CN103199580A - 智能充电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智能充电系统，用以对电池模块进行充电，所述的电池模块包括多个串联的子电池，包括：充电模块，将交流电压转化为直流电压；DC-DC调压模块，将充电模块提供的电压转化为子电池的满充电压；电压采集模块，采集各子电池的电压，并将信号传递给逻辑控制单元；逻辑控制单元，接收所述电压采集模块的信号并对开关模块进行控制；开关模块，连接于所述的子电池和逻辑控制单元之间。本发明在电池充电过程当电路中有某个电池充满时，系统对电压最低的电池单独充电，使得整组电池都能快速高效且安全地充满，同时可以对电池具有修复功能的智能充电与修复系统。

Description

智能充电系统

技术领域

本申请涉及一种智能充电系统，特别是涉及一种在电池组中有某个子电池充满时，系统电压最低的子电池单独充电，使得整组电池都能快速高效且安全地充满的智能充电系统。

背景技术

在串联电池组充电中目前采用的主要是两端式充电，通用充电器的两端分别连接到串联电池组的正负端，如此充电带来的一个问题是当电池组中一个电池充满的时候，整组电池必须停止充电，或者减小充电电流到一定的程度，防止损坏电池或者损坏电池均衡板。

通常情况下一个电池的寿命降低主要有三种事件决定：过充、过放、过流，而过流主要是使用者违反使用规程导致的。电池管理系统只要能防止电池的过充和过放就能很好的控制好电池组延长使用寿命。目前电池管理系统的均衡充电方式主要有电阻均衡、电容均衡和电感均衡。

参图1所示，电阻均衡采用电阻放电的方式，当某一个电池B_n（n为正整数）的电压过高时，响应的开关K_n（n为正整数）会打开，部分充电电流进入电阻R_n，而被消耗掉，如果R_n消耗的电流过小则电池会出现过充，如果R_n消耗的过多则电池会充不满。

参图2所示，电容均衡中当电池B_n（n为正整数）的电压过高时，响应的开关K_n-（n为正整数）和K_n+通路，电池B_n对电容C充电，随后K_n-与K_n+断路，闭合电路中电压较低的电池B_m（图中未示出）对应的开关K_m-与K_m+（图中未示出），电容C对B_m电池进行充电，完成一次电荷搬运，如此重复。

参图3所示，电感均衡中当发现电池B_n（n为正整数）电压过低时将总耦合电感原边L的响应闭合K-与K+打开一定时间后断开，电能存入耦合电感的磁场中，然后将电池B_n的对应开关闭合，耦合电感中的能量转化为电能存入电池B_n中。

现有的技术方案中，电阻均衡采用电容将电能释放，由于发热严重，造成了资源浪费，此外放电电阻无法完成大电流时的放电；电容均衡虽采用了电荷搬运的方法，但是对电容的充放会造成电容发热严重，此外只有电容电压高出和低于电池的电压时才能进行电荷搬运，对于有平台电压的电池不适用；电感均衡结构复杂，采用电能-磁能-电能的方式搬运电荷效率低下，此外就行引入了杂散电感，体积笨重，同时开关时间难以控制。

此外，采用均衡板在造成了能源浪费同时降低了充电速率，且对于一些种类的电池长久使用而不满充会大大降低电池的容量，这种电池要每隔一段时间都要就行一次修复才能达到最佳的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有均衡充电方式的不足，提供一种利用独特的拓扑结构，在电池充电过程中实行“按需供应”，当电路中有某个子电池充满时，系统对电压最低的子电池单独充电，使得整组电池都能快速高效且安全地充满，同时可以对电池具有修复功能的智能充电与修复系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种智能充电系统，用以对电池模块进行充电，所述的电池模块包括多个串联的子电池，包括：

充电模块，将交流电压转化为直流电压；

DC-DC调压模块，将充电模块提供的电压转化为子电池的满充电压；

电压采集模块，采集各子电池的电压，并将信号传递给逻辑控制单元；

逻辑控制单元，接收所述电压采集模块的信号并对开关模块进行控制；

开关模块，连接于所述的子电池和逻辑控制单元之间。

作为本发明的进一步改进，所述开关模块包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接于所述子电池正极和DC-DC调节模块之间，所述第二开关连接于所述子电池负极和充电模块之间。

作为本发明的进一步改进，所述的第一开关和第二开关中至少一个为双向可控开关。

作为本发明的进一步改进，所述的开关模块为二极管、双极性晶体管、MOSFET、IGBT、BTG中的任意一种，或为由其组合而成的开关模块或器件。

作为本发明的进一步改进，所述开关模块为长断开关。

作为本发明的进一步改进，所述的子电池为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池或石墨烯锂电池。

作为本发明的进一步改进，在普通模式时，所述的充电系统工作模式如下：

s1、电压采集模块采集各子电池的电压，逻辑控制单元对采集的电压进行判断，如果所有子电池的电压都低于满充电压，则进入步骤s2，否则进入步骤s3；

s2、充电模块通过DC-DC调压模块对所有子电池进行充电；

s3、逻辑控制单元根据采集的电压，判断出电压最低的子电池，充电模块通过DC-DC调压模块对该子电池进行单独充电，如果子电池电压未达到阈值电压则DC-DC调压模块提供稳定电流，如果子电池电压达到阈值电压，则DC-DC调压模块提供稳定的电压，重复步骤s3，直至所有子电池电压充满；

s4：断开开关模块，充电完成。

作为本发明的进一步改进，在修复模式时，所述的充电系统工作模式如下：

s1、电压采集模块采集各子电池的电压，逻辑控制单元对采集的电压进行判断，如果所有子电池的电压都低于满充电压，则进入步骤s2，否则进入步骤s3；

s2、充电模块通过DC-DC调压模块对所有子电池进行充电；

s3、逻辑控制单元根据采集的电压，判断出电压最低的子电池，充电模块通过DC-DC调压模块对该子电池进行单独充电，如果子电池电压未达到阈值电压则DC-DC调压模块提供稳定电流，如果子电池电压达到阈值电压，则DC-DC调压模块提供稳定的电压；

s4：重复步骤s3，使得各子电池的电压始终处于充满状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明系统可以根据电池的需求充电，由于没有能量、电荷搬运的过程中的热损耗，且采用半导体开关器件作为开关元件，比其他均衡方法的均衡电流大很多，因此充电效率更高；

2、本发明系统对电池快速充电，可以控制充电电流，使其小于子电池允许的充电电流，不会对电池产生损伤；

3、因为优先对最低电压的子电池充电，所以即使提前结束充电，也可以使得整组电池的电压更加均衡；

4、本发明系统采用的充电方式对部分电池具有修复功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为现有技术中电阻均衡充电方式的电路图；

图2所示为现有技术中电容均衡充电方式的电路图；

图3所示为现有技术中电感均衡充电方式的电路图；

图4所示为本发明具体实施例中系统的原理示意图；

图5所示为本发明具体实施例中系统的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图4所示为本发明具体实施例中系统的原理示意图；图5所示为本发明具体实施例中系统的电路图。图4中的白色箭头信号流向，黑色箭头为电能流向。图中充电模块为普通的电池充电器，将市电（220V-110V）电压转化为直流电压，具有稳压稳流功能，当所有的子电池都没有满充时，提供充电电流，并为DC-DC调压模块提供输入电压。该充电模块可以集成到系统中，也可以设成可以插拔模式。DC-DC调压模块将充电模块提供的电压转化为单个子电池的满充电压，具有稳压稳流功能。对单个子电池进行单独充电时，如果电池电压未达到阈值电压则提供稳定电流，如果电池电压达到阈值电压，则提供稳定的电压。

电压采集模块采用通用放大器，设计成减法器，采集各个电池的电压V_n+和V_n-，并将信号传递给逻辑控制单元，输出电压与电池真实电压之比为R_f/R₁。逻辑控制单元集成了ADC，负责信号收集，将电压采集模块传送的电压信号进行模数转换，根据系统的设计进行逻辑分析、开关控制等工作。

开关模块接受逻辑控制单元MCU的控制，并与电池模块相连，每个子电池配置有两个开关，一开关一端连接于电池的正极，该开关的另一端连接于DC-DC调压模块的输出端，另一开关一端连接在子电池的负极，该另一开关的另一端连接在充电模块的负极上；两个开关可以是一个单向可控，另一个双向可控，也可以都为双向可控的。开关为长断型，当接受到逻辑控制单元时进行相关操作。开关可以是二极管、双极性晶体管、MOSFET、IGBT、BTG、或者二极管、双极性晶体管、mosfet、IGBT、BTG等元件的组合。

电池模块中的子电池可以为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池和石墨烯锂电池中的任意一种。

逻辑控制单元选用STC12C5A60S2，集成了ADC。电压采集模块中的运算放大器选用LM324，开关选用MOSFET，型号为IRFR024，子电池选用12V铅酸蓄电池。该系统有两种工作模式—普通模式和修复模式。当采用普通模式工作时进入以下流程：

s1：逻辑控制单元采集各个子电池对应的减法器的电压Vn，根据电压Vn可得出子电池是否需要充电，对所有的子电池进行判断，如果所有的电压都低于满充电压则进行步骤S2，如果检测到已有电池充满则进入s3；

s2：将开关K₊与K_1-通路，其他开关断路，采用充电模块电压V_c1+，对整组电池进行充电，并持续的采集电压Vn，判断是否有子电池充满，如此直到整组电池中有电池电压达到满充电压，进入s3；

s3：将所有的开关断路，逻辑控制单元根据采集的电压V，判断出电压最低的子电池B_min（图中未示出），并闭合与该电池对应的开关K_min-与K_min+，使电压V_c2+施加在电池B_min上，对B_min进行单独充电，如果子电池电压未达到阈值电压则DC-DC调压模块提供稳定电流，如果子电池电压达到阈值电压，则DC-DC调压模块提供稳定的电压。逻辑控制单元持续的采集所有的电池的电压（包括已经判断是充满的），并判断出该单独充电的子电池是否仍然为最低电压的电池，如果不是，返回s1。如果该单独充电子电池达到满充电压，则进入s4；

s4：将所有的开关断路，充电完成。

最终使得每个子电池都快速高效地充满。同时，因为优先对最低电压的子电池充电，所以即使提前结束充电，也可以使得整组电池的电压更加均衡。

对于一些种类的电池如铅酸电池，长久使用而不满充会大大降低电池的容量，这种电池要每隔一段时间都要就行一次修复才能达到最佳的性能，此时采用修复模式工作，进入以下工作流程：

s1：逻辑控制单元采集各个子电池对应的减法器的电压Vn，根据电压Vn可得出子电池是否需要充电，对所有的子电池进行判断，如果所有的电压都低于满充电压则进行步骤S2，如果检测到已有电池充满则进入s3；

s2：将开关K₊与K_1-通路，其他开关断路，采用通用充电器电压V_c1+，对整组电池进行充电，并持续的采集电压Vn，判断是否有电池充满，如此直到整组电池中有电池电压达到满充电压，进入s3；

s3：将所有的开关断路，逻辑控制单元根据采集的电压V，判断出电压最低的子电池B_min（图中未示出），并闭合与该子电池对应的开关K_min-与K_min+，使电压V_c2+施加在电池B_min上，对B_min进行单独充电，如果电池电压未达到阈值电压则DC-DC调压模块提供稳定电流，如果电池电压达到阈值电压，则DC-DC调压模块提供稳定的电压。逻辑控制单元持续的采集所有的子电池的电压（包括已经判断是充满的），并判断出该单独充电的子电池是否仍然为最低电压的电池，如果不是，返回s1。如果该单独充电电池达到满充电压，则进入步骤4；

s4：将所有的开关断路，充电完成。同时持续检测所有子电池的电压，当发现其中有子电池电压低于满充电压时返回步骤1，对电池往复的充电直到人为干预结束充电。

最终使得每个电池都快速高效地充满。同时完成了对电池的修复。

综上所述，本发明的优点在于：

1、本发明系统可以根据电池的需求充电，由于没有能量、电荷搬运的过程中的热损耗，且采用半导体开关器件作为开关元件，比其他均衡方法的均衡电流大很多，因此充电效率更高；

2、本发明系统对电池快速充电，可以控制充电电流，使其小于子电池允许的充电电流，不会对电池产生损伤；

3、因为优先对最低电压的子电池充电，所以即使提前结束充电，也可以使得整组电池的电压更加均衡；

4、本发明系统采用的充电方式对部分电池具有修复功能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种智能充电系统，用以对电池模块进行充电，所述的电池模块包括多个串联的子电池，其特征在于，包括：

充电模块，将交流电压转化为直流电压；

DC-DC调压模块，将充电模块提供的电压转化为子电池的满充电压；

电压采集模块，采集各子电池的电压，并将信号传递给逻辑控制单元；

逻辑控制单元，接收所述电压采集模块的信号并对开关模块进行控制；

开关模块，连接于所述的子电池和逻辑控制单元之间。

2.根据权利要求1所述的智能充电系统，其特征在于：所述开关模块包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接于所述子电池正极和DC-DC调节模块之间，所述第二开关连接于所述子电池负极和充电模块之间。

3.根据权利要求2所述的智能充电系统，其特征在于：所述的第一开关和第二开关中至少一个为双向可控开关。

4.根据权利要求1或2所述的智能充电系统，其特征在于：所述的开关模块为二极管、双极性晶体管、MOSFET、IGBT、BTG中的任意一种，或为由其组合而成的开关模块或器件。

5.根据权利要求1或2所述的智能充电系统，其特征在于：所述开关模块为长断开关。

6.根据权利要求1所述的智能充电系统，其特征在于：所述的子电池为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池或石墨烯锂电池。

7.根据权利要求1所述的智能充电系统，其特征在于：在普通模式时，所述的充电系统工作模式如下： 

s1、电压采集模块采集各子电池的电压，逻辑控制单元对采集的电压进行判断，如果所有子电池的电压都低于满充电压，则进入步骤s2，否则进入步骤s3；

s2、充电模块通过DC-DC调压模块对所有子电池进行充电；

s3、逻辑控制单元根据采集的电压，判断出电压最低的子电池，充电模块通过DC-DC调压模块对该子电池进行单独充电，如果子电池电压未达到阈值电压则DC-DC调压模块提供稳定电流，如果子电池电压达到阈值电压，则DC-DC调压模块提供稳定的电压，重复步骤s3，直至所有子电池电压充满；

s4：断开开关模块，充电完成。

8.根据权利要求1所述的智能充电系统，其特征在于：在修复模式时，所述的充电系统工作模式如下： 

s1、电压采集模块采集各子电池的电压，逻辑控制单元对采集的电压进行判断，如果所有子电池的电压都低于满充电压，则进入步骤s2，否则进入步骤s3；

s2、充电模块通过DC-DC调压模块对所有子电池进行充电；

s3、逻辑控制单元根据采集的电压，判断出电压最低的子电池，充电模块通过DC-DC调压模块对该子电池进行单独充电，如果子电池电压未达到阈值电压则DC-DC调压模块提供稳定电流，如果子电池电压达到阈值电压，则DC-DC调压模块提供稳定的电压；

s4：重复步骤s3，使得各子电池的电压始终处于充满状态。

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