CN102723762A - 一种锂离子蓄电池化成电路 - Google Patents

Abstract

一种锂离子蓄电池化成电路，至少包括DC/AC电路、DC/DC电路、变压器、检测电路和控制电路，蓄电池和电网电压之间依次串接有DC/DC电路、DC/AC电路、变压器，DC/DC电路和DC/AC电路的控制端与控制电路电连接，通过控制电路控制进行DC/DC电路和DC/AC电路的电压转换，负载回路上有电流检测和电压检测电路，电流检测和电压检测电路与检测电路电连接，检测电路与控制电路电连接，控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电、恒压充电和放电，进行化成和分容。

Description

一种锂离子蓄电池化成电路

技术领域

本发明涉及一种锂离子蓄电池化成电路。

背景技术

锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，它基本解决了困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，采用一种有机溶剂-无机盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。

锂离子电池的额定电压为3.6V(少数的是3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：石墨的4.2V；焦炭的4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在±1％之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4～2.7V(电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同)。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。

电池还有多少电量，又称剩余电量，常取其与额定容量或实际容量的比值，称荷电程度。是人们在使用中最关心的、也是最不易获得的参数数据，人们试图通过测量内阻、电压电流的变化等精确推算荷电量，做了许多研究工作，但目前所用的公式和算法都不能得到统计数据的有效支持，指示的荷电程度总是非线性变化。

电池在充足电以后，开始放电直到放空电为止，能输出的最大电量。容量与放电电流大小有关，与充放电截止电压也有关系，故容量定义为小时率容量，动力电池常用1小时率(1C)或2小时率(0.5C)容量。电池在化成之前材料的活性不能正常发挥，容量很小，化成过程开始后，电池进入其生命期，在整个生命期里，电池的活化和劣化过程是一个问题的两个方面，初期活化作用处于主导地位，电池容量逐渐上升，以后，活化和劣化作用都不明显或相当，后期，劣化作用显著，容量衰减，规定容量衰减到一定比例(60％)后，电池寿命终结。

根据锂离子电池本身的结构特征，其充放电有着与镍基材料化学电池完全不同的充放电特性。它的充电过程一般采用恒流转恒压的充电模式。

充电开始为恒流充电阶段，电池的电压较低，充电的电流基本不变，充电的速率一般为1C(C＝充电电流/电池容量)，对于500mAh的电池即为500mA的充电电流，随着充电的继续进行，电池的电压逐渐上升，当单体电池的电压升到4.1V(或4.2V)时，充电器立即转入恒压充电；恒压充电时，单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.1V士50mV，若充电电压超过4.5V，可能造成锂离子电池的永久性破坏，此阶段为恒压充电阶段，充电电流下降较快，温度上升，最后当电流下降到某一范围，进人涓流充电阶段；涓流充电也称维护充电。在维护充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电他处于充足状态，用这种方法，第一个小时可充入电池额定容量的80％，两小时后电池即可充到额定容量。

电池充电终止的检测方法是判断充电电流，当充电电流降到某一定值时终止充电，例如充电电流降到40mA(典型值为起始充电电流的5％左右)时终止充电，也可以在检测到电池电压达到4.2V时启动定时器，在一定的延时后终止充电。

作为一种新型的动力技术，动力锂离子电池在使用中必须串联才能达到使用电压的需要，单体性能上的参差不齐并不全是缘于电池的应用技术问题，从涂膜开始到成品要经过多道工序，每道工序都经过严格的检测程序，使每只电池的电压、内阻、容量一致，由于锂电池的化成过程开始后，电池进入其生命期，动力锂离子电池配组前的化成不能推到最终用户那里完成，必须在出厂前化成、分容和测试完成。随着产量的上升，大批量的动力锂离子电池的生产化成、分容过程是一个耗费大量电力能源的必须过程，如何让这个过程快速、高效和减少电力能源的消耗是目前亟待解决的问题。而且必须尽快解决。

动力锂离子电池组的使用寿命受多种因素影响，如果电池组寿命低于单体平均寿命的一半以下，可以推断都是由于化成、分容技术不当造成的。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合大批量的动力锂离子电池的生产化成、分容的动力锂离子电池化成电路，以实现快速、高效和减少电力能源的消耗。

本发明的目的是这样实现的，一种动力锂离子电池化成电路，其特征是：至少包括DC/AC电路、DC/DC电路、变压器、检测电路和控制电路，蓄电池和电网电压之间依次串接有DC/DC电路、DC/AC电路、变压器，DC/DC电路和DC/AC电路的控制端与控制电路电连接，通过控制电路控制进行DC/DC电路和DC/AC电路的电压转换，负载回路上有电流检测和电压检测电路，电流检测和电压检测电路与检测电路电连接，检测电路与控制电路电连接，控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电、恒压充电和放电，进行化成和分容。

负载回路的电流检测和电压检测电路包括蓄电池两端的电压取样点，输入到检测电路，用于检测蓄电池电压；DC/DC电路输出端的电压取样点，输入到检测电路，用于检测电网电压向蓄电池充电回路的电压；蓄电池充电电流回路上的电流采样点，输入到检测电路，用于控制向蓄电池充电的恒流电流。

所述的DC/AC电路包括4个低压低阻的MOSFET管组成桥式电路；4个低压低阻的MOSFET管控制端通过驱动电路与控制电路I/O口电连接，4个低压低阻的MOSFET管分为两组，每组的两路管串联，两组并联，串联点与变压器的低压端电连接；并联的两端与滤波电路电连接。

所述的DC/DC电路由2只低压低阻MOSFET管串联连接，串联两端与滤波电路电连接，2只低压低阻MOSFET管控制端通过驱动电路与控制电路I/O口电连接，串联点通过电感L与第二滤波电路电连接，第二滤波电路与蓄电池电连接。

所述的控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电和恒压充电，其化成流程是：

所述的控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电和恒压充电，其分容流程是：

本发明的优点是：由于采用DC/DC及DC/AC对2～5V电池进行充放电控制；电源控制采用内带DSP的dsPIC30F2020或dsPIC30F2023；DC/DC部分采用2组低压低阻MOSFET管，每组由两个MOSFET管并联；DC/AC部分由4个低压低阻MOSFET管组成桥式电路；同时基于降压和升压变换器两种基本结构，当对蓄电池进行充电时，电源向蓄电池提供能量，当蓄电池放电时，蓄电池向电源回馈能量，电路完成能量的双向流动。动力锂离子电池的生产化成、分容实现快速、高效和减少电力能源的消耗。

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明实施例电路原理图；

图2是DC/DC控制方式原理说明；

图3是控制流程图。

图中，1、蓄电池；2、电网电压；3、DC/AC电路；4、DC/DC电路；5、变压器；6、检测电路；7、控制电路；8、第一滤波电路；9、第二滤波电路；10、第一驱动电路；11、第二驱动电路；12、负载回路；13、第一电压取样点；14、第二电压取样点；15、电流采样点。

具体实施方式

如图1所示，一种动力锂离子电池化成电路，包括DC/AC电路3、DC/DC电路4、变压器5、检测电路6和控制电路7，蓄电池1和电网电压2之间依次串接有DC/DC电路4、DC/AC电路3、变压器5，变压器5匝数多的两端通过继电器的开关连接电网电压2，变压器5匝数少的两端连接DC/AC电路3交流两端；DC/AC电路3电路包括4个低压低阻的MOSFET管组成桥式电路；4个低压低阻的MOSFET管控制端通过第一驱动电路10与控制电路I/O口电连接，4个低压低阻的MOSFET管分为两组，每组的两路管串联，两组并联，串联点与变压器的低压端电连接；并联的两端与第一滤波电路8电连接。DC/DC电路4由2只低压低阻MOSFET管串联连接，串联两端与第一滤波电路8电连接，2只低压低阻MOSFET管控制端通过第二驱动电路11与控制电路7的I/O口电连接，串联点通过电感L与第二滤波电路电连接，第二滤波电路与蓄电池1电连接。

DC/DC电路4和DC/AC电路3的控制端通过第一驱动电路10和第二驱动电路11与控制电路7电连接，通过控制电路7控制进行DC/DC电路4和DC/AC电路3的电压转换，负载回路12上有电流检测和电压检测电路，电流检测和电压检测电路与检测电路6电连接，检测电路6与控制电路7电连接，控制电路7分时完成电网电压2对蓄电池1的恒流充电、恒压充电和放电，进行化成和分容。

负载回路12的电流检测和电压检测电路包括蓄电池1两端的第一电压取样点13，输入到检测电路6的A/D输入端，用于检测蓄电池充电电压或放大电压；DC/DC电路4输出端的第二电压取样点14，输入到检测电路6的A/D输入端，用于检测电网电压2向蓄电池1充电回路的电压；蓄电池1充电电流回路上的电流采样点15，输入到检测电路6的A/D输入端，用于控制向蓄电池充电的恒流电流。

检测电路6采用内带DSP的dsPIC30F2020或dsPIC30F2023。检测电路6可以通过接口连接计算机，或通过网络接口连接公共通信网络，由公共通信网络连接计算机。以便远程管理或近程管理。由计算机软件完成电网电压对蓄电池的恒流充电和恒压充电。进行化成和分容控制。

所述的控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电和恒压充电，其化成流程如表1：

表1

注：

A.化成结束后，电池以3250(*)mV状态放置极化；

B.极化结束后，上柜测电压，设定一电压值发送流程，低于该电压的电池对应通道亮灯，据此摘下，挑出了自放电电池。剩余电池进行分容配组。

C.上述的流程、时间、电压、电流数据均可依据各个厂家的实际情况在上位机软件中做更改和设置。

所述的控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电和恒压充电，其分容流程如表2：

注：上述的流程、时间、电压、电流数据均可依据各个厂家的实际情况在上位机软件中做更改和设置。

DC/DC控制方式原理如图2所示。从原理图中可以看出，该电路有双环反馈：电流环与电压环。当对蓄电池进行恒流充电或恒流放电时，电流参考值接A端，即Iref＝Iconst为恒定的。电流给定值，当电池进行恒压充电时，系统加入电压环，Iref接B端，即Iref＝Ipid，虚线框内的PID采用数字PID调节。

DC/AC电路3完成电压型PWM整流电路，电压型PWM整流电路的控制目标有两个：一、保持输出电压在允许的范围内；二、控制交流侧的电流尽可能地接近正弦，交流输入功率因数接近于1。本发明中用最广泛、最实用化的双闭环直接电流控制策略，如图3所示。从上图可以看出该双闭环系统，外环为电压环，内环为网侧电流环。u为电网电压，经过同步信号发生器产生网压同步信号。Ud为直流环节母线电压，Uref为程序给定电压，两者之差e_u经过PI调节器与同步信号经乘法器和成得到电流指令i*。保证给定电流与网压同相或反相，实现交流侧功率因数为±1。

内环检测网侧电流值i，电网侧电流给定值i*和实际电网侧采样电流值i比较的偏差经过PI调节器、A\D等变换电路产生的信号输入DSP，DSP通过分析计算产生精确的PWM控制信号，再经过驱动电路分别驱动单相PWM整流器的两个桥臂的上下的四个功率器件，使得电网电流跟踪指令电流。

电压型PWM整流器的双闭环直接电流控制改善了间接电流控制动态响应慢、对参数敏感的不足。由于采用了网侧电流闭环控制，使得电压型PWM整流器网侧电流动、静态特性得到了提高，具有较快的电流响应，同时也使网侧电流对系统的参数不敏感。

Claims (6)

1.一种动力锂离子电池化成电路，其特征是：至少包括DC/AC电路、DC/DC电路、变压器、检测电路和控制电路，蓄电池和电网电压之间依次串接有DC/DC电路、DC/AC电路、变压器，DC/DC电路和DC/AC电路的控制端与控制电路电连接，通过控制电路控制进行DC/DC电路和DC/AC电路的电压转换，负载回路上有电流检测和电压检测电路，电流检测和电压检测电路与检测电路电连接，检测电路与控制电路电连接，控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电、恒压充电和放电，进行化成和分容。

2.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池化成电路，其特征是：负载回路的电流检测和电压检测电路包括蓄电池两端的电压取样点，输入到检测电路，用于检测蓄电池电压；DC/DC电路输出端的电压取样点，输入到检测电路，用于检测电网电压向蓄电池充电回路的电压；蓄电池充电电流回路上的电流采样点，输入到检测电路，用于控制向蓄电池充电的恒流电流。

3.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池化成电路，其特征是：所述的DC/AC电路包括4个低压低阻的MOSFET管组成桥式电路；4个低压低阻的MOSFET管控制端通过驱动电路与控制电路I/O口电连接，4个低压低阻的MOSFET管分为两组，每组的两路管串联，两组并联，串联点与变压器的低压端电连接；并联的两端与滤波电路电连接。

4.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池化成电路，其特征是：所述的DC/DC电路由2只低压低阻MOSFET管串联连接，串联两端与滤波电路电连接，2只低压低阻MOSFET管控制端通过驱动电路与控制电路I/O口电连接，串联点通过电感L与第二滤波电路电连接，第二滤波电路与蓄电池电连接。

5.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池化成电路，其特征是：所述的控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电和恒压充电，其化成流程是：

6.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池化成电路，其特征是：所述的控制电路分时完成电网电压对蓄电池的恒流充电和恒压充电，其分容流程是：

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