒流恒压充电过程。
8.根据权利要求7所述的均衡充电设备进行均衡充电的控制方法，其特征在于：所述采集充电电池(041)的电压变化与充电回路进行充电的导线线路，或是采用相同引脚导线线路，分时进行电流充电和电压采样；或是采用不同引脚导线线路，同时进行电流充电和电压采样。
9.根据权利要求7所述的均衡充电设备进行均衡充电的控制方法，其特征在于：所述完成恒流恒压充电过程后，还包括电池组维护步骤：
当充电电池组(04)中的单只充电电池(041)电压充电达到设定值后，充电控制装置(02)计算充电电池内阻及自放电程度，实时对单只充电电池(041)补充电能充电，直至同一充电电池组(04)中所有单只充电电池(041)都达到设定电量及电压值后，结束均衡充电维护过程。
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