CN109756018A - 电池充电装置及电池充电方法 - Google Patents

电池充电装置及电池充电方法 Download PDF

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Abstract

一种电池充电装置及电池充电方法。电池充电装置包括充电电源、多个充电电路、多个电池、多个切换电路以及控制电路。控制电路被配置以基于充电电源的电流‑电压曲线确定充电电源的类型，并且控制电路控制切换电路的导通状态，在串联充电模式下，将充电电路与电池串联连接，且在均衡充电模式下，将充电电路与电池并联连接。

Description

电池充电装置及电池充电方法
技术领域
本发明涉及一种可充电电池，尤其涉及一种能够以串联充电模式及均衡充电模式对可充电电池进行充电的电池充电装置及电池充电方法。
背景技术
电池组在各种电子设备中作为能源储存设备使用，包括便携式电脑、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话以及照相机等。在设计电池充电的传统技术中，设计者必须使用专用高电压(HV)来炭化HV电池系统或者使用大量的低电压(LV)充电器来分别为电池系统中的每一个电池模块进行充电。另一方面，使用专用HV来为HV电池系统充电可能会受到不平衡的影响，长远来看会危及电池系统的使用寿命。此外，由于功率模块之间的差异，在最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT)中使用多个LV充电器多个电池模块的每一者进行充电，会导致最差的追踪精确度，或者会对具有不同电量的每一个电池模块单独充电。
因此，需要一种电池充电装置及电池充电方法，其能够在减轻电池不平衡并延长电池寿命的同时对电池快速充电。
发明内容
本发明是针对一种电池充电装置及一种电池充电方法，其能够在减轻电池不平衡的同时对电池快速充电，并且延长电池寿命。
根据本发明的实施例，提供一种电池充电装置，包括充电电源、多个充电电路、多个电池、多个切换电路以及控制电路。控制电路被配置以控制多个切换电路的导通状态，以通过充电规则对多个电池单独充电。
在根据本发明的一范例实施例中，控制电路改变充电电源的负载以改变充电电源的电流，以基于充电电源的电流-电压曲线确定充电电源的类型。
在根据本发明的一范例实施例中，控制电路基于电流-电压曲线确定充电电源是直流充电电源或可再生能源。
在根据本发明的一范例实施例中，响应于充电电源的所述电压不随充电电源的电流变化或者充电电源的电压的变化值不超出预设范围，控制电路确定充电电源是直流充电电源，以及响应于充电电源的电压随着充电电源的电流变化或者充电电源的电压的变化值超出预设范围，控制电路确定充电电源是可再生能源。
在根据本发明的一范例实施例中，充电规则是当多个电池的电力容量未达到预设电力容量，控制电路控制多个切换电路的导通状态以令电池充电装置进入串联充电模式，或者当多个电池的任一者的电力容量达到预设电力容量，控制电路控制多个切换电路的导通状态以令电池充电装置进入均衡充电模式。在串联充电模式中，多个充电电路及多个电池串联连接。在均衡充电模式中，第x个充电电路、第x个电池以及电性连接于第x个充电电路、第x个电池之间的第x个切换电路形成独立的电池单元，独立的电池单元接收充电电源的电力，其中x＝1～n，n为正整数。
根据本发明的实施例，提供一种电池充电方法，包括以下步骤：控制多个切换电路的导通状态，以通过充电规则对多个电池单独充电。
在根据本发明的一范例实施例中，电池充电方法包括步骤：改变充电电源的负载以改变充电电源的负载电流；检测负载电流及充电电源输出的电压；以及基于充电电源的电流-电压曲线确定充电电源的类型。
根据前述实施例，根据本公开的电池充电装置及电池充电方法可用于确定充电电源的类型及为充电电源确定适当的充电模式，由此在减少电池不平衡以及延长电池寿命的同时实现对充电电池快速充电的效果。
提供以下实施例以便于公开本发明。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1示出了依据本发明的一范例实施例的电池充电装置的示意图；
图2示出了依据本发明的一范例实施例的电池充电装置在串联充电模式中的示意图；
图3示出了依据本发明的一范例实施例的电池充电装置在均衡充电模式中的示意图；
图4示出了依据本发明的一范例实施例的根据充电电源的电压区分充电模式的流程图；
图5示出了可再生能源的功率-电压(P-V)曲线及电流-电压(I-V)曲线的示例；
图6示出了直流充电电源的功率-电流(P-I)曲线及电压-电流(V-I)曲线的示例；
图7示出了依据本发明的一范例实施例基于充电电源的电压的变化值确定充电模式的流程图。
附图标号说明
100、200、300：电池充电装置；
110、210、310：充电电源；
140、240、340：控制电路；
1～n：太阳能板；
122_1-122_n、222_1-222_n、322_1-322_n、322_x：充电电路；
132_1-132_n、232_1-232_n、332_1-332_n、332_x：电池；
SW1-SWn、SW_x：切换电路；
I_CHG：充电电流；
Cuv1：功率-电压(P-V)曲线；
Cuv2：电流-电压(I-V)曲线；
Cuv3：功率-电流(P-I)曲线；
Cuv4：电压-电流(V-I)曲线；
Ppv、Pdc：功率；
Ipv、Idc：电流；
Vdc：电压；
Vbat:电池电压；
Vmpp1、Vmpp2：最大功率点的电压；
Vuvp:预设电压；
Vth:阈值；
步骤402～412、步骤702～712。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1示出了依据本发明的一范例实施例的电池充电装置100的示意图。电池充电装置100包括充电电源110、多个充电电路122_1-122_n、多个电池132_1-132_n、多个切换电路SW1-SWn以及控制电路140。充电电源110被配置以供应充电电力(能源)至多个充电电路122_1-122_n以对多个电池132_1-132_n进行充电。在图1中，充电电源110为包括多个可再生能源(例如，太阳能电池)的太阳能板1～n。然而，本发明不限于此。充电电源110可以是其他能源，例如风力涡轮能源、燃料电池、后备电池、由电网或者电力供电的电源转换器、或一个或多个电源的组合。并且，本发明不限制太阳能板的数量。
充电电路122_1-122_n电性连接于充电电源110且被配置为将从充电电源110接收的电能转换为适用于对电池132_1-132_n进行充电的电能。举例来说，太阳能板1～n并联连接，太阳能板1具有第一输出端子及第二输出端子，太阳能板1的第一输出端子电性连接于充电电路122_1-122_n的第一输入端子以及太阳能板2-n的第一输出端子，太阳能板1的第二输出端子电性连接于充电电路122_1-122_n的第二输入端子以及太阳能板2-n的第二输出端子。相邻的充电电路以串联方式电性连接，例如，充电电路122_1的第二输出端子电性连接于充电电路122_2的第一输出端子，充电电路122_2的第二输出端子电性连接于充电电路122_3的第一输出端子。电池132_1-132_n以串联方式电性连接。
在本发明的一范例实施例中，充电电路122_1-122_n可以实施最大功率点追踪(MPPT)算法以优化充电电源(例如，太阳能板)及电池或公用电网之间的匹配，从而不仅最大化充电效率，而且获得最大化充电电源(例如，太阳能板)的电能。由于MPPT算法是本技术领域公知的，在此省略对MPPT充电器的详细描述。可以理解的是，充电电路122_1-122_n不限于实施MPPT算法，也可以根据充电电源的类型(例如，太阳能、风能、直流电源等)以及所需要求设计充电电路122_1-122_n。
电池132_1-132_n通过切换电路SW1-SWn电性连接于充电电路122_1-122_n。详细地说，充电电路122_1-122_n中的每一者的输出端子电性连接于对应的电池，并且充电电路122_1-122_n中的每一者的另一输出端子通过对应的切换电路SW1-SWn以及相邻充电电路的其中一个输出端子电性连接于对应的电池。切换电路SW1-SWn中的每一者具有第一端子、第二端子及控制端子，第一端子电性连接于充电电路122_1-122_n的其中一个，第二端子电性连接于电池132_1-132_n的其中一个，以及控制端子电性连接于控制电路140以接收控制信号S。切换电路SW1-SWn根据控制信号S切换导通或关闭，以将电池132_1-132_n与充电电路122_1-122_n电性连接或断开连接。切换电路SW1-SWn可以是继电器、断路器、MOSFET、IGBT等，但本发明不限于此。
控制电路140被配置以控制切换电路的导通状态，以通过充电规则对电池单独充电。举例而言，控制电路140控制切换电路SW1-SWn的导通状态以改变充电电源110的负载以改变充电电源110的电流。控制电路140控制对电池充电的充电规则可以是，例如，控制切换电路SW1-SWn的导通状态以将充电电路122_1-122_n与电池132_1-132_n以串联方式电性连接(在串联充电模式中)或者控制切换电路SW1-SWn的导通状态以将充电电路122_1-122_n与电池132_1-132_n以并联方式电性连接(在均衡充电模式中)。
控制电路140更进一步被配置以基于充电电源110的电流-电压曲线确定充电电源110的类型。在本发明的一范例实施例中，控制电路140可以获取充电电源110的电流及电压，以及确定充电电源110的电压是否随着充电电源110的电流变化而变化。当充电电源110的电压随着充电电源110的电流变化而变化时，控制电路140确定充电电源110是绿色充电电源或可再生充电电源(例如，可再生能源)。当充电电源110的电压不随着充电电源110的电流变化而变化时，控制电路140识别出充电电源110是直流电源。值得注意的是，可再生充电电源不限于太阳能电池，可以是其他的可再生充电电源，例如风力涡轮、生物质、地热、水电、波浪及潮汐等。
在本发明的另一范例实施例中，控制电路140基于充电电源110的电压变化确定充电电源110的类型。具体地，控制电路140可以确定充电电源110的电压的变化值是否超过预设值或预设范围。当充电电源110的电压的变化值超出预设值或预设范围，控制电路140确定充电电源110是可再生电源例如是太阳能电池。当充电电源110的电压的变化值未超出预设值或预设范围，控制电路140确定充电电源110是直流充电电源。
电池充电装置包括多个电池管理系统(battery management systems,BMS),电池管理系统电性连接于切换电路SW1-SWn与电池132_1-132_n之间。BMS被配置以监控电池的状态，保护电池不在安全工作范围之外工作，并控制电池的充电状态。监控电池的状态包括电压、电流、温度、充电状态以及电池的健康状态，但本发明不限于此。
在本发明的一范例实施例中，控制电路140集成于充电电路122_1-122_n或电池132_1-132_n的电池管理系统中。在另一范例实施例中，控制电路140与充电电路122_1-122_n及电池132_1-132_n分离设置。
控制电路140可以包括单个处理器或多个处理器，本发明不限制处理器的数量。在本范例实施例中，例如，控制电路140可以是微处理单元(micro-controller unit，MCU)、中央处理器单元(central processing unit，CPU)或其他处理器、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)、可编程控制器(programmable controller)、专用集成电路(application specific integrated circuits，ASIC)、可编程逻辑器件(programmablelogic device，PLD)或其他类似器件。
图2示出了依据本发明的一范例实施例的电池充电装置200在串联充电模式中的示意图。图2中电池充电装置200与图1中电池充电装置100的结构相同。因此，在此省略一些构件的具体描述(充电电源210、充电电路222_1-222_n、电池232_1-232_n以及控制电路240)。
在图2中，电池充电装置200以串联充电模式工作，其中控制电路240切断切换电路SW1-SWn，以令充电电路222_1-222_n与电池232_1-232_n以串联方式电性连接。这样，所有的电池232_1-232_n都以相同的充电电流I_CHG进行充电。在本发明的一范例实施例中，当电池232_1-232_n的电力容量低(例如电池232_1-232_n的电力容量未达到预设电力容量)时，激活串联充电模式以尽可能地对串联的电池232_1-232_n进行充电而不需要担心不平衡，直至电池232_1-232_n的电压到达翻转点。当电池232_1-232_n的任一个的电力容量达到翻转点时，电池充电装置从串联充电模式切换至均衡充电模式。
图3示出了电池充电装置300在均衡充电模式中的示意图。值得注意的是，图3中所示电池充电装置300的组件与图1所示电池充电装置100的组件相似，因此，在此省略对电池充电装置300的组件(充电电源310、充电电路322_1-322_n、电池332_1-332_n以及控制电路340)的详述。
图3中，电池充电装置300在均衡充电模式中工作，其中控制电路340接通切换电路SW1-SWn以令充电电路322_1-322_n以并联方式电性连接至电池332_1-332_n。如此，充电电路322_1-322_n中的每一充电电路单独对电池332_1-332_n的每一者进行充电(即充电电路322_x、电池332_x以及电性连接于充电电路322_x与电池332_x之间的切换电路SW_x形成独立的电池单元，并从对应的充电电源(例如太阳能板x)接收电力，(x为1至n的其中一个正整数))。这样，确保电源管理单元设置基本上相同的目标电压电平对电池332_1-332_n进行充电。
如图3所示的实施例，当切换电路SW1-SWn在均衡充电模式下导通(闭合状态)时，太阳能板1配置以经由充电电路322_1对电池332_1充电，太阳能板2配置以经由充电电路322_2对电池332_2充电，以及太阳能板3配置以经由充电电路322_3对电池332_3充电，其余通过类比可以推知。当电池332_1-332_n中的任一者完全充电(例如电池332_1-332_n中的任一者的电力容量大于或等于目标电压电平)，充电过程结束。这样可以显著延长电池的寿命，减少不平衡，并且延长电池的使用寿命。
图4示出了依据本发明的一范例实施例的基于充电电源的电压的变化值区分充电模式的流程图。请参照图1及图4，在步骤402中，系统启动之后，控制电路140以特定模式改变充电电源110的负载电流，并且检测充电电源110的输出电压。举例来说，特定模式也就是说用户可以自适应地改变充电电源的负载以动态增加或减少充电电源110的负载电流(步骤404)，并且检测充电电源的电压输出(步骤406)。充电电源110的负载电流可以以任一预定的方式通过改变充电电源的负载来改变，本发明的范围并不限于此。
通过执行负载电流的特定模式，控制电路140基于充电电源的电流_电压曲线确定充电电源的类型(步骤408)。举例而言，可再生充电电源(例如，太阳能电池)的电压随着负载电流的变化而显著变化，并且直流充电电源的电压随着负载电流的变化不变化或者微小变化。如此，可以根据充电电源的电压的变化值来确定充电电源的类型(例如，直流充电电源或者可再生充电电源)。
举例来说，在步骤408中，控制电路140通过识别充电电源110的输出电压的变化值是否大于阈值来确定充电电源110的电压是否显著变化。如果充电电源110的输出电压的变化值大于阈值，可以确定充电电源110是绿色/可再生充电电源(步骤410)，并且因此MPPT算法可以用于优化绿色/可再生充电电源的能量收集。
此外，如果充电电源110的输出电压的变化值是很微小，也就是说，充电电源110的输出电压的变化值不大于阈值，充电电源110被识别为稳定电源(步骤412)，例如，直流电源。选择适当的充电模式与适当的充电控制方法来对电池进行充电。使用稳定电源对电池进行充电，例如可以选择恒定电流(constant current，CC)模式、恒定电压(constantvoltage，CV)模式以及恒定功率(constant power，CP)模式。
图5示出了可再生能源的功率-电压(P-V)曲线Cuv1及电流-电压(I-V)曲线Cuv2的示例。请参照图5，当可再生充电电源的电压V增加，可再生充电电源的功率Ppv随着电压V的增加而变化。特别是，当可再生充电电源的电压V小于最大功率点的电压Vmpp1(例如17.6V)时，可再生充电电源的功率Ppv随着电压V的增加而增加，并且当可再生充电电源的电压V不小于最大功率点的电压Vmpp1时，可再生充电电源的功率Ppv随着电压V的增加而减少。当电压V小于最大功率点的电压Vmpp2(例如14V)时，可再生充电电源的电流Ipv保持不变，并且当可再生充电电源的电压V不小于最大功率点的电压Vmpp2时，可再生充电电源的电流Ipv随着电压V的增加而减少。换句话说，可再生充电电源的功率Ppv随着可再生充电电源的电压V的变化而变化，并且绿色充电电源的电流Ipv随着可再生充电电源的电压V变为等于或大于最大功率点的电压而变化。
图6示出了直流充电电源的功率-电流(P-I)曲线Cuv3及电压-电流(V-I)曲线Cuv4的示例。请参照图6，当直流充电电源的电流Idc增加时，直流充电电源的功率Pdc也增加，而直流充电电源的电压Vdc保持不变。换句话说，直流充电电源的电流Idc是独立的，与直流充电电源的电压Vdc不相关。
基于图5中可再生充电电源的特性曲线以及图6中直流充电电源的特性曲线，电池充电装置基于充电电源的电流-电压曲线确定电源(例如，可再生充电电源或者直流充电电源)的类型。特别是，响应于充电电源的电流的变化，若充电电源的电压基本上保持不变，则充电电源是直流充电电源。相反地，响应于充电电源的电流的变化，若充电电源的电压显著变化，则充电电源是可再生充电电源。在确定充电电源的类型时，根据相应的充电方式实施与确定类型的充电电源相适应的充电算法。
另外，需要说明的是，当充电电源110是绿色/可再生充电电源或直流充电电源时，根据电池的电力容量应用充电规则(例如，串联充电模式以及均衡充电模式)于电池上。举例而言，图7示出了依据本发明的一范例实施例基于充电电源的电压的变化值确定充电模式的流程图。请参考图1及图7，在系统启动之后，控制电路140检测电池的电池电压Vbat(步骤702至704)。在步骤706中，控制电路140将每一个电池的电池电压Vbat与预设电压Vuvp比较，以判断电池电压是否大于或等于预设电压Vuvp。如果任一个电池的电池电压Vbat大于预设电压Vuvp，则不触发串联充电模式。如果任一个电池的电池电压Vbat小于或等于预设电压Vuvp，启动串联充电模式对电池快速充电，直至电池电压Vbat达到阈值Vth(步骤708及710)，并且当充电电源110是绿色/可再生充电电源时，根据串联充电模式下的充电电流(例如，图2中的充电电流I_CHG)实施MPPT算法来收集充电电源的大部分电能。当电池电压Vbat达到阈值Vth时，充电模式从串联充电模式切换至均衡充电模式(步骤712)，并且在均衡充电模式下对电池充电，直至充电过程结束(电池充满电)。
总之，在本发明的范例实施例中，可以控制切换电路的导通状态以令电池充电装置进入不同的充电模式，例如串联充电模式以及均衡充电模式。此外，可以根据充电电源的电流-电压曲线确定充电电源(例如，直流充电电源或可再生能源)的类型，并且可以根据充电电源的类型以及电池的电力容量应用适当的充电模式与适当的充电算法。因此，本发明可以在减少电池不平衡及延长电池寿命的同时，达到对电池快速充电的效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种电池充电装置，其特征在于，包括：
充电电源；
多个充电电路，所述多个充电电路与所述充电电源电性连接；
多个电池；
多个切换电路，所述多个切换电路电性连接于所述多个充电电路与所述多个电池之间；以及
控制电路，所述控制电路电性连接于所述多个切换电路，控制所述多个切换电路的导通状态，以通过充电规则对所述多个电池单独充电。
2.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述控制电路改变所述充电电源的负载以改变所述充电电源的电流，以基于所述充电电源的电流-电压曲线确定所述充电电源的类型。
3.根据权利要求2所述的电池充电装置，其特征在于，所述控制电路基于所述电流-电压曲线确定所述充电电源是直流充电电源或可再生能源。
4.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，当所述充电电源的电压不随所述充电电源的电流变化或者所述充电电源的电压的所述变化值不超出预设范围，所述控制电路确定所述充电电源是直流充电电源，以及当所述充电电源的电压随着所述充电电源的电流变化或者所述充电电源的所述电压的变化值超出所述预设范围，所述控制电路确定所述充电电源是可再生能源。
5.根据权利要求1所述的电池充电装置，其特征在于，所述充电规则是当所述多个电池的电力容量未达到预设电力容量，所述控制电路控制所述多个切换电路的导通状态以令所述电池充电装置进入串联充电模式，或者当所述多个电池的任一者的电力容量达到所述预设电力容量，所述控制电路控制所述多个切换电路的导通状态以令所述电池充电装置进入均衡充电模式，其中所述多个充电电路及所述多个电池在所述串联充电模式中串联连接，以及第x个充电电路、第x个电池以及电性连接于所述第x个充电电路、所述第x个电池之间的第x个切换电路形成独立的电池单元，所述独立的电池单元在均衡充电模式中接收对应于其中一个充电电源的电力，其中x＝1～n，n为正整数。
6.根据权利要求5所述的电池充电装置，其特征在于，所述多个充电电路在所述串联充电模式中执行最大功率点追踪。
7.根据权利要求5所述的电池充电装置，其特征在于，所述控制电路集成于所述多个充电电路或所述多个电池的电池管理系统。
8.一种电池充电装置的电池充电方法，其特征在于，所述电池充电装置包括充电电源、多个充电电路、多个电池以及电性连接于所述多个充电电路与所述多个电池之间的多个切换电路，所述电池充电装置的电池充电方法包括：
控制所述多个切换电路的导通状态，以通过充电规则对所述多个电池单独充电。
9.根据权利要求8所述的电池充电方法，其特征在于，还包括：
改变所述充电电源的负载以动态地增加或减少所述充电电源的负载电流；
检测所述负载电流及所述充电电源输出的电压；以及
以基于所述充电电源的电流-电压曲线确定所述充电电源的类型。
10.根据权利要求9所述的电池充电方法，其特征在于，还包括：
基于所述电流-电压曲线确定所述充电电源是直流充电电源或可再生能源。
11.根据权利要求8所述的电池充电方法，其特征在于，还包括：
当所述充电电源的电压不随所述充电电源的电流变化或者所述充电电源的电压的变化值不超出预设范围，将所述充电电源确定为直流充电电源；以及
当所述充电电源的电压随着所述充电电源的电流变化或者所述充电电源的所述电压的变化值超出所述预设范围，将所述充电电源确定为可再生能源。
12.根据权利要求8所述的电池充电方法，其特征在于，还包括：
当所述多个电池的电力容量未达到预设电力容量，控制所述多个切换电路的导通状态以令所述电池充电装置进入串联充电模式；以及
当所述多个电池的任一者的电力容量达到所述预设电力容量，控制所述多个切换电路的导通状态以令所述电池充电装置进入均衡充电模式，其中所述多个充电电路及所述多个电池在所述串联充电模式中串联连接，以及第x个充电电路、第x个电池以及电性连接于所述第x个充电电路、所述第x个电池之间的第x个切换电路形成独立的电池单元，所述独立的电池单元在均衡充电模式中接收对应于其中一个充电电源的电力，其中x＝1～n，n为正整数。
13.根据权利要求12所述的电池充电方法，其特征在于，所述多个充电电路在所述串联充电模式中执行最大功率点追踪。
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