CN102157972B - 一种锂离子电池组均衡系统及其均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锂离子电池组均衡系统及其均衡方法，该均衡系统包括电池组及升降压斩波电路，还包括总线通讯模块，隔离电路，单体电压采样模块，单片机以及开关驱动电路，总线通讯模块与隔离电路相连接用于与其它模块之间通讯；单片机与隔离电路相连接并根据单体电压采样模块获取电池组中每个单体电池的电压，并计算出每个单体电池的荷电状态，然后通过开关驱动电路控制升降压斩波电路中的各个开关；升降压斩波电路能够使其电路内的任意相邻的两个单体电池之间进行充、放电。本发明的均衡系统结构简单，成本低且可靠性好。
Description
技术领域
本发明属于汽车电子控制技术中动力锂离子电池均衡技术领域，涉及到锂离子电池管理系统对单体电池的主动均衡系统与均衡方法。
背景技术
随着节能环保这一概念的深入，锂离子电池以其单体电压高、能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、绿色环保的优点受到人们的青睐，但单体锂离子电池的电压和容量无法满足电动车、混合动力车的电压及功率需求，需串、并联多节单体电池以成组使用。由于单体电池制造过程中不可消除的初始性能(如自放电率、容量等)不一致以及使用过程中由于电池内外环境(如温度)的非均匀性等，使得单体电池之间的性能差异逐渐扩大，这将造成某些单体电池过充电或者过放电。此外，单体电池一致性差会导致整组电池性能下降，为了缓解锂离子电池在使用过程的不一致性，电池均衡是目前迫切需要解决的技术。
目前对锂离子电池的均衡可以分为被动式和主动式两种方法。被动式是能量耗散型，通过电阻或者其它功率器件将SOC(State of Charge，荷电状态)高的单体电池的多余能量耗散掉，或者在充电的时候将SOC高的单体电池旁路分流。电阻放电均衡电路结构简单但是存在一些局限性。首先，放电会产生大量的热量，给电池散热管理带来问题。其次，一般放电均衡电流比较小，因此大容量电池需很长的均衡时间。最后，电池组的所有电池最终都被放电到和SOC最低的那节电池相等的状态，因此放电均衡是一种能量的浪费，特别是大容量电池，浪费就更严重。
主动式均衡是能量回馈型，通过电感、电容、变压器等储能器件最终将能量从SOC高的电池转移到SOC低的电池，达到电池均衡的目的。由于多余的能量被有效的利用起来，主动式均衡的效率比被动均衡高，且不存在散热的问题。目前主动式均衡都存在控制电路结构复杂，成本较高且可靠性低的问题。
发明内容
由于现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提出一种锂离子电池组均衡系统及均衡方法，其结构简单、成本低及可靠性好。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以解决：
一种锂离子电池组均衡系统，包括电池组及升降压斩波电路，还包括总线通讯模块，隔离电路，单体电压采样模块，单片机以及开关驱动电路，所述总线通讯模块与隔离电路相连接用于与其它模块之间通讯；所述单片机与隔离电路相连接并根据单体电压采样模块获取电池组中每个单体电池的电压，根据单体电池的电压和历史记录信息，计算出每个单体电池的当前荷电状态SOC，然后根据SOC差异性确定每个单体电池应该对相邻的单体电池充电还是放电，以及充放电的方向，然后通过开关驱动电路控制升降压斩波电路中的各个开关；所述升降压斩波电路能够使其电路内的任意相邻的两个单体电池之间进行充、放电。
作为本发明的进一步特征，所述电池组和升降压斩波电路由n个单体锂离子电池串联而组成，其中每两个电池之间都有一个电感，该电感分别与该两个电池中的一个和一MOS开关组成串联回路，且各个MOS开关两端分别并联有反向导通二极管，单片机通过通用输入／输出引脚输出一定周期和占空比的PWM信号，该信号分别通过隔直电容连接至MOS开关的门极。从第1个到第n个MOS开关中从上到下为PMOS开关、NMOS开关依次互相间隔设置。
为实现上述目的，本发明还提出一种锂离子电池组均衡方法，其包括以下步骤：
1)单片机采集每个单体电池的电压，通过比较电压得到电压差，当单体电压差异超过预设的阀值时，开启本均衡方法，否则关闭本均衡方法；
2)根据每个单体电池的荷电状态与电池组平均荷电状态的差值以及其所处的位置计算出该单体电池向上一节电池充电还是向下一节电池放电，若是向上一节电池充电则通过单片机采用周期和占空比的PWM信号控制对应的NMOS开关，若是向下一节电池放电则通过单片机采用周期和占空比的PWM信号控制对应的PMOS开关，设所有单体电池的平均SOC为SOC0，从上而下的前m个单体的平均SOC为SOCm(m＝1-n-1，n为模块中串联的电池数目)，若SOC0＞SOCm，则与第m个单体电池负极连接的电感均衡方向是向上，应该用PWM控制对应的NMOS开关；反之，若SOC0＜SOCm，则与第m个单体电池负极的电感均衡方向是向下，应该用PWM控制对应的PMOS开关。
作为本发明的进一步特征，所述步骤2)中找出与所述电池组平均荷电状态值之差最大的单体电池，优先对其该单体电池进行均衡，此时，需要将荷电状态低的单体电池向相邻的荷电状态高的单体电池充电的电感暂时禁止。
作为本发明的进一步特征，所述单片机采用周期和占空比的PWM信号通过所述开关驱动电路控制每个电感对应的PMOS开关和NMOS开关进行互锁，确保该两个开关不同时打开。
由于采用以上技术方案，本发明的锂离子电池组均衡系统结构简单、成本较低且可靠性好，本发明的均衡方法能兼顾能量转换效率与均衡速度，能够适应各种荷电状态离散状况下的电池组。
附图说明
图1是本发明的锂离子电池组均衡系统内部结构图。
图2是单片机控制PMOS开关和NMOS开关的原理说明。
图3是多个具有图1的内部结构的模块组成一个电池包的均衡系统框图。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明的锂离子电池组均衡系统，包括电池组及升降压斩波电路60，还包括总线通讯模块10，隔离电路20，单体电压采样模块50，单片机30以及开关驱动电路40，总线通讯模块10与隔离电路20相连接用于与其它模块之间通讯；单片机30与隔离电路20相连接并根据单体电压采样模块50获取电池组中每个单体电池的电压，并计算出每个单体电池的荷电状态，然后通过开关驱动电路40控制升降压斩波电路60中的各个开关；升降压斩波电路60能够使其电路内的任意相邻的两个单体电池之间进行充、放电。
单体电压采样模块50用于采集单体电池Bat1n(n＝1-12)的端电压。该单体电压采样模块50可以是锂离子电池专用的集成电路IC芯片(如LTC6802或OZ890等)，它能够将每个单体电池的电压转换成数字信号，通过串行总线(如SPI或IIC)传递给单片机30。
单片机30在此主要有四个功能：
a.采集电压。通过串行总线获取单体电压采样模块50采集到的单体电压。
b.均衡算法。根据单体电压和历史记录信息等，计算出每个单体的当前荷电状态SOC，然后根据SOC差异性确定每个单体应该对相邻的单体充电还是放电，以及充放电的方向。
c.控制输出。根据均衡算法通过开关驱动电路40控制电池组及升降压斩波电路60中对应的开关。
d.通讯功能。单片机30通过隔离电路20和串行总线通讯模块10与其他模块之间进行通讯。汽车车上常用的现场通讯总线如CAN等。
电池组及升降压斩波电路60由n个(n通常不大于12)单体锂离子电池Bat11-Bat1n串联而组成。其中每两个电池之间都有一个电感(L1，L2...)，电感在均衡的过程中起到能量转移的作用，该电感分别与该两个电池中的一个和一MOS开关组成串联回路，且各个MOS开关两端分别并联有反向导通二极管，二极管用于MOS管断开后续流；且从第1个到第n个MOS开关中从上到下为PMOS开关、NMOS开关依次互相间隔设置。以电感L2为例说明均衡的过程：
Bat13向Bat12充电(向上均衡)。Sn2处于导通状态时，电池Bat13通过电感L2和Sn2回路给电感L2充电储能；Sn2处于关断状态时，电感L2通过二极管Dp2和Bat12回路释放能量。通过单片机输出的一定周期和占空比的PWM信号控制开关Sn2，选择合适的的开断周期和占空比就能够使能量从Bat13转移到Bat12。整个过程中使PMOS管Sp2一直处于断开状态。
Bat12向Bat13充电(向下均衡)。Sp2处于导通状态时，电池Bat12通过电感Sp2和L2回路给电感L2充电储能；Sn2处于关断状态时，电感L2通过二极管Dn2和Bat13回路释放能量。通过PWM信号控制开关Sp2，选择合适的的开断周期和占空比就能够使能量从Bat12转移到Bat13。整个过程中使PMOS管Sn2一直处于断开状态。
当电感L1和L2同时都是向下均衡时，即Bat11向Bat12充电，同时Bat12向Bat13充电，此时近似等价于Bat11向Bat13充电，Bat12在此起到“接力”作用。其他的相邻电感同向均衡情况以此类推。
图2是单片机30的通用输入／输出引脚通过开关驱动电路40控制升降压斩波电路60中的MOS开关的原理图。图中单片机30通过通用输入／输出引脚P1和P2输出一定周期和占空比的PWM信号，该信号通过隔直电容Cp2和Cn2连接至MOS管的门极。该原理图是示意性的，以控制电感L2的PMOS开关Sp2和NMOS开关Sn2为例，其他开关的控制原理类同。
图3是图1中电池均衡模块的典型的应用。当电池包是由更多节电池串联而成时，可以将电池包分成若干个图1中由n个电池串联而成的模块(图中70，71，72)，模块之间通过串行总线80连接。由于每个模块的参考地(GND1，GND2，...)电位不同，隔离电路20在此起到关键作用。隔离后各个单片机参考地各不相同，但是可以通过同一个总线系统进行通讯。
最理想的情形是直接用电量高的单体给电量低的单体充电，以达到均衡的目的，但是本系统只能实现同一个模块内任意相邻两个单体之间进行充电，因此必须要有合适的算法才能保证效率与均衡速度。由于单体电池的个体差异性是无法预知的，所以其初始离散状态有各种可能，均衡方法的提出必须能够适应各种初始离散状态。此外，从图2中可以看出，当PMOS和NMOS同时导通时，Bat12和Bat13处于短路状态，这将导致电路中元器件烧坏，严重的情况下会引起电池损坏，因此算法还必须具有对连接至同一个电感的两个开关的互锁功能。本发明提出的均衡方法由以下几步组成：
1.单片机采集每个单体电池的电压，通过比较电压得到电压差，单体电压差超过预设的阈值时，开启均衡功能，否则关闭均衡；
2.根据每个单体电池的SOC与与电池组平均荷电状态的差值以及其所处的位置计算出该单体电池向上一节电池充电还是向下一节电池放电，若是向上一节电池充电则通过单片机采用一定周期和占空比的PWM信号控制对应的NMOS开关，若是向下一节电池放电则通过单片机采用一定周期和占空比的PWM信号控制对应的PMOS开关。设所有单体的平均SOC为SOC0，从上而下的前m个单体的平均SOC为SOCm(m＝1-n-1，n为模块中串联的电池数目)，若SOC0＞SOCm，则与第m个单体电池负极连接的电感均衡方向是向上，应该用PWM控制对应的NMOS开关；反之，若SOC0＜SOCm，则与第m个单体电池负极的电感均衡方向是向下，应该用PWM控制对应的PMOS开关。
3.由于步骤2是全局效率最优算法，可能会出现局部SOC低的单体向相邻的单体充电的情况。为了优先使模块内最高和最低单体差异缩小，需要优先均衡SOC最高／最低的单体。为了防止SOC最高／最低的单体由于充当“接力”作用而不能优先被均衡，需要将SOC低的单体向相邻的SOC高的单体充电的电感暂时禁止。
4.对每个电感对应的PMOS开关和NMOS开关进行互锁，软件上确保两个开关不同时打开。
在实际应用中，由于锂离子电池的SOC与开路电压在一定范围内具有一定的映射关系，考虑到每个单体的SOC很难直接计算出，且存在一定误差，该算法可用每个单体的端电压代替SOC进行简化计算。
但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
Claims (4)
1.一种锂离子电池组均衡系统，包括电池组及升降压斩波电路，其特征在于：还包括总线通讯模块，隔离电路，单体电压采样模块，单片机以及开关驱动电路，所述总线通讯模块与隔离电路相连接用于与其它模块之间通讯；所述单片机与隔离电路相连接并根据单体电压采样模块获取电池组中每个单体电池的电压，根据单体电池的电压和历史记录信息，计算出每个单体电池的当前荷电状态SOC，然后根据SOC差异性确定每个单体电池应该对相邻的单体电池充电还是放电，以及充放电的方向，然后通过开关驱动电路控制升降压斩波电路中的各个开关；所述升降压斩波电路能够使其电路内的任意相邻的两个单体电池之间进行充、放电，所述电池组和升降压斩波电路由n个单体锂离子电池串联而组成，其中每两个电池之间都有一个电感，该电感分别与该两个电池中的一个和一MOS开关组成串联回路，且各个MOS开关两端分别并联有反向导通二极管，单片机通过通用输入／输出引脚输出一定周期和占空比的PWM信号，该信号分别通过隔直电容连接至MOS开关的门极，从第1个到第n个MOS开关中从上到下为PMOS开关、NMOS开关依次互相间隔设置。
2.一种利用权利要求1所述的一种锂离子电池组均衡系统的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)单片机采集每个单体电池的电压，通过比较电压得到电压差，当单体电压差超过预设的阀值时，开启本均衡方法，否则关闭本均衡方法；
2)根据每个单体电池的荷电状态与电池组平均荷电状态的差值以及其所处的位置计算出该单体电池向上一节电池充电还是向下一节电池放电，若是向上一节电池充电则通过单片机采用周期和占空比的PWM信号控制对应的NMOS开关，若是向下一节电池放电则通过单片机采用周期和占空比的PWM信号控制对应的PMOS开关，设所有单体电池的平均荷电状态SOC为SOC0，从上而下的前m个单体的平均荷电状态SOC为SOCm，m等于1到n-1，n为模块中串联的电池数目，若SOC0＞SOCm，则与第m个单体电池负极连接的电感均衡方向是向上，应该用PWM信号控制对应的NMOS开关；反之，若SOC0＜SOCm，则与第m个单体电池负极的电感均衡方向是向下，应该用PWM信号控制对应的PMOS开关。
3.根据权利要求2所述的均衡方法，其特征在于：所述步骤2)中找出与所述电池组平均荷电状态的差值最大的单体电池，优先对其该单体电池进行均衡，此时，需要将荷电状态低的单体电池向相邻的荷电状态高的单体电池充电的电感暂时禁止。
4.根据权利要求2或3所述的均衡方法，其特征在于：所述单片机采用周期和占空比的PWM信号通过所述开关驱动电路控制每个电感对应的PMOS开关和NMOS开关进行互锁，确保该两个开关不同时打开。
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