CN108288872B - 一种电流自适应的锂电池快速充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流自适应的锂电池快速充电装置，外部交流电经过AC/DC转换器变换为直流电，直流电经过DC/DC变换器调整电压后给电池充电；电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器、显示模块为控制器的外围电路分别与控制器相连，电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器分别检测锂电池的电流、电压、温度和已经使用过的循环次数；DC/DC变换器的控制信号来自于控制器，控制器通过检测电池状态，发出信号控制DC/DC变换器调整电压对电池充电，控制器中的信息通过显示模块传输给用户。本发明装置相比传统充电器，具有充电电流大、充电时间短、对软硬件要求较低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池充电技术领域，特别是涉及一种电流自适应的锂电池快速充电装置。
背景技术
随着锂电池的应用越来越广泛，人们对于锂电池系统的性能、安全等要求也越来越高。锂电池系统功率密度较低，其功率负荷不适合有较为剧烈的变化，所以实时检测锂电池的负荷状态对于负载变化较大的电动系统，具有重要的意义。在当前的应用中，锂电池充电器通常采用恒流－恒压方式，电池先按照一个固定的恒定电流值充电，等其电压上升到阈值之后以一个固定的恒压值充电，直到充电电流小于终止电流。这种充电器简单实用，为广大用户采用，但缺点是充电时间较长。伴随着锂电池供电的各种系统快速普及，人们对锂电池的充电效率也提出了更高的要求。
实际应用中，锂电池确实可以通过改进充电方式，缩短充电时间。专利“一种快速充电的装置和方法”(CN 105553036 A)介绍了一种使用脉冲方式充电的装置，能够快速给电池充电，但是此种充电方式对于电源要求较高，需求精确的大电流脉冲，提高了充电装置的成本和门槛。专利“一种锂离子电池长寿命快速充电方法”(CN 105932349 A)使用锂电池机理建模的方法，计算出锂电池能够承受的最大电流进行快速充电，但是此种方法模型复杂，计算量大，参数调整困难，比较适用于实验室研究使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流自适应的锂电池快速充电装置，该锂电池快速充电装置相比传统充电器，具有充电电流大、充电时间短、对软硬件要求较低的优点。
本发明所要求解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
一种电流自适应的锂电池快速充电装置，包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器、控制器、显示模块；外部交流电经过AC/DC转换器变换为直流电，直流电经过DC/DC变换器调整电压后给电池充电；电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器、显示模块为控制器的外围电路分别与控制器相连，电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器分别检测锂电池的电流、电压、温度和已经使用过的循环次数；DC/DC变换器的控制信号来自于控制器，控制器通过检测电池状态，发出信号控制DC/DC变换器调整电压对电池充电，控制器中的信息通过显示模块传输给用户。
进一步地，所述控制器为单片机或ARM或DSP。
进一步地，所述AC/DC转换器为整流桥电路。
进一步地，所述DC/DC变换器为Buck降压电路。
进一步地，所述电压传感器为A/D电压检测电路。
进一步地，所述温度传感器为贴片式铂电阻。
进一步地，所述显示模块为LCD模块。
进一步地，所述循环次数计数器为计数电路。
本发明的有益效果：一种电流自适应的锂电池快速充电装置，外部交流电经过AC/DC转换器变换为直流电，控制器通过检测电池状态，发出信号控制DC/DC变换器调整电压对电池充电，控制器中的信息通过显示模块传输给用户；该锂电池快速充电装置相比传统充电器，具有充电电流大、充电时间短、对软硬件要求较低的优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：
图1是本发明装置原理框图；
图2是本发明装置实施例示意图。
具体实施方式
为了使本发明技术方案的内容和优势更加清楚明了，下面结合附图对本发明进一步描述。
结合图1，一种电流自适应的锂电池快速充电装置，包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器、控制器、显示模块。外部交流电经过AC/DC转换器变换为直流电，直流电经过DC/DC变换器调整电压后给电池充电。电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器、显示模块为控制器的外围电路分别与控制器相连，电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器分别检测锂电池的电流、电压、温度和已经使用过的循环次数。DC/DC变换器的控制信号来自于控制器，控制器通过检测电池状态，发出信号控制DC/DC变换器调整电压对电池进行充电，控制器中的信息可以通过显示模块传输给用户。
锂电池在充电过程中，存在充电电流接受曲线，过低的充电电流没有充分释放电池的充电潜力，而超过此电流接受曲线限值的充电电流会对锂电池造成损害，所以，在锂电池充电时需要动态计算最大充电电流，达到快速充电又不伤害电池的目的。控制器根据电流传感器反馈的电流值调整DC/DC转换器的输出电压，使得充电电流达到最大充电电流IM。
最大充电电流IM的计算方法如下：
A读取电池初始最大充电电流I0，I0通常由电池厂家给出，其大小与电池容量和类型有关。
B计算电压修正系数αU，锂电池按照电压U高低通常可以分为低电压段(U＜UL)，中电压段(UL≤U＜UU)和高电压段(U＝UU)，其中UL为低压阈值，UU为高压阈值，因电池类型而异。锂电池在低电压段不适合大电流，需要以小电流预充电；在中电压段适合大电流充电；在高电压段进入恒压充电，电流随着电量(SOC)的增加不断减小。
其中：U为当前电压，SOCU为电池充电到电压UU时的电量；SOC为当前电量，取值在SOCU～100之间；βL为预充电系数，βLI0即为预充电电流值；βU为中止充电电流系数，βUI0即为终止充电电流值。
C计算电池循环容量衰减系数αH。
其中：j为电池当前循环次数；J为电池总循环次数。
D计算电池温度系数αW，温度的变化会影响锂电池的容量，因此αW是温度t的函数，可以在不同温度，把锂电池容量实验数据制成表格之后查表得到。
E计算锂电池当前最大充电电流IM。
IM＝I0×αU×αH×αW
结合图2，电流自适应的锂电池快速充电装置实施例示意图，AC/DC转换器主要作用是把220V交流电转换为稳定的直流电，通常为整流稳压电路，整流稳压电路可以是整流桥电路。DC/DC变换器作用为可以根据控制器的信号调整输出的充电电压，通常为脉宽调制(PWM)信号控制的降压(Buck)型电路。控制器是整个装置的计算控制中心模块，控制器可以是单片机或ARM或DSP等各种微控制器，在性能符合要求的情况下，通常选用成本较低的单片机。电压传感器的作用是把电池的端电压模拟信号转换为数字信号，传送给控制器，通常使用A/D转换器采集电压值，如果电池端电压与A/D转换器测量范围差距较大，可以在前端加上分压、放大电路，组合成A/D电压检测电路。电流传感器负责检测电池电流信号，如果电流较小，可以直接在电池回路中串入精密电阻测量；如果电流较大，则可以使用霍尔传感器或者使用分流器测量。温度传感器的作用是实施检测电池表面的温度，可以是接触式或者非接触式传感器，通常可以使用贴片式铂电阻。循环次数计数器用来计算电池已经使用过的循环次数，可以使用一个充放电截止电压触发的计数电路，或者用充放电曲线数据在控制器中直接计算。显示模块为LCD模块。
外部交流电经过整流桥变换为直流，直流电经过Buck降压电路调整电压后给电池充电。控制器选用单片机，单片机发出的PWM信号控制Buck降压电路。通过霍尔传感器和A/D电压检测电路检测电池电流和电压，温度传感器使用贴片式铂电阻；循环次数计数器为由充电饱和电压和放电截止电压触发的计数电路。单片机中的信息可以通过液晶(LCD)模块传输给用户。
单片机根据霍尔传感器反馈的电流值调整Buck降压电路的输出电压，使得充电电流达到最大充电电流IM。
最大充电电流IM的可由以下得到：
假设某型锂电池，出厂标称最大充电电流I0＝15A，预充电电流系数βL＝1/15，终止充电电流系数βU＝1/10，低压阈值UL＝2.5V，高压阈值UU＝4.2V，电池当前循环次数j＝500，总循环次数J＝1000，当前温度10℃，温度系数随温度变化如下表：
| 温度 | 温度系数α<sub>W</sub> |
| 20℃ | 1 |
| 10℃ | 0.97 |
| 0℃ | 0.92 |
| -10℃ | 0.87 |
电池处于充电过程中，当前电量SOC＝95，当前电压U＝UU，在充电至高压阈值时SOCU＝90，则其当前最大充电电流计算如下：
A读取初始I0＝15A。
B计算电量修正系数αU
C计算电池循环容量衰减系数αH
D查表得到电池温度系数αW＝0.97
E计算当前最大充电电流IM
IM＝I0×αU×αH×αW＝7.2A
本发明电流自适应的锂电池快速充电装置，外部交流电经过AC/DC转换器变换为直流电，控制器通过检测电池状态，发出信号控制DC/DC变换器调整电压对电池充电，控制器中的信息通过显示模块传输给用户；该锂电池快速充电装置相比传统充电器，具有充电电流大、充电时间短、对软硬件要求较低的优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种电流自适应的锂电池快速充电装置，其特征在于：包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器、控制器、显示模块；外部交流电经过AC/DC转换器变换为直流电，直流电经过DC/DC变换器调整电压后给电池充电；电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器、显示模块为控制器的外围电路分别与控制器相连，电流传感器、电压传感器、温度传感器、循环次数计数器分别检测锂电池的电流、电压、温度和已经使用过的循环次数；DC/DC变换器的控制信号来自于控制器，控制器通过检测电池状态，发出信号控制DC/DC变换器调整电压对电池充电，控制器中的信息通过显示模块传输给用户，
控制器根据电流传感器反馈的电流值调整DC/DC转换器的输出电压，使得充电电流达到最大充电电流IM，最大充电电流IM的计算方法如下：
A读取电池初始最大充电电流I0，
I0由电池厂家给出，其大小与电池容量和类型相关；
B计算电压修正系数αU，
其中：U为当前电压，UL为低压阈值，UU为高压阈值；
SOC为当前电量，取值在SOCU～100之间，SOCU为电池充电到电压UU时的电量；
βL为预充电系数，βU为中止充电电流系数；
C计算电池循环容量衰减系数αH，
其中：j为电池当前循环次数；J为电池总循环次数；
D计算电池温度系数αW，
αW是温度t的函数，通过查表得到；
E按照下式计算锂电池当前最大充电电流IM，
IM＝I0×αU×αH×αW。
2.按照权利要求1所述的一种电流自适应的锂电池快速充电装置，其特征在于：所述控制器为单片机或ARM或DSP。
3.按照权利要求1所述的一种电流自适应的锂电池快速充电装置，其特征在于：所述AC/DC转换器为整流桥电路。
4.按照权利要求1所述的一种电流自适应的锂电池快速充电装置，其特征在于：所述DC/DC变换器为Buck降压电路。
5.按照权利要求1所述的一种电流自适应的锂电池快速充电装置，其特征在于：所述电压传感器为A/D电压检测电路。
6.按照权利要求1所述的一种电流自适应的锂电池快速充电装置，其特征在于：所述温度传感器为贴片式铂电阻。
7.按照权利要求1所述的一种电流自适应的锂电池快速充电装置，其特征在于：所述显示模块为LCD模块。
8.按照权利要求1所述的一种电流自适应的锂电池快速充电装置，其特征在于：所述循环次数计数器为计数电路。
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