CN113839436B - 锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路及充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路及其充电的方法，属于锂电池充电领域。本发明采用的技术方案是，包括PLC控制器、人机交互显示屏和充电电路，人机交互显示屏和PLC控制器的交互接口相连接。充电电路包括与交流市电相连的连接插头、交流断路器、电池类型选择继电器、充电电流选择继电器、充电器和充电继电器，交流断路器的火线、电池类型选择继电器、充电电流选择继电器和充电器相串联。通过人机交互显示屏对电芯和充电电流进行选择，可切换不同充电倍率，达到单串电芯自动均衡充电目的。单串电芯的充电效率提升快。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路及其充电的方法，属于锂电池充电领域。
背景技术
随着锂离子电池的迅速发展,锂离子电池组的应用范围也在不断扩展,目前常用的锂离子电池有磷酸铁锂和三元锂两种；但是受锂离子生产工艺的影响，锂离子的电压、容量的一致性问题不能得到根本的解决，随着锂离子电池组的使用时间的累加，每串之间的电压和容量的偏差会越来越大，最终导致锂离子电池的容量减少和使用寿命减短。
为了解决锂离子电池组的一致性问题，延长锂离子电池组的寿命，就需要对电池组的单串电池组进行单独充电，对电压和容量进行维护，让单串的电池组的电压和容量重新达到相同。
目前常规方法是使用单串充电器对单串电池充电，充满后，再手动更换到下一串电池，效率低且需要人员值守。
发明内容
本发明专利目的是提供一种锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路及其充电的方法，可实现自动化对锂离子电池组中单串电池自动均衡充电，提高单串充电的效率，提高锂离子电池组的一致性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路， 包括PLC控制器、人机交互显示屏和充电电路，人机交互显示屏和PLC控制器的交互接口相连接；
所述充电电路包括与交流市电相连的连接插头、交流断路器、电池类型选择继电器、充电电流选择继电器、充电器和充电继电器，交流断路器的火线、电池类型选择继电器、充电电流选择继电器和充电器相串联，设有两个电池类型选择继电器，分别对应磷酸铁锂电池组和三元锂电池组,每个电池类型选择继电器对应连接两组充电电流选择继电器；
充电器的直流输出端正极接线串联充电继电器后连接于待充电锂电池组中单串电池的正极，充电器的直流输出端负极接线串联充电继电器后连接于待充电锂电池组中单串电池的负极，所述电池类型选择继电器、充电电流选择继电器和充电继电器的控制接线接入PLC控制器。
作为优选，人机交互显示屏具有显示、触摸输入和输出功能，触摸输入实现对对电池类型和充电电流进行选择，通过人机交互显示屏进行启动单串电池的充电。
作为优选，充电器设有充满电信号反馈输出接口，该充满电信号反馈输出接口连接于PLC控制器，充电器检测到单个电池充满电后通过充满电信号反馈输出接口向外发出充满电信号，PLC控制器接受该信号并发出停止该电池的充电信号。
作为优选，通过电池类型选择继电器进行不同材料电池的电池类型选择，通过充电电流选择继电器对电流进行选择，进而启动内置的不同的充电器进行输出，给单串电池充电，待充电锂电池组中单串电池充满电， PLC控制器切换充电继电器到下一单串电池进行充电。
作为优选，所述锂离子电池组中含有16个单串电池串联起来，16个单串电池正极所连的充电继电器分别为充电继电器K1、K2、K3、···K16，最后一个单串电池的负极连接充电继电器K17，充电器为四组，分别为3.6V3A磷酸铁锂充电器、3.6V5A磷酸铁锂充电器、4.2V3A三元锂充电器和4.2V5A三元锂充电器，充电电流选择继电器对应四组充电器，分别为充电电流选择继电器K20、充电电流选择继电器K21、充电电流选择继电器K22和充电电流选择继电器K23，两电池类型选择继电器为电池类型选择继电器K18和电池类型选择继电器K19。
进一步的优选，电池类型选择继电器K18和电池类型选择继电器K19并联于交流断路器的火线，充电电流选择继电器K20和充电电流选择继电器K21并联于电池类型选择继电器K18，充电电流选择继电器K22和充电电流选择继电器K23并联于电池类型选择继电器K19，充电电流选择继电器K20连接于3.6V3A磷酸铁锂充电器，充电电流选择继电器K21连接于3.6V5A磷酸铁锂充电器，充电电流选择继电器K22连接于4.2V3A三元锂充电器，充电电流选择继电器K23连接于4.2V5A三元锂充电器。
进一步的优选，3.6V3A磷酸铁锂充电器、3.6V5A磷酸铁锂充电器、4.2V3A三元锂充电器和4.2V5A三元锂充电器的直流输出端正极接线交汇相连，然后引出16根正极充电线分别串联充电继电器K1、K2、K3、···K16和16个单串电池的正极，3.6V3A磷酸铁锂充电器、3.6V5A磷酸铁锂充电器、4.2V3A三元锂充电器和4.2V5A三元锂充电器的直流输出端负极接线交汇相连，然后引出16根负极充电线分别接入充电继电器K2、K3、K4、···K17和16个单串电池的负极。
再进一步的优选，交流断路器的零线接入4.2V5A三元锂充电器的交流输入零线接口，4.2V5A三元锂充电器的交流输出零线接口通过导线与4.2V3A三元锂充电器的交流输入零线接口相连，4.2V3A三元锂充电器的交流输出零线接口通过导线与3.6V5A磷酸铁锂充电器的交流输入零线接口相连，3.6V5A磷酸铁锂充电器的交流输出零线接口通过导线与3.6V3A磷酸铁锂充电器的交流输入零线接口相连。
根据锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路进行充电的方法，包括如下步骤，
1）通过人机交互显示屏启动充电电路，选择充电的电池类型为磷酸铁锂电池或三元锂电池，根据电池类型选择充电电流，并将选择的电池类型和充电电流将控制信号传输给PLC控制器；
2）PLC控制器根据人机交互显示屏选择的电池类型和充电电流向电池类型选择继电器K18或电池类型选择继电器K19发出闭合信号，向充电电流选择继电器K20、充电电流选择继电器K21、充电电流选择继电器K22和充电电流选择继电器K23中的一个发出闭合信号；向充电继电器K1、K2、K3、···K16、K17中的两个相邻充电继电器发出闭合信号；
3）PLC控制器控制锂离子电池组中一个单串电池正负极所连的两充电继电器闭合，该单串电池充电线线路接通，进行充电；
4）充电器充电过程中时时检测充电中的单串电池电压，当达到要求的充电电压，且充电电流降低至单串电池充满电流，则充电器向PLC控制器发出充满信号；
5）PLC控制器控制单串电池的正负极所连的充电继电器断开，然后向另一单串电池正负极所连的两充电继电器闭合，对该单串电池进行充电；
6）重复步骤3、步骤4和步骤5，将所有离子电池组中单串电池全部充满电，PLC控制器向电池类型选择继电器、充电电流选择继电器及最后充电使用过的两充电继电器发出断开信号，充电完成。
作为优选，上一个单串电池充满电后，延时5s，闭合下一单串电池正负极所连的两充电继电器。
通过人机交互显示屏对电池和充电电流进行选择，通过人机交互显示屏进行启动；设计了可切换不同充电倍率的1-16串锂离子电池组的单串自动均衡充电执行电路，即通过电池类型选择继电器进行充电类型的选择，通过充电电流选择继电器对电流进行选择，进而启动内置的4款不同的充电器进行输出给单串电池充电，待单串电池充满电，充电器会发送信号给PLC，PLC对单串充电继电器进行控制，切换到下一串电池进行充电，直至结束。单串电池的充电效率提升快。
附图说明
图1是本发明的PLC与人机交互显示屏间的连接关系图，
图2本发明的单穿电池与充电器的连接关系图，
图3是本发明的充电方法流程框图，
图4是本发明的人机交互显示屏界面图，
附图标记：
1、人机交互显示屏，2、PLC控制器，3、交流断路器、4、3.6V3A磷酸铁锂充电器，5、3.6V5A磷酸铁锂充电器，6、4.2V3A三元锂充电器，7、4.2V5A三元锂充电器8连接插头。
具体实施方式
下面对发明的具体内容进行进一步的说明：
本发明锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路，如图1中所示，包括PLC控制器、人机交互显示屏和充电电路，图1中，人机交互显示屏和PLC控制器的交互接口相连接。
充电电路如图2所示，包括与交流市电相连的连接插头、交流断路器、电池类型选择继电器、充电电流选择继电器、充电器和充电继电器，交流断路器的火线、电池类型选择继电器、充电电流选择继电器和充电器相串联。两个电池类型选择继电器分别对应磷酸铁锂电池组和三元锂电池组,每个电池类型选择继电器对应连接两组充电电流选择继电器。充电器的直流输出端正极接线串联充电继电器后连接于待充电锂电池组中单串电池的正极，充电器的直流输出端负极接线串联充电继电器后连接于待充电锂电池组中单串电池的负极，所述电池类型选择继电器、充电电流选择继电器和充电继电器的控制接线接入PLC控制器。
市电经由连接插头， 220V AC的交流断路器接入均衡充电电路。
充电器设有充满电信号反馈输出接口，该充满电信号反馈输出接口连接于PLC控制器，充电器检测到单个电池充满电后通过充满电信号反馈输出接口向外发出充满电信号，PLC控制器接受该信号并发出停止该电池的充电信号。
通过电池类型选择继电器进行不同材料电池的电池类型选择，通过充电电流选择继电器对电流进行选择，进而启动内置的不同的充电器进行输出，给单串电池充电，待充电锂电池组中单串电池充满电， PLC控制器切换充电继电器到下一单串电池进行充电。
人机交互显示屏具有显示、触摸输入和输出功能，显示屏上显示出、电池类型选择框、电流类型选择框作为触摸输入界面，人机交互显示屏通过数据线与PLC控制器相连实现信息的交换与控制数据的传输。触摸输入实现对对电池类型和充电电流进行选择，通过人机交互显示屏进行启动单串电池的充电。人机交互显示屏通过数据线与PLC控制器相连实现信息的交换与控制数据的传输。
具体的对含有16个单串电池串联起来的锂离子电池组的充电电路进行具体说明，如图2中所示，
电池类型选择继电器为两组，分别为电池类型选择继电器K18和电池类型选择继电器K19。充电电流选择继电器为四组，分别为充电电流选择继电器K20、充电电流选择继电器K21、充电电流选择继电器K22和充电电流选择继电器K23。 充电继电器为K1、K2、K3、···K16、K17。
电池类型选择继电器K18和电池类型选择继电器K19并联于交流断路器的火线，充电电流选择继电器K20和充电电流选择继电器K21并联于电池类型选择继电器K18，充电电流选择继电器K22和充电电流选择继电器K23并联于电池类型选择继电器K19，充电电流选择继电器K20连接于3.6V3A磷酸铁锂充电器，充电电流选择继电器K21连接于3.6V5A磷酸铁锂充电器，充电电流选择继电器K22连接于4.2V3A三元锂充电器，充电电流选择继电器K23连接于4.2V5A三元锂充电器。
3.6V3A磷酸铁锂充电器、3.6V5A磷酸铁锂充电器、4.2V3A三元锂充电器和4.2V5A三元锂充电器的直流输出端正极接线交汇相连，然后引出16根正极充电线分别串联充电继电器K1、K2、K3、···K16和16个单串电池的正极，3.6V3A磷酸铁锂充电器、3.6V5A磷酸铁锂充电器、4.2V3A三元锂充电器和4.2V5A三元锂充电器的直流输出端负极接线交汇相连，然后引出16根负极充电线分别接入充电继电器K2、K3、K4、···K17和16个单串电池的负极。
交流断路器的零线接入4.2V5A三元锂充电器的交流输入零线接口，4.2V5A三元锂充电器的交流输出零线接口通过导线与4.2V3A三元锂充电器的交流输入零线接口相连，4.2V3A三元锂充电器的交流输出零线接口通过导线与3.6V5A磷酸铁锂充电器的交流输入零线接口相连，3.6V5A磷酸铁锂充电器的交流输出零线接口通过导线与3.6V3A磷酸铁锂充电器的交流输入零线接口相连。
对均衡充电的方法进行说明，图3是离子电池组的单串自动均衡充电流程框图，包括如下步骤，
1）通过人机交互显示屏启动充电电路，选择充电的电池类型为磷酸铁锂电池或三元锂电池，根据电池类型选择充电电流，3A或5A两档，并将选择的电池类型和充电电流将控制信号传输给PLC控制器；
2）PLC控制器根据人机交互显示屏选择的电池类型和充电电流向电池类型选择继电器K18或电池类型选择继电器K19发出闭合信号，向充电电流选择继电器K20、充电电流选择继电器K21、充电电流选择继电器K22和充电电流选择继电器K23中的一个发出闭合信号；向充电继电器K1、K2、K3、···K16、K17中的两个相邻充电继电器发出闭合信号；
3）PLC控制器控制锂离子电池组中一个单串电池正负极所连的两充电继电器闭合，该单串电池充电线线路接通，进行充电；
4）充电器充电过程中时时检测充电中的单串电池电压，当达到要求的充电电压，且充电电流降低至单串电池充满电流，则充电器向PLC控制器发出充满信号；
5）PLC控制器控制单串电池的正负极所连的充电继电器断开，然后向另一单串电池正负极所连的两充电继电器闭合，对该单串电池进行充电；
6）重复步骤3、步骤4和步骤5，将所有离子电池组中单串电池全部充满电，PLC控制器向电池类型选择继电器、充电电流选择继电器及最后充电使用过的两充电继电器发出断开信号，充电完成。
通过人机交互显示屏对电池和充电电流进行选择，通过人机交互显示屏进行启动；设计了可切换不同充电倍率的1-16串锂离子电池组的单串自动均衡充电执行电路，即通过电池类型选择继电器进行充电类型的选择，通过充电电流选择继电器对电流进行选择，进而启动内置的4款不同的充电器进行输出给单串电池充电，待单串电池充满电，充电器会发送信号给PLC，PLC对单串充电继电器进行控制，切换到下一串电池进行充电，直至结束。单串电池的充电效率提升快。
Claims (9)
1.一种锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路，其特征在于，
包括PLC 控制器、人机交互显示屏和充电电路，人机交互显示屏和PLC 控制器的交互接口相连接；
所述充电电路包括与交流市电相连的连接插头、交流断路器、电池类型选择继电器、充电电流选择继电器、充电器和充电继电器，交流断路器的火线、电池类型选择继电器、充电电流选择继电器和充电器相串联，设有两个电池类型选择继电器，分别对应磷酸铁锂电池组和三元锂电池组,每个电池类型选择继电器对应连接两组充电电流选择继电器；
充电器的直流输出端正极接线串联充电继电器后连接于待充电锂电池组中单串电池的正极，充电器的直流输出端负极接线串联充电继电器后连接于待充电锂电池组中单串电池的负极，所述电池类型选择继电器、充电电流选择继电器和充电继电器的控制接线接入PLC 控制器；
充电器设有充满电信号反馈输出接口，该充满电信号反馈输出接口连接于PLC 控制器，充电器检测到单个电池电满电后通过充满电信号反馈输出接口向外发出充满电信号，PLC 控制器接受该信号并发出停止该电池的充电信号。
2.根据权利要求1 所述的锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路，其特征是，人机交互显示屏具有显示、触摸输入和输出功能，触摸输入实现对电池类型和充电电流进行选择，通过人机交互显示屏进行启动单串电池的充电。
3.根据权利要求1 所述的锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路，其特征是，通过电池类型选择继电器进行不同材料电芯的电池类型选择，通过充电电流选择继电器对电流进行选择，进而启动内置的不同的充电器进行输出，给单串电池充电，待充电锂电池组中单串电池充满电， PLC 控制器切换充电继电器到下一单串电池进行充电。
4.据权利要求1 所述的锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路，其特征是，所述锂离子电池组中含有16 个单串电池串联起来，16 个单串电池正极所连的充电继电器分别为充电继电器K1、K2、K3、···K16，最后一个单串电池的负极连接充电继电器K17，充电器为四组，分别为3.6V3A 磷酸铁锂充电器、3.6V5A 磷酸铁锂充电器、4.2V3A 三元锂充电器和4.2V5A 三元锂充电器，充电电流选择继电器对应四组充电器，分别为充电电流选择继电器K20、充电电流选择继电器K21、充电电流选择继电器K22 和充电电流选择继电器K23，两电池类型选择继电器为电池类型选择继电器K18 和电池类型选择继电器K19。
5.据权利要求4 所述的锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路，其特征是，电池类型选择继电器K18 和电池类型选择继电器K19 并联于交流断路器的火线，充电电流选择继电器K20 和充电电流选择继电器K21 并联于电池类型选择继电器K18，充电电流选择继电器K22和充电电流选择继电器K23 并联于电池类型选择继电器K19，充电电流选择继电器K20 连接于3.6V3A 磷酸铁锂充电器，充电电流选择继电器K21 连接于3.6V5A 磷酸铁锂充电器，充电电流选择继电器K22 连接于4.2V3A 三元锂充电器，充电电流选择继电器K23 连接于4.2V5A三元锂充电器。
6.据权利要求5 所述的锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路，其特征是，3.6V3A 磷酸铁锂充电器、3.6V5A 磷酸铁锂充电器、4.2V3A 三元锂充电器和4.2V5A 三元锂充电器的直流输出端正极接线交汇相连，然后引出 16 根正极充电线分别串联充电继电器 K1、K2、K3、···K16 和16 个单串电池的正极，3.6V3A 磷酸铁锂充电器、3.6V5A 磷酸铁锂充电器、4.2V3A 三元锂充电器和4.2V5A 三元锂充电器的直流输出端负极接线交汇相连，然后引出16根负极充电线分别接入充电继电器K2、K3、K4、···K17 和16 个单串电池的负极。
7.据权利要求6 所述的锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路，其特征是，交流断路器的零线接入4.2V5A 三元锂充电器的交流输入零线接口，4.2V5A 三元锂充电器的交流输出零线接口通过导线与4.2V3A 三元锂充电器的交流输入零线接口相连，4.2V3A 三元锂充电器的交流输出零线接口通过导线与3.6V5A 磷酸铁锂充电器的交流输入零线接口相连，3.6V5A磷酸铁锂充电器的交流输出零线接口通过导线与3.6V3A 磷酸铁锂充电器的交流输入零线接口相连。
8.一种根据权利要求7 锂离子电池组中单串电池自动均衡充电电路进行充电的方法，其特征是，包括如下步骤，
1）通过人机交互显示屏启动充电电路，选择充电的电池类型为磷酸铁锂电池或三元锂电池，根据电池类型选择充电电流，并将选择的电池类型和充电电流将控制信号传输给PLC控制器；
2）PLC 控制器根据人机交互显示屏选择的电池类型和充电电流向电池类型选择继电器K18或电池类型选择继电器K19 发出闭合信号，向充电电流选择继电器K20、充电电流选择继电器K21、充电电流选择继电器K22 和充电电流选择继电器K23 中的一个发出闭合信号；向充电继电器K1、K2、K3、···K16、K17 中的两个相邻充电继电器发出闭合信号；
3）PLC 控制器控制锂离子电池组中一个单串电池正负极所连的两充电继电器闭合，该单串电池充电线线路接通，进行充电；
4）充电器充电过程中时时检测充电中的单串电池电压，当达到要求的充电电压，且充电电流降低至单串电池充满电流，则充电器向PLC 控制器发出充满信号；
5）PLC 控制器控制单串电池的正负极所连的充电继电器断开，然后向另一单串电池正负极所
连的两充电继电器闭合，对该单串电池进行充电；
6）重复步骤3）、步骤4 ）和步骤5），将所有离子电池组中单串电池全部充满电，PLC 控制器向电池类型选择继电器、充电电流选择继电器及最后充电使用过的两充电继电器发出断开信号，充电完成。
9.根据权利要求8 所述充电的方法，其特征是，上一个单串电池充满电后，延时5s，闭合下一单串电池正负极所连的两充电继电器。
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