CN109873471A - 一种电池充电电路及充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池充电电路及充电方法，其中电路包括充电功率电路、充电控制单元、电池管理系统；所述电池管理系统用于采集电池的端电压数据并通过通信接口与充电控制单元连接，所述充电控制单元根据电池端电压信息来发出控制信号至充电功率电路，所述充电功率电路根据控制信号输出多种充电模式为电池充电。本发明的优点在于：采用实时监控端电压的方式来控制充电机输出不同的充电模式，使得充电过程分别经历小电流充电、脉冲充电以及恒压充电阶段，这种根据端电压不同采用不同充电模式的充电方法，可以在快速充电过程中更好的保护电池以提高使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电领域，特别涉及一种充电电路及充电方法。
背景技术
锂电池由于能量密度大、重量轻、无记忆效应、绿色环保等优势而在各个领域得到了广泛应用；尤其是在电动汽车、风光储能等国家重点扶持的新能源领域，锂电因其自身的技术优势和产业链成熟，已成为当仁不让的首选。
充电技术是锂电应用的关键技术，科学合理的充电方法可以加快充电速度，提高充电效率，减轻电池损伤以及延长电池使用寿命。在充电过程中，如果充电电流过大，电池内部会发生析气反应，温度迅速升高，加快电池老化；同时电池表面会出现膨胀变形，严重时甚至导致爆炸。而如果充电电流过小，电池充电速度将会很慢，充电效率过低。因此在充电技术的设计上应同时兼顾安全与效率这两方面因素。
目前主流的锂电池充电方法为恒流恒压充电法，即将整个充电过程分为恒流充电和恒压充电两个阶段，在电池接通充电机后采用某一恒定电流对电池进行充电，此时电池端电压将持续升高，当达到上限电压(锂离子电池一般为4.2V左右)时，恒流充电结束，此时电池已经充进约80％的电量。第二阶段充电机以恒定电压对电池进行充电，充电电流将逐渐减小，当其下降到0.1C～0.05C时，认为电池充满，充电结束。这种充电方法的优点是充电机结构简单，控制方便；不足之处是没有消除电池的极化现象，充电速度较慢，不适合快速充电。
目前常用的快速充电方法为脉冲充电法，即先用一定的脉冲大电流对电池进行充电，接着让电池停充一定时间，然后对电池进行瞬间大电流放电，然后再停充一段时间，如此循环直至充满。脉冲充电的间歇期能够使电池大电流充电过程中产生的氧气和氢气重新化合掉，从而大大减少了充电过程的析气量；而放电脉冲能极大的消除充电过程中的极化现象，使电池能够吸收更多的电量，从而提高了充电效率。这种充电方式的缺点是由于充电电流很大，会造成电池温度的快速上升；同时大电流导致电池内部反应过于激烈，不利于电池寿命的维护。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种充电电路及充电方法，通过对现有技术的充电方式进行改进以满足充电过程对于安全、效率的要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电池充电电路，包括充电功率电路、充电控制单元、电池管理系统，所述电池管理系统用于采集电池的端电压数据并通过通信接口与充电控制单元连接，所述充电控制单元根据电池端电压信息来发出控制信号至充电功率电路，所述充电功率电路根据控制信号输出多种充电模式为电池充电。
所述充电功率电路根据充电控制单元的控制信号为电池充电，包括三种模式：小电流充电、脉冲充电、恒压充电。
充电控制单元根据预设电压阈值来控制充电采用的模式。
所述充电控制单元分别连接温度传感器、电压传感器、电流传感器，所述温度传感器、电压传感器、电流传感器分别用于采集充电功率电路的温度、电压、电流信号。
所述充电控制单元与显示模块连接。
所述充电功率电路包括初级整流电路、DC/DC变换电路、输出整流电路；所述DC/DC变换电路包括桥式逆变器、LLCC滤波电路。
一种电池充电电路的充电方法，包括如下步骤，
电池数据采集步骤：通过电池管理系统实时采集电池的端电压数据；
充电模式切换控制步骤：根据电池端电压数据与预设的电压阈值范围进行比较，控制电池的充电模式，设置的电压阈值包括V1、V2，其中V2>V1，当端电压小于V1时，采用小电流恒流充电模式对电池进行充电；当端电压在V1～V2之间时，采用大电流脉冲充电模式对电池进行充电，当端电压大于电压阈值V2时，采用恒压充电模式为电池充电至满电状态。
在大电流脉冲充电模式中，充电电流脉冲的占空比逐渐减小。
预先设定电池端电压和电流占空比对应表，并存储于充电控制单元的内存中，根据实时采集的电池端电压控制充电功率电路输出的脉冲电流的占空比。
本发明的优点在于：采用实时监控端电压的方式来控制充电机输出不同的充电模式，使得充电过程分别经历小电流充电、脉冲充电、恒压充电，这种根据端电压不同进行不同的充电模式，可以在充电过程中更好的保护电池以提高寿命；在脉冲充电过程中充电电流脉冲的占空比逐渐减小，使得充电电流的有效值逼近电池的最佳充电曲线，减弱了电池内部反应，避免了大电流充电造成的温升过快问题。通过在充电过程中采用多种充电模式混合充电，可以加快充电速度，提高充电效率，减轻电池损伤以及延长电池使用寿命。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明充电电路原理图；
图2为本发明三种充电方式的电流波形示意图；
图3为本发明充电功率电路的结构原理图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，一种电池充电电路，包括充电功率电路、充电控制单元、电池管理系统BMS，电池管理系统作为锂电池组的管理系统对锂电池的各项数据进行采集，包括端电压、温度、soc等。电池管理系统采集的电池端电压数据通过通信接口与充电控制单元连接，通讯接口可以采用485接口总线或其它通讯总线电路，充电控制单元采用STM32系统微控制器实现。充电控制单元根据电池端电压信息来发出控制信号至充电功率电路，充电功率电路根据控制信号输出多种充电模式为电池充电。根据充电功率电路的输出不同使得为电池的充电模式不同。外部的市电通过充电功率电路进行调节后输出不同的电压电流以对应不同的充电模式，其中充电模式包括三种模式：小电流充电模式、脉冲充电模式、恒压充电模式。
充电控制单元根据预设电压阈值来控制充电采用的模式。设置电压阈值包括V1、V2，其中V2>V1，当端电压小于V1时，此时端电压极低，说明电量极低，采用小电流恒流充电模式对电池进行充电，通过充电控制单元发出的占空比信号来控制功率电路中的开关管导通时间来控制输出功率为小电流，采用小电流对电池充电到一定的电量，此时对应的端电压为V1。当端电压在V1～V2之间时，采用大电流脉冲充电模式对电池进行充电。在电池电量达到一定值时，可以直接采用大电流快速充电，故而此时采用大电流脉冲充电模式，通过控制功率电路的输出来实现大电流脉冲电路的输出，此阶段可以快速充电达到端电压V2对应的电量，当端电压大于电压阈值V2时，采用恒压充电模式为电池充电至满电状态。
充电功率电路包括初级整流电路、DC/DC变换电路、输出整流电路。DC/DC变换电路包括桥式逆变器与LLCC滤波电路。其连接关系为市电通过初级整流电路送入到桥式逆变器中，然后通过LLCC滤波电路后再通过输出整流电路输出相应的充电功率。在控制功率电路处于不同的充电模式时，STM32微控制器通过控制单元中预设的控制程序来控制逆变器中四个开关管的导通时间来控制输出波形，从而实现不同的充电模式。小电流充电、大电流脉冲充电、恒压充电三个过程中均有控制单元输出对应的控制信号以控制功率单元输出对应的充电功率。
充电控制单元分别连接温度传感器、电压传感器、电流传感器。温度传感器、电压传感器、电流传感器分别用于采集充电功率电路的温度、电压、电流信号。充电控制单元在充电过程中需要实时监控功率单元的充电状态，通过电压、电流采集来计算功率单元的输出是否达到要求的充电模式；通过温度传感器来监控充电过程中功率单元的发热情况。充电控制单元控制显示模块显示相关充电数据。
一种电池充电电路的充电方法，包括如下步骤，
电池数据采集步骤：通过电池管理系统实时采集电池的端电压数据；
充电模式切换控制步骤：根据待充电电池端电压的不同来控制充电功率单元的输出，进而控制电池处于不同的充电模式，具体包括：
电池端电压可以反映出电池的剩余电量，当电池电压过低时，采用小电流恒流充电模式，当电池电量大于一定值时采用大电流脉冲充电模式；快速充电，且充电达到快接近充满时，采用恒压充电。电量的设置可以自行设置或根据电池的具体参数做调整，删除，以低电压对应电量10％为例，快充满电时对应电量80％为例，设置电压阈值包括V1、V2，V1表示电量为满电量10％对应的端电压，V2为满电量80％对应的端电压。将电池端电压数据与预设的电压阈值进行比较，控制电池的充电模式，当端电压小于V1时，此时电量小于满电量的10％，采用小电流恒流充电模式对电池进行充电；当端电压在V1～V2之间时，此时电池电量处于10％～80％之间，采用大电流脉冲充电模式对电池进行充电；当端电压大于电压阈值V2时，此时电池电量大于80％，接近充满电，此时采用恒压充电模式为电池充电至满电状态。
在大电流脉冲充电模式中，要控制充电电流脉冲的占空比逐渐减小，使得充电电流的有效值逼近电池的最佳充电曲线，优化充电过程。预先设定电池端电压和电流占空比对应表，并存储于充电控制单元的内存中，根据实时采集的电池端电压数据控制充电功率电路输出的脉冲电流占空比。
本申请技术方案采用一种脉冲+恒压方式的高性能快速充电方案，具体就是首先判断待充电锂电的端电压，如果端电压过低则说明内部电量过低，此时先使用小电流恒流充电，待端电压上升到一定值V1就进入脉冲充电阶段；如果待测电池端电压高于V1则直接进入脉冲充电阶段。相比于传统的恒定占空比脉冲充电，本设计将充电电流脉冲的占空比逐渐减小，这样做的好处是使得充电电流的有效值逼近电池最佳充电曲线，降低了电池内部反应的剧烈程度，避免了随着大电流充电的进行温度升的过高。电池端电压上升到V2后，电量达到80％以上，此时进入恒压充电，以一定的恒压V3对电池进行恒压充电，电流逐渐减小；当电流减小到0.01～0.05C时充电结束。充电电流电压波形如图2，在小电流充电阶段，也就是电压小于V1时，此阶段通过控制充电功率单元的输出使得充电处于小电流恒流充电；当充电使得端电压达到V1时，控制充电功率电路输出大电流脉冲，且随着端电压从V1上升到V2逐渐减小脉冲占空比，以接近最佳充电曲线；最后采用恒压充电，此时电流逐渐减小，当小于0.05C时，说明此时充满电，充电结束，可以控制功率单元关机。
整个充电电路可分为充电功率电路、充电控制单元与通信接口、显示模块、电池管理系统四个部分，如图1所示。充电机与锂电管理系统(BMS)有效连接后，充电控制单元首先检测BMS输出的模式选择信号，判断是进入小电流恒流充电还是脉冲电流充电状态；如进入小电流恒流充电则以一个较小的电流对电池组恒流充电，当电池组电压上升到一定阈值后进入大电流脉冲充电阶段；反之则直接进入大电流脉冲充电阶段。脉冲充电的特点是随着充电的进行，电池电量不断升高，充电电流的占空比不断减小，使得充电电流的有效值逼近电池的最佳充电曲线。这种充电方式是以查表法来实现，即利用电池端电压与电量的对应关系，将不同端电压区间对应的充电电流占空比以表格形式储存在控制单元的内存中；充电过程中控制单元监测电池组的端电压，根据端电压值查表获得对应的电流占空比值。脉冲电流的幅值则通过设置充电功率电路的MOS管开关脉冲来调节。当脉冲充电达到80％电量时进入恒压充电模式，控制单元实时监测充电电压，根据电压的波动调整充电功率电路的MOS管开关信号，以达到充电电压的恒定。
主功率电路是充电器的核心部分，其主要功能是为锂电池组提供充电所需的电流电压功率信号，由市电初级整流电路、DC/DC变换电路与输出整流滤波电路组成，如图3所示，此处输入为220V市电，输出Ro等效电池组负载。传统的DC/DC变换电路一般采用硬开关的功率开关器件实现，存在开关损耗大，感性关断易击穿以及容性开通易过热等问题。在此本设计采用了一种基于LLCC谐振网络的软开关技术来弥补硬开关的不足，如图3所示。软开关技术通过在开关电路中加入电感电容谐振元件来实现零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)，消除了导通关断过程中电流和电压的重叠区域，大大降低了开关损耗，从而有效解决了硬开关的不足。为了减小输出电压波纹，这里将常用的LLC滤波电路改为LLCC滤波电路。这是因为相比于传统的LLC电路，LLCC滤波电路的阶数更高，能滤除更高次的谐波且感性频域更宽，更易实现宽负载范围下的零电压电流开关。
本快充装置的创新点在于：1)相比于传统的恒定占空比脉冲充电，本设计将充电电流脉冲的占空比逐渐减小，使得充电电流的有效值逼近电池的最佳充电曲线，减弱了电池内部反应，避免了大电流充电造成的温升过快问题。2)主功率电路采用软开关技术消除了导通关断过程中电流和电压的重叠区域，大大降低了开关损耗。3)软开关电路中将常用的LLC滤波电路改为LLCC滤波电路，能够滤除更高次谐波且感性频域更宽，更易实现宽负载范围下的零电压电流开关。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电池充电电路，其特征在于：包括充电功率电路、充电控制单元、电池管理系统，所述电池管理系统用于采集电池的端电压数据并通过通信接口与充电控制单元连接，所述充电控制单元根据电池端电压信息来发出控制信号至充电功率电路，所述充电功率电路根据控制信号输出多种充电模式为电池充电。
2.如权利要求1所述的一种电池充电电路，其特征在于：所述充电功率电路根据充电控制单元的控制信号为电池充电，包括三种模式：小电流充电、脉冲充电、恒压充电。
3.如权利要求1或2所述的一种电池充电电路，其特征在于：充电控制单元根据预设电压阈值来控制充电采用的模式。
4.如权利要求1或2所述的一种电池充电电路，其特征在于：所述充电控制单元分别连接温度传感器、电压传感器、电流传感器，所述温度传感器、电压传感器、电流传感器分别用于采集充电功率电路的温度、电压、电流信号。
5.如权利要求4所述的一种电池充电电路，其特征在于：所述充电控制单元与显示模块连接。
6.如权利要求1-5任一所述的一种电池充电电路，其特征在于：所述充电功率电路包括初级整流电路、DC/DC变换电路、输出整流电路，所述DC/DC变换电路包括桥式逆变器、LLCC滤波电路。
7.如权利要求1-6任一所述的一种电池充电电路的充电方法，其特征在于包括如下步骤：
电池数据采集步骤：通过电池管理系统实时采集电池的端电压数据；
充电模式切换控制步骤：根据电池端电压数据与预设的电压阈值范围进行比较，控制电池的充电模式，设置的电压阈值包括V1、V2，其中V2>V1，当端电压小于V1时，采用小电流恒流充电模式对电池进行充电；当端电压在V1～V2之间时，采用大电流脉冲充电模式对电池进行充电，当端电压大于电压阈值V2时，采用恒压充电模式为电池充电至满电状态。
8.如权利要求7所述一种电池充电电路的充电方法，其特征在于：在大电流脉冲充电模式中，充电电流脉冲的占空比逐渐减小。
9.如权利要求8所述的一种电池充电电路的充电方法，其特征在于：预先设定电池端电压和电流占空比对应表，并存储于充电控制单元的内存中，根据实时采集的电池端电压控制充电功率电路输出的脉冲电流的占空比。
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