一种锂离子电池组自动充放电均衡设备的制作方法

本发明涉及新能源电动汽车用动力锂离子电池组均衡技术领域，尤其涉及一种锂离子电池组自动充放电均衡设备。

背景技术：

目前，大多数电动汽车企业和研究机构均采用锂离子电池组作为其动力电池，而大功率的电动汽车所使用的锂离子电池组是由多节单体锂离子电池串并联组成，以获得较高的输出电压。但是，锂离子电池组和单体锂离子电池这二者在使用上是有很大区别的，在电池组中，各单体锂离子电池在生产制造中必然存在个体差异，在使用中老化程度也不同，随着充放电次数的增加以及时间的积累，这种差异将被累积甚至扩大，导致整个电池组的性能大打折扣或电池组寿命严重缩短。

现有的充电方式一般采用对锂电池组整体充电，这种充电方式结构简单，同时能简化电流采样电路，便于锂电池组SOC估算，但缺点同样较为明显。此充电方式不能保证所有单体电池均完全充满电，这就造成了锂电池组单体电池容量上的差异，从而导致整个电池组的性能大打折扣。目前大多数厂家对这种电池组多采用人工手动补充充放电均衡的方式，即电池组中某只电池电压过低或过高时，由人工将充电器或放电装置单独接到该电池正负极两端，为电池充电或放电，待该只电池充电或放电完毕后，再由人工更换到下一只需要充电或放电的电池。这种方式不但效率低下、安全性不高，操作人员操作不当容易引起短路，而且充电或放电后锂电池组一致性不好，均衡效果差。

技术实现要素：

发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的上述不足，提供一种锂离子电池组自动充放电均衡设备，该设备可以按照预置参数，将锂电池组中每一个单体电池自动充电或放电到设定的相同状态，较人工为电池组均衡的方式不但自动化程度高、大幅提高了工作效率、降低了成本，而且的均衡精度高、一致性好，从而提高电池组的整体性能，延长电池组的使用寿命，该设备还具有操作简单、体积小、自动化程度高、安全性好等优点。

解决技术问题所采取的技术方案：一种锂离子电池组自动充放电均衡设备，包括与锂离子电池组内每一只单体电池两极连接的充放电均衡控制接口，与锂离子电池组连接的实时采集电池组内每只单体电池当前电压信息的电池组管理装置，所述锂离子电池组自动充放电均衡设备还包括充放电控制器，所述充放电控制器包括：中央处理单元、通讯单元、触摸显示屏及充放电均衡控制单元，

所述中央处理单元，通过通讯单元接收电池组管理装置传输的锂电池组中每一只单体电池的当前电压值，通过通讯单元接收由触摸显示屏输入的预置参数，将锂离子电池组中每只单体电池当前的电压值与设定好的预置参数值进行比较，依据比较结果向充放电均衡控制单元输出充电、放电或结束均衡指令信号；

所述触摸显示屏，通过通讯单元向中央处理单元输入预置参数和工作指令，显示系统当前工作状态和参数；

充放电均衡控制单元，接收来自中央处理单元的充电、放电或结束均衡指令信号，并根据相应的指令信号通过充放电均衡控制接口对相应的单体电池执行充电、放电或结束均衡。

作为本发明的改进：所述充放电均衡控制单元由继电器切换控制电路、直流充电电路和放电电路构成，继电器切换控制电路接收中央处理单元发出的充电/放电指令信号，并依据对应的指令信号驱动充电控制开关或放电控制开关，将相应的单体电池切换至直流充电电路、放电电路或结束均衡状态。

作为本发明的进一步改进：在充放电均衡控制接口与充放电控制单元之间设有电流采样单元，电流采样单元将锂电池组中每一只单体电池均衡电流的采样值通过继电器切换控制电路传输给中央处理单元，中央处理单元将采样值与设定的保护电流上限值进行比较，当均衡电流值大于设定的保护电流值时，由中央处理单元向继电器切换控制电路输出指令信号，将该只电池与均衡控制单元断开。

进一步地，所述直流充电电路为由AC/DC开关电源、功率二极管、充电控制开关与单体电池串联构成的电路。

进一步地，所述放电电路为由大功率电阻、放电控制开关与单体电池串联构成的电路。

进一步地，所述通讯单元包括485通讯模块、CAN通讯模块和相应的通讯接口，中央处理单元与触摸显示屏之间采用485通讯模块通讯，中央处理单元与电池组管理装置之间采用CAN通讯模块通讯。

作为本发明的最佳方案：锂离子电池组自动充放电均衡设备还包括一个容纳充放电控制器的充放电控制器箱体，在充放电控制器箱体上设有通讯接口、充放电均衡控制接口、冷却风扇，电源开关。

有益效果：本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备，由于采用了所述锂离子电池组自动充放电均衡设备包括充放电均衡控制接口、电池组管理装置、充放电控制器，所述充放电控制器包括：中央处理单元、通讯单元、触摸显示屏及充放电均衡控制单元的技术方案，在对电池组进行充放电均衡时，由中央处理单元依据预置参数和单体电池当前电压值进行比较，依据比较结果控制充放电均衡控制单元，对相应的电池执行充电、放电或结束均衡，因此，本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备较人工为电池组均衡的方式不但自动化程度高、大幅提高了工作效率、降低了成本，而且的均衡精度高、一致性好，从而提高电池组的整体性能，延长电池组的使用寿命，该设备还具有操作简单、体积小、自动化程度高、安全性好等优点。由于采用了所述充放电均衡控制单元由继电器切换控制电路、直流充电电路和放电电路构成的技术特征，使本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备，结构更简单，运行更稳定可靠，制造成本更低。由于采用了在充放电均衡控制接口与充放电控制单元之间设有电流采样单元的技术特征，当某一单体电池的均衡电流值大于设定的保护电流值时，及时将该只电池与均衡控制单元断开，防止损坏设备或造成危险，进一步提高了设备的安全性和自我防护能力，使电池均衡作业更安全。由于采用了所述直流充电电路为由AC/DC开关电源、功率二极管、充电控制开关与单体电池串联构成的电路的技术特征，使单体电池的充电更可靠、速度更快、控制更方便。由于采用了所述放电电路为由大功率电阻、放电控制开关与单体电池串联构成的电路的技术特征，使单体电池的放电更易于控制。由于采用了所述通讯单元包括485通讯模块、CAN模块通讯和相应的通讯接口，中央处理单元与触摸显示屏之间采用485通讯模块通讯，中央处理单元与电池组管理装置之间采用CAN通讯模块通讯的技术特征，不但方便了各单元的联接，而且使各单元间的信息传输速度快，抗干扰能力强，实现了设备与电池组管理装置实时进行通讯，保证对每一个单体电池的电压和充放电电流实时监控，并在显示屏上显示。由于采用了锂离子电池组自动充放电均衡设备还包括一个容纳充放电控制器的充放电控制器箱体，在充放电控制器箱体上设有通讯接口、充放电均衡控制接口、冷却风扇，电源开关的技术特征，进一步优化了设备的结构，使设备结构更紧凑，操作更方便，并且散热性能更好，工作更稳定。

本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备既可用于新能源电动汽车用户日常维护电池组均衡，又可用于新能源电动汽车厂家批量对锂电池组进行均衡，更适用于锂电池梯级利用领域，对新能源电动汽车等领域淘汰的锂电池组重新充放电均衡，将这些锂电池组应用于电网储能或其他对电池性能要求较低的领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备电路原理框图；

图2是本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备中充放电均衡控制原理图；

图3是本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备中单只电池充电状态控制示意图；

图4是本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备中单只电池放电状态控制示意图；

图5是本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备中单只电池结束均衡状态控制示意图；

图6是本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备中充放电控制器箱体结构示意图；

图7是本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备使用连接实例图；

图8是本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备的工作原理流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

如图1所示，本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备包括：

与锂离子电池组1内每一只单体电池两极连接的充放电均衡控制接口2；

与锂离子电池组连接的实时采集电池组内每只单体电池当前电压信息的电池组管理装置3；

充放电控制器4，所述充放电控制器包括：中央处理单元41、通讯单元44、触摸显示屏43、电流采样单元45及充放电均衡控制单元42。

所述通讯单元包括485通讯模块、CAN通讯模块和相应的通讯接口。

所述充放电均衡控制单元包括继电器切换控制电路421、直流充电电路422和放电电路423。

通讯单元、继电器切换控制电路分别与中央处理单元相连；触摸显示屏、电池组管理装置通过通讯接口分别与通讯单元相连；电流采样单元与继电器切换控制电路相连，锂电池组通过充放电均衡控制接口和电流采样单元与直流充电电路或放电电路相连。

其中：中央处理单元通过通讯单元接收电池组管理装置传输的锂电池组中每一只电池的当前电压值。同时，中央处理单元收到由触摸显示屏输入的预置数值后，将锂电池组中每只电池的电压值依次与设定好的参数值比较，如果设定的均衡电压值大于单体电池当前电压值，中央处理单元控制继电器切换控制电路，使该单体电池与直流充电电路接通，与放电电路断开，对该电池进行充电；如果设定的均衡电压值小于电池当前电压值，中央处理单元控制继电器切换控制电路，使该单体电池与放电电路接通，与充电电路断开，对该电池进行放电。

所述触摸显示屏，通过通讯单元向中央处理单元输入预置参数和工作指令，并显示系统当前工作状态和参数；

充放电均衡控制单元，接收来自中央处理单元的充电、放电或结束均衡指令信号，并根据相应的指令信号通过充放电均衡控制接口对相应的单体电池执行充电、放电或结束均衡。

电流采样单元会在充放电均衡开始后，将锂电池组中每一只电池均衡电流的采样值通过继电器切换控制电路传输给中央处理单元，中央处理单元通过A/D转换获得电流采样值后，将采样值与设定的保护电流上限值比较，如果均衡电流值大于设定好的保护电流值，中央处理单元会控制继电器切换控制电路，将该只电池与对应的充电电路和放电电路断开，停止该只电池的均衡，并在触摸显示屏的均衡状态显示界面上显示报警信息。

下面以由八只单体锂离子电池串联组成的电池组为例，对本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备作进一步的详细说明。

如图2所示， BT1-BT8八只锂电池串联组成一个锂电池组，P1为充放电均衡控制接口，BT1-BT8的正极与P1的1-8脚相连，BT1的负极与P1的9脚相连。

K1-K8为控制充电均衡的继电器，与其对应的单刀双掷开关为充电控制开关，K1的4脚与P1的8脚相连，K2的4脚与P1的7脚相连，K3的4脚与P1的6脚相连，K4的4脚与P1的5脚相连，K5的4脚与P1的4脚相连，K6的4脚与P1的3脚相连，K7的4脚与P1的2脚相连，K8的4脚与P1的1脚相连。

K9-K16为控制放电均衡的继电器，与其对应的单刀双掷开关为放电控制开关，K9的4脚与P1的8脚相连，K10的4脚与P1的7脚相连，K11的4脚与P1的6脚相连，K12的4脚与P1的5脚相连，K13的4脚与P1的4脚相连，K14的4脚与P1的3脚相连，K15的4脚与P1的2脚相连，K16的4脚与P1的1脚相连。

需要特别说明的，以上锂电池组和继电器的连接方式，能够保证锂电池组中每一只电池的充放电均衡都是完全独立的，每一只电池的均衡并不会受到其他电池均衡状态的影响。

POWER1-POWER8为AC/DC开关电源，D1-D8为防止AC/DC开关电源电流反向的功率二极管，POWER1-POWER8通过交流220伏供电，POWER1的直流输出正极通过二极管D1与继电器K1的5脚相连，POWER1的直流输出负极与P1的9脚相连，POWER2的直流输出正极通过二极管D2与继电器K2的5脚相连，POWER2的直流输出负极与P1的8脚相连，POWER3的直流输出正极通过二极管D3与继电器K3的5脚相连，POWER3的直流输出负极与P1的7脚相连，POWER4的直流输出正极通过二极管D4与继电器K4的5脚相连，POWER4的直流输出负极与P1的6脚相连，POWER5的直流输出正极通过二极管D5与继电器K5的5脚相连，POWER5的直流输出负极与P1的5脚相连，POWER6的直流输出正极通过二极管D6与继电器K6的5脚相连，POWER6的直流输出负极与P1的4脚相连，POWER7的直流输出正极通过二极管D7与继电器K7的5脚相连，POWER7的直流输出负极与P1的3脚相连，POWER8的直流输出正极通过二极管D8与继电器K8的5脚相连，POWER8的直流输出负极与P1的2脚相连。

R1-R8为大功率电阻，继电器K9的5脚通过R1与P1的9脚相连，继电器K10的5脚通过R2与P1的8脚相连，继电器K11的5脚通过R3与P1的7脚相连，继电器K12的5脚通过R4与P1的6脚相连，继电器K13的5脚通过R5与P1的5脚相连，继电器K14的5脚通过R6与P1的4脚相连，继电器K15的5脚通过R7与P1的3脚相连，继电器K16的5脚通过R8与P1的2脚相连。

继电器K1-K16的1、2脚控制端与中央处理单元相连。

需要具体说明的，中央处理单元可控制若干组继电器切换控制电路，而每一个继电器切换控制电路可控制由1-8只单体电池组成的电池组进行充放电均衡。

下面以锂电池组中的其中一只电池为例，对本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备中充放电均衡控制单元的工作过程进行详细说明。

如图3所示，当进行充电均衡时，中央控制单元控制继电器K8、K16，使K8的充电控制开关常开触点4、5闭合，K16的放电控制开关常开触点4、5保持断开，这时电流方向如图中充电状态示意，锂电池通过开关电源充电；

如图4所示，当进行放电均衡时，中央控制单元控制继电器K8、K16，使K8的充电控制开关常开触点4、5保持断开，K16的放电控制开关常开触点4、5闭合，这时电流方向如图中放电状态示意，锂电池通过大功率电阻放电。

如图5所示，当充放电均衡结束时，中央控制单元控制继电器K8、K16，使K8的充电控制开关常开触点4、5保持断开，K16放电控制开关的常开触点4、5保持断开。

中央处理单元按照从1-N（其中N为1-16的正整数）的顺序依次对每一个锂电池组的每一只电池进行上述操作，如此使所有选择的锂电池组开始充放电均衡。

在充放电均衡开始后，中央处理单元实时与电池组管理装置进行通讯，如果通讯发生异常，在超过一定时间后，触摸显示屏会在主界面显示异常报警信息，中央处理单元会控制继电器切换控制电路，断开所有的充电电路和放电电路，停止充放电均衡。

在充放电均衡过程中，中央处理单元实时与电池组管理装置进行通讯，实时获取单体电池的电压值，并与设定的参数进行比较。如果单体电池的实际电压值达到了设定的均衡电压值，中央处理单元会控制相应的继电器切换控制电路，断开对应的充电电路和放电电路，并在触摸显示屏上的均衡状态显示界面显示出均衡完毕的状态。

在充放电均衡过程中，如果单体电池的实际电压值超过了设定的保护电压上下限值，中央处理单元会控制相应的继电器切换控制电路，将该单体电池与对应的充电电路或放电电路断开，并在触摸显示屏的主界面上显示报警信息。

需要说明的，当某一个锂电池组完成充放电均衡后，可以马上更换新的未均衡电池组进行均衡，这不会对其他正在进行均衡的电池组造成任何影响。

需要说明的，在充放电均衡过程中，AC/DC开关电源和大功率电阻会产生较高热量，散热风扇能够快速有效地排出热量，保证设备稳定运行。

如图6所示，锂离子电池组自动充放电均衡设备还包括一个容纳充放电控制器的充放电控制器箱体46，在充放电控制器箱体上设有通讯接口441、充放电均衡控制接口2、冷却风扇47，电源开关48，220V市电接口49。

图7示出了本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备与电池组的连接方法，本实施例以两个电池组同时进行充放电均衡为例对本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备与电池组的连接方法进行说明，两个电池组通过电缆串联，图中，11为电池组的总正极，12为电池组的总负极，充放电控制器通过CAN通讯总线442与电池组管理装置和触摸显示屏连接，充放电均衡控制接口通过电缆21与电池组接口13连接，电池组管理装置与电池组连接，充放电控制器接220V市电5。

如图8所示，本发明的锂离子电池组自动充放电均衡设备的工作流程如下：首先将电池组管理装置与待均衡锂电池组连接起来，再将自动充放电均衡设备与电池组管理装置的通讯连接起来。启动电池组管理装置，启动自动充放电均衡设备，如果通讯异常则检查异常情况，如果通讯正常，则连接自动充放电均衡设备与待均衡锂电池组。通过触摸显示屏进入参数设置界面设置好均衡参数，返回主界面，选择需要均衡的锂电池组编号，从而启动锂电池组自动充放电均衡。此时充放电均衡过程自动进行，如果在此过程中出现异常情况，自动充放电均衡设备会立即停止均衡操作，并发出异常报警信息，待操作人员排除异常情况后，可以重新启动充放电均衡。当锂电池组达到设置好的均衡状态时，自动充放电均衡设备会停止均衡，并发出均衡完毕的提示信息。如果还有新的待均衡锂电池组需要进行均衡，操作人员会更换均衡完毕的锂电池组，开始对新的待均衡锂电池组进行自动充放电均衡。当所有的待均衡锂电池组都已均衡完毕时，则操作完成。

该发明通过微控制芯片控制，设备可自动实现对锂电池组每一个单体电池独立充放电，具有异常报警和保护功能，从而避免了人工操作带来的危险，并能保证每一个单体电池最终达到完全一致的状态，有效提高了电池组的性能，延长了电池组的使用寿命。同时该设备可多机同时工作，多组锂电池组同时进行充电或放电均衡，大大提高了均衡效率。

如上述说明，该锂离子电池组自动充放电均衡设备操作简单，自动化程度较高，能极大提高操作人员工作效率，并且避免了人工操作带来的危险。