一种电池包充电系统及其充电方法与流程

1.本发明涉及电动自行车电池包充电技术领域，具体涉及一种电池包充电系统及其充电方法。


背景技术：

2.电动自行车等电动产品由于其方便经济等特性，越来越受到人们近距离出行的青睐，其保有量也随之急剧增加，但是由于电动自行车等电动产品电池起火引发的安全事故不断发生。
3.2019年，是新国标时代正式到来的一年，整个市场也开始从铅酸蓄电池转向了锂电池，同时，“换电”商业模式也开始被人提及。“车电分离，共享换电”的模式为电动车行业发展迎来了新的契机。“车电分离，共享换电”即提供一种共享的充电柜，当电动车的电池电量不足时，将电动车的电池包拆卸下来，到共享的充电柜中进行充电补充。但可拆卸的电动自行车小型锂离子电池包安全不可忽视。目前电动自行车的电池包上仅有充电接口，没有充电保护的泄压阀、充氮气等保护措施。
4.目前电动汽车使用的大型电池包在充氮气的技术上，普遍是向密封空间内的电池包外充氮气以防止电池包的热失控。本技术人在先申请了一种向电池包内充氮气的专利，通过氮气置换装置产生氮气；利用进气管和出气管实现电池包内氮气的充入，其他气体(如氧气)的排出；在进气管和出气管上分别设置电磁阀控制进气和出气的通断。在该在先申请技术实际的充气操作中，在电池包内安装有氧气浓度传感器，通过检测电池包内氧气含量，依次控制电磁阀的开关，最终实现每个电池包内低氧的要求，然而该技术每次只能向一个电池包内冲入氮气，充气耗时长，充气效率低，且车用的电磁阀价格昂贵，使得充气成本增高。
5.上述向电池包内充氮气方法的工作原理，使用氧气浓度传感器检测电池包内部氧气的实时浓度，当检测到电池包内部的氧气超标时，电池包的bms系统发出报警，工作人员及时充入氮气以排出电池包内多余的氧气，进而保障电动车电池包的安全。然而，氧气浓度传感器价格昂贵，使用寿命短，一旦发生故障便无法起到预警作用，而且电池包封盖后氧气浓度传感器更换也很费力。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电池包充电系统，该充电系统包括增设有泄压阀、氮气进气口、充电插口、bms系统和探测器的应用于电动自行车的电池包；内置有氮气置换装置、充电装置和充电仓体的电池柜，氮气置换装置和充电装置为充电仓体中的电池包充电和充氮气；设置在电池包和氮气置换装置之间的充气保护装置，充气保护装置用于自动调节氮气的充气流量。还提供了一种电池包充电系统的充电方法，通过特殊创新的充气方法，替换了现有技术的氧气浓度传感器检测充气方式。首先，本发明一改现有的电动自行车的电池包形式，为现有电动自行车电池包的“共享换电”提供可行性技术支
持；其次，在改进电动自行车电池包的基础上，为电池包提供了一种可同时充电和向电池包内部充氮气的电池柜，从根源上防控了电池热失控；再者，为向电池包内部充氮气提供一种新的方法，避免了现有技术中使用双电磁阀以及氧气浓度传感器的弊端。
7.本发明的目的是通过以下技术措施达到的：一种电池包充电系统，包括电池包和充电柜，所述充电柜内置有氮气置换装置，所述充电柜为所述电池包提供充电和充氮气，在所述氮气置换装置与电池包之间设有充气保护装置，所述充气保护装置用于自动调节氮气的充气流量。
8.进一步地，所述充气保护装置包括控制器、流量调节阀和气体输送管线，所述氮气置换装置与气体输送管线的进口端通过电磁阀连接，所述气体输送管线的出口端设有若干支路，若干支路分别与若干电池包通过流量调节阀连接，支路与电池包一一对应，在电池包内设探测器，所述探测器用于检测电池包内的气体信息，控制器分别与电磁阀、探测器和流量调节阀电连接。
9.进一步地，所述流量调节阀包括壳体、流量传感器、电机、阀片和转轴，所述壳体分为容纳腔和气体通道，所述容纳腔为密封空腔，所述电机设在容纳腔内，所述阀片和流量传感器设在气体通道内，所述电机与转轴的一端连接，所述转轴的另一端伸入气体通道内并与阀片连接，所述流量传感器用于检测气体通道内的气体流量并将流量信息输送至探测器。
10.进一步地，所述阀片和流量传感器沿气体的流动方向依次设置。
11.进一步地，所述阀片的截面大小与气体通道的截面大小相匹配，所述阀片的转动角度θ为0
°
≤θ≤90
°
。
12.进一步地，所述探测器包括传感器和控制模块，所述传感器用于检测电池包内气体信息并将检测信息输送至控制器，所述控制模块用于控制流量调节阀。
13.进一步地，所述充电柜包括柜体、充电系统和氮气置换装置，所述充电系统和氮气置换装置设于柜体内部，所述充电系统和氮气置换装置分别独立设置，在柜体的侧壁上分别设置充电接口和氮气接口，所述充电接口与充电系统电连接，所述氮气接口与氮气置换装置接通，所述充电柜通过充电接口为电池包充电，所述充电柜通过氮气接口为电池包进行充氮气。
14.进一步地，所述柜体的侧壁上开设有1个以上的插口，在单个插口内平行设置有一个充电接口和1个氮气接口。
15.一种电池包充电系统的充电方法，包括所述的电池包充电系统，充电方法步骤如下：
16.步骤1、将两轮车、三轮车的电池包上增加泄压阀、氮气进气口、充电插口、bms系统和探测器；
17.步骤2、将电池包放入充电柜中，连接氮气进气口与氮气接口，连接充电插口与充电接口；
18.步骤3、在充电柜的氮气置换装置中，压缩空气经干燥机去除水分，经过过滤器去除空气的大颗粒杂质，然后经制氮机制得高浓度氮气，高浓度氮气由气体管路流向每一个充电柜插口的氮气接口；
19.步骤4、启动充电系统，对充电柜内的电池包分别同时进行充电和充氮气；在充氮
气的过程中，充气保护装置的操作方法如下：1)预设控制参数：电池包预充氮气时间tm和电池包内外最大压差
△
p输入控制器内，启动氮气置换装置，电池包内开始充入氮气，同时开始记录时间t；2)采集电池包外压力pw和电池包内压力pn并计算电池包内外压差，若电池包内外压差小于
△
p，则采集电池包实际充氮气时间ts；3)判断电池包的实际充氮气时间ts是否大于等于电池包预充氮气时间tm，若是，则停止氮气置换装置，电池包停止充入氮气，电池包完成一次充氮气过程，否则，返回2)中。
20.进一步地，在所述2)中，若电池包内外压差大于等于
△
p，则停止氮气置换装置，电池包停止充入氮气，重新采集电池包外压力pw和电池包内压力pn并计算电池包内外压差，若电池包内外压差大于
△
p，则系统进行自检；否则，则判断电池包内外压差是否小于
△
p，或者，采集电池包停止充氮气的时长tt’。
21.进一步地，判断电池包内外压差是否小于
△
p，若是，则返回1)中，重新启动氮气置换装置，电池包重新充入氮气，否则，则继续采集电池包外压力pw和电池包内压力pn并判断电池包内外压力差与
△
p的关系。
22.进一步地，当采集电池包停止充氮气的时长tt’时，1)中所述控制参数还包括充气暂停时间tz，判断tt’是否大于等于tz，若是，则返回1)，重新启动氮气置换装置，电池包重新充入氮气，否则，则继续采集电池包停止充气的时长tt’并判断tt’与tz的关系。
23.进一步地，所述1)中的控制参数还包括间隔充氮气时间tj，在所述3)中电池包停止充入氮气后，采集电池包停止充气的时长tt，判断tt是否大于等于tj，若是，则返回1)，重新启动氮气置换装置，电池包重新充入氮气；否则，则继续采集电池包停止充气的时长tt并判断tt与tj的关系。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，本发明一改现有的电动自行车的电池包形式，为现有电动自行车电池包的“共享换电”提供可行性技术支持；其次，在改进电动自行车电池包的基础上，为电池包提供了一种可同时充电和向电池包内部充氮气的电池柜，从根源上防控了电池包热失控；再者，为向电池包内部充氮气提供一种新的方法，避免了现有技术中使用双电磁阀以及氧气浓度传感器的弊端。在充电柜内部，一次可以充电和/或充氮气多个电池包，充电和/或充氮气的效率高，充气快。一个电磁阀控制氮气置换装置的氮气通断，电磁阀投入成本低。无需氧气浓度传感器的检测，通过流量调节阀以及新的充气方法完成氮气充入电池包的调节。
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
26.图1是本电池包充电系统的连接结构示意图。
27.图2是充气保护装置中流量调节阀的结构示意图。
28.图3是充电柜的结构示意图。
29.图4是电池包的结构示意图。
30.其中，1、氮气置换装置，2、电磁阀，3、气体输送管线，4、电池包，5、流量调节阀，6、控制器，7、探测器，8、容纳腔，9、气体通道，10、电机，11、转轴，12、阀片，13、流量传感器，14、柜体，15、插口，16、充电接口，17、氮气接口，18、充电装置，19、泄压阀，20、氮气进气口，21、充电插口，22、bms系统，23、电池包外壳。
具体实施方式
31.如图1至4所示，一种电池包充电系统，包括电池包4和充电柜，所述充电柜内置有氮气置换装置1，所述充电柜为所述电池包4提供充电和充氮气，在所述氮气置换装置1与电池包4之间设有充气保护装置，所述充气保护装置用于自动调节氮气的充气流量。
32.所述充气保护装置包括控制器6、流量调节阀5和气体输送管线3，所述氮气置换装置1与气体输送管线3的进口端通过电磁阀2连接，所述气体输送管线3的出口端设有若干支路，若干支路分别与若干电池包4通过流量调节阀5连接，支路与电池包4一一对应，在电池包4内设探测器7，所述探测器7用于检测电池包4内的气体信息，控制器6分别与电磁阀2、探测器7和流量调节阀5电连接。探测器7将检测信息输送至控制器6，控制器6接受到检测信息后控制流量调节阀5，所述控制器6用于根据探测器7的检测信息控制电磁阀2的开启或关闭。具体的，通过氮气置换装置1提供氮气，当然也可以将氮气置换装置1替换为其他不燃性气体的产生装置，以供给电池包4其他不燃性气体，如氦气等，氮气经气体输送管线3分别进入多个电池包4内，同时通过流量调节阀5调节进入每个电池包4内的氮气流量，实现氮气在短时间内均匀充入每个电池包4，充气时间短，充气效率高；同时，仅在气体输送管线3的进口端设置一个电磁阀2，通过一个电磁阀2控制氮气气体的通断，减少电磁阀2的使用数量，充气成本降低。
33.所述流量调节阀5包括壳体、流量传感器13、电机10、阀片12和转轴11，所述壳体分为容纳腔8和气体通道9，所述容纳腔8为密封空腔，所述电机10设在容纳腔8内，所述阀片12和流量传感器13设在气体通道9内，所述电机10与转轴11的一端连接，所述转轴11的另一端伸入气体通道9内并与阀片12连接，所述流量传感器13用于检测气体通道9内的气体流量并将流量信息输送至探测器7。具体的，所述流量传感器13与所述探测器7通信连接，所述探测器7用于控制所述电机10。通过流量传感器13检测流量信息并将流量信息输送至探测器7，探测器7将检测的流量信息与设定值进行比较，进而发出执行命令，通过执行命令控住电机10的转动，电机10的转动带动转轴11转动进而带动阀片12转动，通过阀片12的转动调节流体在气体通道9内的流通截面大小，从而实现气体通道9内气体流量的自动调节。此外，容纳腔8和气体通道9间隔开，将电机10和电路等设在容纳腔8内可对电机10和电路起到保护作用，减少气体流动对电机10和电路的冲击，同时，也可避免气体流入容纳腔8产生旋涡，造成气体流量波动，提高流量传感器13的检测精度。
34.所述阀片12和流量传感器13沿气体的流动方向依次设置。即所述阀片12靠近气体通道9的入口端设置，所述流量传感器13靠近气体通道9的出口端设置，将流量传感器13设置在阀片12之后，可确保流量传感器13检测的流量信息更接近于进入电池包4内的气体流量，进一步提高流量传感器13的检测精度。
35.所述阀片12的截面大小与气体通道9的截面大小相匹配，所述阀片12的转动角度θ为0
°
≤θ≤90
°
。具体的，当θ为0
°
时，阀片12与气体通道9的轴中心线垂直，阀片12将气体通道9密封，此时电池包4内不充入气体；当θ为90
°
时，阀片12与气体通道9的轴中心线平行，气体通道9内的流速达到最大，此时电池包4以最大流速充入气体。
36.所述探测器7包括传感器和控制模块，所述传感器用于检测电池包4内气体信息并将检测信息输送至控制器6，所述控制模块用于控制流量调节阀5。具体的，所述控制模块用于控制电机10。传感器将检测的电池包4内的气体信息输送至控制器6，在控制器6内的与设
定值进行比较后，控制器6发出执行命令，实现电磁阀2的开启或关闭。通过控制器6控制气体输送管线3内气体的通断，同时通过控制模块调节气体输送管线3内气体流量，分别控制，互补干扰。
37.所述传感器为压力传感器和浓度传感器中的一种或多种。具体的，当为压力传感器时，即用于检测电池包4内的压力，当电池包4内的压力达到设定值时，则关闭电磁阀2，停止通入气体，以避免压力过高造成电池包4损坏。当为浓度传感器时，可为氧浓度传感器或氮气浓度传感器，以用于检测电池包4内的气体浓度变化，当氧浓度低于设定值或氮气浓度高于设定值时，则可关闭电磁阀2，停止通入气体。所述传感器还可以是烟雾传感器、voc传感器、氢气传感器、co传感器、温度传感器等。
38.所述控制模块通过电机驱动模块与流量调节阀5连接。具体的，所述电机10驱动模块为l298n电机驱动模块，所述电机驱动模块用于控制电机10，实现电机10的正传与反转，进而实现流量的调大与调小。
39.所述充电柜包括充电仓体、柜体14、充电装置18和氮气置换装置1，充电仓体和柜体14并排相邻设置，电池包4在充电仓体内完成充电和充氮气，所述充电装置18和氮气置换装置1设于柜体14内部，所述充电装置18和氮气置换装置1分别独立设置，在柜体14的侧壁上分别设置充电接口16和氮气接口17，所述充电接口16与充电装置18电连接，所述氮气接口17与氮气置换装置1接通，所述充电柜通过充电接口16为电池包4充电，所述充电柜通过氮气接口17为电池包4进行充氮气。通过该充电柜能够为电池包4提供充电功能的同时，还可以为电池包4提供充氮气的功能。现有技术中，电动自行车的电池包4在热失控防护上，仅有充电过程中的防护，即对充电过程中的电池包4进行充电柜内的氮气置换降温，或者是氮气灭火。电动自行车的电池包4在使用过程中的安全防护确是缺失的。真正从源头解决电池包4在充电过程中的热失控，还能解决电池包4在使用过程中的热失控，对电池包4起到使用过程的安全防护。充电接口16和氮气接口17既可同时操作，也可以单独的充氮气，或者单独充电。充电接口16是当电池包4电量不足的情况下去使用。而氮气接口17是电池包4充电过程，或者是“换电”过程都可以使用的。电池包4在电动自行车上经过一段时间的使用，可能电量还有，但是电池包4的内部会随着使用而增加氧气浓度，尽管正常使用下，氧气浓度的增加比较缓慢，但是当电池包4内部氧气浓度增加到一定比例时，还是比较危险的，较容易发生热失控，所以电动自行车使用一段时间的电池包4是需要在该充电柜中补充氮气的，以便更好的对电池包4起到热失控的安全防护。当然与本充电柜配套使用的电池包4上应该设置有氮气充气口以及出气口等。
40.所述充电接口16和氮气接口17设置在柜体14的同一侧壁上。所述充电接口16和氮气接口17设置在靠近充电仓体的一侧。充电接口16和氮气接口17也可以分别设置在柜体14的不同一侧壁上，只是设置在柜体14的同一侧壁上时，能更方便的与电池包4进行连接，而且也可以缩减柜体14的制作难度。
41.所述柜体14的侧壁上开设有1个以上的插口15，在单个插口15内平行设置有一个充电接口16和1个氮气接口17。所谓插口15就是在柜体14上开设的用于容置充电接口16和/或氮气接口17的空间。该设计可以实现一个插口15对应服务一个电池包4。
42.当所述柜体14的侧壁上开设有多个插口15时，多个插口15内的充电接口16之间并联，多个插口15内的氮气接口17之间并联。并联的设计可以保证单个充电接口16或单个氮
气接口17能够单个正常使用。
43.所述氮气置换装置1包括空压机、冷干机、空气过滤器、制氮机等，所述空压机、冷干机、空气过滤器和制氮机依次连接后，制氮机的出口端通过电磁阀2与充气保护装置连接。制氮机采用膜分离制氮机、变压吸附制氮机等。
44.一种电池包充电系统的充电方法，包括所述的电池包充电系统，充电方法步骤如下：
45.步骤1、将两轮车、三轮车的电池包4上增加泄压阀19、氮气进气口20、充电插口21、bms系统22和探测器7；通过bms系统22控制电池包工作模式，即控制电池包充电或者放电；通过bms系统22还能检测电池包电压和电流；通过bms系统22还能对探测器起到控制的作用。泄压阀19安装在电池包顶部或一侧上，泄压阀可以是防水透气膜结构或具有单向保压功能的防水透气膜结构。电池包4包括电池包外壳23，所述泄压阀19、氮气进气口20、充电插口21分别设置在电池包外壳23的外侧壁上，bms系统22设置在电池包外壳23的内侧壁上，探测器7设置在电池包外壳23内。氮气进气口20和充电插口21设置在电池包外壳23的同一侧壁上。
46.步骤2、将电池包4放入充电柜的充电仓体中，连接氮气进气口20与氮气接口17，连接充电插口21与充电接口；
47.步骤3、在充电柜的氮气置换装置1中，压缩空气经干燥机去除水分，经过过滤器去除空气的大颗粒杂质，然后经制氮机制得高浓度氮气，高浓度氮气由气体管路流向每一个充电柜插口的氮气接口17；
48.步骤4、启动充电系统，对充电柜内的电池包4分别同时进行充电和充氮气；在充氮气的过程中，充气保护装置的操作方法如下：1)预设控制参数：电池包4预充氮气时间tm和电池包4内外最大压差
△
p输入控制器6内，启动氮气置换装置1，电池包4内开始充入氮气，同时开始记录时间t；具体的，根据不同型号的电池包4的剩余体积、保护气体的浓度以及保护气体的流量设置不同型号电池包4的预充时间tm。由于电池包4发生热失控时会先出现鼓包然后泄压阀19爆破进行泄压，因此，电池包4内外最大压差
△
p的值根据电池包4出现鼓包时所承受的的压差确定。
49.2)采集电池包外压力pw和电池包内压力pn并计算电池包内外压差，若电池包内外压差小于
△
p，则采集电池包实际充氮气时间ts；具体的，电池包4的泄压阀19为膜结构，具有透气功能，向电池包4内通入保护气体，电池包4内的空气会从泄压阀19排出电池包4，因此当电池包4内外的压差小于
△
p时，可持续向电池包4内冲入保护气体实现电池包4内空气的置换。
50.3)判断电池包的实际充氮气时间ts是否大于等于电池包预充氮气时间tm，若是，则停止氮气置换装置1，电池包停止充入氮气，电池包完成一次充氮气过程，否则，返回2)中。具体的，当电池包4的实际充气时间ts达到tm时，说明电池包4内已充满保护气体，电池包4完成一次充气过程。本发明提出一种基于压力和时间参数控制锂离子电池包4充保护气体的方法，无需设置氧气浓度监测仪，成本低，设备使用寿命长。
51.在所述2)中，若电池包内外压差大于等于
△
p，则停止氮气置换装置1，电池包停止充入氮气，重新采集电池包外压力pw和电池包内压力pn并计算电池包内外压差，若电池包内外压差大于
△
p，则系统进行自检；否则，则判断电池包内外压差是否小于
△
p，或者，采集
电池包停止充氮气的时长tt’。具体的，当电池包4内外的压差达到
△
p时，则需立即停止充气装置，电池包4停止充入保护气体，以避免压力过大导致电池包4鼓包。此时，重新采集电池包4外压力pw和电池包4内压力pn并计算电池包4内外压差，若电池包4内外压差大于
△
p，则说明压力探测器或控制器6故障，需要启动系统自检，对控制器6和压力探测器进行故障检测，并及时发出故障预警。若电池包4内外压差等于或小于
△
p，则说明充气流量较大导致电池包4内压力增大到
△
p，需要暂停充气，等待电池包4压力恢复。基于压力参数变化判断电池包4充气状态，确保电池包4充气过程中不会发生鼓包现象，保障电池包4的使用安全性，同时充气过程中可及时发现探测器7或控制器6等系统故障，及时发出预警提醒，提高判断精度。
52.判断电池包内外压差是否小于
△
p，若是，则返回1)中，重新启动氮气置换装置1，电池包重新充入氮气，否则，则继续采集电池包外压力pw和电池包内压力pn并判断电池包内外压力差与
△
p的关系。具体的，当停止通气时，由于泄压阀19的透气作用，电池包4内外的压差会逐渐下降，当电池包4内外压差低于
△
p则可重新启动通气装置，继续向电池包4内充气，继续完成电池包4内空气的置换。
53.当采集电池包停止充氮气的时长tt’时，1)中所述控制参数还包括充气暂停时间tz，判断tt’是否大于等于tz，若是，则返回1)，重新启动氮气置换装置1，电池包重新充入氮气，否则，则继续采集电池包停止充气的时长tt’并判断tt’与tz的关系。具体的，由于泄压阀19的结构不同，导致泄压阀19的透气性能不同，以及不同电池包4的密封性不同，导致电池包4内压力降的速度也不同，因此充气暂停时间tz根据电池包4的型号以及电池包4的结构确定，当电池包4的密封性较好及泄压阀19的透气性较差时，tz可以设置较长的时间，当电池包4的密封性较差及泄压阀19的透气性较好时，tz可以设置较短的时间。当停止通气tz时间后，电池包4内的压力降低，电池包4内外压差小于
△
p时，即可重新启动充气装置，继续向电池包4内充气，继续完成电池包4内空气的置换。而且若重新启动充气装置，重新充气时，此时电池包4的实际充气时间ts则为停止通气之前电池包4的充气时间与重新充气之后电池包4的充气时间之和。
54.所述1)中的控制参数还包括间隔充氮气时间tj，在所述3)中电池包停止充入氮气后，采集电池包停止充气的时长tt，判断tt是否大于等于tj，若是，则返回1)，重新启动氮气置换装置1，电池包重新充入氮气；否则，则继续采集电池包停止充气的时长tt并判断tt与tj的关系。具体的，间隔充气时间tj根据电池包4的密封性以及泄压阀19的透气性确定，当电池包4的密封性较好及泄压阀19的透气性较差时，tj可以设置较长的时间，当电池包4的密封性较差及泄压阀19的透气性较好时，tj可以设置较短的时间。当停止充气后，由于泄压阀19以及电池包4的透气性，电池包4内的保护气体的浓度会逐渐下降，电池包4内的含氧量会逐渐上升，增加电池包4的热失控风险。采用间歇充气的方式可使电池包4内的保护气体维持在较高的浓度范围内，持续抑制电池包4热失控，增加电池包4的安全性。
55.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
56.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。