CN115882548A - 锂电池的充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种锂电池的充电系统及方法，该充电系统包含一充电装置及一锂电池组，在该充电装置与该锂电池组之间系建立一充电回路及一通讯回路，其中该锂电池组中包含一电池芯组及一电池管理系统(BMS)，该电池管理系统接收该电池芯组的状态，并判断后产生一充电命令，经由该通讯回路发送该充电命令给该充电装置，令该充电装置根据该充电命令输出对应大小的该充电电源，经由该充电回路对该锂电池组充电；借此，该电池管理系统(BMS)能主导控制充电作业，根据电池芯组的即时情况，选择较佳的充电电流，令电池芯组能够有效率且安全地完成充电作业。

Description

锂电池的充电系统及方法

技术领域

本发明关于一种锂电池的充电系统，特别是指一种基于锂电池的当前状态决定合适充电方式的充电系统。

背景技术

请参考图7所示，为现有锂电池充电系统的示意图，包含有一充电装置300及可重复充电的一锂电池组310。该充电装置300例如是能源站、充电桩、充电座、车充用充电器等，该锂电池组310为电动交通工具的电池，例如电动摩托车、电动汽车等。

该锂电池组310的方式完全取决于该充电装置300的设计，一般来讲，该充电装置300使用固定的充电模式对该锂电池组310进行充电，例如采用定电流充电法(CC)及定电压充电法(CV)。该充电装置300会根据其本身输出端侦测到的输出电压、输出电流，而决定对该锂电池组310进行定电流充电或定电压充电，一般是先采取定电流充电，当锂电池组310的电压上升到一预设值之后再进行定电压充电。

但锂电池组310若在充电过程中发生异常，采用固定充电模式的充电装置300通常无法即使作出适当的应对处理。举例而言，若锂电池组310的温度过高时，若该充电装置300仍以大电流对其充电，易使锂电池组310的电池芯快速劣化，减少电池寿命。除此之外，因为锂电池组310的充电作业完全由该充电装置300主导决定，因此锂电池组310有可能会受到充电装置300的误差影响，导致无法完全充饱电力或是过度充电。

发明内容

[发明欲解决的技术问题]

传统充电方式仅采用固定充电模式，无法对锂电池组提供较有效率的充电，本发明系提出一种锂电池的充电系统及方法，由该锂电池组依据本身状态发出命令予充电装置，调整合适的电流大小对该锂电池组进行充电。

[解决问题的技术手段]

本发明提供一种锂电池的充电系统，包含：

一充电装置，包含有：

一控制单元；

一充电电路，连接该控制单元，用于输出一充电电源；

一通讯单元，连接该控制单元；

一锂电池组，与该充电装置连接而形成一充电回路，该锂电池组借由该充电回路接收该充电电源，其中，该锂电池组包含：

一电池芯组，包含有多个电池芯；

一电池管理系统，包含有一通讯模组，该通讯模组与该通讯单元连接而形成一通讯回路；

该电池管理系统接收该电池芯组的状态，并判断后产生一充电命令，经由该通讯回路对该充电装置发送该充电命令，令该充电装置根据该充电命令输出对应大小的该充电电源，经由该充电回路对该锂电池组充电。

本发明提供一种锂电池的充电方法，包含：

S1:连接该锂电池组与该充电装置，在该锂电池组与该充电装置之间形成一充电回路及一通讯回路；

S2:该电池管理系统接收该电池芯组的状态，并根据该电池芯组的状态决定一充电命令；

S3:该电池管理系统借由该通讯回路向该充电装置发送该充电命令，其中，该充电装置根据该充电命令输出一充电电源给该电池芯组；

S4:该电池管理系统判断该电池芯组的电力是否充饱，若否，则重复执行该步骤S2；

S5:若该电池管理系统判断该电池芯组的电力已经充饱，该电池管理系统借由该通讯回路对该充电装置发送一结束充电命令。

[发明的功效]

本发明以该锂电池组内部的电池管理系统(BMS)判断电池芯组当下的状态后，决定一合适的充电命令，并对该充电装置发送该充电命令，要求该充电装置根据该充电命令输出合适大小的电流对该电池芯组进行充电，在充电过程中可即时根据电池芯组当下的状态调整充电电流大小，令电池芯组能够有效率且安全地完成充电作业，同时在过低温或过高温的状态下还可发挥停止充电的保护机制，延长电池寿命。

附图说明

图1：本发明锂电池的充电系统电路方块图。

图2：本发明锂电池的充电方法第一实施例的流程图。

图3A：本发明在-5℃、0℃、55℃的充电命令曲线图。

图3B：本发明在电池温度介于5℃≦t<10℃的充电命令曲线图。

图3C：本发明在电池温度介于10℃≦t<15℃的充电命令曲线图。

图3D：本发明在电池温度介于15℃≦t<40℃的充电命令曲线图。

图3E：本发明在电池温度介于40℃≦t<50℃充电命令曲线图。

图3F：本发明在电池温度介于50℃≦t<55℃的充电命令曲线图。

图4：本发明锂电池的充电方法第二实施例的流程图。

图5：本发明锂电池的充电方法第三实施例的流程图。

图6A：利用本发明方法对锂电池组进行充电实测的电压变化波形图。

图6B：利用本发明方法对锂电池组进行充电实测的电流变化波形图。

图6C：利用本发明方法对锂电池组进行充电实测的电池电量(SOC)变化波形图。

图7：现有锂电池充电系统的方块图。

附图标记列表

10:充电装置

11:控制单元

12:充电电路

13:通讯单元

20:锂电池组

21:电池芯组

22:电池管理系统

221:通讯模组

222:温度感测模组

223:电压感测模组

224:电流感测模组

300:充电装置

310:锂电池组

A:充电回路

B:通讯回路。

具体实施方式

请参考图1所示，本发明的锂电池充电系统包含有一充电装置10及一锂电池组20。该充电装置10可以是一用于交换电池的能源站、一充电桩、一充电座、一车充用充电器等充电设备，其内部包含有一控制单元11、一充电电路12及一通讯单元13。其中，该控制单元11负责控制该充电装置10的运作；该充电电路12连接该控制单元11，用以对外输出一充电电源；该通讯单元13连接该控制单元11，用于与该锂电池组20互相连接通讯以建立一通讯回路B，并接收来自该锂电池组20的一充电命令。

该锂电池组20系与该充电装置10连接以建立一充电回路A，借由该充电回路A接收该充电装置10输出的充电电源。该锂电池组20包含一电池芯组21及一电池管理系统(battery management system,BMS)22。该电池芯组21由多个电池芯构成，该电池管理系统22系用于监测及管理该电池芯组21，其中，该电池管理系统22中包含有一通讯模组221、一温度感测模组222、一电压感测模组223、一电流感测模组224。该通讯模组221与该充电装置10的该通讯单元13对应连接；该温度感测模组222、该电压感测模组223以及该电流感测模组224分别侦测该电池芯组的温度、电压及电流。

在本发明中，该锂电池组20连接该充电装置10之后，在两者之间系建立该充电回路A及该通讯回路B，该电池管理系统22根据感测该电池芯组21所得到感测状态输出一充电命令给充电装置10，要求该充电装置10根据该充电命令输出一充电电源，其详细的方法流程如图2所示，包含有以下步骤S21～S25。

S21：连接锂电池组20与充电装置10，其中该锂电池组20与该充电装置10之间的充电回路A可以借由线材(如充电线)连接，或是以导电接点(contact)互相接触以传输电力，而该通讯回路B可以是有线连接或无线连接，只要可以双方传输资料即可。

S22：该电池管理系统22接收该电池芯组21的状态，并根据该状态决定一充电命令，其中，该电池芯组21的状态可包含有其温度及电池电量(state of charge,SOC)，其中电池电量的计算可根据该电池芯组21的电流、电压计算得到，因其计算方式非本案特征，在此不再赘述。关于该充电命令的产生方式，是由该电池管理系统22查表内建的充电命令曲线而决定，请参考图3A～3F所示，其中，每一张图的横轴座标代表电池芯组21的电池电量(SOC)百分比，纵轴座标代表欲输出的充电电流大小，是以充放电率(C-rate)为单位表示，该充放电率是以电池的额定容量有关，例如对一颗100Ah的电池进行充电，若以1C对其电，代表用100A的电流充电，0.5C代表电池用50A的电流对其充电。

图3A代表当电池芯组21的温度在-5℃、0℃、55℃三种温度值时所对应的充电命令，这3种温度的充电命令曲线相同，也就是充电电源的电流皆为0，充电装置10无论电池电量的多寡皆不会输出充电电流给锂电池组20，若电池管理系统22判断目前电池芯组21的温度大于等于0℃且小于5℃(即0℃≦t<5℃)时，也是不会输出充电电流给锂电池组20。

再以图3B为例，若电池管理系统22判断目前电池芯组21的温度大于等于5℃且小于10℃(即5℃≦t<10℃)时，则会选用图3B的曲线来参考当前的电池电量决定充电电流，例如当目前电池芯组21的电池电量为40％，即会输出充电电流为0.4C(即C-rate为40％)的充电命令；若电池芯组21的温度仍维持在相同区间(即5℃≦t<10℃)，但电池电量已提升至70％，则充电命令会转为要求充电装置10输出充电电流为0.2C(即C-rate为20％)。

同理，图3C的曲线为温度介于10℃≦t<15℃时所采用的充电命令；图3D的曲线为温度介于15℃≦t<40℃时所采用的充电命令；图3D的曲线为温度介于15℃≦t<40℃时所采用的充电命令；图3E的曲线为温度介于40℃≦t<50℃时所采用的充电命令；以及图3F的曲线为温度介于50℃≦t<55℃时所采用的充电命令，其中图3F与图3E的曲线一致。

在对电池芯组21的充电过程中，该电池管理系统22会随时判断该电池芯组21的温度而选用对应的充电命令曲线，本发明图3A～3F所示的温度端点值仅作为一较佳实施例说明；可以视实际情况增减或改变温度端点值。本发明以0℃作为低温下限值，当电池芯组21的温度低于等于0℃时，即控制充电电流为0，可避免电池芯于低温环境时因接收大电流而导致电池芯材料损坏的问题。另一方面，本发明以55℃作为高温上限值，当电池芯组21的温度高于等于55℃时，即控制充电电流为0，可避免电池芯于高温环境时因容量增加而造成过充情形。

S23：电池管理系统22借由该通讯回路B向充电装置10发送该充电命令，其中，当该充电装置10接收到该充电命令后，即根据该充电命令输出充电电源给该电池芯组21。

S24：电池管理系统22判断电池芯组21的电力是否充饱，若否，则回归步骤S22；若是，则进行下一步骤S25。

S25：电池管理系统22借由该通讯回路B对该充电装置10发送一结束充电命令。当充电装置10接收到该结束充电命令之后，即停止输出充电电流。

请参考图4所示，为本发明方法的另一实施例。与图2实施例的差别在于步骤S21之后，进一步执行一装置确认流程，该装置确认流程包含以下步骤：

S41：电池管理系统22向充电装置10发送一连线请求，其中，该连线请求用于要求该充电装置10回传其一装置识别码。

S42：电池管理系统22判断该装置识别码是否有效，若是接收到的装置识别码有效，则接续进行下一步骤S22；若是无效或未接收到装置识别码，则结束充电作业。其中，该电池管理系统22可根据该装置识别码而区分不同种类的充电装置，例如是能源站、充电桩、充电座或车充用充电器的其中一种；若是回传的该装置识别码无法识别其格式，则判断该充电装置10为无效而停止充电作业。

请参考图5所示，为本发明方法的另一实施例。与图2实施例的差别在于步骤S22之前，进一步包含一预充电流程，该预充电流程包含以下步骤：

S51：电池管理系统22向该充电装置10发出一预充电命令，要求充电装置10先输出一预充电电流并持续一预设时间，其中该预充电电流的大小相对正常充电电流较低，例如该预充电电流仅为1A，而该预设时间只要足以供电池管理系统22判断双方是否正常作业即可，例如30秒时间。

S52：在预充电过程中，电池管理系统22判断充电装置10与锂电池组20之间的通讯、线路连接、双方状态等是否正常连结；若双方正常连结，则接续进行至下一步骤S22；若有异常，则停止充电。本发明先以一小电流进行预充电的用意是确保充电装置10及锂电池组20双方均可正常运作，避免其中一方若有异常情况而直接输出一大电流对锂电池组20造成损坏。

在本发明方法的另一实施例中，也可以结合图4、图5的实施例，在先执行该确认装置流程后，再执行该预充电流程。

前述各实施例中该电池管理系统22会随时监测电池芯组21的状态，当发现电池芯组21突然有异常状态产生时或是需要进行保养作业时，该电池管理系统22会发送一零电流的充电命令给该充电装置10，令该充电装置10暂停充电；待电池状态恢复或保养作业完成后，再继续恢复原本的充电作业。该保养作业可以是电池芯组21内的电池芯电压不平衡，该电池管理系统22对电池芯组21进行压差平衡的管理工作。

当充电装置10的输出电压无法满足充电命令时，该充电装置10会进入至一定电压模式(CV mode)，此时充电装置10输出的电流会小于充电命令要求的电流大小，若无强迫充电装置10停止，将导致充电工作无法结束。因此，若电池管理系统22判断充电装置10已经进入该定电压模式，电池管理系统22将发出一结束充电命令给该充电装置10，终止充电装置10的作业，避免没有效率的充电作业。

根据本发明方法对一锂电池组20进行充电实测时，可量测该锂电池组20的电压、电流、电池电量(SOC)的波形变化分别如图6A、图6B及图6C所示。该充电装置10最大可输出17A的定电流，锂电池组20自电池电量为4％的状态下开始充电，在充电过程中该电池管理系统22根据图3A～3F的充电命令曲线即时变化充电命令并发送给该充电装置10，因此图6B可以看出电流变化的波形。在最后充饱电池电量为100％时，此时电池电压为57.4V。

本发明利用锂电池组内的电池管理系统(BMS)主导控制充电作业，在判断电池芯组的状态后，对充电装置发送充电命令，使电池芯组接收适当的充电电流后逐渐充饱，同时在过低温或过高温的状态下可发挥停止充电的保护机制，延长电池寿命。

Claims (20)

1.一种锂电池的充电系统，其特征在于，包含

一充电装置，包含有：

一控制单元；

一充电电路，连接所述控制单元，用于输出一充电电源；

一通讯单元，连接所述控制单元；

一锂电池组，与所述充电装置连接而形成一充电回路，所述锂电池组借由所述充电回路接收所述充电电源，其中，所述锂电池组包含：

一电池芯组，包含有多个电池芯；

一电池管理系统，包含有一通讯模组，所述通讯模组与所述通讯单元连接而形成一通讯回路；

其中，所述电池管理系统接收所述电池芯组的状态，并判断后产生一充电命令，经由所述通讯回路对所述充电装置发送所述充电命令，令所述充电装置根据所述充电命令输出对应大小的所述充电电源，经由所述充电回路对所述锂电池组充电。

2.根据权利要求1所述的锂电池的充电系统，其特征在于，所述电池管理系统进一步包括：

一温度感测模组，用以感测所述电池芯组的温度；

一电压感测模组，用以感测所述电池芯组的电压；

一电流感测模组，用以感测所述电池芯组的电流。

3.根据权利要求2所述的锂电池的充电系统，其特征在于，当所述电池管理系统判断所述电池芯组的温度低于等于一温度下限值时，所述电池管理系统输出代表零电流的充电命令给所述充电装置，令充电装置停止充电。

4.根据权利要求2所述的锂电池的充电系统，其特征在于，当所述电池管理系统判断所述电池芯组的温度高于等于一温度上限值时，所述电池管理系统输出代表零电流的充电命令给所述充电装置，令充电装置停止充电。

5.根据权利要求2所述的锂电池的充电系统，其特征在于，所述电池管理系统根据所述电池芯组当下的温度及电池电量(SOC)，调整所述充电命令以改变所述充电电源的大小。

6.根据权利要求5所述的锂电池的充电系统，其特征在于，所述电池管理系统内部预设有多组对应不同温度区间的充电命令曲线，所述电池管理系统根据所述电池芯组当下的温度查表找出对应的充电命令曲线，并根据所述电池芯组当下的电池电量从所述对应的充电命令曲线上决定欲输出的所述充电命令。

7.根据权利要求1所述的锂电池的充电系统，其特征在于，当所述锂电池组与所述充电装置相连接后，所述电池管理系统输出一预充电命令给所述充电装置。

8.根据权利要求1所述的锂电池的充电系统，其特征在于，当所述锂电池组与所述充电装置相连接后，所述电池管理系统输出一连线请求给所述充电装置，要求所述充电装置回复一装置识别码。

9.根据权利要求1所述的锂电池的充电系统，其特征在于，当所述电池管理系统判断所述锂电池组目前为异常状态或需进行保养作业时，所述电池管理系统发出一代表零电流的充电命令给所述充电装置，令所述充电装置暂停充电。

10.根据权利要求1所述的锂电池的充电系统，其特征在于，当所述电池管理系统判断所述充电装置已进入一定电压模式时，所述电池管理系统发出一结束充电命令给所述充电装置，令所述充电装置停止充电。

11.一种锂电池的充电方法，其特征在于，适用于相连结的一充电装置与一锂电池组，其中所述锂电池组中具有一电池芯组及一电池管理系统，所述锂电池的充电方法包含：

S1:连接所述锂电池组与所述充电装置，在所述锂电池组与所述充电装置之间形成一充电回路及一通讯回路；

S2:所述电池管理系统接收所述电池芯组的状态，并根据所述电池芯组的状态决定一充电命令；

S3:所述电池管理系统借由所述通讯回路向所述充电装置发送所述充电命令，其中，所述充电装置根据所述充电命令输出一充电电源给所述电池芯组；

S4:所述电池管理系统判断所述电池芯组的电力是否充饱，若否，则重复执行所述步骤S2；

S5:若所述电池管理系统判断所述电池芯组的电力已经充饱，所述电池管理系统借由所述通讯回路对所述充电装置发送一结束充电命令。

12.根据权利要求11所述的锂电池的充电方法，其特征在于，在所述步骤S1后，进一步执行一装置确认流程，所述装置确认流程包含：

所述电池管理系统向所述充电装置发送一连线请求，要求所述充电装置回传一装置识别码；

所述电池管理系统判断所述装置识别码是否有效，若判断所述装置识别码有效，则接续进行所述步骤S2；若判断所述装置识别码无效或未接收到所述装置识别码，则结束充电。

13.根据权利要求11所述的锂电池的充电方法，其特征在于，在所述步骤S2前，进一步执行一预充电流程，所述预充电流程包含：

所述电池管理系统向所述充电装置发送一预充电命令，要求所述充电装置输出一预充电电流并持续一预设时间；

所述电池管理系统判断所述充电装置与所述锂电池组之间是否正常连结，若是，则接续进行所述步骤S2；若否，则结束充电。

14.根据权利要求11所述的锂电池的充电方法，其特征在于，在所述步骤S1之后及所述步骤S2之前，依序执行一装置确认流程以及一预充电流程，其中，

所述装置确认流程包含：

所述电池管理系统向所述充电装置发送一连线请求，要求所述充电装置回传一装置识别码；

所述电池管理系统判断所述装置识别码是否有效，若判断所述装置识别码有效，则接续进行所述预充电流程；若判断所述装置识别码无效或未接收到所述装置识别码，则结束充电；

所述预充电流程包含：

所述电池管理系统向所述充电装置送出一预充电命令，要求所述充电装置输出一预充电电流并持续一预设时间；

所述电池管理系统判断所述充电装置与所述锂电池组之间是否正常连结，若是，则接续进行所述步骤S2；若否，则结束充电。

15.根据权利要求11所述的锂电池的充电方法，其特征在于，当所述电池管理系统判断所述电池芯组的温度低于等于一温度下限值时，所述电池管理系统输出代表零电流的充电命令给所述充电装置，令所述充电装置停止充电。

16.根据权利要求11所述的锂电池的充电方法，其特征在于，当所述电池管理系统判断所述电池芯组的温度高于等于一温度上限值时，所述电池管理系统输出代表零电流的充电命令给所述充电装置，令所述充电装置停止充电。

17.根据权利要求11所述的锂电池的充电方法，其特征在于，所述电池管理系统根据所述电池芯组当下的温度及电池电量(SOC)，调整所述充电命令以改变所述充电电源的大小。

18.根据权利要求17所述的锂电池的充电方法，其特征在于，所述电池管理系统内部预设有多组对应不同温度区间的充电命令曲线，所述电池管理系统根据所述电池芯组当下的温度查表找出对应的充电命令曲线，并根据所述电池芯组当下的电池电量从所述对应的充电命令曲线上决定欲输出的所述充电命令。

19.根据权利要求11所述的锂电池的充电方法，其特征在于，当所述电池管理系统判断所述锂电池组目前为异常状态或需进行保养作业时，所述电池管理系统发出一代表零电流的充电命令给所述充电装置，令所述充电装置暂停充电。

20.根据权利要求11所述的锂电池的充电方法，其特征在于，当所述电池管理系统判断所述充电装置已进入一定电压模式时，所述电池管理系统发出一结束充电命令给所述充电装置，令所述充电装置停止充电。

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