CN103066671B - 锂电池组均充方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池充电技术，具体的说是一种锂电池组均充方法和装置，其包括：首先使用整体充电，在整充的过程中，要基本实时的对每节单体电池进行电压检测，整充可以加速充电进程，当任何一节电池单体的电压达到预先设定的阈值时，整充停止，对电池组的每个单体电池的电压由小到大进行排序，把最后的，也就是电压最高的单体电池的电压值作为均充的参考电压值，从最前面的，也就是电压最低的单体电池开始均充充电，一直充到参考电压值为止，按照从小到大的顺序，依次对每一个低于参考电压值的电池单体进行均充充电，也一直充到参考电压值为止，至此，全部充电作业结束，本发明具有结构合理、操作简便、工作可靠等优点。

Description

锂电池组均充方法和装置

技术领域

 本发明涉及电池充电技术，具体的说是一种能够对串联锂电池组内的任何一个电池单体实现均衡充电，使得电池组内的单体电池在每次充电过程中能够均衡的获得能量，从而保证串联锂电池组获得最大能量，有效提高电池工作效率，延长电池使用寿命的锂电池组均充方法和装置。

背景技术

锂离子动力电池具有许多优良性能，在电动汽车，潜艇，航空和航天领域，获得了广泛而重要的应用。实际应用过程中，绝大多数情况下，都是同厂家同型号同规格同批次（以下简称四同）的多个锂电池串联使用，目的是为了积累到足够高的电压，也就是足够高的能量。但是，即使新的四同锂电池，其个体间仍存在性能上的差异。在使用过程中，即经过若干次充放电之后，又会产生新的差异。这些差异随着锂电池的充放电次数的增加而不断扩大，结果导致电池组充入的电量一次比一次小，每次充电后使用的时间一次比一次短，当小或短到一定程度，锂电池组就报废了。研究表明，报废的串联锂电池组当中损坏的电池单体是少数，这造成了巨大的浪费。

导致串联锂电池组损坏的原因主要是过充电和过放电。现在广泛使用的串联锂电池组的充电方法一般采用恒流充电法或者恒压充电法，即对串联锂电池组进行整体充电，简称整充。在串联锂电池组中，容电量较小或内阻较高的个体，在充电过程中，最先到达电压上限。如果继续充电，将使其因过充电而损坏。放电情况类似：容电量较小或内阻较高的个体，在放电过程中，最先降到电压下限。如果继续放电，将使其因过放电而损坏。为了避免上述损坏发生，将在任一节锂电池充电到上限时，立即停止对串联锂电池组的整体充电。付出的代价是其余所有的锂电池都未达到最高的荷电量。这使得串联锂电池组每次充电获得的总能量（表观为电压值）低于预期值。因而在后续的放电过程中会更快的达到过放保护电压。因此随着电池组的充放电过程的周而复始的进行，串联锂电池组的总容量越来越小，将严重影响电池使用品质和寿命。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出一种能够对电池组内的每个电池单体实现均衡充电，使得电池组内的单体电池在每次充电过程中能够均衡的获得能量，从而保证串联锂电池组获得最大能量，有效提高电池工作效率，延长电池使用寿命的锂电池组均充方法和装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种锂电池组的均充方法，其特征在于首先使用整体充电，简称整充，在整充过程中，采用恒流充电，且要基本实时的对每节电池单体进行电压检测，当任何一节电池单体的电压达到预先设定的阈值时，整充停止，然后对电池组的每个单体电池的按电压值由小到大排序，把电压最高的单体电池电压值作为均充的参考电压值，从电压最低的单体电池开始按电压值由低到高的顺序对每个单体电池进行均充充电，直至每个单体电池的电压值均达到参考电压值为止。

本发明中所述串联锂电池组的均充方法，可以由以下两个步骤实现：

步骤1：对串联锂电池组进行恒流整充。一方面对充电电流进行实时检测，另一方面对每节电池巡回进行基本实时的电压检测，直至任何一个单体电池的电压值达到电压阈值，停止整充充电，并记录电池组内每个单体电池在该时刻的电压值。

步骤2：将步骤1中所测得的电池组内的N个单体电池按电压值高低进行排列，将最高的电压值作为参考电压值，按照从小到大的顺序，依次对每一个低于参考电压值的单体电池分别进行均充充电，在均充充电过程中实时监测该单体电池的电流、电压值，直到电池组内的每个单体电池的电压值均达到参考电压值，完成充电。

本发明中步骤1所述电压阈值为单体电池的充电上限减去3MV后的值，在对电池组的整充过程中采用恒流充电模式，微控芯片MCU2通过由干簧继电器组成的接驳矩阵基本实时地采集每个单体电池的电压，也即在整充充电过程中，接驳矩阵内的与每个单体电池一一对应的干簧继电器依次处于接通状态，并且接驳矩阵内每次仅有一个干簧继电器接通，以实现对与该继电器对应的单体电池的电压值的测量，同时通过电流传感器实时采集整充充电过程中的充电电流大小，当电池组内任意一个单体电池的电压达到阈值，微控芯片MCU1控制整充电路停止充电，当整充电路的充电电流大于电流阈值，微控芯片同样控制整充电路停止充电，防止因电流过大对待充电电池组造成损坏，也避免对同一电网其它用户的不当干扰。

本发明步骤2中对于低于参考电压值的单体电池，微控芯片MCU2通过控制接驳矩阵内的分别与电池组内对应的单体电池一一按单体电池电压值由小到大的顺序，依次闭合/开断，来实现对电池组内低于参考电压的单体电池分别进行均充充电。在均充充电阶段，全部接驳矩阵内某个继电器与其对应的单体电池，要么仅接通一个，要么全断开。

本发明步骤2中均充充电过程中充电电流为步骤1中整充充电电流的十五分之一，在均充充电过程中，微控芯片通过接驳矩阵内的与待充电单体电池的正负极相连接的继电器检测该单体电池的电压值，通过电流传感器检测该单体电池在充电过程中的充电电流值，并将电压值、电流值分别与参考电压值、设定均充电流值进行比对，当电压值达到参考电压值或电流值大于设定均充电流值时，微控芯片MCU2控制接驳矩阵内的与待充电单体电池相连接的继电器断开，停止对该单体电池的充电。

一种利用如上所述锂电池组均充方法的锂电池组均充装置，其特征在于设有用于控制工作状态的微控芯片，分别与微控芯片相连接的整充充电电路、接驳矩阵、均充充电电路，以及用于为充电装置供电且分别与微控芯片、接驳矩阵、整充充电电路、均充充电电路相连接的直流控制电源，其中均充充电电路与接驳矩阵相连接。

本发明中所述接驳矩阵针对电池组内的N（N≥2）个单体电池，设有N+1个干簧继电器，每个干簧继电器的控制信号输入/出端与微控芯片相连接，其中N个干簧继电器分别与电池组内的N个单体电池对应连接，具体为干簧继电器的两个输出触点分别与该单体电池的正负极相连接，N+1个干簧继电器中有一个被设定为零点校核继电器，其余N个干簧继电器与电池组内的单体电池一一对应连接，当零点校核继电器的两个动触头都闭合到同一参考零点时，微控芯片的A/D变换器采得的码值定义为A/D变换器的零点，在通过接驳矩阵对电池组内单体电池的电压进行检测的过程中，每个经继电器采集的单体电池的电压采样码值都要扣除上述零点值后才用于该节电池电压值的计算，在本发明中零点校核按周期进行，用于消除A/D变换器的零点漂移。

本发明中所述整充充电电路和均充充电电路内均设有与微控芯片相连接的电流传感器，电流传感器用于采集充电电流信息，并将其反馈至微控芯片。

本发明中利用如上所述锂电池组均充方法的锂电池组均充装置可以由以下电路组成：与外界220V交流电源相连接的变压器的输出端与整流滤波稳压模块相连接，后者又与向被均充的电池恒涓流充电的MOS开关管相连接，PWM自身的基准电压（5V）加在其放大器的正端，代表额定电流的设定值；电流传感器的输出加在PWM的放大器的负端，代表实测电流值，同时经分压电路送到MCU2 的A/D变换器AIN1.0。PWM的输出送给光电耦合器的输入，光电耦合器的输出加到驱动的输入，后者的输出驱动MOS开关管的控制极，MOS开关管经过滤波器向接驳矩阵中选定的电池组的某节电池进行均充充电，MCU2的P4口将待均充的电池的编码加到解码器和继电驱动模块，从而控制接驳矩阵中相应的继电器的闭合和分断。此外在与电池组相连接的接驳矩阵与MCU2之间加设分压电路，这是由于 MCU是低压型的，而电池的电压最高可达4.2V，在其送到A/D之前，确保系统安全和简化计算。

本发明还设有与微控芯片MCU1相连接的监控器，监控器用于显示与充电过程有关的各项参数以及曲线。

本发明与现有技术相比，通过对待充电电池组进行整充后再进行均衡充电，使串联电池组内的所有电池在每次充电过程中均衡的而获得能量，从而保证串联锂电池组充电至最高能量状态，提高串联锂电池组的使用品质，延长电池组的使用寿命，具有结构合理、操作简便、工作可靠等显著的优点。

附图说明：

附图1是本发明中干簧继电器接驳矩阵的结构示意图。

附图2是本发明中突出均充的电池组充电装置的结构框图。

附图3是本发明中均充方法的物理实现示意图。

附图1标记：I.被充电的串联锂电池组

II. 干簧继电器矩阵

III.干簧继电器矩阵的驱动电路

IV.解码器

附图2标记：1接触器. 2整充主电路. 3接触器. 4接驳矩阵. 5继电器

            6继电器. 7驱动. 8驱动. 9接触器. 10均充主电路.

           11接触器. 12MCU1. 13MCU2. 14继电器. 15驱动.

           16继电器. 17驱动. 18分压保护. 19控制电源. 20监控器

           21分压保护. 22分压保护.

附图3标记: 1接触器常开. 2接触器常闭. 3变压器. 4整流滤波稳压.

           5 MOS开关. 6滤波器. 7接触器双常开. 8分压器A.

9接驳矩阵. 10MCU2. 11分压器B. 12电流传感器.

          13放大器. 14PWM. 15光耦. 16栅极驱动.

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种对串联锂电池组的均充方法，其包括以下内容：

第一，首先使用整体充电，以下简称整充，在整充的过程中，要基本实时的对每节单体电池进行电压检测，整充可以加速充电进程，当任何一节电池单体的电压达到预先设定的阈值时，整充停止。这里采用的是恒流充电，与现有相关技术相同，此不赘述。

第二，对串联锂电池组的每个单体电池的电压由小到大进行排序，把最后的，也就是电压最高的单体电池的电压值作为均充的参考电压值。

第三，从最前面的，也就是电压最低的单体电池开始均充充电，一直充到参考电压值为止。

第四，按照从小到大的顺序，依次对每一个低于参考电压值的电池单体进行均充充电，也一直充到参考电压值为止。

至此，均充充电结束，也是全部充电作业结束。

本发明提出的方法是通过干簧继电器矩阵实现的，如附图1所示，干簧继电器矩阵内设有多个干簧继电器，假设串联锂电池组内共有105个电池单体，则干簧继电器矩阵使用106个干簧继电器，分别标记为0,1,2，……，105，其中干簧继电器0专用于0点校核，干簧继电器1的两组开关唯一的负责锂电池组内单体电池1的两个电极的接通和分断，干簧继电器i（1≤i≤105）唯一的负责锂电池组内第i个锂电池单体的两个电极的接通和分断，在均充的过程中需要保证任何时刻接驳矩阵内最多仅有一个干簧继电器接通其所对应的那节单体电池，其他的干簧继电器都必须保持分断。

如附图1中所示，串联锂电池组的公共点，也是第一节锂电池的负极，第一节锂电池的正极，也是第二节锂电池的负极，如此类推，第104节锂电池的正极，也是第105节的锂电池的负极，第105节锂电池的正极是整充的输出端。

附图1及附图3中GND2是电压测量和均充充电的公共点，V0既是该节锂电池的电压输出点，也是该节锂电池均充的输入点。整充时，仅用于对该节锂电池的电压测量；均充时电压测量、均充充电这两项功能都用。按照顺序逐个接通干簧继电器，从而逐个实现对对应的锂电池的电压测量或者电压测量兼均充充电。

对于串联锂电池组，在整体充电之后，本发明提出一种全新的补充充电模式以及实现它的手段，这种模式称为串联锂电池组的均充技术，实现的手段称为干簧继电器接驳矩阵。

 均充技术是串联锂电池组经过整充之后，对荷电量低的锂电池个体逐个单独的以涓流方式进行的再充电。目的在于使每个锂电池都达到相同的电压高度。附图1所示为干簧继电器接驳矩阵。主要用于均充，其中GND2是均充的浮地。106个继电器的所有第一组（下面一组）动触头连在一起，接到GND2上；Vo是恒涓流均充的输出，106个继电器的所有第二组（上面一组）动触头连在一起，接到Vo上。Vo经分压保护后也是MCU2的A/D的输入。在任何时刻，有且仅有一个继电器的两组触头同时闭合，保证对该节电池的恒涓流充电，也保证对该节电池的电压实时采样。当该节电池的电压到达设定的参考电压值时，该继电器的两组触头同时断开。如果还有未达参考电压值的电池，继续进行类似的作业；否则，均充结束。

应用如上所述充电方法的装置的结构示意图如附图2所示，包括用于控制装置工作状态的微控芯片MCU 1，整充主电路2、接驳矩阵4、均充主电路10，以及用于为充电装置供电且分别与微控芯片MCU1，MCU2，、接驳矩阵4、整充主电路2、均充主电路10相连接的直流控制电源19。均充主电路10与接驳矩阵4相连接。此外，还设有与MCU1相连接的监控器20。

实施例：

下面以设有105个单体电池的待充串联锂电池组为例，对本发明的均充工作过程进行说明：

此时待充电电池组内共有105个单体电池，充电装置的结构示意图如附图3所示。充电装置设有的变压器3，除电压变换外，使均充电路悬浮是其主要功能。这样，可以随意地对任一节电池进行均充，不必考虑电平的差异。MOS开关管5专司向被均充的电池恒涓流充电。PWM14的基准电压（5V）加在其放大器的正极，代表额定电流的设定值；电流传感器12的输出经放大后加在PWM14的放大器的负极，代表实际测量的电流值，同时经分压器B11送到MCU2的A/D变换器的AIN1.0。PWM14的输出送给光电耦合器15的输入，光电耦合器15的引入是因为此后的电平参考点变到MOS开关管5的源极。光电耦合器15的输出加到驱动模块16的输入，后者的输出驱动MOS开关管5的控制极。MOS开关管5向接驳矩阵9中选定的某节电池进行均充充电。MCU 2的P4口将待均充的电池的编码加到含解码器和继电驱动的接驳矩阵9，从而控制接驳矩阵中相应的继电器的闭合和分断。MCU2是低压型的，而电池的电压最高可达4.2V，在其送到MCU2的A/D之前，加设分压器8，确保安全和简化计算。

所述接驳矩阵9内设有 106个干簧继电器，其中第0个干簧继电器用于零点校核，其余105个干簧继电器分别与串联锂电池组内的105个单体电池一一对应连接，每个干簧继电器分别与其相对应的单体电池的两极相连接，以实现采集单体电池电压的目的。请看附图1。标号为0的干簧继电器被定义为0点校核继电器，其两组触点均连接在串联锂电池组的负极，也是串联锂电池组内第1节锂电池的负极。标号为1的干簧继电器的两组触点分别连接串联锂电池组中第1节锂电池的正极端（同时也与串联锂电池组内的第2节锂电池的负极端）和负极端。按此规律，接驳矩阵内的干簧继电器与串联锂电池组内的单体电池一一对应，直至标号为105的干簧继电器。

再看图2。充电时，先对串联锂电池组进行整充，此时整充主电路的输出与待充电串联锂电池组的正/负极相连接，按恒流充电模式对电池组进行充电。在此过程中整充主电路内的电流传感器21采集充电电流信息，并将该信息送到MCU1的A/D（AIN1.0）。同时，接驳矩阵4内与待充电串联锂电池组内某个单体电池相对应的干簧继电器闭合，该单体电池的电压经分压保护22被送至MCU2的A/D的AIN1.0。MCU2将该相关码值扣除零点校核值后，经计算获得该单体电池的电压值，MCU2将该单体电池的电压值与电压阈值相比较，当所得电压值大于等于电压阈值时，MCU1控制整充主电路停止充电，并记录电池组内N个单体电池在该时刻的电压值。MCU1和MCU2通过串行口交换信息，其间有光耦调整电平。

对电池组内的全部单体电池按电压值高低进行排列，将最高的电压值作为参考电压值，按照从小到大的顺序，依次对每一个低于参考电压值的单体电池分别进行均充充电，具体为通过MCU2按单体电池电压从小到大的顺序，依次控制与该单体电池对应连接的继电器接通，此时均充电路对该单体电池进行充电，同时微控芯片通过均充电路内的电流传感器监测充电电流大小，并通过MCU2中的A/D变换器监测该单体电池的电压，当电压值达到参考电压值时，停止对该单体电池的充电。并开始对下一个单体电池进行均充充电，直至电池组内所有的单体电池的电压均达到参考电压值为止。

在均充过程中，接驳矩阵内的继电器在任何时刻最多仅有一个继电器接通其所对应的单体电池，其他的继电器均保持分断。

在对电池组的充电过程中，各项工作参数和图像/曲线信息可以通过监控器实时输出，使使用者直观的了解充电装置的工作状态。

本发明与现有技术相比，针对串联锂电池组的单体电池个体间存在差异，导致随着电池组整体充电次数的增加，将累积加大某些对电池性能有重要影响的差异，进而造成电池组性能变劣，未达预期寿命而报废等缺陷，提出通过对待充电电池组进行整充后再进行均衡充电，使串联电池组内的单体电池在每次充电过程中均衡的获得能量，进而使所有的电池单体基本达到相同的荷电电压（能量），从而保证串联锂电池组充电至最高能量状态，改善串联锂电池组的使用品质，延长电池组的使用寿命。此外本发明选用干簧继电器组建的接驳矩阵能够有效提高系统效率，由于干簧继电器具有重量轻、体积小、承载电压高（≥400V）等性能，本发明能够满足高电压电池组系统的充电需要，具有结构合理、操作简便、工作可靠等显著的优点。

Claims (1)

1.一种利用锂电池组均充装置实现的锂电池组均充方法，其特征在于设有用于控制装置工作状态的微控芯片MCU1和MCU2，分别与它们相连接的整充充电电路、接驳矩阵、均充充电电路，以及用于为充电装置供电且分别与微控芯片、接驳矩阵、整充充电电路、均充充电电路相连接的直流控制电源，其中均充充电电路与接驳矩阵相连接，微控芯片MCU1和微控芯片MCU2之间用串口交换信息，光耦调整电平，

所述接驳矩阵针对电池组内的N个单体电池，其中N≥2，设有N+1个继电器，每个继电器的控制信号输入/出端与微控芯片相连接，其中N个继电器分别与电池组内的N个单体电池一一对应连接，即继电器的两个输出触点分别与该单体电池的正负极相连接，第0个继电器为用于消除A/D变换器零点漂移影响的零点校核继电器，

所述整充充电电路和均充充电电路内分别设有与微控芯片相连接的电流传感器，

还包括与外界220V交流电源相连接的变压器，与变压器的输出端相连接的是整流滤波稳压，其后为MOS开关管，将代表设定电流值的5V，即PWM的基准电压送向它的放大器的正极，电流传感器将实际测量的电流送向它的放大器的负极，PWM的输出到光电耦合器，光电耦合器的输出到驱动模块，MOS开关管的控制极与驱动模块的输出端相连接，微控芯片MCU2输出到接驳矩阵的解码器，再经驱动，控制接驳矩阵中相应的继电器的闭合和分断，

还设有与微控芯片相连接的监控器，包括以下步骤：

步骤1：对单体数目为N的串联锂电池组的进行整充，同时对电池组内的N（N≥2）个单体电池进行实时的电流检测、和基本实时的电压检测，直至N个单体电池组内的任意一个单体电池的电压达到阈值，停止充电，并记录电池组内N个单体电池在该时刻的电压值，

步骤2：将步骤1中所测得的电池组内的N个单体电池按电压值高低进行排列，将最高的电压值作为参考电压值，按照从小到大的顺序，依次对每一个低于参考电压值的单体电池分别进行均充充电，在均充充电过程中实时监测该单体电池的电流、电压值，直到电池组内的每个单体电池的电压值均达到参考电压值，完成充电，

其中步骤1电压阈值为单体电池的充电上限减去3MV后的值，在对电池组的整充过程中采用恒流充电模式，微控芯片MCU2通过由继电器组成的接驳矩阵基本实时采集每个单体电池的电压，同时通过电流传感器实时采集整充充电过程中的充电电流大小，当电池组内任意一个单体电池的电压达到阈值，微控芯片MCU1控制整充电路停止充电，当整充电路的充电电流大于电流设定值，微控芯片MCU1同样控制整充电路停止充电，防止因电流过大对待充电电池组造成损坏，也避免对同一电网的其他用户的不当干扰；

步骤2中对于低于参考电压值的单体电池，微控芯片MCU2按单体电池电压值从小到大的顺序，依次控制与该单体电池对应连接的继电器接通，此时均充充电电路对该单体电池进行充电，同时微控芯片MCU2通过均充充电电路内的电流传感器监测充电电流大小，并通过与该单体电池相连接的继电器监测该单体电池的电压大小，当电压值达到参考电压值时，停止对该单体电池的充电，开始对下一个单体电池进行均充充电，直至电池组内所有的单体电池的电压值均达到参考电压值为止；

步骤2中所述均充充电采用恒流充电模式，其充电电流为步骤1中整充充电电流的十五分之一，在均充充电过程中，接驳矩阵内的与待充电单体电池的正负极相连接的继电器在任何时刻最多仅有一个接通其所对应的单体电池，其他的继电器均保持分断。