CN101714675A

CN101714675A - 电池组平衡系统及方法

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Publication number: CN101714675A
Application number: CN200910224174A
Authority: CN
Inventors: 林伯璋; 王崇宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2010-05-26

Abstract

本发明涉及一种电池组平衡系统及方法。该方法为：对一电池组内所有电池电压进行监控，若其中任意两个电池电压不均衡，则发出一平衡指令，对电池组中电压较低的电池充电，至该电池电压达到一预设电压。该电池组平衡系统包括一电池监控单元以及一电池平衡单元，电池监控单元监控电池组所有电池的电压，并在电池组中任意两个电池电压不均衡时发出平衡指令，使电池平衡单元对电池组中电压较低的电池充电。本发明方法简洁易行，可随时对电池组进行平衡处理，高效快速，并不会造成能源的浪费，同时，亦无需借助过于复杂的设备或设置复杂的电路即可实施，成本低廉。本发明可被广泛应用于对各种电池组的平衡处理，从而提升其性能，延长其使用寿命。

Description

电池组平衡系统及方法

技术领域

本发明具体涉及一种对由多个电池串联组成的电池组内的各电池电压进行平衡(balance)的系统及方法。

背景技术

在由多个电池串联组成的电池组中，由于各电池的充、放电不均等，造成各电池电压不同，从而导致所谓不平衡现象的发生。例如在24V的锂电池组中，一般共有8个串联的锂电池，各锂电池理论电压应在3.2V左右。在对该锂电池组充电时，当电池组电压达到最高电压(如26V)时充电即会停止，但这26V的电压一般不会在上述8颗电池上平均分布(即，26V/8＝3.25V)，而可能是这样的状况，即，其中若干电池电压达到3.5V(过饱)，而若干电池电压仅在3.1V(未充饱)。这样，电池组中各电池的电压难以均衡，尤其在长期使用后，各电池电压之间的差异还会逐渐增大，造成电池组性能恶化或者降低其使用寿命。

为克服这样的问题，人们发展出了各种不同的方法以使同一电池组中的所有电池维持均等电压，这样的方法我们称之为平衡方法(balance)，则与该平衡方法配套应用的设备被称为平衡器(balancer)、等压器、均压器或电池管理系统(BMS，battery management system)。

目前常见的平衡方式大多是将电池组中电压较高的电池(充电较饱的)透过电阻放电(bleeding)，或是将电池组中电压较高的电池(充电较饱的)的部分电荷通过电容方式等转移至电压较低的电池。然则，虽然该等方法可降低了电池组中整体的电压差异，但依然无法达到使电池组中各电池电压整齐划一的目的。同时，该等方法还会造成能源的浪费，或是需要设置较复杂的电路结构以实现电荷的转移。更进一步的，该等方法还可能延长电池组的整体充电时间。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种对电池组平衡速度快、简单易行，且不会造成能源浪费的电池组平衡方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种电池组平衡方法，其特征在于，该方法为：

对一电池组内所有电池的电压进行监控，若其中任意两个电池电压不均衡，则发出一平衡指令，对电池组中电压较低的电池充电，至该电池电压达到一预设电压。

进一步的，该方法具体为：

以一电池监控单元监控一电池组内各电池的电压，并在电池组中任意两个电池的电压差值超过一预设的门坎值时，向一电池平衡单元发出平衡指令；

电池平衡单元接收电池监控单元发出的平衡指令，并对电池组中电压较低的电池充电，至该电池电压达到一预设电压。

该方法包括如下步骤：

(1)以一模拟/数字转换器ADC单元接收一电池组中各电池的电压信号，并转换为数字信号发至一数据处理单元；

(2)以一数据处理单元接收并处理数字信号，并在当代表电池组中任意两个电池电压的数字信号差值超过一预设在数据处理单元中的的门坎值时，向一电池平衡单元发出平衡指令；

(3)以电池平衡单元对电池组中电压较低的电池充电，至该电池电压达到一预设电压。

所述数据处理单元内预存一门坎值，当数据处理单元接收到的代表电池组内任意两个电池电压的数字信号差值大于该门坎值时，或代表电池组内任一电池电压的数字信号与代表电池组内所有电池电压平均值的数字信号的差值大于该门坎值时，数据处理单元发出平衡指令。

所述数据处理单元内预存一高电压门坎值，当数据处理单元接收到的代表电池组内任一电池电压的数字信号大于该高电压门坎值时，数据处理单元发出平衡指令。

上述步骤(3)中，电池平衡单元是经一开关电路对电池组中电压较低的电池充电的，该开关电路由一开关电路控制单元控制，其包括复数个并联的开关组，其中各开关组分别与电池组中各电池对应连接。

所述开关控制电路的运行状态是由一数据处理单元控制的，数据处理单元接收并处理ADC单元传输的数字信号，并向开关电路控制单元发出控制指令，开关电路控制单元接收数据处理单元发出的控制指令，并控制开关电路中各开关组的动作。

所述电池平衡单元包括一充电单元，该充电单元为电池、电容、DC-DC转换器中的至少一种。

所述数据处理单元包括一处理器。

本发明的另一目的在于提出一种可应用于上述电池组平衡方法，且结构简单，成本低廉，易于操作的电池组平衡系统，其技术方案如下：

一种电池组平衡系统，其包括：

一电池监控单元，该电池监控单元监控电池组所有电池的电压，并在电池组中任意两个电池电压不均衡时，发出平衡指令；

一电池平衡单元，该电池平衡单元接收电池监控单元发出的平衡指令，并对电池组中电压较低的电池充电。

具体而言，该电池组平衡系统具体包括：

一开关电路，该开关电路包括复数个并联的开关组，其中各开关组分别与一电池组中各电池对应连接；

一电池监控单元，该电池监控单元经开关电路监控电池组各电池的电压，并在电池组中任意两个电池电压不均衡时发出平衡指令；

一电池平衡单元，该电池平衡单元接收电池监控单元发出的平衡指令，并通过开关电路对电池组中电压较低的电池充电，至该电池电压升至一预设电压。

所述电池监控单元包括：

一模拟/数字转换器ADC单元，该ADC单元经开关电路接收电池组中各电池的电压信号，并转换为数字信号发至一数据处理单元；

一数据处理单元，该数据处理单元接收并处理ADC单元传输的数字信号，并向一开关电路控制单元发出控制指令；

一开关电路控制单元，该开关电路控制单元接收数据处理单元发出的控制指令，并控制开关电路中各开关组的动作。

所述电池监控单元对电池组任一电池电压的监控过程为：

数据处理单元生成控制指令；

开关电路控制单元接收控制指令，并控制开关电路中与上述电池对应的开关组闭合；

ADC单元经开关电路获取该电池的电压信号，并转换为数字信号发至数据处理单元。

所述数据处理单元内设置一门坎值，当代表电池组内任意两个电池电压的数字信号的差值大于该门坎值时，或当代表电池组内任一电池电压的数字信号与代表电池组内所有电池电压平均值的数字信号的差值大于该门坎值时，数据处理单元向电池平衡单元发出平衡指令。

所述数据处理单元内设置一高电压门坎值，当代表电池组内任一电池电压的数字信号大于该高电压门坎值时，数据处理单元向电池平衡单元发出平衡指令。

所述开关电路包括一电池正极连接模块以及与之对应的一电池负极连接模块，电池正极连接模块和电池负极连接模块分别包括复数根并行设置的电池正极连接线和电池负极连接线，各电池正极连接线和电池负极连接线上分别设置一个以上的开关，且各电池正极连接线上设置的开关和与之对应的电池负极连接线上设置的开关组成开关组。

所述数据处理单元包括一处理器。

考虑到现有的对电池组进行平衡的方法的种种不足，本案发明人经长期研究和实践，采用了一种异于现有技术的技术构思，达到了对电池组有效进行平衡的方式，且同时可克服现有技术的不足，该技术构思的要点在于，在探知电池组中电池电压的差异后，对电池组中电压较低的电池以外设的充电单元等进行额外补偿，使之达到预设电压(如平均电压)等，形象的将，即是采用了一种补电的方式，从而达到使电池组内各电池电压均衡的目的。

本发明的方法及设备已为如上陈述所揭示，而其工作原理及过程可简明概括为同步或交替进行的电池监控模式及电池平衡模式，其中：

电池监控模式为：

在电池组开始充电、充电期间或充电结束后，执行对电池组内各电池电压的扫瞄，具体操作可以为，由数据处理系统下达控制指令，命令开关电路控制单元控制开关电路中各开关组的运行状态，例如：要监控其中某一电池的电压，则透过开关电路控制单元下令，把开关电路中与该电池相应的开关组导通，该电池的电压值透过ADC单元的量测回报给数据处理单元，扫瞄完毕，则重新使该开关组断开。按照同样的方式，可执行对电池组内每个电池电压的扫描。

电池平衡模式为：

扫瞄完电池组内每个电池的电压值后，若符合以下任一条件，即：

(1)任两个电芯的差异超过门坎值；

(2)某一电芯电压与平均电压差异超过门坎值；

(3)任一电芯达到高电压门坎值；

则此电池组需要执行平衡操作，开始进入电池平衡模式，数据处理单元发送平衡指令，使开关电路控制单元控制开关电路中与需要“补电”的电池相应的开关组闭合，并透过电池平衡单元为该电池补电，至该电池电压提升至预计电压则停止充电。

如此，电池组平衡系统维持“监控”与”平衡”两种模式的同步或交替进行，直到电池组内所有电池间之电压差异皆在预设门坎值之内。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明方法简洁易行，可随时对电池组进行平衡处理，且在充电过程中，在不刻意延缓电压较高电池充电速度的前提下，可使各电池达到基本相同的平衡速度，高效快速，并不会造成能源的浪费，同时，本发明无需设置过于复杂的算法，亦无需借助过于复杂的设备或设置复杂的电路即可实施，成本低廉。本发明可被广泛应用于对各种电池组的平衡处理，从而提升其性能，延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中一种电池组平衡系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明的内容作进一步说明。

如图1所示，该电池组平衡系统用于对电池组进行平衡处理，该电池组可为常见的单组铅电池、锂电池、镍镉电池、镍氢电池组等，其包括若干串接在一起的电池B1、B2、B3…Bn。

该电池组平衡系统包括一开关电路、一电池监控单元以及一电池平衡单元。

上述开关电路包括一电池正极连接模块B+以及与之对应的一电池负极连接模块B-，其中，电池正极连接模块包括复数根并行设置的电池正极连接线，各电池正极连接线与电池组中各电池的正极B1+、B2+、B3+…Bn+一一对应连接，且其上各设置一开关K1+、…Kn+，类似的，电池负极连接模块亦包括复数根并行设置的电池负极连接线，各电池负极连接线与电池组中各电池的负极B1-、B2-、B3-…Bn-一一对应连接，且其上各设置一开关K1-…Kn-。上述开关K1+…Kn+可分别与开关K1-…Kn-一一配合形成多个开关组。

上述电池监控单元包括：

一模拟/数字转换器ADC单元，该ADC单元可经开关电路接收电池组中各电池的电压信号，并转换为数字信号发至一数据处理单元；

一数据处理单元，该数据处理单元可接收并处理ADC单元传输的数字信号，并向一开关电路控制单元发出控制指令，同时，该数据处理单元内还可在特定条件下，向一电池平衡单元发出平衡指令；

一开关电路控制单元，该开关电路控制单元可接收数据处理单元发出的控制指令，并控制开关电路中各开关组的断开、闭合动作。

上述电池平衡单元可包括一充电单元，该充电单元可为电池、电容和DC-DC转换器中的至少一种，或其它可实现充电功能的器件。

上述可使数据处理单元发出平衡指令的特定条件可这样设定：

首先，在数据处理单元内设置一门坎值和/或一高电压门坎值；

其后，当出现如下状况之一时，该数据处理单元可发出一平衡指令：

(1)代表电池组内任意两个电池电压的数字信号的差值大于该门坎值，

(2)代表电池组内任一电池电压的数字信号与代表电池组内所有电池电压平均值的数字信号的差值大于该门坎值，

(3)代表电池组内任一电池电压的数字信号大于该高电压门坎值。

当然，上述数据处理单元应可异步或同步发出平衡指令和控制指令，使开关电路控制单元和电池平衡单元可分别或协同动作。

该电池组平衡系统在工作时，可具有两种模式，其一是电池监控模式，其二是电池平衡模式。

上述电池监控模式可理解为，在电池组开始充电、充电期间或充电结束后，以电池组平衡系统对电池组内各电池电压进行扫瞄，其具体操作可以为：

由数据处理系统下达控制指令，命令开关电路控制单元控制开关电路中各开关组的运行状态，例如：要监控其中电池B1的电压，则数据处理单元透过开关电路控制单元下令，把开关电路中与该电池相应的开关K1+、K1-导通，则该电池B1的电压值透过ADC单元的量测回报给数据处理单元，扫瞄完毕，则重新使由开关K1+、K1-组成的开关组断开。按照同样的方式，可同步或异步执行对电池组内电池电压B2、B3…Bn的扫描。

上述电池平衡模式可理解为，在以电池组平衡系统对电池组内每个电池的电压值扫描完毕后，对电池组内电池电压进行平衡处理，其具体操作为：

数据处理单元处理扫描所得代表电池组内各电池电压的数字信号，并将处理结果与预设的门坎值和/或高电压门坎值进行比较，判断是否发出平衡指令，若符合以下任一条件，即：

(3)代表电池组内任一电池电压的数字信号大于该高电压门坎值；

则标示此电池组需要执行平衡操作，数据处理单元同步发送控制指令和平衡指令，使开关电路控制单元控制开关电路中与需要“补电”的电池(电压较低的电池)相应的开关组闭合，并透过电池平衡单元为该电池补电，至该电池电压提升至预计电压则停止充电。

如此，该电池组平衡系统维持“监控”与”平衡”两种模式的同步或交替进行，直到电池组内所有电池间之电压差异皆在预设门坎值之内，即，达到使电池组内电压均衡的目的。

由该电池组平衡系统的工作模式可知，该电池组平衡系统的设计构思迥异于现有技术，且效果应是优于现有技术的，例如，较之现有的对电池组中电压较高的电池(充电较饱的)进行放电的方式，可有效节约能源，同时，较之现有技术中将电池组中电压较高的电池(充电较饱的)的部分电荷转移至电压较低的电池的方式，可在不刻意延缓电压较高电池充电速度的前提下，使各电池均以较快速度达到平衡，且无需设计结构复杂的电路。

上述的数据处理单元可包括一处理器，当然，为扩展该电池组平衡系统的功能，以满足实际应用的需要，该数据处理单元中还可配套设置存储器、通信端口及外接设备接口等等。进一步的讲，上述的数据处理单元可选自个人计算机、单片机等等具有数据处理功能的设备。

又及，上述的开关电路应还可采用其他的结构，如，本领域技术人员是完全可以想到以现有集成电路或对现有集成电路等元件进行简单改动，而实现该开关电路功能的。

综上可知，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电池组平衡方法，其特征在于，该方法为：

2.根据权利要求1所述的电池组平衡方法，其特征在于，该方法具体为：

以一电池监控单元监控一电池组内各电池的电压，并在电池组中任意两个电池的电压差值超过一预设的门坎值时，或任一个电池电压与电池平均电压差值超过一预设门坎值，向一电池平衡单元发出平衡指令；

3.根据权利要求1或2所述的电池组平衡方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的电池组平衡方法，其特征在于，所述数据处理单元内预存一门坎值，当数据处理单元接收到的代表电池组内任意两个电池电压的数字信号差值大于该门坎值时，或代表电池组内任一电池电压的数字信号与代表电池组内所有电池电压平均值的数字信号的差值大于该门坎值时，数据处理单元发出平衡指令。

5.根据权利要求3所述的电池组平衡方法，其特征在于，所述数据处理单元内预存一高电压门坎值，当数据处理单元接收到的代表电池组内任一电池电压的数字信号大于该高电压门坎值时，数据处理单元发出平衡指令。

6.根据权利要求3所述的电池组平衡方法，其特征在于，步骤(3)中，电池平衡单元是经一开关电路对电池组中电压较低的电池充电的，该开关电路由一开关电路控制单元控制，其包括复数个并联的开关组，其中各开关组分别与电池组中各电池对应连接。

7.根据权利要求6所述的电池组平衡方法，其特征在于，所述开关控制电路的运行状态是由一数据处理单元控制的，数据处理单元接收并处理ADC单元传输的数字信号，并向开关电路控制单元发出控制指令，开关电路控制单元接收数据处理单元发出的控制指令，并控制开关电路中各开关组的动作。

8.根据权利要求1或2所述的电池组平衡方法，其特征在于，所述电池平衡单元包括一充电单元，该充电单元为电池、电容、DC-DC转换器中的至少一种。

9.根据权利要求3所述的电池组平衡方法，其特征在于，所述数据处理单元包括一处理器。

10.一种电池组平衡系统，其特征在于，该电池组平衡系统包括：

一电池监控单元，该电池监控单元监控电池组所有电池的电压，并在电池组中任意两个电池电压不均衡时发出平衡指令；

11.根据权利要求10所述的电池组平衡系统，其特征在于，该电池组平衡系统具体包括：

12.根据权利要求10或11所述的电池组平衡系统，其特征在于，所述电池监控单元包括：

13.根据权利要求12所述的电池组平衡系统，其特征在于，所述电池监控单元对电池组任一电池电压的监控过程为：

数据处理单元生成控制指令；

14.根据权利要求12所述的电池组平衡系统，其特征在于，所述数据处理单元内设置一门坎值，当代表电池组内任意两个电池电压的数字信号的差值大于该门坎值时，或当代表电池组内任一电池电压的数字信号与代表电池组内所有电池电压平均值的数字信号的差值大于该门坎值时，数据处理单元向电池平衡单元发出平衡指令。

15.根据权利要求12所述的电池组平衡系统，其特征在于，所述数据处理单元内设置一高电压门坎值，当代表电池组内任一电池电压的数字信号大于该高电压门坎值时，数据处理单元向电池平衡单元发出平衡指令。

16.根据权利要求10或11所述的电池组平衡系统，其特征在于，所述电池平衡单元包括一充电单元，该充电单元为电池、电容、DC-DC转换器中的至少一种。

17.根据权利要求11所述的电池组平衡系统，其特征在于，所述开关电路包括一电池正极连接模块以及与之对应的一电池负极连接模块，电池正极连接模块和电池负极连接模块分别包括复数根并行设置的电池正极连接线和电池负极连接线，各电池正极连接线和电池负极连接线上分别设置一个以上的开关，且各电池正极连接线上设置的开关和与之对应的电池负极连接线上设置的开关组成开关组。

18.根据权利要求12所述的电池组平衡系统，其特征在于，所述数据处理单元包括一处理器。