CN108023391A - 一种动力电池充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动力电池充电系统，对串联连接的单体动力电池组合充电，包括均衡系统；所述的均衡系统包括在每组单体动力电池组合的两端并联钳位导通装置，所述的钳位导通装置在所述的单体动力电池组合的两端电压达到钳位电压时导通，所述的钳位电压设定为所述的单体动力电池组合的满充时的电压。本发明中由于在每个单体动力电池组合的两极之间设置有钳位导通装置，在该单体动力电池组合充满电后，立即导通，但保持钳位电压，使单体动力电池组合的两极之间保持充满电时的电压不变。

Description

一种动力电池充电系统

技术领域

本发明涉及电动汽车等使用的动力电池领域，特别涉及在对众多的单体电池串连充电时，动力电池充电均衡电路。

背景技术

动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。

目前，为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的动力电池均为众多的单体电池串连和并联组成，特别是电动汽车、电动列车中的动力电池，却是由成千上万的单体电池经过串联、并联，或者并联以后再串联。单体电池并联在一起是为了提供较大的电流，单体电池串联在一起则是为了提高较高的电压。

在对动力电池充电时，也涉及到将众多的单体电池并联后再串连一起充电，由于单体电池个体之间的差异，在同时充电时，有的单体电池充电速度快，有的单体电池充电慢，这样，同样的充电，在有些时候，充电快的单体电池已充满，而充电慢的单体电池又没有充满，将会导致充电快的单体电池被长期过充，而充电慢的单体电池长期充电不足影响单体电池的寿命，因此，需要对动力电池进行均衡。

目前，对动力电池的均衡有很多办法，有力地保证了动力电池的充电安全，但是这些方法或者均衡装置都较复杂，如中国专利公开号CN15071493B就公开了一种动力电池均衡系统，这种均衡系统是在采集电池的端压、温度、容量等性能参数的情况下，控制计算机根据预均衡策略，生成均衡控制命令控制均衡器执行均衡处理。

这样的系统由于单体电池数量众多，检测性能参数的系统将非常复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种动力电池充电均衡系统，该充电均衡系统不需要检测各单体电池本身的性能参数，是一种非常简单的动力电池充电系统。

本发明为实现其发明目的所采用的技术方案是：一种动力电池充电系统，对串联连接的单体动力电池组合充电，包括均衡系统；所述的均衡系统包括在每组单体动力电池组合的两端并联钳位导通装置，所述的钳位导通装置在所述的单体动力电池组合的两端电压达到钳位电压时导通，所述的钳位电压设定为所述的单体动力电池组合的满充时的电压。

本发明中由于在每个单体动力电池组合的两极之间设置有钳位导通装置，在该单体动力电池组合充满电后，立即导通，但保持钳位电压，使单体动力电池组合的两极之间保持充满电时的电压不变。

进一步的，上述的的动力电池充电系统中：所述的钳位导通装置由稳压管组成。

本发明中，为了保证钳位电压与单体动力电池组合充满电时的电压，可以对稳压管进行组合，如几个稳压串联，以保证有足够高的稳压电压，几个这样的稳压管串联电路再并联，以保证导通时流过的电流足够大。

进一步的，上述的的动力电池充电系统中：还包括防止电流从所述的单体动力电池组合的阴极流向阳极的二极管。当然，二极管本身也的节电压，这个节电压也需要加到稳压管的的钳位电压上一并考虑。

进一步的，上述的的动力电池充电系统中：在所述的充电回路中还设置有限流模块。这个限流模块可以是可调电阻，也可以是三极管控制器件，也可以上晶闸管，也可以是MOS管等。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。

附图说明

图1、是本发明实施例1中具有均衡电路的充电原理图(一)。

图2、是本发明实施例1中具有均衡电路的充电原理图(二)。

图3、是本发明实施例2中具有均衡电路的充电原理图。

图4、是本发明实施例3中具有均衡电路的快速充电原理图。

图5、是本发明实施例4中具有均衡电路的快速充电原理图。

具体实施例

实施例1，如图1和图2所示，本实施例中，利用充电器u对单体动力电池组合串联充电，如图1所示，本实施例中采用的是N组单体动力电池组合BAT1、BAT2、……直到BATn，共n组单体动力电池组合串联充电，就是充电器u的阳极接BAT1的阳极、BAT1阴极接BAT2的阴极，直到BATn-1的阴极接BATn的阳极、BATn的阴极接充电器的阴极，形成回路。

本实施例中，单体动力电池组合可以是单体铅酸动力电池，也可以是动力锂电池等，根据实践是什么电池就是什么电池，至于组合形式，本实施例中也不限组合形式，如由几枚这样的单体电池串连组成单体动力电池组合BAT1，由几枚这样的单体电池并连组成单体动力电池组合BAT2，也有的是由多组单体动力电池组合BAT1再并联形成单体动力电池BAT3，或者这里由多组单体动力电池组合BAT2再串联形成单体动力电池BAT4、或者由单体动力电池BAT3或单体动力电池BAT4再行串连或者并联形成BAT5等，当然，单体动力电池组合也可以是一枚单体动力电池。总之是不定组合形式形成的单体电池组合串联在一起充电，本实施例是对各单体电池的组合进行均衡的。

本实施例中，在单体动力电池组合的两极之间设置一个钳位导通装置，这个钳位导通装置的钳位电压与单体动力电池组合两端在充满电时的电压，当充电时，单体动力电池组合两端没有充满时，由于没有达到钳位电压，则并联在单体动力电池组合两端的钳位导通装置不会导通，相当于断路，因此，此时正常对单体动力电池组合充电，当单体动力电池组合充满电时，达到了钳位电压，则并联在单体动力电池组合两端的钳位导通装置导通，但保持了钳位电压，因此，此时，单体动力电池组合两端的电压不变。

本实施例是一种使用简单稳压器件，单向道通器件，限流电阻，和电池或并联的电池组，并联上此电路即可，通用于现有全系电池，只需要选择稳压管的稳压值加上二极管的导通压降等于所选型电池的满电电压即可配套使用。

如图1和图2所示，两个电路拓扑结构一样，只是负载RL与被充电电池结合不同。

实施例2如图3所示，两节电池的串联充电的情形：

图3中包含有充电电源U，负载RL， 限流电阻R0。电池bat1和电池bat2,稳压管Z1和稳压管Z2，二极管D1和二极管D2。稳压管Z1和二极管D1组成对电池bat1进行均衡的钳位导通电路，稳压管Z2和二极管D2组成对电池bat3进行均衡的钳位导通电路。在实践中，钳位导通模块包含稳压管与二极管串联，不分前后，但是要区分极性，也可以加入可控器件如MOS管，三极管，晶闸管，继电器开关器件等。

电池bat1和bat2和限流电阻R0串联并接在电源U0上，其中bat1可以是多个电池并联，bat2可以是多个电池并联。稳压管Z1和二极管D1串联后，再并联在电池bat1上。稳压管Z1负极连接bat1与充电电源U的正极的节点命名为J1。稳压管Z2和二极管D2串联后，再并联在bat2上。二极管D1的负极和稳压管Z2的负极连接点命名为A，bat1的负极和bat2的正极连接点命名为B。稳压管Z1的击穿稳压电压加上二极管二极管D1的道通电压取值设定等于电池bat1的充满电压。稳压管Z2的击穿稳压电压加上二极管D2的道通电压取值设定等于电池bat2的充满电压。U电源电压设定为U=(Uz1+Ud1)+(Uz2+Ud2)。为电池满电电压。当bat1和bat2电池电压相同或者不相同时并且都不是满电时，在电源U接通时，bat1和bat2开始接受电源的充电，充电电流（U-bat1-bat2）/R0。

j1节点电流状态，根据节点电流定律，I1=Ibat1+Iz1,由于电池bat1电压低于稳压管z1的击穿电压+二极管d1的道通电压，稳压管z1没有导通，Iz1=0A,I1=Ibat1+0,Ibat1的充电电流方向是流进电池bat1.

B节点电流状态，根据节点电流定律，Ibat2=Ibat1+I2,由于电池bat1电压低于稳压管z1的击穿电压+二极管d1的道通电压，稳压管z1没有导通，Iz1=0A,同时，由于电池bat2电压低于稳压管z2的击穿电压+二极管d2的道通电压，稳压管z2没有导通，Iz2=0A，I2=0A, I1=Ibat1=Ibat2，充电电流是流进电池Ibat2，电路正常充电.

当电池特性出现差异时bat1或者bat2其中一个先充满，电路均衡特性工作如下，分析情况不分先后，先以bat1先充满解释。

当bat1充满，bat2没有充满时，同时bat1的电压也达到稳压管Z1击穿条件，J1节点电流定律Iz1=I1+Ibat1，此时的Ibat1停止充电，原因是电池bat1的电压被稳压管Z1+二极管D1导通电压而钳位，bat1>=Z1+D1.由于电动势相差非常小，Ibat1对外放电,电流非常微弱，电流方向朝外，既流入J1节点，Ibat1=0甚至不放电，同时不被充电。

由于bat2没有充满，稳压管Z2仍然没有击穿道通，A点电流状态I2=Iz1+0.由于bat1已经充满，根据Z1击穿特性，Ibat1基本等于0，B点电流状态Ibat2=I2+Ibat1,即Ibat2=I2=Iz1=I1=（U-Uz1-Ud1-bat2）/R0，由于出现不均衡问题，电池bat2不受影响的被充满，达到均衡充满的目的，同时bat1不会发生过冲，因为充满电压始终受到UZ1+Ud1的钳位而保护。

反过来分析，当bat2充满，bat1没有充满时，同时bat2的电压也达到Z2稳压管击穿条件，B节点电流定律I2=Ibat2+Ibat1，I2电流方向发生变化，是流向击穿的稳压管Z2，此时的Ibat2停止充电，原因是电池bat2的电压被稳压管Z2+二极管D2导通电压而钳位，bat2>=Z2+D2.由于电动势相差非常小，Ibat2对外放电,电流非常微弱，电流方向朝外，既流出B节点，Ibat2=0甚至不放电，同时不被充电。

由于bat1没有充满，稳压管Z1仍然没有击穿道通，B点电流状态I2=Ibat1+Ibat2即，I2=Ibat1+0.由于bat2已经充满，根据Z2击穿特性，Ibat2基本等于0，B点电流状态I2=Ibat1+Ibat2,即Iz2=I2=Ibat1=I1=（U-bat1-Uz2-Ud2）/R0，由于出现不均衡问题，电池bat1不受影响的被充满，达到均衡充满的目的，同时bat2不会发生过冲，因为充满电压始终受到UZ2+Ud2的钳位而保护。

二极管D1，防止稳压管Z1正向道通旁路bat1，使得放电时，阻止bat2流经通过Z1正向导通向负载放电。二极管D2，防止稳压管Z2正向道通旁路bat2，使得放电时，阻止bat1流经通过Z2正向导通向负载放电。

图3是本发明的另外一个实施例。如图3所示该电路包含有电源U，负载RL， 限流电阻R0。电池bat1和电池bat2和batn,稳压管Z1和稳压管Z2和稳压管Zn，二极管D1和二极管D2和二极管Dn。

电池bat1和bat2和batn和限流电阻R0串联并接在电源U上。其中bat1可以是多个电池并联，bat2可以是多个电池并联，batn也可以是多个电池并联

稳压管Z1和二极管D1串联后，再并联在bat1上。稳压管Z1负极连接bat1与电源U的正极的节点命名为J1.

稳压管Z2和二极管D2串联后，再并联在bat2上。二极管D1的负极和稳压管Z2的负极连接点命名为A，bat1的负极和bat2的正极连接点命名为B。

稳压管Z1的击穿稳压电压加上二极管D1的道通电压取值设定等于电池bat1的充满电压。

稳压管Z2的击穿稳压电压加上二极管D2的道通电压取值设定等于电池bat2的充满电压。

U电源电压设定为U=(Uz1+Ud1)+(Uz2+Ud2)。为电池满电电压。

当bat1和bat2电池电压相同或者不相同时并且都不是满电时，在电源U接通时，bat1和bat2开始接受电源的充电，充电电流（U-bat1-bat2）/R0。

j1节点电流状态，根据节点电流定律，I1=Ibat1+Iz1,由于电池bat1电压低于稳压管z1的击穿电压+二极管d1的道通电压，稳压管z1没有导通，Iz1=0A,I1=Ibat1+0,Ibat1的充电电流方向是流进电池bat1.

B节点电流状态，根据节点电流定律，Ibat2=Ibat1+I2,由于电池bat1电压低于稳压管z1的击穿电压+二极管d1的道通电压，稳压管z1没有导通，Iz1=0A,同时，由于电池bat2电压低于稳压管z2的击穿电压+二极管d2的道通电压，稳压管z2没有导通，Iz2=0A，I2=0A, I1=Ibat1=Ibat2，充电电流是流进电池Ibat2，电路正常充电.

当电池特性出现差异时bat1或者bat2其中一个先充满，电路均衡特性工作如下，分析情况不分先后，先以bat1先充满解释。

当bat1充满，bat2没有充满时，同时bat1的电压也达到稳压管Z1击穿条件，J1节点电流定律Iz1=I1+Ibat1，此时的Ibat1停止充电，原因是电池bat1的电压被稳压管Z1+二极管D1导通电压而钳位，bat1>=Z1+D1.由于电动势相差非常小，Ibat1对外放电,电流非常微弱，电流方向朝外，既流入J1节点，Ibat1=0甚至不放电，同时不被充电。

由于bat2没有充满，稳压管Z2仍然没有击穿道通，A点电流状态I2=Iz1+0.

由于bat1已经充满，根据Z1击穿特性，Ibat1基本等于0，B点电流状态Ibat2=I2+Ibat1,即Ibat2=I2=Iz1=I1=（U-Uz1-Ud1-bat2）/R0，由于出现不均衡问题，电池bat2不受影响的被充满，达到均衡充满的目的，同时bat1不会发生过冲，因为充满电压始终受到UZ1+Ud1的钳位而保护。

反过来分析，当bat2充满，bat1没有充满时，同时bat2的电压也达到稳压管Z2击穿条件，B节点电流定律I2=Ibat2+Ibat1，I2电流方向发生变化，是流向击穿的稳压管Z2，此时的Ibat2停止充电，原因是电池bat2的电压被稳压管Z2+二极管D2导通电压而钳位，bat2>=Z2+D2.由于电动势相差非常小，Ibat2对外放电,电流非常微弱，电流方向朝外，既流出B节点，Ibat2=0甚至不放电，同时不被充电。

由于bat1没有充满，稳压管Z1仍然没有击穿道通，B点电流状态I2=Ibat1+Ibat2即，I2=Ibat1+0.

由于bat2已经充满，根据Z2击穿特性，Ibat2基本等于0，B点电流状态I2=Ibat1+Ibat2,即Iz2=I2=Ibat1=I1=（U-bat1-Uz2-Ud2）/R0，由于出现不均衡问题，电池bat1不受影响的被充满，达到均衡充满的目的，同时bat2不会发生过冲，因为充满电压始终受到UZ2+Ud2的钳位而保护。

二极管D1，防止稳压管Z1正向道通旁路bat1，使得放电时，阻止bat2流经通过稳压管Z1正向导通向负载放电。

二极管D2，防止稳压管Z2正向道通旁路bat2，使得放电时，阻止bat1流经通过稳压管Z2正向导通向负载放电。

在实践中，由于对不同电压和电流的需要要，上面的稳压管Z和二极管D可以集成在一起形成一个钳位导通器件。这个器件也可以直接设置在单体电池的两端，这样的单体电池在串连充电过程中就实现了均衡了。

上面的稳压管Z和二极管D可以是不同的组合，如需要钳位的电压较高时，可以使用多个这样的稳压管串连组成较高钳位电压的稳压器件。如果旁路充电电流较大，则可以将多个这样的稳压管并联在一起以提供较大的电流。

为了降低电路充满电时消耗的能好，充电电压U的取值可以等于或者略大于电池充满电的电压。

所述的负载RL也可以接电池两端，即第一个电池的正极和串联的最后一个电池的负极。如图1所示，目的是降低电池放电时在R0上产生的损耗。提高电池存储能量的利用率。

本实施例中钳位导通装置(模块) 首先包含击穿防倒流钳位模块，不限于包含单端稳压器件，单向导通器件，或者是双向稳压器前两者的结合，或者是比较后再稳压器件，稳压器件和单向道通器件结合的ＩＣ半导体器件，再和电池并联，电池可以是电池组，通用于现有全系电池，只需要选择稳压管的稳压值加上二极管的导通压降等于所选型电池的满电电压即可配套使用,也电路所述防倒流钳位目的所在，而串联的限流模块，可以是含简单型的限流电阻，或是复杂型的可调电阻，也可以是复杂组合的限流三极管，或者是复杂型的可控型MOS管，限流晶闸管，目的是防止稳压管或者钳位电路工作在击穿状态下电流出现指数规律的增长。

由于具有均衡电路，本实施例的动力电池充电电路也可以形成快速充电电路，可以通过一些电路调节，产生较大的充电电流，而不会在充电时使各电池本身过充，也就是各单体电池的充电充满以后的电压超出限定，如图3所示的快速充电路就是在本实施例的基础上进行能力的扩充，满足现实生活中的需求。图3是在图2的基础上增加了电压检测模块和电压调节模块。

电压检测模块就是检测加到正在充电的多组串连单体电池两端的电压，如图4和图5所示，这是快速充电电路中具均衡电路了，该电压就是VBat1+VBat2+…+ VBatn，它可是一普通的电压检测模块，如数字电压表之类的。也可以是比较的方式，运放的参考电压比较，得到的差值去控制调节器。这里电压检测也可以是单片机的AD检测，通过分压电阻降到合适单片机电压的状态参与检测。

调节器可以是大功率MOS管，也可以是大功率三极管，晶闸管等。电压检测模块根据检测的电压情况，产生MOS管的栅极电流或者三极管的基极电流，控制MOS管源漏极电流或者三极管的集射极电流，也就是充电电流的输出电流，大电流将会使充电更快。

如果这里采用的是发电机等做充电电源，可以由检测电路中的单片机去控制发电机转速来达到控制电压高低的目的。如果这里使用的充电电源是一种直流电源，可以采用boost升压电路，通过调节FB的反馈来调节输出升压的范围，这就是实现电压检测模块对充电电压U本身的控制，实现如图3和图4中电压检测模块输出控制充电电源和调节器之间的控制。通过这样的方式就是使用充电电源U的电压远大于电池充满的电压，就能达成快充条件。这里由于在单体电池的两端都有钳位导通模块，即便充电电压再高，电池本身也会得到保护，不会由于充电电压太高而损坏(过充)。

事实上快充方式，就是当充电电压或者电流远大于电池满电电压即可达成快充模式，由于电路具备钳位功能，这里的快充属于大电流快充。 计算公式充电电流I=（U-Ubat）/R0，从公式看出，Ubat充满是个固定值，串联电路电流相等，当U越大，充电电流也越大，取值可以是电池满电电压的N倍，这里实际运用控制在1.5~3倍之间，同时R0的变化也可以改变充电电流的大小。改变充电电压U或者改变限流电阻R0都能实施快充，前者改变节省能耗，后者改变能耗较大。实际运用过程中改变U简单经济可靠。

快速充电，就是提升充电电压在控制充电电流的大小，计算充电电流公式：

I=（U-Ubat）/R0，从公式看出，U越大，充电电流也越大，或使用恒定高电压默认实施快充而控制充电电压在这里只发挥节能作用。本实施例中，使用的输入充电电压U>>BAT充满总电压。就达到了快充条件，I=（U-bat）/R调节器阻抗，U越高充电电流越大充电速度越快，而且性能优于目前行业类的快充条件，本实施例完全支持电池在0%~100%电压内实施快充,而不是0%~ <99%内的某一值，典型值50%，80%。由于本实施例特有的防倒流钳位功能，在全程快充充满的情况下也不会发生电池过充问题，但是本实施例也有缺陷就是电池充满后，钳位电路开始工作，工作电流与充电电流一致，只是电池在充满和没有充满之间起到一个电流过度衔接作用，这个时候由电压检测模块判断电池是否充满，充满控制调节器，反之不控制，所诉的调节器包含电压控制，或者电流控制，目的是降低电池充满后，防倒流钳位电路的工作电流，达到节能目的。也可以加入磁滞特性曲线，使电池随时自动保持在快速充电状态下。

快速充电，输入电压支持动态发电系统，可以是汽车发电机，也就是所诉的负载功能转变成为发电功能，反向实施充电。如图4所示，但是需要在增加一个调节器，有汽车ECU系统来控制。

Claims (4)

1.一种动力电池充电系统，对串联连接的单体动力电池组合充电，包括均衡系统；其特征在于：所述的均衡系统包括在每组单体动力电池组合的两端并联钳位导通装置，所述的钳位导通装置在所述的单体动力电池组合的两端电压达到钳位电压时导通，所述的钳位电压设定为所述的单体动力电池组合的满充时的电压。

2.根据权利要求1所述的动力电池充电系统，其特征在于：所述的钳位导通装置由稳压管组成。

3.根据权利要求2所述的动力电池充电系统，其特征在于：还包括防止电流从所述的单体动力电池组合的阴极流向阳极的二极管。

4.根据权利要求1或2或3所述的动力电池充电系统，其特征在于：在所述的充电回路中还设置有限流模块。