CN104505920A - 一种增量式均衡充电的电池组充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种实用的电池均衡充电的充电装置，与目前大多采用的均衡充电方法不同。本发明一种增量式均衡充电的电池组充电装置其均衡充电原理是：在主充电回路正常充电的同时，巡检各个单体电池，寻找到充电最少的那一个电池，对它进行增量充电，提高它的充电速度以实现各个单体电池的均衡充电。这种充电方法避免了能量消耗型均衡充电法造成电能的无谓浪费以及能量转移型均衡充电电路复杂控制困难的问题。为了克服能量补充型选通开关阵列存在错误导通造成短路事故的难题，本发明采用了电流换路器结构进行增量辅充电流切换，保证了在各种情况下只有一个电池被选中连接到增量电流发生器，不会发生电池间短路的问题。为了更好地对电池进行辅助增量充电，本发明采用了辅助电流源取代目前使用的电压源辅充电源。

Description

一种增量式均衡充电的电池组充电装置

技术领域

本发明涉及一种动力电池组的充电装置，尤其适合串联构成的电池组在充电时对各单体电池之间进行均衡充电的充电装置。

背景技术

动力电池，尤其是动力锂离子电池，是电能存储的重要部件。动力电池已经广泛地应用于能源、通讯、国防、海事等诸多重要领域，尤其是近年来国家大力支持的电动汽车，更是需要依靠动力电池作为能源。在实际应用中动力电池通常由多个单体电池经串联或者并联后构成电池组。由于在生产过程中，没有办法做到每一个单体电池的特性完全一致，因此导致了电池组在充电与放电工作中各个单体电池的性能出现差异。尤其是在充电的过程中，性能差的电池已经充满电，性能好的电池却还没充满电。等到性能好的电池充满电时，性能差的电池已经过充了。这就是串联电池组的水桶效应，水桶效应导致电池组总体性能下降。过充对电池影响是致命的，直接影响到电池的使用与寿命。单体电池之间的性能差异会随着电池组充放电次数的增多而累加起来，导致电池差异越来越大，电池组总体性能也随之快速下降，以致于这个问题不得不解决。解决这个问题的办法就是电池组在每次充电时，对各个单体电池进行均衡充电，使电池组中的每一个电池都能充足电，每各单体电池都能充足电就可以使单体电池之间的差异不会随充放电次数的增加而叠加，保证了电池组的性能不会变差。因此如何在电池组充电过程中对单体电池进行均衡充电就成为一个很关键的技术问题，至今仍没有很好的解决。

电池组均衡充电的方法和策略大致可分为三大类型，能量消耗型、能量转移型、能量补充型。

能量消耗型的均衡原理是在电池组充电过程中，通过旁路器件（典型的旁路器件是电阻）将充电快的单体电池中的电量消耗掉一部分，使之降低充电速度，以此保证整体电池组充电的一致性。典型代表如已公开的发明专利（公开号：CN101162847A），该发明专利给出了一种串联电池组自动均衡充电的解决方案，利用一一对应的分流器实现自动均衡充电。能量消耗型的均衡充电方法的缺点在于无谓的能耗，不利于提高电池充电效率，发热严重，因此只能使用在小容量的电池充电场合，如手机，笔记本电脑等，但大容量（10A时以上）电池很难使用该方法。

能量转移型均衡方法其基本原理是利用储能元件（电感、电容等）将充电快的单体电池的能量转移到充电慢的单体电池上，以此实现均衡充电。能量转移型均衡方法在均衡过程中理论上不会消耗能量，适合于大容量电池。已公布的能量转移型均衡充电的专利很多，但在实际应用时，由于能量在电池间搬移需要使用到许多开关元件和储能元件，电路复杂，控制困难，目前主要停留在理论研究上，未见实用方案报道。目前用在电动汽车、电动摩托车上的大容量动力二次电池的充电，都还未能有均衡充电的措施，这对电池的使用寿命是有影响的。因此，给出种实用的大容量电池均衡充电的解决方案是必要的。

能量补充型均衡方法基本原理是利用附加充电电源对充电少的单体电池进行补充充电，使之以更快的充电速度追上其它电池的充电量。典型代表如已公开的专利CN200610061688.X、CN201080006134.4、CN200920204588.7，这三个专利分别给出了一种采用附加充电电源对充电不足的单体电池进行辅助充电的均衡充电方案。值得注意的是这类型的均衡充电方法有一个共同的问题，即为了将附加充电电源加到选定的单体电池上使之进行辅助充电，必须用一组开关列阵进行开关选通，这个开关阵列的存在就导致了一个可能出现的安全隐患：当开关阵列中的开关出现错误通断时，有可能导致电池自身或者多个电池之间的短路，导致大事故的发生。为了避免错误开关导致事故发生，专利CN200610061688.X、CN200920204588.7采用了二极管及保险丝作为保护措施，然而这些保护措施不仅降低了辅助电源充电的效果，同时也不能真正保护电池。这类均衡充电方法还有一个值得注意的问题是辅助充电电源都是采用电压源，电压源在应用实践中可能导致过电流充电，对电池不利。实验中表明，辅助充电电源如果采用电流源进行充电，其充电效果会更好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实用的电池均衡充电的充电装置，与目前大多采用的均衡充电方法不同。本发明一种增量式均衡充电的电池组充电装置其均衡充电原理是：在主充电回路正常充电的同时，巡检各个单体电池，寻找到充电最少的那一个电池，对它进行增量充电，提高它的充电速度以实现各个单体电池的均衡充电。这种充电方法避免了能量消耗型均衡充电法造成电能的无谓浪费以及能量转移型均衡充电电路复杂控制困难的问题。为了克服能量补充型选通开关阵列存在错误导通造成短路事故的难题，本发明采用了电流换路器结构进行增量辅充电流切换，保证了在各种情况下只有一个电池被选中连接到增量电流发生器，不会发生电池间短路的问题。为了更好地对电池进行辅助增量充电，本发明采用了辅助电流源取代目前使用的电压源辅充电源。

本发明一种增量式均衡充电的电池组充电装置包括：主充电器1、增量电流发生器2、若干个串联连接的电流换路器3、若干个串联连接的待充电池4、电流换路器控制电路5构成。待充电电池4组成串联形式，与主充电器1连接，构成主充电回路。若干个电流换路器分为A、B上下两串，分别一一并接在对应电池上，每一个单体电池对应上下两个电流换路器。增量电流发生器2输出端正负极分别与电流换路器3的A、B两串串联连接，构成增量充电回路。电流换路器控制电路5分别与电流换路器3连接，构成控制电流换路器3的动作回路。在真正实施本发明时，还必须配接相应的电池电压检测等附属电路，由于这些附属电路属于公知技术，本说明书不在此做出说明。

所述主充电器1是一种恒流源充电电路，它为待充电池组提供恒定的充电电流。

所述增量电流发生器2是一种恒流电流发生器，它为待充电电池提供增量充电电流，充电过程中当电池电压达到电池最高充电电压时转为恒压充电方式，其电特性如说明书附图2所示。

所述电流换路器3是一种将电流从一个回路改变到另一个回路的电流换路部件，由固定触点3-1、常通动触点3-2、常断动触点3-3以及相应的控制元件构成（相应控制元件图中没有标出，这不影响对本发明原理的理解）组成，其结构如说明书附图3所示。若干个电流换路器分为A、B两串串联连接。

A串电流换路器的连接方法为：增量电流发生器的负极连接A串电流换路器的第一个电流换路器的固定触点3-1，第一个电流换路器的常断动触点3-3连接第一个待充电池的负极（亦是第二个待充电池的正极，后文同），第一个电流换路器的常通动触点3-2连接第二个电流换路器的固定触点3-1。第二个电流换路器的常断动触点3-3连接第二个待充电电池的负极，第二个电流换路器的常通动触点3-2连接第三个电流换路器的固定触点3-1，以此类推。 B串电流换路器的连接方法为：增量电流发生器的正极连接B串电流换路器的第一个电流换路器的固定触点3-1，第一个电流换路器的常断动触点3-3连接第一个待充电池的正极，第一个电流换路器的常通动触点3-2连接第二个电流换路器的固定触点3-1。第二个电流换路器的常断动触点3-3连接第一个待充电电池的负极（亦是第二个待充电池的正极，后文同），第二个电流换路器的常通动触点3-2连接第三个电流换路器的固定触点3-1，以此类推。

所述电流换路器3的构成特点为A串电流换路器的第一个电流换路器与B串电流换路器的第一个电流换路器同步工作，在结构上可作为同一个元器件的两个单独分组、也可以用两个单独元器件构成同步联动结构，同时处于常通状态或者同时处于常断状态。A串电流换路器的第二个电流换路器与B串电流换路器的第二个电流换路器结构特点与上述第一个电流换路器结构特点相同，后续以此类推。

所述电流换路器控制电路5是一个逻辑控制电路，控制各个电流换路器动作。实际工作时是将充电最少的电池所对应的那对电流换路器由常断状态切换到常通状态，将增量电流发生器3与充电最少的电池接通，构成增量充电回路，对充电最少的电池进行增量充电。本发明实施过程中电流换路器控制电路5还必须与电池电压检测电路等一些附属电路以及部件结合使用，由于这是属于公知技术，本说明书不在此做进一步说明。

作为本发明的特例，充电过程可在主充电回路停止充电的情况下，完全只依赖增量电流发生器2对待充电池组中充点电量最少的那个电池进行充电，直至所有电池充满电。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。

图2为本发明副充电器输出电压电流特性示意图。

图3为本发明电流换路器结构示意图。

图中：1.主充电器，2. 增量电流发生器，3. 若干只电流换路器，4.若干只待充电池，5. 电流换路器控制电路。  U_BAT是单体电池最高充电电压，I_C是设定的单体电池辅助充电电流。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。参见图 1，本发明设有主充电器1、增量电流发生器2，若干只电流换路器3，若干只待充电电池4，电流换路器控制电路5。若干只电流换路器3分接为A、B两串，A、B两串对应的电流换路器同步动作，在结构上，对应的电流换路器可以是同一个部件的两个同步单元，也可以是两个不同部件组成一个同步结构。

主充电器1一般情况下独立于其他部分，它的实质是一个恒流源，就是通常说的充电器。主充电器通过接头与待充电池组4头尾相连，形成主充电回路对待充电池组进行充电。

增量电流发生器2是一种恒流电流发生器，它为待充电电池提供增量充电电流，充电过程中当电池电压达到电池最高充电电压时转为恒压充电方式。增量电流发生器的负极连接A串电流换路器的第一个电流换路器的固定触点3-1，第一个电流换路器的常断动触点3-3连接第一个待充电池的负极（亦是第二个待充电池的正极，后文同），第一个电流换路器的常通动触点3-2连接第二个电流换路器的固定触点3-1。第二个电流换路器的常断动触点3-3连接第二个待充电电池的负极，第二个电流换路器的常通动触点3-2连接第三个电流换路器的固定触点3-1，以此类推。增量电流发生器的正极连接B串电流换路器的第一个电流换路器的固定触点3-1，第一个电流换路器的常断动触点3-3连接第一个待充电池的正极，第一个电流换路器的常通动触点3-2连接第二个电流换路器的固定触点3-1。第二个电流换路器的常断动触点3-3连接第一个待充电电池的负极（亦是第二个待充电池的正极，后文同），第二个电流换路器的常通动触点3-2连接第三个电流换路器的固定触点3-1，以此类推。

A串电流换路器和B串电流换路器中相对应的电流换路器是同步动作的，电流换路器的连接方法具有如下特点：1、没有动作的情况下，所有待充电的电池都不能和增量电流发生器连接；2、电流换路器每次动作，只能选通一个电池与增量电流发生器连接；3、如果发生错误，同时有多个电流换向器动作，则只有离增量电流发生器最近的那个电池能和增量电流发生器连接，其它电池都无法连接上且电池间也不会出现短路情况。

在充电过程中，主充电器对待充电池进行主充电，对以串联形式连接的待充电池组进行充电。同时电流换路器控制电路5执行总体调度，根据电压测量单元（由于此技术属于公知技术，图1中没有标示出来）测得的每一个单体电池电压进行分析，确定出充电慢的单体电池，指挥与该电池对应的电流换路器动作，使之与增量电流发生器连接上，进行补充充电，让充电慢的单体电池充电速度加快，赶上充电快的单体电池，以此保证所有单体电池能够同时充满电。当电池中有一个或者几个电池充满电，达到最高充电电压后，电流环路控制器关断主充电器，主充电回路停止工作，这时只剩下增量电流发生器继续工作，对电压最低的电池进行充电，直至所有电池都充满电。作为特殊工作状态，本发明可在缺主充电器的情况下工作。在缺主充电器的情况下，增量电流发生器寻找到电压最低的单体电池并对其充电充电，一直到所有电池完成充电。由于增量电流发生器的电压-电流特性，其最高充电电压为U_BAT，不会使单体电池出现电压过充的情况。在缺主充电器的情况下，依然可以实现各个电池的均衡充电。

Claims (6)

1.一种增量式均衡充电的电池组充电装置，其特征在于包括：主充电器、增量电流发生器、若干个电流换路器、若干个串联连接的待充电池、电流换路器控制电路几个部分；待充电电池连接成串联形式，与主充电器连接，构成主充电回路；若干个电流换路器分为A、B上下两串串联连接的两组，其中每一个电流换路器对应一个待充电池，每一个待充电池对应A、B两组电流换路器串中各一个电流换路器，A组电流换路器的常断动触点连接对应电池负端，常通动触点连接到下一个电流换路器的固定触点，B组电流换路器的常断动触点连接对应电池正端，常通动触点连接到下一个电流换路器的固定触点；增量电流发生器负极连接到A组电流换路器的第一个电流换路器的固定触点，增量电流发生器正极连接到B组电流换路器第一个电流换路器的固定触点，构成增量充电回路；电流换路器控制电路连接到每一个电流换路器，通过逻辑运算，控制电流换路器的固定触点是连接到常断动触点还是常通动触点。

2.根据权利要求书1所述的一种增量式均衡充电的电池组充电装置，其特征在于：所述电流换路器由固定触点、常断动触点、常通动触点构成，固定触点与常断动触点、常通动触点之间由开关连接；未受驱动情况下，固定触点与常通动触点连接，与常断动触点开断；驱动情况下固定触点与常断动触点连接，与常通动触点开断；所述开关可由继电器、晶体管、场效应管、IGBT管等开关元件构成。

3.根据权利要求书1所述的一种增量式均衡充电的电池组充电装置，其特征在于：所述增量电流发生器具有恒流恒压特性，当待充电电池电压小于电池最高充电电压U_BAT之前，增量电流发生器为恒流输出模式，以设定的恒定电流向待充电电池充电；当待充电电池电压大于电池最高充电电压U_BAT之后，增量电流发生器为恒压输出模式，不再向待充电电池提供恒定电流，充电方式改为涓流恒压充电。

4.跟据权利要求书1或2或3所述的一种增量式均衡充电的电池组充电装置，其特征在于：所述若干个电流换路器分为A、B两组，每一组电流换路器以串联形式首位相连，A组第一个电流换路器与B组第一个电流换路器构成一对，A组第二个电流换路器与B组第二个电流换路器构成一对，以此类推，每一对电流换路器同步工作；A组电流换路器的连接方法为：增量电流发生器的负极连接A串电流换路器的第一个电流换路器的固定触点，第一个电流换路器的常断动触点连接第一个待充电池的负极（亦是第二个待充电池的正极，后文同），第一个电流换路器的常通动触点连接第二个电流换路器的固定触点，第二个电流换路器的常断动触点连接第二个待充电电池的负极，第二个电流换路器的常通动触点连接第三个电流换路器的固定触点，以此类推；B组电流换路器的连接方法为：增量电流发生器的正极连接B串电流换路器的第一个电流换路器的固定触点，第一个电流换路器的常断动触点连接第一个待充电池的正极，第一个电流换路器的常通动触点连接第二个电流换路器的固定触点，第二个电流换路器的常断动触点连接第二个待充电电池的正极（亦是第一个待充电池的负极，后文同），第二个电流换路器的常通动触点连接第三个电流换路器的固定触点，以此类推。

5.根据权利要求书1所述的一种增量式均衡充电的电池组充电装置，其特征在于：所述电流换路器控制电路为程序控制电路，根据待各个待充电池电压大小的情况决驱动那一对电流换路器对动作，确保将增量电流发生器连接到电池电压最低的那个电池上。

6. 跟据权利要求书1或4所述的一种增量式均衡充电的电池组充电装置，其特征在于：所述A、B两组电流换路器的连接方法在任何情况下都能保证只有一个电池能与增量电流发生器接通，构成增量充电回路，各电池之间不会发生短路情况。