CN108183534A - 组合脉冲快速均衡充电控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合脉冲快速均衡充电控制系统及方法，包括直流电源(1)、组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)和串联电池(4)，适合各类可充电电池的充电控制，特别是适合选用耗能式独立均衡模块的磷酸铁锂电池、钛酸锂电池和超级电容，或无均衡模块的铅酸蓄电池；组合脉冲的产生方法是，通过在一个低频脉冲充电波形的停充段，附加一个高频充放电脉冲，在串联电池(4)正极端产生在每一段直流充电后紧接一个锯齿状兆赫级高频充放电脉冲的组合脉冲；借此优化电池极板微观结构、提高充电速度，并结合独立配置的均衡模块(12)，促使各单格电池电压均衡一致。

Description

组合脉冲快速均衡充电控制系统及方法
技术领域
本发明属于电池或串联电池的快速均衡充电技术领域，适合各类可充电电池的充电控制，特别是适合选用耗能式独立均衡模块的磷酸铁锂电池、钛酸锂电池和超级电容，或无均衡模块的铅酸蓄电池。
背景技术
串联电池的快速均衡充电技术一直是非常热门的研究课题。电池是否适合快速充电，与电池的种类和其内部结构有关；一般情况下高比功率电池既能够大电流放电也可以大电流充电。对串联电池进行快速或大电流充电时，电池内部单格电池的均衡问题是必须考虑的重要因素。
人们对传统铅酸电池，即平板式铅酸电池，及其充电技术进行过广泛深入的研究。在铅酸电池充电技术领域，曾经流行的正负脉冲快速充电技术因其约3C的超大瞬间负脉冲放电电流，超出了电池的承受能力，影响了电池的使用寿命，结果这种充电方式及相关的产品未获得市场的认可。使用铅酸电池的车辆，一般没有均衡充电控制模块，其结果是各单格电池的电解液高度在一段时间后开始出现差异，单格电池的均衡性越来越差；曾经有过的采用过压充电，如12V蓄电池采用16.2V的过压充电，以部分单格电池析气来达到其它单格电池充足电的均衡方式，最终也因导致蓄电池使用寿命的缩短而未推广应用。
针对锂电池和超级电容，市场上常见的均衡充电方案包括能量耗散式和能量转移式两大类，其中采用旁通电阻的能量耗散式均衡充电方案一般用于超级电容；能量转移式均衡充电方案，比如飞渡电容式或高速开关电容式，则常见于锂离子电池。尽管在电动汽车或电动自行车中，使用锂离子串联电池都有均衡控制模块，但实际均衡效果参差不齐。在路行驶的许多电动自行车、共享型电动小汽车或公交车，在正常充电运行期间许多汽车每年都需要单独进行一到两次电池再均衡操作。
在对串联电池充电过程中，各单格电池从最初的同一电压慢慢变的不一致；在同样充电电流的作用下，充电一段时间后有的单格电池电压不再变化或增长很慢，而有的却不断增加，当串联电池的总电压达到充电器的限压值后，如果串联电池不带均衡模块，比如汽车用铅酸蓄电池，这种高低电压差将始终存在；而带均衡模块的串联电池在一段比较长的时间后各单格电池的电压才逐步达到一致。现有的部分电池均衡模块，比如能量耗散式均衡模块，当单格电池电压未达到设定电压限值时是不会对各单格电池进行均衡控制的，均衡作用都是在单格电池电压达到某一设定值以后才开始进行，因此均衡时间较长且均衡电阻发热量很大；而部分能量转移式均衡充电方案也因均衡电流小均衡时间很长。
观察串联电池按常规直流充电方式的充电过程发现，某一单格电池一旦出现电压超常增大，那么以后每次充电时该单格电池电压都会首先达到限压值；而在放电时，该单格电池电压下降幅度也最大；这说明该单格电池内部微观结构出现异常。
国际上关于铅酸电池充电技术的研究比较多，已有比较成熟的优化电池微观结构的方法和相应产品，比如早在2001年美国VDC Electronics公司（http://www.batteryminders.com）开始生产和销售适用于铅酸电池的充电和养护产品，并获得美国发明专利（US Patent 6184650，APPARATUS FOR CHARGING AND DESULFATING LEAD-ACIDBATTERIES）；2010年美国Pulse tech公司（https://www.pulsetech.net）的类似产品也获得美国发明专利（US Patent 7834592，CIRCUIT FOR GENERATING TRIANGULAR WAVEFORMHAVING RELATIVELY SHORT LINEAR RISE TIME AND SUBSTANTIALLY LONG LINEAR FALLTIME）；这些发明专利都是通过采用不同频率及不同的脉冲波形的高频脉冲作用于电池极板，使极板上的活性物质达到结构细密并尽量保持其最初完好的微观结构状态。
在目前广泛使用的锂离子电池领域，尚未有具备优化电池微观结构的充电方式和相应产品，通常是采用CC/CV方式充电，并通过电池均衡技术使整组电池的使用寿命尽量接近单格电池的使用寿命，但实际效果并不理想；特别是磷酸铁锂电池，单格电池的一致性问题比较突出，即使有均衡保护电路，电池充电过程各单格电池电压差也较大，往往需要比较长的充电时间才能达到各单格电池电压的一致。
关于优化电池微观结构和均衡各单格电池电压的基本思路：
初步实验证实，通过合理控制各单格电池电压，用于铅酸电池优化极板微观结构的高频脉冲充电技术同样也适用于其它类型的蓄电池。
对于由初始状况一致的单格电池组成的串联电池，当某一单格电池在充电过程电压异常增大时，如果在每次充电一段时间后停充一小段时间，比如充电时间为5～15秒、停充时间为充电时间的10%～30%，并且在停充时间段内，对该串联电池进行限流高频脉冲放电，比如放电电流为0.05C～0.1C，那么在同样的放电时间内，上述电压异常增大的单格电池放出的电量就多，这就可以促使其电压下降也大，这样有利于各单格电池的电压差减小；如果利用一个储能电感对该串联电池进行高频放电和反充控制，那么放出电量的一部分可以用于脉冲充电；如果控制放电和反充，在串联电池正极端产生锯齿状高频脉冲，则可以优化极板微观结构，对各单格电池均有正面优化效果。
针对12V或24V的铅酸蓄电池，由于其内部各单格电池没有均衡控制模块，上述低频脉冲充电加高频脉冲充放电的组合脉冲充电方法比普通充电方式可以减小各单格电池的电压差，并优化极板微观结构。
上述设想，经初步实验证实有非常好的效果；针对锂离子电池和超级电容，配合独立的电池均衡模块，比如简单实用的能量耗散式均衡模块，即可获得更好的均衡效果，且旁通电阻的发热量比其它充电方式明显减少。
发明内容
本发明公开了一种组合脉冲快速均衡充电控制系统及方法，具体内容包括：
1、一种组合脉冲快速均衡充电控制系统
组合脉冲快速均衡充电控制系统，包括直流电源(1)、组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)和串联电池(4)等；
组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)，包括低频脉冲充电开关(2)、高频脉冲同步开关(3)、充电控制取样电阻(5)、储能电感(6)、二极管(7)、控制单元(8)、高频脉冲放电开关(9)、放电控制取样电阻(10)、防反接二极管(11)及连接电路；
组合脉冲是指，一个低频充电脉冲和一个锯齿状兆赫级高频充放电脉冲的组合，旨在实现快速和辅助均衡充电，并优化电池极板微观结构；
直流电源(1)，包括专用电池充电器、太阳能充电电源、比被充电电池电压更高的蓄电池，或其它形式的直流电源；
控制单元(8)通过低频脉冲充电开关(2)，把直流电源(1)提供的直流电转变为低频充电脉冲，即在一段较长时间的充电阶段后停充一小段时间，并进一步通过高频脉冲同步开关(3)、储能电感(6)、高频脉冲放电开关(9)和放电控制取样电阻(10)，在上述停充的一小段时间，控制高频脉冲同步开关(3)和高频脉冲放电开关(9)同步高频接通和断开，并在其断开的瞬间，把储能电感(6)储存的能量经二极管(7)反馈到串联电池(4)正极，形成锯齿状兆赫级高频充放电脉冲，对串联电池(4)进行高频放电和反充控制；
控制单元(8)的外部接口包括接口(a)、(b)、(f)和(g)，信号输出端(c)、(d)和(e)，和公共接地端(h)；接口(a)连接直流电源(1)的正极端、接口(b)连接串联电池(4)的正极端、接口(f)连接串联电池(4)的负极和放电控制取样电阻(10)的电流取样端、接口(g)连接充电控制取样电阻(5)的电流取样端；输出端(c)用于控制低频脉冲充电开关(2)、输出端(d)用于控制高频脉冲同步开关(3)、输出端(e)用于控制高频脉冲放电开关(9)；
串联电池(4)类型包括钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池、卷绕铅酸电池、传统汽车启动电池或超级电容等。
低频脉冲充电是指，每次充电一段时间(AB)后停充一小段时间(BC)，比如充电时间为5～15秒，停充时间为充电时间的10%～30%；
锯齿状兆赫级高频脉冲的具体形态包括急升段(DE)、急降段(EF)、平台段(FG)和缓降段(GH)，脉冲频率为0.5～1.5MHz，且脉冲频率及脉冲形状依电池类型和充电状态自动变化。
低频脉冲充电开关(2)和高频脉冲同步开关(3)均为P沟道场效应管，高频脉冲放电开关(9)为N沟道场效应管；
低频脉冲充电开关(2)的源极连接直流电源(1)的正极、漏极连接高频脉冲同步开关(3)的漏极、栅极连接控制单元(8)的输出端(c)；高频脉冲同步开关(3)的源极连接串联电池(4)的正极、栅极连接控制单元(8)的输出端(d)；串联电池(4)的负极经充电控制取样电阻(5)接地；
储能电感(6)的一端连接低频脉冲充电开关(2)和高频脉冲同步开关(3)漏极，其另一端经正向偏置的二极管(7)连接串联电池(4)的正极，同时经高频脉冲放电开关(9)、放电控制取样电阻(10) 和防反接二极管(11)接地；高频脉冲放电开关(9)栅极连接控制单元(8)的输出端(e)。
控制单元(8)，由数字和/或模拟电路原件组成，包含稳压和分压电路原件、运算和驱动电路原件和多谐振荡电路原件等，并进一步形成限压限流控制电路、低频脉冲控制电路和高频脉冲控制电路；
控制单元(8)根据外部接口(a)、(b)、(f)、(g)和(h)的电压信号进行内部运算处理，通过输出端(c)、(d)和(e)输出驱动控制信号控制低频脉冲充电开关(2)、高频脉冲同步开关(3)和高频脉冲放电开关(9)。
组合脉冲快速均衡充电控制系统，还包括均衡控制模块(12)；利用均衡控制模块(12)对串联电池(4)进行独立均衡控制。
2、一种适用于组合脉冲快速均衡充电控制系统的控制方法
包括以下控制步骤：
步骤一、根据串联电池(4)的类型、额定电压和充电电流要求，选择限压限流参数和放电电流大小，以及低频充电脉冲充电及停充段的时间；
步骤二、接通直流电源(1)，通过组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)对串联电池(4)进行组合脉冲快速均衡充电控制，控制内容包括但不限于：
A、在组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)内通过控制低频脉冲充电开关(2)的导通和断开，使得每次充电一段时间(AB)后停充一小段时间(BC)，比如充电时间为5～15秒，停充时间为充电时间的10%～30%；
B、通过控制放电电流大小的方式，在上述停充时间段内，对串联电池(4)进行高频放电和反充控制，在串联电池(4)正极端产生锯齿状兆赫级高频充放电脉冲；锯齿状高频脉冲的具体形态包括急升段(DE)、急降段(EF)、平台段(FG)和缓降段(GH)，脉冲频率为0.5～1.5MHz，且脉冲频率及脉冲形状依电池类型和充电状态自动变化；
步骤三、以定时控制方式或当直流电源(1)停止供电时，结束低频脉冲充电和高频脉冲充放电。
前述美国Pulse tech公司和VDC Electronics公司的发明专利及相关产品已经证实，采用锯齿状高频脉冲对铅酸电池充电可以消除或减小极板的硫化、优化电池微观结构；本发明的控制装置和方法是在低频脉冲充电的停充时间内，利用电池的高频脉冲放电转化为兆赫级锯齿状高频脉冲再对电池充电，以此降低充电过程的极化和硫化现象，同时对内部各单格电池还具有一定的均衡效果。
本发明对锂电池和超级电容微观结构的影响程度，尚需进一步的实验研究；已经进行的多项实验，在充电结束测量各单格电池的内阻和电压发现，除了电压趋于一致的时间更快外，电池内阻均有所降低，说明本发明对锂电池和超级电容微观结构的影响也是正面的。另外，从锂电池内部充放电时极板上发生的锂离子“嵌入”和“脱嵌”机理分析，在充电过程中增加部分高频脉冲激励也有助于锂离子“嵌入”和“脱嵌”过程，这对快速充电非常有利。
附图说明
附图1为串联电池组合脉冲快速均衡充电控制系统电路结构简图。
附图2为一段直流加一小段兆赫级高频脉冲充放电的组合脉冲图。
附图3为锯齿状兆赫级高频脉冲的波形图。
如附图1所示，串联电池组合脉冲快速均衡充电系统，包括直流电源(1)、组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)和串联电池(4)；组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)，包括低频脉冲充电开关(2)、高频脉冲同步开关(3)、充电控制取样电阻(5)、储能电感(6)、二极管(7)、控制单元(8)、高频脉冲放电开关(9)、放电控制取样电阻(10)、防反接二极管(11)及连接电路；
低频脉冲充电开关(2)和高频脉冲同步开关(3)均为P沟道场效应管，高频脉冲放电开关(9)为N沟道场效应管；低频脉冲充电开关(2)的源极连接直流电源(1)的正极、漏极连接高频脉冲同步开关(3)的漏极、栅极连接控制单元(8)的输出端(c)；高频脉冲同步开关(3)的源极连接串联电池(4)的正极、栅极连接控制单元(8)的输出端(d)；串联电池(4)的负极经充电控制取样电阻(5)接地；储能电感(6)的一端连接低频脉冲充电开关(2)和高频脉冲同步开关(3)漏极，其另一端经正向偏置的二极管(7)连接串联电池(4)的正极，同时经高频脉冲放电开关(9)、放电控制取样电阻(10) 和防反接二极管(11)接地；高频脉冲放电开关(9)栅极连接控制单元(8)的输出端(e)。
如附图2所示，每次充电一段时间后停充一小段时间，充电阶段(AB)充电时间为5～15秒，停充段（BC）停充时间为充电时间的10%～30%；在停充时间对串联电池进行高频放电和反充控制，在串联电池正极端产生锯齿状兆赫级高频脉冲。
如附图3所示，锯齿状兆赫级高频脉冲的具体形态包括急升段(DE)、急降段(EF)、平台段(FG)和缓降段(GH)；脉冲频率为0.5～1.5MHz，脉冲频率及脉冲形状依电池类型和充电状态自动变化。
具体实施方式
实施例中，控制单元(8)采用模拟电路元器件制作，包括：以L7809稳压器为主组成的稳压和分压电路、以LM339比较器及LM324运放为主组成的运算和驱动电路,以及以555定时器为主组成的多谐振荡电路；稳压和分压电路从接口(a)输入电源电压并输出相关参考电压阈值；运算和驱动电路用于把接口(a)、(b)、(f)和(g)的电压信号与稳压和分压电路给出的相关参考电压阈值进行对比，输出驱动控制信号控制低频脉冲充电开关(2)、高频脉冲同步开关(3)和高频脉冲放电开关(9)。
实施例涉及的串联电池(4)用的单节电池包括：额定容量2.9AH的东芝钛酸锂电池、额定容量2.5AH～7AH的多款磷酸铁锂电池、额定容量5AH的日立牌三元锂电池和额定容量700F的QINFEN超级电容。
实验中所用的低频脉冲充电开关(2)、高频脉冲同步开关(3)为P沟道场效应管IRF4905；高频脉冲放电开关(9)为N沟道场效应管IRF540。
利用上述控制单元(8)、低频脉冲充电开关(2)、高频脉冲同步开关(3)和高频脉冲放电开关(9)等部件，制作了组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)，并分别针对多款串联电池和超级电容进行了充电实验，利用一个虚拟示波器测量串联电池充电电压波形，并利用万用表和交流内阻仪测量各电池电压和内阻。
在已通过初审的发明专利（车载组合电池智能供电电器系统及供电方法，申请号2018100152303）中涉及的电池种类包括钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池、卷绕铅酸电池、普通铅酸蓄电池和超级电容等，其中各类锂电池和超级电容均采用本发明的组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)结合简单的耗能式均衡模块进行了均衡充电实验；实验结果表明，与普通CC/CV充电方式相比，本发明的组合脉冲均衡快速充电，充电及均衡速度更快、且均衡过程旁通电阻发热量更少。
本发明中所出现的电池相关词语，如电池、启动电池、蓄电池、串联电池等，都是指可充电电池。
依据本发明所叙述的内容，具备一般电子电路和蓄电池知识的专业人员或业余爱好者很容易完成相关控制系统的设计和制作，且设计方案可以有许多种不同的形式；凡根据本发明或借鉴本发明所进行的一切设计和产品开发都在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种组合脉冲快速均衡充电控制系统，其特征在于：
所述组合脉冲快速均衡充电控制系统，包括但不限于直流电源(1)、组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)和串联电池(4)；
所述组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)，包括但不限于低频脉冲充电开关(2)、高频脉冲同步开关(3)、充电控制取样电阻(5)、储能电感(6)、二极管(7)、控制单元(8)、高频脉冲放电开关(9)、放电控制取样电阻(10)、防反接二极管(11)及连接电路；
所述组合脉冲是指，一个低频充电脉冲和一个锯齿状兆赫级高频充放电脉冲的组合，旨在实现快速和辅助均衡充电，并优化电池极板微观结构；
所述直流电源(1)，包括但不限于专用电池充电器、太阳能充电电源、比被充电电池电压更高的蓄电池，或其它形式的直流电源；
所述控制单元(8)，通过所述低频脉冲充电开关(2)，把所述直流电源(1)提供的直流电转变为低频充电脉冲，即在一段较长时间的充电阶段后停充一小段时间，并进一步通过高频脉冲同步开关(3)、储能电感(6)、高频脉冲放电开关(9)和放电控制取样电阻(10)，在上述停充的一小段时间，控制高频脉冲同步开关(3)和高频脉冲放电开关(9)同步高频接通和断开，在其断开的瞬间，利用所述储能电感(6)储存的能量经二极管(7)反馈到所述串联电池(4)正极，形成锯齿状兆赫级高频充放电脉冲，对所述串联电池(4)进行高频放电和反充控制；
所述控制单元(8)，外部接口包括但不限于：接口(a)、(b)、(f)和(g)，信号输出端(c)、(d)和(e)，和公共接地端(h)；接口(a)连接所述直流电源(1)的正极端、接口(b)连接所述串联电池(4)的正极端、接口(f)连接所述串联电池(4)的负极和所述放电控制取样电阻(10)的电流取样端、接口(g)连接所述充电控制取样电阻(5)的电流取样端；输出端(c)用于控制所述低频脉冲充电开关(2)、输出端(d)用于控制所述高频脉冲同步开关(3)、输出端(e)用于控制所述高频脉冲放电开关(9)；
所述串联电池(4)，电池类型包括但不限于：钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池、卷绕铅酸电池、传统汽车启动电池或超级电容。
2.根据权利要求1所述的组合脉冲快速均衡充电控制系统，其特征在于：
所述低频脉冲充电是指，每次充电一段时间(AB)后停充一小段时间(BC)，比如充电时间为5～15秒，停充时间为充电时间的10%～30%；
所述锯齿状高频脉冲的具体形态包括急升段(DE)、急降段(EF)、平台段(FG)和缓降段(GH)，脉冲频率为0.5～1.5MHz，且脉冲频率及脉冲形状依电池类型和充电状态自动变化。
3.根据权利要求1所述的组合脉冲快速均衡充电控制系统，其特征在于：
所述低频脉冲充电开关(2)和所述高频脉冲同步开关(3)均为P沟道场效应管，所述高频脉冲放电开关(9)为N沟道场效应管；
所述低频脉冲充电开关(2)的源极连接所述直流电源(1)的正极、漏极连接所述高频脉冲同步开关(3)的漏极、栅极连接所述控制单元(8)的输出端(c)；所述高频脉冲同步开关(3)的源极连接所述串联电池(4)的正极、栅极连接所述控制单元(8)的输出端(d)；所述串联电池(4)的负极经所述充电控制取样电阻(5)接地；
所述储能电感(6)的一端连接所述低频脉冲充电开关(2)和所述高频脉冲同步开关(3)漏极，其另一端经正向偏置的所述二极管(7)连接所述串联电池(4)的正极，同时经所述高频脉冲放电开关(9)、放电控制取样电阻(10) 和防反接二极管(11)接地；所述高频脉冲放电开关(9)栅极连接所述控制单元(8)的输出端(e)。
4.根据权利要求1所述的组合脉冲快速均衡充电控制系统，其特征在于：
所述控制单元(8)，由数字和/或模拟电路原件组成，包含稳压和分压电路原件、运算和驱动电路原件和多谐振荡电路原件等，并进一步形成限压限流控制电路、低频脉冲控制电路和高频脉冲控制电路；
所述控制单元(8)根据所述外部接口(a)、(b)、(f)、(g)和(h)的电压信号进行内部运算处理，通过输出端(c)、(d)和(e)输出驱动控制信号控制所述低频脉冲充电开关(2)、高频脉冲同步开关(3)和高频脉冲放电开关(9)。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的组合脉冲快速均衡充电控制系统，其特征在于：
所述组合脉冲快速均衡充电控制系统，还包括均衡控制模块(12)；利用所述均衡控制模块(12)对所述串联电池(4)进行独立均衡控制。
6.一种适用于所述组合脉冲快速均衡充电控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下控制步骤：
步骤一、根据所述串联电池(4)的类型、额定电压和充电电流要求，选择限压限流参数和放电电流大小，以及低频充电脉冲充电及停充段的时间；
步骤二、接通所述直流电源(1)，通过所述组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)对所述串联电池(4)进行组合脉冲快速均衡充电控制，控制内容包括但不限于：
A、在所述组合脉冲快速均衡充电控制装置(13)内通过控制所述低频脉冲充电开关(2)的导通和断开，使得每次充电一段时间(AB)后停充一小段时间(BC)，比如充电时间为5～15秒，停充时间为充电时间的10%～30%；
B、通过控制放电电流大小的方式，在上述停充时间段内，对所述串联电池(4)进行高频放电和反充控制，在所述串联电池(4)正极端产生锯齿状兆赫级高频充放电脉冲；所述锯齿状高频脉冲的具体形态包括急升段(DE)、急降段(EF)、平台段(FG)和缓降段(GH)，脉冲频率为0.5～1.5MHz，且脉冲频率及脉冲形状依电池类型和充电状态自动变化；
步骤三、以定时控制方式或当所述直流电源(1)停止供电时，结束低频脉冲充电和高频脉冲充放电。
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