CN109286233A - 充电装置和充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明技术方案公开了一种充电装置和充电系统，所述充电装置包括：交/直流转换单元、直流转换单元和控制单元；所述控制单元适于根据充电电池的状态获取匹配的充电参数，并依据所述充电参数从所述交/直流转换单元分配相应的功率至所述直流转换单元，所述充电参数包括充电电流；所述直流转换单元适于根据分配的功率输出充电电压和充电电流。本发明技术方案实现了直流分流功能，并输出与电池即时状态相匹配的充电参数，在充电过程中有效地保护了电池，延长了电池的使用寿命，避免了安全隐患。

Description

充电装置和充电系统

技术领域

本发明属于充电电池技术领域，具体涉及一种用于电池充电的充电装置和充电系统。

背景技术

锂电池作为一种新型电池，其以高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保等特点被广泛应用于电动自行车、电摩车以及能源车等领域。

现有的二轮三元锂电充电器，采用三段式充电模式(恒流、恒压、转换截止)，通过交直流转换后提供直流电流给充电电池，由于没有直流分流功能，通常只能针对单一电池进行充电，且只能提供固定的充电电流。

现阶段的电动自行车或电摩车用电池保护板绝大多数采用硬板控制保护，即电流、电压、温度、短路，极性保护、被动均衡，且采用固定参数的充电模式。以48V-12Ah三元锂电为例，传统最大充电电压为54.6V(13串*4.2V)，最大充电电流6A(0.5C)，涓流或截止充电电流为240mA(0.02C，根据不同电芯参数确定)。当电池包容量衰减到80％时，传统充电器仍以固定参数充电，造成了过充，无论电压、电流均高出电芯吸收值(最高充电电压应该有所下降，电子交换电流也随之下降)。因此，如果不对充电条件进行限制，则会对锂电池造成损伤，降低锂电池的使用寿命，严重的可能会导致危险的发生。

发明内容

本发明技术方案要解决的技术问题是现有的充电模式没有直流分流功能，且固定参数的充电模式容易损耗电池，甚至导致危险发生。

为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种充电装置，包括：交/直流转换单元、直流转换单元和控制单元；所述控制单元适于根据充电电池的状态获取匹配的充电参数，并依据所述充电参数从所述交/直流转换单元分配相应的功率至所述直流转换单元，所述充电参数包括充电电流，所述充电电池的状态包括电池的电压、电池的剩余电量、电芯的电压、电芯的内阻值、电芯的压差、电芯的表面温度、电芯是否存在短路和电芯是否存在极性反接中的至少一种；所述直流转换单元适于根据分配的功率输出充电电压和充电电流。

可选的，所述控制单元内嵌有数据库，适于储存与充电电池的状态相匹配的充电参数。

可选的，所述控制单元内置于所述直流转换单元中，或者，所述控制单元与所述直流转换单元集成在同一电路板上。

可选的，所述控制单元还适于在充电电池充满、电池状态异常或充电状态异常时控制所述直流转换单元停止输出。

可选的，所述充电装置包括多个直流转换单元，每个直流转换单元适于连接一个充电电池；所述控制单元适于根据直流转换单元连接的充电电池的状态获取匹配的充电参数，并依据所述充电参数从所述交/直流转换单元分配相应的功率至该直流转换单元。

为解决上述技术问题，本发明技术方案还提供一种充电系统，包括所述的充电装置和电池管理单元，所述电池管理单元适于检测所述充电电池的状态，并将所述充电电池的状态提供于所述控制单元。

可选的，所述充电系统还包括主控单元和云端；所述主控单元设置于所述充电装置中，适于将所述交/直流转换单元的功率分配状态和/或充电电池的状态发送至所述云端；所述云端适于根据所述交/直流转换单元的功率分配状态和/或充电电池的状态进行数据处理和分析，并将数据处理和分析结果反馈至所述主控单元。

可选的，所述主控单元还适于根据所述云端的反馈或指令控制从所述交/直流转换单元分配功率至各直流转换单元。

可选的，所述充电系统还包括：与所述云端通信连接的用户终端，适于输入用户需求或指令；所述云端还适于根据所述用户需求或指令生成控制指令，所述主控单元还适于根据所述控制指令控制从所述交/直流转换单元分配功率至所述直流转换单元。

可选的，所述控制单元通过串行接口与所述交/直流转换单元实现通信连接，所述控制单元通过串行接口与所述电池管理单元实现通信连接，所述主控单元与云端通过2G网络、3G网络、4G网络、WIFI或以太网实现通信连接。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：

现有的充电装置通过交直流转换后直接提供直流电流给充电电池，由于没有直流分流功能，无法根据实际需求分配合适的直流充电电流给充电电池。本发明技术方案利用控制单元控制从交/直流转换单元分配功率给直流转换单元，直流转换单元根据分配的功率输出相应的充电电压和充电电流，以此实现直流分流功能。因此，本发明技术方案实现了智能充电并提高了充电的适用性和灵活性。

本发明技术方案可依据对电池的剩余电量和健康指数调节充电输出参数，输出与电池即时状态相匹配的电压、电流参数，在充电过程中有效地保护了电池，延长了电池的使用寿命。另外，在电池状态不能进行充电的情况下还可强行关断充电输出，有效抑制由于过充(过流、过压)、欠充、温度、均衡、短路等隐患引起的事故发生。

附图说明

图1是本发明实施例的充电装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的充电装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的充电系统的结构示意图。

具体实施方式

现有的充电装置通过交直流转换后直接提供直流电流给充电电池，由于没有直流分流功能，无法根据实际需求分配合适的直流充电电流给充电电池。本发明技术方案利用控制单元控制从交/直流转换单元分配功率至直流转换单元，直流转换单元根据分配的功率输出相应的直流电流，以此实现直流分流功能。进一步，控制单元根据充电电池的状态控制从交/直流转换单元分配功率至直流转换单元，使直流转换单元输出与充电电池的状态匹配的充电电压和充电电流，以此实现充电过程中对充电电池的保护。

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细说明。

本发明实施例的充电装置如图1所示，包括：交/直流转换单元11、直流转换单元12和控制单元13；控制单元13适于根据充电电池的状态获取匹配的充电参数，并依据所述充电参数从所述交/直流转换单元11分配相应的功率至直流转换单元12，所述充电参数包括充电电流；直流转换单元12适于根据分配的功率输出充电电压和充电电流。

交/直流转换单元(AC/DC)11输入交流电，经AC/DC转换电路，输出恒功率直流电源。在本发明实施例中，输入交/直流转换单元11的交流为市电AC 220V，交/直流转换单元11输出的电压为DC 55V、功率为8000W。

直流转换单元(DC/DC)12与交/直流转换单元11连接，控制单元13根据充电电池的状态获取匹配的充电参数，并依据获取的充电参数(充电电压和充电电流)计算得到匹配的功率。交/直流转换单元11提供的直流电源经过直流转换单元12内部的DC/AC和AC/DC转换电路，由控制单元13控制将所述匹配的功率从交/直流转换单元11分配到直流转换单元12，直流转换单元12输出与电池的状态匹配的充电电压和充电电流。充电电压一般与充电电池的标称电压相适应，充电电流一般与充电电池的状态相匹配。

控制单元13通过串行接口与交/直流转换单元11实现通信连接。所述串行接口可以包括控制器局域网络(CAN，Controller Area Network)接口或RS485接口等，使用CAN通信协议或MQTT通信协议。控制单元13可以与直流转换单元12集成在同一电路板上，也就是可以由一块集成电路板实现直流转换单元和控制单元的功能，例如，控制单元13可以为控制芯片、直流转换单元12可以为直流转换芯片，控制芯片和直流转换芯片集成在同一电路板上，通过线路连接；或者，控制单元13与直流转换单元12也可以集成于同一芯片中，也就是可以由一个芯片实现直流转换单元和控制单元的功能。

所述充电电池的状态包括电池的电压、电池的剩余电量、电芯的电压、电芯的内阻值、电芯的压差、电芯的表面温度、电芯是否存在短路和电芯是否存在极性反接中的至少一种。所述充电电池为可充电锂电池。

具体地，充电电池也可称为电池组或电池包，电池包由多个电芯串联和并联组成。电池的电压是指电池包的总电压，电芯的电压是指每个电芯的电压，电芯的压差是指电压值最大的电芯与电压值最小的电芯的压差。充电电池的状态可以从电池管理单元(BMS)获取，电池管理单元具有检测电池的容量(SOC，State of Charge)、剩余电量和电池的健康指数(SOH，State of Health)的功能，电池的健康指数可以包括：电池的电压、电芯的电压、电芯的内阻值、电芯的压差、电芯的表面温度、电芯是否存在短路和电芯是否存在极性反接等。

通常，所述充电参数可以设置为对应于充电模式，所述充电模式可以包括：正常充电模式、快速充电模式和慢速充电模式。正常充电模式对应提供适于电池正常状态时的电流充电，快速充电模式对应提供大电流充电，慢速充电模式对应提供小电流充电。慢速充电模式还可以进一步包括一般慢速充电模式和维护性慢速充电模式，一般慢速充电模式对应提供固定的小电流充电，维护性慢速充电模式对应提供变化的小电流充电。

在本发明实施例中，所述控制单元内嵌有数据库，适于储存与充电电池的状态相匹配的充电参数。所述数据库是基于电池特性和电芯特性建立的，可以根据电池和电芯规格说明书录入电池的状态值和对应的充电电流值等，也可以根据实际经验录入电池的状态值和对应的充电电流值等。所述数据库可以由存储电路或存储芯片实现。

进一步，所述控制单元还适于在充电电池充满、电池状态异常或充电状态异常时控制所述直流转换单元停止输出。充电电池充满可以由电池管理单元检测确定。电池状态异常也可以由电池管理单元检测确定，通常指电池包或电芯故障，例如过压、过流、电芯短路、电芯极性反接、电芯温度异常(过低或过高)、电芯损坏、焊点脱落等。充电状态异常可以由充电装置自检确定，例如充电功率击穿、温度异常等。

因此，本发明实施例的充电装置可随电池的剩余电量，结合电池健康指数，根据电芯特性录入的数据库随时调节充电输出电流和电压，并结合电芯表面温度，调节充电输出参数。且当充电电池充满、电池包出现严重失效或充电装置异常时，自动关断输出，做到充电万无一失。

进一步，请参考图2所示的本发明实施例的充电装置，本实施例的充电装置包括多个直流转换单元12和多个控制单元13，控制单元13内置于直流转换单元12中，可以由一个芯片实现直流转换单元12和控制单元13的功能。每个直流转换单元12适于连接一个充电电池，控制单元13适于根据直流转换单元12连接的充电电池的状态获取匹配的充电参数，并依据所述充电参数从交/直流转换单元11分配相应的功率至该直流转换单元12。直流转换单元12适于根据分配的功率输出与其连接的充电电池的状态匹配的充电电压和充电电流。在实际应用中，所述充电装置也可称为充换电柜。在其它实施例中，也可以使用一个控制单元管理多个直流转换单元12，但实现较为复杂。

采用多个直流转换单元分配交/直流转换单元的输出电源，可以分别对多个电池进行充电，通过多端口功率实现直流分流，由此可以实现一电一管控，提高充电装置的适用性，无论是铁锂、三元或软包，都可以适用。

本发明实施例的充电系统如图3所示，所述充电系统包括上述的充电装置和电池管理单元21。电池管理单元21适于检测所述充电电池的状态，并将所述充电电池的状态提供于控制单元13。

本实施例中，充电系统包括多个电池管理单元21，所述电池管理单元21内置于充电电池22中，也就是充电系统能够对多个电池进行充电，且可独立控制电池充电。

电池管理单元21可以采用现有的电池保护板(BMS)，电池保护板可以精确读取电池电量信息，例如，电池的容量(SOC)，剩余电量(RM)、相对剩余电量百分比(RSOC)、电池和电芯的电压、电流、温度等电池相关的状态信息。当充电电池22与充电装置的一个直流转换单元12连接时，内置于充电电池22的电池管理单元21采集该充电电池的状态并发送至连接的直流转换单元12中的控制单元13，请求获得匹配的充电参数。控制单元13通过串行接口与电池管理单元21实现通信连接。所述串行接口可以例如为CAN接口或RS485接口等。

进一步，本发明实施例的充电系统还可以包括：适于发送交/直流转换单元的功率分配状态和/或充电电池的状态的主控单元31和适于接收交/直流转换单元的功率分配状态和/或充电电池的状态的云端41，主控单元31与云端41通信连接。

主控单元31设置于所述充电装置中，适于将交/直流转换单元11的功率分配状态和/或充电电池的状态发送至云端41。云端41即服务中心，适于根据所述交/直流转换单元的功率分配状态和/或充电电池的状态进行数据处理和分析，并将数据处理和分析结果反馈至所述主控单元。主控单元31还适于根据云端41的反馈或指令控制从交/直流转换单元11分配功率至各直流转换单元12。

主控单元31与云端41可以通过2G网络、3G网络、4G网络或WIFI等无线方式实现通信连接，也可以通过以太网等有线方式实现通信连接。

具体地，主控单元31可以将交/直流转换单元11的功率分配状态，如已分配多少功率、分配给哪个直流转换单元12等信息通过无线或有线方式传输至云端41，云端41的服务器可以计算交/直流转换单元11还剩余多少功率，反馈给主控单元31。当交/直流转换单元11的功率已分配完时，主控单元31可以控制充电装置不再对后续增加的充电电池进行充电，如通知电池管理单元21停止向控制单元13发送充电请求。主控单元31可以通过串行接口如CAN接口或RS485接口分别与交/直流转换单元11、控制单元13实现通信连接。

主控单元31可以将各充电电池的状态传输至云端41，云端41的服务器可以根据各充电电池的状态设置匹配的充电参数并反馈给主控单元31，主控单元31将与各充电电池的状态匹配的充电参数分别发送给对应的控制单元13，由各控制单元13从交/直流转换单元11分配功率至对应的直流转换单元12，以提供匹配的充电电压和充电电流给对应的充电电池。需要说明的是，充电电池的状态和反馈的充电参数也可以通过云端41与各控制单元13进行传输，但考虑到采用无线方式需要节省流量，则统一由主控单元31与云端41进行传输。

云端41还可以根据实际需求发送控制指令至主控单元31，控制指令可以包括对各充电电池的充电参数设置等，也就是说，可以通过云端41来控制充电装置对各电池进行充电，例如云端41控制充电装置采用浅充浅放的充电模式，可以大大提升电池寿命。

本发明实施例的充电系统还可以包括：与云端41通信连接的用户终端(未图示)，适于输入用户需求或指令。云端41还适于根据所述用户需求或指令生成控制指令，主控单元31还适于根据所述控制指令控制从交/直流转换单元11分配功率至直流转换单元12。

在实际应用中，云端41可以通过网络与多个充电装置通信连接，充电装置还可以包括定位单元，充电装置的主控单元31可以将充电装置的位置信息和ID信息发送给云端41。充电电池中也可以内置定位单元，并通过通信网络将充电电池的位置信息发送至云端41，电池管理单元21也可以将充电电池的状态发送至云端41。

另外，所述充电系统还可以包括：与控制单元13连接的触摸显示屏，适于输入用户需求或指令，以及显示充电电池的状态。也就是，充电装置可以设置输入单元和显示单元，例如触摸显示屏，可以通过触摸功能输入用户需求或指令，控制充电装置进行电池充电，也可以通过显示功能显示电池的充电状态等。

以下举几个应用场景实例。

在电动车行驶过程中，提示用户电池即将耗尽，用户通过用户终端例如手机上的APP或公众号向云端发送换电请求，云端接收到请求后，根据电动车的位置信息提供附近充换电点的位置信息给用户，用户根据位置信息到达附近充换电点，将已耗尽的电池更换为已被充换电柜充满的电池。已耗尽的电池可以接入充换电柜进行充电。

用户通过手机上的APP或公众号向云端发送预约换电请求，云端收到请求后，对用户指定位置的充换电柜发送控制指令，充换电柜根据电池状态对一个电池采取大电流充电(快速充电)，对其它电池则采用剩余功率均分充电。用户在预约时间到达充换电柜，采取大电流充电的电池已充满，用户取走已充满的电池。

云端针对用户通过手机上的APP或公众号发送的早晨换电的预约请求，控制指定的充换电柜在夜间采用定时预约充电保养模式，充分利用峰谷电费及定温放电需求，使电池包的电芯表面温度到早晨仍保持充电电能转换温度。

以上所述各单元可以分别集成在芯片或电路板上，或者相关联的单元可以集成在同一芯片或同一电路板上。

本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种充电装置，其特征在于，包括：交/直流转换单元、直流转换单元和控制单元；

所述控制单元适于根据充电电池的状态获取匹配的充电参数，并依据所述充电参数从所述交/直流转换单元分配相应的功率至所述直流转换单元，所述充电参数包括充电电流，所述充电电池的状态包括电池的电压、电池的剩余电量、电芯的电压、电芯的内阻值、电芯的压差、电芯的表面温度、电芯是否存在短路和电芯是否存在极性反接中的至少一种；

所述直流转换单元适于根据分配的功率输出充电电压和充电电流。

2.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述控制单元内嵌有数据库，适于储存与充电电池的状态相匹配的充电参数。

3.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述控制单元内置于所述直流转换单元中，或者，所述控制单元与所述直流转换单元集成在同一电路板上。

4.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述控制单元还适于在充电电池充满、电池状态异常或充电状态异常时控制所述直流转换单元停止输出。

5.如权利要求1至4任一项所述的充电装置，其特征在于，包括多个直流转换单元，每个直流转换单元适于连接一个充电电池；

所述控制单元适于根据直流转换单元连接的充电电池的状态获取匹配的充电参数，并依据所述充电参数从所述交/直流转换单元分配相应的功率至该直流转换单元。

6.一种充电系统，其特征在于，包括权利要求5所述的充电装置，还包括：电池管理单元，适于检测所述充电电池的状态，并将所述充电电池的状态提供于所述控制单元。

7.如权利要求6所述的充电系统，其特征在于，还包括主控单元和云端；

所述主控单元设置于所述充电装置中，适于将所述交/直流转换单元的功率分配状态和/或充电电池的状态发送至所述云端；

所述云端适于根据所述交/直流转换单元的功率分配状态和/或充电电池的状态进行数据处理和分析，并将数据处理和分析结果反馈至所述主控单元。

8.如权利要求6所述的充电系统，其特征在于，所述主控单元还适于根据所述云端的反馈或指令控制从所述交/直流转换单元分配功率至各直流转换单元。

9.如权利要求6所述的充电系统，其特征在于，还包括：与所述云端通信连接的用户终端，适于输入用户需求或指令；所述云端还适于根据所述用户需求或指令生成控制指令，所述主控单元还适于根据所述控制指令控制从所述交/直流转换单元分配功率至所述直流转换单元。

10.如权利要求6所述的充电系统，其特征在于，所述控制单元通过串行接口与所述交/直流转换单元实现通信连接，所述控制单元通过串行接口与所述电池管理单元实现通信连接，所述主控单元与云端通过2G网络、3G网络、4G网络、WIFI或以太网实现通信连接。