動(dòng)力電池自動(dòng)均衡充電器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于蓄電池充電器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是提出一種應(yīng)用于新能源汽車動(dòng)力電池和新能源儲(chǔ)能動(dòng)力電池的充電器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域，動(dòng)力電池是汽車動(dòng)力能量的主要來(lái)源或唯一來(lái)源，其重要性不言而喻，而儲(chǔ)能對(duì)于穩(wěn)定新能源發(fā)電也非常重要。在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用中，由于單個(gè)電池的電壓只有幾伏，能量有限，不適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)和逆變應(yīng)用，所以必須由幾十甚至幾百個(gè)單體電池串并聯(lián)成組，才能以足夠高的電壓和足夠大的電流，獲得工程設(shè)計(jì)上合理的電功率。
[0003]但是由于在電池生產(chǎn)過(guò)程中，單體電池性狀的離散性大，使單體電池制成品的個(gè)體性能偏離，必須選配性能接近的單體電池組成產(chǎn)品電池組供裝配使用。然而，雖然已經(jīng)在組裝過(guò)程中選擇到接近一致性的單體電池組合成性能相對(duì)接近的電池組，但在電池組實(shí)際使用過(guò)程中，單體電池之間的性能差異會(huì)隨著充放電次數(shù)的增多而越來(lái)越大，新電池性能的相對(duì)平衡將隨時(shí)間的延長(zhǎng)變成舊電池的不平衡，這種不平衡將嚴(yán)重影響電池組的正常工作，在充電過(guò)程中，過(guò)充電會(huì)縮短單體電池壽命，浪費(fèi)能源；在放電過(guò)程中，性能差的單體電池儲(chǔ)能量不足、內(nèi)阻高，無(wú)法達(dá)到像其他正常電池那樣的放電水平，對(duì)整個(gè)電池組的正常輸出產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)爆炸等事故。由于充放電的不均衡，整個(gè)電池組將不得不提前修理甚至報(bào)廢，而動(dòng)力電池的價(jià)格高，是使用者在經(jīng)濟(jì)上無(wú)法承受的負(fù)擔(dān)，而勉強(qiáng)使用又會(huì)造成材料和能源的巨大浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)采用自動(dòng)均衡充電器裝置解決動(dòng)力電池的合理充放電，減少單體電池的性能差異對(duì)整個(gè)電池組使用功能和壽命的影響，保護(hù)性能差的電池，使其延長(zhǎng)壽命，延長(zhǎng)其達(dá)到修理更換的時(shí)間，并同時(shí)能減少使用過(guò)程中電能的浪費(fèi)，以及規(guī)避產(chǎn)生過(guò)熱甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
[0005]所謂均衡充電，就是在充電過(guò)程中，能夠根據(jù)各單體電池的性狀，采用相同或不同的充電電流，自動(dòng)均衡則意味著設(shè)備將按照檢測(cè)到的各單體電池的實(shí)際狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)充放電流值，裝置無(wú)需人工干預(yù)自動(dòng)執(zhí)行平衡的功能。
[0006]本發(fā)明的充電器是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種用于動(dòng)力電池組充放電，由BMS和充電器組成的電子充電器裝置，其特征為，動(dòng)力電池組(1)是由多個(gè)單體電池串并聯(lián)而成的電池組；自動(dòng)均衡充電器由電池管理系統(tǒng)BMS (22)和電池充電系統(tǒng)BCS (21)組成，BCS由橫充電路(211)、豎充電路(212)以及供電源(213)組成；在每個(gè)單體電池的串聯(lián)接點(diǎn)上，并聯(lián)連接有二只單向電子開關(guān)，二電子開關(guān)電流流向相反，每個(gè)單體電池正負(fù)極通過(guò)電感和電子開關(guān)串聯(lián)的回路接到BCS的高頻變壓器的一個(gè)次級(jí)繞組；BCS可根據(jù)BMS的指引分別對(duì)全體電池和單體電池同時(shí)同量或分時(shí)分量充電；根據(jù)BMS的指引，橫充電路(211)還可以根據(jù)自動(dòng)均衡需要，在任何時(shí)刻將單體電池中的多余電能泄放并轉(zhuǎn)移到其他單體電池中。
[0007]眾所周知，目前新能源汽車應(yīng)用中的最大瓶頸在于動(dòng)力電池的儲(chǔ)能容量不足和價(jià)格高昂，而動(dòng)力電池中最難解決的問(wèn)題，是如何使電池單元間的個(gè)體性能偏差不影響或少影響整體電池組的合理充放電。本發(fā)明的自動(dòng)均衡充電器設(shè)備，則是利用了動(dòng)力電池組必須配置的電池管理系統(tǒng)的指引，采用不等量充放電電流，解決了由于單體電池性能離散性而造成的過(guò)充或欠充矛盾，以及放電時(shí)可能產(chǎn)生的局部不均衡招致輸出功率不足，以及過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1、傳統(tǒng)動(dòng)力電池的電氣線路圖。
[0009]圖2、傳統(tǒng)動(dòng)力電池與電池管理系統(tǒng)BMS的電氣接線圖。
[0010]圖3、本發(fā)明的自動(dòng)均衡充電器中的橫向充電電路和BMS與電池的連線簡(jiǎn)圖。
[0011]圖4、本發(fā)明的電池充電系統(tǒng)BCS線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0012]圖5、本發(fā)明的自動(dòng)均衡充電器中的橫向充電電路連線簡(jiǎn)圖。
[0013]圖6、本發(fā)明的自動(dòng)均衡充電器與電池的電氣接線圖。
[0014]圖7、本發(fā)明的自動(dòng)均衡充電器中的橫充電路斬波器線路簡(jiǎn)圖。
[0015]圖8、本發(fā)明的自動(dòng)均衡充電器的充放電電子開關(guān)原理圖。
[0016]圖9、開關(guān)管兩端并聯(lián)有阻容吸收電路的電子開關(guān)片段圖。
[0017]圖10、以反激電子斬波器設(shè)計(jì)的橫充電路充電電流路徑圖。
[0018]圖11、以反激電子斬波器設(shè)計(jì)的橫充電路放電電流路徑圖。
[0019]圖12、橫充電路的部件安裝結(jié)構(gòu)總成示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]動(dòng)力電池作為新能源汽車的重要能源設(shè)備，是節(jié)能減排、維護(hù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和能源可持續(xù)供應(yīng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。所謂新能源汽車充電器，就是為新能源汽車，特別是電動(dòng)汽車補(bǔ)充能量的裝置，其功能主要就是從交流電網(wǎng)取得電能，通過(guò)整流將交流電能整流成直流電流，然后通過(guò)充電器的控制，將電能儲(chǔ)存在車載動(dòng)力電池中，電能則轉(zhuǎn)化為化學(xué)能或電荷能，儲(chǔ)存在電池中。新能源汽車充電的主要設(shè)備就是充電器。新能源儲(chǔ)能中的充電器通常是將發(fā)電機(jī)或光伏電池所產(chǎn)生的不穩(wěn)定電能通過(guò)充電儲(chǔ)存在電池中，然后通過(guò)放電將電能回送電網(wǎng)或直接應(yīng)用，由于情況類同，下文不再具體論述新能源儲(chǔ)能內(nèi)容。
[0021]動(dòng)力電池為新能源汽車的重要儲(chǔ)能設(shè)備，新能源汽車動(dòng)力電池有兩大類:蓄電池和超級(jí)電容器。蓄電池的分類有:
[0022]鉛酸蓄電池
[0023]鎳鎘蓄電池
[0024]鎳氫蓄電池
[0025]鐵鎳蓄電池
[0026]鈉氯化鎳蓄電池
[0027]銀鋅蓄電池
[0028]鈉硫蓄電池
[0029]鋰離子蓄電池
[0030]釩液流電池
[0031]等等。
[0032]作為動(dòng)力電池的蓄電池包括現(xiàn)有的傳統(tǒng)鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池，但由于這兩種電池均有存儲(chǔ)效應(yīng)，壽命短，且容量/重量比或容量/體積比太小，所以采用比例趨于縮小，當(dāng)前的動(dòng)力電池主要發(fā)展方向是鋰離子電池，包括磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池和三元材料電池等。
[0033]超級(jí)電容器儲(chǔ)存的是電荷能，無(wú)化學(xué)能轉(zhuǎn)換，所以其充放電速度等性能優(yōu)于蓄電池。
[0034]圖1為傳統(tǒng)動(dòng)力電池的電氣線路圖。圖中的動(dòng)力電池組由E1?En個(gè)單體電池串聯(lián)而成，也可以看作由更多個(gè)單體電池串并聯(lián)后組成的η組電池組，除了對(duì)外用正極“ + ”和負(fù)極兩根大功率負(fù)荷線外，每個(gè)單體電池或每組單體電池分別引出控制線1?η+1，從相鄰編號(hào)的兩根控制線可以隨時(shí)測(cè)量出各單體電池的電壓，從這些電壓數(shù)值可以分析判斷出各單體電池的荷電狀況和工作狀況，特別是充放電時(shí)的狀況，這些狀況通常都由稱為電池管理系統(tǒng)的設(shè)備作測(cè)量監(jiān)控。所以，BMS幾乎成為優(yōu)秀動(dòng)力電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。
[0035]圖2為傳統(tǒng)動(dòng)力電池(1)與電池管理系統(tǒng)BMS(2’ )的電氣接線圖。由圖中可見，任何一個(gè)單體電池Em，都可以通過(guò)BMS來(lái)檢測(cè)m與m+1號(hào)線樁上的電壓，用以分析第Em編號(hào)單體電池的荷電狀況，同時(shí)，還有包括電流探頭、溫度探頭等其他傳感器反映其充放電工作狀況。
[0036]圖3為本發(fā)明的自動(dòng)均衡充電器的結(jié)構(gòu)框圖。由圖中可見，自動(dòng)均衡充電器⑵是由電池管理系統(tǒng)BMS(BMS-Battery Management System)和電池充電系統(tǒng)BCS (BCS-
Battery Charge System)構(gòu)成的充電裝置，而自動(dòng)均衡充放電功能必須通過(guò)橫向充電器線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。因此，BCS由橫充電路(211)、豎充電路(212)和供電源(213)組成。從電池組每個(gè)單體電池引出的樁線，不僅連接到電池管理系統(tǒng)BMS，還連接到電池充電系統(tǒng)BCS，BMS用于檢測(cè)指弓丨，而BCS用于自動(dòng)充電和自動(dòng)放電，或者稱為自動(dòng)均衡充放電。
[0037]本發(fā)明中的電池管理系統(tǒng)BMS (22)主要起監(jiān)測(cè)、分析、判斷和指引作用。BMS是對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行參數(shù)采集與監(jiān)測(cè)、安全保護(hù)、智能充放電控制，以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)與荷電量評(píng)估的電子裝置。電池管理系統(tǒng)通常由傳感器等監(jiān)測(cè)單元(用于測(cè)量電壓、電流和溫度等)、中央處理器、均衡充放電分析判斷和信號(hào)控制單元、輸入輸出等接口組成。最基本的功能是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)(電池的電壓、電流和溫度)、預(yù)測(cè)動(dòng)力電池的荷電量(S0C)和相應(yīng)的剩余行駛里程，進(jìn)行電池管理以避免出現(xiàn)過(guò)放電、過(guò)充電、過(guò)熱和單體電池之間電量嚴(yán)重不均衡現(xiàn)象，最大限度地利用電池存儲(chǔ)能力和循環(huán)壽命。具體功能描述如下:
[0038]1、充放電動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
[0039]在電池充放電過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集動(dòng)力電池組中的每塊單體電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電現(xiàn)象的出現(xiàn)。電池充放電的過(guò)程通常會(huì)采用精度更高、穩(wěn)定性更好的電流傳感器來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0040]2、電池組荷電狀態(tài)準(zhǔn)確估測(cè)
[0041]準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)(State of Charge——SOC)，即電池剩余電量監(jiān)測(cè)，保證S0C維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)電池造成損傷，并隨時(shí)顯示新能源汽車動(dòng)力電池的剩余能