CN103165943A - 一种蓄电池化成实现方法、电路及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池化成实现方法、电路及装置，所述化成实现方法包括充电阶段和放电阶段，所述充电阶段中，将已经达到充电截止条件的蓄电池单体从串联回路中脱离，其它蓄电池单体与充放电机重新组成新的串联回路进行充电，依法直至所有蓄电池单体达到充电截止条件。一种蓄电池化成电路，包括充放电机和若干待化成电池，其还包括若干个位控制器，位控制器与待化成电池一一对应，所述位控制器与充放电机构成串联回路。本发明的电池化成方法、电路及装置的有益效果是：多节电池串联充/放电，流过各单体电池的电流一致；多节电池串联充/放电，充/放电时能量转换效率高，并且放电能量回收利用率高，利于降低生产成本及能耗。

Description

一种蓄电池化成实现方法、电路及装置
技术领域
本发明涉及一种蓄电池化成实现方法、电路及装置。
背景技术
蓄电池的化成是指对电池的活化。对铅酸电池的化成指将生极板放在稀硫酸酸液中进行电解，经过氧化和还原反应，使正极板的一氧化铅转化为二氧化铅并使负极板的一氧化铅变化为海绵状金属铅的过程；对锂电池而言，化成为活化电池形成稳定的SEI膜，即纯化过程。在蓄电池的制备过程中，化成工艺是其中的一个重要步骤。现有技术的蓄电池化成方式主要有两种：多节电池串联法和单体电池并联法。
如图1所示，多节电池串联法是将若干节电池与充放电机串联，其不足之处在于：（1）无法实现对串联电池的精准控制；无法让各串联电池均达到化成工艺的要求，导致各串联电池化成程度不一致。（2）无法实现让所有串联电池的荷电状态为100%，只能以串联电池组放电截止时的各串联电池端电压推算其容量，使得电池在配组时对其容量差度控制较差，导致配组后电池组使用寿命短、故障率高、返修率高。（3）人工参与度较高，大规模生产时，产品质量较难控制。（4）在化成过程中，无法实现对串联组中差异较大或有故障的电池进行自动剔除。
如图2所示，单体电池并联法是将单节电池与充放电机并联，其不足之处在于：（1）单节电池并联充/放电，充/放电时能量转换效率低，并且放电能量回收利用率极低，不利于降低生产成本及能耗。（2）设备结构复杂，故障率高，成本高。（3）同样的化成产能，相比串联法其设备投入需成倍增加，且其维护成本高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种充/放电时能量转换效率高，且电池化成程度一致性好的蓄电池化成实现方法、电路及装置。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种蓄电池化成实现方法，包括N个充电阶段和（N-1）个放电阶段（N ≥1），
所述充电阶段中，先将所有蓄电池单体与充放电机组成串联回路进行充电，将已经达到充电截止条件的蓄电池单体从串联回路中脱离，其它未达到充电截止条件的蓄电池单体与充放电机重新组成新的串联回路进行充电，依法直至所有蓄电池单体达到充电截止条件；
所述放电阶段中，先将所有蓄电池单体与充放电机组成串联回路进行放电，将已经达到放电截止条件的蓄电池单体从串联回路中脱离，其它未达到放电截止条件的蓄电池单体与充放电机重新组成新的串联回路进行放电，依法直至所有蓄电池单体达到放电截止条件。
优选地，每个蓄电池单体通过位控制器与充放电机组成串联回路，蓄电池单体通过位控制器实现接入或脱离充放电串联回路。
一种蓄电池化成电路，包括充放电机和若干待化成电池，其还包括若干个使待化电池接入或脱离充放电串联回路的位控制器，位控制器与待化成电池一一对应，所述位控制器与充放电机构成串联回路。
优选地，其包括：
充放电机，包括总控制器、分别与总控制器连接的输入输出模块和功率变换器；
位控制器，包括MCU单元和电压采集模块，MCU单元与总控制器通讯连接；
若干蓄电池单体，所有蓄电池单体均连接到一个与其对应的位控制器的输入端，通过与其对应的位控制器与充放电机的功率变换器组成充放电串联回路；
每个位控制器中均应至少设有三个将待化成电池接入或脱离充放电串联回路的开关K1、K2、K3，每个K3与功率变换器串联构成串联电路，K1电连接K3一端与蓄电池正极，K2电连接K3另一端与蓄电池负极；各开关及及电压采集模块均连接至MCU单元。
优选地，所述输入输出模块为人机交互界面，总控制器与位控制器之间采用RS323或RS485或CAN总线连接。
一种蓄电池化成装置，包括充放电机，其还包括若干个使待化电池接入或脱离充放电串联回路的位控制器。
优选地，所述的位控制器中设有MCU单元、与充放电机串联的开关，位控制器还设有使待化成电池与充放电机构成串联回路的开关；所述的位控制器中设有电压采集模块，各开关及电压采集模块连接至MCU单元。
优选地，所述每个位控制器中至少设有开关K1、K2、K3，每个K3与充放电机串联构成串联电路，K1一端与K3一端连接，K2一端与K3另一端连接。
优选地，所述的充放电机包括总控制器、分别与总控制器连接的输入输出模块和功率变换器，所述的位控制器的MCU单元与总控制器通讯连接。
本发明的电池化成方法、电路及装置的有益效果是：
1．多节电池串联充/放电，流过各单体电池的电流一致；
2．多节电池串联充/放电，充/放电时能量转换效率高，并且放电能量回收利用率高，利于降低生产成本及能耗；
3．设备结构简单，成本低，操作简单，易扩展；
4．实现对各串联电池的精准控制；让各电池均达到化成工艺的要求，电池化成程度一致；
5．化成后单体电池在配组时对其容量差度控制较好；
6．支持对每个“电池位”设置不同的化成截止条件；
7．支持在同一个串联回路中对不同电压类型电池的同时化成；
8．支持对少于电池位数的电池组进行化成；
9．可实现各串联电池完整化成充/放电曲线记录；
10．在化成过程中，无需人工干预，可实现化成过程的全自动化，利于降低成本及保障产品质量。
附图说明
图1是现有技术中多节电池串联法化成电路原理框图；
图2是现有技术中单体电池并联法化成电路原理框图；
图3是本发明的化成电路原理框图。
图4是本发明实施例的化成电路原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步详细说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图3所示，一种蓄电池化成电路，其包括：充放电机，包括总控制器、分别与总控制器连接的输入输出模块和功率变换器；位控制器，包括MCU单元和电压采集模块，MCU单元与总控制器通讯连接；若干蓄电池单体，所有蓄电池单体均连接到一个与其对应的位控制器的输入端，通过与其对应的位控制器与充放电机的功率变换器组成充放电串联回路；每个位控制器中均应至少设有三个将待化成电池接入或脱离充放电串联回路的开关K1、K2、K3，每个K3与功率变换器串联构成串联电路，K1电连接K3一端与蓄电池正极，K2电连接K3另一端与蓄电池负极；各开关及及电压采集模块均连接至MCU单元。所述输入输出模块为人机交互界面，总控制器与位控制器之间采用RS323或RS485或CAN总线连接。
一种蓄电池化成装置，包括充放电机， 所述的充放电机包括总控制器、分别与总控制器连接的输入输出模块和功率变换器，其还包括若干个使待化电池接入或脱离充放电串联回路的位控制器，所述的位控制器连接至总控制器。所述的位控制器中设有MCU单元和电压采集模块，每个位控制器中至少设有三个开关K1、K2、K3，每个K3与充放电机串联构成串联电路，K1一端与K3一端连接，K2一端与K3另一端连接。各开关及电压采集模块连接至MCU单元。
下面，以4个蓄电池单体及4个位控制器组成的化成电路描述其具体的化成实现过程，参照图4，以单体电池为铅酸电池12V 20Ah为例，假设：4#位电池容量＞1#位电池容量=3#位电池容量＞2#位电池容量；
化成工艺参数为：
第一阶段：以2A恒流充电至电池电压为15.6V；
第二阶段：静置10分钟；
第三阶段：以4A恒流放电至单体电池电压为10.5V；
第四阶段：静置10分钟；
第五阶段：以3A恒流充电至单体电池电压为15.6V；
第六阶段：静置10分钟；
第七阶段：以4A恒流放电至单体电池电压为10.5V；
第八阶段：静置10分钟；
第九阶段：以3A恒流充电至电池电压为15.6V；
化成完成。
进行化成前，首先需要将化成工艺参数通过输入输出模块（人机交互界面）输入到充放电机总控制器上，并通过通讯下传到每个电池位控制器中。
开始化成：
    首先每个电池位控制器对其对应的电池状态进行检查，检测其是否存在接线错误、电池故障等异常情况发生；全部电池位符合化成要求时，开始第一阶段化成。
第一阶段：以2A恒流充电至电池电压为15.6V
1. 每个电池位控制器将开关K1和K2闭合，开关K3断开，将1#～4#电池串联与充放电机相连；动作完毕后，充放电机输出2A恒定电流，对化成电池组进行充电；
2. 随着充电的进行，2#位电池的电压首先达到工艺设定的15.6V，此时2#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把2#位电池从串联回路中脱离，同时其它1#位、3#位、4#位电池仍处于串联充电状态；
3. 随着充电的进行，1#位和3#位电池的电压均达到工艺设定的15.6V，此时1#和3#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把1#和3#位电池从串联回路中脱离，同时就剩4#位电池仍处于充电状态；
4. 随着充电的进行，当4#位电池的电压达到工艺设定的15.6V时，同样4#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把4#位电池从串联回路中脱离，此时所有电池均充电完成；
5. 在整个化成过程中，MCU单元控制各开关的闭合/断开，位控制器与充放电机通过通讯进行信息实时交互，如每个电池位的实时电压、充电时间、累计Ah、当前状态等，当充放电机检测到所有电池位均完成充电后，停止输出，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，此阶段完成，进入到下一阶段。
第二阶段：静置10分钟 
此阶段充放电机停止输出，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，电池组静置，保持此状态十分钟后，此阶段完成，进入到下一阶段。
第三阶段：以4A恒流放电至电池电压为10.5V 
1. 每个电池位控制器将开关K1和K2闭合，开关K3断开，将1#～4#电池串联与充放电机相连；动作完毕后，充放电机以4A恒定电流，对化成电池组进行放电；
2. 随着放电的进行，2#位电池的电压首先达到工艺设定的10.5V，此时2#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把2#位电池从串联回路中脱离，同时其它1#位、3#位、4#位电池仍处于串联恒流放电状态；
3. 随着放电的进行，1#位和3#位电池的电压均达到工艺设定的10.5V，此时1#和3#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把1#和3#位电池从串联回路中脱离，同时就剩4#位电池仍处于恒流放电状态；
4. 随着放电的继续进行，当4#位电池的电压达到工艺设定的10.5V时，同样4#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把4#位电池从串联回路中脱离，此时所有电池均放电完成；
5. 在整个化成过程中，位控制器与充放电机通过通讯进行信息实时交互，如每个电池位的实时电压、放电时间、累计放出Ah、当前状态等，当充放电机检测到所有电池位均完成恒流放电后，停止放电，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，此阶段完成，进入到下一阶段。
第四阶段：静置10分钟 
    此阶段充放电机停止输出，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，电池组静置，保持此状态10分钟后，此阶段完成，进入到下一阶段。
第五阶段：以3A恒流充电至电池电压为15.6V
1. 每个电池位控制器将开关K1和K2闭合，开关K3断开，将1#～4#电池串联与充放电机相连；动作完毕后，充放电机输出3A恒定电流，对化成电池组进行充电； 
2. 随着充电的进行，2#位电池的电压首先达到工艺设定的15.6V，此时2#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把2#位电池从串联回路中脱离，同时其它1#位、3#位、4#位电池仍处于串联充电状态；
3. 随着充电的进行，1#位和3#位电池的电压均达到工艺设定的15.6V，此时1#和3#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把1#和3#位电池从串联回路中脱离，同时就剩4#位电池仍处于充电状态；
4. 随着充电的进行，当4#位电池的电压达到工艺设定的15.6V时，同样4#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把4#位电池从串联回路中脱离，此时所有电池均充电完成；
5. 停止输出，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，此阶段完成，进入到下一阶段。
第六阶段：静置10分钟 
此阶段充放电机停止输出，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，电池组静置，保持此状态十分钟后，此阶段完成，进入到下一阶段。
第七阶段：以4A恒流放电至电池电压为10.5V 
1. 每个电池位控制器将开关K1和K2闭合，开关K3断开，将1#～4#电池串联与充放电机相连；动作完毕后，充放电机以4A恒定电流，对化成电池组进行放电；
2. 随着放电的进行，2#位电池的电压首先达到工艺设定的10.5V，此时2#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把2#位电池从串联回路中脱离，同时其它1#位、3#位、4#位电池仍处于串联恒流放电状态；
3. 随着放电的进行，1#位和3#位电池的电压均达到工艺设定的10.5V，此时1#和3#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把1#和3#位电池从串联回路中脱离，同时就剩4#位电池仍处于恒流放电状态；
4. 随着放电的继续进行，当4#位电池的电压达到工艺设定的10.5V时，同样4#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把4#位电池从串联回路中脱离，此时所有电池均放电完成；
5. 在整个化成过程中，位控制器与充放电机通过通讯进行信息实时交互，如每个电池位的实时电压、放电时间、累计放出Ah、当前状态等，当充放电机检测到所有电池位均完成恒流放电后，停止放电，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，此阶段完成，进入到下一阶段。
第八阶段：静置10分钟 
    此阶段充放电机停止输出，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，电池组静置，保持此状态10分钟后，此阶段完成，进入到下一阶段。
第九阶段：以3A恒流充电至电池电压为15.6V
1. 每个电池位控制器将开关K1和K2闭合，开关K3断开，将1#～4#电池串联与充放电机相连；动作完毕后，充放电机输出3A恒定电流，对化成电池组进行充电；
2. 随着充电的进行，2#位电池的电压首先达到工艺设定的15.6V，此时2#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把2#位电池从串联回路中脱离，同时其它1#位、3#位、4#位电池仍处于串联充电状态；
3. 随着充电的进行，1#位和3#位电池的电压均达到工艺设定的15.6V，此时1#和3#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把1#和3#位电池从串联回路中脱离，同时就剩4#位电池仍处于充电状态；
4. 随着充电的进行，当4#位电池的电压达到工艺设定的15.6V时，同样4#位控制器将开关K1和K2断开，确定断开后将开关K3闭合，这样就把4#位电池从串联回路中脱离，此时所有电池均充电完成；
5. 停止输出，并且所有的电池位控制器将开关K1～K3全部断开，此阶段完成，进入到下一阶段。
化成完成。

Claims (9)

1.一种蓄电池化成实现方法，包括N个充电阶段和（N-1）个放电阶段（N ≥1），其特征在于：
所述充电阶段中，先将所有蓄电池单体与充放电机组成串联回路进行充电，将已经达到充电截止条件的蓄电池单体从串联回路中脱离，其它未达到充电截止条件的蓄电池单体与充放电机重新组成新的串联回路进行充电，依法直至所有蓄电池单体达到充电截止条件；
所述放电阶段中，先将所有蓄电池单体与充放电机组成串联回路进行放电，将已经达到放电截止条件的蓄电池单体从串联回路中脱离，其它未达到放电截止条件的蓄电池单体与充放电机重新组成新的串联回路进行放电，依法直至所有蓄电池单体达到放电截止条件。
2.根据权利要求1所述的蓄电池化成实现方法，其特征在于：每个蓄电池单体通过位控制器与充放电机组成串联回路，蓄电池单体通过位控制器实现接入或脱离充放电串联回路。
3.一种蓄电池化成电路，包括充放电机和若干待化成电池，其特征在于：其还包括若干个使待化电池接入或脱离充放电串联回路的位控制器，位控制器与待化成电池一一对应，所述位控制器与充放电机构成串联回路。
4.根据权利要求3所述的蓄电池化成电路，其特征在于：其包括：
充放电机，包括总控制器、分别与总控制器连接的输入输出模块和功率变换器；
位控制器，包括MCU单元和电压采集模块，MCU单元与总控制器通讯连接；
若干蓄电池单体，所有蓄电池单体均连接到一个与其对应的位控制器的输入端，通过与其对应的位控制器与充放电机的功率变换器组成充放电串联回路；
每个位控制器中均应至少设有三个将待化成电池接入或脱离充放电串联回路的开关K1、K2、K3，每个K3与功率变换器串联构成串联电路，K1电连接K3一端与蓄电池正极，K2电连接K3另一端与蓄电池负极；各开关及及电压采集模块均连接至MCU单元。
5.根据权利要求4所述的蓄电池化成电路，其特征在于，所述输入输出模块为人机交互界面，总控制器与位控制器之间采用RS323或RS485或CAN总线连接。
6.一种蓄电池化成装置，包括充放电机，其特征在于：其还包括若干个使待化电池接入或脱离充放电串联回路的位控制器。
7.根据权利要求6所述的蓄电池化成装置，其特征在于：所述的位控制器中设有MCU单元、与充放电机串联的开关，位控制器还设有使待化成电池与充放电机构成串联回路的开关；所述的位控制器中设有电压采集模块，各开关及电压采集模块连接至MCU单元。
8.根据权利要求7所述的蓄电池化成装置，其特征在于：所述每个位控制器中至少设有三个开关K1、K2、K3，每个K3与充放电机串联构成串联电路，K1一端与K3一端连接，K2一端与K3另一端连接。
9.根据权利要求7所述的蓄电池化成装置，其特征在于：所述的充放电机包括总控制器、分别与总控制器连接的输入输出模块和功率变换器，所述的位控制器的MCU单元与总控制器通讯连接。
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