CN102427255A - 动力电池组电压自动均衡方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池组电压自动均衡方法及其装置：它是在串联的动力电池组的每个单体电池连接电子开关，串联的动力电池组的通过电子开关连接充放电电路，通过实时检测单体电池两端电压，比较电压高低；当第一单体电池电压大于第二单体电池电压时，该第一单体电池连接的第一电子开关导通，第一单体电池对充放电电路充电后，第一个单体电池的第一电子开关导通关断；第二单体电池连接的第二电子开关导通，充放电电路对第二单体电池进行充电，使得第一单体电池和第二单体电池电压得以均衡，依次反复直至串联的动力电池组中所有的单体电池的电压得以全部均衡。它在短的时间内实现串联电池组中，高电压的单体电池对低电压的单体电池之间的直接均衡。

Description

动力电池组电压自动均衡方法及其装置

技术领域

本发明属于电动汽车等各个领域的电池组管理系统，尤其是一种串联电池组的自动均衡技术。

背景技术

当今蓄电池已广泛应用于各个领域，特别是在电动汽车飞速发展的今天，动力电池已被视为关键技术部件之一。单个的电池具有相当低的电压，一般在2.5-4.2V的范围，但对于有较高电压和电流要求的应用来说是不够的，串联连接的电池单体可以实现更高的电压要求。对以串联工作方式的电池组进行充电时，如何保证充电过程中电池组的快速高效自动的均衡充电，是保证单体电池的安全性和可靠性以及充分发挥其效能的一项关键技术。

电池单体并非完全相同，在电池制造过程中提高电池的一致性还有相当大的难度且需要极大的投入，这将大幅度提高电池的制造费用从而导致电池成本过高不利于电动汽车产业的快速发展。目前电池制造商或电池组合工厂采用严格的筛选方法进行电池匹配来提高电池的一致性。但即使是严格筛选后的电池，在循环的初期就表现出可见的差别。随着电池循环次数的增加，在电池组中各个电池单体的温度、内部阻抗和放电状态均不相同，电池一致性改变的程度变得不可检测并更加严重。

在电池组中，电池单体的不一致性在充电的时候将导致充电不足或者过充电，而且串联电池单体的数量越大，单体充电不足或过充电的可能性就越大。除了在电池本身的一致性方面下功夫外，另一种解决方案-电池均衡管理显得越来越重要。电池均衡管理不仅能解决电池一致性的问题，而且能够使串联电池组的性能乃至安全性得到改善。

电池的均衡管理可以通过电量转移的方式来调节电池单体的电量。能量的转移可以通过三个方式：热场、磁场和电场。通过热场转移是将电压高的单体的能量通过电阻转为热能释放掉。通过磁场转移是将电压高的单体的能量通过电感相互作用产生的磁场转移到电压低的单体上。而通过电场转移则是在电压高的单体和电压低的单体之间通过电容将能量转移。

目前广泛采用的是前两种技术，但其中的问题在于：通过电阻的分流将电池单体能量释放会造成电阻的发热量大，均衡电流受到限制，只适合小容量，单体串联数量少的电池组。而通过电感将电能转移到低容量的单体上，思路复杂，元器件多，控制复杂程度很高，而且多是通过相邻的单体逐级传递，这样多次能量传递也会导致更大的能量损失。

中国专利申请201010244377公开了一种动力电池动态均衡充放电方法，该方法在实现串联动力电池组均衡时需要均衡电源，均衡电源来自整个串联动力电池组，同时，它只能在串联动力电池充电时，或放电时才能实现均衡，这样其适用范围小；同时，均衡电源的电源来自整个串联动力电池组，在实施均衡时，被均衡的电池组或单体电池也对均衡电源供电，因此，很难做到单体电池的完全均衡，并且，均衡过程中，还需要对均衡电源的电流实施控制，因此，该技术存在控制系统复杂，单体电池均衡效果不好等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能过实现动力电池组中高低电压单体电池之间直接实施均衡的动力电池组电压自动均衡方法，以及动力电池组电压自动均衡装置，以解决上述问题。

实现本发明目的之一的动力电池组电压自动均衡方法：它是在串联的动力电池组的每个单体电池连接电子开关，串联的动力电池组的通过电子开关连接充放电电路，通过实时检测单体电池两端电压，比较单体电池间电压高低；当第一单体电池电压大于第二单体电池电压时，该第一单体电池连接的第一电子开关导通，第一单体电池对充放电电路充电后，第一个单体电池的第一电子开关导通关断；第二单体电池连接的第二电子开关导通，充放电电路对第二单体电池进行充电，使得第一单体电池和第二单体电池电压得以均衡，依次反复直至串联的动力电池组中所有的单体电池的电压得以全部均衡。

将串联的动力电池组至少分成两分组，两分组串联电池组内部的单体电池之间分别完电压自动均衡：实时检测分组内单体电池两端电压，比较电压高低，高电压单体电池导通对充放电电路充电后，关断，充放电电路对低电压单体电池充电。

检测串联电池组内部每个单体电池的两端电压，并依据检测的电压的高低，对串联电池组内部单体电池进行排序；最高电压单体电池的电子开关导通，对充放电电路充电后，关断，充放电电路对最低电压单体电池充电；第二高电压单体电池的电子开关导通，对充放电电路充电后，关断，充放电电路对第二低电压单体电池充电；依次直至所有单体电池电压完成自动均衡。

所有单体电池电压自动均衡后，充放电电路的电压对用电器件放电。

所述电子开关是场效应管，充放电电路是串联的动力电池组的两端通过场效应管连接的电容。

实现本发明目的之二的动力电池组电压自动均衡装置：它包括串联的电池组，其特征是它还包括：

串联的电池组中每个单体电池连接的电子开关：用于控制单体电池放电或充电的通断；

串联的电池组两端连接的充放电电路，用于被单体电池充电或对单体电池放电；

均衡控制器：用于实时检测串联的电池组中各单体电池的两端电压，计算比较电压高低，控制单体电池两端的电子开关通断。

充放电电路两端连接有电子开关和用电器件，电子开关用于控制充放电电路对用电器件进行放电。

所述均衡控制器还用于：将检测串联的电池组中的单体电池分成至少分组，依据检测的电压的高低，对串联电池分组内部单体电池进行排序，以次控制具有压差的两个单体电池的电子开关通断。

所述电子开关是场效应管，充放电电路是电容。

本发明通过串联电池组中，先将电压高的单体电池的能量储存在充放电电路(电容)中，再导通电压低的单体电池，将能量转移过去到电压低的单体电池，在短的时间内实现串联电池组中，高电压的单体电池对低电压的单体电池之间的直接均衡，使得串联电池组中单体电池电压均衡到平均电压值；实现各单体电池具有更加均匀的的能量及电压，达到更好的均衡效果，延长电池的使用寿命，同时该方法不仅可以在串联电池组充放电时实现均衡，在串联电池组静态时，也能实现单体电池的均衡；本发明中电路中只采用一个电容，实现单体电池间的均衡，电路简单。

附图说明

图1本发明电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，均衡控制器100微处理器和逻辑控制电路构成，用于实时检测串联的电池组中各单体电池的两端电压，微处理器并将串联的单体电池分成两分组，并将两电池分组内的单体电池依据检测的电压值高低排序。

串联电池组中每个单体电池B1、B2......Bn-1、Bn两端均与均衡控制器100连接；每个单体电池B1、B2......Bn-1、Bn的分别连接有MOS管M1、M2......Mn-1、Mn的连接；

均衡控制器100的输出控制端分别与MOS管M1、M2......Mn-1、Mn连接。

均衡控制器100还连接控制MOS管Mn+1。

每个单体电池与充放电电路连接，及与电容连接，电容两端连接有MOS管M0和电阻R。

本实施例中单体电池B1、B2......Bn-1、Bn被分成两个分组，分别是奇数组电池单体B1、B3、B5......和偶数组电池单体B2、B4、B6......。奇数组中各单体电池连接的MOS管M1、M3、M5......的源极与电容C的一极连接，偶数组中各单体电池连接的MOS管M2、M4、M6......的源极与电容C的另一极连接。

MOS管M1、M2......Mn-1、Mn、Mn+1的漏极和栅极与均衡控制器100连接。电容C与Mn+1源极连接。

本发明的均衡方法是：均衡控制器通过导线采集每个电池单体的端电压。单体电压作为均衡控制器的输入信号，通过其内部微处理器和逻辑控制电路的处理，转化为输出信号控制来控制MOS管的开断。内部处理器将电池单体电压做两组排序，单体的奇数节和偶数节分别排序，即将电池单体B1、B3、B5......按端电压的高低做排序，B2、B4、B6......按端电压的高低做排序。电池单体间的均衡也是先进行单体奇数节之间相互均衡，再进行单体偶数节之间的均衡。例如电池Bi和Bj都是奇数节的电池单体，即i和j均为奇数。Bi在奇数节单体端电压排序中，端电压为最高值，而Bj则为最低值。通过均衡控制器的处理，输出信号控制MOS管Mi和Mi+1导通，电池单体Bi对电容C充电；接着关断Mi和Mi+1，导通Mj和Mj+1，则电容C向电池单体Bj放电。由于MOS管的开断频率很高，可以达到每秒上千次开断，Bi的电量逐步转移到Bj，经过一定时间，Bi的电压逐渐下降接近电池组平均电压，而Bj的电压则逐渐上升至接近平均电压。均衡控制器会一直监控电池单体的端电压并不断进行排序，排序均衡可采用：最高电压单体电池的电子开关导通，对充放电电路充电后，关断，充放电电路对最低电压单体电池充电；第二高电压单体电池的电子开关导通，对充放电电路充电后，关断，充放电电路对第二低电压单体电池充电；依次直至所有单体电池电压完成自动均衡；同时通过输出信号控制MOS管的开断，直至所有奇数节电池单体的电压达到均衡。然后均衡控制器输出信号开通MOS管M0，使电容C对电阻R放电。在电容C放空后，再进行偶数节电池单体的均衡，过程同奇数节电池单体的均衡相同，直至最终所有电池单体的端电压都达到均衡。

本发明与中国专利申请201010244377相比，具有系统方案简单、电路结构简单、体积较小、成本较小、能量传递效率较高的特点。具体说来，专利申请201010244377需要运用CPLD等专用译码芯片控制所谓的“均衡充放电电子开关”。这个电子开关也就是光继电器，由于电池组的电压一般高达300V以上，按照其专利里的电路结构，需要选择耐压600V以上的光继电器，这种芯片应用领域窄，即便不谈成本，在市场上也很难采购。另外它用DCDC作为均衡充电电源，在总电池组与任意一个单体中进行电量传递。由于两者压差高达100倍，要求DCDC的变比也很大，如此大的变比，其体积很大，能量损耗也很大。还有一个重要的原因是，由于这个开关和DCDC的限制，在电池组扩展时，并非如专利中所说的那么模块化，因为随着电池组的增多，光继电器的耐压要增高，DCDC要重新设计，系统才能安全可靠。

本发明恰恰克服了上述弱点。首先中国专利申请201010244377每个锂电池管理系统都需要用电池管理芯片采集单体电压。这个管理芯片上有被动均衡控制信号，本发明直接利用这个信号控制MOS管。另外只采用一个电容作为桥梁在电池单体之间进行能量传递，在充放电的管理上，采用单体电池电压由高到低的排序，最高电压单体电池对最低电压单体电池充电；第二高电压单体电池对第二低电压单体电池充电；依次直至所有单体电池电压完成自动均衡；电池向从单体到单体的传递，压差小，效率高。这个方案才真正做到了模块化，通用化。在单体数变化时，锂电池管理系统需要不同量的电池管理芯片，相应的增减电容数和MOS管数就可以。

上述均衡思想在于将串联电池组中的单体电池之间的电压均衡到所有单体电池平均电压值。真正实现串联电池组中的单体电池彼此之间的自动均衡。

在进行单体电池间的自动均衡时，还可采用设定单体电池间的电压差的方式实现均衡：

如在电池在静态时，总电流I＝0的时候，检测电池单体电压的差异是否超过了25mV，如果超过则视为需要均衡，则启动均衡系统。当电池在充放电过程中，总电流超过40A的时候，检测电池单体电压的差异是否超过了50mV，如果超过则视为需要均衡，则启动均衡系统。

Claims (9)

1.一种动力电池组电压自动均衡方法，它是在串联的动力电池组的每个单体电池连接电子开关，串联的动力电池组的通过电子开关连接充放电电路，通过实时检测单体电池两端电压，比较单体电池间电压高低；当第一单体电池电压大于第二单体电池电压时，该第一单体电池连接的第一电子开关导通，第一单体电池对充放电电路充电后，第一个单体电池的第一电子开关导通关断；第二单体电池连接的第二电子开关导通，充放电电路对第二单体电池进行充电，使得第一单体电池和第二单体电池电压得以均衡，依次反复直至串联的动力电池组中所有的单体电池的电压得以全部均衡。

2.如权利要求1所述动力电池组电压自动均衡方法，其特征是：将串联的动力电池组至少分成两分组，两分组串联电池组内部的单体电池之间分别完电压自动均衡：实时检测分组内单体电池两端电压，比较电压高低，高电压单体电池导通对充放电电路充电后，关断，充放电电路对低电压单体电池充电。

3.如权利要求2所述动力电池组电压自动均衡方法，其特征是：检测串联电池组内部每个单体电池的两端电压，并依据检测的电压的高低，对串联电池组内部单体电池进行排序；最高电压单体电池的电子开关导通，对充放电电路充电后，关断，充放电电路对最低电压单体电池充电；第二高电压单体电池的电子开关导通，对充放电电路充电后，关断，充放电电路对第二低电压单体电池充电；依次直至所有单体电池电压完成自动均衡。

4.如权利要求1或2所述动力电池组电压自动均衡方法，其特征是：所有单体电池电压自动均衡后，充放电电路的电压对用电器件放电。

5.如权利要求1或2所述动力电池组电压自动均衡方法，其特征是：所述电子开关是场效应管，充放电电路是串联的动力电池组的两端通过场效应管连接的电容。

6.一种动力电池组电压自动均衡装置，它包括串联的电池组，其特征是它还包括：

串联的电池组中每个单体电池两端连接的电子开关：用于控制单体电池放电或充电的通断；

串联的电池组两端连接的充放电电路，用于被单体电池充电或对单体电池放电；

均衡控制器：用于实时检测串联的电池组中各单体电池的两端电压，计算比较电压高低，控制单体电池两端的电子开关通断。

7.如权利要求6所述动力电池组电压自动均衡装置，其特征在于充放电电路两端连接有电子开关和用电器件，电子开关用于控制充放电电路对用电器件进行放电。

8.如权利要求6所述动力电池组电压自动均衡装置，其特征在于所述均衡控制器还用于：将检测串联的电池组中的单体电池分成至少分组，依据检测的电压的高低，对串联电池分组内部单体电池进行排序，以次控制具有压差的两个单体电池的电子开关通断。

9.如权利要求6所述动力电池组电压自动均衡装置，其特征在于所述电子开关是场效应管，充放电电路是电容。

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