CN105375539A - 动力电池自动均衡充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明披露的动力电池自动均衡充电器,是在电池管理系统BMS的指引下,有串联充放和并联充放,能针对单体电池的差异性实现同时同量充电和分时分量充电,有效防止过充和欠充;通过电池电路共用的充放电电子开关,能将单体电池中富余电能高效转移到“能量池”中,再转送到其他欠缺电量的电池中,以取得充放电的自动平衡,而不需要电阻器,所以能源效率特别高;充电器同样适用于新能源发电储能和不间断电源等涉及电池的多个技术领域。

Description

动力电池自动均衡充电器
技术领域
[0001] 本发明属于蓄电池充电器技术领域,具体地说,是提出一种应用于新能源汽车动力电池和新能源储能动力电池的充电器装置。
背景技术
[0002] 在新能源汽车技术领域,动力电池是汽车动力能量的主要来源或唯一来源,其重要性不言而喻,而储能对于稳定新能源发电也非常重要。在新能源领域的应用中,由于单个电池的电压只有几伏,能量有限,不适合电机驱动和逆变应用,所以必须由几十甚至几百个单体电池串并联成组,才能以足够高的电压和足够大的电流,获得工程设计上合理的电功率。
[0003] 但是由于在电池生产过程中,单体电池性状的离散性大,使单体电池制成品的个体性能偏离,必须选配性能接近的单体电池组成产品电池组供装配使用。然而,虽然已经在组装过程中选择到接近一致性的单体电池组合成性能相对接近的电池组,但在电池组实际使用过程中,单体电池之间的性能差异会随着充放电次数的增多而越来越大,新电池性能的相对平衡将随时间的延长变成旧电池的不平衡,这种不平衡将严重影响电池组的正常工作,在充电过程中,过充电会缩短单体电池寿命,浪费能源;在放电过程中,性能差的单体电池储能量不足、内阻高,无法达到像其他正常电池那样的放电水平,对整个电池组的正常输出产生不利影响,严重时甚至引发爆炸等事故。由于充放电的不均衡,整个电池组将不得不提前修理甚至报废,而动力电池的价格高,是使用者在经济上无法承受的负担,而勉强使用又会造成材料和能源的巨大浪费。
发明内容
[0004] 本发明的目的是通过采用自动均衡充电器装置解决动力电池的合理充放电,减少单体电池的性能差异对整个电池组使用功能和寿命的影响,保护性能差的电池,使其延长寿命,延长其达到修理更换的时间,并同时能减少使用过程中电能的浪费,以及规避产生过热甚至爆炸的风险。
[0005] 所谓均衡充电,就是在充电过程中,能够根据各单体电池的性状,采用相同或不同的充电电流,自动均衡则意味着设备将按照检测到的各单体电池的实际状况,自动调节充放电流值,装置无需人工干预自动执行平衡的功能。
[0006] 本发明的充电器是这样实现的,一种用于动力电池组充放电,由BMS和充电器组成的电子充电器装置,其特征为,动力电池组(1)是由多个单体电池串并联而成的电池组;自动均衡充电器由电池管理系统BMS (22)和电池充电系统BCS (21)组成,BCS由横充电路(211)、竖充电路(212)以及供电源(213)组成;在每个单体电池的串联接点上,并联连接有二只单向电子开关,二电子开关电流流向相反,每个单体电池正负极通过电感和电子开关串联的回路接到BCS的高频变压器的一个次级绕组;BCS可根据BMS的指引分别对全体电池和单体电池同时同量或分时分量充电;根据BMS的指引,横充电路(211)还可以根据自动均衡需要,在任何时刻将单体电池中的多余电能泄放并转移到其他单体电池中。
[0007] 众所周知,目前新能源汽车应用中的最大瓶颈在于动力电池的储能容量不足和价格高昂,而动力电池中最难解决的问题,是如何使电池单元间的个体性能偏差不影响或少影响整体电池组的合理充放电。本发明的自动均衡充电器设备,则是利用了动力电池组必须配置的电池管理系统的指引,采用不等量充放电电流,解决了由于单体电池性能离散性而造成的过充或欠充矛盾,以及放电时可能产生的局部不均衡招致输出功率不足,以及过热的风险。
附图说明
[0008] 图1、传统动力电池的电气线路图。
[0009] 图2、传统动力电池与电池管理系统BMS的电气接线图。
[0010] 图3、本发明的自动均衡充电器中的横向充电电路和BMS与电池的连线简图。
[0011] 图4、本发明的电池充电系统BCS线路结构简图。
[0012] 图5、本发明的自动均衡充电器中的横向充电电路连线简图。
[0013] 图6、本发明的自动均衡充电器与电池的电气接线图。
[0014] 图7、本发明的自动均衡充电器中的横充电路斩波器线路简图。
[0015] 图8、本发明的自动均衡充电器的充放电电子开关原理图。
[0016] 图9、开关管两端并联有阻容吸收电路的电子开关片段图。
[0017] 图10、以反激电子斩波器设计的横充电路充电电流路径图。
[0018] 图11、以反激电子斩波器设计的横充电路放电电流路径图。
[0019] 图12、横充电路的部件安装结构总成示意图。
具体实施方式
[0020] 动力电池作为新能源汽车的重要能源设备,是节能减排、维护生态环境保护和能源可持续供应的战略目标。所谓新能源汽车充电器,就是为新能源汽车,特别是电动汽车补充能量的装置,其功能主要就是从交流电网取得电能,通过整流将交流电能整流成直流电流,然后通过充电器的控制,将电能储存在车载动力电池中,电能则转化为化学能或电荷能,储存在电池中。新能源汽车充电的主要设备就是充电器。新能源储能中的充电器通常是将发电机或光伏电池所产生的不稳定电能通过充电储存在电池中,然后通过放电将电能回送电网或直接应用,由于情况类同,下文不再具体论述新能源储能内容。
[0021] 动力电池为新能源汽车的重要储能设备,新能源汽车动力电池有两大类:蓄电池和超级电容器。蓄电池的分类有:
[0022] 铅酸蓄电池
[0023] 镍镉蓄电池
[0024] 镍氢蓄电池
[0025] 铁镍蓄电池
[0026] 钠氯化镍蓄电池
[0027] 银锌蓄电池
[0028] 钠硫蓄电池
[0029] 锂离子蓄电池
[0030] 钒液流电池
[0031]等等。
[0032] 作为动力电池的蓄电池包括现有的传统铅酸蓄电池和镍镉蓄电池,但由于这两种电池均有存储效应,寿命短,且容量/重量比或容量/体积比太小,所以采用比例趋于缩小,当前的动力电池主要发展方向是锂离子电池,包括磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元材料电池等。
[0033] 超级电容器储存的是电荷能,无化学能转换,所以其充放电速度等性能优于蓄电池。
[0034] 图1为传统动力电池的电气线路图。图中的动力电池组由E1〜En个单体电池串联而成,也可以看作由更多个单体电池串并联后组成的η组电池组,除了对外用正极“ + ”和负极两根大功率负荷线外,每个单体电池或每组单体电池分别引出控制线1〜η+1,从相邻编号的两根控制线可以随时测量出各单体电池的电压,从这些电压数值可以分析判断出各单体电池的荷电状况和工作状况,特别是充放电时的状况,这些状况通常都由称为电池管理系统的设备作测量监控。所以,BMS几乎成为优秀动力电池系统的标准配置。
[0035] 图2为传统动力电池(1)与电池管理系统BMS(2’ )的电气接线图。由图中可见,任何一个单体电池Em,都可以通过BMS来检测m与m+1号线桩上的电压,用以分析第Em编号单体电池的荷电状况,同时,还有包括电流探头、温度探头等其他传感器反映其充放电工作状况。
[0036] 图3为本发明的自动均衡充电器的结构框图。由图中可见,自动均衡充电器⑵是由电池管理系统BMS(BMS-Battery Management System)和电池充电系统BCS (BCS-
Battery Charge System)构成的充电装置,而自动均衡充放电功能必须通过横向充电器线路拓扑结构才能实现。因此,BCS由横充电路(211)、竖充电路(212)和供电源(213)组成。从电池组每个单体电池引出的桩线,不仅连接到电池管理系统BMS,还连接到电池充电系统BCS,BMS用于检测指弓丨,而BCS用于自动充电和自动放电,或者称为自动均衡充放电。
[0037] 本发明中的电池管理系统BMS (22)主要起监测、分析、判断和指引作用。BMS是对动力电池组进行参数采集与监测、安全保护、智能充放电控制,以及状态监测与荷电量评估的电子装置。电池管理系统通常由传感器等监测单元(用于测量电压、电流和温度等)、中央处理器、均衡充放电分析判断和信号控制单元、输入输出等接口组成。最基本的功能是监控电池的工作状态(电池的电压、电流和温度)、预测动力电池的荷电量(S0C)和相应的剩余行驶里程,进行电池管理以避免出现过放电、过充电、过热和单体电池之间电量严重不均衡现象,最大限度地利用电池存储能力和循环寿命。具体功能描述如下:
[0038] 1、充放电动态监测
[0039] 在电池充放电过程中,实时采集动力电池组中的每块单体电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压,防止电池发生过充电或过放电现象的出现。电池充放电的过程通常会采用精度更高、稳定性更好的电流传感器来进行实时检测。
[0040] 2、电池组荷电状态准确估测
[0041] 准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge——SOC),即电池剩余电量监测,保证S0C维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池造成损伤,并随时显示新能源汽车动力电池的剩余能量,即储能电池的荷电状态,以便用户掌握可用电量情况,避免因电池容量不足而在途中抛锚。
[0042] 3、单体电池状态检测
[0043] 能够及时给出每个单体电池状况,挑选出有问题的单体电池,保持整组电池运行的可靠性和高效性,使剩余电量估计模型的实现成为可能。
[0044] 4、根据电池总体状况和用户指令,对竖充电路发出充电程式和充电电流数值的指令。
[0045] 5、根据单体电池状态检测的数据和评估结论,在充放电工况时,发出对需要作出调整的单体电池的横充放电的指令,包括时间、电流大小的具体脉冲宽度数据。
[0046] 6、在非工作状态时,定时或非定时地判断,是否需要对电池荷电作自动均衡调整。如需要,就启动自动均衡操作。
[0047] 7、过压、过流、超温和非正常工况的保护功能。
[0048] 8、建立历史档案并作出适用性判断。
[0049] 9、将记录资料通过网络传送或接收信息的通讯功能。
[0050] 除此以外,BMS还要建立每块单体电池的使用历史档案,为每个单体电池的寿命期、可用性和更换计划等提供资料和咨询。
[0051] 电池管理系统BMS(22)通常都配置中央处理机,本发明的电池管理系统BMS (22)的供电结构为由供电源(213)和电池组双路同时用备、择一供电的方案。也就是说,BMS有两路供电,其中一路为BCS中的供电源(213),另一路来源于经过隔离的电池组电压,两组经二极管同时供电,势必是电压较高的一路优先供电,如该电压因故失压,则另一路自动替补供电。可选其中任意一路为主用,则另一路为备用,只要稍把主用电压调高一点点就可解决问题。由于BMS主要起控制作用,功耗较低,所以增加一路常备,产生失电失控的故障概率就很低,这就保证了系统主脑的安全供电。
[0052] 图3中,自动均衡充电器⑵包括电池充电系统BCS(21)和电池管理系统BMS(22)二大部分。电池充电系统BCS主要由三部分构成——竖充电路(212)、横充电路(211)和供电源(213)。竖充电路(212)的输出接在整个电池组的正负两端,从纸面上看,是由自上而下的竖向充放电结构,所形成的单路串联充电的模式,只能供整个电池组充电不能照顾到个体区别。与此相反,横充电路(211)的输出接在每个单体电池的正负两端,从纸面上看,是自右而左的横向充放电结构,形成的多路并联充电的模式,各个单体电池可以按各自所需的合适电流进行充电,至于各单体电池具体以多大电流充电,得由BMS经过检测、分析、计算、判别后以脉宽指令的形式作出。因此,竖充电路又称垂直充电或串联充电,而横充电路也可称水平充电或并联充电。
[0053] 供电源(213)实际上是一台工频整流器,将电网送来的工频交流电整流成直流电,交流电可以是单相,也可以是三相或多相。整流后的直流电作为横充电路和竖充电路的供给电源。供电源中还可能有交流滤波、功率因数调节、电压电流保护等功能电路。
[0054] 供电源(213)可采用普通的单相、三相或多相输入的整流器,更适于采用节能型整流器,例如,低纹波单相整流器(中国专利局文件201310331608.8)、虚拟六相整流器电源装置(中国专利局文件201310381920.8)、节能型双三相整流系统(中国专利局文件201410333267.2)以及带三相/多相整流变压器的整流器。针对充电器的更详细资料,可参见中国专利局文件201410320339.X,名称为“新能源汽车节能型系列充电器装置”。
[0055] 所谓低纹波单相整流器,就是一种利用多相整流原理,将单相电整流后的波形波谷填补后降低纹波的整流器装置,可降低纹波的滤波损耗。虚拟六相整流器和节能型双三相整流系统就是几种将三相电变换为六相电的整流器装置,以上装置都有一块直流电平均电压提升的增量,使整流效率明显高于传统整流器装置。带三相/多相整流变压器的整流器适用于特大型充电站,可有效减少大容量直流电对供电源的谐波污染和电压波形致畸影响,降低电网的谐波损耗,所以都是节能型的整流器装置。
[0056] 图4为本发明的电池充电系统BCS线路结构简图。电池充电系统(21)由横充电路(211)和竖充电路(212)以及供电源(213)组成。本图较详细地描绘了竖充电路(212)结构,及其与其他电路的关联拓扑。竖充电路的结构与普通充电器相似,主要由斩波器(2121)、高频变压器(2122)、调节控制器(2123)和高频整流器(2124)组成。斩波器与高频变压器初级绕组串联后接在直流供电源正负端,作用是将直流电斩波成为高频交流电,以便通过后者隔离,经整流后向动力电池充电。斩波器可以由一个斩波管组成,也可以由二个或多个斩波管组成,图中为单管斩波。高频变压器次级有一个主绕组和一个或二个辅助绕组,辅助绕组起振荡反馈或提供基准电压的作用,图中采用一个辅助绕组。
[0057] 竖充电路的斩波器(2121)可设计采用正激振荡器或者反激振荡器,正激的机理是在斩波管导通时,同时将电能通过变压器次级绕组送出;而反激的机理是在斩波管导通时,只是将电能转换为磁能,储存在变压器磁路中,只有在斩波管截止的时段,磁能才能通过变压器次级绕组转换为电能。高频变压器次级主绕组接高频整流器,以便将从变压器过来的交流电整流成直流充电电流,对动力电池进行竖充。按电池的不同采用不同阶段和时间的最佳充电模式,例如先采用恒流充电,然后采用恒压充电,最后采用小电流浮充,具体充电程式视电池的性状而定。
[0058] 调节控制器的作用是具体实现充电的方式和程度,例如采用恒流充电或恒压充电,决定充电电流的大小等等,在检测到过压过流,或温度报警时,调节控制器可以立即关断竖充。
[0059] 竖充电路的输出直接接在电池组正负两端,而横充电路的众多输出线接到每个单体电池。
[0060] 图5为本发明的自动均衡充电器中的横向充电电路和BMS与电池的连线简图。横充电路与竖充电路是两个相对独立的电路,所起作用也不同。横充电路(211)需要η+1根连线,连接到每个单体电池。
[0061] 图6为本发明的自动均衡充电器与电池的电气接线图。竖充电路(212)只需要两根线,分别接电池组的正负极。而横充电路有这么多的线需要连接,而每根线要有一定的载流量,而且要经受车辆的颠簸振动,所以在工艺上需要解决连接的牢固性和可靠性。
[0062] 图7为本发明的自动均衡充电器中的横充电路斩波器线路简图。横充电路主要由斩波器(2111)、高频变压器Τ(2112)、调节控制器(2113)和电子开关(2110)组成。斩波器与高频变压器初级绕组Τ0串联后接在直流供电源正负端,作用是将直流电斩波成为高频交流电,以便通过后者隔离,将电能传输到与变压器次级绕组连接的电子开关,经电子开关整流后向单体电池充电。
[0063] 横充电路采用反激振荡器,或称回扫或RCC方式,除了自激振荡外,尤其适合由BMS定时的他激振荡,因为不管是自激或他激,BMS都有定时同步控制的要求。
[0064] 高频变压器次级有众多绕组T1〜Tn,另外还有一个反馈绕组Tf,反馈绕组接调节控制器,具体作用是实现斩波器的振荡,以及调节横充电的基本充电电流的强度,以及实现横充电路保护性关断的功能。,如果采用BMS他激,则反馈绕组Tf可以省略,调节控制器的功能也一併由BMS代替。
[0065] 反激电子斩波器的工作原理是,当斩波管导通时,由于变压器初级感抗较大,所加的直流电压全部施加在变压器初级绕组上,但因感抗的作用,电流只能按指数逐步增大。当斩波管截止时,在变压器铁心磁路中的磁能以感应电压出现在各绕组上,由于初级绕组无通路,而次级绕组感应电压为上正下负,可以满足单体电池横充的需要。也就是说,变压器的磁路成为“能量池”,相当于一个储能器,先把初级绕组的电流安匝储存在变压器中,当斩波管截止时,“能量池”中的磁能才可以变为电能在次级绕组释放。
[0066] 图8为本发明横充电路的充放电电子开关原理图。图中变压器T初级只有一个线圈绕组,而变压器次级却有η个充电绕组,每个绕组对应一个单体电池。对于单体电池Ε1,其正极通过L1接二个单向导通的电子开关Sal和Sbl,Sal和Sbl并联连接。对于E1来说,Sal为电流流进,相当于对El充电;Sbl为电流流出,相当于对El放电;E1的负极通过L2也同样接二个单向导通的电子开关Sa2和Sb2,Sa2和Sb2并联连接,Sa2和Sb2连接在相串联的E1和E2中间,因此有双重作用。
[0067] 对于E1来说,Sa2为电流流出,相当于对E1放电;Sb2为电流流进,相当于对E1充电。由此可以看出,对E1而言,同一标号位置的电子开关Sal和Sa2所起作用刚好相反,Sal为充电而Sa2为放电。但对于E2而言,Sa2为电流流进,相当于对E2充电;Sb2为电流流出,相当于对E2放电。所以,同一对电子开关Sa2和Sb2对相邻电池E,所起作用刚好相反。对于E1来说,Sa2为电流流出,相当于对E1放电;但对于E2来说,Sa2为电流流进,相当于对E2充电。对于E1来说,Sb2为电流流进,相当于对E1充电;但对于E2来说,Sb2为电流流出,相当于对E2放电。
[0068] Sal和Sa2间,或者也可以说Sbl和Sb2间。跨接有变压器的第一个次级绕组T1 (标号在图10)。依此类推,可以看出,上一个单体电池的充电开关,作为下一个单体电池的放电开关,所以说,本发明中的单向开关,对于相邻的单体电池而言,既可能是充电开关,又可能是放电开关。
[0069] 从图中的线路可以看出,本发明的横充电路无整流管,所以电子开关,既起到开关作用,又起到整流管的作用。因此,电子开关管不允许使用并联有二极管的逆导型开关管。图中所画电子开关为晶体三极管,但实际上主要是MOSFET、IGBT或ICBT,也可以采用达林顿管等其他形式的开关管,开关管的材料可以是硅材料,也可能是其他半导体材料,如碳化石圭、氣化嫁等。
[0070]。硅整流二极管的正向压降一般在IV上下,而晶体三极管导通时的正向压降可低达0.1V左右,二只晶体三极管的正向压降相加也仅约0.2V,所以其损耗比整流二极管小,整流效率自然高于硅整流二极管。
[0071] 二极整流管不需要控制端,它直接由正向电压导通,而电子开关必须在控制极加控制信号触发时才能导通,所以电子开关的控制极需要输入触发导通的信号,对于晶体三极管则控制极为基极,控制信号通常也由单独的触发变压器提供,当然也可以以光触发电路代替,例如以LED管触发的形式使电子开关导通,图中未标出具体触发电路,工程技术人员可从产品资料中选择合适电子开关和触发器件。电子开关的触发信号应该与斩波器同步,即选择斩波器有功率输出时才触发电子开关导通,所以本发明中众多电子开关实际上处于同步整流状态。电子开关采用脉宽调制,不同的脉宽,代表了不同的充电电流或放电电流,这样就使电子开关具有调节充放电电流的能力。
[0072] 对于高频整流而言,电感L和电容C都能取得良好的滤波效果,以防止高频电磁波发散到汽车空间中。
[0073] 为了防止电子开关截止时,电感L中电流突变对开关管产生尖峰电压冲击,可在开关管两端并联阻容吸收电路。
[0074] 图9为开关管两端并联有阻容吸收电路的电子开关片段图。在三极管C极和E极间并联连接的阻容串联过电压吸收回路,可减小和抑制电子开关截止时,由电感和变压器等产生的尖峰电压对三极管CE极间造成的高电压冲击。
[0075] 下面以为什么采用反激电子斩波器设计的斩波电路作简要分析。
[0076] 因为在本发明设计的电路中,电子开关数量少、功能多,同一开关管面对不同电池,既有充电功能,又有放电功能,所以控制管理很复杂,很可能因同时产生充放电信号短路而烧毁器件。另外,为了提高能源效率,放电电路中不设电阻,而使电能在电池之间流动,如果产生短路,短路电流会非常大,其复杂性是显而易见的。为防止各种不利情况的出现,所以本发明设计将充电和放电设计在不同的时间段内,单体电池放电时间设计在斩波管导通期间,充电时间则设计在斩波管截止期间。这样的设计,即使放电电路中不设置放电电阻器,也有可能完全避免短路事故的发生,下面以充电和放电不同的路径作分析说明。
[0077] 图10为以反激式电子斩波器设计的横充电路充电电流路径图。图中,产生E1充电电流的电动势是变压器次级中与单体电池E1的充放电相关联的绕组Tl,T1的感应电动势是上正下负且高于电池电压E1,所以当BMS送出控制信号使电子开关Sal和Sb2导通时,电流从T1绕组上端流出,经Sal、L1、E1和L2、Sb2,回到T1下端,完成回路。电流从E1正极流入,E1负极流出,因此电池E1得到充电。由于变压器感应电压的大小已设计确定,不能调节,所以平均充电电流的大小,只能由BMS控制脉冲的宽度决定,在合理的脉宽范围内,宽度大平均电流也大,反之亦然。也就是说,横充充电是在横充电路斩波管截止期间,因为只有在斩波管截止期间,变压器次级绕组的感应电压才会上正下负,符合充电的电压要求。
[0078] 图11为以反激电子斩波器设计的横充电路放电电流路径图。放电时间设计在斩波管导通期间,因为此时变压器次级绕组T1感应电压是上负下正。图中,假设产生放电电流的电动势为单体电池E1的电压,E1是上正下负,当BMS送出控制信号使电子开关Sbl和Sa2导通时,电流从E1上端流出,经Ll、Sbl、Tl绕组和Sa2、L2,回到El下端,电流从E1正极流出,E1负极流入,因此电池E1处于放电状态。在放电时,T1绕组感应电压与E1同向串联,是帮助E1放电的。放电电流的大小,同样由BMS控制脉冲的宽度决定,在合理的脉宽范围内,宽度大电流也大,反之亦然。
[0079] 根据变压器原理,变压器只能传输交流电压,其感应电压应为交流电压,且上下半波面积相等,在充电工况时,T1极性是上正下负,那么在放电时的极性必定是上负下正,这样的感应电势有助于放电电流。所以不必担心回路电动势不够的问题。放电电流通过T1产生的安匝数叠加在由于斩波管导通而形成的T0(初级绕组)磁势中,该部分总的电磁能量增大。
[0080] 所以本发明的单体电池放电的机理是,将单体电池放电的能量叠加在斩波能量中,然后在另半周开始的单体电池充电期间,将单体电池放电的电能转移到其他单体电池中。
[0081] 本发明采用反激斩波器,将充电和放电相互错开安排在不同时间段,就不会出现充放电相互干扰的问题。
[0082] 因为本发明的横充电路为半波整流,所以电子斩波器(2111)的激励方式对本发明的设计至关重要,绕组方向接反,电能就不可能实现充电进入单体电池,放电时电池电压与感应电压相抵,也限制了放电。
[0083] 在上述放电过程中,由于横充电路(211)和电子斩波器(2111)还同时在为其它单体电池作放电运作,而所有充放电运作都是在同一变压器平台上进行,所以放电的同步控制时间十分重要,必须保证所有放电的时间控制在充电的时间段外,惟有如此,才能使放电送出的电能叠加在斩波能量中,再在充电时段进入其它的单体电池。
[0084] 由单体电池放电所增加的能量,和从电网获得的能量一起,将担负起整个电池组的横充,装置没有能量的浪费。目前其他装置的放电方案,通常配备有电阻吸收单体电池中多余的能量,电能变为热能,白白浪费宝贵的能量,却还不得不为电阻如何解决散热问题而操心,本发明就没有这样的担心。
[0085] 当然在本发明的设计中应注意,单体电池总的放电的量不能太大,因为这部分安匝数如果能与斩波器原设计斩波安匝数相比拟的话,即两者功率可以比拟的话,很可能引起斩波器工作不稳定,或者引起斩波器超载,或者变压器磁路饱和,这是不允许的,因为这会使得整个充电器工作引起失控。
[0086] 在本发明的横充电路中,如果相邻的二个或连续多个单体电池具有相同的充(放)电电流,则这些单体电池之间所涉及的电子开关可以不激发导通。例如,如果单体电池E1和E2在某时间内的充电电流或放电电流相同,则这些单体电池之间所涉及的电子开关Sa2和Sb2无须激发导通。此时所形成的具体电路结构格局改变为,E1和E2串联后所形成的局部电压将与T1和T2串联后所形成的局部绕组进行充电或放电运行。
[0087] 上面说明了横充电路(211)与竖充电路(212)单独充电时的微观过程,下面将阐述二者实际充电的宏观状况,其作用过程分三种不同情况叙述如下:
[0088] 1、横充竖充电路同时充电
[0089] 在充电的早期和中期阶段,由于各单体电池电量都很低,所以在竖充的同时,横充电路同时投入充电,补充某些电量偏低的单体电池,使各单体电池达到均匀和接近电量的自动均衡充电的目标。
[0090] 2、竖充电路充电,横充电路充放电
[0091] 在充电的中后期阶段,由于部分单体电池电量已充足,所以在竖充的同时,横充电路在对电量不足的单体电池继续充电的同时,对部分已接近充足电的单体电池可进入放电工况,或者说将竖充的电用放电的形式重新取出并转移到其他电池中去,达到各单体电池均匀和接近电量的自动均衡充电的目标。
[0092] 3、竖充电路关闭,横充电路继续充电
[0093] 在充电的后期阶段,由于大部分电池借助自动均衡充电的功能已充足电量,所以竖充关闭,停止充电。同时,横充电路继续投入充电,将对低电量的单体电池充电直至最大电量,达到各单体电池均匀和接近电量的自动均衡充电的目标。
[0094] 除了充电过程中,本发明的装置能执行自动均衡充电的功能外,在放电过程中,本装置也能执行自动均衡放电的功能,那就是对电量相对较丰富的单体电池执行自动放电的功能,将放电电能朝向电量特别低的单体电池转移充电,也就是使电量较多的电池,除了承担对负荷放电外,还能对其他电量较少的电池,实施间接转移放电,总放电电流为二者之和,这就是实现装置的自动均衡放电的功能。电量较少的电池,则在与其他电池一起放电的同时,接受转移过来的补充充电,所以他们的实际放电电流小于各电池的平均放电电流。
[0095] 综上所述,本装置能达到均衡充电、均衡放电的目标。除了以上叙述的充放电过程中,实现自动均衡充放电的功能外,系统还能在非充放电时间段中,根据电池的需要,定时启动自动电量平衡功能,使最小电量的若干个单体电池从富裕电量的个体中获得电能,以提高电池组S0C值,因为整体电池S0C值不是简单的各单体电池电量的平均值,而是单体电池中最低允许放电量电池的储电量值,这就是“短板效应”,如果不是以这样一种方式设计S0C值,而是采用平均值设计,则这样的S0C值很可能会对车辆驾驶人员造成误导。
[0096] 本发明的装置中含有自动电量平衡功能的设计,具备能在非充放电时段执行自动电量平衡的功能。其中应始终掌握的原则是,电量平衡只是相对的,而不平衡却是绝对的。因为在本发明系统中,电量转移的过程是,先将多余电量从富电电池中取出,转移到存储在高频变压器T磁路的“能量池”中,能量以磁能形式存在,然后“能量池”中的磁能,在充电阶段改变为电能,输入欠电量的个体,所以其转移效率不可能很高,而系统在工作过程中还需要有一定的维持功率,这是使系统运转必须消耗的功率,不能转换为充电电流。频繁的自动电量平衡将会有相应的损耗,过度操作和过度平衡反而会降低电池组的有用电量,使S0C值不升反降。
[0097] 根据以上的分析,是否系统的自动电量平衡功能没有存在的必要呢?也不是这样的一种情况,因为毕竟“体弱力衰”的单体电池能在缺少电量时得到合适的电量补偿,就可以在放电过程中跟随其他“个体”坚持一段放电过程,不至于因“过度疲劳”而被动退出运行,也不容易因带病运行而折寿,有利于提高电池服务年限,所以其积极意义是不容否认的,本发明只是强调合理设计自动平衡功能,而不主张过度平衡。
[0098] 本发明的横充电路(211),为了能自动平衡单体电池电量,在放电结构上也作了特殊安排。就是说,本发明的线路没有放电电阻,放电电流是流经电阻很小的变压器次级绕组,所以只有很少的电量被浪费掉,充电器的能源效率比较高。同时没有了放电电阻就不需要设置散热器,也不容易产生额外热量影响电池组的工作。
[0099] 从上述分析中可以发现,对于需要强大功率实现大电流快充电的充电机,变压器T(2112)是至关重要的部件。因为所有涉及众多单体电池的横充电路中的充放电功率,都是经过该变压器实现传输的,为此,变压器的体积较大,工作频率较高。
[0100] 图12为横充电路的部件安装结构总成示意图。图中的横充电路(211)由斩波器(2111)、调节控制器(2113)、高频变压器Τ(2112)和电子开关(2110)四大部件构成,而变压器Τ又由高频磁心(21121)和初次级绕组(21122)构成。斩波器与调节控制器安装在同一块圆形印刷线路板,上面布满了电子元器件,其中体积较大的是斩波管及其散热器。考虑到横充电路中磁心应有足够的储能量,所以变压器体积较大,工作频率较高。
[0101] 变压器的基体是截面为圆形的环形铁心,铁心外复绝缘纸或直接将薄层绝缘漆涂覆于其表面,然后缠绕初级绕组T0和反馈绕组Tf,初级绕组处于高压回路,其匝数较多。接着复加初次级间的绝缘层、静电屏蔽层,再继续缠绕众多次级绕组T1〜Tn,最后再加电磁屏蔽层和散热层。本发明中所采用的高频变压器可以采用传统高频磁环铁心,也可以采用圆截面的环形高频非晶软磁体。考虑到高频趋肤效应,绕组可采用相互绝缘的多股线绕制。
[0102] 由于众多次级绕组的众多出线,再加上连接到单体电池的许多接线,所以电子开关(2110)印刷线路板安装在最外处,即直径较高频变压器外圆稍大的环形印刷线路板上,成圆形放射状结构。如果是车载充电器,则所有的单体电池按围绕在横充电路(211)线路板周边方式的布置。这样一种设计可使绕组引出线很短,板面上靠近圆心这边有变压器绕组引线的接线桩或焊点,而离圆心远端布置与单体电池有关的接线桩或焊点。依此向外安装电子开关管、触发管、电感电容和阻容元件,然后是与各单体电池连接的接线桩或焊点。
[0103] 充电器与动力电池的连接,或者说接插件,也是一件重要工艺器件,从图6的自动均衡充电器与电池的电气接线图中可以看出。竖充电路(212)只需要两根线,分别接电池组的正负极,通常采用三种方式连接,第一种是采用紧固件的半永久连接,第二种是采用电池夹的半固定连接,而第三种是采用插接式的活动连接,类似于电源插座,第一种连接须采用工具操作,第二、三种不必借助工具,可直接手工操作。
[0104] 由于横充电路有这么多的线需要与单体电池连接,而每根线要有一定的载流量,而且连接点要经受车辆的颠簸振动,所以在工艺上需要解决连接的牢固性和可靠性。对于车载式充电器,可采用紧固件、插件的永久或半永久连接。对于非车载式充电器,或者考虑到更换电池的方便性,建议采用带锁紧装置的连接插头座副,该插接器插接容易,插接后的锁紧装置既可防止紧固点振动松脱,又可保证接触可靠,允许一定的电流载流量。
[0105] 综上所述,本发明的自动均衡充电器,可根据动力电池的状况,参照历史运行记录,自动决定充电程式,均衡地完成整个充电过程。在放电时,根据负载要求,自动调节单体电池的放电电流,达到均衡放电。在非工作期间,能自动均衡调节单体电池荷电量,以达到最佳的S0C。
[0106] 本发明的充电器,以高电源效率和从简结构为特征,同样适用于新能源发电储能和不间断电源等多个涉及电池的技术领域。

Claims (10)

1.一种由BMS和充电器组成的电子充电器装置,其特征是,动力电池组(1)是由多个单体电池串并联而成的电池组;自动均衡充电器由电池管理系统BMS(22)和电池充电系统BCS(21)组成,BCS由横充电路(211)、竖充电路(212)以及供电源(213)组成;在每个单体电池的串联接点上,并联连接有二只单向电子开关,二电子开关电流流向相反,每个单体电池正负极通过电感和电子开关串联的回路接到BCS的高频变压器的一个次级绕组;BCS可根据BMS的指引分别对全体电池和单体电池同时同量或分时分量充电;根据BMS的指引,横充电路(211)还可以根据自动均衡需要,在任何时刻将单体电池中的多余电能泄放并转移到其他单体电池中。
2.根据权利要求1所述的充电器装置,其特征是,电池管理系统BMS(22)的供电结构为由供电源(213)和电池组双路同时用备、择一供电的方案。
3.根据权利要求1所述的充电器装置,其特征是,供电源(213)可以是普通的单相、三相或多相输入的整流器,也可以是低纹波单相整流器、虚拟六相整流器、双三相整流器或带三相/多相整流变压器的整流器中的一种。
4.根据权利要求1所述的充电器装置,其特征是,横充电路主要由斩波器(2111)、高频变压器T(2112)、调节控制器(2113)和电子开关(2110)组成;斩波器与高频变压器初级绕组Τ0串联后接在直流供电源正负端,次级有众多绕组T1〜Τη和一个反馈绕组Tf ;反馈绕组接调节控制器,调节横充电的基本充电电流的强度,以及实现横充电路保护性关断的功能;斩波器采用反激振荡结构,或称回扫或RCC方式;如果采用BMS他激,则反馈绕组Tf可以省略,调节控制器的功能也一併由BMS代替。
5.根据权利要求4所述的充电器装置,其特征是,横充电路电子开关中的同一单向开关,既可能是充电开关,又可能是放电开关;横充电路电子开关为晶体三极管、M0SFET、IGBT、ICBT或达林顿开关管;开关管的材料可以是硅材料,也可能是其他半导体材料,如碳化硅、氮化镓。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的充电器装置,其特征是,单体电池放电时间设计在斩波管导通期间,充电时间则设计在斩波管截止期间;放电电路中不设置放电电阻器。
7.根据权利要求4所述的充电器装置,其特征是,横充电路中,如果相邻的二个或多个单体电池具有相同的充(放)电电流,则这些单体电池之间所涉及的电子开关可以不激发导通。
8.根据权利要求4所述的充电器装置,其特征是,横充电路中含有自动电量平衡功能的设计,具备能在非充放电时段执行自动电量平衡功能。
9.根据权利要求1所述的充电器装置,其特征是,斩波器(2111)和调节控制器(2113)安装在圆形电子线路板上,圆形线路板布置在环形高频变压器T的中间位置;电子开关(2110)安装在环形电子印刷线路板上,布置在环形高频变压器T的外环位置;高频变压器T由高频磁心(21121)和初次级绕组(21122)构成,变压器体积较大,工作频率较高。
10.根据权利要求1所述的充电器装置,其特征是横充电路与单体电池连接,采用带锁紧装置的连接插头座副。
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