CN102136749A - 充电电池的电流均衡控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充电电池的电流均衡控制方法及装置，该均衡控制方法包括以下步骤：检测每组充电电池组的工作电压V1，并计算所有充电电池组的平均工作电压值V2；将工作电压V1小于电压值V3所对应的充电电池组的电流均衡器导通，以提供电量C的补偿；其中，V3＝V2-δ，δ为一设定的电压差值，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程中进行均衡的电量值，B为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电总量，N为自然数。通过根据历史均衡电量和充放电总量，动态地执行电流均衡控制，可有效地降低最低电压与平均电压的差，从而较好地满足所有充电电池组同时充满电或放空电的要求，由此可有效地提高充电电池的利用率和寿命。

Description

充电电池的电流均衡控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电流均衡控制方法及装置，更具体地说，涉及一种充电电池的电流均衡控制方法及装置。

背景技术

充电电池的均衡充电或放电一直都是充电电池应用领域比较重要的一部分，目前工商业用充电电池的场合绝大部分是需要将充电电池串联起来使用，这样就希望所有串联的充电电池同时充满电和放空电，这种工况下充电电池的使用寿命最长，利用效率也最高。但是由于制造工艺的限制，每组充电电池的特性会不一致，如果不对充电电池的充电或放电进行有效控制，则所有充电电池很难达到同时充满和放空，均衡充电或放电策略就是要解决这个问题的。

目前，如图1A所示，已有的充电电池的均衡充电或放电的策略为主动平衡电量方法，其具体原理为，采样每组充电电池的工作电压，根据电压差值大小决定开通对应充电电池的电流均衡器对该组充电电池进行电量补偿。当某组充电电池的工作电压高于或低于平均电压值的一定范围时，则启动对应的电流均衡器，电压高的充电电池组通过电流均衡器向其他充电电池提供能量，电压低的充电电池通过电流均衡器吸收电量，从而达到所有充电电池的均衡充电或放电。

如图2A和2B所示，根据锂电池充电或放电特性曲线，3.6V为锂电池满充点，2.2V为EOD(end of discharge，放电结束)点。如果只是根据电压差值来进行均衡的话，总体效果不是非常好，因为锂电池有一个平台电压，在这个平台电压左右，所有的充电电池的电压基本一致，如果只是根据电压差值来均衡，在时间持续最长的平台电压附近不会有均衡动作，只是在充放电的初期和后期进行均衡动作，势必会导致均衡电量不够，不能完全补偿相差的电量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的充电电池的均衡充电或放电电量不够，不能完全补偿相差的电量的缺陷，提供一种充电电池的电流均衡控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种充电电池的电流均衡控制方法，用于在充电或放电过程中，对由顺次串联的多组充电电池组构成的充电电池模块的工作电流进行均衡；在每组充电电池组的正负极之间通过电池监控器对应并联有一电流均衡器，所述电流均衡控制方法包括以下步骤：

检测每组充电电池组的工作电压V1，并计算所有充电电池组的平均工作电压值V2；

将工作电压V1小于电压值V3所对应的充电电池组的电流均衡器导通，以提供电量C的补偿；其中，V3＝V2-δ，δ为一设定的电压差值，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程的其中一次进行均衡的的电量值，B为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电总量，N为自然数。

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制方法中，还包括：在对充电电池组提供电量C补偿后，持续导通该充电电池组所对应的电流均衡器，以使得该充电电池组的当前工作电压V4大于或等于电压值V3。

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制方法中，A为前N次充电或放电过程中进行均衡的电量的最大值，B为与A相应的充电或放电过程中的充电或放电总量；

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制方法中，在充电或放电过程中，每隔一预设值大小的安时数，执行所述均衡控制。

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制方法中，在充电或放电过程中，每隔1安时数，执行所述均衡控制。

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制方法中，由顺次串联的15组充电电池组构成所述充电电池模块。

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制方法中，每组充电电池组由多节充电电池并联而成。

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制方法中，所述充电电池是UPS锂电池。

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制方法中，每组充电电池组由13节充电电池并联而成。

根据本发明的另一个方面，还提供一种充电电池的电流均衡控制装置，其用于在充电或放电过程中，对由顺次串联的多组充电电池组构成的充电电池模块的工作电流进行均衡；在每组充电电池组的正负极之间通过电池监控器对应并联有一电流均衡器，所述充电电池的电流均衡控制装置包括：

检测模块，用于检测每组充电电池组的工作电压V1，并计算所有充电电池组的平均工作电压值V2；

控制管理模块，用于将工作电压V1小于电压值V3所对应的充电电池组的电流均衡器导通，以提供电量C的补偿；其中，V3＝V2-δ，δ为一设定的电压差值，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程的其中一次进行均衡的的电量值，B为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电总量，N为自然数。

在本发明所述的充电电池的电流均衡控制装置中，所述控制管理模块还用于在对充电电池组提供电量C补偿后，则持续导通该充电电池组所对应的电流均衡器，以使得该充电电池组的当前工作电压V4大于或等于电压值V3。

实施本发明的充电电池的电流均衡控制方法，具有以下有益效果：通过根据历史均衡电量和充放电总量，动态地执行电流均衡控制，可有效地降低最低电压与平均电压的差，从而较好地满足所有充电电池组同时充满电或放空电的要求，由此可有效地提高充电电池的利用率和寿命。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1A是现有的充电电池模块的原理框图；

图1B是本发明充电电池模块的原理框图；

图2A是锂电池放电过程中的电压特性曲线图；

图2B是锂电池充电过程中的电压特性曲线图；

图3是本发明第一实施例的充电电池的电流均衡控制方法流程图；

图4是本发明第二实施例的充电电池的电流均衡控制方法流程图；

图5是本发明第三实施例的充电电池的电流均衡控制方法流程图；

图6是本发明充电电池模块多次充电过程中无均衡和进行均衡控制，充满电后最大电压与平均电压差值的直方图；

图7是本发明充电电池模块多次放电过程中无均衡和进行均衡控制，放空电后最小电压与平均电压差值的直方图；

图8是本发明充电电池模块在一次充放电过程中无均衡和进行均衡控制，完成充放电后实际使用的安时平均数。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1B所示，在本发明的充电电池的电流均衡控制方法所基于的硬件结构，其主要包括由顺次串联的多个充电电池组11所构成的充电电池模块1，每个充电电池组11又可由多个充电电池并联而成，可以理解的，对于串联的充电电池组11的数量可以根据实际需要进行灵活的增加或减少。同理，对于并联的充电电池的节数也可以根据实际需要进行灵活的增加或减少。在此不做限定。例如，在一优选实施例中，可由13节充电电池并联构成一组充电电池组，再由15组该充电电池组串联构成一充电电池模块，其中，每节充电电池可以是容量为4Ah的锂电池，当然根据具体情况也可选用别的容量及类型的充电电池。

在充电电池模块1的工作过程中，可设置一电池监控器2对充电电池模块1进行充电或放电时，对各组充电电池组11及各节充电电池的电压和电流进行采样、计算和监控。在本发明的技术方案中并未对该电池监控器2的硬件结构进行改进，因此，在此对其详细的硬件结构和工作原理不作进一步的公开，而仅仅是使用现有可获得的各种合适的电池监控器2。另外，根据串联的充电电池组11的数量，电池监控器2作为一桥接器还为每组充电电池组对应连接有一个电流均衡器12，从而可在充电或放电过程中，由一个电流均衡器12对应连接在一个充电电池组11正负极之间，从而为该充电电池组11提供电流均衡。同理，本发明的技术方案中并未对该电流均衡器12进行改进，因此，在此对其详细的硬件结构和工作原理不作进一步的公开，而仅仅是使用现有可获得的各种合适的电流均衡器。例如，可使用输入电压为48V、输出电压为3.6V及最大输出电流为7.9A的电流均衡器。

另外，在串联后的充电电池组11所构成的充电电池模块1的正负极之间连接有一UPS模块3，该UPS模块3和充电电池模块1之间的所形成的回路为主回路。在充电过程中，由UPS模块3为充电电池模块1供电，完成充电后，主回路中所流经的电量为总的充电电量B，同时流经所有电流均衡器的电量的和为总的均衡电量A；在放电过程中，由充电电池模块1为UPS模块3供电，完成放电后，主回路中所流经的电量为总的放电电量B，同时流经所有电流均衡器的电量的和为总的均衡电量A。由此，可见B即可表示充电电量也可表示放电电量，总之即为流经主回路的电量。

在具体工作时，电池监控器2采用历史均衡电量的数据来修正当前充电或放电过程中，电流均衡器的导通或关断。该历史数据可以前N(N为自然数)次的充电或放电过程中均衡电量，例如，当N＝1时，则A为前次充电或放电时总的均衡电量，B为该次充电或放电时流经主回路的总电量；当N大于1时，则A表示之前多次充电或放电过程中均衡电量的最大值，B表示均衡电量为最大值所对应的一次充电或放电过程中流经主回路的总电量。其中，均分的概念就是将历史的均衡电量A平均分配到历史的主路充电或放电总量B中，则均分的补偿电量C＝A/B，表示本次充电或放电过程中，充电电池组每充电或放电一特定安时(Ah)数，例如，在一优选实施例中，每充电或放电1Ah就开通对应的电流均衡器补偿C值的电量，当补偿的电量达到C值后即关断该电流均衡器。如果总的补偿电量A已补偿完毕后，该充电电池组的当前工作电压仍然低于平均电压的一误差值范围，则对应的电流均衡器仍然继续导通再补偿一定量的电能值，直到充电电池组的当前工作电压位于平均电压的一误差范围内。

图3示出了本发明的第一实施例充电电池的电流均衡控制的方法流程，该方法流程基于图1B所示的系统结构，在图1B中，电池监控器2包括由检测模块21和控制管理模块22构成的充电电池的电流均衡控制装置，具体过程如下：

S31：检测模块21检测每组充电电池组11的工作电压V1，从而得到多个工作电压V1，例如当充电电池模块1由15组充电电池组11串联而成时，则检测15组充电电池组11并获得15个工作电压V1，接着计算所有充电电池组的平均工作电压值V2，V2＝V1/M，M为串联的充电电池组的数量；

S32：控制管理模块22将工作电压V1小于电压值V3所对应的所有充电电池组的电流均衡器导通，以提供电量C的补偿；其中，V3＝V2-δ，δ为一特定误差值，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程中某一次特定的充电或放电时进行均衡的电量值，B为前N次的充电或放电过程的其中一次的充电或放电的总电量，N为自然数。由此，为所有的工作电压较低的充电电池组进行电流均衡时，都是以均分的电量值C进行补偿。可以理解的，为了符合该充电电池模块的特性，在确定A值时，可以参考该充电电池模块的历史均衡电量，例如，A可以为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电时进行均衡的电量的最大值，此时B为与A相应的充电或放电过程中的充电或放电总量。

图4示出了本发明的第二实施例充电电池的电流均衡控制的方法流程，该方法流程基于图1B所示的系统结构，具体过程如下：

S41：检测模块21检测每组充电电池组11的工作电压V1，从而得到多个工作电压V1，例如当充电电池模块1由15组充电电池组11串联而成时，则检测15组充电电池组11并获得15个工作电压V1，接着计算所有充电电池组的平均工作电压值V2；

S42：控制管理模块22将工作电压V1小于电压值V3所对应的所有充电电池组的电流均衡器导通，以提供电量C的补偿；其中，V3＝V2-δ，δ为一特定误差值，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电时进行均衡的电量值，B为前N次的充电或放电过程的其中一次充电或放电的总电量，N为自然数。由此，为所有的工作电压较低的充电电池组进行电流均衡时，都是以均分的电量值C进行补偿。可以理解的，为了符合该充电电池模块的特性，在确定A值时，可以参考该充电电池模块的历史均衡电量，例如，A可以为前N次充电或放电过程中进行均衡的电量的最大值，此时B为与A相应的充电或放电过程中的充电或放电总量。

S43：在对所有工作电压较低的充电电池组提供电量C补偿后，控制管理模块22不立即停止对这些充电电池组的均衡补偿，即不立即关断相关的电流均衡器，而是检测充电电池组的当前工作电压V4；当部分或全部的充电电池组的当前工作电压V4小于电压值V3时，将当前工作电压仍然交底的充电电池组的电流均衡器持续导通，而将当前工作电压已处于平均工作电压的δ范围内所对应的充电电池组的电流均衡器关断，从而可继续对当前工作电压仍然较低的充电电池组进行均衡补偿，直到充电电池组的当前工作电压位于平均电压的一误差范围内。在此过程中，如果初始确定进行补偿的电量值A已补偿完，即对充电电池组的补偿电量已达到A值，此时需要再增加对充电电池组的电量补偿，此时这一增量可以为电压值V5所对应的电量值D，其中，V5＝V2-V4，V4为多组充电电池组的当前工作电压的最小值。由此，完成这一次均衡控制后，又将产生一新的最大的均衡值，即为(A+D)。

图5示出了本发明的第三实施例充电电池的电流均衡控制的方法流程，该方法流程基于图1B所示的系统结构，具体过程如下：

S51：在充电或放电过程中，检测模块21实时监控主回路中是否已充电或放电一预设值大小的安时数，对应该预设值的确定可根据实际情况进行灵活设置，例如可以是1Ah；如果是，进入步骤S52，否则继续执行步骤S51进行实时监控；

S52：当主回路已充电或放电该预设值大小的安时数后，此时控制管理模块22即启动均衡控制，首先检测模块21将检测充电电池模块1中所串联的所有充电电池组11的工作电压V1，同时计算出所有充电电池组11的平均工作电压V2；

S53：控制管理模块22将所有充电电池组11的工作电压V1与平均工作电压V2进行比较，将所有工作电压V1小于平均工作电压V2的一误差值范围(即工作电压V1小于V3＝V2-δ，δ的取值可根据实际需要进行灵活设置)所对应的充电电池组11的电流均衡器12导通，由此可对这小工作电压较低的充电电池组进行电流补偿；

S54：控制管理模块22实时记录对充电电池组的电流补偿量，并判断均衡补偿电量是否达到一特定的C值，如果是，进入步骤S55，否则，继续执行步骤S54并对充电电池组进行电流补偿；其中，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电时进行均衡的电量值，B为前N次的充电或放电过程的其中一次充电或放电的总电量，N为自然数。由此，为所有的工作电压较低的充电电池组进行电流均衡时，都是以均分的电量值C进行补偿。可以理解的，为了符合该充电电池模块的特性，在确定A值时，可以参考该充电电池模块的历史均衡电量，例如，A可以为前N次充电或放电过程中进行均衡的电量的最大值，此时B为与A相应的充电或放电过程中的充电或放电总量。

S55：检测模块21检测进行电流补偿的所有充电电池组的充电电池组的当前工作电压V4；并逐一判断每组充电电池组的当前工作电压V4是否小于电压值V3，如果是进入步骤S56，否则，进入步骤S57；

S56：控制管理模块22对当前工作电压V4小于电压值V3的充电电池组的电流均衡器持续导通，从而可继续对当前工作电压仍然较低的充电电池组进行均衡补偿在此过程中，如果初始确定进行补偿的电量值A已补偿完，即对充电电池组的补偿电量已达到A值，此时需要再增加对充电电池组的电量补偿，此时这一增量可以为电压值V5所对应的电量值D，其中，V5＝V2-V4，V4为多组充电电池组的当前工作电压的最小值。由此，完成这一次均衡控制后，又将产生一新的最大的均衡值，即为(A+D)。当充电电池组的当前工作电压位于平均电压的一误差范围内后，进入步骤S57。

S57：控制管理模块22将当前工作电压已处于平均工作电压的δ范围内所对应的充电电池组的电流均衡器关断，由此结束此次均衡控制。

可以理解的，对于一次充电或放电过程中，充电电池的电流均衡控制装置将每隔一预设值大小的安时数，就对充电电池组11进行均衡控制，并在均衡控制中，充分利用该充电电池模块的历史充电或放电数据，从而较好地满足所有充电电池组同时充满电或放空电的要求，由此可有效地提高充电电池的利用率和寿命。

图6示出在充电过程中未进行均衡控制和采用了历史数据进行均衡控制后充满电后的结果比较。其中，每个直方图表示一次充满电(例如，任何一组电池达到3.6V)后最高电压和平均电压的差值图，这个差值越小说明所有充电电池离同时充满点的理想目标越近，由此可见采用了历史数据进行均衡控制的效果显著。

图7示出在放电过程中未进行均衡控制和采用了历史数据进行均衡控制后放电电，即充电电池组电压达到EOD点(例如，任何一组充电电池组电压达到2.2V)。其中，每个直方图表示一次放空电后最低电压与平均电压的差值图，这个差值越小说明所有充电电池离同时达到EOD点的理想目标越近。

图8示出在一次充放电过程中未进行均衡控制和采用了历史数据进行均衡控制后充电电池组实际使用的安时数。其中每个直方图表示实际使用的安时数与目标值(例如，4.5×13＝58.5Ah)的差值，这个差值越小，说明充电电池组的利用率更高，由此可见采用了历史数据进行均衡控制的效果显著。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种充电电池的电流均衡控制方法，用于在充电或放电过程中，对由顺次串联的多组充电电池组构成的充电电池模块的工作电流进行均衡；在每组充电电池组的正负极之间通过电池监控器对应并联有一电流均衡器，其特征在于，所述电流均衡控制方法包括以下步骤：

检测每组充电电池组的工作电压V1，并计算所有充电电池组的平均工作电压值V2；

将工作电压V1小于电压值V3所对应的充电电池组的电流均衡器导通，以提供电量C的补偿；其中，V3＝V2-δ，δ为一设定的电压差值，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程的其中一次进行均衡的的电量值，B为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电总量，N为自然数。

2.根据权利要求1所述的充电电池的电流均衡控制方法，其特征在于，还包括：在对充电电池组提供电量C补偿后，持续导通该充电电池组所对应的电流均衡器，以使得该充电电池组的当前工作电压V4大于或等于电压值V3。

3.根据权利要求1所述的充电电池的电流均衡控制方法，其特征在于，A为前N次充电或放电过程中进行均衡的电量的最大值，B为与A相应的充电或放电过程中的充电或放电总量。

4.根据权利要求1所述的充电电池的电流均衡控制方法，其特征在于，在充电或放电过程中，每隔一预设值大小的安时数，执行所述均衡控制。

5.根据权利要求1所述的充电电池的电流均衡控制方法，其特征在于，在充电或放电过程中，每隔1安时数，执行所述均衡控制。

6.根据权利要求1所述的充电电池的电流均衡控制方法，其特征在于，由顺次串联的15组充电电池组构成所述充电电池模块。

7.根据权利要求1所述的充电电池的电流均衡控制方法，其特征在于，每组充电电池组由多节充电电池并联而成。

8.根据权利要求7所述的充电电池的电流均衡控制方法，其特征在于， 所述充电电池是UPS锂电池。

9.根据权利要求1所述的充电电池的电流均衡控制方法，其特征在于，每组充电电池组由13节充电电池并联而成。

10.一种充电电池的电流均衡控制装置，用于在充电或放电过程中，对由顺次串联的多组充电电池组构成的充电电池模块的工作电流进行均衡；在每组充电电池组的正负极之间通过电池监控器对应并联有一电流均衡器，其特征在于，所述充电电池的电流均衡控制装置包括：

检测模块，用于检测每组充电电池组的工作电压V1，并计算所有充电电池组的平均工作电压值V2；

控制管理模块，用于将工作电压V1小于电压值V3所对应的充电电池组的电流均衡器导通，以提供电量C的补偿；其中，V3＝V2-δ，δ为一设定的电压差值，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程的其中一次进行均衡的的电量值，B为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电总量，N为自然数。

11.一种电池监控器，用于在充电或放电过程中，对由顺次串联的多组充电电池组构成的充电电池模块的工作电流进行均衡，并且用于在每组充电电池组的正负极之间对应并联一电流均衡器，其特征在于，所述电池监控器包括充电电池的电流均衡控制装置，所述充电电池的电流均衡控制装置包括：

检测模块，用于检测每组充电电池组的工作电压V1，并计算所有充电电池组的平均工作电压值V2；

控制管理模块，用于将工作电压V1小于电压值V3所对应的充电电池组的电流均衡器导通，以提供电量C的补偿；其中，V3＝V2-δ，δ为一设定的电压差值，C＝A/B，A为前N次充电或放电过程的其中一次进行均衡的的电量值，B为前N次充电或放电过程的其中一次充电或放电总量，N为自然数。 

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