CN101471460B - 对电池组进行均衡控制的方法和电池组充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了对电池组进行均衡控制的方法和电池组充电方法，所述对电池组进行均衡控制的方法包括步骤：电池管理芯片或单片机判断所有单体电池电压是否都在设定电压值范围之内，如果是，则当有单体电池电压大于均衡电压值、且该电池与电压最低的电池之间的电压差大于均衡上限压差值时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小；根据充电电流的大小，设置相应的均衡电流，进行能量均衡；当所述被均衡的电池电压小于均衡电压值、或所述被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小于均衡下限压差值时，所述电池停止放电。本发明通过芯片或单片机集中控制，可靠性高，且可以灵活地设置各种控制参数，应用范围广。
Description
【技术领域】
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及对电池组进行均衡控制的方法和电池组充电方法。
【背景技术】
锂离子电池没有记忆效应，因此是理想的充电电池。目前锂离子电池已经开始应用于电工工具、电动车领域，这种应用领域的锂离子电池大多是多节锂离子的串联应用。
多节锂离子电池的串联应用对锂离子电池的一致性有很高的要求，因为在多节电池的串联应用中，如果其中一颗电池(假定为CELL3)容量小、内阻大，那么其在放电过程中就会比其它电池首先达到过放保护电压，电池管理芯片便会断开整个电池组的放电回路，即使其它电池还没有达到过放保护电压；在随后的充电过程中，由于其它电池的剩余电量还比较多，将比电池CELL3先充满而达到过充保护电压，这时电池管理芯片也会断开整个电池组的充电回路，即使电池CELL3还没有达到过放保护电压。那么在第二次放电过程中电池CELL3会比第一次更快到达过放保护电压，形成恶性循环，这样不到几个循环，整组锂电池包的性能便大打折扣，性能最差的那颗电池制约着整组电池包的性能。因此在多节锂离子电池的串联应用中，往往需要进行均衡控制。
中国专利《动力锂离子电池的均衡充电电路》(申请号200610044624.9)公开了一种动力锂离子电池的均衡充电电路，如图1所示，其主要技术方案是，在由多节锂离子充电电池串联而成的电池组中，其每一节电池的正负极两端连接一个可将所述一节电池的电压与设定的单节电池的额定电压进行比较并输出比较结果的电压检测部，所述每一节电池的正负极两端还连接一个自放电支路，所述每一个自放电支路包括一个阻抗元件和一个可根据相应的电压检测部的比较结果控制所述自放电支路通/断的自放电控制开关。充电时，该均衡充电电路可以使电池单元各个电池单体间电压基本保持一致，消除因各电池单体间的性能差异对电池单元的荷电保持能力的影响，提升电池组的整体性能。
但是，上述均衡电路仅仅由比较器和电阻组成，电路过于简单，可靠性低，而且当电池组中各电池种类数目较多或者应用情景环境较为复杂时，不能对控制参数进行灵活的设置，应用范围较小。
【发明内容】
本发明的发明目的是提供一种对电池组进行均衡控制的方法和电池组充电方法，以达到提高可靠性、扩大应用范围的目的。
为达到上述发明目的，本发明提出以下的技术方案：
一种对电池组进行均衡控制的方法，该方法包括以下步骤：
A、电池管理芯片或单片机判断所有单体电池电压是否都在设定电压值范围之内，如果是，则转到步骤B，否则充电控制开关断开充电回路；
B、当电池管理芯片或单片机检测到有单体电池电压大于均衡电压值、且该电池与电压最低的电池之间的电压差大于均衡上限压差值时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小；
C、根据充电电流的大小，设置相应的均衡电流，电池管理芯片或单片机发出信号通知均衡控制开关管导通，所述电池通过均衡电阻放电；
D、当电池管理芯片或单片机检测到所述被均衡的电池电压小于均衡电压值、或所述被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小于均衡下限压差值时，所述电池停正放电。
优选地，所述步骤A之前进一步包括步骤：
A1、电池管理芯片或单片机判断电池温度是否在设定温度值范围之内，如果是，执行步骤A。
优选地，所述步骤A1之前进一步包括步骤：
A2、电池管理芯片或单片机判断电池组是否处于充电状态，如果处于充电状态，则转到步骤A1。
其中，所述步骤A1中的设定温度值范围为-20℃～75℃。
其中，所述步骤A中的设定电压值范围为0.5V～5.0V。
其中，所述步骤B中的均衡电压值为3.4V，均衡上限压差值为0.5V。
其中，所述步骤C中设置相应的均衡电流的过程具体包括：
设置一个以上的充电电流区间，当充电电流的值在所述充电电流区间的范围值之内时，将均衡电流设置为该充电电流区间所对应的均衡电流值。
其中，所述步骤C中设置相应的均衡电流的过程具体包括：
当充电电流大于2.0A时，设置均衡电流为500mA；
当充电电流大于等于1.0A且小于等于2.0A时，设置均衡电流为300mA；
当充电电流小于1.0A时，设置均衡电流为150mA。
其中，所述步骤D中的均衡电压值为3.4V，均衡下限压差值为50mV。
一种电池组充电的方法，该方法包括以下步骤：
A、接通充电回路，电池管理芯片或单片机判断所有单体电池电压是否都在设定电压值范围之内，如果是，则转到步骤B，否则充电控制开关断开充电回路；
B、当电池管理芯片或单片机检测到有单体电池电压大于均衡电压值、且该电池与电压最低的电池之间的电压差大于均衡上限压差值时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小；
C、根据充电电流的大小，设置相应的均衡电流，电池管理芯片或单片机发出信号通知均衡控制开关管导通，所述电池通过均衡电阻放电；
D、当电池管理芯片或单片机检测到所述被均衡的电池电压小于均衡电压值、或所述被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小于均衡下限压差值时，所述电池停止放电；
E、停止均衡过程，继续正常充电。
从以上技术方案可以看出，本发明通过电池管理芯片或单片机对电池组中电池进行检测，判断是否需要进行均衡控制，然后根据当前充电电流的大小设置均衡电流，对电池进行能量均衡。本发明通过芯片或单片机集中控制，可靠性高，且可以灵活地设置各种控制参数，应用范围广。此外，本发明还可以避免电池组在温度过高的情形下充电，有效地保护电池组；本发明还设置多个充电电流区间，每个区间设置一个相应的均衡电流，可以扩大均衡控制的范围。
【附图说明】
图1为现有技术中均衡充电电路的电路图；
图2为本发明方法的基本流程图；
图3为本发明方法实施例的流程图；
图4为本发明实施例的具体电路图。
【具体实施方式】
首先介绍电池均衡的一些基本概念和原理：
锂电池包通常由一个或几个电池组并联，每个电池组由3到4个电池串联构成。这种组合方式能同时满足笔记本电脑、医疗设备、测试仪器及工业应用所需的电压和功率要求。然而，这种应用普遍的配置通常并不能发挥其最大功效，因为如果某个串联电池的容量与其它电池不匹配将会降低整个电池包的容量。
电池容量的不匹配常见的有充电状态(SOC)失配。在这种情况下，电池包的总容量都只能达到最弱电池的容量。一般而言，引起电池失配的原因是工艺控制和检测手段的不完善，而不是锂离子本身的化学属性变化。例如棱柱形锂电池(Lilon prismaticcell)在生产时需要更强的机械压力，电池之间更容易产生差异。此外，锂离子聚合物电池也会因为采用新的工艺而出现电池之间的差异。
采用电池均衡处理技术可解决SOC和C/E失配问题，从而改进串联锂电池包的性能。通过在初始调节过程中对电池进行均衡处理可以矫正电池失配问题，此后只需在充电过程中进行均衡即可，而C/E失配则必须在充、放电过程都进行均衡。
电池均衡的定义：
工作电压为6V或以上的便携式设备采用串联电池包供电，这种情况下电池包的总电压为各串联电池电压之和。例如，便携式电脑的电池包通常由三、四个电池串联而成，标称电压为10.8V或14.4V。在大多数此类应用中，单个串联电池包无法提供设备所需能量。目前最大的电池(如18650)可提供2,000mAh(毫安·小时)能量，而电脑需要50-60Whr(5,000-6,000mAh)的能量，因此必须给串联的每个电池并联三个电池。
电池均衡是指对串联电池包中不同的电池(或电池组)采用差分电流。串联电池包中每个电池的电流通常是一样的，因此必须给电池包增加额外的元件和电路来实现电池均衡。只有当电池包中的电池是串联的，同时串联电池等于或大于三级时才会考虑电池均衡问题。当电池包中所有电池都满足下面两个条件时，便实现了电池均衡：
1、如果所有电池的容量相同，那么当它们的相对充电状态一样时便实现了电池均衡。SOC通常以当前容量与额定容量的百分比来表示，因此，开路电压(OCV)可作为SOC的一个衡量标准。如果一个不均衡电池包中的所有电池可以通过差分充电达到满容量(均衡点)，它们便可以进行正常的充放电而无需任何额外的调整，通常这种调整是一次性的。用户在使用新电池时，通常需要求对电池进行长时间充电，这个过程实际上包括一次完整的放-充电。该过程使负载最小化，并使电池充电时间最长，降低对电池均衡电路的要求。
2、如果电池的容量不同，当SOC相同时也认为它们是均衡的。但SOC只是一个相对值，每个电池容量的绝对值是不同的。为了使容量不同的电池的SOC相同，每次对串联电池进行充放电时都必须使用差分电流。正常充放电的时间比初次充放电更短，并需要更大的电流。
因此，电池均衡一般是通过″分流″需要均衡的电池(电压最高的电池)电流来实现的。通常，将一个功率晶体管和限流电阻串联后，再与电池包中的每个电池并联来控制均衡过程。在充电过程中导通功率晶体管，将该电池的电流部分分流，从而使它的充电速度比其它电池慢，从而在充电模式下对电池进行均衡。
下面结合具体的实施例对本发明技术方案进行详细的描述。
本发明提供一种对电池组进行均衡控制的方法，如图2所示，该方法主要包括以下步骤：
步骤S101、电池管理芯片或单片机判断所有单体电池电压是否都在设定电压值范围之内，如果是，则转到步骤S102，否则充电控制开关断开充电回路(步骤S105)：在这个步骤中，可以首先判断电池温度是否在设定温度值范围之内，如果处于充电状态，则继续判断电池温度是否在设定温度值范围之内。这两个条件是进行步骤S102的必要条件，只有这两个条件都满足，才需要对电池进行能量均衡，否则可以判断为电池故障，此时应停止充电，对电池组进行检查。
在步骤S101之前，还可以包括步骤：电池管理芯片或单片机电池温度是否在设定温度值范围之内，如果是，执行步骤S101。在优选的实施中，可以首先判断电池组的温度是否在正常的温度范围之下，只有温度正常，才对电池组进行充电，然后再判断是否需要进行均衡控制，避免电池组在温度过高的情形下充电，有效地保护电池组。
步骤S102、当电池管理芯片或单片机检测到有单体电池电压大于均衡电压值、且该电池与电压最低的电池之间的电压差大于均衡上限压差值时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小：在本步骤中，可以首先检测是否有单体电池电压大于均衡电压值，再检测该电池与电压最低的电池之间的电压差是否大于均衡上限压差值时，当这两个条件都满足时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小。
步骤S103、根据充电电流的大小，设置相应的均衡电流，电池管理芯片或单片机发出信号通知均衡控制开关管导通，所述电池通过均衡电阻放电。
在本步骤中，所述设置相应的均衡电流的过程具体包括：
设置一个以上的充电电流区间，当充电电流的值在所述充电电流区间的范围值之内时，将均衡电流设置为该充电电流区间所对应的均衡电流值。在本发明中，设置多个充电电流区间，每个区间设置一个相应的均衡电流，可以扩大均衡控制的范围。
具体地，可以通过以下方式来设置均衡电流的大小：
当充电电流I＞2.0A时，设置均衡电流为500mA；
当充电电流2.0A＝＜I＜＝1.0A时，设置均衡电流为300mA；
当充电电流I＜1.0A时，设置均衡电流为150mA。
步骤S104、当电池管理芯片或单片机检测到所述被均衡的电池电压小于均衡电压值、或所述被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小于均衡下限压差值时，所述电池停止放电：在本步骤中，只要被均衡的电池电压满足条件，或者所述被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小到一定程度，就可以结束电池均衡过程。
在优选的实施例中，如图3所示，本发明方法包括以下步骤：
步骤S201、电池管理芯片或单片机判断电池组是否处于充电状态，当处于充电状态时，转到步骤S202。
步骤S202、如果处于充电状态，则继续判断电池温度是否在设定温度值范围之内，如果是，转到步骤S203，否则转到步骤S204。在本实施例中，所述设定温度值范围一般可以为-20℃～75℃。
步骤S203、判断是否所有单体电池电压都在设定电压值范围之内，如果是，转到步骤S105，否则转到步骤S204。在本实施例中，所述温度值范围可以设为0.5V～5.0V。
步骤S204、判断为电池故障，电池管理芯片或单片机发出控制电平，充电控制开关断开充电回路，停止充电。
步骤S205、当电池管理芯片或单片机检测到有单体电池电压大于均衡电压值、且该电池与电压最低的电池之间的电压差大于均衡上限压差值时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小。在本实施例中，均衡电压值一般可以设为3.4V，均衡上限压差值一般可以设为0.5V。
步骤S206、根据充电电流的大小，设置相应的均衡电流，电池管理芯片或单片机发出信号通知均衡控制开关管导通，所述电池经过均衡电阻放电，减小充电电流，以达到能量均衡的目的。
上述过程可以结合具体的电路进行详细说明，如图4所示，该电路主要包括电池管理芯片或单片机(MCU)、均衡电阻R1、R2、R3、Rn、均衡控制开关管Q1、Q2、Q3、Qn，锂电池管理IC或MCU中的管脚BAT1、BAT2、BAT3、BATn负责实时监测电池组中每一颗电池的电压，CB1、CB2、CB3、CBn负责控制均衡控制开关管的开/关。当某颗电池电压过高(假设为CELL2)，CB2发出一个电平使Q2导通，电池BAT2便经过R2、Q2放电，即分出电流I2，减小充电电流，以达到能量均衡的目的。当然，本发明的方法也可以对多路电池进行均衡。
均衡功能是电压高的电池向电压低的电池看齐，即在充放电过程中把电压高的电池(一个或几个)的能量以热的形式散发出去，使其尽可能的与电压低的电池保持一致，因此均衡的本质是对电压高的电池分流。
步骤S207、当电池管理芯片或单片机检测到被均衡的电池电压小于均衡电压值、或被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小于均衡下限压差值时，电池管理芯片或单片机发出信号通知均衡控制开关管截止，所述电池停止放电。在本实施例中，所述均衡电压值一般可以设为3.4V，所述均衡下限压差值一般可以设为50mV。
步骤S208、继续正常充电，返回步骤S205。
本发明还提供一种电池组充电的方法，该方法在电池组的充电过程中，应用上述对电池组进行均衡控制的方法对电池组进行能量均衡，以达到更好的充电效果，该电池组充电方法包括以下步骤：
(1)接通充电回路，电池管理芯片或单片机判断所有单体电池电压是否都在设定电压值范围之内，如果是，则转到步骤(2)，否则充电控制开关断开充电回路。
(2)、当电池管理芯片或单片机检测到有单体电池电压大于均衡电压值、且该电池与电压最低的电池之间的电压差大于均衡上限压差值时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小。
(3)、根据充电电流的大小，设置相应的均衡电流，电池管理芯片或单片机发出信号通知均衡控制开关管导通，所述电池通过均衡电阻放电。
(4)、当电池管理芯片或单片机检测到所述被均衡的电池电压小于均衡电压值、或所述被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小于均衡下限压差值时，所述电池停止放电。
(5)、停止均衡过程，继续正常充电。
需要说明的是，本发明中描述的对电池组进行均衡控制的方法并不局限于在充电过程中的应用，当电路负载比较小、放电电流较小时，也可以应用于放电过程中。
以上所述实施例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 (10)
1.一种对电池组进行均衡控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、电池管理芯片或单片机判断所有单体电池电压是否都在设定电压值范围之内，如果是，则转到步骤B，否则充电控制开关断开充电回路；
B、当电池管理芯片或单片机检测到有单体电池电压大于均衡电压值、且该电池与电压最低的电池之间的电压差大于均衡上限压差值时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小；
C、根据充电电流的大小，设置相应的均衡电流，电池管理芯片或单片机发出信号通知均衡控制开关管导通，所述电池通过均衡电阻放电；
D、当电池管理芯片或单片机检测到所述被均衡的电池电压小于均衡电压值、或所述被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小于均衡下限压差值时，所述电池停止放电。
2.根据权利要求1所述的对电池组进行均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤A之前进一步包括步骤：
A1、电池管理芯片或单片机判断电池温度是否在设定温度值范围之内，如果是，执行步骤A。
3.根据权利要求2所述的对电池组进行均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤A1之前进一步包括步骤：
A2、电池管理芯片或单片机判断电池组是否处于充电状态，如果处于充电状态，则转到步骤A1。
4.根据权利要求2所述的对电池组进行均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤A1中的设定温度值范围为-20℃～75℃。
5.根据权利要求1所述的对电池组进行均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤A中的设定电压值范围为0.5V～5.0V。
6.根据权利要求1所述的对电池组进行均衡控制的方法，其特征在手，所述步骤B中的均衡电压值为3.4V，均衡上限压差值为0.5V。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的对电池组进行均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤C中设置相应的均衡电流的过程具体包括：
设置一个以上的充电电流区间，当充电电流的值在所述充电电流区间的范围值之内时，将均衡电流设置为该充电电流区间所对应的均衡电流值。
8.根据权利要求7所述的对电池组进行均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤C中设置相应的均衡电流的过程具体包括：
当充电电流大于2.0A时，设置均衡电流为500mA；
当充电电流大于等于1.0A且小于等于2.0A时，设置均衡电流为300mA；
当充电电流小于1.0A时，设置均衡电流为150mA。
9.根据权利要求6所述的对电池组进行均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤D中的均衡电压值为3.4V，均衡下限压差值为50mV。
10.一种电池组充电的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、接通充电回路，电池管理芯片或单片机判断所有单体电池电压是否都在设定电压值范围之内，如果是，则转到步骤B，否则充电控制开关断开充电回路；
B、当电池管理芯片或单片机检测到有单体电池电压大于均衡电压值、且该电池与电压最低的电池之间的电压差大于均衡上限压差值时，通过电流检测电阻检测充电电流的大小；
C、根据充电电流的大小，设置相应的均衡电流，电池管理芯片或单片机发出信号通知均衡控制开关管导通，所述电池通过均衡电阻放电；
D、当电池管理芯片或单片机检测到所述被均衡的电池电压小于均衡电压值、或所述被均衡的电池与电池最低的电池之间的电压差小于均衡下限压差值时，所述电池停止放电；
E、停止均衡过程，继续正常充电。
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