用于锂电池充电的装置和控制方法
【专利摘要】本发明揭示了一种用于锂电池充电的装置，通过两套充电机构，完成充电均衡工作。本发明的优点在于相比于耗散型均衡，不存在热管理问题；相比于电容或电感储能的非耗散均衡，此方法均衡电流大，效率高，速度快；相比于变压器均衡，此方法无需磁芯与线圈，无磁漏，体积可控。
【专利说明】
用于锂电池充电的装置和控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及锂电池充电领域。
【背景技术】
[0002]均衡是解决电池单体差异性的关键技术。电动车辆根据使用状态可以分为充电阶段和放电与闲置阶段。针对两个阶段不同的工作特点，分别制定不同的均衡策略。
[0003]充电阶段均衡的目的就是使得所有的单体都能够充满，尽量避免单体电量不一致的情况。目前文献已经报道的充电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热电阻浪费电量的同时产生大量热量，造成热管理问题，且均衡电流相对于充电电流过于微软。
[0005]非耗散型的均衡往往利用电感和电容实现能量从电压高的单体向电压低的单体转移，均衡所需要的时间很长，不符合电池充电对快速性的要求;而且频繁的切换开关也会消耗很多能量，电能在转移过程中肯定有一部分会由于器件的损耗而被消耗掉。同轴线圈变压器均衡电路，由于绕组到各单节电池之间的导线长度和形状不同，变压比有差异，导致对各单节电池均衡的不一致。同轴线圈本身由于电磁泄露等问题，消耗了一定的能量;同时变压器的体积也限制了其在很多紧凑场合的应用。这些问题使得上述非耗散型均衡方案难以实用化。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是实现一种充电效率高、稳定、安全、可靠的均衡充电
目.ο
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:用于锂电池充电的装置，系统包括充电机和待充电的电池组，所述电池组由多个电池单元封装在上盖板和下盖板之间构成，所述电池单元由多个电池单体构成，所述充电机设有两个分别连接电池组正负极接线端的充电线夹，所述电池组设有BMS，其特征在于:
[0008]所述充电机输出电能至一个DC-DC的输入端，所述DC-DC的输出端连接直流母线，所述直流母线上的分流支线分别通过多路控制开关的其中一个开关通路连接充电电极，所述多路控制开关的开关通路数量与电池组的电池单体数量相同，每个所述电池单体均设有独立的输入电极，所述输入电极均固定在上盖板的上表面；
[0009]所述充电机设有放置电池组的支撑座，所述支撑座上方设有充电压板，所述充电压板固定在下压气缸上，所述充电电极固定在充电压板的下表面，所述充电压板下表面通过弹性连接件固定有温度传感器，所述温度传感器输出温度信号至控制器，所述控制器与BMS连接并接收BMS输出的每个电池单体的电量信号，所述控制器输出通断信号至多路控制开关和充电线夹上的开关元件。
[0010]所述输入电极为凹陷的导电金属片，所述充电电极为球形或半球形结构并通过弹性连接件固定在充电压板下表面。
[0011]所述上盖板上固定有保护盖板，所述保护盖板的四角设有固定孔并通过螺钉固定在电池组的上盖板上，所述保护盖板边缘设有供正负极接线端伸出的缺口。
[0012]所述的支撑座上至少设有两根凸出的导向柱，所述充电压板上设有与导向柱相配合的导向孔，所述支撑座设有与电池组下盖板相配合的凹腔。
[0013]所述充电压板的下表面设有烟气传感器，所述烟气传感器输出烟气信号至控制器，所述支撑座四个拐角处均设有倾斜向电池组喷射灭火材料的喷嘴，所述喷嘴通过管道与存储灭火材料的压力容器连接，所述管道上设有电磁阀，所述控制器输出控制信号至电磁阀。
[0014]所述温度传感器设有多个且均匀固定在充电压板的下表面，所述固定温度传感器的弹性连接件与固定充电电极的弹性连接件长度相同。
[0015]基于用于锂电池充电的装置的控制方法:
[0016]充电机启动，充电线夹向电池组充电，当BMS系统检测到某一电池单体达到充电保护电压后，充电线夹停止充电供电；
[0017]依次开启多路控制开关的每一个开关通路，对所有电池单元单独充电，若当前充电的电池单体达到充电保护电压后关闭当前开关通路，开启下一个开关通路，直至所有开关通路完成一次开启。
[0018]所述充电线夹的输出电流大于DC-DC的输出电流，所述DC-DC进行恒压均衡充电。
[0019]若控制器接收到温度异常信号，则关闭充电机并报警，若控制器接收到烟雾异常信号，则开启电磁阀并报警。
[0020]若控制器接收到温度异常信号，同时上升充电压板，若控制器接收到烟雾异常信号，则保持充电压板下压状态。
[0021]本发明的优点在于相比于耗散型均衡，不存在热管理问题；相比于电容或电感储能的非耗散均衡，此方法均衡电流大，效率高，速度快;相比于变压器均衡，此方法无需磁芯与线圈，无磁漏，体积可控O
【附图说明】
[0022]下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明:
[0023]图1为用于锂电池充电的装置框图。
【具体实施方式】
[0024]用于锂电池充电的装置包括充电系统和与之配套使用的电池组。
[0025]锂电池通常由多个电池单体构成电池单元，再将多个电池单元相互连接后封装在上盖板和下盖板之间构成电池组，电池单体之间以及电池单元之间的串并联关系根据电池组需要设计。
[0026]充电机为电能转换装置，用于向电池组充电，电池组的上盖板上固定有输出电能的正负极接线端，充电机上设有充电线夹，可以利用充电线夹夹持正负极接线端为电池组充电，为了便于与充电装置的其他部件配合充电，而不产生干涉，正负极接线端优选设置在上盖板的边缘，为了便于控制充电线夹工作状态，充电线夹的供电线路上设有开关元件。
[0027]充电机输出电能至一个DC-DC的输入端，DC-DC的输出端连接直流母线，直流母线上的分流支线分别通过多路控制开关的其中一个开关通路连接充电电极，DC-DC是一个直流变压模块，用于调节充电电压，每个开关通路均配有一个与之对应的充电电极，多路控制开关的开关通路数量与电池组的电池单体数量相同，这样，每个电池单体均设有独立的输入电极，为了方便充电接线，输入电极通过独立的走线，均固定在上盖板的上表面。
[0028]DC-DC的输入端和输出端均设有电压采集单元，电压采集单元输出电能至控制器，用于监控输入和输出电压，若出现异常，可以关闭装置，避免影响电池组。
[0029]充电机设有放置电池组的支撑座，支撑座用于限制和定位下盖板，支撑座设有与电池组下盖板形状相配合的凹腔，可以将电池组可靠的限制在凹腔内。支撑座上方设有充电压板，充电压板水平设置，充电压板固定在下压气缸上，通过下压气缸可控制充电压板的下压或上升，为确保充电压板上下位移的稳定可靠，支撑座上至少设有两根凸出的导向柱，充电压板上设有与导向柱相配合的导向孔。
[0030]充电电极固定在充电压板的下表面，充电电极的固定位置与电池组上盖板上的输入电极位置相对应，从而实现快速连接，输入电极为凹陷的导电金属片，充电电极为球形或半球形结构并通过弹性连接件固定在充电压板下表面，弹性连接件为弹簧或折叠的金属弹片，通过弹性连接件既能配合凹陷的导电金属片与球形或半球形结构充分接触，保证充电可靠性，也能使的充电压板与电池组上盖板之间具有一定间隙，能够在充电时确保电池组的通风散热，提高充电安全性。
[0031]电池组配有BMS(电池管理系统)，BMS设有独立的外接插口，充电机设有控制器，控制器设有信号插头，通过将信号插头插入BMS的外接插口，可以让控制器采集的BMS的信息。
[0032]控制器与BMS连接并接收BMS输出的每个电池单体的电量信号，控制器为充电总控装置，其根据设定程序输出通断信号至多路控制开关和充电线夹上的开关元件，控制多路控制开关时，可以分别控制多路控制开关的不同开关通路导通或关闭。
[0033]充电压板下表面通过弹性连接件固定有温度传感器，温度传感器设有多个且均匀固定在充电压板的下表面，固定温度传感器的弹性连接件与固定充电电极的弹性连接件长度相同，通过外设的温度传感器，能够精确采集电池当前温度，避免内部系统故障导致内部温度参数的异常，通过弹性连接件能够保证温度传感器接触的可靠性，确保参数的精准，温度传感器输出温度信号至控制器，若温度异常时，可以进行停止充电的控制，避免发生意外。
[0034]由于上盖板上不仅有正负极接线端，还有大量的输入电极，为避免发生断路事故，上盖板上固定有保护盖板，保护盖板的四角设有固定孔并通过螺钉固定在电池组的上盖板上，保护盖板边缘设有供正负极接线端伸出的缺口，通过增加保护盖板进一步提高充电装置和与之配套的电池组工作的稳定性和可靠性。
[0035]充电压板的下表面设有烟气传感器，烟气传感器输出烟气信号至控制器，能够在发生火情时，及时发现报警，此外支撑座四个拐角处均设有倾斜向电池组喷射灭火材料的喷嘴，喷嘴通过管道与存储灭火材料的压力容器连接，管道上设有电磁阀，控制器输出控制信号至电磁阀，还能在发生火情时进行灭火处理。
[0036]本发明充电装置使用安全方便，在使用前取下保护盖板后，将电池组放置在支撑座内，在BMS上插上信号插头，控制下压气缸下降，之后充电机按照设定的程序充电即可，充电结束后，下压气缸上升，充电压板随之上升，取下电池组，装上保护盖板即完成了一次均衡充电。
[0037]基于用于锂电池充电的装置的控制方法:
[0038]充电机启动，充电线夹向电池组充电，当BMS系统检测到某一电池单体达到充电保护电压后，充电线夹停止充电供电；
[0039]依次开启多路控制开关的每一个开关通路，对所有电池单元单独充电，若当前充电的电池单体达到充电保护电压后关闭当前开关通路，开启下一个开关通路，直至所有开关通路完成一次开启。
[0040]充电线夹的输出电流大于DC-DC的输出电流，DC-DC进行恒压均衡充电。其基本原理是充电初始阶段充电机对电池组进行恒流充电，以较大的电流将电池组接近“充满”。当BMS系统检测到某一电池单体率先达到充电保护电压后，充电机停止恒流充电；转而在BMS系统的控制下，DC-DC通过多路开关依次对所有电池单体进行恒压“均衡”充电，直到所有单体均达到充电保护电压后充电停止。此时所有单体均充满，达到预期目标。
[0041]若控制器接收到温度异常信号(超过设定温度)，则关闭充电机并报警，同时上升充电压板，让热量尽快散去，避免发生火灾，若控制器接收到烟雾异常信号(烟雾浓度超过设定温度)，则开启电磁阀并报警，并保持充电压板下压状态，充电压板下压能够减小内部氧气摄入量避免火情扩大，配合灭火喷嘴能够有效的控制火情。
[0042]上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.用于锂电池充电的装置，系统包括充电机和待充电的电池组，所述电池组由多个电池单元封装在上盖板和下盖板之间构成，所述电池单元由多个电池单体构成，所述充电机设有两个分别连接电池组正负极接线端的充电线夹，所述电池组设有BMS，其特征在于: 所述充电机输出电能至一个DC-DC的输入端，所述DC-DC的输出端连接直流母线，所述直流母线上的分流支线分别通过多路控制开关的其中一个开关通路连接充电电极，所述多路控制开关的开关通路数量与电池组的电池单体数量相同，每个所述电池单体均设有独立的输入电极，所述输入电极均固定在上盖板的上表面； 所述充电机设有放置电池组的支撑座，所述支撑座上方设有充电压板，所述充电压板固定在下压气缸上，所述充电电极固定在充电压板的下表面，所述充电压板下表面通过弹性连接件固定有温度传感器，所述温度传感器输出温度信号至控制器，所述控制器与BMS连接并接收BMS输出的每个电池单体的电量信号，所述控制器输出通断信号至多路控制开关和充电线夹上的开关元件。2.根据权利要求1所述的用于锂电池充电的装置，其特征在于:所述输入电极为凹陷的导电金属片，所述充电电极为球形或半球形结构并通过弹性连接件固定在充电压板下表面。3.根据权利要求1或2所述的用于锂电池充电的装置，其特征在于:所述上盖板上固定有保护盖板，所述保护盖板的四角设有固定孔并通过螺钉固定在电池组的上盖板上，所述保护盖板边缘设有供正负极接线端伸出的缺口。4.根据权利要求3所述的用于锂电池充电的装置，其特征在于:所述的支撑座上至少设有两根凸出的导向柱，所述充电压板上设有与导向柱相配合的导向孔，所述支撑座设有与电池组下盖板相配合的凹腔。5.根据权利要求4所述的用于锂电池充电的装置，其特征在于:所述充电压板的下表面设有烟气传感器，所述烟气传感器输出烟气信号至控制器，所述支撑座四个拐角处均设有倾斜向电池组喷射灭火材料的喷嘴，所述喷嘴通过管道与存储灭火材料的压力容器连接，所述管道上设有电磁阀，所述控制器输出控制信号至电磁阀。6.根据权利要求1所述的用于锂电池充电的装置，其特征在于:所述温度传感器设有多个且均匀固定在充电压板的下表面，所述固定温度传感器的弹性连接件与固定充电电极的弹性连接件长度相同。7.基于权利要求1-6所述用于锂电池充电的装置的控制方法，其特征在于: 充电机启动，充电线夹向电池组充电，当BMS系统检测到某一电池单体达到充电保护电压后，充电线夹停止充电供电； 依次开启多路控制开关的每一个开关通路，对所有电池单体单独充电，若当前充电的电池单体达到充电保护电压后关闭当前开关通路，开启下一个开关通路，直至所有开关通路完成一次开启。8.根据权利按要求7所述的控制方法，其特征在于:所述充电线夹的输出电流大于DC-DC的输出电流，所述DC-DC进行恒压均衡充电。9.根据权利按要求7或8所述的控制方法，其特征在于:若控制器接收到温度异常信号，则关闭充电机并报警，若控制器接收到烟雾异常信号，则开启电磁阀并报警。10.根据权利按要求9所述的控制方法，其特征在于:若控制器接收到温度异常信号，同时上升充电压板，若控制器接收到烟雾异常信号，则保持充电压板下压状态。
【文档编号】H01M10/44GK106059015SQ201610647073
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月9日 公开号201610647073.9, CN 106059015 A, CN 106059015A, CN 201610647073, CN-A-106059015, CN106059015 A, CN106059015A, CN201610647073, CN201610647073.9
【发明人】宣善俊, 刘钊见
【申请人】安徽安耐捷新能源科技有限公司