CN101752882B - 一种均衡器及均衡充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种均衡器，包括控制器和分别与电池包中多个电池组相连的多个充电单元，其中，所述充电单元包括依次相连的供电模块、第一可控开关和第一选通模块，所述供电模块用于在控制器的控制下与充电电源相连通或断开；所述第一可控开关用于在控制器的控制下连通或断开供电模块和第一选通模块之间的电路；所述第一选通模块用于在控制器的控制下选择性地与一个电池组中的每一个单体电池电连接。本发明能实现串联电池组的均衡充电，提高电池组的使用性能。同时，在控制对待充电电池进行充电或断开充电时，可以实现开关器件的不带电操作，从而提高了均衡器中器件的使用寿命。另外本发明还提供了一种均衡充电方法。

Description

一种均衡器及均衡充电方法

技术领域

本发明涉及一种均衡器及均衡充电方法，尤其涉及一种用于对多个电池的均衡器及均衡充电方法。

背景技术

可充电动力电池因其较好的利用率而被广泛地应用于各类电子产品，尤其是电动汽车中。对于电动汽车，设有将多个单体电池串联连接而成的作为电源装置的电池组。由于可充电动力电池自身的工艺条件限制，每一节单体电池之间存在电压差异。在经过多次充、放电循环之后，单体电池之间的电压差异会越来越大，在充电过程中容易导致串联电池组充电不均衡，使得串联电池组的有效容量减小，影响电池组的使用性能，这对于电动汽车来说也是不容忽视的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决串联电池组充电不均衡导致电池组有效容量小、使用性能差的问题，提供一种新型、简单而有效的用于串联电池组均衡充电的均衡器及均衡充电方法。

本发明提供了一种均衡器，包括控制器和分别与电池包中多个电池组相连的多个充电单元，其中，所述充电单元包括依次相连的供电模块、第一可控开关和第一选通模块，所述供电模块用于在所述控制器的控制下与充电电源相连通或断开；所述第一可控开关用于在所述控制器的控制下连通或断开所述供电模块和所述第一选通模块之间的电路；所述第一选通模块用于在所述控制器的控制下选择性地与一个所述电池组中的每一个单体电池电连接。

此外，本发明还提供一种均衡充电方法，根据本发明的均衡器的均衡充电方法包括以下步骤：

(a)所述控制器检测每个电池组中的单体电池的电压值以确定待充电单体电池；

(b)所述控制器控制所述充电单元中的第一选通模块选通电池组中的一个待充电单体电池；

(c)所述控制器控制所述第一可控开关闭合以导通所述供电模块和所述第一选通模块之间的电路并延时一段时间T；

(d)所述控制器控制导通所述供电模块和充电电源之间的电路并且延时一段时间T。

采用本发明的均衡器和均衡充电方法，首先将电池包中的多个单体电池划分为多个电池组，控制器可以对各个电池组中的每一个单体电池进行电压检测，通过电压检测得到每个电池组中的各个单体电池的实际电压值，对实际电压值低于给定电压值的待充电单体电池进行充电，并可同时对各个电池组中的所述待充电单体电池依次进行充电，直到其实际电压值达到给定电压值再停止充电，从而使得在停止对待充电单体电池充电后，各个电池组中的所有待充电单体电池都达到了给定电压值，即实现了电压平衡，从而提高了电池包的使用性能。同时，在控制对待充电电池进行充电或断开充电时，可以实现开关器件的不带电操作，从而提高了均衡器中器件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明均衡器的一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明均衡器中控制器的一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明均衡充电方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

根据本发明的一种实施方式，如图1所示，本发明提供了一种均衡器，包括控制器4和分别与电池包1中多个电池组2相连的多个充电单元3，其中，所述充电单元3包括依次相连的供电模块31、第一可控开关32和第一选通模块33，所述供电模块31用于在控制器4的控制下与充电电源6相连通或断开；所述第一可控开关32用于在控制器4的控制下连通或断开供电模块和第一选通模块33之间的电路；所述第一选通模块33用于在控制器4的控制下选择性地与一个电池组2中的每一个单体电池电连接。

电池包1中的多个单体电池可以通过充电单元3划分为多个电池组2，每个电池组2与一个充电单元3相连接，其中，每个电池组2中单体电池的数量可以任意设定，即可以将任意数量的单体电池划分为一个电池组，每一组中的电池数量可以相同，也可以不同，优选为将全部单体电池等分为多个电池组。

供电模块31可以为各种直流电源模块，只要能提供所需要的直流电源即可，在一种实施方式中，供电模块31可以包括第二可控开关和电压转换装置，所述电压转换装置为任意一种可以将交流电压转换为所需范围内的直流电压的AC/DC转换器或任意一种可以将直流电压转换为所需范围内的直流电压的DC/DC转换器，例如隔离式降压型AC/DC转换器、隔离式降压型DC/DC转换器。当充电电源6为交流电源时，所述电压转换装置为AC/DC转换器，用于将充电电源6提供的交流电压转换为单体电池额定电压范围内的直流电压；当充电电源6为直流电源时，所述电压转换装置为DC/DC转换器，用于将充电电源6提供的直流电压转换为单体电池额定电压范围内的直流电压。

第一可控开关32和第二可控开关可以为任意一种具有控制端的开关元件，其开闭可以由电信号进行控制，例如二极管、三极管或继电器。第一可控开关32和第二可控开关在未接收到控制器4发出的控制其闭合或断开的控制信号时处于常开状态，例如可以为常开继电器。第一可控开关32用来接收控制器4的控制指令进行导通或断开操作，以此控制第一选通模块33的电路通断。第二可控开关用来接收控制器4的控制指令进行导通或断开操作，以控制供电模块31和充电电源之间的电路通断。

第一选通模块33和第二选通模块5可以为各种可以执行断开、导通操作并具有导电性的装置，例如可以为光耦组，第一选通模块33与电池组2相连接，可以选择性地与电池组2中的每一个单体电池导通。第二选通模块5的一端与控制器相连，另一端与多个充电单元中的第一选通模块33相连，用于选择性地与所述电池包1中的每一个电池组2连接，这样控制器4就可以通过第二选通模块5选通一个电池组2，再通过第一选通模块33选通该电池组2中的每一个单体电池进行电压检测。

控制器4用于检测每个电池组中单体电池的电压，根据该单体电池的电压，确定该单体电池是否为待充电单体电池，并控制每个充电单元3选择性地和与其相连的电池组中的待充电单体电池导通。该控制器4为任意可以进行电压检测和比较，并能控制充电单元3断开或导通的控制器，例如可以为PLC或单片机。如图2所示，优选情况下，所述控制器4包括电平信号采集单元41、电压比较单元42和控制单元43。

电平信号采集单元41用于采集每个单体电池两端的电平信号，根据电平信号得到每个单体电池的实际电压值，并将所述实际电压值发送到电压比较单元42。操作者在保证对电池组中每个单体电池都进行电压采样的前提下可任意设置电压采样顺序。优选情况下，将电压采样顺序设定为从串联连接的第一节单体电池开始依次对每一节单体电池进行电压采样直至最后一节单体电池。

电压比较单元42用于将每个单体电池的实际电压值与给定电压值进行比较。电压比较单元42中预设有给定电压值，电压比较单元42将采集得到的每个单体电池的实际电压值与给定电压值进行比较，并将比较结果发送至控制单元43。给定电压值可由操作者在电压比较单元42中进行预先设置，例如该值可以为单体电池额定电压值。根据电池的特性，电池组2达到均衡时很难达到每一个单体电池均为相同的电压值，当电池组2中所有单体电池的电压值都在一个电压范围内时，即认为电池组达到均衡。该电压范围可以设定，如可以在给定电压值的95％-105％。

控制单元43用于根据电压比较单元42的比较结果依次控制对每个待充电单体电池充电的充电单元3导通，并在待充电单体电池的实际电压值达到给定电压值时控制对该待充电单体电池充电的充电单元3断开。

本发明还提供了一种均衡充电方法，其中，该方法包括以下步骤：

(a)控制器4检测每个电池组2中的单体电池的电压值以确定待充电单体电池；

(b)控制器4控制充电单元3中的第一选通模块33选通电池组2中的一个待充电单体电池；

(c)控制器4控制第一可控开关32闭合以导通供电模块31和第一选通模块33之间的电路并延时一段时间T；

(d)控制器4控制导通供电模块31和充电电源6之间的电路并且延时一段时间T。

更进一步地，该均衡充电方法还包括以下步骤：

(e)判断待充电单体电池的实际电压值是否达到给定电压值；

(e-1)如果判断结果为是，则控制器4控制断开供电模块31和充电电源之间6的电路并延时一段时间T；

(e-2)控制器4控制第一可控开关32打开以断开供电模块31和第一选通模块33之间的电路并延时一段时间T。

步骤(a)进一步包括电平信号采集步骤、电压比较步骤和控制步骤：

电平信号采集步骤用于采集每个电池组2中的各个单体电池两端的电平信号，根据电平信号得到所述各个单体电池的实际电压值；

电压比较步骤用于将电平信号采集步骤中得到的每个电池组中的各个单体电池的实际电压值与给定电压值进行比较以确定待充电单体电池；

控制步骤用于根据电压比较步骤的比较结果同时控制至少一个电池组对其中的待充电单体电池依次充电，优选地，同时控制所有电池组对其中的待充电单体电池依次充电。

电平信号采集步骤可以直接由控制器4控制每一个第一选通模块33选通与其相连的电池组2中的每一个单体电池来进行，在本发明的一种实施方式中，电平信号采集步骤还可以包括以下步骤：

控制器4先控制第二选通模块5选择性地与每一个充电单元3中的第一选通模块33连通；

控制器4再控制第一选通模块33选择性地和与其相连的电池组2中的每一个单体电池连通以此进行电平信号检测。

在以上步骤中供电模块31和第一选通模块33之间的电路通断是由控制器4控制第二可控开关闭合或打开实现的。即在供电模块31和第一选通模块33之间或供电模块31中还包括第二可控开关，由第二可控开关的开闭来控制供电模块31和第一选通模块33之间的电路断开或连通。

在步骤(c)中进行延时的目的是为了让第一可控开关32有充足的动作时间以保证器件的使用安全性，该延时时间至少等于第一可控开关32的最大动作时间t1。

在步骤(d)中进行延时的目的是为了让第二可控开关有充足的动作时间以保证器件的使用安全性，该延时时间至少等于第二可控开关的最大动作时间t2。

在步骤(e-1)中进行延时的目的是为了让第二可控开关有充足的动作时间以保证器件的使用安全性，该延时时间至少等于第二可控开关的最大动作时间t3。

在步骤(e-2)中进行延时的目的是为了让第一可控开关32有充足的动作时间以保证器件的使用安全性，该延时时间至少等于第一可控开关32的最大动作时间t4。

上述的各最大动作时间t1，t2，t3和t4可以相同，也可以不同，为了便于控制，时间T优选为各最大动作时间t1，t2，t3和t4中的最大值。

通过以上步骤，充电电源即可实现与待充电单体电池的导通并对待充电单体电池充电。由于均衡器中包括多个充电单元3，所以可以实现多个单体电池同时充电。同时，在步骤(c)和步骤(d)中由于先闭合第一可控开关以导通供电模块31和第一选通模块33之间的电路，再闭合第二可控开关以导通供电模块31和充电电源之间的电路，从而实现了充电单元3尤其是其中的开关器件如第一可控开关32和第二可控开关的不带电操作，提高了均衡器的安全性。同时由于第二可控开关的存在，使得当其中一个第一可控开关32失效时可以正常断开充电电源，从而也延长了均衡器的使用寿命。

通过以上步骤，充电电源还可实现与待充电单体电池的断开。在步骤(e-1)和步骤(e-2)中由于先打开第二可控开关以断开供电模块31和充电电源之间的电路，再打开第一可控开关32以断开供电模块31和第一选通模块33之间的电路从而实现了充电单元3尤其是其中的开关器件的不带电操作，提高了均衡器的安全性，可以提高均衡器的使用寿命。

如图4所示，本发明均衡充电方法的流程包括：开始，电池包1中的多个单体电池通过充电单元3划分为多个电池组2，控制器4对各个电池组2中的每一个单体电池进行电压检测以得到单体电池的实际电压值，同时将测得的实际电压值与给定电压值进行比较，如果实际电压值低于给定电压值，则认为该单体电池为待充电单体电池。此时，控制器4控制充电单元3选通每个电池组2中的一个待充电单体电池并导通充电，通过检测该待充电单体电池的电压来判断该电池是否充满，当该待充电单体电池的实际电压值达到给定电压值时，认为该待充电单体电池已充满，此时断开充电单元3停止对该待充电单体电池充电。然后继续对该电池组2中下一个待充电单体电池进行充电，直到该电池组2中所有单体电池的电压值都达到给定电压值时，停止对该电池组2中单体电池充电。如果其它电池组2中还有待充电单体电池，则继续对该电池组2充电，直到所有电池组2中的单体电池都达到给定电压值。

作为一种实施例，本发明均衡器还可以用来调整电池包1中所有单体电池的电压以使该电池包1中的单体电池的电压均衡。其工作过程如下：首先可以通过控制器4检测得到所有单体电池的实际电压值，此时可以将所有单体电池中的最高电压值设为给定电压值，所有低于该给定电压值的单体电池为待充电单体电池，通过前述本发明的充电方法即可将电池包1中的所有单体电池的电压均衡，从而提高电池包的使用性能。

Claims (10)

1.一种均衡器，包括控制器和分别与电池包中多个电池组相连的多个充电单元，其特征在于，所述充电单元包括依次相连的供电模块、第一可控开关和第一选通模块，所述供电模块用于在所述控制器的控制下与充电电源相连通或断开；所述第一可控开关用于在所述控制器的控制下连通或断开所述供电模块和所述第一选通模块之间的电路；所述第一选通模块用于在所述控制器的控制下选择性地与一个所述电池组中的每一个单体电池电连接，其中，所述控制器包括电平信号采集单元、电压比较单元和控制单元：

所述电平信号采集单元用于采集每个单体电池两端的电平信号，根据电平信号得到每个单体电池的实际电压值，并将所述实际电压值发送到电压比较单元；

所述电压比较单元用于将每个单体电池的实际电压值与给定电压值进行比较以确定待充电单体电池；

所述控制单元用于根据电压比较单元的比较结果依次控制充电单元与每个电池组中的待充电单体电池导通，并在待充电单体电池的实际电压值达到给定电压值时控制对该待充电单体电池充电的充电单元断开。

2.根据权利要求1所述的均衡器，其特征在于，该均衡器还包括第二选通模块，所述第二选通模块一端与控制器相连，另一端与多个充电单元中的第一选通模块相连，用于选择性地与所述电池包中的每一个电池组连接。

3.根据权利要求1所述的均衡器，其特征在于，所述供电模块包括依次相连的第二可控开关和电压转换装置。

4.根据权利要求3所述的均衡器，其特征在于，所述第一可控开关和所述第二可控开关为继电器。

5.根据权利要求2所述的均衡器，其特征在于，所述第一选通模块和所述第二选通模块为光耦组。

6.一种均衡器的均衡充电方法，其中，该均衡器包括控制器和分别与电池包中多个电池组相连的多个充电单元，所述充电单元包括依次相连的供电模块、第一可控开关和第一选通模块，所述均衡充电方法包括以下步骤：

(a)所述控制器检测每个所述电池组中的单体电池的电压值以确定待充电单体电池；

(b)所述控制器控制所述充电单元中的第一选通模块选通电池组中的一个待充电单体电池；

(c)所述控制器控制所述第一可控开关闭合以导通所述供电模块和所述第一选通模块之间的电路并延时一段时间T；

(d)所述控制器控制导通所述供电模块和充电电源之间的电路并且延时一段时间T；

(e)判断待充电单体电池的实际电压值是否达到给定电压值；

(e-1)如果判断结果是，所述控制器控制断开所述供电模块和充电电源之间的电路并延时一段时间T；

(e-2)所述控制器控制所述第一可控开关打开以断开所述供电模块和所述第一选通模块之间的电路并延时一段时间T。

7.根据权利要求6所述的均衡充电方法，其特征在于，所述时间T等于所述充电单元中器件的最大动作时间。

8.根据权利要求6所述的均衡充电方法，其特征在于，所述供电模块和所述第一选通模块之间的电路通断是由所述控制器控制第二可控开关闭合或打开实现的。

9.根据权利要求6所述的均衡充电方法，其特征在于，所述步骤(a)包括电平信号采集步骤、电压比较步骤和控制步骤：

所述电平信号采集步骤用于采集每个电池组中的各个单体电池两端的电平信号，根据电平信号得到所述各个单体电池的实际电压值；

所述电压比较步骤用于将电平信号采集步骤中得到的每个电池组中的各个单体电池的实际电压值与给定电压值进行比较以确定待充电单体电池；

所述控制步骤用于根据所述电压比较步骤的比较结果同时控制至少一个电池组对其中的待充电单体电池依次充电。

10.根据权利要求9所述的均衡充电方法，其特征在于，所述电平信号采集步骤包括以下步骤：

控制器控制第二选通模块选择性地与每一个充电单元中的第一选通模块连通；

控制器控制该第一选通模块选择性地和与其相连的电池组中的每一个单体电池连通以进行电平信号检测。

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