CN213602431U - 一种锂电池充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种锂电池充电装置，涉及锂电池充电领域，包括：锂电池，连接一充电器，并包括：第一控制芯片，连接一充电电路的输入端、一第一通讯装置、一第一采样电路的输出端；充电电路还连接一单体模组的输入端；单体模组的输出端连接第一采样电路的输入端；充电器包括：第二控制芯片，连接一直流输出电路的输入端和一第二通讯装置；直流输出电路的输出端连接充电电路的输入端，第二控制芯片通过控制直流输出电路输出电能至充电电路。本实用新型根据电池反馈的充电信息和充电器当前状态输出电流和电压给电池充电，保证电池在充完电后达到饱和；充电完成时，电池根据充电电流和单体最高电压进行电池满电修正。

Description

一种锂电池充电装置

技术领域

本实用新型涉及锂电池充电领域，尤其涉及一种锂电池充电装置。

背景技术

目前，市场上大部分的锂电池充电是通过两段式进行充电，先是进行恒流充电，锂电池电压达到一定的电压值后，然后进行恒压充电。除此之外，传统的充电方式在充电器与锂电池之间缺少信息反馈，充电器很难识别出锂电池的健康状态，整个过程中充电器只是根据锂电池的电压进行控制充电电压和电流的输出，以此来实现充电开始和结束。在充电过程中很难防止充电器的混用，当锂电池出现异常时，尤其是BMS失效、温度异常、锂电池过放电、单体过充等情况下，充电器无法判定锂电池的状态，此时充电极易发生危险。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种锂电池充电装置，包括：

锂电池，连接一充电器，所述锂电池包括：

第一控制芯片，分别连接一充电电路的输入端、一第一通讯装置、一第一采样电路的输出端；

所述第一控制芯片通过所述第一通讯装置向所述充电器发送一第一通讯信息以进行通讯；

所述充电电路还连接一单体模组的输入端，所述单体模组的输出端连接所述第一采样电路的输入端；

所述充电器包括：

第二控制芯片，分别连接一直流输出电路的输入端和一第二通讯装置；

所述第二控制芯片通过所述第二通讯装置向所述充电器发送一第二通讯信息以进行通讯；

所述直流输出电路的输出端连接所述充电电路的输入端。

优选的，所述充电器还包括一变压整流稳压电路，所述直流输出电路的输入端还连接所述变压整流稳压电路的输出端，所述变压整流稳压电路的输入端连接外部输入的市电。

优选的，所述充电器还包括一第二采样电路，所述变压整流稳压电路的输出端还连接所述第二采样电路的输入端，所述第二采样电路的输出端连接所述第二控制芯片。

优选的，所述锂电池还包括一过放修复电路，所述过放修复电路的输出端连接所述第一控制芯片，所述过放修复电路的输入端连接所述变压整流稳压电路的输出端。

优选的，所述锂电池还包括一第一状态显示装置，所述第一状态显示装置连接所述第一控制芯片。

优选的，第一状态显示装置包括：LED灯，和/或蜂鸣器。

优选的，所述充电器还包括一第二状态显示装置，所述第二状态显示装置连接所述第二控制芯片。

优选的，所述第二状态显示装置包括：LED灯，和/或蜂鸣器。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

(1)实现了锂电池与充电器之间的配对通信和故障监测，保证充电器的专用和锂电池的充电安全；

(2)充电器根据锂电池反馈的充电通讯信息和充电器当前的状态输出电流和电压给锂电池以进行充电，保证锂电池在每次充完电后都能达到饱和状态；充电完成时，锂电池根据充电电流和单体最高电压进行满电修正。

(3)对处于过放状态的锂电池进行激活，实现对锂电池进行修复。

附图说明

图1为本实用新型的较佳的实施例中，锂电池充电装置的结构示意图；

图2为本实用新型的较佳的实施例中，电池充电通讯参考曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实用新型并不限定于该实施方式，只要符合本实用新型的主旨，则其他实施方式也可以属于本实用新型的范畴。

本实用新型的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种锂电池充电装置，如图1所示，包括：

锂电池1，连接一充电器2，锂电池1包括：

第一控制芯片11，分别连接一充电电路12的输入端、一第一通讯装置13、一第一采样电路14的输出端；

第一控制芯片11通过第一通讯装置13向充电器2发送一第一通讯信息以进行通讯；

充电电路12还连接一单体模组16的输入端，单体模组16 的输出端连接第一采样电路14的输入端；

充电器2包括：

第二控制芯片21，分别连接一直流输出电路22的输入端和一第二通讯装置23；

第二控制芯片21通过第二通讯装置23向充电器2发送一第二通讯信息以进行通讯；

直流输出电路22的输出端连接充电电路12的输入端。

具体地，本实施例中，整个锂电池1充电装置构成了电池管理***(BatteryManagement System简称BMS)。锂电池1充电装置的充电过程主要包括：锂电池1与充电器2的匹配过程、锂电池1充电过程中对充电器2输出调控过程、充电结束判定过程、锂电池1的满电修正过程和充电异常的故障显示过程。

当锂电池1处于待充电或过放电的状态时，不允许充电器2对锂电池1进行充电。充电器2与锂电池1和电源接通后，开始充电匹配： (1)锂电池1处于待充电状态时，充电器2发送一激活信号激活锂电池1，锂电池1收到充电器2的激活信号时生成一激活反馈信号并发送至充电器2，当激活反馈信号中锂电池1的型号信息与激活信号中充电器2的型号信息互相匹配成功时锂电池1与充电器2之间匹配成功，若匹配不成功，则给出第一告警提示，进行故障报警；(2) 锂电池1处于过放状态时，锂电池1收到充电器2的过放激活信号，第一控制芯片11被激活，锂电池1与充电器2之间开始相互通信。当激活反馈信号中锂电池1的型号信息与激活信号中充电器2的型号信息互相匹配成功时锂电池1与充电器2之间匹配成功，锂电池1开启充电电路12。进而充电器2检测激活信号中包含的锂电池1的电压是否在合理的范围内：若在合理的范围内，充电器2根据电池的激活反馈信号进行输出，开始充电；若不在合理的范围内时，则给出第二告警提示，进行故障报警，禁止锂电池1进行充电。为了保证充电的安全，充电过程中充电器2和电池不但有各自的保护逻辑，而且依托通信的作用，充电器2和电池实现互相的控制。

锂电池1与充电器2匹配成功后，锂电池1发送自身充电状态数据的第一通讯信息给充电器2，其中锂电池1的充电状态数据包括：锂电池1此时状态允许的最大充电电流和最高充电电压；第一通讯信息包括：锂电池1的充电需求、允许充电器2输出的最大电流和最高电压、锂电池1允许充电器2充电的使能信号、单体电池的最高电压等与充电相关的信息。锂电池1发送第一通讯信息给充电器2之后锂电池1实时监测充电器2发送的包含充电输出数据的第二通讯信息。其中充电输出数据包括：第一采样电路14检测到的充电电压和充电电流；充电器2的第二通讯信息包括：充电器2的输出电压、输出电流和充电器2的使能等信息。进而锂电池1将充电器2的充电输出数据和锂电池1的充电状态数据进行比较。当充电器2的充电输出数据大于锂电池1的充电状态数据时，第一控制芯片11控制充电电路12 停止输出；当充电器2的充电输出数据不大于锂电池1的充电状态数据时进一步判断充电状态是否正常。当锂电池1充电状态正常时，第一控制芯片11根据锂电池1实时的单体最高电压调整第一通讯信息；锂电池的故障等级包括强故障和弱故障，当锂电池1充电状态异常时，进一步判断锂电池1是否出现强故障。当锂电池1出现的故障等级达到强故障时，第一控制芯片11控制充电电路12关闭，并把锂电池1的第一通讯信息发给充电器2，使充电器2中的第二控制芯片21 停止直流输出电路22输出，保证锂电池1的充电安全。当锂电池1 出现的故障等级达到弱故障时，第一控制芯片11会根据弱故障相对应的安全系数和锂电池1实时的单体最高电压进一步调整允许充电器2输出的最大电流，然后进入一个新的循环。

在充电过程中，充电器2接收到第一通讯信息并进行解析，分析锂电池1是否发送充电器2关闭通信信息：若未发，则第二控制芯片 21根据根据充电器2当前状态和第一通讯信息进行输出，并把充电器2的第二通讯信息发送给锂电池1；若发送了充电器2关闭通信信息，则进一步判断充电器2是否正常。当判断得到充电器2正常时，第二控制芯片21根据第一通讯信息中的数据控制直流输出电路22输出相应的电压和电流，在直流输出电路22的输出电流关断要求时(输出电流≤设定值，该输出电流即为充电截止电流)，第二控制芯片 21停止直流输出电路22输出，并发送充电器2关闭通信信息发给锂电池1。当判断得到充电器2异常时，根据充电器2的故障等级进行处理，其中故障等级包括强故障和弱故障，故障等级的判断条件包括影响充电安全的因素，例如：充电器2的温度、充电输出异常等。当充电器2出现弱故障时，充电器2根据第一通讯信息和相应的安全系数控制直流输出电路22的输出电流和输出电压。第二控制芯片21根据直流输出电路22的输出电流和输出电压进行判定充电是否结束，并在判断得到充电未结束时继续充电，并进入新的循环。当充电器2 出现强故障时，第二控制芯片21停止直流输出电路22输出，并发送充电器2关闭通信信息发给锂电池1。综上可得，充电器2停止直流输出电路22输出和停止发送第一通讯信息的条件是锂电池1发送充电器2关闭通信信息、充电器2出现强故障或直流输出电路22输出的输出电流满足关断要求(输出电流≤设定值)。

锂电池1充电结束判定的准确性，是保证锂电池1是否会出现过充的关键性的因素。本技术方案中充电方式充电结束的判定依据是满电修正完成状态或充电器2的故障等级。当锂电池1出现强故障时，第一控制芯片11控制充电电路12关闭，并把锂电池1的第一通讯信息发给充电器2，使充电器2中的第二控制芯片21停止直流输出电路22输出；当充电器2出现强故障时，第二控制芯片21停止直流输出电路22输出，并发送充电器2关闭通信信息发给锂电池1。锂电池1的荷电状态是表示电池当前的剩余电量，也是用户判定是否充满最直观的体现。因为单体模组16的一致性问题，锂电池1的单体最高电压存在着差异，本技术方案根据单体模组16的最高电压范围和锂电池1实测的充电电流对荷电状态进行满电修正。在锂电池1的充电末端，为了防止过充，把单体电池的最高电压范围分成三段或多段。其中，单体电池的最高电压下限＜U1＜U2＜单体设计的最高电压，I₂＞I₁＞充电截止电流。锂电池1荷电状态的满电修正方式是：当实测单体最高电压不小于U1且实测充电电流不大于I1时进行满电修正直至满电修正完成；当实测单体最高电压不小于U1且实测充电电流大于I1时进行持续充电；当实测单体最高电压不大于U1时进行持续充电直至实测单体最高电压不小于U2；当实测单体最高电压不小于U2 时判断实测充电电流是否不大于I2，并在实测充电电流不大于I2时进行满电修正直至满电修正完成；以及在实测充电电流大于I2时判断实测单体最高电压是否不小于单体设计的最高电压，并在实测单体最高电压不小于单体设计的最高电压时进行满电修正直至满电修正完成；以及在在实测单体最高电压小于单体设计的最高电压时进行持续充电。当在满电修正完成后第一控制芯片11将充电器2关闭通信信息发给充电器2，使充电器2中的第二控制芯片21停止直流输出电路22输出，进而使得充电结束。

充电异常的故障显示：充电器2上装有指示灯，在电池充电发生充电异常时，充电器2的第二通讯信息中包含所有的故障信息。但是，指示灯只显示第一次出现故障的信息。

在一个优选的实施例中，采用48V20Ah的锂电池1，锂电池1和充电器2之间的通信方式是控制器局域网(Controller Area Network 简称CAN)，电芯类型三元锂18650，单体电池的最高电压4.2V(单体模组16的最高电压为54.6V)，单体电池放电的保护电压3V(单体模组16的保护电压为39V)，单体电池的过放电压≤2.75V (35.75V)，U1＝4.16V，U2＝4.18V，I1＝0.4A，I2＝0.7A，锂电池1正常充电温度：2℃≤T1≤50℃；锂电池1进入充电弱故障(弱故障安全系数0.5)温度：50℃＜T2≤55℃，-3℃≤T2＜2℃；锂电池1进入充电强故障温度：T3＜-3℃，T3＞55℃。锂电池1正常状态下允许最大的充电电流10A，锂电池1的过放激活信号：12V的电压信号。

锂电池1的第一通讯信息包括：ID01：xx(充电器2使能：00 开启、01关闭、11故障禁充)xx(锂电池1类型编码FF代表48V锂电池1)xx(允许输出最大电压)xx(允许输出的最大电流)xx(锂电池1故障类型：00正常、01弱故障、10强故障)。

充电器2，充电器2充电结束的充电截止电流设定值为0.3A，充电器2的连接有12V的电压信号用于激活过放锂电池1。充电器2正常充电温度：0℃≤T1≤65℃；充电器2进入充电弱故障(弱故障安全系数0.5)温度：65℃＜T2≤100℃，-20℃≤T2＜0℃；充电器2 进入充电强故障温度：T3℃＜-20，T3＞100℃。充电器2的状态显示，采用LED指示灯进行显示：通过红灯闪烁次数和长短结合显示故障内容，绿灯闪烁表示充电器2代充，绿灯常亮表示充电器2充满。

充电器2的第二通讯信息包括：ID02：xx(充电器2使能：00 开启、01关闭、11故障禁充)xx(充电器2类型编号EE代表48V充电器2)xx(当前充电电压)xx(当前充电电流)xx(充电器2故障类型：00正常、01弱故障、10强故障)xx(充电器2温度)xx(故障标志：00：正常；01：硬件故障；02：内温过高；04：外温过高； 08：锂电池1错接；09：通讯接收超时；10：锂电池1限充报警等等)。

充电匹配具体过程：

当充电器2与锂电池1连接好后，当锂电池1正常欠压时，锂电池1接收到充电器2发送的过放激活信号后，锂电池1的第一控制芯片11被激活后生成一反馈信号并发送至充电器2的第二控制芯片21，同时第一控制芯片11分析充电器2的第二通讯信息是否满足48V充电器2和无故障禁充要求，并在充电器2的第二通讯信息满足条件后开启充电电路12。同时充电器2分析锂电池1的第一通讯信息是否满足48V锂电池1和无故障禁充要求，并在锂电池1的第一通讯信息满足条件后，充电器2开始监测锂电池1的电压范围满足35.75V＜U ≤54.6V。并当锂电池1的电压范围满足35.75V＜U≤54.6V后第二控制芯片21控制充电器2与锂电池1完成匹配，进而开始充电。若锂电池1过放电，锂电池1先被12V的电压信号激活，然后执行上述动作。

充电具体过程：

当锂电池1与充电器2匹配成功后，若此时单体最高电压为3V，如图2所示，根据电池充电通讯参考曲线可以得出此时正常的充电电流为4A。锂电池1状态正常时，锂电池1会发送允许输出最大电压 54.6V，允许输出最大电流4A至充电器2。锂电池1状态异常时：1、锂电池1出现强故障时发送故障禁充的第一通讯信息至充电器2，同时锂电池1停止充电电路12输出；2、锂电池1出现弱故障时，锂电池1会结合安全系数0.5，调整允许输入的最大电流为2A，充电最大保护电流降到5A。充电器2会根据此请求进行输出，锂电池1会实时监测充电器2的输出，当充电器2的输出超出充电保护值时，锂电池1会进行保护，停止充电电路12输出。充电器2异常时：1、充电器2出现强故障时，充电器2会关闭直流输出电路22输出，同时发送故障禁充及故障标志，此时指示灯会报故障原因；2、充电器2出现弱故障时，充电器2会根据锂电池1的第一通讯信息和安全系数进行调整输出电流至2A。

充电结束及锂电池1的满电修正:

1、锂电池1单体最高电压达到4.2V，锂电池1停止直流输出电路22输出，锂电池1发送充电关闭信号至充电器2，充电器2停止输出(充电使能关闭，指示灯变成绿灯常亮)，同时锂电池1停止充电电路12输出，完成满电修正；

2、锂电池1进入充电末期时，单体最高电压达到4.16V，锂电池1实测充电电流≤0.4A时，锂电池1发送充电关闭信号至充电器2，充电器2停止输出(充电使能关闭，指示灯变成绿灯常亮)，锂电池 1停止充电电路12输出，完成满电修正；

3、锂电池1进入充电末期，单体最高电压达到4.18V，锂电池1 实测充电电流≤0.7A时，锂电池1发送充电关闭信号至充电器2，充电器2停止输出(充电使能关闭，指示灯变成绿灯常亮)，锂电池1 停止充电电路12输出，完成满电修正；

4、当充电器2检测自身当前的输出电流≤0.3A时，充电器2发送充电使能关闭信号至锂电池1，同时控制指示灯变成绿灯常亮，充电器2停止输出，锂电池1停止充电电路12输出，从而锂电池1停止充电，完成满电修正；

5、锂电池1或充电器2发生强故障或匹配不成功时，锂电池1 和充电器2会分别停止充电电路12和直流输出电路22的输出，同时充电器2发送故障禁充至LED指示灯进行显示：通过红灯闪烁次数和长短结合显示故障内容以进行显示。

本实用新型的较佳的实施例中，充电器2还包括一变压整流稳压电路24，直流输出电路22的输入端还连接一变压整流稳压电路24 的输出端，变压整流稳压电路24的输入端连接外部输入的市电。

具体地，本实施例中，通过变压整流稳压电路24将外部输入的市电转化成直流输出电路22所需的电压和电流，进而通过直流输出电路22将直流电压和直流电流输出至锂电池1。

本实用新型的较佳的实施例中，充电器2还包括一第二采样电路 25，变压整流稳压电路24的输出端还连接第二采样电路25的输入端，第二采样电路25的输出端连接第二控制芯片21。

具体地，本实施例中，通过第二采样电路25实现对充电器2的电压、电流和温度进行采集，进而将采集到的数据反馈给第二控制芯片21，第二控制芯片21根据这些数据控制直流输出电路22在充电过程中的输出；当电池模组处于过放状态时，变压整流稳压电路24生成一过放激活信号并发送至过放修复电路15，过放修复电路15根据过放激活信号实现对处于过放状态的锂电池1进行激活。

本实用新型的较佳的实施例中，锂电池1还包括一过放修复电路 15，过放修复电路15的输出端连接第一控制芯片11，过放修复电路 15的输入端连接变压整流稳压电路24的输出端。

具体地，本实施例中，在开始锂电池1和充电器2匹配时若锂电池1未激活，此时第二控制芯片21控制变压整流稳压电路24生成一过放激活信号并发送至过放修复电路15，过放修复电路1根据过放激活信号激活第一控制芯片11，进而使得锂电池1和充电器2进行充电。

本实用新型的较佳的实施例中，充电器2还包括一第一状态显示装置17，第一状态显示装置17连接第一控制芯片11。

具体地，本实施例中，第一状态显示装置17用于显示锂电池1 的充电状态。

本实用新型的较佳的实施例中，第一状态显示装置17包括：

LED灯，和/或蜂鸣器。

具体地，本实施例中，LED灯可以通过改变LED灯的颜色和闪烁频率来显示充电状态；蜂鸣器可以通过蜂鸣器的声音来表征充电状态。

本实用新型的较佳的实施例中，充电器2还包括一第二状态显示装置26，第二状态显示装置26连接第二控制芯片21。

具体地，本实施例中，第二状态显示装置26用于显示充电过程中充电器2的状态。

本实用新型的较佳的实施例中，第二状态显示装置26包括：

LED灯，和/或蜂鸣器。

以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种锂电池充电装置，其特征在于，包括：

锂电池，连接一充电器，所述锂电池包括：

第一控制芯片，分别连接一充电电路的输入端、一第一通讯装置、一第一采样电路的输出端；

所述第一控制芯片通过所述第一通讯装置向所述充电器发送一第一通讯信息以进行通讯；

所述充电电路还连接一单体模组的输入端，所述单体模组的输出端连接所述第一采样电路的输入端；

所述充电器包括：

第二控制芯片，分别连接一直流输出电路的输入端和一第二通讯装置；

所述第二控制芯片通过所述第二通讯装置向所述充电器发送一第二通讯信息以进行通讯；

所述直流输出电路的输出端连接所述充电电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述充电器还包括一变压整流稳压电路，所述直流输出电路的输入端还连接所述变压整流稳压电路的输出端，所述变压整流稳压电路的输入端连接外部输入的市电。

3.根据权利要求2所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述充电器还包括一第二采样电路，所述变压整流稳压电路的输出端还连接所述第二采样电路的输入端，所述第二采样电路的输出端连接所述第二控制芯片。

4.根据权利要求2所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述锂电池还包括一过放修复电路，所述过放修复电路的输出端连接所述第一控制芯片，所述过放修复电路的输入端连接所述变压整流稳压电路的输出端。

5.根据权利要求1所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述锂电池还包括一第一状态显示装置，所述第一状态显示装置连接所述第一控制芯片。

6.根据权利要求5所述的锂电池充电装置，其特征在于，第一状态显示装置包括：LED灯，和/或蜂鸣器。

7.根据权利要求1所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述充电器还包括一第二状态显示装置，所述第二状态显示装置连接所述第二控制芯片。

8.根据权利要求7所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述第二状态显示装置包括：LED灯，和/或蜂鸣器。

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