專利名稱：鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電方法與充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的電動(dòng)車輛領(lǐng)域的鋰動(dòng)力電池組的充電方 法與充電裝置。二、 背景技術(shù)鋰動(dòng)力電池組由于其能量密度高、比功率大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，引起了包括混合動(dòng)力 汽車在內(nèi)的電動(dòng)汽車領(lǐng)域的密切關(guān)注。越來(lái)越多的電動(dòng)汽車開(kāi)始采用鋰動(dòng)力電池作為 電源。尤其是鋰離子和鋰聚合物電池具有重量輕，容量大，內(nèi)阻小的特點(diǎn)，因而廣泛 使用。但是它又很容易損壞，如果不按照它的充電特性，可充電次數(shù)將大打折扣，將 大大降低其使用壽命，所以如何給鋰動(dòng)力電池組充電是當(dāng)前要解決的重要課題。鋰動(dòng)力電池組的單個(gè)電芯的電解液的擊穿電壓接近于其充滿電時(shí)的電壓，在充電過(guò)程中，當(dāng)其電壓接近結(jié)束電壓值(一般為4.1一.3V)時(shí)，必須通過(guò)細(xì)心的觀察和控 制來(lái)避免任何單個(gè)電芯由于過(guò)充電而導(dǎo)致過(guò)電壓。對(duì)于單個(gè)鋰動(dòng)力電池的電芯來(lái)說(shuō)， 其通過(guò)監(jiān)控保證其電壓不超過(guò)其化學(xué)性能所允許的電壓值較容易。串聯(lián)鋰動(dòng)力電池組 中的鋰動(dòng)力電芯則面臨很復(fù)雜的問(wèn)題，由于各個(gè)電芯電量均存在一定的不一致性，因 此即使整個(gè)鋰動(dòng)力電池組的電壓在安全電壓范圍內(nèi)，也可能因?yàn)楦鲉蝹€(gè)電芯之間的電 量不平衡，而導(dǎo)致其中某個(gè)電芯因過(guò)電壓而損壞。因此，在鋰動(dòng)力電池組電壓升到恒 壓充電設(shè)定值時(shí)，必須對(duì)每個(gè)電芯進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致電芯性能異常有兩個(gè)方面的原因內(nèi)阻的變化和因老化而容量不足。在任何一種情況下，如果電池組合中的一個(gè)電芯存在性能異常，在大功率充電時(shí)， 這個(gè)電芯就可能首先過(guò)電壓。而且個(gè)別容量不足或高內(nèi)阻的電芯在充放電時(shí)容易出現(xiàn) 大幅度電壓震蕩，存在著過(guò)電壓的隱患。對(duì)于使用電池的設(shè)備來(lái)講，人們希望電芯平 衡并達(dá)到電池組合的最大可用容量。但在充電過(guò)程中， 一個(gè)不平衡的電芯可能過(guò)早地 達(dá)到結(jié)束電壓值時(shí)，并觸發(fā)充電器停止充電。所以如何保持每個(gè)鋰動(dòng)力電池電芯充電 容量平衡是目前鋰動(dòng)力電池組要解決的主要問(wèn)題。目前，對(duì)鋰動(dòng)力電池組充電有并聯(lián)充電和串聯(lián)充電兩種方法。為了降低成本，通 常人們采用串聯(lián)充電的方法，監(jiān)測(cè)總的串聯(lián)電壓不超過(guò)總電池組過(guò)壓值，但這種方法 很容易引起個(gè)別單體鋰動(dòng)力電池的過(guò)電壓充電和電芯充電的不均衡，大大降低鋰動(dòng)力 電池組的使用壽命。目前，鋰動(dòng)力電池組串聯(lián)充電過(guò)程中， 一般有兩種電芯容量平衡方法轉(zhuǎn)移法和消耗法。轉(zhuǎn)移法的電芯平衡方法是將電荷從電量高的電芯轉(zhuǎn)移到電量 較低的電芯。但是對(duì)于電芯個(gè)數(shù)較多的鋰動(dòng)力電池組，轉(zhuǎn)移法所需的電路是非常復(fù)雜和繁瑣的，其可靠性非常低；消耗法則是先找出組合中電量高的電芯，然后通過(guò)一個(gè) 阻抗裝置放掉過(guò)剩的電荷使之與電量較低的電芯相一致。其問(wèn)題也是需要大量的開(kāi)關(guān) 電路，且消耗能量較大。為了盡量滿足單個(gè)鋰動(dòng)力電池的充電特性，對(duì)鋰動(dòng)力電池組的每個(gè)鋰電池電芯單 獨(dú)充電，即并聯(lián)充電法為效果較好的方法。并聯(lián)充電法雖然每個(gè)單體鋰動(dòng)力電池的充 電電壓較低，但由于其充電支路多，每個(gè)充電支路的電流較大，充電器的各支路總充 電電流較高，充電器的體積非常大，所以成本相當(dāng)高，使鋰動(dòng)力電池的充電裝置成本 非常高，很難實(shí)現(xiàn)。三、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種鋰動(dòng)力電池組串并 聯(lián)切換充電方法與充電裝置，使用該方法和裝置為鋰動(dòng)力電池組充電，提高了鋰動(dòng)力 電池組的安全性及循環(huán)使用壽命，充電成本低，充電裝置的體積小。為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明的充電方法技術(shù)解決方案是 一種鋰動(dòng)力電池組串 并聯(lián)切換充電方法，其包括以下步驟-(1) 、檢測(cè)電池組與充電器的連接情況和各個(gè)電池電芯單元的電壓值，如果發(fā)生 連接不可靠的情況，則顯示故障信號(hào)；當(dāng)確認(rèn)連接完好后，首先判斷是否有鋰動(dòng)力電 池電芯單元電壓低于預(yù)充電電壓值，如果有，則開(kāi)始對(duì)該單元進(jìn)行預(yù)充電；預(yù)充電的 方式為串聯(lián)充電，串聯(lián)電流控制在預(yù)充電電流值；如果沒(méi)有，直接進(jìn)入步驟(2);(2) 、當(dāng)預(yù)充電結(jié)束后，檢測(cè)電池電芯中有無(wú)單元電壓高于電池的結(jié)束電壓值； 如果有，則進(jìn)行并聯(lián)充電；如果沒(méi)有，則進(jìn)行串聯(lián)充電，在串聯(lián)充電時(shí)，監(jiān)測(cè)各個(gè)電 芯的電壓是否有高于結(jié)束電壓值，當(dāng)電池組中有一電芯電壓到達(dá)結(jié)束電壓值時(shí)，串聯(lián) 充電結(jié)束，開(kāi)始進(jìn)行并聯(lián)充電；(3) 、在并聯(lián)充電時(shí)，監(jiān)測(cè)各個(gè)電池電芯單元的電壓值和電流值，保證電池電芯 單元電壓不高于其結(jié)束電壓值，且當(dāng)充電電流小于涓流電流結(jié)束值時(shí)，該電池電芯單 元充滿。當(dāng)全部電池電芯都充滿時(shí)，鋰動(dòng)力電池組的充電完成；在整個(gè)充電過(guò)程中，時(shí)刻檢測(cè)鋰動(dòng)力電池的溫度， 一旦發(fā)現(xiàn)電池溫度過(guò)高，則停 止充電，并給出故障信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)上述所述的鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電方法的充電裝置其包括以下四 個(gè)部分電路電源主回路(l):包括整流電路11，直流濾波電容和預(yù)充電電路12，電壓傳感器 13，由開(kāi)關(guān)電路器件及其保護(hù)緩沖回路組成的開(kāi)關(guān)橋式電路14，充電電流傳感器15 和串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)16;外部電源接到整流電路ll的輸入端上，整流電路ll的輸出端 與直流濾波電容和預(yù)充電電路12并聯(lián)形成直流母線的正、負(fù)極，電壓于直流母線的正、負(fù)極上；開(kāi)關(guān)橋式電路14的直流輸入端的正、負(fù)極并聯(lián)在直流母線 的正負(fù)極之間；開(kāi)關(guān)橋式電路14為可控開(kāi)關(guān)半橋電路、或者可控開(kāi)關(guān)全橋電路、或者 可控開(kāi)關(guān)半橋和不可控開(kāi)關(guān)半橋組成的混合開(kāi)關(guān)全橋電路；開(kāi)關(guān)橋式電路14的一輸出 端串聯(lián)充電電流傳感器15后連接在串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)16的一個(gè)輸入端上，另一輸出端 連接在串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)16的另一個(gè)輸入端上，串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)16是一個(gè)雙路輸入、 雙雙路輸出的切換開(kāi)關(guān)，其可由接觸器組成，或者由可互鎖的斷路器組成或者是可互 鎖的開(kāi)關(guān)，其需要保證輸出的互鎖，即任何時(shí)候輸出只能有一對(duì)輸出，保證并聯(lián)充電 和串聯(lián)充電的互鎖?？刂齐娐钒?2):包括并聯(lián)支路信號(hào)單元21、開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元22、線圈信 號(hào)電路23、電壓電流信號(hào)電路24、控制處理器25和信號(hào)顯示單元26;其中并聯(lián)支路 信號(hào)單元21包括每個(gè)電池電芯單元信息電路，開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元22包括串充斷 路器切換電路和斬波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路；信號(hào)顯示單元26包括各電池組和充電裝置的狀態(tài) 顯示電路和與外界計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的通訊電路；控制電路板的信號(hào)電源和電路驅(qū)動(dòng)電 源來(lái)自于直流母線的正、負(fù)極。并聯(lián)支路信號(hào)單元21的各輸出輸入端分別連接并聯(lián)充電電路的各并聯(lián)充電單元 Um的控制信息交換電路Um5的各信號(hào)輸入輸出端，其輸入輸出端與控制處理器25的并 聯(lián)信號(hào)輸出輸入端相連；開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元22的串并聯(lián)切換信號(hào)輸出端連接串并 聯(lián)切換開(kāi)關(guān)16的信號(hào)輸入端，其開(kāi)關(guān)橋式電路開(kāi)關(guān)器件的各信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出端分別連接 開(kāi)關(guān)橋式電路14的各個(gè)開(kāi)關(guān)電路器件的信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸入端，其輸入端連接控制處理器25 的一信號(hào)輸出端；線圈信號(hào)電路23的輸入端和反饋線圈42對(duì)應(yīng)連接，其輸出端和控 制處理器25的一輸入端相連；電壓電流信號(hào)電路24的各信號(hào)輸入端分別連接電壓傳 感器13、充電電流傳感器15和輸出電壓傳感器33的信號(hào)輸出端，其輸出端連接到控 制處理器25的信號(hào)輸入端；信號(hào)通訊顯示單元26的輸出輸入端連接控制處理器25的 通訊接口。(3) 串聯(lián)充電電路包括濾波電感31、濾波電容32及輸出電壓傳感器33;串并聯(lián) 切換開(kāi)關(guān)16的串聯(lián)輸出端串聯(lián)濾波電感31后，再并聯(lián)濾波電容32和輸出電壓傳感器 33后，最終接入鋰動(dòng)力電池組的總電源的正、負(fù)輸入端。(4) 并聯(lián)充電電路包括多繞組變壓器的初級(jí)線圈41，反饋線圈42，鐵心43，與 鋰動(dòng)力電池組的電芯單元數(shù)相同的獨(dú)立的次級(jí)線圈nl、 n2、 n3"'nn，次級(jí)線圈nl、 n2、 n3…nn對(duì)應(yīng)連接的Ul,U2，U3…Un并聯(lián)充電單元；n代表鋰動(dòng)力電池組的電芯單 元數(shù)；串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)16的并聯(lián)輸出端連接初級(jí)線圈41的兩輸入端；初級(jí)線圈41、 反饋線圈42和nl、 n2、 n3…nn次級(jí)線圈共同纏繞在鐵心43上，組成變壓器T，實(shí) 現(xiàn)不同高低電壓的切換；在每個(gè)次級(jí)線圈nl、 n2、 n3…nn上連接有一個(gè)并聯(lián)充電單元Ul， U2， U3…Un，針對(duì)每個(gè)電池電芯單元進(jìn)行獨(dú)立的電壓和充電電流的控制；Um代表Ul,U2，U3…Un中任一個(gè)并聯(lián)充電單元，Nm代表nl、 n2、 n3…nn中任一個(gè)次級(jí)線圈，Em代表El、 E2、 E3…En中任一個(gè)電池電芯，Um的輸入端為多繞組變壓器T的一個(gè)次級(jí)線圈Nm，其輸出端連接鋰電池組的一個(gè)電池電芯單元Em的正、負(fù)極，其內(nèi)部包括控制單片機(jī)或控制電路Uml，并聯(lián)充電單元的電源部分Um2，單個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3，并聯(lián)充電單元的電流檢測(cè)電路Um4，與控制電路板上的并聯(lián)支路信號(hào)單元21進(jìn)行控制信息交換的控制信息通訊電路Um5;并聯(lián)充電單元的電源部分Um2的信號(hào)電源輸出端接到控制單片機(jī)或控制電路Uml的電源輸入端，其充電電源的輸出端接電池電芯單元Em的正、負(fù)極，次級(jí)線圈Nm兩端連接并聯(lián)充電單元的電源部分Um2的電源輸入端；單個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3的信號(hào)輸入端接電池電芯單元El、E2、…Em電壓正、負(fù)極，其信號(hào)輸出端接控制單片機(jī)或控制電路Uml的電壓信號(hào)輸入端；并聯(lián)充電單元的電流檢測(cè)電路Um4的電流信號(hào)輸入端串入并聯(lián)充電單元Um的輸出 端，其信號(hào)輸出端連接到控制單片機(jī)或控制電路Uml的電流信號(hào)輸入端；控制信息通訊電路Um5的信號(hào)輸入輸出端連接控制單片機(jī)或控制電路Uml的通訊 連接端口，另一輸入輸出端通訊端經(jīng)光耦與控制電路板(2)上的并聯(lián)充電接口 21的輸 出輸入端連接，傳遞的主要信號(hào)有電池電芯單元Em的電壓和溫度故障信號(hào)，充電狀態(tài) 信號(hào)以及充電單元的使能信號(hào)等。上述所述的單個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3無(wú)論充電裝置工作于串聯(lián)狀 態(tài)或并聯(lián)狀態(tài)，其始終檢測(cè)各鋰動(dòng)力電池單元電芯的電壓和溫度，當(dāng)電壓和溫度超過(guò) 正常范圍時(shí)，并聯(lián)充電時(shí)切斷充電裝置的輸出，Uml通過(guò)控制信息通訊電路Um5發(fā)給并 聯(lián)支路信號(hào)單元21，由控制處理器25進(jìn)行相應(yīng)電壓和溫度控制。本發(fā)明將串聯(lián)充電和并聯(lián)充電集成到單體充電設(shè)備中，在監(jiān)視電路、控制電路和 切換電路的控制下，很好地實(shí)現(xiàn)了串、并聯(lián)充電的切換，在電池組其中一個(gè)單體電池 電芯的電壓低于預(yù)充電電壓值時(shí)，串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)16即切換到串聯(lián)充電電路，并控制 電流在預(yù)充電電流值，當(dāng)沒(méi)有單體電池電芯的電壓低于預(yù)充電電壓值后，則根據(jù)結(jié)束 電壓值和涓流電流結(jié)束值的要求分別控制串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)16切換進(jìn)行串聯(lián)充電或者并 聯(lián)充電。本發(fā)明對(duì)電池組進(jìn)行串聯(lián)充電時(shí)，雖然充電功率高，電壓大，但采取一個(gè)支 路即可為電池組的所有單個(gè)電池電芯充電，其充電電流小，成本低，本發(fā)明對(duì)電池組 進(jìn)行并聯(lián)充電時(shí)，此時(shí)鋰動(dòng)力電池已有個(gè)別電芯進(jìn)入并聯(lián)充電的階段，或者某個(gè)電池 電芯首先達(dá)到結(jié)束電壓值，此時(shí)鋰動(dòng)力電池所需充電功率已很小，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行并 聯(lián)獨(dú)立充電，雖然支路數(shù)較多，但是所需電流很小，充電器的成本不高。總之，本發(fā)明在盡量滿足單個(gè)鋰動(dòng)力電池的不同階段充電的充電要求的情況下，降低了充電裝置 的成本，大大縮小了其充電裝置的體積，尤其是對(duì)大容量鋰動(dòng)力電池組的充電裝置， 其成本和體積降低地更加顯著。保持了每個(gè)鋰動(dòng)力電池電芯充電容量的平衡，保證了對(duì)每個(gè)電池單元的充分保護(hù)和最佳工作狀況，提高了鋰動(dòng)力電池的安全性及循環(huán)使用 壽命。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述-圖l為本發(fā)明的充電方法的控制流程示意圖；圖2為本發(fā)明的充電裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的充電裝置中其中一個(gè)并聯(lián)充電單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的充電裝置工作于串聯(lián)充電工況時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明的充電裝置工作于并聯(lián)充電工況時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。 五具體實(shí)施例方式充電控制方法如

圖1所示，其包括以下步驟1、當(dāng)開(kāi)機(jī)以后，控制部分完成開(kāi)機(jī)自檢后，就開(kāi)始檢測(cè)電池組與充電器的連接情 況和各個(gè)電池電芯單元的電壓值，如果發(fā)生連接不可靠的情況，則顯示故障信號(hào)。當(dāng) 確認(rèn)連接完好后，則首先判斷是否有鋰動(dòng)力電池電芯單元電壓低于預(yù)充電電壓值。如 果有，則開(kāi)始對(duì)該單元進(jìn)行預(yù)充電。預(yù)充電的方式為串聯(lián)充電，串聯(lián)電流控制在預(yù)充電電流值；如果沒(méi)有，直接進(jìn)入步驟2。 2、當(dāng)預(yù)充電結(jié)束后，檢測(cè)電池電芯中有無(wú)單 元電壓高于電池的結(jié)束電壓值。如果有，則串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)切換到并聯(lián)充電電路；如 果沒(méi)有，則開(kāi)始進(jìn)行串聯(lián)充電。在切換時(shí)，采用自動(dòng)控制切換來(lái)完成。在串聯(lián)充電時(shí)， 監(jiān)測(cè)各個(gè)電芯單元是否有高于結(jié)束電壓值。當(dāng)電池組中有一電池電芯電壓到達(dá)結(jié)束值 時(shí)，串聯(lián)充電結(jié)束。串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)切換到并聯(lián)充電電路，使能各個(gè)并聯(lián)充電單元， 開(kāi)始進(jìn)行并聯(lián)充電。3、在并聯(lián)充電時(shí)，監(jiān)測(cè)各個(gè)電池電芯單元的電壓值和電流值，保證每個(gè)電池電芯 單元電壓不高于電池結(jié)束電壓值，且當(dāng)充電電流小于涓流電流結(jié)束值時(shí)，該電池電芯 單元充滿，輸出充滿信號(hào)，當(dāng)全部電池的充滿信號(hào)都輸入到控制部分時(shí)，鋰動(dòng)力電池 組的充電完成，輸出充電完成信號(hào)。在整個(gè)充電過(guò)程中，時(shí)刻檢測(cè)鋰動(dòng)力電池的溫度， 一旦發(fā)現(xiàn)電池溫度過(guò)高，則停止充電，并輸出故障信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)上述所述的鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電方法的充電裝置如圖2所示， 其包括四個(gè)部分電路電源主回路(l):包括整流電路ll，直流濾波電容和預(yù)充電電路 12，電壓傳感器13，由開(kāi)關(guān)電路器件及其保護(hù)緩回路組成的開(kāi)關(guān)橋式電路14，充電電 流傳感器15和串并聯(lián)切換繼電器16?？刂齐娐钒?2):包括并聯(lián)支路信號(hào)單元21、開(kāi) 關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元22、線圈信號(hào)電路23、電壓電流信號(hào)電路24、控制處理器25和信號(hào)顯示單元26。串聯(lián)充電電路(3):包括濾波電感31、濾波電容32及輸出電壓傳感 器33。并聯(lián)充電電路(4):包括多繞組變壓器的初級(jí)線圈41，反饋線圈42，鐵心43， 與鋰動(dòng)力電池組的電芯單元數(shù)相同的獨(dú)立的次級(jí)線圈nl、 n2、 n3…nn，次級(jí)線圈nl、 n2、 n3…nn對(duì)應(yīng)連接的Ul，U2,U3…Un并聯(lián)充電單元；n代表鋰動(dòng)力電池組的電芯單 元數(shù)。初級(jí)線圈41、反饋線圈42和nl、 n2、 n3…nn次級(jí)線圈共同纏繞在鐵心43上， 組成變壓器T。 Nm代表nl、 n2、 n3…nn中任一個(gè)次級(jí)線圈，Um代表Ul, U2, U3…Un 中任一個(gè)并聯(lián)充電單元；Um并聯(lián)充電單元包括控制單片機(jī)或控制電路Uml，并聯(lián)充電 單元的電源部分Um2，單個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3，并聯(lián)充電單元的電流 檢測(cè)電路Um4，與控制電路板上的并聯(lián)支路信號(hào)單元21進(jìn)行控制信息交換的控制信息 通訊電路Um5。串并聯(lián)切換充電裝置的具體工作方式如下所示-當(dāng)鋰電池組與充電裝置連接完成，開(kāi)始工作后，電源經(jīng)整流電路11，直流濾波電 容和預(yù)充電電路12充電，控制電路板(2)開(kāi)始工作，此時(shí)并聯(lián)支路信號(hào)單元21及并聯(lián) 充電電路(4)中的各個(gè)并聯(lián)充電單元工作，監(jiān)測(cè)每個(gè)電池電芯單元信息，同時(shí)電壓傳感 器13，輸出電壓傳感器33采集輸入電源電壓和電池組總電壓信號(hào)，各傳感器信號(hào)輸入 到控制電路板上的電壓電流信號(hào)電路24、同時(shí)顯示單元26工作，輸出電池組的充電狀 態(tài)信息?？刂齐娐钒?2)上的控制處理器25按照充電方法中串并聯(lián)切換的控制方法 確定串并聯(lián)方式的選擇。如果有電池單元需要預(yù)充電，則進(jìn)入預(yù)充電；如果滿足串聯(lián) 充電條件，則開(kāi)始進(jìn)行串聯(lián)充電；如果有電池單元電壓已到達(dá)結(jié)束電壓值，則進(jìn)入并 聯(lián)充電的過(guò)程。當(dāng)選擇進(jìn)行串聯(lián)充電時(shí)此時(shí)工作方式如圖4所示，此時(shí)串并聯(lián)切換繼電器16切換到串聯(lián)輸出端，并聯(lián)充 電電路中的初級(jí)線圈41、反饋線圈42，并聯(lián)充電單元的電流檢測(cè)電路Um4不工作，只 有各個(gè)并聯(lián)充電單元中的控制部分Uml,單個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3和 控制信息通訊電路Um5工作，電源由并聯(lián)充電單元的電源部分Um2提供，而并聯(lián)充電 單元的電源部分Um2的電源由電池單元Em提供。Uml、 Um3和Um5隨時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)電芯單 元上的電壓、溫度等信息，同時(shí)信息傳送給控制電路板(2)，控制電路板(2)禁止并聯(lián) 充電電路(4)工作于充電狀態(tài)。同時(shí)串聯(lián)充電電路(3)工作。電壓傳感器13以及輸出 電壓傳感器33，充電電流傳感器15的信號(hào)輸入控制電路板(2)上的電壓電流信號(hào)電 路24，經(jīng)控制電路板上的控制處理器25通過(guò)計(jì)算獲得控制恒流充電值所要求的電壓 值，同時(shí)開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元22發(fā)出控制信號(hào)給開(kāi)關(guān)橋式電路14的每個(gè)開(kāi)關(guān)器件， 進(jìn)行斬波電壓控制，對(duì)鋰動(dòng)力電池組進(jìn)行串聯(lián)恒流充電。通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)橋式電路14的 開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通占空比，調(diào)節(jié)串聯(lián)電池組的總有效電壓，來(lái)調(diào)節(jié)充電電流的大小。此 時(shí)濾波電感31和濾波電容32起平滑濾波充電電流的作用。串聯(lián)充電時(shí)的工作流程按照切換方式所要求的，當(dāng)進(jìn)入串聯(lián)充電時(shí)，電路工作于 恒流充電，隨著電池電芯單元電壓的升高，由于電池電芯的不一致性，會(huì)有個(gè)別電芯 單元首先到達(dá)電池結(jié)束電壓值,此時(shí)單個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3檢測(cè)到飽 和信息后，通過(guò)控制信息交換電路Um5將飽和信息發(fā)送到控制電路板(2)上的并聯(lián)支 路信號(hào)單元21，表征串聯(lián)充電的結(jié)束。當(dāng)選擇進(jìn)行并聯(lián)充電時(shí)此時(shí)工作方式如圖5所示。串并聯(lián)切換繼電器16切換到并聯(lián)輸出端，串聯(lián)充電電 路(3)中的濾波電感31和濾波電容32不工作。電流通過(guò)開(kāi)關(guān)橋式電路14的每個(gè)開(kāi)關(guān) 器件，通過(guò)變壓器T中的初級(jí)線圈41和鐵心43，以及此時(shí)并聯(lián)充電電路(4)中的各個(gè) 并聯(lián)充電單元U1、U2、…Un進(jìn)行多繞組的DC/DC轉(zhuǎn)換，分別獨(dú)立進(jìn)行降壓穩(wěn)壓等變換， 對(duì)鋰動(dòng)力電池單元E1、 E2、…Em進(jìn)行充電。同時(shí)電池信息進(jìn)入控制電路板(2)的并聯(lián) 支路信號(hào)單元21，進(jìn)行分析。然后，再通過(guò)信號(hào)顯示單元26顯示。此時(shí)，通過(guò)充電電 流傳感器15進(jìn)行總的充電電流監(jiān)控。在并聯(lián)充電時(shí)，控制板上的反饋線圈42采集初 級(jí)線圈41輸出的電壓，通過(guò)控制電路板(2)上的線圈信號(hào)電路23提供信號(hào)給控制處理 器25。每個(gè)獨(dú)立并聯(lián)充電單元Um中，并聯(lián)充電單元的電源部分Um2控制充電電壓，使電 芯Em始終處于恒壓狀態(tài)，當(dāng)并聯(lián)充電單元的電流檢測(cè)電路Um4和單個(gè)電池電芯的電壓 和溫度采樣電路Um3檢測(cè)到電池電芯單元達(dá)到充滿狀態(tài)時(shí)，或者處于故障狀態(tài)時(shí)，向 控制電路板(2)的并聯(lián)支路信號(hào)單元21發(fā)出充滿信號(hào)或故障信號(hào)。同時(shí)時(shí)刻與控制電 路板(2)發(fā)來(lái)的使能信號(hào)等保持一致。由于每個(gè)電池電芯單元的內(nèi)阻和容量稍有不同， 故每個(gè)充電單元的輸出電流瞬時(shí)值和輸出電壓瞬時(shí)值均不相同，保證了每個(gè)電池電芯 單元的充滿。當(dāng)各個(gè)獨(dú)立并聯(lián)充電單元(以Um代表)的電芯單元中，充電電流逐漸下降，電芯 電壓逐漸升高，當(dāng)充電電流小于涓流電流結(jié)束值時(shí)，表征該單元已完成充電，均通過(guò) 控制信息交換電路Um5將飽和信息發(fā)到控制電路板(2)上的并聯(lián)支路信號(hào)單元21，表 征該電芯的并聯(lián)充電的結(jié)束。當(dāng)所有單元的充電結(jié)束信號(hào)到達(dá)控制電路板(2)上的控 制處理器25后，則全部的充電過(guò)程結(jié)束。下面以一組具體的鋰動(dòng)力電池組的充電方法 和充電裝置作說(shuō)明一組鋰動(dòng)力電池組，由60個(gè)30Ah的鋰動(dòng)力電池單元構(gòu)成。每個(gè)單元額定電壓為 3. 6V，電壓使用范圍從3. IV到4. 2V，總的電池組額定電壓216V，電壓使用范圍從190V 到250V。充電時(shí)，先檢測(cè)各個(gè)單元的輸出信號(hào)，如果有單元電壓低于2.3V，則對(duì)每個(gè) 單元先串聯(lián)充電方式進(jìn)行預(yù)充電，充電電流設(shè)定在500mA-1500mA間。當(dāng)電池電壓高于 2.3V時(shí)，則提高充電電流到恒流充電值。串聯(lián)充電輸出功率2KW，其最大電流為15A，輸出電流可調(diào)，由于其省掉了變壓器，11并且濾波電容值較小，故體積很小，且成本低。當(dāng)其對(duì)鋰動(dòng)力電池組進(jìn)行充電時(shí)，其 充電電流可設(shè)定在l-15A， 一般控制在6A左右，恒流變脈寬控制。當(dāng)有某個(gè)鋰電池單 元的電壓到達(dá)串充電壓上限的結(jié)束電壓值時(shí)，輸出信號(hào)到達(dá)并聯(lián)支路信號(hào)單元21，并 保持一定時(shí)間后，串充過(guò)程結(jié)束?？刂齐娐钒?2)將自動(dòng)控制切斷串聯(lián)充電電路(3)， 將串并聯(lián)切換繼電器16切換到并聯(lián)充電電路(4)。并聯(lián)充電電路(4)由IO個(gè)充電模塊 組成,每個(gè)模塊有6個(gè)獨(dú)立的充電回路，共60個(gè)獨(dú)立充電單元，每個(gè)回路額定輸出4. 2V, 最大電流1.5A，功率8W左右，每個(gè)模塊約50W的充電功率。這種獨(dú)立充電單元中的成 熟的電路非常多，其成本低，輸出回路隔離方便。每個(gè)充電回路對(duì)應(yīng)一個(gè)鋰動(dòng)力電池 單元。由于此時(shí)鋰電池的電量已經(jīng)串聯(lián)充電充了大部分，故并聯(lián)充電的充電功率已很 小，且可以針對(duì)每個(gè)單元的具體情況進(jìn)行不同的處理。每個(gè)動(dòng)力電池單元的充電電流 小于涓流電流結(jié)束值時(shí)(本例為0.2A)，則輸出完成信號(hào)。當(dāng)所有的電池單元均輸出充 電完成信號(hào)時(shí)，整個(gè)充電過(guò)程結(jié)束。
權(quán)利要求
1. 一種鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電方法，其特征是它包括以下步驟(1)、檢測(cè)電池組與充電器的連接情況和各個(gè)電池電芯單元的電壓值，如果發(fā)生連接不可靠的情況，則顯示故障信號(hào)；當(dāng)確認(rèn)連接完好后，首先判斷是否有鋰動(dòng)力電池電芯單元電壓低于預(yù)充電電壓值，如果有，則開(kāi)始對(duì)該單元進(jìn)行預(yù)充電；預(yù)充電的方式為串聯(lián)充電，串聯(lián)電流控制在預(yù)充電電流值；如果沒(méi)有，直接進(jìn)入步驟(2)；(2)、當(dāng)預(yù)充電結(jié)束后，檢測(cè)電池電芯中有無(wú)單元電壓高于電池的結(jié)束電壓值；如果有，則進(jìn)行并聯(lián)充電如果沒(méi)有，則進(jìn)行串聯(lián)充電，在串聯(lián)充電時(shí)，監(jiān)測(cè)各個(gè)電芯的電壓是否有高于結(jié)束電壓值，當(dāng)電池組中有一電芯電壓到達(dá)結(jié)束電壓值時(shí)，串聯(lián)充電結(jié)束，開(kāi)始進(jìn)行并聯(lián)充電；(3)、在并聯(lián)充電時(shí)，監(jiān)測(cè)各個(gè)電池電芯單元的電壓值和電流值，保證電池電芯單元電壓不高于其結(jié)束電壓值，且當(dāng)充電電流小于涓流電流結(jié)束值時(shí)，該電池電芯單元充滿，當(dāng)全部電池電芯都充滿時(shí)，鋰動(dòng)力電池組的充電完成；在整個(gè)充電過(guò)程中，時(shí)刻檢測(cè)鋰動(dòng)力電池的溫度，一旦發(fā)現(xiàn)電池溫度過(guò)高，則停止充電，并給出故障信號(hào)。
2、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電方法的鋰動(dòng)力電池組 串并聯(lián)切換充電裝置，其特征是:它包括以下四個(gè)部分電路電源主回路(l):包括整流電路(ll)，直流濾波電容和預(yù)充電電路(12)，電壓傳感 器(13)，由開(kāi)關(guān)電路器件及其保護(hù)緩沖回路組成的開(kāi)關(guān)橋式電路(14)，充電電流傳感器 (15)和串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(16);外部電源接到整流電路(ll)的輸入端上，整流電路(ll) 的輸出端與直流濾波電容和預(yù)充電電路(12)并聯(lián)形成直流母線的正、負(fù)極，電壓傳感器 (13)并聯(lián)于直流母線的正、負(fù)極上；開(kāi)關(guān)橋式電路(14)的直流輸入端的正、負(fù)極并聯(lián)在 直流母線的正負(fù)極之間；開(kāi)關(guān)橋式電路(14)的一輸出端串聯(lián)充電電流傳感器(15)后連接 在串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(16)的一個(gè)輸入端上，另一輸出端連接在串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(16)的另一 個(gè)輸入端上；控制電路板(2):包括并聯(lián)支路信號(hào)單元(21)、開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元(22)、線圈 信號(hào)電路(23)、電壓電流信號(hào)電路(24)、控制處理器(25)和信號(hào)顯示單元(26);其中并 聯(lián)支路信號(hào)單元(21)包括每個(gè)電池電芯單元信息電路，開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元(22)包括 串充斷路器切換電路和斬波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路；信號(hào)顯示單元(26)包括各電池組和充電裝置 的狀態(tài)顯示電路和與外界計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的通訊電路；控制電路板(2)的信號(hào)電源和電 路驅(qū)動(dòng)電源來(lái)自于直流母線的正、負(fù)極；并聯(lián)支路信號(hào)單元(21)的各輸出輸入端分別連接并聯(lián)充電電路的各并聯(lián)充電單元Um的控制信息交換電路Um5的各信號(hào)輸入輸出端，其輸入輸出端與控制處理器(25)的 并聯(lián)信號(hào)輸出輸入端相連；開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元(22)的串并聯(lián)切換信號(hào)輸出端連接串 并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(16)的信號(hào)輸入端，其開(kāi)關(guān)橋式電路開(kāi)關(guān)器件的各信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出端分別連 接開(kāi)關(guān)橋式電路(14)的各個(gè)開(kāi)關(guān)電路器件的信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸入端，其輸入端連接控制處理器 (25)的一信號(hào)輸出端；線圈信號(hào)電路(23)的輸入端和反饋線圈(42)對(duì)應(yīng)連接，其輸出端 和控制處理器(25)的一輸入端相連；電壓電流信號(hào)電路(24)的各信號(hào)輸入端分別連接電 壓傳感器(13)、充電電流傳感器(15)和輸出電壓傳感器(33)的信號(hào)輸出端，其輸出端連 接到控制處理器(25)的信號(hào)輸入端；信號(hào)通訊顯示單元(26)的輸出輸入端連接控制處理 器(25)的通訊接口；(3) 串聯(lián)充電電路包括濾波電感(31)、濾波電容(32)及輸出電壓傳感器(33);串 并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(16)的串聯(lián)輸出端串聯(lián)濾波電感(31)后，再并聯(lián)濾波電容(32)和輸出電壓 傳感器(33)后，最終接入鋰動(dòng)力電池組的總電源的正、負(fù)輸入端；(4) 并聯(lián)充電電路包括多繞組變壓器的初級(jí)線圈(41)，反饋線圈(42)，鐵心(43)， 與鋰動(dòng)力電池組的電芯單元數(shù)相同的獨(dú)立的次級(jí)線圈nl、 n2、 n3"'nn，次級(jí)線圈nl、 n2、 n3…nn對(duì)應(yīng)連接的Ul，U2,U3…Un并聯(lián)充電單元；n代表鋰動(dòng)力電池組的電芯單 元數(shù)；串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(16)的并聯(lián)輸出端連接初級(jí)線圈(41)的兩輸入端；初級(jí)線圈(41)、 反饋線圈(42)和nl、 n2、 n3…nn次級(jí)線圈共同纏繞在鐵心(43)上，組成變壓器T， 實(shí)現(xiàn)不同高低電壓的切換；在每個(gè)次級(jí)線圈nl、 n2、 n3'"nn上連接有一個(gè)并聯(lián)充電 單元Ul,U2,U3…Un，針對(duì)每個(gè)電池電芯單元進(jìn)行獨(dú)立的電壓和充電電流的控制；Um代表Ul，U2，U3…Un中任一個(gè)并聯(lián)充電單元，Nm代表nl、 n2、 n3…nn中任一 個(gè)次級(jí)線圈，Em代表El、 E2、 E3…En中任一個(gè)電池電芯，Um的輸入端為多繞組變壓器 T的一個(gè)次級(jí)線圈Nm，其輸出端連接鋰電池組的一個(gè)電池電芯單元Em的正、負(fù)極，其內(nèi) 部包括控制單片機(jī)或控制電路Uml，并聯(lián)充電單元的電源部分Um2，單個(gè)電池電芯的電 壓和溫度采樣電路Um3，并聯(lián)充電單元的電流檢測(cè)電路Um4，與控制電路板上的并聯(lián)支 路信號(hào)單元(21)進(jìn)行控制信息交換的控制信息通訊電路Um5;并聯(lián)充電單元的電源部分Um2的信號(hào)電源輸出端接到控制單片機(jī)或控制電路Uml 的電源輸入端，其充電電源的輸出端接電池電芯單元Em的正、負(fù)極，次級(jí)線圈Nm兩端 連接并聯(lián)充電單元的電源部分Um2的電源輸入端；單個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3的信號(hào)輸入端接電池電芯單元El、 E2、…Em電壓正、負(fù)極，其信號(hào)輸出端接控制單片機(jī)或控制電路Uml的電壓信號(hào)輸入 端；并聯(lián)充電單元的電流檢測(cè)電路Um4的電流信號(hào)輸入端串入并聯(lián)充電單元Um的輸出 端，其信號(hào)輸出端連接到控制單片機(jī)或控制電路Uml的電流信號(hào)輸入端；控制信息通訊電路Um5的信號(hào)輸入輸出端連接控制單片機(jī)或控制電路Uml的通訊連 接端口，另一輸入輸出端通訊端經(jīng)光耦與控制電路板(2)上的并聯(lián)充電接口(21)的輸出 輸入端連接，傳遞的主要信號(hào)有電池電芯單元Em的電壓和溫度故障信號(hào)，充電狀態(tài)信 號(hào)以及充電單元的使能信號(hào)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電裝置，其特征是所述的 開(kāi)關(guān)橋式電路(14)為可控開(kāi)關(guān)半橋電路、或者可控開(kāi)關(guān)全橋電路、或者可控開(kāi)關(guān)半橋和 不可控幵關(guān)半橋組成的混合開(kāi)關(guān)全橋電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電裝置，其特征是所 述的串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)(16)是一個(gè)雙路輸入、雙雙路輸出的切換開(kāi)關(guān)，其可由接觸器組成， 或者由可互鎖的斷路器組成或者是可互鎖的開(kāi)關(guān)，其需要保證輸出的互鎖，即任何時(shí)候 輸出只能有一對(duì)輸出。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電裝置，其特征是:所述的單 個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3無(wú)論充電裝置工作于串聯(lián)狀態(tài)或并聯(lián)狀態(tài)，其始 終檢測(cè)各鋰動(dòng)力電池單元電芯的電壓和溫度，當(dāng)電壓和溫度超過(guò)正常范圍時(shí)，并聯(lián)充電 時(shí)切斷充電裝置的輸出，Uml通過(guò)控制信息通訊電路Um5發(fā)給并聯(lián)支路信號(hào)單元(21》由 控制處理器125)進(jìn)行相應(yīng)電壓和溫度控制力
6、 根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電裝置，其特征是所 述的單個(gè)電池電芯的電壓和溫度采樣電路Um3無(wú)論充電裝置工作于串聯(lián)狀態(tài)或并聯(lián)狀 態(tài)，其始終檢測(cè)各鋰動(dòng)力電池單元電芯的電壓和溫度，當(dāng)電壓和溫度超過(guò)正常范圍時(shí)， 并聯(lián)充電時(shí)切斷充電裝置的輸出，Uml通過(guò)控制信息通訊電路Um5發(fā)給并聯(lián)支路信號(hào)單 元(2D，由控制處理器(25)進(jìn)行相應(yīng)電壓和溫度控制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鋰動(dòng)力電池組串并聯(lián)切換充電方法與充電裝置，充電裝置包括整流電路、直流濾波電容和預(yù)充電電路、電壓傳感器、開(kāi)關(guān)橋式電路、充電電流傳感器和串并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)的電源主回路，包括并聯(lián)支路信號(hào)單元、開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制單元、線圈信號(hào)電路、電壓電流信號(hào)電路、控制處理器和信號(hào)顯示單元的控制電路板，包括濾波電感、濾波電容及輸出電壓傳感器的串聯(lián)充電電路和包括多繞組變壓器的初級(jí)線圈、反饋線圈、鐵心、多個(gè)次級(jí)線圈和多個(gè)并聯(lián)充電單元的并聯(lián)充電電路。充電方法按照設(shè)定的預(yù)充電電壓值和結(jié)束電壓值來(lái)進(jìn)行預(yù)充電、串聯(lián)充電和并聯(lián)充電。本發(fā)明降低了充電裝置的成本和體積，保持了每個(gè)鋰動(dòng)力電池電芯充電容量的平衡，保證了對(duì)每個(gè)電池單元的充分保護(hù)和最佳工作狀況，提高了鋰動(dòng)力電池的安全性及循環(huán)使用壽命。
文檔編號(hào)H02J7/10GK101262140SQ20081009440
公開(kāi)日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者劉云海, 劉漢民, 文仕周, 王志國(guó), 苗保生, 高鳳龍 申請(qǐng)人:劉云海;王志國(guó);苗保生