均衡充電裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種均衡充電裝置，通過兩套充電機(jī)構(gòu)，完成充電均衡工作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于相比于耗散型均衡，不存在熱管理問題；相比于電容或電感儲能的非耗散均衡，此方法均衡電流大，效率高，速度快；相比于變壓器均衡，此方法無需磁芯與線圈，無磁漏，體積可控。
【專利說明】
均衡充電裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鋰電池充電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]均衡是解決電池單體差異性的關(guān)鍵技術(shù)。電動車輛根據(jù)使用狀態(tài)可以分為充電階段和放電與閑置階段。針對兩個階段不同的工作特點(diǎn)，分別制定不同的均衡策略。
[0003]充電階段均衡的目的就是使得所有的單體都能夠充滿，盡量避免單體電量不一致的情況。目前文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道的充電均衡一般使用耗散型均衡或非耗散型均衡。
[0004]耗散型均衡方案中散熱電阻浪費(fèi)電量的同時產(chǎn)生大量熱量，造成熱管理問題，且均衡電流相對于充電電流過于微軟。
[0005]非耗散型的均衡往往利用電感和電容實(shí)現(xiàn)能量從電壓高的單體向電壓低的單體轉(zhuǎn)移，均衡所需要的時間很長，不符合電池充電對快速性的要求;而且頻繁的切換開關(guān)也會消耗很多能量，電能在轉(zhuǎn)移過程中肯定有一部分會由于器件的損耗而被消耗掉。同軸線圈變壓器均衡電路，由于繞組到各單節(jié)電池之間的導(dǎo)線長度和形狀不同，變壓比有差異，導(dǎo)致對各單節(jié)電池均衡的不一致。同軸線圈本身由于電磁泄露等問題，消耗了一定的能量;同時變壓器的體積也限制了其在很多緊湊場合的應(yīng)用。這些問題使得上述非耗散型均衡方案難以實(shí)用化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)一種充電效率高、穩(wěn)定、安全、可靠的均衡充電
目.ο
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:均衡充電裝置，系統(tǒng)包括充電機(jī)和待充電的電池組，所述電池組由多個電池單元封裝在上蓋板和下蓋板之間構(gòu)成，所述電池單元由多個電池單體構(gòu)成，所述充電機(jī)設(shè)有兩個分別連接電池組正負(fù)極接線端的充電線夾，所述電池組設(shè)有BMS，其特征在于:
[0008]所述充電機(jī)輸出電能至一個DC-DC的輸入端，所述DC-DC的輸出端連接直流母線，所述直流母線上的分流支線分別通過多路控制開關(guān)的其中一個開關(guān)通路連接充電電極，所述多路控制開關(guān)的開關(guān)通路數(shù)量與電池組的電池單元數(shù)量相同，每個所述電池單元均設(shè)有獨(dú)立的輸入電極，所述輸入電極均固定在上蓋板的上表面；
[0009]所述充電機(jī)設(shè)有放置電池組的支撐座，所述支撐座上方設(shè)有充電壓板，所述充電壓板固定在下壓氣缸上，所述充電電極固定在充電壓板的下表面，所述控制器與BMS連接并接收BMS輸出的每個電池單體的電量信號和每個電池單體溫度信號，所述控制器輸出通斷信號至多路控制開關(guān)和充電線夾上的開關(guān)元件。
[0010]所述輸入電極為凹陷的導(dǎo)電金屬片，所述充電電極為球形或半球形結(jié)構(gòu)并通過彈性連接件固定在充電壓板下表面。
[0011]所述上蓋板上固定有保護(hù)蓋板，所述保護(hù)蓋板的四角設(shè)有固定孔并通過螺釘固定在電池組的上蓋板上，所述保護(hù)蓋板邊緣設(shè)有供正負(fù)極接線端伸出的缺口。
[0012]所述的支撐座上至少設(shè)有兩根凸出的導(dǎo)向柱，所述充電壓板上設(shè)有與導(dǎo)向柱相配合的導(dǎo)向孔，所述支撐座設(shè)有與電池組下蓋板相配合的凹腔。
[0013]所述充電壓板的下表面設(shè)有煙氣傳感器，所述煙氣傳感器輸出煙氣信號至控制器，所述支撐座四個拐角處均設(shè)有傾斜向電池組噴射滅火材料的噴嘴，所述噴嘴通過管道與存儲滅火材料的壓力容器連接，所述管道上設(shè)有電磁閥，所述控制器輸出控制信號至電磁閥。
[0014]均衡充電裝置的控制方法:
[0015]充電機(jī)啟動，充電線夾向電池組充電，當(dāng)BMS系統(tǒng)檢測到某一電池單元的所有電池單體均達(dá)到充電保護(hù)電壓后，充電線夾停止充電供電；
[0016]依次開啟多路控制開關(guān)的每一個開關(guān)通路，對所有電池單元單獨(dú)充電，若當(dāng)前充電的電池單元內(nèi)所有電池單體達(dá)到充電保護(hù)電壓后關(guān)閉當(dāng)前開關(guān)通路，開啟下一個開關(guān)通路，直至所有開關(guān)通路完成一次開啟。
[0017]所述充電線夾的輸出電流大于DC-DC的輸出電流，所述DC-DC進(jìn)行恒壓均衡充電。
[0018]若控制器接收到溫度異常信號，則關(guān)閉充電機(jī)并報(bào)警，若控制器接收到煙霧異常信號，則開啟電磁閥并報(bào)警。
[0019]若控制器接收到溫度異常信號，同時上升充電壓板，若控制器接收到煙霧異常信號，則保持充電壓板下壓狀態(tài)。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于相比于耗散型均衡，不存在熱管理問題；相比于電容或電感儲能的非耗散均衡，此方法均衡電流大，效率高，速度快;相比于變壓器均衡，此方法無需磁芯與線圈，無磁漏，體積可控O
【附圖說明】
[0021]下面對本發(fā)明說明書中每幅附圖表達(dá)的內(nèi)容作簡要說明:
[0022]圖1為均衡充電裝置框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]均衡充電裝置包括充電系統(tǒng)和與之配套使用的電池組。
[0024]鋰電池通常由多個電池單體構(gòu)成電池單元，再將多個電池單元相互連接后封裝在上蓋板和下蓋板之間構(gòu)成電池組，電池單體之間以及電池單元之間的串并聯(lián)關(guān)系根據(jù)電池組需要設(shè)計(jì)。
[0025]充電機(jī)為電能轉(zhuǎn)換裝置，用于向電池組充電，電池組的上蓋板上固定有輸出電能的正負(fù)極接線端，充電機(jī)上設(shè)有充電線夾，可以利用充電線夾夾持正負(fù)極接線端為電池組充電，為了便于與充電裝置的其他部件配合充電，而不產(chǎn)生干涉，正負(fù)極接線端優(yōu)選設(shè)置在上蓋板的邊緣，為了便于控制充電線夾工作狀態(tài)，充電線夾的供電線路上設(shè)有開關(guān)元件。
[0026]充電機(jī)輸出電能至一個DC-DC的輸入端，DC-DC的輸出端連接直流母線，直流母線上的分流支線分別通過多路控制開關(guān)的其中一個開關(guān)通路連接充電電極，DC-DC是一個直流變壓模塊，用于調(diào)節(jié)充電電壓，每個開關(guān)通路均配有一個與之對應(yīng)的充電電極，多路控制開關(guān)的開關(guān)通路數(shù)量與電池組的電池單元數(shù)量相同，這樣，每個電池單元均設(shè)有獨(dú)立的輸入電極，為了方便充電接線，輸入電極通過獨(dú)立的走線，均固定在上蓋板的上表面。
[0027]DC-DC的輸入端和輸出端均設(shè)有電壓采集單元，電壓采集單元輸出電能至控制器，用于監(jiān)控輸入和輸出電壓，若出現(xiàn)異常，可以關(guān)閉裝置，避免影響電池組。
[0028]充電機(jī)設(shè)有放置電池組的支撐座，支撐座用于限制和定位下蓋板，支撐座設(shè)有與電池組下蓋板形狀相配合的凹腔，可以將電池組可靠的限制在凹腔內(nèi)。支撐座上方設(shè)有充電壓板，充電壓板水平設(shè)置，充電壓板固定在下壓氣缸上，通過下壓氣缸可控制充電壓板的下壓或上升，為確保充電壓板上下位移的穩(wěn)定可靠，支撐座上至少設(shè)有兩根凸出的導(dǎo)向柱，充電壓板上設(shè)有與導(dǎo)向柱相配合的導(dǎo)向孔。
[0029]充電電極固定在充電壓板的下表面，充電電極的固定位置與電池組上蓋板上的輸入電極位置相對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)快速連接，輸入電極為凹陷的導(dǎo)電金屬片，充電電極為球形或半球形結(jié)構(gòu)并通過彈性連接件固定在充電壓板下表面，彈性連接件為彈簧或折疊的金屬彈片，通過彈性連接件既能配合凹陷的導(dǎo)電金屬片與球形或半球形結(jié)構(gòu)充分接觸，保證充電可靠性，也能使的充電壓板與電池組上蓋板之間具有一定間隙，能夠在充電時確保電池組的通風(fēng)散熱，提高充電安全性。
[0030]電池組配有BMS(電池管理系統(tǒng))，BMS設(shè)有獨(dú)立的外接插口，充電機(jī)設(shè)有控制器，控制器設(shè)有信號插頭，通過將信號插頭插入BMS的外接插口，可以讓控制器采集的BMS的信息。
[0031]控制器與BMS連接并接收BMS輸出的每個電池單體的電量信號，控制器為充電總控裝置，其根據(jù)設(shè)定程序輸出通斷信號至多路控制開關(guān)和充電線夾上的開關(guān)元件，控制多路控制開關(guān)時，可以分別控制多路控制開關(guān)的不同開關(guān)通路導(dǎo)通或關(guān)閉。
[0032]控制器同時采集BMS內(nèi)每個電池單體的溫度信號，通過利用BMS采集電池單體的溫度信號，能夠降低設(shè)備投入成本，不需要另增加裝置采集溫度，也能實(shí)時有效的監(jiān)控電池的溫度狀況。若溫度異常時，可以進(jìn)行停止充電的控制，避免發(fā)生意外。
[0033]由于上蓋板上不僅有正負(fù)極接線端，還有大量的輸入電極，為避免發(fā)生斷路事故，上蓋板上固定有保護(hù)蓋板，保護(hù)蓋板的四角設(shè)有固定孔并通過螺釘固定在電池組的上蓋板上，保護(hù)蓋板邊緣設(shè)有供正負(fù)極接線端伸出的缺口，通過增加保護(hù)蓋板進(jìn)一步提高充電裝置和與之配套的電池組工作的穩(wěn)定性和可靠性。
[0034]充電壓板的下表面設(shè)有煙氣傳感器，煙氣傳感器輸出煙氣信號至控制器，能夠在發(fā)生火情時，及時發(fā)現(xiàn)報(bào)警，此外支撐座四個拐角處均設(shè)有傾斜向電池組噴射滅火材料的噴嘴，噴嘴通過管道與存儲滅火材料的壓力容器連接，管道上設(shè)有電磁閥，控制器輸出控制信號至電磁閥，還能在發(fā)生火情時進(jìn)行滅火處理。
[0035]本發(fā)明充電裝置使用安全方便，在使用前取下保護(hù)蓋板后，將電池組放置在支撐座內(nèi)，在BMS上插上信號插頭，控制下壓氣缸下降，之后充電機(jī)按照設(shè)定的程序充電即可，充電結(jié)束后，下壓氣缸上升，充電壓板隨之上升，取下電池組，裝上保護(hù)蓋板即完成了一次均衡充電。
[0036]基于均衡充電裝置的控制方法:
[0037]充電機(jī)啟動，充電線夾向電池組充電，當(dāng)BMS系統(tǒng)檢測到某一電池單元的所有電池單體均達(dá)到充電保護(hù)電壓后，充電線夾停止充電供電；
[0038]依次開啟多路控制開關(guān)的每一個開關(guān)通路，對所有電池單元單獨(dú)充電，若當(dāng)前充電的電池單元內(nèi)所有電池單體達(dá)到充電保護(hù)電壓后關(guān)閉當(dāng)前開關(guān)通路，開啟下一個開關(guān)通路，直至所有開關(guān)通路完成一次開啟。
[0039]充電線夾的輸出電流大于DC-DC的輸出電流，DC-DC進(jìn)行恒壓均衡充電。其基本原理是充電初始階段充電機(jī)對電池組進(jìn)行恒流充電，以較大的電流將電池組接近“充滿”。當(dāng)BMS系統(tǒng)檢測到某一電池單元率先達(dá)到充電保護(hù)電壓后，充電機(jī)停止恒流充電；轉(zhuǎn)而在BMS系統(tǒng)的控制下，DC-DC通過多路開關(guān)依次對所有電池單元進(jìn)行恒壓“均衡”充電，直到所有單體均達(dá)到充電保護(hù)電壓后充電停止。此時所有單體均充滿，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
[0040]若控制器接收到溫度異常信號(超過設(shè)定溫度)，則關(guān)閉充電機(jī)并報(bào)警，同時上升充電壓板，讓熱量盡快散去，避免發(fā)生火災(zāi)，若控制器接收到煙霧異常信號(煙霧濃度超過設(shè)定溫度)，則開啟電磁閥并報(bào)警，并保持充電壓板下壓狀態(tài)，充電壓板下壓能夠減小內(nèi)部氧氣攝入量避免火情擴(kuò)大，配合滅火噴嘴能夠有效的控制火情。
[0041]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.均衡充電裝置，系統(tǒng)包括充電機(jī)和待充電的電池組，所述電池組由多個電池單元封裝在上蓋板和下蓋板之間構(gòu)成，所述電池單元由多個電池單體構(gòu)成，所述充電機(jī)設(shè)有兩個分別連接電池組正負(fù)極接線端的充電線夾，所述電池組設(shè)有BMS，其特征在于: 所述充電機(jī)輸出電能至一個DC-DC的輸入端，所述DC-DC的輸出端連接直流母線，所述直流母線上的分流支線分別通過多路控制開關(guān)的其中一個開關(guān)通路連接充電電極，所述多路控制開關(guān)的開關(guān)通路數(shù)量與電池組的電池單元數(shù)量相同，每個所述電池單元均設(shè)有獨(dú)立的輸入電極，所述輸入電極均固定在上蓋板的上表面； 所述充電機(jī)設(shè)有放置電池組的支撐座，所述支撐座上方設(shè)有充電壓板，所述充電壓板固定在下壓氣缸上，所述充電電極固定在充電壓板的下表面，所述控制器與BMS連接并接收BMS輸出的每個電池單體的電量信號和每個電池單體溫度信號，所述控制器輸出通斷信號至多路控制開關(guān)和充電線夾上的開關(guān)元件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電裝置，其特征在于:所述輸入電極為凹陷的導(dǎo)電金屬片，所述充電電極為球形或半球形結(jié)構(gòu)并通過彈性連接件固定在充電壓板下表面。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的均衡充電裝置，其特征在于:所述上蓋板上固定有保護(hù)蓋板，所述保護(hù)蓋板的四角設(shè)有固定孔并通過螺釘固定在電池組的上蓋板上，所述保護(hù)蓋板邊緣設(shè)有供正負(fù)極接線端伸出的缺口。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的均衡充電裝置，其特征在于:所述的支撐座上至少設(shè)有兩根凸出的導(dǎo)向柱，所述充電壓板上設(shè)有與導(dǎo)向柱相配合的導(dǎo)向孔，所述支撐座設(shè)有與電池組下蓋板相配合的凹腔。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的均衡充電裝置，其特征在于:所述充電壓板的下表面設(shè)有煙氣傳感器，所述煙氣傳感器輸出煙氣信號至控制器，所述支撐座四個拐角處均設(shè)有傾斜向電池組噴射滅火材料的噴嘴，所述噴嘴通過管道與存儲滅火材料的壓力容器連接，所述管道上設(shè)有電磁閥，所述控制器輸出控制信號至電磁閥。6.基于權(quán)利要求1-5所述均衡充電裝置的控制方法，其特征在于: 充電機(jī)啟動，充電線夾向電池組充電，當(dāng)BMS系統(tǒng)檢測到某一電池單元的所有電池單體均達(dá)到充電保護(hù)電壓后，充電線夾停止充電供電； 依次開啟多路控制開關(guān)的每一個開關(guān)通路，對所有電池單元單獨(dú)充電，若當(dāng)前充電的電池單元內(nèi)所有電池單體達(dá)到充電保護(hù)電壓后關(guān)閉當(dāng)前開關(guān)通路，開啟下一個開關(guān)通路，直至所有開關(guān)通路完成一次開啟。7.根據(jù)權(quán)利按要求6所述的控制方法，其特征在于:所述充電線夾的輸出電流大于DC-DC的輸出電流，所述DC-DC進(jìn)行恒壓均衡充電。8.根據(jù)權(quán)利按要求6或7所述的控制方法，其特征在于:若控制器接收到溫度異常信號，則關(guān)閉充電機(jī)并報(bào)警，若控制器接收到煙霧異常信號，則開啟電磁閥并報(bào)警。9.根據(jù)權(quán)利按要求8所述的控制方法，其特征在于:若控制器接收到溫度異常信號，同時上升充電壓板，若控制器接收到煙霧異常信號，則保持充電壓板下壓狀態(tài)。
【文檔編號】H02J7/00GK106026315SQ201610646925
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月9日
【發(fā)明人】宣善俊, 劉釗見
【申請人】安徽安耐捷新能源科技有限公司