均衡充電裝置及其控制方法
【專利摘要】本發明揭示了一種均衡充電裝置，通過兩套充電機構，完成充電均衡工作。本發明的優點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
技術領域
[0001]本發明涉及鋰電池充電領域。
【背景技術】
[0002]均衡是解決電池單體差異性的關鍵技術。電動車輛根據使用狀態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，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。目前文獻已經報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電量的同時產生大量熱量，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現能量從電壓高的單體向電壓低的單體轉移，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也會消耗很多能量，電能在轉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，由于繞組到各單節電池之間的導線長度和形狀不同，變壓比有差異，導致對各單節電池均衡的不一致。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用。這些問題使得上述非耗散型均衡方案難以實用化。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是實現一種充電效率高、穩定、安全、可靠的均衡充電
目.ο
[0007]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為:均衡充電裝置，系統包括充電機和待充電的電池組，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成，所述電池單元由多個電池單體構成，所述充電機設有兩個分別連接電池組正負極接線端的充電線夾，所述電池組設有BMS，其特征在于:
[0008]所述充電機輸出電能至一個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的其中一個開關通路連接充電電極，所述多路控制開關的開關通路數量與電池組的電池單元數量相同，每個所述電池單元均設有獨立的輸入電極，所述輸入電極均固定在上蓋板的上表面；
[0009]所述充電機設有放置電池組的支撐座，所述支撐座上方設有充電壓板，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和充電線夾上的開關元件。
[0010]所述輸入電極為凹陷的導電金屬片，所述充電電極為球形或半球形結構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蓋板，所述保護蓋板的四角設有固定孔并通過螺釘固定在電池組的上蓋板上，所述保護蓋板邊緣設有供正負極接線端伸出的缺口。
[0012]所述的支撐座上至少設有兩根凸出的導向柱，所述充電壓板上設有與導向柱相配合的導向孔，所述支撐座設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]充電機啟動，充電線夾向電池組充電，當BMS系統檢測到某一電池單元的所有電池單體均達到充電保護電壓后，充電線夾停止充電供電；
[0016]依次開啟多路控制開關的每一個開關通路，對所有電池單元單獨充電，若當前充電的電池單元內所有電池單體達到充電保護電壓后關閉當前開關通路，開啟下一個開關通路，直至所有開關通路完成一次開啟。
[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進行恒壓均衡充電。
[0018]若控制器接收到溫度異常信號，則關閉充電機并報警，若控制器接收到煙霧異常信號，則開啟電磁閥并報警。
[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。
[0020]本發明的優點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]下面對本發明說明書中每幅附圖表達的內容作簡要說明:
[0022]圖1為均衡充電裝置框圖。
【具體實施方式】
[0023]均衡充電裝置包括充電系統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成電池組，電池單體之間以及電池單元之間的串并聯關系根據電池組需要設計。
[0025]充電機為電能轉換裝置，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極接線端，充電機上設有充電線夾，可以利用充電線夾夾持正負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，而不產生干涉，正負極接線端優選設置在上蓋板的邊緣，為了便于控制充電線夾工作狀態，充電線夾的供電線路上設有開關元件。
[0026]充電機輸出電能至一個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的其中一個開關通路連接充電電極，DC-DC是一個直流變壓模塊，用于調節充電電壓，每個開關通路均配有一個與之對應的充電電極，多路控制開關的開關通路數量與電池組的電池單元數量相同，這樣，每個電池單元均設有獨立的輸入電極，為了方便充電接線，輸入電極通過獨立的走線，均固定在上蓋板的上表面。
[0027]DC-DC的輸入端和輸出端均設有電壓采集單元，電壓采集單元輸出電能至控制器，用于監控輸入和輸出電壓，若出現異常，可以關閉裝置，避免影響電池組。
[0028]充電機設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。支撐座上方設有充電壓板，充電壓板水平設置，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定可靠，支撐座上至少設有兩根凸出的導向柱，充電壓板上設有與導向柱相配合的導向孔。
[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，從而實現快速連接，輸入電極為凹陷的導電金屬片，充電電極為球形或半球形結構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電金屬片與球形或半球形結構充分接觸，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散熱，提高充電安全性。
[0030]電池組配有BMS(電池管理系統)，BMS設有獨立的外接插口，充電機設有控制器，控制器設有信號插頭，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，其根據設定程序輸出通斷信號至多路控制開關和充電線夾上的開關元件，控制多路控制開關時，可以分別控制多路控制開關的不同開關通路導通或關閉。
[0032]控制器同時采集BMS內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，能夠降低設備投入成本，不需要另增加裝置采集溫度，也能實時有效的監控電池的溫度狀況。若溫度異常時，可以進行停止充電的控制，避免發生意外。
[0033]由于上蓋板上不僅有正負極接線端，還有大量的輸入電極，為避免發生斷路事故，上蓋板上固定有保護蓋板，保護蓋板的四角設有固定孔并通過螺釘固定在電池組的上蓋板上，保護蓋板邊緣設有供正負極接線端伸出的缺口，通過增加保護蓋板進一步提高充電裝置和與之配套的電池組工作的穩定性和可靠性。
[0034]充電壓板的下表面設有煙氣傳感器，煙氣傳感器輸出煙氣信號至控制器，能夠在發生火情時，及時發現報警，此外支撐座四個拐角處均設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，管道上設有電磁閥，控制器輸出控制信號至電磁閥，還能在發生火情時進行滅火處理。
[0035]本發明充電裝置使用安全方便，在使用前取下保護蓋板后，將電池組放置在支撐座內，在BMS上插上信號插頭，控制下壓氣缸下降，之后充電機按照設定的程序充電即可，充電結束后，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]充電機啟動，充電線夾向電池組充電，當BMS系統檢測到某一電池單元的所有電池單體均達到充電保護電壓后，充電線夾停止充電供電；
[0038]依次開啟多路控制開關的每一個開關通路，對所有電池單元單獨充電，若當前充電的電池單元內所有電池單體達到充電保護電壓后關閉當前開關通路，開啟下一個開關通路，直至所有開關通路完成一次開啟。
[0039]充電線夾的輸出電流大于DC-DC的輸出電流，DC-DC進行恒壓均衡充電。其基本原理是充電初始階段充電機對電池組進行恒流充電，以較大的電流將電池組接近“充滿”。當BMS系統檢測到某一電池單元率先達到充電保護電壓后，充電機停止恒流充電；轉而在BMS系統的控制下，DC-DC通過多路開關依次對所有電池單元進行恒壓“均衡”充電，直到所有單體均達到充電保護電壓后充電停止。此時所有單體均充滿，達到預期目標。
[0040]若控制器接收到溫度異常信號(超過設定溫度)，則關閉充電機并報警，同時上升充電壓板，讓熱量盡快散去，避免發生火災，若控制器接收到煙霧異常信號(煙霧濃度超過設定溫度)，則開啟電磁閥并報警，并保持充電壓板下壓狀態，充電壓板下壓能夠減小內部氧氣攝入量避免火情擴大，配合滅火噴嘴能夠有效的控制火情。
[0041]上面結合附圖對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.均衡充電裝置，系統包括充電機和待充電的電池組，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成，所述電池單元由多個電池單體構成，所述充電機設有兩個分別連接電池組正負極接線端的充電線夾，所述電池組設有BMS，其特征在于: 所述充電機輸出電能至一個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的其中一個開關通路連接充電電極，所述多路控制開關的開關通路數量與電池組的電池單元數量相同，每個所述電池單元均設有獨立的輸入電極，所述輸入電極均固定在上蓋板的上表面； 所述充電機設有放置電池組的支撐座，所述支撐座上方設有充電壓板，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和充電線夾上的開關元件。2.根據權利要求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電金屬片，所述充電電極為球形或半球形結構并通過彈性連接件固定在充電壓板下表面。3.根據權利要求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蓋板，所述保護蓋板的四角設有固定孔并通過螺釘固定在電池組的上蓋板上，所述保護蓋板邊緣設有供正負極接線端伸出的缺口。4.根據權利要求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有兩根凸出的導向柱，所述充電壓板上設有與導向柱相配合的導向孔，所述支撐座設有與電池組下蓋板相配合的凹腔。5.根據權利要求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，所述管道上設有電磁閥，所述控制器輸出控制信號至電磁閥。6.基于權利要求1-5所述均衡充電裝置的控制方法，其特征在于: 充電機啟動，充電線夾向電池組充電，當BMS系統檢測到某一電池單元的所有電池單體均達到充電保護電壓后，充電線夾停止充電供電； 依次開啟多路控制開關的每一個開關通路，對所有電池單元單獨充電，若當前充電的電池單元內所有電池單體達到充電保護電壓后關閉當前開關通路，開啟下一個開關通路，直至所有開關通路完成一次開啟。7.根據權利按要求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進行恒壓均衡充電。8.根據權利按要求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，則關閉充電機并報警，若控制器接收到煙霧異常信號，則開啟電磁閥并報警。9.根據權利按要求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。
【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