CN102111005A - 无损锂电池均衡管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无损锂电池均衡管理系统及方法。所述无损锂电池均衡管理系统包括至少两个电池模块，每个模块包括一个单体电池，一个均衡电路和一个单片机。所述单片机与所述单体电池及均衡电路连接用于获得单体电池电压和均衡电路的信息以提供相关控制与保护。均衡管理模块连接所述单片机，用于根据所述单片机提供的单体电池电压产生参考信号。每个所述电池模块中的单片机根据所述参考信号，控制所述均衡电路对所述单体电池执行均衡，均衡电路对需要均衡的单体电池进行分流或使其额外放电，以此获得均衡，同时将能量回收利用，提高了系统效率，并且降低功耗。本发明所公开的电池均衡管理系统和均衡管理方法适用于电池组的各种工作状态，具有结构简单、模块化结构、实用性强、能量回收利用的特点。

Description

无损锂电池均衡管理系统及方法

技术领域：

本发明属于电池均衡管理技术领域，特别涉及一种无损锂电池均衡管理系统及方法，尤指一种对多节单体锂电池串并联构成的电池组进行无损均衡管理的系统及方法。

背景技术：

在功率应用场合，单节锂电池通常无法满足用电设备在供电电压与容量等方面的要求，锂电池通常串并联使用，其内部结构是在多个并联单体电池的基础上再串联。锂电池组工作过程中，由于电池组中单体电池之间的不一致性，连续的循环充放电将导致电池容量不均衡，具体表现为某些单体电池容量的急剧衰减。锂电池组的容量由最小容量的电池决定，因此单体电池容量不均衡将使电池组的使用寿命缩短。锂电池均衡管理技术就是要减轻甚至消除这种不均衡，延长锂电池组使用寿命。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提出一种无损锂电池均衡管理系统及方法，回收利用能量过高单体电池的能量，以此能量进行电池组能量均衡，提高系统的效率。

为达到以上目的，本发明采用下述技术方案：

       一种无损锂电池均衡管理系统，包括：至少两个电池模块，其特征在于每个所述电池模块包括一个单体电池、一个均衡电路和一个单片机。所述单片机与单体电池及均衡电路相连，用来获取单体电池和均衡电路的信息以提供驱动控制信号及保护。所述均衡电路在所述单片机的控制下对所述单体电池执行均衡，同时将需要均衡的单体电池的能量回收利用。有一个均衡管理模块与所述单片机连接用于获得所有单体电池的电池电压以产生参考信号。每个所述电池模块中的单片机根据所述参考信号对所述单体电池执行均衡。

    所述锂电池均衡管理系统的特点是：系统中的均衡电路可通过分流或额外补充放电的方式，对电池组中需要均衡的单体电池能量进行回收利用，提高效率，适用于电池组的各种工作状态，如充电状态、放电状态或静置状态。

    如上述充电状态，均衡电路对能量过高的单体电池执行分流，并将此能量回馈给整个电池组进行充电，而其他单体电池的充电电流不变，以此获得均衡。

    如上述放电状态，均衡电路使能量过高的单体电池进行额外补充放电，并将此能量回馈给负载，减少了电池组其他电池的供电电流，以此获得均衡。

    如上述静置状态，均衡电路使使能量过高的单体电池放电，并将此能量回馈给整个电池组，使过高的单体能量向整体电池组的能量转移，以此获得均衡。

本发明所述的锂电池均衡管理系统，所述参考信号指每个电池模块提供的所述所有单体电池的电压平均值。

本发明所述的锂电池均衡管理系统，所述均衡管理模块分别接收所述单体电池的电压，并计算出电压平均值。

本发明所述的锂电池均衡管理系统，所述单片机接收所述参考信号，并基于所述参考信号决定单体电池是否需要均衡。

本发明所述的锂电池均衡管理系统，所述需要执行均衡的单体电池的电池电压与所述参考信号的差值超过预设的阈值。

本发明所述的电池均衡管理系统，所述管理模块通过通信总线与各所述单片机连接。

一种无损锂电池均衡管理方法，应用于上述均衡管理系统，所述均衡管理方法适用于电池组的各种工作状态，如充电状态、放电状态或静置状态。所述电池均衡管理方法的操作步骤包括：在每个所述电池模块中检测所述单体电池的电池电压；基于所有单体电池的电池电压计算参考信号；基于参考信号，所述单片机决定需要执行均衡的单体电池和单片机控制均衡电路执行单体电池的均衡。

       所述的无损锂电池均衡管理方法中，执行均衡的步骤包括：基于所述参考信号驱动电池均衡电路；利用所述均衡电路对所述单体电池进行分流或使所述单体电池进行额外的补充放电。

    所述的无损锂电池均衡管理方法中，所述参考信号指所有单体电池电压的平均值。

    本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

    本发明可回收利用能量过高单体电池的能量，并用此能量进行均衡，可提到系统效率。

    本发明具有结构简单、模块化结构、实用性强、能量回收利用的特点。

附图说明

图1是根据本发明的一种锂电池均衡管理系统在充电状态下的结构示意图；

图2是本发明均衡电路常用的拓扑结构示意图；

图3是根据本发明的一种锂电池均衡管理系统在放电状态下的结构示意图；；

图4是根据本发明的一种锂电池均衡管理系统在静置状态下的结构示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的锂电池均衡管理系统结构示意图

图6是根据本发明的一个实施例的锂电池均衡管理方法的流程图。

具体实施方式：

以下将对本发明的一些实施例结合其附图给出详细参考，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。要注意的是，本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。本发明涵盖权利要求所定义的发明精神和范围内的所有替代物、变体和等同物。

本发明提供一种无损锂电池均衡管理系统，其最大特点是，无论电池组处于充电、放电还是静置状态，管理系统中的均衡模块都可通过分流或额外补充放电的方式，对电池组中需要均衡的单体电池的能量进行回收利用，提高效率。本系统在具有通用均衡功能，提高电池组充放电寿命、优化电池组工作性能的同时，具有结构简单、模块化结构、实用性强、能量再生利用的特点。

本发明提供一种均衡管理方法，适用于电池组工作中的不同状态，如充电状态、放电状态或静止状态。

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参考图1，本实施例的无损锂电池均衡管理系统100在充电状态下的结构：以下关于系统100的说明以两个电池模块162、164为例，实际可以包括任何数量的电池模块。系统100包括电池模块162、164，其中每个电池模块162、164分别包括单体电池102、104，均衡电路112、114及单片机122、124；均衡管理模块130；母线140；充电机150。

上述无损锂电池均衡管理系统100中，单片机122与电池102、均衡电路112相连。单片机102能够以预定的扫描频率周期性的检测电池102的电压。单片机122除了测量电池102的电压，还能够持续监测电池102的充、放电电流和温度，以提供保护，包括但不限于过压、过流、短路、高温等安全保护。单片机122同时检测并控制均衡电路112，包括均衡电路112的开启和关闭，过流保护等。单片机124对电池304、均衡电路114做类似的检测与控制。

上述无损锂电池均衡管理系统100中，通过检测电池102的电压，单片机122获得电池电压信息。同样单片机124也获得电池104的电压。电池102和104的电池电压信号通过通信总线被传送到均衡管理模块130。通信总线可以为CAN，UART、                                               、SPI等本领域的常用总线。均衡管理模块130将接收到的电池电压进行处理并产生一个参考信号。在系统300中，参考信号设置为电池102和104的电压平均值

。代表平均电压

的参考信号则通过通讯总线反馈给单片机122和124。

单片机122和124将单体电池的电压与平均电压进行比较从而决定哪节电池需要均衡。在一个实施实例中，单片机122或124执行的电池均衡方法能够由用户定义预设阈值

。若某个电池的电压与电压平均值

的差值超出预设的阈值，这个电池所连接的单片机就会对其执行均衡。

例如，充电机150以充电电流

对电池组进行充电。若电池102的电压与参考信号的差值超过预设阈值

，电池需要均衡，则单片机122就会发出控制信号启动均衡电路112对电池102执行均衡。均衡电路112为DC-DC升压变换器，当均衡电路112执行均衡时，电池102被分流，此时电池102的充电电流

，而其他电池的充电电流仍为

。分流电流

为均衡电路112的输入电流，则此时均衡电路312的输出电流

通过母线140回馈给整个电池组，母线电流

，对电池组进行充电，对分流能量进行回收利用。

若多节电池需要均衡，如电池102和104均需要均衡。单片机122和124启动均衡电路112和114对电池102和104进行均衡。电池102和104的分流电流分别为

和

，均衡电路112和114输出电流

和

，则回馈给电池组的母线电流

，对电池组进行充电，对分流能量进行回收利用。

图2是本实施实例均衡电路常用的拓扑结构示意图，主要包括正激拓扑201、反激拓扑202半桥拓扑203及全桥拓扑204四种拓扑结构。

总之，在上述电池均衡管理系统100中，电池组充电状态下，系统100能够基于一个参考信号对多个单体电池进行均衡，并可以将分流的充电电流回馈给电池组进行充电，对分流能量进行回收利用。

实施实例二：

参见图3，本实施实例的无损锂电池均衡管理系统300在放电状态下的结构：以下关于系统300的说明以两个电池模块为例，实际可以包括任何数量的电池模块。系统300包括电池模块362、364，每个电池模块362、364分别包括单体电池102、104，均衡电路312、314及单片机322、324；均衡管理模块330；母线340；负载350。

上述系统300的各部分功能及管理策略与系统100类似，区别在于电池的工作在放电状态。

例如，电池组以放电电流

对负载进行放电。若电池302的电压与电压平均值

的差值超过阈值

，则电池302需要进行均衡。当均衡电路312对电池302进行均衡时，均衡电路312的输出电流

通过母线340给负载提供电能，母线电流

，整个电池组的放电电流

，电池302会输出额外的电流，电池502的放电电流

，而其他电池的放电电流仍为

。这样，能量高的电池放电更多，同时能量低的电池放电减少，从而完成均衡。

若多节电池需要均衡，如电池302和304均需要均衡。均衡电路312和314对电池302和504进行均衡。均衡模块312和314的输出电流为

和

，则回馈给负载供电的母线电流，整个电池组的放电电流为

，电池302和304会输出额外的放电电流，电池302和304的放电电流分别为

、

，而其他电池的放电电流仍为

。

总之，在上述电池均衡管理系统300中，电池组放电状态下，系统300能够基于一个参考信号对多个单体电池进行均衡，并可以将额外的放电电流回馈给负载进行供电，对额外的放电能量进行回收利用。

实施实例三：

参见图4，本实施实例的无损锂电池均衡管理系统400在静置状态下的结构：以下关于系统400的说明以两个电池模块为例，实际可以包括任何数量的电池模块。系统400包括电池模块462、464，每个电池模块462、464分别包括单体电池402、404，均衡电路412和414及单片机422和424；均衡管理模块430；母线440。

上述系统400的各部分功能及管理策略与系统100类似，区别在于电池处于静置状态。

在上述电池均衡管理系统400中，电池处于静置状态，单片机402和404能够以预定的扫描频率周期性的检测电池402和404的电压。若电池402或电池404与电压平均值的差值超过定义阈值

，则均衡模块412或414对电池402或404进行均衡。均衡电路412或414进行均衡时，电池402或404被分流，此时电池402或404的放电电流

或

。均衡电路412或414的输出电流

或

通过母线440回馈给整个电池组，母线电流

或

，对电池组进行充电，对分流能量进行回收利用。、

实施实例四：

图5是本实施例的无损锂电池均衡管理系统500。

图6是本实施例的锂电池均衡管理方法的流程图600，图6结合图5进行描述。

本方法的操作步骤如下：

步骤601，程序开始。

步骤602，系统进初始化。

步骤603，判断是否到达扫描周期，否，则等待扫描周期；是，则转到步骤803。

步骤604，单片机522和524检测单体电池502和504的电池电压。

步骤605，均衡管理模块530将所有单体电池的电压进行比较生成一个参考信号。比如电池502和504的平均电压。

步骤606，判断电池组是否满足平衡条件。电池组在不同工作状态下平衡条件不同。电池组在充电状态下，开关582闭合，开关584断开，充电机以充电电流

对电池组充电，则电池组均衡条件612为

。电池组在放电状态下，开关582断开，开关584闭合，电池组以放电电流

对负载供电，则电池组的均衡条件614为。电池组在静置状态下，开关582和584均断开，则电池组的均衡条件616为

。若满足均衡条件，则电池组处于均衡状态，转到步骤607。若不满足均衡条件，则电池组处于不均衡状态，转到步骤608。

步骤607，程序结束。

步骤608，基于参考电压，决定需要进行均衡的单体电池。例如，电池702或704的电池电压将与参考信号进行比较。单体电池电压与参考电压的差值超过预设的阈值

，此单体电池就会被执行均衡。

       步骤609，均衡模块将对指定的单体电池执行均衡。例如，单片机522或524驱动相应的均衡电路512或514对单体电池502或504进行均衡。

       在此使用之措辞和表达都是用于说明而非限制，使用这些措辞和表达并不将在此图示和描述的特性之任何等同物（或部分等同物）排除在发明范围之外，在权利要求的范围内可能存在各种修改。其它的修改和变体也可能存在。因此，权利要求旨在涵盖所有此类等同物。

Claims (13)

1.一种无损锂电池均衡管理系统，其特征在于： 

包括至少两个电池模块(164、162…)，每个所述电池模块(164)包括一个单体电池(104)、一个均衡电路(114)和一个单片机(124)，所述单片机(124)与所述单体电池(104)及均衡电路(114)连接用于获得单体电池(104)电压和均衡电路(114)的信息，以提供相关控制与保护；所述均衡电路(114)与所述单体电池(104)连接用于在所述单片机(124)控制下对所述单体电池(104)进行均衡，同时将需要均衡的单体电池(104)的能量回收利用；

有一个均衡管理模块(130)连接每个电池模块(164、162…)的单片机(124、122…)，用于根据所述单片机(124、122…)提供的单体电池(104、102…)电压产生参考信号；

其中每个所述电池模块中的单片机(124、122…)控制所述均衡电路(114、112…)根据所述参考信号对所述单体电池(104、102…)执行均衡，以此获得电池组均衡。

2.根据权利要求1所述的无损锂电池均衡管理系统，其特征在于，所述参考信号指所述每节单体电池(104、102…)电压的平均值。

3.根据权利要求1所述的无损锂电池均衡管理系统，其特征在于，所述均衡管理模块(130)接收所述单体电池(104、102…)电压，并比较单体电池(104、102…)电压以产生所述参考信号。

4.根据权利要求1所述的无损电池均衡管理系统，其特征在于，所述单片机(124、122…)基于所述参考信号决定单体电池(104、102…)是否需要均衡。

5.根据权利要求1所述的无损锂电池均衡管理系统，其特征在于，所述单片机(124、122…)分别控制所述均衡电路(114、112…)对需要均衡的单体电池(104、102…)执行均衡。

6.根据权利要求1所述的无损锂电池均衡管理系统，其特征在于，需要执行所述均衡的单体电池对应所述参考信号的差值超过预设的阈值。

7.根据权利要求1所述的锂无损电池均衡管理系统，其特征在于，所述均衡管理模块(130)通过通信总线与所述各单片机(124、122…)连接。

8.根据权利要求1所述的无损锂电池均衡管理系统，其特征在于，各所述均衡电路(114、112…)通过分流或额外补充放电的方式，对电池组中能量过高的单体电池(104、102…)的能量进行回收利用，提高效率，适用于电池组各种工作状态——充电状态、放电状态或静置状态：

      在所述充电状态下，均衡电路(114、112…)对能量过高的单体电池(104、102…)执行分流，并将此能量回馈给整个电池组进行充电，而其他单体电池的充电电流不变，以此实现均衡；

    在所述放电状态下，均衡电路(114、112…)使能量过高的单体电池(104、102…)进行额外补充放电，并将此能量回馈给负载，减少了电池组其他电池的供电电流，以此实现均衡；

    在所述静置状态，均衡电路(114、112…)使能量过高的单体电池(104、102…)放电，并将此能量回馈给整个电池组，过高的单体能量向整体电池组的能量转移，以此实现均衡。

9.一种无损锂电池均衡管理方法，应用于根据权利要求1所述的无损锂电池均衡管理系统，其特征在于操作步骤如下：

(1) 开始及初始化；

(2) 等待扫描周期；

(3) 每个电池模块中的单片机检测单体电池的电压；

(4) 比较所有单体电池的电压生成参考信号；

基于参考信号，每个电池模块中的单片机决定单体电池是否需要均衡；

(5) 对需要均衡的单体电池执行均衡。

10.根据权利要求9所述的无损锂电池均衡管理方法，其特征在于，所述步骤(4)中的决定单体电池(104、102…)是否需要均衡的步骤包括：

① 比较单体电池(104、102…)电压与所述参考信号的电压差；

② 当比较获得的电压差超出预设的阈值时，决定该单体电池需要均衡。

11.根据权利要求9所述的无损锂电池均衡管理方法，其特征在于，对所述步骤(5)需要均衡的单体电池执行均衡的步骤包括：

① 基于所述电压差值驱动均衡电路(114、112…)；

② 利用所述均衡电路(114、112…)对需要均衡的单体电池进行分流，或使该单体电池进行额外补充放电。

12.根据权利要求9所述的无损锂电池均衡管理方法，其特征在于，所述步骤(4)中的参考信号指所有单体电池(104、102…)电压的平均值。

13.根据权利要求9所述的无损锂电池均衡管理方法，其特征在于，适用于电池组的各种工作状态——充电状态、放电状态或静止状态。

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