CN109273788A - 一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量回馈型锂动力电池串联化成分容装置，包括主回路和控制电路，所述主回路电路包括一个AC/DC模块、i个单体动力电池、i个串联双模态开关，i个旁路双模态开关，i个单体动力电池与各自串联双模态开关串联后依次串联连接到AC/DC电源模块的正负极，单体动力电池的正极均串有串联双模态开关，串联双模态和旁路双模态开关均由两组MOSFET单元串联组成。串联双模态开关的另一端和单体动力电池的负极端均并联有旁路双模态开关，单体动力电池的两端以及串联双模态开关的两端通过电路与控制电路相连。本发明最多可以实现128个电池的串联化成或分容。本发明在串联化成或分容的充放电过程中，在电流不中断的情况下，某一电池的投入或退出，不会影响到其他电池的正常工作。

Description

一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置

技术领域

本发明涉及动力电池化成、分容技术，具体涉及一种能量回馈型锂动力电池化成装置。

背景技术

锂动力电池是20世纪开发成功的新型高能电池。这种电池具有能量高、电池电压高、工作温度宽、贮存寿命长等优点，已得到广泛的应用。

电池制造完成后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成。锂动力电池的化成是为了在首次充放电过程中，锂动力电池与EC或DMC溶剂、痕量水、氢氟酸HF等在石墨表面形成的一层钝化膜，是一种包含高分子与无机盐的多空层，称为SEI膜。该SEI膜的好坏直接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电性、安全性等电化学性能。

传统的化成方法是采用动力电池检测设备的电池通道对单体电池进行化成，即一个电池占有一个充电通道，规模化化成过程所用到的化成设备多，占地面积大。这种化成方法由于不同的电池通道输出电流精度不可能完全一致，造成电池最终的化成效果也不可能完全一致。

发明内容

本发明提供了一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置，目的在于减少锂动力电池批量化成或分容过程中所用到的设备数量，并提高化成或分容后产品的一致性。

本发明采用串联化成技术，在减少化成柜数量的同时，提高电池的一致性。包括主回路电路和控制电路，所述主回路电路包括一个AC/DC模块、i个单体动力电池、i个串联双模态开关、i个旁路双模态开关；

i个单体动力电池与各自的串联双模态开关串联后依次串联连接到AC/DC电源模块的正负极，每个串联双模态开关的一端串联连接到其对应的单体动力电池的正极，另一端和单体动力电池的负极端并联有所述旁路双模态开关；

本发明的双模态双向开关具备A、B两个控制极，通过控制A、B两个控制极可实现双向导通、双向截止、正向续流反向截止、反向续流正向截止4种状态。

所述单体动力电池的两端以及串联双模态开关的两端与所述控制电路电连接，所述控制电路用于实时地采集单体动力电池电压和串联双模态开关两端的电压，以完成对单体动力电池工作状态的故障判断，以及对开关控制信号的逻辑处理和互锁。

所述的控制电路接收电池电压、串联双模态开关电压信息，对电池的工作状态进行故障判断及控制，对信号进行逻辑处理和互锁处理后驱动串联双模态开关和旁路双模态开关，保证可靠触发串联双模态开关和旁路双模态开关，且不会造成动力电池正负极短路，通过对串联双模态开关和旁路双模态开关的各个开关的进行开通和关断控制，实现串联化成单体动力电池的投入和退出。串联化成或分容的充放电过程中，在保证电流不中断的情况下，某一电池的投入或退出，不会影响到其他电池的正常工作。

本发明还可作以下优化改进：

本发明所述串联双模态开关和所述旁路双模态开关均由两组MOSFET单元串联组成，每组MOSFET单元包括一个并联系列，所述并联系列包括一个MOSFET即场效应管或至少两个并联的MOSFET，串联双模态开关或者旁路双模态开关的并联系列共源极或者共漏极。

本发明的主回路一次性可进行3个以上的锂动力电池的串联化成，最多可扩展到128个动力电池的串联化成，即3≤i≤128，提高了设备利用率。

本发明将所述串联双模态开关或者旁路双模态开关排布在PCB上，所述PCB的基材为波纤布、铝或陶瓷。

作为优选，本发明的所述AC/DC电源模块的输入电压为交流380V，输出电压为0～500V，输出电流为0～150A的可调节恒流。

本发明具有以下优点：

1.本发明通过采用串联化成，更容易保障化成效果的一致性。串联电路中通过双向导通、双向截止、正向续流反向截止、反向续流正向截止的4种控制状态，最大可实现128个锂动力电池的串联化成，减少了大批量电池化成过程中所用的设备数量，减少了化成过程设备占地面积，进而有利于提高生产产能并节约生产成本。

2.本发明在放电过程中把电池能量回馈到电网，显著节约电能。

3.本发明的装置串联的所有锂动力电池化成过程中，可在电流不中断的情况下，投入或退出某一电池，不影响正常工作。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

图1为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置电池串联时的主回路原理图；

图2为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置共源极MOSFET单元组成的双模态开关主回路原理图；

图3为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置共漏极MOSFET单元组成的双模态开关主回路原理图；

图4为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置串联化成电池充电退出切换状态一；

图5为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置串联化成电池充电退出切换状态二；

图6为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置串联化成电池放电退出切换状态一；

图7为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置串联化成电池放电退出切换状态二；

图8为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置串联化成电池放电退出切换状态三；

图9为本发明一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置的控制电路原理图。

具体实施方式

图2由MOSFET组成串联双模态开关和旁路双模态开关均为共源极，图3由MOSFET组成的串联双模态开关和旁路双模态开关均为共漏极。以共源极的MOSFET单元为例接入如图1的主回路电路中，其中场效应管Q_11和场效应管Q_12组成第1组共源极MOSFET单元作为串联双模态开关，场效应管Q_13和场效应管Q_14组成第1组旁路双模态开关，锂动力电池BT_1为第1个动力电池；场效应管Q_21和场效应管Q_22组成第2组共源极MOSFET组作为串联双模态开关，场效应管Q_23和场效应管Q_24组成第2组旁路双模态开关。锂动力电池BT_2为2号动力电池。其他电池和场效应管的编号依次类推，共N组锂动力电池一起串联化成。

串联双模态开关以及旁路双模态开关排布在PCB上，PCB的基材为波纤布、铝或陶瓷。作为优选实施例，AC/DC电源模块的输入电压为三相交流380V，输出电压为0～500V，输出电流为0～150A的可调节恒流。AC/DC电源模块的输入也可是单相交流电，输出电压为直流，有恒压、恒流调节模式。容量可根据所串电池容量配置。

如图1所示，锂动力电池BT_1的负极连接到串联化成电源也即AC/DC电源模块的负极，锂动力电池BT_1的正极串联场效应管Q_11的漏极，场效应管Q_11的源极串联场效应管Q_12的源极，场效应管Q_12的漏极与串联化成电源的负极(同时也是BT_1的负极)之间并联有旁路双模态开关的场效应管Q13和场效应管Q14，场效应管Q_12的漏极连接场效应管Q_14的漏极，场效应管Q13的漏极与串联化成电源的负极连接；锂动力电池BT_2的负极连接到场效应管Q_12的漏极，锂动力电池BT_2的正极串联场效应管Q_21的漏极，场效应管Q_21的源极串联场效应管Q_22的源极，场效应管Q_22的漏极与锂动力电池BT_2的负极之间并联有旁路双模态开关的场效应管Q23和场效应管Q24，场效应管Q_22的漏极连接场效应管Q_24的漏极，场效应管Q23的漏极与锂动力电池BT_2的负极连接；其他依次类推，锂动力电池BT_N的负极连接场效应管Q(N-1)2的漏极，锂动力电池BT_N的正极串联场效应管Q_N1的漏极，场效应管Q_N1的源极串联场效应管Q_N2的源极，场效应管Q_N2的漏极与串联锂动力电池BT_N的负极之间并联有旁路双模态开关的场效应客Q_N3和场效应管Q_N4，场效应管Q_N2的漏极连接场效应管Q_N4的漏极并与串联化成电源的正极连接，场效应管Q_N3的漏极与锂动力电池BT_N的负极连接；该主回路实现了N个电池的串联化成，最大串联电池数量可达128个。

电池串联化成的过程就是对电池进行充放电的过程。正常工作情况下，串联双模态开关全部开通，串联化成电源的电流经过串联双模态开关对串联的电池进行充电，旁路双模态开关全部断开，图1黑色加粗的线为电流走向，电流的方向从上到下。

当某一个动力电池已经充满或者故障需要退出串联化成，本发明可实现该电池退出串联化成而其他动力电池保持正常串联化成工作状态，即其他动力电池在该电池退出的过程中电流不断流。以锂动力电池BT_1为例对电池退出进行说明，图4和图5是整个切换的过程。在图4中，当锂动力电池BT_1需要退出串联化成时，首先断开场效应管Q_11，电流通过场效应管Q_11的体二极管续流，然后开通旁路双模态开关的场效应管Q_13和场效应管Q_14，场效应管Q_13和场效应管Q_14接通后断开Q_12，串联化成电流从场效应管Q_14的漏极流入，从场效应管Q_13的漏极流出，除锂动力电池BT_1电池退出串联化成外，其他电池电流均为连续且保持不变。由于场效应管Q_11已断开，场效应管Q_11体二极管的阴极与锂动力电池BT_1的正极相连，对电池充电电流起到阻塞作用，保证了场效应管Q_13和场效应管Q14接通后锂动力电池BT_1两端不短路。

当锂动力电池BT_1需要重新投入到串联化成中，本发明可通过以下步骤实现：锂动力电池BT_1投入之前，场效应管Q_13和场效应管Q_14接通，场效应管Q_11和场效应管Q_12断开；首先接通场效应管Q_12，场效应管Q_12接通后同时关断Q_14，串联化成充电电流经过场效应管Q_12和场效应管Q_11的体二极管对锂动力电池BT_1进行充电，然后开通场效应管Q_11，其他动力电池电流均为连续且不变。

电池储存的能量可以通过本串联化成装置回馈到电网，回馈时的主回路如图1所示，电流的方向为从下到上。在电池的放电过程中，某一电池故障或达到截止电压，需要退出串联化成时，工作过程如下：

以锂动力电池BT_1为例进行说明，在正常串联放电的过程中，场效应管Q_11和场效应管Q_12均连通，场效应管Q_13和场效应管Q14断开。当锂动力电池BT_1出现故障或者放电已达到截止电压，需要从串联化成电路中退出锂动力电池BT_1。首先断开场效应管Q_12，电池放电电流从场效应管Q_12的体二极管续流，如图6所示，电流方向从下到上。然后接通场效应管Q_13，放电电流从场效应管Q_13流向场效应管Q_14的体二极管，如图7所示，电流从下到上。断开场效应管Q_11然后接通场效应管Q_14，放电电流从场效应管Q_13流向场效应管Q_14，如图8所示，电流方向从下到上。

控制电路原理如图9所示，电压采集***把采集到的电池电压、串联双模态开关电压等信息发送到微处理器控制***，电压采集***可采用专用AD芯片，满足最多128个单体电池串联化成。

微处理器控制***用于接收电压采集***采集到的电池电压、串联双模态开关电压以及过压、欠压、过热等故障信息，微处理器控制***根据接收到的信息对电池的工作状态进行故障判断及控制，对控制信号进行逻辑处理和互锁，保证可靠触发串联双模态开关和并联双模态开关，且不会造成动力电池的短路，通过对串联双模态开关和旁路双模态开关的开通和关断，实现串联化成单体动力电池的投入和退出。

本发明的具体实施方式不限于上述实施例，如本发明的串联双模态开关和旁路双模态开关不限于本案列的共源极，共漏极，也可以是其他类似形式的开关。包括在大电流情况下，采用的多个MOSFET并联的形式。总之，本发明的具体实施方式不限于上述实施例，根据本发明的上述内容和本领域的普通技术知识及惯用手段，在不脱离本发明基本技术思想的前提下，对本发明上述结构做出的其他多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置，包括主回路电路和控制电路，其特征在于，所述主回路电路包括一个AC/DC模块、i个单体动力电池、i个串联双模态开关、i个旁路双模态开关；

i个单体动力电池与各自的串联双模态开关串联后依次串联连接到AC/DC电源模块的正负极，每个串联双模态开关的一端串联连接到其对应的单体动力电池的正极，另一端和单体动力电池的负极端并联有所述旁路双模态开关；

所述单体动力电池的两端以及串联双模态开关的两端与所述控制电路电连接，所述控制电路用于实时地采集单体动力电池电压和串联双模态开关两端的电压，以完成对单体动力电池工作状态的故障判断，以及对开关控制信号的逻辑处理和互锁。

2.根据权利要求1所述的一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置，其特征在于，所述串联双模态开关和所述旁路双模态开关均由两组MOSFET单元串联组成，每组MOSFET单元包括一个并联系列，所述并联系列包括一个MOSFET即场效应管或至少两个并联的MOSFET，串联双模态开关或者旁路双模态开关的并联系列共源极或者共漏极。

3.根据权利要求1所述的一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置，其特征在于，3≤i≤128。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置，其特征在于，所述串联双模态开关或者旁路双模态开关排布在PCB上，所述PCB的基材为波纤布、铝或陶瓷。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种能量回馈型锂动力电池串联化成、分容装置，其特征在于，所述AC/DC电源模块的输入电流为三相或单相交流电，输出电压为直流，有恒压、恒流调节模式。