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CN107834626A - 一种动力电池组的均衡方法及均衡系统 - Google Patents

一种动力电池组的均衡方法及均衡系统 Download PDF

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CN107834626A CN201711050759.0A CN201711050759A CN107834626A CN 107834626 A CN107834626 A CN 107834626A CN 201711050759 A CN201711050759 A CN 201711050759A CN 107834626 A CN107834626 A CN 107834626A
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Abstract

本发明公开一种动力电池组的均衡方法及均衡系统包括：采集电池组静置第一预设时间后的单体电芯的开路电压，计算单体电芯的SOCn和电池组的平均SOCavg；其中，n为单体电芯对应的编号；根据单体电芯SOCn和平均SOCavg的大小关系，判断每节单体电芯是否需要进行均衡，并确定均衡方式和均衡周期；对均衡周期排序，选取周期最大的单体电芯进行均衡；所有单体电芯的均衡周期为0后，停止均衡。本发明为一种动力电池组的均衡方法及均衡系统，由于采用主动均衡方式，均衡系统的均衡效率更高；均衡系统中配置有升压模块和降压模块，可以对单体电芯进行放电和充电，使用更加灵活；通过电芯选择继电器阵列模块，可以将对应的单体电芯接入均衡回路，均衡控制更简单灵活。

Description

一种动力电池组的均衡方法及均衡系统
技术领域
本发明涉及均衡系统领域，特别是涉及一种动力电池组的均衡方法及均衡系统。
背景技术
因为化石能源的不可再生性以及化石能源燃烧时带来的环境污染，使得新能源技术越来越受到重视，电动汽车和储能技术方兴未艾，由此，动力电池在电动汽车和储能产品中被广泛使用。由于材料和工艺的问题，电池串中的电池存在差异，与其它电池存在压差的电池是整串电池的短板，会导致电池串的充放电容量降低。为了解决电池不均衡的问题，当前主要使用被动均衡和主动均衡方式对电芯进行均衡。
目前常用的均衡方式存在一定的缺点，例如：被动均衡方式一般采用在电芯上并联放电电阻，通过电阻放电，对能量较多的电芯进行均衡。这种方式只适合均衡能量较多的电芯，对于能量偏低的电芯则无能为力；另外是通过消耗的方式进行均衡，造成了电芯能量的浪费；考虑到电阻放电时会产生热量，为了避免温度过高，放电电阻的功率不能太大，导致被动均衡的功率较小，均衡时间偏长。主动均衡方式一般采用相邻的电芯依次均衡的方式，每相邻的电芯之间需要有DCDC之类的恒压恒流设备控制均衡，导致主动均衡板结构复杂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种动力电池组的均衡方法及均衡系统，通过多个继电器组成序列，选取需要均衡的电芯接入均衡回路，均衡回路根据策略对接入的电芯进行充电或放电均衡，均衡的能量来源可以为电池组本身，也可以由外部电源提供。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种动力电池组的均衡方法，包括：
S1、采集电池组静置第一预设时间后的单体电芯的开路电压，计算单体电芯的当前剩余容量SOCn和电池组的平均剩余容量SOCavg；其中，n为单体电芯对应的编号；
S2、根据单体电芯的当前剩余容量SOCn和平均剩余容量SOCavg的大小关系，判断每节单体电芯是否需要进行均衡，并确定均衡方式和均衡周期；
S3、对均衡周期排序，选取周期最大的单体电芯进行均衡；
S4、所有单体电芯的均衡周期为0后，停止均衡。
作为进一步优选的方案，所述在步骤S1之前，还包括步骤：采集电池组的电压和通过电池组的电流，判断电池组是否处于静置状态，若否，则继续静置状态的判断。
作为进一步优选的方案，所述步骤S2中根据单体电芯的当前剩余容量SOCn和平均剩余容量SOCavg的大小关系，确定均衡方式的方法具体包括：
当SOCn大于SOCavg，且二者差值超过容差△SOC，则对该单体电芯标识为放电，并使能升压模块进行均衡；
当SOCn小于SOCavg，且二者差值超过容差△SOC，则对该单体电芯标识为充电，并使能降压模块进行均衡。
作为进一步优选的方案，所述步骤S3中选取周期最大的单体电芯进行均衡，具体包括：
将均衡周期最大的单体电芯接入均衡母线，并根据步骤S2中标识的均衡方式进行均衡；
完成一次均衡周期后，对该单体电芯n的均衡周期减1；
再对每一节单体电芯需要的均衡周期进行重新排序，继续对单体电芯进行均衡。
作为进一步优选的方案，在均衡过程中，再次触发单体电芯静置条件，则在步骤S3完成对一节单体电芯的均衡周期后，重新进入步骤S1的均衡过程。
本发明还提供一种动力电池组的均衡系统，分别与电池组和外部电源连接，所述均衡系统包括：采样电路、控制芯片、升压模块、降压模块及电芯选择继电器阵列模块；
所述采样电路用于采集每一节单体电芯的电压和通过所述电池组的电流；所述控制芯片根据采集电路采集的电压，计算电池组的当前剩余容量SOC，确定所述电池组中的单体电芯是否需要进行均衡、均衡方式和均衡周期；所述升压模块用于将接入均衡母线的单体电芯的能量输送到外部电源或电池组，对电压和能量偏高的单体电芯进行放电均衡；所述降压模块用于将外部电源或电池组的能量输送到接入均衡母线的电芯，对电压和能量偏低的电芯进行充电均衡；所述电芯选择继电器阵列模块与所述电池组和所述控制芯片连接，并通过均衡母线分别与所述升压模块和所述降压模块连接，用于控制每节单体电芯的放电均衡回路和充电均衡回路的通断。
作为进一步优选的方案，所述电池组包括由多个以并联和/或串联方式连接的单体电芯。
作为进一步优选的方案，所述电芯选择继电器阵列模块包括多个呈阵列排布的单刀双掷继电器，继电器的公共端与所述单体电芯的正极或负极连接，继电器的输出端与所述均衡母线连接。
作为进一步优选的方案，所述均衡母线包括正极母线和负极母线。
本发明相比于现有技术的优点及有益效果如下：
本发明为一种动力电池组的均衡方法及均衡系统，由于采用主动均衡方式，均衡系统的均衡效率更高；均衡系统中配置有升压模块和降压模块，可以对单体电芯进行放电和充电，使用更加灵活；通过电芯选择继电器阵列模块，可以将对应的单体电芯接入均衡回路，均衡控制更简单灵活；均衡升压模块和降压模块的高压侧可以连接外部电源或单体电芯所在的电池组，即可以使用电池组对内部的电芯均衡，实现电池组内部能量的均衡；也可以用外部的电源对单体电芯进行均衡，从而更好的适应不同的应用工况。
附图说明
图1为本发明的动力电池组的均衡方法的流程图；
图2为本发明的动力电池组的均衡系统的结构原理框图；
图3为图2的均衡系统的电芯选择继电器阵列模块的电路原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种动力电池组的均衡方法20，包括：
一种动力电池组的均衡方法，其特征在于，包括：
S1、采集电池组静置第一预设时间后的单体电芯的开路电压，计算单体电芯的当前剩余容量SOCn和电池组的平均剩余容量SOCavg；其中，n为单体电芯对应的编号；其中，n为单体电芯对应的编号；所述第一预设时间由电芯厂家的规格参数确定。在本实施例中，优选的，所述第一预设时间为30min。
S2、根据单体电芯的当前剩余容量SOCn和平均剩余容量SOCavg的大小关系，判断每节单体电芯是否需要进行均衡，并确定均衡方式和均衡周期；
S3、对均衡周期排序，选取周期最大的单体电芯进行均衡；
S4、所有单体电芯的均衡周期为0后，停止均衡。
所述在步骤S1之前，还包括步骤：采集电池组的电压和通过电池组的电流，判断电池组是否处于静置状态，若否，则继续静置状态的判断。所述静置状态是指在一定时间内(一般是认为在30min内)，电池组处于不充电和不放电的工作状态。还可以是以下的判断方法：1、如果主控继电器处于断开状态，并持续一定的时间后，则被认为是处于静置状态；2、一段时间内，电池组的电压和电流的波动小于某一值，也被认为是处于静置状态。
所述步骤S2中根据单体电芯的当前剩余容量SOCn和平均剩余容量SOCavg的大小关系，确定均衡方式的方法具体包括：
当SOCn大于SOCavg，且二者差值超过容差△SOC，则对该单体电芯标识为放电，并使能升压模块进行均衡；需要说明的是，放电时间为E*(SOCn–SOCavg-△SOC)/100/I。其中E为电芯的额定电量，I为放电模块的额定放电电流；
当SOCn小于SOCavg，且二者差值超过容差△SOC，则对该单体电芯标识为充电，并使能降压模块进行均衡，还需要说明的是，充电时间为E*(SOCavg–△SOC-SOCn)/100/I。其中E为电芯的额定电量，I为充电模块的额定充电电流。
为了保证均衡系统不会因长时间持续均衡出现线路过热的情况，对均衡时间进行拆分，将均衡时间拆分为若干的周期，完成当前的均衡周期后，停止均衡一段时间；随后进行下一周期的均衡。
所述步骤S3中选取周期最大的单体电芯进行均衡，具体包括：
将均衡周期最大的单体电芯接入均衡母线，并根据步骤S2中标识的均衡方式进行均衡；标识为充电均衡的，则使能降压模块；标识为放电均衡，则使能升压模块；
完成一次均衡周期后，对该单体电芯n的均衡周期减1；
再对每一节单体电芯需要的均衡周期进行重新排序，继续对单体电芯进行均衡。
在本实施例中，若电池组在均衡过程中，再次触发单体电芯静置条件，则在步骤S3完成对一节单体电芯的均衡周期后，重新进入步骤S1的均衡过程。
本发明提供一种动力电池组的均衡方法，通过比较每一节单体电芯的当前剩余容量SOCn和平均剩余容量SOCavg，进而选择进行主动均衡的方式和均衡时间，并对均衡时间进行排序，根据优先级对单体电芯进行顺序均衡，优先对均衡需求能量多的单体电芯进行主动均衡，使得整个均衡的过程更加合理，更加智能，提高了均衡系统的均衡能力，在放电均衡时，升压模块的高压侧可以连接电池组本身，也可以连接外部电源，因此可以选择用电池组自己能量进行均衡，可以选择用外部的能量进行均衡，使得均衡更加灵活。
实施例2
请参阅图2，本发明还提供一种动力电池组的均衡系统10，分别与电池组1和外部电源2连接，所述均衡系统10包括：采样电路100、控制芯片200、升压模块300、降压模块400及电芯选择继电器阵列模块500。需要说明的是，所述电池组包括由多个以并联和/或串联方式连接的单体电芯。
所述采样电路100用于采集每一节单体电芯的电压和通过所述电池组的电流；所述控制芯片200根据采集电路采集的电压，计算电池组的当前剩余容量SOC，确定所述电池组中的单体电芯是否需要进行均衡、均衡方式和均衡周期；控制芯片200根据确定的电芯编号，控制电芯选择继电器阵列模块500中对应的继电器动作，将电芯接入均衡母线；电芯控制芯片200根据接入电芯的均衡方式，使能升压模块300或降压模块400，对接入均衡母线的电芯进行放电或充电主动均衡。
升压模块300、降压模块400的低压侧与均衡母线连接；高压侧与单体电芯所在电池组或外部电源连接。所述升压模块300用于将接入均衡母线的单体电芯的能量输送到外部电源或电池组，对电压和能量偏高的单体电芯进行放电均衡；所述降压模块400用于将外部电源或电池组的能量输送到接入均衡母线的电芯，对电压和能量偏低的电芯进行充电均衡；所述电芯选择继电器阵列模块500与所述电池组和所述控制芯片200连接，并通过均衡母线分别与所述升压模块300和所述降压模块400连接，用于控制每节单体电芯的放电均衡回路和充电均衡回路的通断。
还需要说明的是，所述电芯选择继电器阵列模块500包括多个呈阵列排布的单刀双掷继电器，继电器的公共端与所述单体电芯的正极或负极连接，继电器的输出端与所述均衡母线连接。在本实施例中，所述均衡母线包括正极母线和负极母线。
具体的，请参阅图3，图3为电芯选择继电器阵列模块的电路原理图。电芯选择继电器阵列配置N+1个单刀双掷的继电器，继电器公共端分别连接到单体电芯的正极或负极；继电器的输出端分别与均衡回路的正极母线和负极母线连接。其中，N+1个继电器中，第1个继电器公共端与电芯1负极连接，第2个继电器的公共端与第一节单体电芯的正极连接；第N+1个继电器的公共端与第N节单体电芯的正极连接，如此类推。单体电芯通过继电器阵列接入均衡母线，多节电芯共用均衡母线和升降压模块，结构比其它的主动均衡装置更简单。
本发明为一种动力电池组的均衡系统，由于采用主动均衡方式，均衡系统的均衡效率更高；均衡系统中配置有升压模块和降压模块，可以对单体电芯进行放电和充电，使用更加灵活；通过电芯选择继电器阵列模块，可以将对应的单体电芯接入均衡回路，均衡控制更简单灵活；均衡升压模块和降压模块的高压侧可以连接外部电源或单体电芯所在的电池组，即可以使用电池组对内部的电芯均衡，实现电池组内部能量的均衡；也可以用外部的电源对单体电芯进行均衡，从而更好的适应不同的应用工况。
以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种动力电池组的均衡方法，其特征在于，包括：
S1、采集电池组静置第一预设时间后的单体电芯的开路电压，计算单体电芯的当前剩余容量SOCn和电池组的平均剩余容量SOCavg；其中，n为单体电芯对应的编号；
S2、根据单体电芯的当前剩余容量SOCn和平均剩余容量SOCavg的大小关系，判断每节单体电芯是否需要进行均衡，并确定均衡方式和均衡周期；
S3、对均衡周期排序，选取周期最大的单体电芯进行均衡；
S4、所有单体电芯的均衡周期为0后，停止均衡。
2.根据权利要求1所述的动力电池组的均衡方法，其特征在于，所述在步骤S1之前，还包括步骤：采集电池组的电压和通过电池组的电流，判断电池组是否处于静置状态，若否，则继续静置状态的判断。
3.根据权利要求1所述的动力电池组的均衡方法，其特征在于，所述步骤S2中根据单体电芯的当前剩余容量SOCn和平均剩余容量SOCavg的大小关系，确定均衡方式的方法具体包括：
当SOCn大于SOCavg，且二者差值超过容差△SOC，则对该单体电芯标识为放电，并使能升压模块进行均衡；
当SOCn小于SOCavg，且二者差值超过容差△SOC，则对该单体电芯标识为充电，并使能降压模块进行均衡。
4.根据权利要求3所述的动力电池组的均衡方法，其特征在于，所述步骤S3中选取周期最大的单体电芯进行均衡，具体包括：
将均衡周期最大的单体电芯接入均衡母线，并根据步骤S2中标识的均衡方式进行均衡；
完成一次均衡周期后，对该单体电芯n的均衡周期减1；
再对每一节单体电芯需要的均衡周期进行重新排序，继续对单体电芯进行均衡。
5.根据权利要求1所述的动力电池组的均衡方法，其特征在于，在均衡过程中，再次触发单体电芯静置条件，则在步骤S3完成对一节单体电芯的均衡周期后，重新进入步骤S1的均衡过程。
6.一种动力电池组的均衡系统，分别与电池组和外部电源连接，其特征在于，所述均衡系统包括：采样电路、控制芯片、升压模块、降压模块及电芯选择继电器阵列模块；
所述采样电路用于采集每一节单体电芯的电压和通过所述电池组的电流；所述控制芯片根据采集电路采集的电压，计算电池组的当前剩余容量SOC，确定所述电池组中的单体电芯是否需要进行均衡、均衡方式和均衡周期；所述升压模块用于将接入均衡母线的单体电芯的能量输送到外部电源或电池组，对电压和能量偏高的单体电芯进行放电均衡；所述降压模块用于将外部电源或电池组的能量输送到接入均衡母线的电芯，对电压和能量偏低的电芯进行充电均衡；所述电芯选择继电器阵列模块与所述电池组和所述控制芯片连接，并通过均衡母线分别与所述升压模块和所述降压模块连接，用于控制每节单体电芯的放电均衡回路和充电均衡回路的通断。
7.根据权利要求6所述的动力电池组的均衡系统，其特征在于，所述电池组包括由多个以并联和/或串联方式连接的单体电芯。
8.根据权利要求7所述的动力电池组的均衡系统，其特征在于，所述电芯选择继电器阵列模块包括多个呈阵列排布的单刀双掷继电器，继电器的公共端与所述单体电芯的正极或负极连接，继电器的输出端与所述均衡母线连接。
9.根据权利要求8所述的动力电池组的均衡系统，其特征在于，所述均衡母线包括正极母线和负极母线。
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