电池化成分容系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电池化成分容系统。本发明包括能量双向传递的线性充放电单元、DC-DC单元、DC-AC单元；电池依次通过线性充放电单元、低压直流母线、DC-DC单元、高压直流母线、DC-AC单元与电网连接，电池在充放电时，能量可以在低压直流母线、高压直流母线上循环利用；放电电池能量可以供给充电电池或者回馈释放到电网；本发明有以下特点1、电池放电能量循环利用，节能高效，2、系统产生的热量小，可以减少散热设备和配电设备。3、维护成本低。4、电池容量计算准确。5、对于小容量电池应用而言该方法性价比高。
【专利说明】电池化成分容系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于电池化成分容设备领域，具体涉及电池化成分容系统。
【背景技术】
[0002] 电池化成分容设备是电池制造厂生产用设备。可充电电池在生产出厂之前一般需 要对其进行几轮次的充电和放电测试，以便激活电池内的化学物质，这叫做化成。由于个体 差异，即使是同一批次的电池，其容量也存在一定的不同，而使用时往往需要将相同容量的 电池进行串并联组合，这样，就要求将相同容量的电池检测出来进行配对，这就叫做分容。 因此化成分容设备就需要对电池进行充放电，并在充放电的过程中计算每个电池的容量。 设备可以通过软件对充放电电压、电流进行设定从而适应不同容量电池使用。其核心部件 是充电和放电两部分。
[0003] 目前国内的电池生产企业大部分采用的还是原始落后的充放电设备来进行化成 分容。即充电设备和放电设备分开，充电设备将市电转化成直流电给电池供电。放电设备 一般采用电阻或者电子负载作为负载，将电池的能量通过电阻或者电子负载内部三极管发 热消耗掉。放电时，电池能量转化为热量，因此需要附加的空调设备降温。虽然一个电池能 量并不是很大，但是由于电池产量大，化成分容过程的耗能十分巨大。
[0004] 近年，已出现了一些专利技术提出将电池放电的能量循环利用，比如：
[0005] (1)专利200810068350. 6采用内外母带结构实现电池放电能量回收的方法。该 方法的充放电单元是一种双向变换的DC-DC电压转换单元，既可以充电，也可以放电。充电 时，充电电源将AC电转换为直流电，经过充放电单元给电池充电。放电时，电池通过充放电 单元将电放到直流母线上。如果电池1处于充电状态，电池2处于放电状态，则电池2的能 量被利用于给电池1充电。当放电能量大于充电能量时，多余的能量存储于蓄电池组中，当 充电能量大于放电能量时，充电电源从电网补充需要的能量。
[0006] 但是该方法存在两个缺点：
[0007] 1)蓄电池组体积大，且由于经常处于充放电工作状态，寿命短，需要经常更换，维 护成本高。
[0008] 2)蓄电池组能量和被测电池能量存在不匹配的问题，当被测电池的能量大于蓄电 池组能吸收的能量的时候，被测电池放电时，电池库电压将会很高,甚至烧毁蓄电池组。
[0009] 也有一些专利方法为了减少蓄电池组的维护成本，用电子负载代替蓄电池组，即 当放电能量大于充电能量时，电子负载将多余的能量消耗掉。这种方法存在的问题：用户使 用时，需要将处于充电状态和处于放电状态的电池分配均匀，否则，电子负载经常处于工作 状态，由于电子负载时耗能型的，因此节能效果就大打折扣。但是实际上用户使用时，是很 难操作分配均匀。
[0010] 另外，该方法中，充放电单元工作于PWM模式，开关纹波大，电流精度不高，仅适合 于大容量的铅酸蓄电池的充放电，不适合小容量的锂电池的化成分容。
[0011] (2)专利ZL200710134763. 5公开了一种节能的电池充放电方法，该方法利用并网 逆变技术和非隔离双向变换技术，实现了电池的充放电一体化，并实现了放电的节能。但是 该方法只适用于高压电池（即电池需串联多个），而电池化成的时候一般是不串联多个的， 这种方法的实用性不强。
[0012] (3)专利申请号201110297199. 5 (专利名称：一种电池节能充放电的方法及测试 系统），该专利公开的充放电测试系统包括若干个被测试电池、若干个直流-直流变换单元 (DC-DC)和一个直流-交流（DC-AC)变换单元。被测试电池分别连接到相应的DC-DC单元， 各DC-DC单元通过一个公共直流母线接到DC-AC变换单元，DC-AC变换单元又接到电网。
[0013] 采用的DC-DC和DC-AC变化单元都是双向变换器，即能量可以从左边传输到右边， 也可以从右边传输到左边。即电池既可以从电网获取能量，也可以将能量放电到电网中供 其他用电设备使用。该方法解决了专利方法1中需要的储能蓄电池的问题，对于大容量的 铅酸电池或者动力锂电池（比如车用锂电池）的化成分容，节能效果显著。但是用于小容 量的电池（比如手机电池）来说，存在以下一些问题：
[0014] 1)、电池连接的DC-DC单元工作于PWM模式，电流纹波大，电流精度达不到小容量 电池的要求。
[0015] 2)、每个电池对应的DC-DC所需用到功率器件和控制器件都较多，成本高，节电效 益和价格比不具竞争力。
【发明内容】
[0016] 本发明针对现有技术的问题提供一种电池化成分容系统，该系统能耗低，成本低。
[0017] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0018] 一种电池化成分容系统，包括：
[0019] 线性充放电单元，用于与电池连接；对电池进行充放电控制；
[0020] DC-DC单元，用于将高压直流电和低压直流电相互转换；
[0021] DC-AC单元，用于将市电和高压直流电相互转换；
[0022] 线性充放电单元通过低压直流母线与DC-DC单元连接；
[0023] DC-DC单元端通过高压直流母线与DC-AC单元连接；
[0024] 其中，线性充放电单元与电池--对应连接,线性充放电单元包括用于控制充放 电的调整管，
[0025] 1、当电池电压低于与之连接的低压直流母线电压时，与该电池连接的调整管处于 充电状态；电池从低压直流母线上吸收能量；低压直流母线通过DC-DC单元从高压直流母 线吸收能量；
[0026] 2、当电池电压高于与之连接的低压直流母线电压时，与该电池连接的调整管处于 放电状态；电池向低压直流母线释放能量；低压直流母线通过DC-DC单元向高压直流母线 释放能量；
[0027] 3、在高压直流母线上，当放电能量大于充电能量，通过DC-AC单元将高于直流电 转变为交流电，高压直流母线将能量释放到电网。当放电能量小于充电能量，通过DC-AC单 元将交流电转变为高压直流电，从电网补充吸收能量。
[0028] 进一步地，所述调整管包括两个并联的开关单元，分别为充电开关单元Q1、放电开 关单元Q2 ;当电池电压低于与之连接的低压直流母线电压时，充电开关单元Q1导通，放电 开关单元Q2断开；当电池电压高于与之连接的低压直流母线电压时，放电开关单元Q2导 通，充电开关单元Q1断开。其中，所述开关单元为三极管或MOS管或至少两个串联的MOS 管或至少两个并联的三极管或受控开关。
[0029] 进一步地，线性充放电单元包括多个三极管或多个M0S管。线性充放电单元还包 括电流控制电路，电流控制电路包括充电电流控制电路、放电电流控制电路以及电流采样 电路；电流采样电路采集电池的电压ul和低压直流母线的电压u2的电压差Λ u，该电压差 作为输入量分别向充电电流控制电路和放电电流控制电路输入；当放电时，充电电流控制 电路控制充电开关单元Q1断开；放电电流控制电路控制放电开关单元Q2闭合；当充电时， 充电电流控制电路控制充电开关单元Q1闭合；放电电流控制电路控制放电开关单元Q2断 开。
[0030] 进一步地，线性充放电单元还包括控制模块，充电电流控制电路包括比较器U1，放 电电流控制电路包括比较器U2,电流采样电路为电阻R7,电阻R7连接与电池负极和低压直 流母线的负极之间；比较器U1和比较器U2的一个同极输入端分别与电阻R7的一端连接， 比较器U1和比较器U2的另一个同极输入端分别与控制模块连接，比较器U1和比较器U2 的输出端分别与充电开关单元Q1、放电开关单元Q2的控制端连接。
[0031] 这里的控制端用于控制开关单元的导通和断开，如三极管的基极等。当然也可以 为控制芯片。控制芯片根据比较器U1、U2的输出值控制其工作状态。如控制受控开关的工 作状态。
[0032] 在操作时，需要根据电池电压和低直流母线电压来调整开关单元，这里采用电阻 R7作为电流采样电路，采集电阻R7上的电压，S卩比较电池负极和低直流母线负极之间的压 差，当出现压差时，电阻R7有电流流过，则电阻R7的一端出现电压，根据该电压值，引入比 较器U1、U2 ;控制模块可以采用数字信号处理芯片，向比较器U1、U2输入端输入两个电压给 定信号（即定值电压信号），再与上述电压值比较生成控制电压，用于控制充放电单元的调 整管的驱动电流或者驱动电压大小，从而控制充放电电流的大小。
[0033] 控制模块还与DC-DC单元连接，用于控制低压直流母线的目标电压，当电池处于 充电状态时，目标电压略高于最高目标电压，目标电压=最高目标电压+ AU1 ;当电池处于 放电状态时，目标电压略低于最低目标电压，目标电压=最低目标电压-Λ U2 ;Λ U1、A U2 均在0至IV之间，如0. 01V、0. IV等。
[0034] 由于电池的差异性，导致每个电池的电压不一样；其中最高目标电压为电池中最 高的电压，最小目标电压为电池中最小的电压。为了测出电压，控制模块与每个电池连接， 检测所有电池的电压和电流。当然，可以对电池进行分类处理，如附图1中，以η个电池为 一组进行统计，统计该组中的最高电压和最低电压。并将其设定为与相连的低压直流母线 的目标电压。
[0035] 本发明的有益效果为：
[0036] 具有以下显著效果：
[0037] 1、通过三级能量双向流动单元，同一套设备，即可以充电，又可以放电。可以将电 池放电时的直流电转化为交流电回馈电网，节能高效，产生的热量小，可以减少散热设备和 配电设备损耗。
[0038] 2、节能的同时，不需要额外的储能电池，也不需要额外的放电用电子负载，维护成 本更低，节能效率更高。
[0039] 3、和电池相连的部分为线性充放电单元，该单元的调整管工作于线性状态，而不 是PWM状态，因此电池充放电电流无高频PWM纹波，且精度更高。因此电池容量计算更准确。
[0040] 4、每个电池对应的充放电单元只需两个主调整管，而PWM工作的充放电单元需要 有电感、大电解电容、M0S管、控制1C等，成本高。对于小容量电池应用而言该方法性价比 商。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 图1为本发明的系统原理框图。
[0042] 图2为本发明的充放电单元最简原理图。
[0043] 图3为本发明的DC-DC单元的典型应用原理图。
[0044] 图4为本发明的DC-AC单元的典型应用原理图。
[0045] 图5为本发明的加上电流控制电路后的充放电单元图。
[0046] 图6为本发明的DC-DC单兀的一个典型应用原理图。
[0047] 图7为本发明的推挽双向变换器示意图。
[0048] 图8为本发明的BUCK-BOOST双向变换器示意图。
[0049] 图9为本发明的DC-AC单元的典型主电路图。
[0050] 图10为本发明的三相全桥整流/逆变电路图。
【具体实施方式】
[0051] 为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说 明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
[0052] 如图1所示，一种电池化成分容系统，包括：用于将市电和高压直流电相互转换的 DC-AC单元；DC-AC单元的直流端与高压直流母线连接，高压直流母线与Μ个用于将高压直 流电和低压直流电相互转换的DC-DC单元的高压端连接，其中每个DC-DC单元的低压端均 与一个低压直流母线连接，每个低压直流母线均通过线性充放电单元与η个电池连接。工 作时，该系统分为三级：线性充放电单元、DC-DC单元、DC-AC单元。每级都可以能量双向流 动。
[0053] 电池在充电时，电池依次通过低压直流母线、高压直流母线从电网获得能量，电池 放电时，通过线性充放电单元向低压直流母线释放能量，低压直流母线通过DC-DC单元向 高压直流母线释放能量，高压直流母线通过DC-AC单元向电网释放能量；为更好的达到节 能效果，可以让部分电池工作于充电状态，部分电池工作于放电状态，则充电电池和放电电 池的能量通过充放电单元，DC-DC单元、高压直流母线内部循环,能量不需经过DC-AC单元， 节能效果更佳。
[0054] 1、当电池电压低于与之连接的低压直流母线电压时，与该电池连接的调整管处于 充电状态；电池从低压直流母线上吸收能量；低压直流母线通过DC-DC单元从高压直流母 线吸收能量；
[0055] 2、当电池电压高于与之连接的低压直流母线电压时，与该电池连接的调整管处于 放电状态；电池向低压直流母线释放能量；低压直流母线通过DC-DC单元向高压直流母线 释放能量；
[0056] 3、在高压直流母线上，当放电能量大于充电能量，通过DC-AC单元将高于直流电 转变为交流电，将能量释放到电网。当放电能量小于充电能量，通过DC-AC单元将交流电转 变为高压直流电，从电网补充吸收能量。
[0057] 每个电池对应一个线性充放电单元，充放电单元进行电池充放电电流的控制，典 型的充放电单元最简原理图如图2所示：该充放电单元内部调整管（Q1，Q2)工作于线性区， 即通过调节调整管的驱动电压或者驱动电流来调节电池和低压直流母线之间的阻抗，从而 调节充放电电流。调整管可以是三极管，也可以是M0S管，可以是多个三极管并联，也可以 是多个M0S管串联，这里不一一列举。
[0058] η个充放电单元并联于同一个低压直流母线上，对应一个DC-DC单元，DC-DC单元 内部M0S管工作于PWM方式，对高压直流母线和低压直流母线，进行双向变换，并控制低压 直流母线电压大小。充电时，低压直流母线电压需大于各个电池的电压，放电时，低压直流 母线的电压需小于各个电池的电压。Μ个DC-DC单元并联于同一个高压直流母线端。
[0059] DC-DC单元的典型应用原理图如图3所示：其为一个隔离型boost全桥双向DC-DC 变换器。
[0060] DC-AC单元将电网的交流电整流为高压直流电（充电时），或者将高压直流电逆变 为交流电（放电时）。其控制高压直流电压大小。DC-AC单元的典型应用原理图如图4所 /_J、1 〇
[0061] 如图5所示，充放电单元中加入电流控制电路，其中，〇1，1?1，1?2，1?3，(：1，瓜构成充 电电流控制器；Q2，R4，R5，R6, C2，U2构成放电电流控制器，R7为电流采样电阻。充电时，电 流从 LVBus+，经过 Ql，Battery+, Battery-，R7 回到 LVBus-。放电时，电流从 Battery+,经 过Q2, LVBus+, LVBus-，R7回到Battery-。LVBus+, LVBus-为低压直流母线的两极端。 [0062] 充放电单元还需要有数字信号处理芯片去控制，该芯片检测在线的所有电池的电 压和电流。一方面，根据电池电压大小以及当前是处于充电模式还是放电模式来设定低压 直流母线的目标电压。如果当前处于充电模式，低压直流母线电压必须大于电池电压，能量 才能从低压直流母线充入电池内，因此，计算所有电池中的最大值后得到目标电压。如果 当前处于放电模式，低压直流母线电压必须小于电池电压，能量才能从电池内部放电到低 压直流母线上，因此，计算所有电池中的最小值后得到目标电压。该目标电压通过数模转换 (D/A)送给DC-DC单元，由DC-DC单元控制直流母线电压的大小。另一方面，该芯片根据当 前充放电模式和设定电流来产生两个电流给定信号：IChrg(充电电流给定）、IDischrg(放 电电流给定），充电时，IDischrg无效，放电时，IChrg无效。
[0063] DC-DC单兀的一个典型应用原理图如图6所不：其为一个隔离型boost全桥双向 DC-DC变换器。放电时，将低压直流母线（LVBus+、LVBus-)升压到高压直流母线（HVBUS+、 HVBus-);充电时，将高压直流母线降压到低压直流母线。
[0064] 根据功率的不同，可以采用不同的变换电路，可以采用如图7所示的推挽双向变 换器，或者采用如图8所示的BUCK-BOOST双向变换器，或者是两种变换电路的组合使用。
[0065] DC-AC单元的典型主电路如图9所示，其为一个单相全桥整流/逆变电路。该 DC-AC单元还包括有控制电路，该控制电路检测电网电压波形，通过控制四个IGBT(Q1，Q2， Q3, Q4)的交替导通，将高压直流电HVbus转化为交流电，并保证回馈至电网中的电流波形 和电网电压波形同频同相。另外该控制电路还通过稳定高压直流母线电压来保证系统功率 平衡。
[0066] 如果系统设计功率较大，DC-AC单元可以采如图10所示的三相全桥整流/逆变电 路。
[0067] 以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发 明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围 内。
【权利要求】
1. 一种电池化成分容系统，其特征在于：包括： 线性充放电单元，用于与电池连接；对电池进行充放电控制； DC-DC单元，用于将高压直流电和低压直流电相互转换； DC-AC单元，用于将市电和高压直流电相互转换； 线性充放电单元通过低压直流母线与DC-DC单元连接； DC-DC单元端通过高压直流母线与DC-AC单元连接； 其中，线性充放电单元与电池一一对应连接，线性充放电单元包括用于控制充放电电 流的调整管； 1) 、当电池电压低于与之连接的低压直流母线电压时，与该电池连接的调整管处于充 电状态；电池从低压直流母线上吸收能量；低压直流母线通过DC-DC单元从高压直流母线 吸收能量； 2) 、当电池电压高于与之连接的低压直流母线电压时，与该电池连接的调整管处于放 电状态；电池向低压直流母线释放能量；低压直流母线通过DC-DC单元向高压直流母线释 放能量； 3) 、在高压直流母线上，当放电能量大于充电能量时，通过DC-AC单元将高压直流电转 变为交流电，将能量释放到电网；当放电能量小于充电能量，通过DC-AC单元将交流电转变 为高压直流电，从电网吸收能量。
2. 根据权利要求1所述的一种电池化成分容系统，其特征在于：所述调整管包括两个 并联的开关单元，两个开关单元分别是充电开关单元Q1、放电开关单元Q2 ;当电池电压低 于与之连接的低压直流母线电压时，充电开关单元Q1导通，放电开关单元Q2断开；当电池 电压高于与之连接的低压直流母线电压时，放电开关单元Q2导通，充电开关单元Q1断开。
3. 根据权利要求2所述的一种电池化成分容系统，其特征在于：所述开关单元为三极 管或MOS管或至少两个串联的MOS管或至少两个并联的三极管或受控开关。
4. 根据权利要求2所述的一种电池化成分容系统，其特征在于：线性充放电单元还包 括电流控制电路，电流控制电路包括充电电流控制电路、放电电流控制电路以及电流采样 电路；电流采样电路采集电池的电压ul和低压直流母线的电压u2的电压差Λ u，该电压 差作为输入量分别向充电电流控制电路和放电电流控制电路输入；当电池工作于放电状态 时，充电电流控制电路控制充电开关单元Q1断开；放电电流控制电路控制放电开关单元Q2 导通；当工作于充电状态时，充电电流控制电路控制充电开关单元Q1导通；放电电流控制 电路控制放电开关单元Q2断开。
5. 根据权利要求3所述的一种电池化成分容系统，其特征在于：线性充放电单元还包 括控制模块，充电电流控制电路包括比较器U1，放电电流控制电路包括比较器U2,电流采 样电路为电阻R7,电阻R7连接与电池负极和低压直流母线的负极之间；比较器U1和比较 器U2的一个同极输入端分别与电阻R7的一端连接，比较器U1和比较器U2的另一个同极 输入端分别与控制模块连接，比较器U1和比较器U2的输出端分别与充电开关单元Q1、放电 开关单元Q2的控制端连接。
6. 根据权利要求5所述的一种电池化成分容系统，其特征在于：控制模块还与DC-DC 单元连接，用于控制低压直流母线的目标电压，当电池处于充电状态时，目标电压为最高目 标电压；当电池处于放电状态时，目标电压为最低目标电压。
【文档编号】H02J7/10GK104158273SQ201410386803
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】邹昀, 李垂猛 申请人:东莞市冠佳电子设备有限公司