CN101692507B - 锂离子电池组小电流放电状态下的主动均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池组主动均衡方法，该技术基于boost技术和法拉电容，该技术可以用于大容量的串联锂电池组在小电流放电时的电压均衡。传统的主动均衡技术存在电量传递效率及控制复杂等问题。本技术发明结合了电感和电容的电量转移技术，可以对锂离子电池组中任何两个电池进行电量传递，达到锂离子电池组电压均衡的目的，且综合效率可以达到84％左右。本技术发明具体控制灵活和电量转移效率高等特点。

Description

锂离子电池组小电流放电状态下的主动均衡方法

技术领域

本发明涉及一种串联锂离子电池组电压均衡方法，可以用于大容量动力串联锂离子电池组的电压均衡。

背景技术

锂离子电池【以下简称锂电池】是一种具有高能量密度、高工作电压、无记忆效应、循环寿命长、无污染、重量轻、自放电小的电池，目前广泛应用于各行各业。由于锂电池的工作电压一般在2.5～4.2V左右(不同材料的锂电池有所不同)，实际应用中需要将几只、几十只甚至几百只单体锂电池串联起来，以提高工作电压。但是由于锂电池生产工艺的限制，锂电池单体之间存在容量、电压、内阻及自放电率等不一致，即使在同一批次的电池中也会存在差异。在实际使用中，这种差异会严重影响锂电池的使用寿命，所以有必要对串联锂电池组【以下简称锂电池组】进行均衡管理。

目前，锂电池组均衡方法主要有两种：被动均衡和主动均衡。被动均衡主要是在充电过程通过均衡电阻给电压高的单体电池放电，使整组电池的电压达到一致。这种方法的缺点在于浪费能源，且由于放电电流的限制，不适合于大容量的锂电池组。主动均衡方法有电感和电容两种电量转移方式，电感转移方式中使用最多的是基于Boost/buck的电感均衡，这种方式在相邻电池之间进行电量传递，电量从电压高的电池转移到电压低的电池，电量传递的效率可以达到80％以上。这种方式的缺点在于只能在相邻锂电池之间进行电量传递，对于非相邻锂电池需进行多次电量传递，才能达到均衡的目的，这极大的降低了电量传递效率。而且由于单个均衡模块只能对两个相邻电池进行均衡，那么对电量传递效率。而且由于单个均衡模块只能对两个相邻电池进行均衡，那么对于多串锂电池组，则需要多个均衡模块，这也极大的增加了系统的复杂性。电容转移方式由于锂电池组中电压差异在几毫伏和几十毫伏之间，单次转移的电量极少，所以这种方式的转移效率也是非常低。

发明内容

为了解决上述所存在的问题，本发明提供了一种新的主动均衡方法，该技术结合了电感和电容的电量转移技术，可对锂电池组中的任意两节电池进行电量传移，且单次转移的电量要比传统纯电容方式要高的多。

在本技术说明书中，将锂电池组中单体电池电压偏离平均电压的值定义为偏压。锂电池组中任何电池的偏压高于一定的值，则定义锂电池组为不一致，需要对锂电池组进行均衡，而这个值则定义为偏压限。

本发明主要包括了以下几个部分：电压检测单元、开关阵列、法拉电容、电容控制单元以及主控单元。电压检测单元用于检测锂电池组中各个单体的电压；开关阵列用于锂电池组中不同电池的选通；法拉电容作为电量转移的中间介质；电容控制单元用于控制法拉电容的充放电过程；主控单元通过控制开关阵列、法拉电容、电容控制单元，对整个均衡过程进行控制。电容控制单元包括电容充电控制MOS管、电容电压检测单元、Boost控制MOS管、Boost电感以及相关开关的驱动机构。电容充电控制MOS管为控制电容的充放电的操作机构，同时MOS管的寄生二极管也作为Boost续流二极管；电容电压检测单元检测电容电压并传递给主控单元，为Boost的占空比的设置提供依据；Boost控制MOS管、Boost电感及电容充电控制MOS管的寄生二极管构成一个完整的Boost升压电路，通过Boost升压电路使电容给电池充电。

本均衡方法工作过程可分为以下几个过程：首先电压检测单元检测锂电池组单体电池的电压，主控单元根据单体电池的电压判断锂电池组是否满足启动均衡装置，如果满足即启动均衡装置，从电压最高的电池向电压最低的电池进行电量传递。电量传递可分为两个部分：1)电容充电部分，首先开关阵列选通电压高的电池，然后打开电容充电控制MOS管，由电池给电容充电。电容充电控制MOS管严格控制充电电流，在电容电压达到预设值时，关闭电容充电控制MOS管，同时关闭开关阵列对电池的选通。2)电容放电部分，首先开关阵列选通电压低的电池，通过电容控制单元中的Boost升压电路使电容给电池充电，在这个过程中，主控单元根据电容电压调整Boost控制MOS管控制信号的占空比，在电容电压下降到设定的放电终止电压，停止电容放电。重复这两个过程，直到均衡条件不再满足。

本均衡方法的要点在于开关阵列、电容充放电区间的控制及Boost控制MOS管PWM占空比的设置。开关阵列要求在对某一电池均衡时，不影响其他电池，由于在本技术方案中储能器件是法拉电容，单次传递的能量高，电容充放电的时间较长(具体根据电容的容量和均衡电流的大小)，所以开关的频率比较低，可以使用双通道继电器做开关阵列，且开关阵列是在无负载情况下进行开关动作，不必考虑继电器的寿命对均衡电路的影响。

在电容充电初期，电容与电池的压差比较大，此时需要对充电电流进行控制，可以调整电容充电控制MOS管的栅级电压达到控制电流的目的。在电容充电末期，随着电容与电池电压的接近，电流随之减小，在实际情况中，由于充电回路中存在开关导通阻抗以及电容本身直流等效内阻，无法在较短的时间内把电容电压充到与电池电压一致。实验证明，3.8V的电池给初始电压为0的20F的法拉电容充电时，如果充电回路中如果存在200mΩ的阻抗，且不控制充电电流，电容从0V充至3.0V需要6秒，充至3.7V需要15秒。电容充电时间的计算可以根据公式(1)来计算。所以适当减小电容充电终止电压可以极大地减少充电时间，

其中：F为电容容量、R为充电回路中的等效电阻、U_B为电池电压、U_C为电容电压。U_C0为电容初始电压、U_C1为电容充电终止电压

Boost控制MOS管控制信号的占空比直接影响电容放电电流和均衡效率。控制信号的占空比可以根据公式(2)来计算。在电容放电初期，电容电压低于被均衡电池的电压，且两者差异比较小，此时需要比较低的占空比，而随着 $D_{\max }=1-\frac{V_c}{V_b}---\left(2\right)$ (Vc电容电压，Vb电池电压)

电容放电时间的增加，电容的电压与电池的压差越来越大，此时如果不调整占空比，放电电流会降低，从而造成放电时间增加。这时可以根据公式(2)实时调整占空比，把放电电流控制在一定的范围内。在电容电压降低到设定的电容放电终止电压停止电容的放电。

本技术方案中一些关键参数的设置及元器件的选择：

(1)法拉电容：法拉电容的容量影响单次传递的电量，单次传递的电量可由公式(3)来计算。

C＝(U_C1-U_C0)·F(3)其中U_C1为充电终止电压，U_C0为放电终正电压两个电压的差值越大，单次传递的电量越大

(2)电容放电终止电压U_C0：由于法拉电容本身的特性及放电效率的考虑，U_C0可设置为2V。

(3)电容充电终止电压U_C1：U_C1设置为给电容充电电池电压的值减去0.3。这样既保证了单次转移的电量，同时也减少了电容的充电时间。比如给电容充电电池的电压为3.8V，可以把U_C1设为3.5V，根据公式1计算，电容从2V充至3.5V所需的时间为7.2秒。

(4)电感：电感的值可根据公式(4)来计算

其中Vc_min为电容放电终止电压，Vm为Boost控制MOS管的压降，I_o为平均放电电流，f为Boost控制频率

电感的峰值电流由公式(5)为确定

$I_{\mathrm{Lp}}=(1+\frac{30\%}{2})\·\frac{I_o}{1-D}---\left(5\right)$

(5)Boost控制Mos管：Boost控制Mos管需选择导通阻抗低的MOS管。

(6)开关阵列：开关阵列可以使用小型双通道继电器。

本技术方案可以用于锂电池组0.2C以下的小电流放电、恒流充电和静置三种情况下的均衡。

1)小电流放电：在本技术说明中，小电流放电的定义为0.2C以下，且放电电流波动较小的放电。在小电流放电过程中，可以设置一个偏压限，当电池组的某一单体电压偏离电池组的平均电压超过偏压限时，启动均衡装置，从电压高的电池到电压低的电池进行电量传递。

2)静置均衡：在静置情况下，由于降低能耗等方面考虑，电池管理系统在绝大部分时间处于休眠状态，只是周期性的对锂电池组电压进行检测，周期可以设为一个小时或者半个小时，当检测到锂电池组中任何一个电池的偏压超过偏压限时，启动均衡装置，直到电池组的电压基本一致，则停止均衡。

3)恒流充电：锂电池组的充电可以分为快充和慢充两种模式。在快充模式中，不进行均衡，其中任何一个电池达到限充电压，整个电池组充电结束。在慢充模式中，电池组充电过程可分为恒流和恒压两个过程，本技术只工作在恒流充电过程中，其均衡策略有两种。

策略1：在锂电池放电截止电压和充电截止电压之间设几个电压检查点，把充电截止电压设为最后一个电压检查点。当其中任何一个电池达到电压检查点时，检查电池组是否满足均衡条件，如果满足，则停止充电，或者以小电流进行恒流充电，启动均衡装置进行均衡，从电压较高的电池到电压较低的电池进行电量传递，在一定时间后，电压达到一致，再以大电流恒流充电。当电池组中某一电池电压达到最后一个电压检测点(即充电截止电压)时，如果电池组存在不一致的话，肯定有电池的电压未达到截止电压，从高到低进行电量转移，如果电压相差不是太多的话，均衡完成后，整个电池组的电池电压均在截止电压附近，我们或者可以对电池组进行恒流补充电，或者直接对电池组进行恒压充电。

策略2：同前面两种情况，在锂电池组的恒流充电过程中，实时对电池的电压进行监测，当检测到某一电池的偏压达到偏压限时，停止充电或者以小电流恒流充电，启动均衡装置，待锂电池组电压达到一致再以大电流恒流充电。当锂电池组中任何一个电池达到截止电压时，停止恒流充电，启动均衡装置使电池组电压达到一致，然后对锂电池组进行补充电，直到锂电池组的电池均达到截止电压，最后进行恒压充电。

与现有的技术相比，本发明具有以下特点：(1)控制灵活，本技术可以对电池组中任意两节电池进行电量传递，而传统的电感均衡方法只能在相邻的电池之间进行电量传递。(2)电量转移效率高，单次综合电量传递的效率可达到84％，而且对于非相邻的两节电池不需要进行多次能量传递。(3)由于采用了大容量的法拉电容，且电容放电的深度大，所以单次转移的电量高。

附图说明

附图1是均衡管理系统的构成示意图

附图2是电容控制单元的构成图

具体实施方式

以下结合附图综合描述本发明的实施例。

如图1所示，一个完整的锂电池均衡管理系统(注：仅仅指均衡管理系统，而非通常意义上的锂电池组管理系统)应包括以下几个部分：开关阵列【1】、电容控制单元【2】、法拉电容【3】、相关的驱动机构【4】、主控单元【5】及电压检测单元【6】。

如图2所示，电容控制单元主要包括以下几个部分：电容充电控制MOS管【1】、Boost电感【2】、电容电压检测单元【3】及Boost控制MOS管【5】。

实施方案1：6串锂电池组充电过程中的均衡

元器件及参数的设定：1)电容的放电电流为2A，放电终止电压为2V，充电终止电压为电池电压值减去0.3的值。根据公式(1)计算，当电池电压为3.8V时，电容充电终止电压为3.5V，此时电容充电时间为7.2s，充电平均电流为4.1A。2)法拉电容选择两个20F串联的法拉电容模块，耐压在5.4V左右。3)电感根据公式4和公式5，选择电感量为330μH且通过4.5A以上电流不会饱和的电感器。4)Boost控制频率设定为2kHz。5)电容充电控制MOS管和Boost控制MOS管选择P型MOS管，型号为IRML6401。

电容容量为8Ah，充电截止电压为4.2V，电池组初始电压为19.382V。充电过程中对电池电压进行采样的周期为1分钟。电池组的电压检查点为3.5、4、4.2，且偏压限设为20mV。均衡策略采用充电过程中均衡的策略1：

实施方案2：小电流放电过程中的均衡

元器件及参数的设定：1)电容的放电电流为2A，放电终止电压为2V，充电终止电压为电池电压值减去0.3的值。根据公式(1)计算，当电池电压为3.8V时，电容充电终止电压为3.5V，此时电容充电时间为7.2s，充电平均电流为4.1A。2)法拉电容选择两个20F串联的法拉电容模块，耐压在5.4V左右。3)电感根据公式4和公式5，选择电感量为330μH且通过4.5A以上电流不会饱和的电感器。4)Boost控制频率设定为2kHz。5)电容充电控制MOS管和Boost控制MOS管选择P型MOS管，型号为IRML6401。

电容容量为8Ah，电池组初始电压为22.551V。在小电流放电电流为1A，放电过程中对电池电压进行采样的周期为1分钟，电池放电终止电压为3.2V，且偏压限设为20mV。

实施方案3：静置过程中的均衡

元器件及参数的设定：1)电容的放电电流为2A，放电终止电压为2V，充电终止电压为电池电压值减去0.3的值。根据公式(1)计算，当电池电压为3.8V时，电容充电终止电压为3.5V，此时电容充电时间为7.2s，充电平均电流为4.1A。2)法拉电容选择两个20F串联的法拉电容模块，耐压在5.4V左右。3)电感根据公式4和公式5，选择电感量为330μH且通过4.5A以上电流不会饱和的电感器。4)Boost控制频率设定为2kHz。5)电容充电控制MOS管和Boost控制MOS管选择P型MOS管，型号为IRML6401。

电容容量为8Ah，电池组初始电压为21.892V。静置情况下对电池电压进行采样的周期为1小时。且偏压限设为20mV。

Claims (10)

1.一种锂电池组小电流放电状态下的均衡方法，该方法在锂电池组小电流放电过程中，从电压最高的电池向电压最低的电池进行电量传递，其特征在于包括电容充电和电容放电两个部分，电容充电部分中选通电池组中电压最高的电池，由该电池对电容充电；电容放电部分选通电压最低的电池，基于boost原理，利用电容对所述该电压最低的电池进行电量补充，重复这两个过程，直至均衡条件不再满足；所述电容充电部分中，在电容充电的初期，控制充电电流，并且按照公式(1)

$t=F\·R\·\underset{U_{c0}}{\overset{U_{c1}}{\∫}}\frac{1}{U_B-U_C}d{U}_c---\left(1\right)$

其中：F为电容容量，R为充电回路中的等效电阻，U_B为电池电压，U_C为电容电压，U_C0为电容初始电压，U_C1为电容充电终止电压；

计算电容充电时间，并加以控制，以控制总均衡过程时间。

2.权利要求1所述的锂电池组放电均衡方法，其特征在于预先设定的均衡启动条件为电池组中偏压超过了偏压限。

3.权利要求1所述的锂电池组放电均衡方法，其特征在于所述电容放电部分中，基于boost原理，随着电容放电时间增加，根据电容与电池的压差，按照公式(2)调整boost PWM占空比：

$D_{\max }=1-\frac{V_c}{V_b}---\left(2\right)$

其中：V_c为电容电压，V_b为电池电压

通过控制占空比影响放电电流，在电容电压降低至设定的电压下限时，停止电容的放电。

4.根据权利要求1-3中任一所述锂电池组放电均衡方法，其特征在于：所述电容为法拉电容。

5.根据权利要求4所述锂电池组放电均衡方法，其特征在于：电容的充电终止电压为电池电压值减去0.3的值，电容放电终止电压为2V。

6.根据权利要求5所述锂电池组放电均衡方法，其特征在于：所述电压最高的电池和电压最低的电池在电池组中排列的位置彼此相邻或者不相邻。

7.一种按照权利要求1-6中任一所述锂电池组放电均衡方法对锂电池组进行均衡的系统，由开关阵列、法拉电容、电容控制单元以及主控单元组成，开关阵列用于锂电池组中不同电池的选通；法拉电容作为电量转移的中间介质；电容控制单元控制电容充放电过程；主控单元通过控制开关阵列、法拉电容和电容控制单元，对整个均衡过程进行控制。

8.权利要求7所述系统，其特征在于：开关阵列用于选通电压最高的电池为电容充电，和选通电压最低的电池为其进行电量补充。

9.权利要求7或8所述系统，其特征在于：电容控制单元包括电容充电控制MOS管、电容电压检测单元、Boost控制MOS管、Boost电感以及相关开关的驱动机构，电容充电控制MOS管为控制电容的充放电的操作机构，同时Boost控制MOS管的寄生二极管也作为Boost续流二极管；电容电压检测单元检测电容电压并传递给主控单元，为boost的占空比的设置提供依据；boost控制MOS管、Boost电感及电容充电控制MOS管的寄生二极管构成一个完整的Boost升压电路，通过Boost升压电路使电容给电池充电。

10.权利要求9所述系统，其特征在于使用双通道继电器做开关阵列。