鋰離子動力電池無損充電機的製作方法
2023-05-06 03:00:51
專利名稱：鋰離子動力電池無損充電機的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種鋰離子動力電池無損充電機。
背景技術：
鋰離子電池由於單體電壓高、體積小、重量輕、無記憶效應、無汙染、自放電小、循 環壽命長，是一種理想電源。在實際使用中，為了獲得更高的放電電壓，一般將至少兩隻單 體電池串聯組成電池組使用。目前，鋰離子電池組已廣泛應用於筆記本電腦、電動自行車和 備用電源等多種領域，同時是方興未艾的電動汽車的最佳動力源。鋰離子蓄電池對充放電的要求，與鉛酸等可逆電化學反應類蓄電池完全不同。由 於鋰離子蓄電池成組應用技術、系統集成關鍵技術和關鍵零部件及產品研究，嚴重滯後於 鋰離子蓄電池的發展，電池成組後發生過充電、過放電、超溫和過流問題，致使成組鋰離子 蓄電池使用壽命大幅縮短，安全性大幅下降，甚至發生燃燒、爆炸等惡性事故，已經成為制 約鋰離子蓄電池產業發展的主要問題，也是當前節能與新能源汽車產業發展的技術瓶頸。我國電動汽車技術發展到今天，在車用動力電池、電機、電傳動等領域，已經取得 了一批不錯的成果。車用動力電池技術雖然還不是很成熟，但發展的速度與發達國家相比 並不算慢。對電池單體進行測量時，顯示出的各項指標基本達到設計要求。但是，真正集成 為一個動力總成，或者集成到整車上的時候，卻發現與單體測量時的情況有很大出入。車用 動力電池總成並非將一個個單體電池串聯或並聯在一起就行了那麼簡單。將數十個甚至上 百個電池集成在一起，並將它們集成到車上，在世界範圍內都是一項高新技術，絕不是看起 來那麼容易的事情，有能力解決這一難題的單位或個人也不是太多。鋰離子蓄電池系統主 要包括電池系統、充電系統、放電系統和維護管理系統。是一個函括多個技術領域和行業的 高技術集成系統。傳統充電方法1)串聯充電法目前鋰離子電池組的充電一般都採用串聯充電，這主要是因為串 聯充電結構簡單、成本較低、容易實現。但由於單體鋰離子電池在容量、內阻、衰減、自放電 等性能存在差異，將100隻放電容量都為lOOAh的鋰離子電池串聯起來組成電池組，但如果 成組前其中99隻單體鋰離子電池荷電80Ah，另外1隻單體鋰離子電池荷電lOOAh，將此電 池組進行串聯充電時，其中荷電lOOAh的那隻單體鋰離子電池會先充滿電，從而達到過充 保護電壓，為了防止這隻單體鋰離子電池被過充電，電池管理系統會將整個串聯充電電路 切斷，也就使得其他99隻電池無法充滿，從而整個電池組放電容量也就只有80Ah。串聯充 電的缺點是要麼電池組充不滿，浪費電池組的容量，要麼產生過充，發生電池爆炸的危險。2)電池管理系統和充電機協調配合串聯充電法電池管理系統是對電池的性能 和狀態了解最為全面的設備，所以將電池管理系統和充電機之間建立聯繫，就能使充電機 實時地了解電池的信息，從而更有效地解決電池的充電時產生一些的問題，但其仍屬串聯 充電，因而繼承了串聯充電的一切缺點。3)並聯充電法為了解決電池組中某些單體電池過充和充不滿的問題，產生了並
3聯充電法，但是並聯充電法需要採用多個低電壓、大電流的充電電源為每一隻單體電池充 電，存在充電電源成本高、可靠性低、充電效率低。設動力汽車採用三相交流電機，其逆變器 輸入直流電壓288V，應由80個單體電壓3. 7V的鋰動力電池組提供動力，並聯充電機必須 80個完全隔離、輸出電流200A恆流、輸出電壓3. 7V恆壓的直流電源，這些完全隔離的恆流 恆壓直流電源必須適時接入和斷開，其複雜程度在實踐中幾乎是不可能實現的。4)串聯大電流加並聯小電流充電法由於上述三種充電方法都存在問題，另發展 出一種最適合高電壓電池組，特別是電動汽車電池組的充電方法，即採用電池管理系統和 充電機協調配合、串聯大電流、恆壓限流的並聯小電流充電方法，這種充電法雖然綜合了上 述三種充電法的優點，卻完全繼承了三者的所有缺點。
發明內容
鋰離子動力電池無損充電機採用整體串聯恆流、單體並聯恆壓的充電方法，對電 池實現無損充電，無損的含意有兩層，一是充電效率接近100 %，充電功率基本無損耗，二是 充、放電完全依據圖2所示電池的特性曲線，電池本身在充、放電過程中完全無損害。該無 損充電機免除電池管理系統，僅由簡單的電路實現電池系統、充電系統、放電系統和維護管 理系統的所有功能，無過充、過熱、過放、過流、短路現象，充電終了時所有單體電池的端電 壓完全相等，無須進行均衡充電，同時無易受幹擾的複雜控制晶片和軟體，安全可靠，簡單 實用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統充電機的十分之一。整體串聯恆流充電的含義是對於電池整體，進行串聯充電，充電電源採用恆流恆 壓直流電源。單體並聯恆壓控制的含義是對於電池單體，進行並聯穩壓控制，每個單體電 池都直接並聯一個並聯穩壓電路，所有並聯穩壓電路直接串聯，可以理解為，在對整體電池 進行串聯恆流充電的同時，也在對所有串聯的並聯電源進行串聯恆流充電，串聯充電電流 是流經電池，還是流經並聯穩壓電路，取決於電池充電的端電壓。並聯穩壓電路的輸出電 壓調整為電池充電終止電壓值3. 75V，當某個與之並聯的單體電池端電壓充到此電壓值時， 並聯電路啟動，串聯恆流充電電壓流經並聯穩壓電路，而不再流經電池，該單體電池充電停 止，其他單體電池繼續進行串聯恆流充電，仿佛串聯恆流充電對直接串聯的整體電池和直 接串聯的並聯穩壓電路這兩個支路同時進行充電一樣，只不過充電的時機由並聯穩壓電路 控制，因而得名單體並聯恆壓控制。上述整體串聯恆流充電、單體並聯恆壓控制的充電方 法，具備串聯、並聯充電的所有優點，完全免除了串聯、並聯充電的所有缺點。當充電終了 時，所有單體電池的端電壓都等於與之並聯的並聯穩壓電路的沒定值3. 75V，當然不會發生 過充、過熱現象。
圖1，主電路圖；圖2，鋰離子動力電池充電特性曲線；圖3，鋰離子動力電池充電電路及其充電曲線仿真波形；圖4，鋰離子動力電池放電電路圖5，恆流恆壓電源；圖6，恆流恆壓電源輸出電壓和電流的仿真波形；
圖7，電壓切割電路圖8，電壓切割電路各點電壓的仿真波形。圖9，鋰離子單體電池26節充放電的實際電路；
圖10，鋰離子單體電池26節充電曲線仿真波形；圖11，鋰離子單體電池26節充放電電路A部份；圖12，鋰離子單體電池26節充放電電路B部份圖13，鉛酸蓄電池26節充電曲線仿真波形；圖1鋰離子動力電池無損充電機，不採用PWM控制技術和高頻功率變換，整機由充 電電路1、放電電路2和電池控制級3級聯而成。充電電路1由M0S管Q5等組成，M0S管Q5的柵極接驅動電壓V3的正極，其源極 接驅動電壓V3的負極，其漏極通過電阻R1接充電電源VI，充電電源VI的的負極接地。放電電路2由M0S管Q6等組成，M0S管Q6的柵極通過開關S1接驅動電壓V2的 負極，其源極接驅動電壓V2的正極，其漏極通過電阻R4接地；開關S1控制邊的正極通過電 阻R6接驅動電壓V2的正極，其負極通過開關S2與電池控制級中的對應開關串聯；開關S2 控制邊的正極接齊納二極體D4的正極，其負極通過電阻R7接地，齊納二極體D4的負極接 M0S管Q6的源極。電池控制級ST1由一節鋰離子動力電池及與之並聯的一個並聯穩壓電路Va和一 個開關電路SW組成，並聯穩壓電路Va中的、三極體Ql、Q2的集電極和齊納二極體D1的正 極接蓄電池E1的正極，電阻R2的一端和三極體Q2的發射極接蓄電池E1的負極，電阻R2 另一端接齊納二極體D1的負極和三極體Q1的基極，三極體Q1的發射極接三極體Q2的基 極；開關電路SW中的開關S3與上一級和下一級電池控制級中的對應開關串聯，開關S3控 制邊的正極接齊納二極體D3的正極，其負極通過電阻R6接本級蓄電池的負極，齊納二極體 D3的負極接本級蓄電池的正極。電池控制級可以依次級聯，第一級級的蓄電池正極接充電電路中M0S管Q5的源 極，其負極接下一級電池控制級中電池的正極，第二級電池控制級中蓄電池的正極接上一 級電池控制級的負極，其負極接下一級電池控制級的正極，最後一級中電池的負極接地，按 此級聯方法，蓄電池控制級可由1-N級級聯而成。圖2是鋰離子電池充電特性曲線，電池端電壓可充到3. 75V。圖3左邊是無損充電機充電的原理電路，其中E1 = 2. 5V，E2 = 2. 0V是單體鋰離 子電池，VI是直流恆流恆壓電源，由Q1、Q2、D1、R2和Q3、Q4、D2、R3組成2個並聯穩壓電路 Va和Vb，分別和電池El、E2並聯。VI通過電阻R1直接對鋰離子電池El、E2串聯充電，當 有一個電池，例如E1的端電壓充到額定值，即到達並聯穩壓電路Va設定的穩壓值時，齊納 二極體D1擊穿，並聯穩壓電路Va啟動，串聯充電電流流經三極體Q2，不再對E1充電，E1的 端電壓也不再上升；與此同時串聯充電電流繼續對E2充電，直到E2充到額定值時，充電電 源VI才斷開，串聯充電停止。圖3右邊是鋰離子電池E1、E2充電電壓的仿真波形，El從2. 5V開始充電，當其端 電壓充到3. 75V後，充電曲線成直線，端電壓不再上升，率先進入充滿和並聯穩壓狀態，VI 繼續對E2充電；E2從2. 0V開始充電，其端電壓充到額定值時，充電曲線也成一直線，和E1 的充電曲線重合，因為E2起始充電電壓較低，恆流充電時間較長，較後進入充滿和並聯穩壓狀態。圖4是無損充電機放電(包括充電)的原理電路，Q1控制充電電源VI的接入和 斷開，Q2控制電池組的放電全過程。開關S3和S4連同控制邊的D3、R6和D5、R8組成兩個 開關電路SW1和SW2，分別和電池E1、E2並聯，在放電過程中，E1、E2的端電壓總是大於D3、 D5的擊穿電壓，開關S3、S4閉合；同樣道理，開關S2的控制邊(D4、R7)和整個電池組並聯， 在放電過程中，整個電池組的端電壓總是大於D4的擊穿電壓，開關S2閉合。開關S1的控 制邊通過電阻R5和開關S2、S3、S4和整個電池組並聯，於是開關S1也閉合，驅動電壓V2加 在Q2的柵源極，Q2導通，電池組向負載R4放電。在放電過程中，當電池組中有一個單體電池，例如E1的端電壓低於額定放電電 壓，即低於齊納二極體D3的擊穿電壓時，S3控制邊失電，S3斷開，於是S1控制邊也失電， S1斷開，驅動電壓V2加不到Q2的柵極，Q2關斷，電池組放電終止。當電池組過放、過流或 外部短路時，電池組端電壓小於D1的擊穿電壓，S2控制邊失電，S2斷開，於是S1控制邊也 失電，S1斷開，驅動電壓V2加不到Q2的柵極，Q2關斷，電池組停止放電，當過流或外部短路 故障解除後，蓄電池組端電壓恢復正常，高於D4的擊穿電壓，S2控制邊得電，S2閉合，同時 單體電池若無過放電，則S3、S4閉合，於是S1也閉合，V2加到Q2的柵源極，Q2開通，蓄電 池繼續對負載放電。與單體電池E1並聯的並聯穩壓電路Va和開關電路SW1，構成一個基本單元，此基 本單元可以任意級聯，對任意個鋰離子動力單體電池組成的電池組進行充放電。圖3中的充電電源VI是恆流恆壓電源，圖5是恆流恆壓電源的實際電路，輸入電 壓是整流後的饅頭波，圖6左邊是負載電阻R8輸出電流的仿真波形，右邊是負載電阻R8輸 出電壓的仿真波形，負載電阻R8從8歐變化到30歐，流經負載電阻R8的電流基本不變，其 上電壓從50V變化到200V，負載電阻越大，輸出電壓越高，說明輸出電流具備恆流特性，但 電阻R8上電壓有一個極限值，此值由M0S管Q1的柵極電壓，即由四個齊納二極體D4、D5、 D6、D9的擊穿電壓界定。鋰離子電池組在整個充電過程中，最高電壓絕對不會超過此界定 值，因此充電安全可靠。圖3中的場效應管Q1控制充電電源VI的接入和斷開，對電池組進行恆流串聯充 電，同時，對單體電池進行恆壓並聯控制，在整體串聯恆流充電和單體並聯恆壓控制的過程 中，恆流電源VI的輸出電壓是變化的，視各單體電池充電時的端電壓而定，這種變化反映 在電阻R1上，當電池組電壓低時，電阻R1上的電壓高，反之電阻R1上的電壓低，電阻R1上 的電壓降因發熱而損失掉。為了提高充電效率，把這部份功率通過功率變換，進行回授。圖 7的電壓切割電路就具備這種功能變壓器TX1接在M0S管Q2的漏極，在Q2的柵極加方波 驅動信號，即電壓切割信號，在其源極可得到穩定的直流輸出電壓Voa，在變壓器付邊得到 回授電壓Vob。圖8是電壓切割電路輸出電壓的仿真波形從上到下依次是輸入饅頭波電 壓Vd、包絡為正弦波的方波驅動信號Vc、柵極輸出電壓Voa、變壓器付邊包絡為正弦波的雙 邊帶電壓Vs、變壓器輸出電壓Vob。恆流恆壓電源和電壓切割電路屬現有技術(百超功率 變換器，申請號201010130192X，具體實施方式
10、19)，詳細論述從略。
具體實施例方式具體實施方式
1 電動汽車鋰離子動力電池無損充電機。
電動轎車採用直流電機驅動時，所需電池組端電壓為96V，圖9是電動轎車96V鋰 離子動力電池組充電的實際電路，由26個完全相同的電路級聯而成，圖10是充電曲線的仿 真波形，單體電池26個，端電壓3. 7V，充電時，26個單體電池端電壓從2V到3. 3V，依次相差 0. 05V，充電終了時，每個單體電池端電壓完全相等，都等於與每個單體電池並聯的並聯穩 壓電路輸出電壓的設定值3. 75V，單體電池充電終止端電壓，等於與其並聯的並聯穩壓電路 輸出電壓的設定值，此設定值可以人為調整，所以單體電池充電終止端電壓可以人為控制。圖11、圖12是圖10電路(A)、⑶兩部份的放大電路圖。電動轎車採用三相電機驅動，則鋰離子動力電池組端電壓為288V，需3. 7V單體電 池78個串聯，充電電路由78個完全相同的電路級聯而成，且無大電流、高電壓開關的通斷 操作，實現起來非常容易，具體電路和充電曲線的仿真波形與96V充電機同。
具體實施方式
2 鉛酸蓄電池無損充電機。充電電路與具體實施方式
1相同，不同之處是1)並聯穩壓電路中的齊納二極體的擊穿電壓要與鉛酸蓄電池端電壓12V相對應；2)串聯恆流充電電流要與鉛酸蓄電池的充電特性曲線相對應；3)串聯恆壓充電電壓要與鉛酸蓄電池組的端電路相對應。圖13是鉛酸蓄電池無損充電機充電曲線的仿真波形，可以看到，當蓄電池端電壓 從8V到10. 6不等時開始充電後，端電壓高的單體電池先行到達充電終了值，然後成直線並 保持到最後，端電壓低的單體電池最後到達充電終了值，無論是最低端電壓還是最高端電 壓，也無論是其間的任意端電壓，它們最後均到達充電終了值，並保持到最後。並聯充電在實際應用中幾乎是無法實現的，其效果可望不可及，而均衡充電必須 有專門電路，在增加功率損耗和成本的同時，伴有電池荷電能力的下降；無損充電機採用簡 單的串聯充電，不但達到了並聯充電的效果，而且還達到了均衡充電的效果，不但沒有荷電 能力的下降，而且大大提升了電池的荷電能力。幾點說明1)無損充電機採用整體串聯恆流、單體並聯恆壓的充電方法，實現了對鋰離子動 力電池的無損充電，實際進行的是串聯充電，卻產生了並聯充電的效果，充電全過程無過 充、過熱，同時使均衡充電成為多餘；2)無損充電機同時包括了放電電路，用弱電小開關，取代強電大電流、高電壓開關 的通斷，使得放電電路安全可靠，當過放、過流或外部短路發生時，無延時地切斷鋰離子動 力電池；3)無損充電機電路簡單，免除電池管理系統和各種複雜的控制晶片及軟體，而充 放電性能卻大幅提升；4)無損充電機採用百超功率變換器中的恆流恆壓電源和電壓切割電路進行串聯 充電，使得充電效率接近100% ；5)單體電池充電終了時的端電壓，等於與其並聯的並聯穩壓電源輸出電壓的設定 值，此設定值可以人為調整，因此，無損充電機適合對任意端電壓的各類電池進行充放電。6)本文電路圖均出自電力電子仿真軟體SIMetrix/SIMPLIS 5. 60，可不加修改直 接仿真，獲得相同的輸出波形。
權利要求
一種鋰離子動力電池無損充電機，不採用PWM控制技術和高頻功率變換，其特徵是整機由充電電路(1)、放電電路(2)和電池控制級(3)級聯而成。
2 .根據權利要求1所述的鋰離子動力電池無損充電機，其特徵是充電電路(1)由第 五M0S管(Q5)等組成，第五M0S管(Q5)的柵極接第三驅動電壓(V3)的正極，其源極接第 三驅動電壓(V3)的負極，其漏極通過第一電阻(R1)接充電電源(VI)，充電電源(VI)的的 負極接地。
3.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池無損充電機，其特徵是放電電路(2)由第 六M0S管(Q6)等組成，第六M0S管(Q6)的柵極通過第一開關(S1)接第二驅動電壓(V2)的 負極，其源極接第二驅動電壓(V2)的正極，其漏極通過第四電阻(R4)接地；第一開關(S1) 控制邊的正極通過第六電阻(R6)接第二驅動電壓(V2)的正極，其負極通過第二開關(S2) 與電池控制級中的對應開關串聯；第二開關(S2)控制邊的正極接第四齊納二極體(D4)的 正極，其負極通過第七電阻(R7)接地，第四齊納二極體(D4)的負極接第六M0S管(Q6)的 源極。
4.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池無損充電機，其特徵是電池控制級ST1由 一節鋰離子動力電池及與之並聯的一個並聯穩壓電路Va和一個開關電路SW組成，並聯穩 壓電路Va中的第一、第二三極體(Q1、Q2)的集電極和第二齊納二極體(D1)的正極接蓄電 池E1的正極，第二電阻(R2)的一端和第二三極體(Q2)的發射極接蓄電池E1的負極，第二 電阻(R2)另一端接第二齊納二極體(D1)的負極和第一三極體(Q1)的基極，第一三極體 (Q1)的發射極接第二三極體(Q2)的基極；開關電路SW中的第三開關(S3)與上一級和下一 級電池控制級中的對應開關串聯，第三開關(S3)控制邊的正極接第三齊納二極體(D3)的 正極，其負極通過第六電阻(R6)接本級蓄電池的負極，第三齊納二極體(D3)的負極接本級 蓄電池的正極。
5.根據權利要求4所述的鋰離子動力電池無損充電機，其特徵是電池控制級可以依 次級聯，第一級的蓄電池正極接充電電路中第五M0S管(Q5)的源極，其負極接下一級電池 控制級中電池的正極，第二級電池控制級中蓄電池的正極接上一級電池控制級的負極，其 負極接下一級電池控制級的正極，最後一級中電池的負極接地，按此級聯方法，蓄電池控制 級可由1-N級級聯而成。
全文摘要
鋰離子動力電池無損充電機採用整體串聯恆流、單體並聯恆壓的充電方法，對鋰離子動力電池實現無損充電，無損的含意有兩層，一是充電效率接近100％，充電功率基本無損耗，二是充、放電完全依據電池的特性曲線，電池本身在充、放電過程中完全無損害。該無損充電機免除電池管理系統，僅由簡單的電路實現電池系統、充電系統、放電系統和維護管理系統的所有功能，無過充、過熱、過放、過流、短路現象，充電終了時所有單體電池的端電壓完全相等，無須進行均衡充電，同時不易受幹擾的複雜控制晶片和軟體，安全可靠，簡單實用，其成本、體積、重量、功耗都是傳統充電機的十分之一。
文檔編號H02J7/00GK101826745SQ20101017419
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者鬱百超 申請人:鬱百超