電池充電系統、方法以及電池管理裝置的製作方法
2023-05-23 05:02:16 1
專利名稱：電池充電系統、方法以及電池管理裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池領域，特別是涉及一種電池充電系統、方法以及電池管理裝置。
背景技術：
由多個電池單元串聯組成的電池變得日益流行，並被廣泛用於如電動車和電動自行車等的器件中。這種電池通常由6、8或其他數目的鉛酸電池單元組成，並輸出6V、8V、12V或16V的電壓。給這種由串聯的電池單元組成的電池充電時，通常利用電池管理系統來監測電池的充電狀況。電池管理系統也可以監測到單個電池單元的狀態信息最常被監測的電池單元的狀態信息是電壓，電流和溫度等。由於單個電池單元的狀態信息可能不同於相鄰的電池單元的狀態信息，因此相應地，所得到的監測值也會不一樣。每個電池單元的狀態信息對每個電池單元的充電效率影響很大,進而也就影響著整個電池的充電效率。通常情況下，電源與電池相連,並對其充電。在充電過程中，充電電流流入電池，如果所有的電池單元是串聯的，充電電流也將流經所有的電池單元。如果一個電池單元的充電效率下降,就將影響電池中所有電池單元的充電效率。由此,致使一些電池單元充電不足，而一些電池單元過度充電。因此，如何使得電池中每一個電池單元以最高效率等級充電，並由此提高了整個電池的充電效率成為亟待解決的技術問題。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一種電池充電系統，方法及電池管理裝置，通過使電池中每一個電池單元以最高效率充電，從而提高整個電池的充電效率。在本發明一個實施例中，提供了一種電池充電系統，用來給由多個電池單元組成的電池充電。這種電池充電系統包括電池充電器和電池管理單兀。電池充電器用來輸出充電電流，電池管理單元用來監測在充電過程中每個電池單元的充電狀態，並將充電狀態的信息傳輸給電池充電器。電池管理單元還包含多個的均衡電路。每一個均衡電路包含旁路。每一個均衡電路由電池管理單元獨立控制。本發明還提供了一種用於給包含多個電池單元的電池充電的電池充電方法。此方法包括以下步驟在充電初期，通過電池充電器為多個電池單元提供恆定充電電流，通過電池管理單元監測多個電池單元的充電狀態；當第一個電池單元的電壓達到預設值時，導通此電池單元對應的旁路，並向此電池單元提供經旁路分流後的充電電流；當所有的電池單元對應的均衡開關都閉合了至少一次之後，通過電池充電器，為電池單元提供恆定充電電壓，並向電池單元提供低於最大旁路電流的充電電流；以及當電池的充電電流低於預設值時，根據從電池管理單元接受到的充電狀態調整電池充電器為電池單元提供的充電電壓。在本發明的另一個實施例中，提供了 一個電池管理裝置，用來控制包含多個電池單元的電池的充電過程，其包含多個均衡電路，每個均衡電路分別與對應的電池單元連接，每個均衡電路進一步包括由均衡開關和均衡電阻組成的旁路。其中，每個均衡開關獨立於其他的均衡開關被單獨地控制，以使每個旁路也獨立於其他的旁路被單獨地控制。本發明的優點在於使由多個電池單元組成的電池充電更為有效。通過閱讀後續的
，具體實施方法和權利要求書，本發明的其他優點和特徵將呈現。
圖1所示為根據本發明的一個實施例的電池充電器的電路示意圖；圖2所示為根據本發明的一個實施例的電池充電器與電池管理單元在充電時的電路不意圖；圖3所示為在電池充電過程的第一階段的旁路的示意圖；圖4所示為在電池充電過程的第二階段的旁路的示意圖；圖5所示為在電池充電過程中電池的充電電流和電壓的示意圖；圖6所示為在電池充電過程中一個電池單元的充電電流和電壓的示意圖；圖7所示為在電池充電過程中電池的充電電流和電壓與兩個電池單元的充電電流和電壓的對比示意圖；圖8所示為根據本發明的一個實施例的電池管理方法的流程示意圖。
具體實施例方式圖1所示為根據本發明的一個實施例的電池充電器102的電路示意圖100。電池充電器102包括功率因素補償(Power Factor Correction, PFC)單元104,零點電壓開關(Zero Voltage Switch, ZVS)單兀 106 和微處理器(Micro-ControIler Unit,MCU) 108。PFC單元104與輸入電源(圖中未示出)連接。ZVS單元106連至輸出端(圖中未示出)，用於輸出充電電流。MCU 108接收來自通過傳輸總線120傳輸的電池單元的狀態信息。MCU 108通過溫度傳感器110和溫度緩衝器118來監測電池充電器102的溫度。MCU 108還通過電流緩衝器117來監測充電電流，並通過電壓緩衝器116來監測充電電壓。同時MCU 108監控PFC單元104以及ZVS單元106的運行狀態。基於獲得的狀態信息，MCU 108控制並調整PFC單元104和ZVS單元106的運行狀態。圖2所示為如本發明如圖1所示實施例的電池充電器102與電池管理單元(Battery Management Unit,BMU) 202 —起運行來給電池204充電的電路示意圖200。電池204包含多個串聯的電池單元214，216，218和220。電池管理單元202包含分別對應於所述多個電池單元214，216，218和220的多個均衡電路206，208，210和212。每一個均衡電路分別監測對應的電池單元的電壓，充電電流和溫度等狀態信息。每一個均衡電路還包括一個對應的旁路。每一個旁路由均衡開關Si和均衡電阻Ri組成。當均衡開關Si關閉，對應的旁路導通,產生流經對應的旁路的旁路電流IEi。每一個均衡電路將監測到的對應的電池單元的狀態信息從BMU 202經由傳輸總線120實時地傳輸給電池充電器102。電池充電器102中的MCU108利用由BMU 202接收到的電池單元的狀態信息來控制電池充電器102的輸出。通過控制對應的均衡開關，即閉合或斷開對應的均衡開關，進而導通對應的旁路，以控制流經每個電池單元的充電電流。BMU 202可以獨立地控制每一個均衡電路206，208，210或212。例如均衡開關SiQ < i SN)可以斷開，而相鄰的均衡開關Si+1是閉合的。通過獨立地控制每一個均衡電路，使每個電池單元可以在電池單元、電池充電器102和BMU202的最佳狀態下充電。儘管電池充電器102和BMU 202在圖2所示實施例中是作為兩個獨立的單元示出，然而電池充電器102和BMU 202也可以組成電池充電系統222，並設於一個集成電路中或單個晶片上。每一個均衡電路的運行狀態都是由電池充電器102中的MCU 108控制的。MCU 108通過從對應的電池單元接收到的狀態信息(例如，對應的電池單元的電壓、充電電流和溫度等)來決定了每一個均衡電路中的均衡開關斷開或閉合。MCU 108決定電池充電器102和BMU 202的最佳的工作狀態，從而M⑶108可以指示ZVS單元106輸出理想的充電電流，並通過傳輸總線120向均衡電路206、208、210或212發送指令，使其斷開或閉合對應的均衡開關Si。以下為了更好地描述本發明的運行狀況，先做如下定義與假設:BMU 202中所有的均衡電阻Ri均相同即:R1 = R2 = R3 = = Rn = R ；每一個電池單元的電壓標註為:Vcelll ≈ Vcell2 ≈… ≈ Vcelln ≈ ≈ VcellN ≈ Vcell_avg，其中，Vc-avg代表電池組中所有電池單元的平均電壓；一個電池單元的最佳恆定充電電壓標註為=Vto11M;一個電池單元的最佳浮充電壓標註為^。611+ ；每個均衡電路提供的最大旁路電流為:IE_眶=Vcell_cv/R ；每個電池單元的最大充電電流是;電池充電器102輸出的充電電流是1.#。本發明的電池充電系統的充電過程可以分為四個階段。在第一階段，即恆流充電階段，以恆定的最大充電電流對電池單元充電。在充電過程的初期，電池單元的電荷量較低，每個電池單元的電壓低於最佳恆定充電電壓火&_ 。因此，電池充電系統222以最大充電電流Ia^ax給電池204中的每個電池單元充電，此時，電池充電器102輸出的最大充電電流Idmge等於每個電池單元的最大充電電流Ia-_。圖3所示為在充電過程的第一階段旁路302、304、306和308的狀態示意圖。旁路302、304、306和308的狀態是由BMU 202控制的。如圖所示，在第一階段，所有的均衡開關S:、S2、...Sn.....Sn都是斷開的，且每個電池單元的電壓Vralll、
Vcell2、 、Vcelln、 、
VcellN均低於最佳恆定充電電壓Lmvtj流過每個電池單元的充電電流為恆定的最大充電電流在第一階段時，以恆定充電電流對電池單元充電，當第一個電池單元將達到最佳恆定充電電壓VrallI時，進入電池充電過程的第二階段。在第二階段中，當任何一個電池單元的電壓達到火611_ ，BMU 202將閉合對應的均衡電路的均衡開關Si,進而導通電池單元對應的旁路，以將充電電流Ictoge的一部分分流至對應的旁路。BMU 202記錄哪一個均衡開關閉合，以及在電池單元中的哪一個電池單元具有最高充電電壓。BMU 202將把最高充電電壓的電池單元的均衡開關閉合，使這個電池單元的最高電壓下降到最佳恆定充電電壓Vm11-W將由電池充電器106輸出的充電電流Idiaw改變為具有最高充電電壓的電池單元最大充電
電 AlL I Ch-max*在第二階段，當一個電池單元達到最佳恆定充電電壓，對應的均衡開關Si閉合，將充電電流的一部分分流到對應的旁路中。最大旁路電流為IE-_，而流入電池單元的電池充電電流為由於流入電池單元的充電電流減少了 IE-max，對應的電池單元上的充電電壓也就低於火611_ 。對於某個特定的電池單元上的充電電流I—gH，有以下不等式成立:I E-max〈Icharge-1〈 Ch-max在第二階段，即部分恆流充電階段，對於達到最佳恆定充電電壓的電池單元，將以恆定充電電壓繼續為其充電，且該恆定充電電壓不會超過最佳恆定充電電壓。對於沒有達到最佳恆定充電電壓的電池單元，將以在第一階段的恆定充電電流繼續對其充電。當電池單元上的電壓低於，對應的均衡開關將斷開，以使更多的充電電流流入電池單元以增加此電池單元的電壓。當電壓達到火611_ 時，對應的均衡開關再閉合。均衡開關將重複地閉合和斷開，在初始階段，均衡開關將保持較長時間的斷開，隨著電池單元的電壓接近最佳恆定充電電壓，均衡開關將逐漸延長閉合的時間，最終將保持在較長時間的閉合狀態。對於對應的均衡開關閉合的電池單元，其充電電流為由於
是具有最高充電電壓的電池單元的充電電流，因此充電電流是所有對應的均衡開關閉合的電池單元的最大充電電流，而且這個充電電流不會引起電池單元的過度充電。對於對應的均衡開關尚未閉合的電池單元，充電電流Ictog6滿足IE__ < Icharge< ICh-max° Idlaw為不會導致任何電池單元過度充電的最大充電電流。因此，電池單元將以最快的速度充電而且不會被過度充電。圖4所示為在一個由多 個電池單元組成的電池充電過程中，一部分的電池單元對應的均衡開關閉合，一部分電池單元對應的均衡開關斷開的狀態示意圖。 在充電過程中，對於所有對應的均衡開關閉合的電池單元以恆定電壓或以接近恆定電壓的電壓充電，而對應的均衡開關處於斷開狀態的電池單元將根據其狀態以相應的充電電流充電，這些電池單元的電壓將持續增加直到每一個電池單元的電壓達到最佳恆定充電電壓VralH，此時，達到最佳恆定充電電壓的電池單元對應的均衡開關將會閉合，電池單元將以恆定電壓充電。當所有的電池單元對應的均衡開關都閉合了至少一次之後，電池充電過程進入第三階段，即恆壓充電階段。在這個階段，電池單元將以恆定電壓充電，同時，電池單元對應的均衡開關將根據電池單元上的電壓來斷開或閉合。在第三階段，電池204的充電電壓等於最佳恆定充電電壓乘以電池單元的數目，而由電池充電器106輸出的最大充電電流等於由均衡電路提供的最大芳路電流，即I—rge = Ie-_。每一個均衡開關的實時連接狀態由對應的電池單元的電壓是否超過最佳恆定充電電壓決定。在第三階段，當電池單元celln上電壓超過電池單元的最佳恆定充電電壓時，則電池單元celln對應的均衡電路開始工作。均衡電路將電池單元celln的充電電流I—維持在0到IE_max之間，即0 < Idralln < IE_max。由於最大充電電流低於最大旁路電流，即Icharge < IE__，因此避免電池單元被過度充電。在第三階段，當電池單元都在恆定電壓下充電，流過電池充電器102的總充電電流等於所有電池單元中的最大充電電流。對於其他以較低充電電流充電的電池單元，將充電電流的一部分流入旁路。因此，BMU 202可以保證每一個電池單元在恆定電壓下，以其可接收的最大充電電流充電，這樣，確保每一個電池單元以最高效率充電。
隨著均衡開關斷開與閉合，平均充電電流不斷下降。當電池204的平均充電電流低於預設值時，例如:0.02C(該預設值由電池製造商提供，其中，「C」代表電池的容量，如果電池的容量是200Ah，那麼預設值為0.02x200,即4Ah)，電池充電過程進入到第四階段，即浮充電階段，此時電池以浮充電壓充電。根據每個電池單元的電壓決定對應的均衡開關的連接狀況，並實時地調整。在第四階段，電池204的總充電電壓等於單個電池單元的最佳浮充電壓VMll_f。乘以電池單元的數量。充電電流低於均衡電路允許的最大旁路電流之下，即
IchargeE-max °在第四階段，如果電池單元celln的電壓超過最佳浮充電壓VMll_f。，電池單元celln對應的均衡電路將工作，將電池單元celln的充電電流Ictrelln維持在0到IE_max之間，
即 0 Ich-celln 〗E-max0
由於最大充電電流低 於最大旁路電流,即
^charge ^E-max，
以避免電
池單元被過度充電。在第四階段，當以浮充電壓對電池充電，電池的總充電電流Idmge等於電池單元中的最大充電電流。對於接收到的充電電流低於總充電電流Idmge的電池單元，總充電電流的一部分分流入旁路中。因此，BMU 202將保證每一個電池單元都是在浮充電壓下，以其可以接收的最大的充電電流充電。圖5所示為充電過程中電池電壓502和充電電流504的變化示意圖500。在第一階段506，以最大充電電流對電池充電，電池電壓502迅速上升，而對應的充電電流504保持恆定。在第二階段508，一部分的均衡開關閉合，電池電壓502的上升速度減慢，充電電流504也緩慢下降。在第三階段510，以恆定電壓對電池單元充電，電池電壓502幾乎不變，充電電流504繼續下降。在第四階段512，充電電流504很小，充電電壓保持恆定。圖6所示為充電過程中，電池單元電壓602b、604b、606b、608b、610b和612b以及充電電流602a、604a、606a、608a、610a和612a的變化示意圖600。其中，電池單元電壓602b、604b、606b、608b、610b和612b與圖5所示的電池電壓502相似；充電電流602a、604a、606a,608a,610a和612a與圖5所示的充電電流504相似。這種相似性將進一步在圖7中體現。圖7所示為本發明的另一個實施例的充電過程中，電池電壓702和充電電流704，電池單元電壓706和712以及充電電流708和710的變化示意圖700。圖5，圖6，圖7僅供示例，如圖所示的曲線圖均根據對一 72V電池的測量而得到，其顯示了電池電壓、電池單元電壓和充電電流在充電過程中的大致變化。圖8所示為電池充電系統222的操作流程圖800。在步驟802中，電池充電系統222開始以恆定充電電流對包含了多個電池單元的電池204充電。在步驟804中，BMU 202實時地監測每個電池單元的充電狀況，並判斷是否有任意一個電池單元的電壓等於預設值，若有一個電池單元的電壓等於預設值(例如，最佳恆定充電電壓)，操作流程圖800轉至步驟806，否則轉至步驟802。在步驟806中，電池充電系統222對電壓已達到預設值的電池單元以恆定充電電壓充電，同時對電壓尚未達到預設值的電池單元繼續以恆定充電電流充電。在步驟808中，判斷是否所有電池單元的電壓已達到預設值，若所有電池單元的電壓達到預設值，操作流程圖800轉至步驟810，否則轉至步驟806。在步驟810中，電池充電系統222以最佳恆定充電電壓給所有電池單元充電。在步驟812中，判斷充電電流是否等於預設值，若充電電流等於預設值，操作流程圖800轉至步驟814，否則轉至步驟810。在步驟814中，電池充電系統222以浮充電壓給電池單元充電。
在此使用之措辭和表達都是用於說明而非限制，使用這些措辭和表達並不將在此圖示和描述的特性之任何等同物或部分等同物排出在發明範圍之外，在權力要求的範圍內可能存在各種修改。其他的修改、變體和替代物也可能存在。因此，權力要求旨在涵蓋所有此類等同物。
權利要求
1.一種電池充電系統,用於給包含多個電池單兀的電池充電,其特徵在於,所述電池充電系統至少包括: 電池充電器，用於輸出充電電流； 電池管理單元，用於監測在充電過程中每個電池單元的充電狀態，並將充電狀態的信息傳輸給電池充電器； 其中，所述電池管理單元還包含多個均衡電路，所述每個均衡電路包括旁路，且所述每個均衡電路由所述電池管理單元單獨控制。
2.根據權利要求1所述的電池充電系統，其特徵在於，所述電池充電系統還包含: 功率因素補償單元，與電源連接； 零點電壓開關單元，連接至輸出端，用於輸出所述充電電流；以及 微處理器，用於接收所述每個電池單元的狀態，並控制所述零點電壓開關單元和所述功率因素補償單元。
3.根據權利要求1所述的電池充電系統，其特徵在於，當所述均衡開關閉合時，與所述均衡開關對應的旁路導通。
4.根據權利要求1所述的電池充電系統，其特徵在於，所述電池充電器的充電過程至少包括四個階段。
5.根據權利要求4所述的電池充電系統，其特徵在於，所述四個階段為:恆流充電階段，部分恆流充電階段，恆壓充電階段以及浮充電階段。
6.根據權利要求5所述的電池充電系統，其特徵在於，在所述恆流充電階段，所述電池管理單元斷開所述每個均衡電路中的均衡開關。
7.根據權利要求5所述的電池充電系統，其特徵在於，當第一個電池單元的電壓將達到預設值時，所述充電過程進入部分恆流階段。
8.根據權利要求5所述的電池充電系統，其特徵在於，當所有的電池單元對應的均衡開關都閉合了至少一次之後，所述充電過程進入恆流充電電壓階段。
9.根據權利要求5所述的電池充電系統，其特徵在於，當所述充電電流低於預設值時，進入所述浮充電階段。
10.一種電池充電方法，用於給包含多個電池單元的電池充電,其特徵在於,所述電池充電方法包括以下步驟: 在充電初期，通過電池充電器為所述多個電池單元提供恆定充電電流； 通過電池管理單元監測所述多個電池單元的充電狀態； 當所述多個電池單元中的第一個電池單元的電壓達到預設值時，導通所述電池單元對應的旁路，並向所述電池單元提供經旁路分流後的充電電流；當所有的電池單元對應的均衡開關都閉合了至少一次之後，通過所述電池充電器，為所述多個電池單元提供恆定充電電壓，並向所述多個電池單元提供低於最大旁路電流的充電電流；以及 當所述電池的充電電流低於預設值時，根據從所述電池管理單元接收到的充電狀態調整所述電池充電器為所述多個電池單元提供的充電電壓。
11.根據權利要求10所述的電池充電方法，其特徵在於，所述電池充電方法還包括: 通過所述電池管理單元，閉合所述多個電池單元中電壓達到預設值的電池單元的均衡開關，以導通所述電池單元對應的旁路。
12.根據權利要求10所述的電池充電方法，其特徵在於，所述電池充電方法還包括: 通過電池管理單元，斷開所述多個電池單元中電壓低於預設值的電池單元的均衡開關，以禁用所述電池單元對應的旁路。
13.一個電池管理裝置，用於控制包含多個電池單元的電池的充電過程，其特徵在於，所述電池管理裝置至少包括: 多個均衡電路，所述每個均衡電路分別與對應的電池單元連接，所述每一個均衡電路進一步包括由均衡開關以及均衡電阻組成的旁路； 其中，所述每個均衡開關獨立於其他的均衡開關被單獨地控制，以使所述每個旁路也獨立於其他的旁路被單獨地控制。
14.根據權利要求13所述的電池管理裝置，其特徵在於，所述電池管理裝置與一電池充電器連接，所述電池管理裝置根據其所接收到的電池信息以調整所述電池充電器的輸出，進而控制所述包含多個 電池單元的充電過程。
全文摘要
本發明公開了一種電池充電系統、方法以及電池管理裝置，用來給包含多個電池單元的電池充電，所述電池充電系統包括電池充電器和電池管理單元，所述電池充電器，用於輸出充電電流；所述電池管理單元，用於監測在充電過程中每個電池單元的充電狀態，並將充電狀態傳輸給電池充電器；其中，所述電池單元還包括多個均衡電路，所述每個均衡電路包括旁路，所述每個均衡電流有所述電池管理單元單獨控制。採用本發明可以使電池中每一個電池單元以最高效率等級充電，從而提高了整個電池的充電效率。
文檔編號H01M10/42GK103078356SQ20111043388
公開日2013年5月1日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年10月25日
發明者張濤, 柯景波, 徐順剛, 王紹蘭, 許建平 申請人:凹凸電子(武漢)有限公司