專利名稱：智能充電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本申請涉及一種智能充電系統(tǒng)，特別是涉及一種在電池組中有某個子電池充滿時，系統(tǒng)電壓最低的子電池單獨充電，使得整組電池都能快速高效且安全地充滿的智能充電系統(tǒng)。
背景技術：
在串聯(lián)電池組充電中目前采用的主要是兩端式充電，通用充電器的兩端分別連接到串聯(lián)電池組的正負端,如此充電帶來的一個問題是當電池組中一個電池充滿的時候,整組電池必須停止充電，或者減小充電電流到一定的程度，防止損壞電池或者損壞電池均衡板。通常情況下一個電池的壽命降低主要有三種事件決定:過充、過放、過流，而過流主要是使用者違反使用規(guī)程導致的。電池管理系統(tǒng)只要能防止電池的過充和過放就能很好的控制好電池組延長使用壽命。目前電池管理系統(tǒng)的均衡充電方式主要有電阻均衡、電容均衡和電感均衡。參圖1所示，電阻均衡采用電阻放電的方式，當某一個電池Bn (n為正整數(shù))的電壓過高時，響應的開關Kn (n為正整數(shù))會打開，部分充電電流進入電阻Rn，而被消耗掉，如果Rn消耗的電流過小則電池會出現(xiàn)過充，如果Rn消耗的過多則電池會充不滿。參圖2所示，電容均衡中當電池Bn (n為正整數(shù))的電壓過高時，響應的開關Kn_ (n為正整數(shù))和Kn+通路，電池Bn對電容C充電，隨后Kn_與Kn+斷路，閉合電路中電壓較低的電池1 (圖中未示出)對應的開關Km_與Km+ (圖中未示出)，電容C對Bm電池進行充電，完成一次電荷搬運，如此重復。參圖3所示，電感均衡中當發(fā)現(xiàn)電池Bn (n為正整數(shù))電壓過低時將總耦合電感原邊L的響應閉合K-與K+打開一定時間后斷開，電能存入耦合電感的磁場中，然后將電池Bn的對應開關閉合，耦合電感中的能量轉(zhuǎn)化為電能存入電池Bn中?，F(xiàn)有的技術方案中，電阻均衡采用電容將電能釋放，由于發(fā)熱嚴重，造成了資源浪費，此外放電電阻無法完成大電流時的放電；電容均衡雖采用了電荷搬運的方法，但是對電容的充放會造成電容發(fā)熱嚴重，此外只有電容電壓高出和低于電池的電壓時才能進行電荷搬運，對于有平臺電壓的電池不適用；電感均衡結構復雜，采用電能-磁能-電能的方式搬運電荷效率低下，此外就行引入了雜散電感，體積笨重，同時開關時間難以控制。此外，采用均衡板在造成了能源浪費同時降低了充電速率，且對于一些種類的電池長久使用而不滿充會大大降低電池的容量，這種電池要每隔一段時間都要就行一次修復才能達到最佳的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有均衡充電方式的不足，提供一種利用獨特的拓撲結構，在電池充電過程中實行“按需供應”，當電路中有某個子電池充滿時，系統(tǒng)對電壓最低的子電池單獨充電，使得整組電池都能快速高效且安全地充滿，同時可以對電池具有修復功能的智能充電與修復系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
一種智能充電系統(tǒng)，用以對電池模塊進行充電，所述的電池模塊包括多個串聯(lián)的子電池，包括:
充電模塊，將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓；
DC-DC調(diào)壓模塊，將充電模塊提供的電壓轉(zhuǎn)化為子電池的滿充電壓；
電壓采集模塊，采集各子電池的電壓，并將信號傳遞給邏輯控制單元；
邏輯控制單元，接收所述電壓采集模塊的信號并對開關模塊進行控制；
開關模塊，連接于所述的子電池和邏輯控制單元之間。作為本發(fā)明的進一步改進，所述開關模塊包括第一開關和第二開關，所述第一開關連接于所述子電池正極和DC-DC調(diào)節(jié)模塊之間，所述第二開關連接于所述子電池負極和充電模塊之間。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的第一開關和第二開關中至少一個為雙向可控開關。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的開關模塊為二極管、雙極性晶體管、M0SFET、IGBT、BTG中的任意一種，或為由其組合而成的開關模塊或器件。作為本發(fā)明的進一步改進，所述開關模塊為長斷開關。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的子電池為鉛酸電池、鎳氫電池、鈉硫電池、液流電池、超級電容器、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈦酸鋰電池或石墨烯鋰電池。作為本發(fā)明的進一步改進，在普通模式時，所述的充電系統(tǒng)工作模式如下:
S1、電壓采集模塊采集各子電池的電壓，邏輯控制單元對采集的電壓進行判斷，如果所有子電池的電壓都低于滿充電壓，則進入步驟s2，否則進入步驟S3 ；s2、充電模塊通過DC-DC調(diào)壓模塊對所有子電池進行充電；
S3、邏輯控制單元根據(jù)采集的電壓，判斷出電壓最低的子電池，充電模塊通過DC-DC調(diào)壓模塊對該子電池進行單獨充電，如果子電池電壓未達到閾值電壓則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定電流，如果子電池電壓達到閾值電壓，則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定的電壓，重復步驟s3，直至所有子電池電壓充滿；s4:斷開開關模塊，充電完成。作為本發(fā)明的進一步改進，在修復模式時，所述的充電系統(tǒng)工作模式如下:
S1、電壓采集模塊采集各子電池的電壓，邏輯控制單元對采集的電壓進行判斷，如果所有子電池的電壓都低于滿充電壓，則進入步驟s2，否則進入步驟S3 ；s2、充電模塊通過DC-DC調(diào)壓模塊對所有子電池進行充電；
S3、邏輯控制單元根據(jù)采集的電壓，判斷出電壓最低的子電池，充電模塊通過DC-DC調(diào)壓模塊對該子電池進行單獨充電，如果子電池電壓未達到閾值電壓則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定電流，如果子電池電壓達到閾值電壓，則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定的電壓；s4:重復步驟s3，使得各子電池的電壓始終處于充滿狀態(tài)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明系統(tǒng)可以根據(jù)電池的需求充電，由于沒有能量、電荷搬運的過程中的熱損耗，且采用半導體開關器件作為開關元件，比其他均衡方法的均衡電流大很多，因此充電效率更聞;
2、本發(fā)明系統(tǒng)對電池快速充電，可以控制充電電流，使其小于子電池允許的充電電流，不會對電池產(chǎn)生損傷；
3、因為優(yōu)先對最低電壓的子電池充電，所以即使提前結束充電，也可以使得整組電池的電壓更加均衡；
4、本發(fā)明系統(tǒng)采用的充電方式對部分電池具有修復功能。


為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為現(xiàn)有技術中電阻均衡充電方式的電路 圖2所示為現(xiàn)有技術中電容均衡充電方式的電路 圖3所示為現(xiàn)有技術中電感均衡充電方式的電路 圖4所示為本發(fā)明具體實施例中系統(tǒng)的原理示意 圖5所示為本發(fā)明具體實施例中系統(tǒng)的電路圖。
具體實施例方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。圖4所示為本發(fā)明具體實施例中系統(tǒng)的原理示意圖；圖5所示為本發(fā)明具體實施例中系統(tǒng)的電路圖。圖4中的白色箭頭信號流向，黑色箭頭為電能流向。圖中充電模塊為普通的電池充電器，將市電(220V-110V)電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，具有穩(wěn)壓穩(wěn)流功能，當所有的子電池都沒有滿充時，提供充電電流，并為DC-DC調(diào)壓模塊提供輸入電壓。該充電模塊可以集成到系統(tǒng)中，也可以設成可以插拔模式。DC-DC調(diào)壓模塊將充電模塊提供的電壓轉(zhuǎn)化為單個子電池的滿充電壓，具有穩(wěn)壓穩(wěn)流功能。對單個子電池進行單獨充電時，如果電池電壓未達到閾值電壓則提供穩(wěn)定電流，如果電池電壓達到閾值電壓，則提供穩(wěn)定的電壓。電壓采集模塊采用通用放大器，設計成減法器，采集各個電池的電壓Vn+和并將信號傳遞給邏輯控制單元，輸出電壓與電池真實電壓之比為Rf/Ri。邏輯控制單元集成了ADC，負責信號收集，將電壓采集模塊傳送的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)系統(tǒng)的設計進行邏輯分析、開關控制等工作。開關模塊接受邏輯控制單元MCU的控制，并與電池模塊相連，每個子電池配置有兩個開關，一開關一端連接于電池的正極，該開關的另一端連接于DC-DC調(diào)壓模塊的輸出端，另一開關一端連接在子電池的負極，該另一開關的另一端連接在充電模塊的負極上；兩個開關可以是一個單向可控，另一個雙向可控，也可以都為雙向可控的。開關為長斷型，當接受到邏輯控制單元時進行相關操作。開關可以是二極管、雙極性晶體管、MOSFET、IGBT、BTG、或者二極管、雙極性晶體管、mosfet、IGBT、BTG等元件的組合。電池模塊中的子電池可以為鉛酸電池、鎳氫電池、鈉硫電池、液流電池、超級電容器、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈦酸鋰電池和石墨烯鋰電池中的任意一種。邏輯控制單元選用STC12C5A60S2，集成了 ADC。電壓采集模塊中的運算放大器選用LM324，開關選用M0SFET，型號為IRFR024，子電池選用12V鉛酸蓄電池。該系統(tǒng)有兩種工作模式一普通模式和修復模式。當采用普通模式工作時進入以下流程:
S1:邏輯控制單元采集各個子電池對應的減法器的電壓Vn，根據(jù)電壓Vn可得出子電池是否需要充電，對所有的子電池進行判斷，如果所有的電壓都低于滿充電壓則進行步驟S2，如果檢測到已有電池充滿則進入s3 ；
s2:將開關K+與K1-通路，其他開關斷路，采用充電模塊電壓Vca+,對整組電池進行充電，并持續(xù)的采集電壓Vn，判斷是否有子電池充滿，如此直到整組電池中有電池電壓達到滿充電壓，進入s3 ；
s3:將所有的開關斷路，邏輯控制單元根據(jù)采集的電壓V，判斷出電壓最低的子電池Bmin (圖中未示出)，并閉合與該電池對應的開關Kmin_與Kmin+，使電壓\2+施加在電池Bmin上，對Bmin進行單獨充電，如果子電池電壓未達到閾值電壓則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定電流，如果子電池電壓達到閾值電壓，則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定的電壓。邏輯控制單元持續(xù)的采集所有的電池的電壓(包括已經(jīng)判斷是充滿的)，并判斷出該單獨充電的子電池是否仍然為最低電壓的電池，如果不是，返回Si。如果該單獨充電子電池達到滿充電壓，則進入s4;s4:將所有的開關斷路，充電完成。最終使得每個子電池都快速高效地充滿。同時，因為優(yōu)先對最低電壓的子電池充電，所以即使提前結束充電，也可以使得整組電池的電壓更加均衡。對于一些種類的電池如鉛酸電池，長久使用而不滿充會大大降低電池的容量，這種電池要每隔一段時間都要就行一次修復才能達到最佳的性能，此時采用修復模式工作，進入以下工作流程:
sl:邏輯控制單元采集各個子電池對應的減法器的電壓Vn，根據(jù)電壓Vn可得出子電池是否需要充電，對所有的子電池進行判斷，如果所有的電壓都低于滿充電壓則進行步驟S2，如果檢測到已有電池充滿則進入s3 ；
s2:將開關K+與K1-通路，其他開關斷路，采用通用充電器電壓Vcl+，對整組電池進行充電，并持續(xù)的采集電壓Vn，判斷是否有電池充滿，如此直到整組電池中有電池電壓達到滿充電壓，進入s3 ；
s3:將所有的開關斷路，邏輯控制單元根據(jù)采集的電壓V，判斷出電壓最低的子電池Bmin (圖中未示出)，并閉合與該子電池對應的開關Kmin_與Kmin+，使電壓\2+施加在電池Bmin上，對Bmin進行單獨充電，如果電池電壓未達到閾值電壓則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定電流，如果電池電壓達到閾值電壓，則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定的電壓。邏輯控制單元持續(xù)的采集所有的子電池的電壓(包括已經(jīng)判斷是充滿的)，并判斷出該單獨充電的子電池是否仍然為最低電壓的電池，如果不是，返回Si。如果該單獨充電電池達到滿充電壓，則進入步驟4;
s4:將所有的開關斷路，充電完成。同時持續(xù)檢測所有子電池的電壓，當發(fā)現(xiàn)其中有子電池電壓低于滿充電壓時返回步驟1，對電池往復的充電直到人為干預結束充電。
最終使得每個電池都快速高效地充滿。同時完成了對電池的修復。綜上所述，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明系統(tǒng)可以根據(jù)電池的需求充電，由于沒有能量、電荷搬運的過程中的熱損耗，且采用半導體開關器件作為開關元件，比其他均衡方法的均衡電流大很多，因此充電效率更聞;
2、本發(fā)明系統(tǒng)對電池快速充電，可以控制充電電流，使其小于子電池允許的充電電流，不會對電池產(chǎn)生損傷；
3、因為優(yōu)先對最低電壓的子電池充電，所以即使提前結束充電，也可以使得整組電池的電壓更加均衡；
4、本發(fā)明系統(tǒng)采用的充電方式對部分電池具有修復功能。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。以上所述僅是本申請的具體實施方式
，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護范圍。`
權利要求
1.一種智能充電系統(tǒng)，用以對電池模塊進行充電，所述的電池模塊包括多個串聯(lián)的子電池，其特征在于，包括: 充電模塊，將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓； DC-DC調(diào)壓模塊，將充電模塊提供的電壓轉(zhuǎn)化為子電池的滿充電壓； 電壓采集模塊，采集各子電池的電壓，并將信號傳遞給邏輯控制單元； 邏輯控制單元，接收所述電壓采集模塊的信號并對開關模塊進行控制； 開關模塊，連接于所述的子電池和邏輯控制單元之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的智能充電系統(tǒng)，其特征在于:所述開關模塊包括第一開關和第二開關，所述第一開關連接于所述子電池正極和DC-DC調(diào)節(jié)模塊之間，所述第二開關連接于所述子電池負極和充電模塊之間。
3.根據(jù)權利要求2所述的智能充電系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一開關和第二開關中至少一個為雙向可控開關。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的智能充電系統(tǒng)，其特征在于:所述的開關模塊為二極管、雙極性晶體管、MOSFET、IGBT.BTG中的任意一種，或為由其組合而成的開關模塊或器件。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的智能充電系統(tǒng)，其特征在于:所述開關模塊為長斷開關。
6.根據(jù)權利要求1所述的智能充電系統(tǒng)，其特征在于:所述的子電池為鉛酸電池、鎳氫電池、鈉硫電池、液流電池、超級電容器、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈦酸鋰電池或石墨烯鋰電池。
7.根據(jù)權利要求1所述的智能充電系統(tǒng)，其特征在于:在普通模式時，所述的充電系統(tǒng)工作模式如下: S1、電壓采集模塊采集各子電池的電壓，邏輯控制單元對采集的電壓進行判斷，如果所有子電池的電壓都低于滿充電壓，則進入步驟s2，否則進入步驟s3 ；s2、充電模塊通過DC-DC調(diào)壓模塊對所有子電池進行充電； S3、邏輯控制單元根據(jù)采集的電壓，判斷出電壓最低的子電池，充電模塊通過DC-DC調(diào)壓模塊對該子電池進行單獨充電，如果子電池電壓未達到閾值電壓則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定電流，如果子電池電壓達到閾值電壓，則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定的電壓，重復步驟s3，直至所有子電池電壓充滿；s4:斷開開關模塊，充電完成。
8.根據(jù)權利要求1所述的智能充電系統(tǒng)，其特征在于:在修復模式時，所述的充電系統(tǒng)工作模式如下: S1、電壓采集模塊采集各子電池的電壓，邏輯控制單元對采集的電壓進行判斷，如果所有子電池的電壓都低于滿充電壓，則進入步驟s2，否則進入步驟s3 ；s2、充電模塊通過DC-DC調(diào)壓模塊對所有子電池進行充電； S3、邏輯控制單元根據(jù)采集的電壓，判斷出電壓最低的子電池，充電模塊通過DC-DC調(diào)壓模塊對該子電池進行單獨充電，如果子電池電壓未達到閾值電壓則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定電流，如果子電池電壓達到閾值電壓，則DC-DC調(diào)壓模塊提供穩(wěn)定的電壓；s4:重復步驟s3，使得各子電池的電壓始終處于充滿狀態(tài)。
全文摘要
本申請公開了一種智能充電系統(tǒng)，用以對電池模塊進行充電，所述的電池模塊包括多個串聯(lián)的子電池，包括充電模塊，將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓；DC-DC調(diào)壓模塊，將充電模塊提供的電壓轉(zhuǎn)化為子電池的滿充電壓；電壓采集模塊，采集各子電池的電壓，并將信號傳遞給邏輯控制單元；邏輯控制單元，接收所述電壓采集模塊的信號并對開關模塊進行控制；開關模塊，連接于所述的子電池和邏輯控制單元之間。本發(fā)明在電池充電過程當電路中有某個電池充滿時，系統(tǒng)對電壓最低的電池單獨充電，使得整組電池都能快速高效且安全地充滿，同時可以對電池具有修復功能的智能充電與修復系統(tǒng)。
文檔編號H02J7/00GK103199580SQ20131009547
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權日2013年3月25日
發(fā)明者張文波, 林文魁, 黃碧雄, 余維 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所