一种充电均衡方法及直流充电桩与流程

本发明涉及充电设备领域，具体的涉及一种充电均衡方法及直流充电桩。

背景技术：

面对当前全球能源危机和全球气候变暖等问题，新能源的发展和应用越来越受到关注。因此,新能源汽车也日益为全球竞相发展的热门产业。电动汽车作为未来新能源汽车发展的大方向,必将引起越来越多的重视。随着电动汽车的进一步发展,必将带动电动汽车充电设备的发展和使用。近年,电动汽车充电桩得到了迅猛的发展。

申请号cn201420672040的专利文件公开了一种基于tms320lf2407单片机的电动汽车充电桩，包括充电主电路和充电控制回路；所述充电主电路包括依次连接的三相交流输入端、三相整流滤波电路和dc-dc全桥功率变换电路；所述充电控制回路包括tms320lf2407单片机，以及与tms320lf2407单片机连接的igbt驱动保护电路、去极化放电回路、时钟电路、复位电路、蓄电池组状态监控电路和均衡充电电路，所述igbt驱动保护电路还与dc-dc全桥功率变换电路连接，所述tms320lf2407单片机还分别通过三相电流电压监控电路和防雷器与三相交流输入端连接，所述蓄电池组状态监控电路、均衡充电电路以及dc-dc全桥功率变换电路均与蓄电池组连接。该充电柱硬件电路可靠、抗干扰能力强、电能利用效率高。但是该充电桩只能对电池或电池组整体进行充电，并且无法根据电池在充电时的发热状态进行充电电流的控制，不利于电池组的使用寿命的延长。

申请号201510572934.7的专利文件公开了一种新能源无线充电桩液冷源，包括水箱、过滤器、水泵、换热器、风机和显示控制装置，水箱的下部经供液管依次连通过滤器、水泵、换热器、温度传感器、压力传感器至充电桩电子元件冷板，充电桩电子元件冷板经回液管连通水箱上部，风机对应换热器设置，所述水泵、温度传感器和压力传感器连接显示控制装置。该结构的充电桩由于加入了液冷设备，使得设计复杂，体积大，不便于维护。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种充电均衡方法及直流充电桩，使得充电桩在对电池充电时，能够对电池组均衡充电，且不使电池的温度过高。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种直流充电桩的充电均衡方法，应用于充电桩，其特征在于，所述充电桩包括主充电回路、中央处理器、充电控制器以及转换开关，所述方法包括：

步骤1：充电控制器获取所有电池的电量信息；

步骤2：确定电量最低的电池为待充电池；

步骤3：确定所述待充电池所处电量等级；

步骤4：根据所述电量等级，确定是否对该待充电池进行充电，若是，则执行步骤5，若否，则结束；

步骤5：根据所述电量等级，设置对应的充电电流；

步骤6：按照设置的充电电流，充电控制器控制转换开关连接到所述待充电池上，对所述待充电池进行充电；

步骤7：实时检测所述待充电池的电量等级是否提升，若是，则执行步骤8，若否，则执行步骤6；

步骤8：判断所述待充电池是否为电量最低的电池，若是，则执行步骤3，若否，则执行步骤2。

所述电量等级用电池的荷电状态soc来表示，预先将所述电量等级分为6个电量等级，即将soc为0~10%定义为第一电量等级，将soc为10%~30%定义为第二电量等级，将soc为30%~60%定义为第三电量等级，将soc为60%~90%定义为第四电量等级，将soc为90%~98%定义为第五电量等级，将soc为98%~100%定义为第六电量等级，并且预先设定每个电量等级对应的充电电流值。

当电池的电量等级为第一电量等级时，设置该阶段对应的充电电流为0.04~0.05c，当电池的电量等级为第二电量至第四电量等级时，将第二电量等级对应的电流数值至第四电量等级对应的电流数值设置为依次减小的电流数值，其中第二电量等级对应的电流数值不大于c，且第四电量等级对应的电流数值不小于0.5c；当电池的电量等级为第五电量等级时，充电电流大小设置为0.07c；当电池的电量等级为第六电量等级时，充电桩停止充电；其中c表示电池的额定电流。

当充电桩对处于第二电量等级至第四电量等级电池进行充电的同时，充电控制器实时获取当前电池的温度，当电池温度高于预设的温度阈值时，减小充电电流。

所述主充电回路包括整流模块、功率变换和谐波抑制模块，且在所述整流模块、功率变换和谐波抑制模块所在处分别设置有温度传感器，所述充电控制器通过对应的温度传感器检测所述每个模块的温度，当检测到整流模块、功率变换模块或（和）谐波抑制模块的温度大于对应的温度阈值时，减小充电电流。

根据检测到整流模块、功率变换模块或（和）谐波抑制模块的温度所处的温度范围的不同，不同程度地对充电电流进行减小。

一种直流充电桩，所述充电桩包括主充电回路、中央处理器、充电控制器以及转换开关，所述主充电回路包括交流电输入端、整流模块、功率变换模块和滤波模块，所述交流电输入端、整流模块、功率变换模块和滤波模块依次连接；单相交流电经过交流输入端，进入整流模块整流，所述整流模块输出第一直流电，所述第一直流电经过功率变换电路的变换，形成第二直流电，所述第二直流电经过滤波模块滤去杂波，输出可用于向蓄电池充电的第三直流电，所述转换开关能够在充电控制器的控制下，联连接到电池组的各个电池上，使充电控制器对每个电池进行充电均衡控制。

所述整流模块包括整流桥电路和直流改进电路，所述整流桥电路包括输入电感l1和电桥电路和，单相交流电的火线与所述输入电感l1连接后，与电桥电路的输入端连接，单相交流电的零线与所述电桥电路的输出端连接；

所述直流改进电路包括第一通路二极管、第二通路二极管、开关管、充电电容、滤波电感和滤波电容，所述开关管的一端与所述第一电桥二极管的阴极相连，所述开关管的另一端与所述第二电桥二极管的阳极相连，所述第一通路二极管的阳极与所述第一电桥二极管的阴极相连，所述充电电容的第一端与所述第二电桥二极管的阳极相连，所述充电电容的第二端与所述滤波电感的第二端连接，所述滤波电感的第一端与所述第一通路二极管的阴极连接，所述滤波电容的正极端与所述第一通路二极管的阴极连接，所述滤波电容的另一端与所述第二通路二极管的阳极连接，所述第二通路二极管的阴极与充电电容的第二端连接；单相交流电的零线与所述第二通路二极管的阳极连接；将从所述第一通路二极管阴极引出的端口作为整流模块的正输出口，将从所述第二通路二极管阳极引出的端口作为整流模块的负输出口。

所述所述功率变换模块为采用了全桥pwm软开关技术的dc/dc模块，所述dc/dc模块包括第一igbt、第二igbt、第三igbt和第四igbt，在每个igbt一侧，分别并联有第一二极管和第一电容、第二二极管和第二电容、第三二极管和第三电容、第四二极管和第四电容；所述第一二极管的阴极与第一igbt的集电极连接，所述第一二极管的阳极与第一igbt的发射极连接；所述第二二极管的阴极与第二igbt的集电极连接，所述第二二极管的阳极与第二igbt的发射极连接；所述第三二极管的阴极与第三igbt的集电极连接，所述第三二极管的阳极与第三igbt的发射极连接；所述第四二极管的阴极与第四igbt的集电极连接，所述第四二极管的阳极与第四igbt的发射极连接；所述第一igbt和第三igbt的集电极连接；所述第二igbt和第四igbt的发射极连接；所述第一igbt的发射极与第二igbt的集电极连接；所述第三igbt的发射极与第四igbt的集电极连接；在所述第一igbt的发射极与第三igbt的发射极之间具有飞跨电容和变压器输入端。

所述充电桩还包括谐波抑制模块，所述谐波抑制模块设置在交流电插头的入口处，所述谐波抑制模块包括第一抑制开关管、第二抑制开关管、第三抑制开关管、第四抑制开关管，以及与每个抑制开关管并联的第一抑制二极管、第二抑制二极管、第三抑制二极管、第四抑制二极管，其中，每个抑制二极管的阴极与与其对应的抑制开关管的集电极连接，每个抑制二极管的阳极与与其对应的抑制开关管的发射极连接；第一抑制开关管与第三抑制开关管的集电极相互连接，第二抑制开关管与第四抑制开关管的发射极相互连接；第一抑制开关管的发射极与第二抑制开关管的集电极连接，第三抑制开关管的发射极与第四抑制开关管的集电极连接；缓冲二极管与缓冲电阻并联形成并联体，缓冲电容与所述并联体串联；直流电容的两端分别连接在第一、第三抑制开关管的集电极，和第二、第四抑制开关管的发射极；在所述第一抑制开关管的发射极处接出一根导线串联连接交流电感后，与单相交流电的火线连接，所述第三抑制开关管的发射极处连接单相交流电的零线。

本发明的有益效果是：（1）使充电桩对电池的充电更加均衡。（2）使充电桩和电池在充电过程中发热量减小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种直流充电桩的结构示意图；

图2为本发明提供的一种直流充电桩整流电路的结构示意图；

图3为本发明提供的一种直流充电桩功率转换电路的结构示意图；

图4为本发明提供的一种直流充电桩谐波抑制电路的结构示意图；

图5为本发明提供的一种直流充电桩充电均衡方法的流程示意图；

图6为本发明提供的另一种直流充电桩充电均衡方法的流程示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

一种充电桩，如图1所示，包括主充电回路、中央处理器、充电控制器以及转换开关。其中，主充电回路包括交流电输入端、整流模块、功率变换模块和滤波模块，交流电输入端、整流模块、功率变换模块和滤波模块依次连接；单相交流电经过交流输入端，进入整流模块整流，所述整流模块输出第一直流电，所述第一直流电经过功率变换电路的变换，形成第二直流电，所述第二直流电经过滤波模块滤去杂波，输出可用于向电池模块充电的第三直流电。

所述中央处理器分别与主充电回路、充电控制器相连接。

所述滤波模块的输出端通过可控转换开关连接到电池模块上。

转换开关一端与电池模块相连接。充电控制器和电池模块之间连接有多个检测模块，所述检测模块包括电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块（图中未示出）。

所述电池模块包括一个或多个电池组并联，一个电池组由一个或多个单体电池串联。

充电控制器用于控制转换开关，在充电均衡过程期间将充电未满的特定电池连接到主充电回路上。

电压检测模块包括电压传感器，电压传感器在充电控制器的控制下可以实现测量电池模块中每个电池的电压。同理，电流检测模块、温度检测模块分别包括电流传感器、温度传感器，在充电控制器的控制下可以实现测量电池模块中每个电池的电流、温度。

其中，如图2所示，所述整流模块包括整流桥电路和直流改进电路，所述整流桥电路包括输入电感l1、第一电桥二极管d1、第二电桥二极管d2、第三电桥二极管d3和第四电桥二极管d4，所述第一电桥二极管d1的阳极与第二电桥二极管d2阴极连接，第三电桥二极管d3的阳极与第四电桥二极管d4阴极连接，且第一电桥二极管d1与第三电桥二极管d3的阴极相连，所述第二电桥二极管d2与第四电桥二极管d4的阳极相连，单相交流电的火线l与所述输入电感l1连接后，再与所述第一电桥二极管d1的阳极、即第二电桥二极管d2阴极连接，单相交流电的零线n与所述第三电桥二极管d3的阳极、即第四电桥二极管d4阴极连接。所述直流改进电路包括第一通路二极管d5、第二通路二极管d6、开关管q、充电电容c1、滤波电感l2和滤波电容c2，所述开关管q的一端与所述第一电桥二极管d1的阴极相连，所述开关管q的另一端与所述第二电桥二极管d2的阳极相连，所述第一通路二极管d5的阳极与所述第一电桥二极管d1的阴极相连，所述充电电容c1的第一端与所述第二电桥二极管d2的阳极相连，所述充电电容c1的第二端与所述滤波电感l2的第二端连接，所述滤波电感l2的第一端与所述第一通路二极管d5的阴极连接，所述滤波电容c2的正极端与所述第一通路二极管d5的阴极连接，所述滤波电容c2的另一端与所述第二通路二极管d6的阳极连接，所述第二通路二极管d6的阴极与充电电容c1的第二端连接；单相交流电的零线n与所述第二通路二极管d6的阳极连接；将从所述第一通路二极管d5阴极引出的端口作为整流模块的正输出口，将从所述第二通路二极管d6阳极引出的端口作为整流模块的负输出口。

该整流电路工作过程如下：

在单相交流电处与正半周期时，第一电桥二极管d1和第四电桥二极管d4导通，第三电桥二极管d3和第二电桥二极管d2截止，并且所述开关管q在驱动矩形波的控制下，以远大于所述交流电的频率进行开关操作，在所述开关管q导通的时候，交流电流对所述输入电感l1进行充电，在所述开关管q截止的时候，所述输入电感l1通过第一通路二极管d1进行放电；

在单相交流电处与负半周期时，第二电桥二极管d2和第三电桥二极管d3导通，第一电桥二极管d1和第四电桥二极管d4截止，此时输入电感l1、第一电桥二极管d1、第四电桥二极管d4、开关管q、充电电容c1、第二通路二极管d6、滤波电感l2和滤波电容c2形成cuk电路；在这种情况下，当开关管q导通时，开关管q与输入电感l1形成输入电流的回路，将能量储存在输入电感l1中；充电电容c1两端的电流经滤波电感l2和滤波电容c2，将能量存储进滤波电感l2中；当开关管q断开时，输入电感l1和滤波电感l2中的电流仍维持原来的方向，使得第二通路二极管d6导通，输入电感l1的能量转移到充电电容c1中，输出滤波电感l2流向负载，使输入的电压极性反向，变成了正电压。如果改变开关的通/断时间之比，则可以调整输出电压。

如图3所示，所述功率变换模块为采用了全桥pwm软开关技术的dc/dc模块，所述dc/dc模块包括第一igbt管g1、第二igbt管g2、第三igbt管g3和第四igbt管g4，在每个igbt管一侧，分别并联有第一二极管d11和第一电容c11、第二二极管d12和第二电容c12、第三二极管d13和第三电容c13、第四二极管d14和第四电容c14；所述第一二极管d11的阴极与第一igbt管g1的集电极连接，所述第一二极管d11的阳极与第一igbt管g1的发射极连接；所述第二二极管d12的阴极与第二igbt管g2的集电极连接，所述第二二极管d12的阳极与第二igbt管g2的发射极连接；所述第三二极管d13的阴极与第三igbt管g3的集电极连接，所述第三二极管d13的阳极与第三igbt管g3的发射极连接；所述第四二极管d14的阴极与第四igbt管g4的集电极连接，所述第四二极管d14的阳极与第四igbt管g4的发射极连接；所述第一igbt管g1和第三igbt管g3的集电极连接；所述第二igbt管g2和第四igbt管g4的发射极连接；所述第一igbt管g1的发射极与第二igbt管g2的集电极连接；所述第三igbt管g3的发射极与第四igbt管g4的集电极连接；在所述第一igbt管g1的发射极与第三igbt管g3的发射极之间具有飞跨电容cb和变压器输入端。

如图4所示，所述充电桩还包括谐波抑制模块，所述谐波抑制模块设置在交流电插头的入口处，所述谐波抑制模块包括第一抑制开关管q1、第二抑制开关管q2、第三抑制开关管q3、第四抑制开关管q4，以及与每个抑制开关管并联的第一抑制二极管d21、第二抑制二极管d22、第三抑制二极管d23、第四抑制二极管d24，其中，每个抑制二极管的阴极与与其对应的抑制开关管的集电极连接，每个抑制二极管的阳极与与其对应的抑制开关管的发射极连接；第一抑制开关管q1与第三抑制开关管q3的集电极相互连接，第二抑制开关管q2与第四抑制开关管q4的发射极相互连接；第一抑制开关管q1的发射极与第二抑制开关管q2的集电极连接，第三抑制开关管q3的发射极与第四抑制开关管q4的集电极连接；缓冲二极管d25与缓冲电阻r并联形成并联体，缓冲电容cs与所述并联体串联；直流电容c的两端分别连接在第一、第三抑制开关管的集电极，和第二、第四抑制开关管的发射极。在所述第一抑制开关管q1的发射极处接出一根导线串联连接交流电感l3后，与单相交流电的火线连接l，所述第三抑制开关管q3的发射极处连接单相交流电的零线n。

由于整流模块、功率变换模块和谐波抑制模块中的晶体管都为大功率管，在运行的过程中会产生大量的热量，晶体管长久发热会有损充电桩的寿命。进一步地，在每一个晶体管的电路板上，与每个晶体管相接触地设置有散热装置，所述散热装置具有进水通路和出水通路，其中进水通路和进水管连接，出水通路和出水管连接，进水管和出水管之间具有冷却器，用于对流经进水通路和出水通路的冷却水进行冷却，具体的，所述冷却装置为由毛细管形成的盘旋形管路，更进一步地，在所述盘旋形管路一侧具有排热风扇，用于将盘旋形管路中冷却水的热量以热风的形式排出。在所述冷却器一侧还设置有冷却水箱和水泵，所述水泵用于将冷却水箱中的冷却水注入散热装置中，形式冷却水循环。进一步地，在所述盘旋形管路的管壁上还设置由斜片状的散热片。

更进一步的，在每个晶体管所在处设置温度传感器和降温风扇，所述温度传感器能够向控制器发送每个晶体管的温度信息，控制器根据所述温度信息控制降温风扇的开停和转速。

如图5所示，对应的所述充电桩的电池充电均衡的方法为：

s101：充电控制器获取所有电池的电量信息。

s102：确定电量最低的电池为待充电池。

s103：确定所述待充电池所处电量等级。

s104：根据所述电量等级，确定是否对该待充电池进行充电，若是，则执行s105，若否，则结束。

s105：根据所述电量等级，设置对应的充电电流。

s106：按照设置的充电电流，充电控制器控制转换开关连接到所述待充电池上，对所述待充电池进行充电。

s107：实时检测所述待充电池的电量等级是否提升，若是，则执行s108，若否，则执行s106。

s108：判断所述待充电池是否为电量最低的电池，若是，则执行s103，若否，则执行s102。

其中，所述根据该电池所处的电量等级，设置对应的充电电压和电流，具体的，所述电量等级用电池的荷电状态soc来表示，预先将所述电量等级分为6个电量等级，即将soc为0~10%定义为第一电量等级，将soc为10%~30%定义为第二电量等级，将soc为30%~60%定义为第三电量等级，将soc为60%~90%定义为第四电量等级，将soc为90%~98%定义为第五电量等级，将soc为98%~100%定义为第六电量等级，并且预先设定每个电量等级对应的充电电流值，以进行最优充电。具体的，当电池的电量等级为第一电量等级时，电池的内阻较大，电池不适合大电流充电，可设置该阶段对应的充电电流为0.04~0.05c，其中c表示电池的额定电流；当电池的电量等级为第二电量至第四电量等级时，电池进入快充阶段，由于大电流充电会使电池快速发热而产生危险，损害电池寿命，但充电电流过小会使得充电时间延长，综合考虑，将第二电量等级对应的电流数值至第四电量等级对应的电流数值设置为依次减小的电流数值，以达到平衡充电时间和电池发热的目的，其中第二电量等级对应的电流数值应不大于c，且第四电量等级对应的电流数值不小于0.5c；当电池的电量等级为第五电量等级时，为了防止电池内部物质的沉积,电池可接受的充电电流下降，且此时电池也已接近充满，此时可采用较小的充电电流进行充电，较佳的，充电电流大小可设置为0.07c；当电池的电量等级为第六电量等级时，充电桩停止充电。

由于充电桩为大功率充电设备，在进行大电流充电时，会产生大量热量，威胁电池安全及电池使用寿命，当充电桩以第二电量等级对应的电流数值至第四电量等级对应的电流数值给电池充电时，由于每个电池自身的使用时长、蓄电材质消耗等的不一致，在既定充电策略下，也会出现按照相应电量等级设置的电流充电时，电池依然会出现发热过高的情况，这时可以通过在原有充电电流的基准上进一步减小充电电流的方法，使电池的发热程度受到控制。具体的，当充电桩对处于第二电量等级至第四电量等级电池进行充电的同时，实时监测电池的温度，当电池温度高于预设的温度阈值时，将充电电流适应性的降低，例如，充电桩对处于第二电量等级的电池充电时，若充电过程中监测到该电池温度过高，则以原充电电流的0.7倍电流进行充电；充电桩对处于第三电量等级的电池充电时，若充电过程中监测到该电池温度过高，则以原充电电流的0.8倍电流进行充电；充电桩对处于第二电量等级的电池充电时，若充电过程中监测到该电池温度过高，则以原充电电流的0.9倍电流进行充电。

进而，如图6所示，进一步的电池充电均衡的方法为：

s201：充电控制器获取所有电池的电量信息。

s202：确定电量最低的电池为待充电池。

s203：确定所述待充电池当前所处电量等级。

s204：根据当前的电量等级，确定是否对该待充电池进行充电，若是，则执行s205，若否，则结束。

s205：根据所述电量等级，设置对应的充电电流。

s206：按照设置的充电电流，充电控制器控制转换开关连接到所述待充电池上，对所述待充电池进行充电。

s207：实时检测所述待充电池的温度，若所述待充电池的温度大于预设的温度值，则按照预设的规则，减小充电电流。

s208：实时检测所述待充电池的电量等级是否提升，若是，则执行s209，若否，则执行s206。

s209：判断所述待充电池是否为电量最低的电池，若是，则执行s203，若否，则执行s202。

为了进一步增强所述充电桩的安全性，所述充电控制器在控制充电桩对电池进行充电的过程中，还实时收集充电桩主充电回路中整流模块、功率变换模块、谐波抑制模块所在处设置的温度传感器测得的温度值，当检测到整流模块、功率变换模块或（和）谐波抑制模块的温度大于对应的温度阈值时，进行相应的降温操作，具体可以为：针对每个模块，确定该模块所处的温度值范围，根据所处的温度范围值不同，对充电电流进行不同程度的减小。如针对整流模块，当其温度值在70℃~80℃之间时，则以原充电电流的0.9倍电流对电池进行充电，当其温度值在80℃~90℃之间时，则以原充电电流的0.8倍电流对电池进行充电，当其温度值在90℃~100℃之间时，则以原充电电流的0.7倍电流对电池进行充电，当其温度值大于100℃时，则停止充电并发出报警信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。