CN113904417A - 一种串联电池单体恒压化成分容系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串联电池单体恒压化成分容系统及其控制方法，具有充电效果较优、系统控制复杂度低、设备成本低、化成生产效率高等特点，该方法包括：在恒流控制阶段中，进行恒流控制，并不断巡检每一节单体电池的电压，若确定N节单体电池中存在电压值达到预设恒压点的第一单体电池，则确定进入恒压控制阶段；在恒压控制阶段中，将第一单体电池的第一采样电压值的N倍作为恒压控制环的电压给定值，进行恒压控制；不断巡检每一节单体电池的电压，若确定N节单体电池中存在第二采样电压值大于第一采样电压值的第二单体电池，则将恒压控制环的电压给定值切换为第二采样电压值的N倍，进行恒压控制，不断往复巡检，直到所有单体电池充电完成。

Description

一种串联电池单体恒压化成分容系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池化成分容技术领域，特别是涉及一种串联电池单体恒压化成分容系统及其控制方法。
背景技术
随着我国经济的发展，各种电动汽车、智能穿戴设备以及电动工具广泛应用于人们的日常生活。尤其是近年以来，各种电子产品日新月异，不断的更新换代，因此未来对电池的需求量将急剧增加。
电池出厂前需要进行充放电激活，也就是化成、分容工序，才能将其内部的化学物质激活。随着未来电子设备的增加以及新能源等的发展，对化成、分容设备的生成效率、成本以及能量转换提出了更高的要求。
在电池化成过程中，首先需要进行恒流充电，当充电到一定程度时转换为恒压充电，由于电池生产过程的差异性，每一节电池的物理化学性能都不同，因此其到达恒压点的时刻也不同。传统方法为每一节电池连接一个DC/DC模块，此方法可以实现对单个电池的恒流恒压工序，但是每一节电池连接一个DC/DC模块引起整个设备体积较大；同时，模块增多以后功率开关器件的数量也相应增加，导致了较大的开关损耗，设备成本也相应增加。
为了改善上述问题和提高生产效率，常常需要将N节电池进行串联，即采用单个DC/DC模块带动多节电池的方式，可以将生产效率提高N倍，同时，设备的体积也相应缩小。采用这个方法，电池串联时流过每一节电池的电流必然相同，当整组电池中的某一节电池进入恒压点以后，该电池将进入恒压工序，此时必须控制流过其电流减小。其它电池尚未进入恒压点，因此需要保持整组电池的总电流不变而进入恒压点的电池电流减小，此时需要在每一节电池的两端并联旁路板，将总电流中的一部分电流流过旁路板，从而达到单体电池恒压的目的。由于旁路板的引入，增加了电路的复杂性和设备成本，同时也造成了部分能量损失，且旁路板中功率开关管的互补切换，容易存在尖峰电压和电流冲击应力，因此这一方法正逐渐被淘汰。
发明内容
基于此，本发明的目的在于现有技术中存在的上述问题，提供一种具有充电效果较优、系统控制复杂度低、设备成本低、化成生产效率高等特点的串联电池单体恒压化成分容系统及其控制方法。
第一方面，本发明实施例提供一种串联电池单体恒压化成分容控制方法，应用于串联电池单体恒压化成分容系统，所述串联电池单体恒压化成分容系统包括N节串联的单体电池，N为大于或等于2的整数，所述方法包括：恒流控制阶段和恒压控制阶段；
在所述恒流控制阶段中，进入恒流控制环，进行恒流控制，并不断巡检每一节所述单体电池的电压，判断N节所述单体电池中是否存在采样电压值达到预设恒压点的第一单体电池；若确定存在所述第一单体电池，则确定进入所述恒压控制阶段；
在所述恒压控制阶段中，将所述第一单体电池的第一采样电压值的N倍作为恒压控制环的电压给定值，进行恒压控制；不断巡检每一节所述单体电池的电压，并判断N节所述单体电池中是否存在第二单体电池，所述第二单体电池的第二采样电压值大于所述第一采样电压值；若确定存在所述第二单体电池，则将所述恒压控制环的电压给定值切换为所述第二采样电压值的N倍，进行恒压控制。
在本发明实施例中，通过在恒流控制阶段和恒压控制阶段中，采用PI算法进行恒流恒压调节，可以保证每一节单体电池都达到较优的充电效果，可以提高生产的单体电池的性能，且无需额外设置旁路板对单体电池进行恒压控制，即可实现单体电池恒压控制，可以简化系统控制复杂度，还可以节省设备成本，同时，还可以避免出现旁路板不断切换引起的电流电压应力对电池造成的冲击作用等问题。此外，本发明实施例通过采用N节单体电池串联的方式，可以提高化成生产效率，一次可以实现对N节单体电池的化成工艺。
可选地，所述方法还包括：
在所述恒流控制阶段中，若确定不存在所述第一单体电池，则确定继续执行恒流控制；
在所述恒压控制阶段中，若确定不存在所述第二单体电池，则继续以所述第一采样电压值的N倍作为所述恒压控制环的电压给定值，进行恒压控制。
可选地，进行恒流控制，包括：
巡检N节所述单体电池的输入电流，基于所述输入电流进行恒流控制。
可选地，所述恒压控制环的电压给定值由以下方式确定：
对巡检到的每一节所述单体电池的采样电压值进行比较，获得最高采样电压值；
将所述最高采样电压值与所述预设恒压点进行比较，判断所述最高采样电压值是否达到所述预设恒压点；
若所述最高采样电压值达到所述预设恒压点，将所述最高采样电压值乘以N倍，作为所述恒压控制环的电压给定值。
可选地，将所述恒压控制环的电压给定值切换为所述第二采样电压值的N倍，进行恒压控制之后，所述方法还包括：
判断N节所述单体电池是否已全部完成充电；
确定N节所述单体电池中存在至少一节所述单体电池未完成充电，则判断N节所述单体电池中是否存在第三单体电池，所述第三单体电池的第三采样电压值大于所述第二采样电压值；若确定存在所述第三单体电池，则将所述恒压控制环的电压给定值切换为所述第三采样电压值的N倍，进行恒压控制；或者，若确定不存在所述第三单体电池，则继续以所述第二采样电压值的N倍作为所述恒压控制环的电压给定值进行恒压控制；或者，
若确定多节所述单体电池已全部完成充电，结束单体电池的恒压控制流程。
相较于现有技术而言，本发明实施例提供的串联电池单体恒压化成分容控制方法具有充电效果较优、系统控制复杂度低、设备成本低、化成生产效率高等特点。
第二方面，本发明实施例还提供一种串联电池单体恒压化成分容系统，包括：交流电网、AC/DC模块、直流母线、多个DC/DC模块、串联电池模块以及数字控制模块；所述AC/DC模块分别与所述交流电网、所述直流母线和所述数字控制模块连接，任一所述DC/DC模块分别与所述直流母线、所述数字控制模块和所述串联电池模块连接；其中，
所述串联电池模块包括多个串联电池子模块，多个所述串联电池子模块与多个所述DC/DC模块一一对应连接，任一所述串联电池子模块包括N节串联的单体电池，N为大于或等于2的整数；
所述数字控制模块用于实现上述第一方面任一种可能设计的方法。
本发明实施例中，数字控制模块可以采用软件算法实现单体电池恒压控制，无需额外设置旁路板对单体电池进行恒压控制，可以简化系统控制复杂度，还可以节省设备成本，同时，还可以避免出现旁路板不断切换引起的电流电压应力对电池造成的冲击作用等问题。数字控制模块还可以采用PI算法进行恒流、恒压调节，可以保证每一节单体电池都达到较优的充电效果，可以提高生产的单体电池的性能。此外，本发明实施例中通过采用N节单体电池串联的方式，可以提高化成生产效率，一次可以实现对N节电池的化成工艺。
可选地，任一所述串联电池子模块还包括采样电阻，所述采样电阻的一端连接有N节所述单体电池的阳极，所述采样电阻的另一端连接有一个所述DC/DC模块。
可选地，任一所述串联电池子模块还包括N+1个电流电压信号处理芯片；
N+1个所述电流电压信号处理芯片与所述采样电阻、N节所述单体电池一一对应，用于采集所述采样电阻、N个所述电池的电流信号和电压信号，并将采集到的电流信号和电压信号反馈给所述数字控制模块，由所述数字控制模块进行闭环运算处理以及保护判断。
可选地，所述数字控制模块包括数字信号处理器。
相较于现有技术而言，本发明实施例提供的串联电池单体恒压化成分容系统具有充电效果较优、系统控制复杂度低、设备成本低、化成生产效率高等特点。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种串联电池单体恒压化成分容控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种串联电池单体恒压化成分容系统的架构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种任一串联电池子模块的结构示意图。
具体实施方式
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于其构造进行定义的，它们是相对的概念。因此，有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的实施方式的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
附图中各个部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明以下示例性实施例中所描述的实施方式。
实施例一
实施例一提供了一种串联电池单体恒压化成分容控制方法，该方法可以应用于串联电池单体恒压化成分容系统，具体地，该串联电池单体恒压化成分容系统可以包括N节串联的单体电池，N为大于或等于2的整数。该方法可以包括恒流控制阶段和恒压控制阶段。
如图1所示，该方法的流程可以包括如下步骤：
S11、恒流控制。
可选地，单体电池的恒流恒压化成工序开始后，首先可以进入恒流控制环，进行恒流控制。在具体的实现过程中，可以巡检N节单体电池的输入电流，基于该输入电流进行恒流控制。
S12、判断N节单体电池中是否存在采样电压值达到预设恒压点的第一单体电池。若确定存在第一单体电池，执行S13，否则返回执行S11。
可选地，在恒流控制阶段中，在进行恒流控制期间，可以不断巡检每一节单体电池的电压，并确定是否存在第一单体电池。若确定存在第一单体电池，说明可以对单体电池进行恒压控制，此时，可以确定进入恒压控制阶段，执行S13。若确定不存在第一单体电池，说明还不能对单体电池进行恒压控制，返回执行S11，继续进行恒流控制。
在具体的实现过程中，预设恒压点可以根据实际需求进行设置，例如可以将预设恒压点设置为5V，本实施例一不限定。
S13、将第一单体电池的第一采样电压值的N倍作为恒压控制环的电压给定值。
可选地，该电压给定值可以是由如下计算公式(1)计算得到。
U＝Uf*N (1)
其中，U表示该电压给定值，Uf表示第一采样电压值。
S14、恒压控制。
可选地，在步骤S14中，可以基于第一采样电压值的N倍进行恒压控制。
S15、判断N节单体电池中是否存在第二采样电压值大于第一采样电压值的第二单体电池。若确定存在第二单体电池，执行S16，否则返回执行S14。
可选地，在恒压控制阶段中，在进行恒压控制期间，可以不断巡检每一节单体电池的采样电压值，并将巡检到的每一节单体电池的采样电压值进行比较，确定是否存在第二采样电压值大于第一采样电压值的第二单体电池。若存在第二单体电池，则说明还有单体电池还没完成恒压控制，执行S16。若不存在第二单体电池，则说明N节单体电池已完成恒压控制，返回执行S14，继续进行恒压控制。
S16、将恒压控制环的电压给定值切换为第二采样电压值的N倍。
S17、恒压控制。
可选地，在步骤S17中，可以基于第二采样电压值的N倍进行恒压控制。
在本实施例一中，通过在恒流控制阶段和恒压控制阶段中，采用PI算法进行恒流恒压调节，可以保证每一节单体电池都达到较优的充电效果，可以提高生产的单体电池的性能，且无需额外设置旁路板对单体电池进行恒压控制，即可实现单体电池恒压控制，可以简化系统控制复杂度，还可以节省设备成本，同时，还可以避免出现旁路板不断切换引起的电流电压应力对电池造成的冲击作用等问题。此外，实施例一中，通过采用N节单体电池串联的方式，可以提高化成生产效率，一次可以实现对N节单体电池的化成工艺。
在实施例一提供的一种适用的场景下，如图1所示，实施例一提供的串联电池单体恒压化成分容控制方法还可以包括如下步骤：
S18、判断N节单体电池是否已全部完成充电。若确定多节单体电池中存在至少一节单体电池未完成充电，执行S19，否则，结束单体电池的恒压控制流程。
S19、判断N节单体电池中是否存在第三采样电压值大于第二采样电压值的第三单体电池。若确定存在第三单体电池，执行S20，否则，返回执行S17。
S20、将恒压控制环的电压给定值切换为第三采样电压值的N倍，返回执行S17。
此时，在步骤S17中，可以基于第三采样电压值的N倍进行恒压控制。即在本实施例一中，恒压控制环的电压给定值可以由以下方式确定：对巡检到的每一节单体电池的采样电压值进行比较，获得最高采样电压值，再将最高采样电压值与上述预设恒压点进行比较，判断最高采样电压值是否达到预设恒压点，用于判断是否进入预设恒压点。若最高采样电压值达到预设恒压点，则可以将最高采样电压值乘以N倍，作为恒压控制环的电压给定值。可以理解为，不断往复巡检每一节单体电池的采样电压值，将恒压控制环的电压给定值切换为N节单体电池的最高采样电压值的N倍。
在实施例一中，通过执行步骤S18-步骤S20，可以在恒压控制阶段中，根据每一节单体电池的实时充电曲线不断切换恒压点，可以保证每一节单体电池都达到最优的充电效果，生产的单体电池的性能可以达到最优。
需要说明的是，上述第一单体电池-上述第三单体电池可以是一个或多个，本实施例一不限定。示例性的，以第一单体电池为例，当第一单体电池为多个时，说明这多个第一单体电池的第一采样电压值相等。
相较于现有技术而言，实施例一提供的串联电池单体恒压化成分容控制方法具有充电效果较优、系统控制复杂度低、设备成本低、化成生产效率高等特点。
实施例二
实施例二提供了一种串联电池单体恒压化成分容系统，该系统可以用于实现上述实施一所示的串联电池单体恒压化成分容控制方法。
如图2所示，该系统可以包括：交流电网21、AC/DC模块22、直流母线23、多个DC/DC模块24、串联电池模块25以及数字控制模块26。其中，AC/DC模块22分别可以与交流电网21、直流母线23和数字控制模块26连接。任一DC/DC模块24分别可以与直流母线23、数字控制模块26和串联电池模块25连接。
可选地，结合图2-3所示，串联电池模块25可以包括多个串联电池子模块251。其中，多个串联电池子模块251可以与多个DC/DC模块24一一对应连接。具体地，任一串联电池子模块251可以包括N节串联的单体电池，N为大于或等于2的整数。
在具体的实现过程中，数字控制模块26可以实现对化成过程中充放电的电流电压控制、反馈信号处理、保护判断以及恒流恒压化成工序的相关处理。其中，数字控制模块26进行恒流恒压化成工序的相关处理的具体过程可以参见上述实施例一的相关描述，在此不再赘述，即数字控制模块26可以作为执行主体执行上述图1所示的串联电池单体恒压化成分容控制方法。
在实施例二中，数字控制模块26可以采用软件算法实现单体电池恒压控制，无需额外设置旁路板对单体电池进行恒压控制，可以简化系统控制复杂度，还可以节省设备成本，同时，还可以避免出现旁路板不断切换引起的电流电压应力对电池造成的冲击作用等问题。数字控制模块26还可以采用PI算法进行恒流、恒压调节，可以保证每一节单体电池都达到较优的充电效果，可以提高生产的单体电池的性能。此外，实施例二中，通过采用N节单体电池串联的方式，可以提高化成生产效率，一次可以实现对N节单体电池的化成工艺。
可选地，结合图2-3所示，任一串联电池子模块251还包括采样电阻。其中，采样电阻的一端可以连接有N节单体电池的阳极，采样电阻的另一端可以连接有一个DC/DC模块。
可选地，结合图2-3所示，任一串联电池子模块251还可以包括N+1个电流电压信号处理芯片U1-Un+1。其中，N+1个电流电压信号处理芯片与采样电阻、N节单体电池一一对应，用于采集采样电阻、N个电池的电流信号和电压信号，并将采集到的电流信号和电压信号反馈给数字控制模块，由数字控制模块26进行闭环运算处理以及保护判断。具体地，与采样电阻对应的电流电压信号处理芯片Un+1分别与采样电阻的两端和数字控制模块连接，用于检测采样电阻的电流，即采样电阻的电流为N节单体电池的输入电流。数字控制模块26可以基于该电流对N节单体电池进行恒流控制。与任一节单体电池对应的电流电压信号处理芯片Ui分别与任一节单体电池的两端和数字控制模块连接，用于检测任一节单体电池的电压。数字控制模块26可以基于任一节单体电池的电压对N节单体电池进行恒流恒压控制。
可选地，结合图2-3所示，数字控制模块26可以包括数字信号处理器。其中，该数字信号处理器可以是TMS320F28379D数字信号处理器，也可以是其它型号的数字信号处理器，本实施例二不限定。
相较于现有技术而言，实施例二提供的串联电池单体恒压化成分容系统具有充电效果较优、系统控制复杂度低、设备成本低、化成生产效率高等特点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种串联电池单体恒压化成分容控制方法，应用于串联电池单体恒压化成分容系统，其特征在于，所述串联电池单体恒压化成分容系统包括N节串联的单体电池，N为大于或等于2的整数，所述方法包括：恒流控制阶段和恒压控制阶段；
在所述恒流控制阶段中，进入恒流控制环，进行恒流控制，并不断巡检每一节所述单体电池的电压，判断N节所述单体电池中是否存在采样电压值达到预设恒压点的第一单体电池；若确定存在所述第一单体电池，则确定进入所述恒压控制阶段；
在所述恒压控制阶段中，将所述第一单体电池的第一采样电压值的N倍作为恒压控制环的电压给定值，进行恒压控制；不断巡检每一节所述单体电池的电压，并判断N节所述单体电池中是否存在第二单体电池，所述第二单体电池的第二采样电压值大于所述第一采样电压值；若确定存在所述第二单体电池，则将所述恒压控制环的电压给定值切换为所述第二采样电压值的N倍，进行恒压控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述恒流控制阶段中，若确定不存在所述第一单体电池，则确定继续执行恒流控制；
在所述恒压控制阶段中，若确定不存在所述第二单体电池，则继续以所述第一采样电压值的N倍作为所述恒压控制环的电压给定值，进行恒压控制。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行恒流控制，包括：
巡检N节所述单体电池的输入电流，基于所述输入电流进行恒流控制。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述恒压控制环的电压给定值由以下方式确定：
对巡检到的每一节所述单体电池的采样电压值进行比较，获得最高采样电压值；
将所述最高采样电压值与所述预设恒压点进行比较，判断所述最高采样电压值是否达到所述预设恒压点；
若所述最高采样电压值达到所述预设恒压点，将所述最高采样电压值乘以N倍，作为所述恒压控制环的电压给定值。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，将所述恒压控制环的电压给定值切换为所述第二采样电压值的N倍，进行恒压控制之后，所述方法还包括：
判断N节所述单体电池是否已全部完成充电；
确定N节所述单体电池中存在至少一节所述单体电池未完成充电，则判断N节所述单体电池中是否存在第三单体电池，所述第三单体电池的第三采样电压值大于所述第二采样电压值；若确定存在所述第三单体电池，则将所述恒压控制环的电压给定值切换为所述第三采样电压值的N倍，进行恒压控制；或者，若确定不存在所述第三单体电池，则继续以所述第二采样电压值的N倍作为所述恒压控制环的电压给定值进行恒压控制；或者，
若确定多节所述单体电池中已全部完成充电，结束单体电池的恒压控制流程。
6.一种串联电池单体恒压化成分容系统，包括：交流电网、AC/DC模块、直流母线、多个DC/DC模块、串联电池模块以及数字控制模块；所述AC/DC模块分别与所述交流电网、所述直流母线和所述数字控制模块连接，任一所述DC/DC模块分别与所述直流母线、所述数字控制模块和所述串联电池模块连接；其中，
所述串联电池模块包括多个串联电池子模块，多个所述串联电池子模块与多个所述DC/DC模块一一对应连接，任一所述串联电池子模块包括N节串联的单体电池，N为大于或等于2的整数；
所述数字控制模块用于实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，任一所述串联电池子模块还包括采样电阻，所述采样电阻的一端连接有N节所述单体电池的阳极，所述采样电阻的另一端连接有一个所述DC/DC模块。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，任一所述串联电池子模块还包括N+1个电流电压信号处理芯片；
N+1个所述电流电压信号处理芯片与所述采样电阻、N节所述单体电池一一对应，用于采集所述采样电阻、N个所述电池的电流信号和电压信号，并将采集到的电流信号和电压信号反馈给所述数字控制模块，由所述数字控制模块进行闭环运算处理以及保护判断。
9.如权利要求6-8任一项所述的系统，其特征在于，所述数字控制模块包括数字信号处理器。
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