CN102118041A - 一种均衡充电方法、均衡充电电路及供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池组均衡充电的方法及充电电路，其主要技术方案是，通过将电池组划分为至少一个电池单元，每个单元之间相互独立补电，从而减少了充电时间；在补电时是直接对电压较低的电池进行的，不消耗其他电池的能量；采用高效率的补给均衡充电模块，只耗散很少的热量，不会产生热问题；也不需要复杂的开关频率设定，软件算法简洁，控制相对简单可靠，保证了每颗电池都能充足电量，从而提高了电池组的性能和使用寿命。
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充电的方法和均衡充电电路以及供电装置。
背景技术
目前锂离子电池已开始应用于电动车领域，这种领域的锂电池大多是多节锂电池的串联应用。这种多节锂电池的串联应用对锂电池一致性有很高的要求，因为在多节电池的串联应用中，假设当某一颗电池(假定电池编号为CELL3)因性能较差在第一次放电过程中电压首先达降到过放电保护电压时，电池保护板便会断开放电回路，在下一个充电过程中其他电池便会比CELL3先充满电而达到过充保护电压，这样CELL3还没充满保护电路断开充电回路，那么在第二次放电过程中会更早达到过放电保护电压，这样不到几个循环，整个锂电池组包的性能便大打折扣，CELL3(性能最差的那颗电池)就像木桶效应一样制约着整组电池包的性能。而在电动车应用领域中，电动车电机工作电压较高，一般都在320V左右，电动大巴有的更在600V左右，这样的电动汽车电池组要一百多节甚至几百节电池串联，此时，这种多节串联对电池的一致性要求更高，一致性的优劣决定着电池组的好坏。所以在多节锂电池的串联应用中，均衡功能是必须的。现有技术采用如下两种均衡方法：
一种均衡方法为能量消耗型，均衡的本质是对电压高的电池分流。均衡硬件电路原理图如图1所示。由锂电池管理集成电路(IntergratedCircuits，简称IC)或单片机(Micro Control Unit，简称MCU)、均衡电阻R1、R2、R3、Rn以及均衡控制开关Q1、Q2、Q3、Qn组成，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，管脚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(暂假定为CELL2)，管脚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。该方式的优点是控制简单可靠，缺点是能量消耗型，放电产生的热量较大，消耗电池能量。
另一种均衡方法为能量转移型，每个电池均衡分流电路均有两个场效应管、两个二极管、以及一个储能元件电感组成。图2示出三块电池串联时的电路连接情况。以充电为例，假设在均衡电路中两电池电压出现不均衡，如VB1＞VB2，则Q11导通，电池B1向电感L1充电，当Q11截止时，L1为了续流，与B2、D12构成回路，电感中储存的能量就能转移到B2中，实现了能量从B1到B2的转移。同理，当VB1＜VB2时，则通过Q12的通断来实现能量从B2到B1的转移，即该电路是一种能量双向传递的均衡装置。尽管能量只在相邻电池间传递，由于能量的传递趋势总是由电压高的电池传递到电压低的电池上，因而最终实现整组电池的均衡。放电时，原理与充电时基本相同。这种能量转移型的优点是能量消耗小，均衡效率高，缺点是控制复杂，且难以实现大电流快速均衡。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能量补给式的均衡方式，较好地解决了电池组内各电池充电的一致性问题。
本发明采用了如下的技术方案：
一种均衡充电方法，包括：
步骤A、对由至少一个子电池组串联而成的电池组进行充电至每个子电池组的平均电压值为设定的电池电压阈值；
步骤B、把所述电池组划分为至少一个电池单元，所述电池单元包含至少一个子电池组，对各所述电池单元中的子电池组进行并行均衡充电至所述的电池电压阈值。
如上方法中，所述步骤A中每个子电池组的平均电压值为所述电池电压阈值后，对所述每个子电池组进行恒压式充电。
如上方法中，所述步骤B中对各所述电池单元中的各子电池组进行并行均衡充电的步骤为：
步骤B1、各所述电池单元各自检测单元内电压最低的子电池组；
步骤B2、对各所述电池单元各自单元内的电压最低的子电池组进行充电至所述电池电压阈值；
步骤B3、循环执行步骤B1、B2直至所有子电池组都充电至所述电池电压阈值。
本发明还提供了一种补给均衡模组，用于给由至少一个子电池组串联而成的电池组充电，包括：电池信息采集模块、开关阵列控制模块、补给均衡充电模块；
所述电池信息采集模块与所述子电池组相连，用于实时地输出采集到的电池信息给所述开关阵列控制模块；
所述开关阵列控制模块与所述子电池组相连，受所述电池信息采集模块控制，用于分析接受到的所述电池信息并根据分析结果进行开关阵列的切换；
所述补给均衡充电模块，用于给未充至设定的电池电压阈值的所述子电池组补充电量。
如上补给均衡模组中，所述开关阵列控制模块具体包括：开关阵列和开关控制；
所述开关阵列包含多个开关，其中每两个开关与所述电池组中的一个子电池组构成回路；
所述开关控制用于控制开关阵列与所述子电池组之间的通断。
一种实施例中，所述补给均衡充电模块受所述开关阵列控制模块控制，用于给未充至设定的电池电压阈值的所述子电池组补充电量。
如上所述补给均衡模组中，所述电池信息采集模块通过串行外设接口或者两线式串行通讯总线与所述开关阵列控制模块进行通信。
本发明还提供了一种均衡充电电路，包括至少一个如上所述的补给均衡模组；所述补给均衡模组间各子电池组相串联。
本发明还提供了一种供电装置，包括：主充电机、如上所述的均衡充电电路；
所述主充电机为所述均衡充电电路中电池进行基础供电；
所述主充电机还分别与所述均衡充电电路中各个补给均衡模组中的补给均衡充电模块相连，为所述补给均衡充电模块供电。
所述主充电机还用于在所述基础供电之后对所述各子电池组进行恒压式充电。
本发明的有益效果在于：将电池组划分为至少一个电池单元，每个单元之间相互独立补电，减少了充电时间；在补电时是直接对电压较低的电池进行的，不消耗其他电池的能量；采用高效率的补给均衡充电模块，只耗散很少的热量，不会产生热问题；也不需要复杂的开关频率设定，软件算法简洁，控制相对简单可靠，保证了每颗电池都能充足电量，从而提高了电池组的性能和使用寿命。
附图说明
图1是现有技术能量消耗型方法的电路结构示意图；
图2是现有技术能量转移型方法的电路结构示意图；
图3A是本发明方法实施例的逻辑示意图；
图3B是本发明方法步骤B实施例的逻辑示意图；
图4是本发明补给均衡模组的逻辑示意图；
图5是本发明补给均衡模组的电路结构示意图；
图6是本发明充电电路的结构示意图；
图7是本发明供电装置实施例的结构示意图；
图8是本发明供电装置实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图3A所示的本发明方法实施例包括如下步骤：
步骤A、对由至少一个子电池组串联而成的电池组进行基础充电；
其中，子电池组可以是由一个单体电池构成，也可以是由多个单体电池串联构成，还可以是由多条并联分支构成，各并联分支上有至少一个单体电池。
对电池组进行基础充电是指对电池组进行充电至每个子电池组的平均电压值达到设定的电池电压阈值。当电池组中每个子电池组的平均电压值到设定的电池电压阈值后，对这些子电池组进行恒压式充电。
步骤B、划分电池组为至少一个电池单元，各电池单元并行进行均衡充电。
将电池组划分为至少一个电池单元，该电池单元包含至少一个子电池组，对各电池单元中的子电池组进行并行均衡充电至步骤A所述的电池电压阈值。
步骤B中进行并行均衡充电的过程如图3B所示：
步骤B1、各电池单元各自检测出自己单元内电压最低的那个子电池组；
步骤B2、对各电池单元内该电压最低的子电池组单独补电至步骤A所述的电池电压阈值后停止补电；
步骤B3、循环执行步骤B1、B2直至所有子电池组的电压达到步骤A所述的电池电压阈值。
图4是本发明补给均衡模组的逻辑示意图，包括：电池信息采集模块、开关阵列控制模块、补给均衡充电模块、以及电池组。
电池组为至少一个子电池组串联组成，其中子电池组含义与前述一致。子电池组的个数视电池信息采集模块的耐压情况而定，一般选择的子电池组个数为6至12个。
电池信息采集模块实时地将采集到的电压、充电状态(State of Charge，简称SOC)等信息通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，简称SPI)或者两线式串行通信总线(International-Intergrated Circuit，简称IIC)传给开关阵列控制模块；
开关阵列控制模块根据收到的电压信息、SOC信息，计算分析确定对哪颗电池进行补给充电；开关阵列控制模块包括开关阵列和开关控制，开关控制通过控制开关阵列中与电池对应的开关来操作对该电池的充电与停止充电；在实施例中，开关阵列由MOS管实现；
补给均衡充电模块是一DC/DC的充电模块，将高压的直流转换为低压的直流，用于给未充至设定的电池电压阈值的电池补充电量。
如图5示出了补给均衡模组的电路结构图，本图中选择6个子电池组，每个子电池组由一颗电池组成，即电池组由六颗电池串联而成，开关阵列为12个开关，其中每两个开关分别与一颗电池的正极和负极相连组成回路，开关阵列控制模块控制开关阵列的切换，此处实施例中补给均衡充电模块为辅充DC/DC模块，一个辅充DC/DC模块一次只能充一颗电池，当该模组内某颗电池较其他电池相比较，其电压低或容量低时，该电池所在的补给均衡充电模块受开关阵列控制模块控制开启，同时补给均衡开关阵列的开关闭合，使该颗电池正负极与补给均衡充电模块形成充电回路，对该电池补充电。例如，当补给均衡模组n中的电池Bn2电压低或容量低时，辅充DC/DC模块开启，输出直流，充电电流可以灵活设定，一般为3.6V/1A，同时Kn2+/Kn2-闭合，对Bn2那颗电池单独充电，当补充到与其他电池相一致时，停止补充电。补电的过程只在充电过程中进行。
图6是本发明均衡充电电路的结构示意图，容易看出，是由至少一个补给均衡模组构成的，其中各个补给均衡模组内及模组之间的各子电池组相串联。在每个补给均衡模组中，各子电池组的补电情况与前述实施例相同，此不重复叙述。
图7为本发明供电装置实施例的结构示意图，包括主充电机和本发明均衡充电电路。各个补给均衡模组之间的子电池组相串联，各个补给均衡模组之间是相对独立的，每个模组都以各自最低电压的子电池组的负极为地，不存在共地的问题。主充电机受电池管理芯片(非本发明重点，故未在图中画出该芯片)控制，不仅为本发明均衡充电电路中的各子电池组进行基础充电，还为各个补给均衡模组的补给均衡充电模块供电。
图8为本发明供电装置实施例的电路结构示意图，实施例中主充电机为AC/DC锂电池组充电机。本发明供电装置实施例的工作原理为：正常情况下，主充电机先对待充电的电池组进行基础供电，这时供电电流大，供电速度快，当电池充到85％的SOC时，主充电机此时转为恒压式充电；此时，各补给均衡模组内的电池信息采集模块各自判断自己模组内哪个子电池组的电压最低，开关阵列控制模块分析电池信息采集模块的电池信息，控制开关阵列中与该电压最低的子电池组相对应的开关闭合，补给均衡充电模块通过切换后的开关阵列对该子电池组单独补充电量，当其电压达到平均电压时，停止补充电，同时再扫描判断下一个电压最低的子电池组，再补给充电，如此循环往复，直至充电结束。
综上所述，借助于本发明的技术方案对电池组进行均衡控制，(1)不耗能且均衡效率高；(2)相比传统的能量转移型而言，控制简单，软件算法简洁，没有用到电感，也不会涉及到开关频率的设定问题，相对简单可靠；(3)由于本发明90％以上采用高效率的DC模块，只有很少的热量耗散在DC充电模块上，因此不会产生热问题；(4)最大限度延长电池组的循环寿命：(5)由于分组进行补充电量，减少了充电时间。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种均衡充电方法，其特征在于，包括：
步骤A、对由至少一个子电池组串联而成的电池组进行充电至每个子电池组的平均电压值为设定的电池电压阈值；
步骤B、把所述电池组划分为至少一个电池单元，所述电池单元包含至少一个子电池组，对各所述电池单元中的子电池组进行并行均衡充电至所述电池电压阈值。
2.如权利要求1所述的均衡充电方法，其特征在于，所述步骤A中每个子电池组的平均电压值为所述电池电压阈值后，对所述每个子电池组进行恒压式充电。
3.如权利要求1或2所述的均衡充电方法，其特征在于，所述步骤B中对各所述电池单元中的子电池组进行并行均衡充电的步骤为：
步骤B1、各所述电池单元各自检测单元内电压最低的子电池组；
步骤B2、对各所述电池单元各自单元内电压最低的子电池组进行充电至所述电池电压阈值；
步骤B3、循环执行步骤B1、B2直至所有子电池组都充电至所述电池电压阈值。
4.一种补给均衡模组，用于给由至少一个子电池组串联而成的电池组充电，其特征在于，包括：电池信息采集模块、开关阵列控制模块、补给均衡充电模块；
所述电池信息采集模块与所述子电池组相连，用于实时地输出采集到的电池信息给所述开关阵列控制模块；
所述开关阵列控制模块与所述子电池组相连，受所述电池信息采集模块控制，用于分析接受到的所述电池信息并根据分析结果进行开关阵列的切换；
所述补给均衡充电模块，用于给未充至设定的电池电压阈值的所述子电池组补充电量。
5.如权利要求4所述的补给均衡模组，其特征在于，所述开关阵列控制模块具体包括：开关阵列和开关控制；
所述开关阵列包含多个开关，其中每两个开关与所述电池组中的一个子电池组构成回路；
所述开关控制用于控制开关阵列与所述子电池组之间的通断。
6.如权利要求4或5所述的补给均衡模组，其特征在于，所述补给均衡充电模块受所述开关阵列控制模块控制，用于给未充至设定的电池电压阈值的所述子电池组补充电量。
7.如权利要求4或5所述的补给均衡模组，其特征在于，所述电池信息采集模块通过串行外设接口或者两线式串行通讯总线与所述开关阵列控制模块进行通信。
8.一种均衡充电电路，其特征在于，包括至少一个如权利要求4至7任一项所述的补给均衡模组；所述补给均衡模组间的各子电池组相串联。
9.一种供电装置，其特征在于，包括：主充电机、如权利要求8所述的均衡充电电路；
所述主充电机为所述均衡充电电路中的各子电池组进行基础供电；
所述主充电机还分别与所述均衡充电电路中各个补给均衡模组中的补给均衡充电模块相连，为所述补给均衡充电模块供电。
10.如权利要求9所述的供电装置，其特征在于，所述主充电机还用于在所述基础供电之后对所述各子电池组进行恒压式充电。
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