CN102545332B - 单体电池电量均衡方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单体电池电量均衡方法和系统，其中系统包括信号采集模块、剩余电量计算模块、控制模块、双向隔离直流转换电路和开关矩阵；信号采集模块，用于采集电池组内所有单体电池的性能参数信息；剩余电量计算模块，用于获取电池组内所有单体电池的剩余电量值；控制模块，用于根据电池组内所有单体电池的剩余电量值确定并控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，并向双向隔离直流转换电路发送对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示；双向隔离直流转换电路用于根据控制模块发送的指示，对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电。本发明的技术方案能够有效解决电池组内单体电池间的性能不一致问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池的管理技术，尤其涉及一种单体电池电量均衡方法和系统，属于锂电池技术领域。
背景技术
随着动力锂电池技术和纯电动汽车技术的发展，锂电池已经取代了传统的铅酸电池和镍氢电池成为纯电动汽车里面核心储能器件。由于锂电池单体电压只有3-4伏，电动汽车的供电系统通常需要串联大量的锂电池，在某些情况下，这些锂电池被分为多个电池模块来分别进行串联。对于锂电池，或者是其他种类的充电电池，其单体电池可能由于出厂时工艺等方面的原因导致单体电池容量以及内阻出现不一致性，也可能由出厂后老化速度不一致而导致电池容量与内阻出现不一致性，还可能由于单体电池运行的环境温度等因素的不同而导致电池剩余电量值出现不一致性。无论是电池直接串联而成的电动汽车供电系统，还是先将其电池串联成电池模块，再进一步串联得到电动汽车供电系统，上述电池性能的不一致性都对电池管理系统提出了非常高的要求。
由于单体电池性能的不一致性，整个电池组的性能受到最弱的单体电池的限制，这里的电池组可能是上述的电池模块，也可能是整个供电系统。例如在放电时，当最弱的一节单体电池达到最低电压时，电池组必须停止放电来保护该节单体电池，但是此时，电池组内还有其他单体电池的容量没有耗尽；同样，在充电时，最先到达最高电压的单体电池阻碍了其他单体电池继续充电，使得整个电池组不能得到完全充分充电。而且，更为关键的是，如此循环多次后，单体电池之间的不一致性会加剧，最终使得整个电池组不可使用。除了电动汽车的电池系统，其他的任何的锂电池系统都存在同样的问题。
目前，现有技术中无法有效解决电池组内单体电池间的性能不一致问题。
发明内容
本发明提供一种单体电池电量均衡方法和系统，用于有效解决电池组内单体电池间的性能不一致问题。
本发明的一个方面提供了一种单体电池电量均衡系统，用于在电池组内的多个单体电池间进行电量均衡，包括信号采集模块、剩余电量计算模块、控制模块、双向隔离直流转换电路和开关矩阵；
所述信号采集模块，用于采集电池组内所有单体电池的性能参数信息；
所述剩余电量计算模块，与所述信号采集模块连接，用于根据所述信号采集模块采集的性能参数信息获取电池组内所有单体电池的剩余电量值；
所述控制模块，与所述剩余电量计算模块连接，用于根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值确定并控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，以使所述需要进行电量均衡的单体电池的正极和负极分别连接到所述双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向所述双向隔离直流转换电路发送对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示；
所述双向隔离直流转换电路的另一侧的正极和负极分别与所述电池组的正极和负极连接，用于根据所述控制模块发送的指示，对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电。
本发明的另一个方面还提供了一种单体电池电量均衡方法，包括：
信号采集模块采集电池组内所有单体电池的性能参数信息；
剩余电量计算模块根据所述信号采集模块采集的性能参数信息获取电池组内所有单体电池的剩余电量值；
控制模块根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值确定并控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，将需要进行电量均衡的单体电池的正极和负极分别连接到所述双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向所述双向隔离直流转换电路发送对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示；
双向隔离直流转换电路的另一侧的正极和负极分别与所述电池组的正极和负极连接，其根据所述控制模块发送的指示，对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电。
本发明提供的技术方案，其中在剩余电量计算模块计算获得电池组内所有单体电池的剩余电量值后，通过控制模块的控制选择对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电，具体的，可以由控制模块控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，将其连接到双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向双向隔离直流转换电路发送对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示，以由双向隔离直流转换电路对电池组内剩余电量值最小的单体电池进行充电，对电池组内剩余电量值最大的单体电池进行放电，能够实现电池组内单体电池的电量均衡，有效解决单体电池的性能不一致带来的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中单体电池电量均衡系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中单体电池电量均衡方法的流程示意图。
具体实施方式
针对现有技术中无法有效解决电池组内单体电池性能不一致的问题，本发明提供了一种技术方案，能够实现电池组内单体电池的电量均衡。
图1为本发明实施例中单体电池电量均衡系统的结构示意图，如图1所示，该单体电池电量均衡系统包括信号采集模块11、剩余电量计算模块12、控制模块13和双向隔离直流转换电路14，另外还包括矩阵开关，该矩阵开关可以根据控制模块的控制，选中单体电池组内的任意单体电池使其与双向隔离直流电路连接；其中的信号采集模块11用于采集电池组内所有单体电池的性能参数信息；剩余电量计算模块12与信号采集模块11连接，用于根据所述信号采集模块11采集的性能参数信息获取电池组内所有单体电池的剩余电量值；控制模块13与剩余电量计算模块12连接，用于根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值确定并控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，以使所述需要进行电量均衡的单体电池的正极和负极分别连接到所述双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向双向隔离直流转换电路14发送对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示；双向隔离直流转换电路14的另一侧的正极和负极分别与所述电池组的正极和负极连接，用于根据所述控制模块发送的指示，对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电。本发明各实施例中的剩余电量值是指单体电池内可用电量与单体电池容量的比值，通过采集的各个单体电池的性能参数信息能够计算获得各个单体电池的可用电量。
本发明上述实施例提供的单体电池电量均衡系统，其中在剩余电量计算模块计算获得电池组内所有单体电池的剩余电量值后，通过控制模块的控制选择对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电，具体的，可以由控制模块控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，将其连接到双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向双向隔离直流转换电路发送对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示，以由双向隔离直流转换电路对电池组内剩余电量值最小的单体电池进行充电，对电池组内剩余电量值最大的单体电池进行放电，能够实现电池组内单体电池的电量均衡，有效解决单体电池的性能不一致带来的问题。
本发明上述实施例中，其中的信号采集模块11采集的电池组内所有单体电池的性能参数信息包括电压参数、温度参数，以及充电参数和/或放电参数，所述充电参数包括充电电流参数和充电时间参数，而放电采参数可以包括放电电流参数和放电时间参数。
剩余电量计算模块根据单体电池的电压参数、温度参数能够通过查表等方式获取到电池组内所有单体电池的容量，以及进一步根据充电参数和/或放电参数获取电池组内所有单体电池的剩余电量值。具体的通过对上述的充电电流参数和充电时间参数进行处理可以获取到充入到单体电池中的可用电量，根据该可用电量以及单体电池的容量可以计算充电过程中的剩余电量值；通过对放电电流参数和放电时间参数进行处理可以获取到从单体电池中放出的电量，根据电池中原有电量以及放出的电量可以计算出可用电量，然后根据该可用电量以及单体电池的容量可以计算出放电过程中的剩余电量值；对于静态状况下单体电池的剩余电量值，可以通过对之前的充电参数和放电参数的处理获取到该静态状况下的可用电量，并可以根据该可用电量以及单体电池的容量计算出剩余电量值。
对于上述实施例中的信号采集模块，其最初获取到的信号可能是模拟信号，则还需要进行模数转换，将采集到的模拟信号转换为数字量后发送给剩余电量计算模块，另外，对于剩余电量计算模块而言，其可以是单独设置的模块，也可以是和控制模块集成为一个物理实体。对于控制模块13，其还可以根据电池组内所有单体电池的剩余电量值，获取对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电的电流大小及充电时间，或获取对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行放电的电流大小及放电时间。该控制模块13根据所述充电时间或所述放电时间控制矩阵开关选中需要进行电量均衡的单体电池，具体的可以在达到充电时间后断开相应的矩阵开关，解除对相应单体电池的选中。同时，控制模块向所述双向隔离直流转换电路发送的指示中携带所述对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电的电流大小及充电时间，或携带所述对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行放电的电流大小及放电时间。以由双向隔离直流转换电路根据指示具体对充放电进行控制。
例如，对于一个电池组，其中一个单体电池A的容量为70Ah，而其他的单体电池的容量为100Ah，在充电过程中，信号采集模块采集到已经使用10A的电流对各个电池充电7小时，此时单体电池A已经充满，剩余电量值为100％，而其他的单体电池仅充满70％，剩余电量值为70％。此时，控制模块可以控制矩阵开关选中该单体电池A，指示双向隔离直流转换电路对单体电池A进行放电，放电的电量为25Ah，若选择放电电流大小为10A，则可以确定放电时间为2.5小时，双向隔离直流转换电路控制对该单体电池进行放电，并将放出的电量重新分散充入到电池组的各个单体电池中，以实现单体电池的电量均衡。
在放电过程中，若电池组已经使用5A的电流对外放电13个小时，此时单体电池A的电量仅剩余5Ah的电量，剩余电量值约为7％，而其他的单体电池的剩余的电量达到了35Ah，剩余电量值为35％，此时可以选择对单体电池A充电30Ah，控制模块计算出具体的充电电流和充电时间后，指示双向隔离直流转换电路进行相应的充电处理。
本发明上述实施例中，其中的双向隔离直流转换电路的两侧分别连接电池组的正负极，和选中的单体电池的正负极，其相当于一个能量转换装置，在对单体电池充电时，通过控制其与单体电池形成的电路中电流的方向，可以实现电池组通过双向隔离直流转换电路向单体电池充电；通过控制其与单体电池形成的电路中电流的方向，还可以实现通过双向隔离直流转换电路对单体电池放电。另外还可以在双向隔离直流转换电路与矩阵开关之间设置电池奇偶开关15，选择电池奇偶开关15的方向可以控制单体电池的正极和负极对应于双向隔离直流转换电路一侧的正极和负极，该电池奇偶开关15也可以由控制模块13的控制而进行选择。
本发明实施例还提供了针对上述的系统的控制方法，图2为本发明实施例中单体电池电量均衡方法的流程示意图，如图2所示，包括如下的步骤：
步骤101、信号采集模块采集电池组内所有单体电池的性能参数信息；
步骤102、剩余电量计算模块根据所述信号采集模块采集的性能参数信息获取电池组内所有单体电池的剩余电量值；
步骤103、控制模块根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值确定并控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，将需要进行电量均衡的单体电池的正极和负极分别连接到所述双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向所述双向隔离直流转换电路发送对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示；
步骤104、双向隔离直流转换电路的另一侧的正极和负极分别与所述电池组的正极和负极连接，其根据所述控制模块发送的指示，对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电。
本发明上述实施例提供的单体电池电量均衡方法，其中在剩余电量计算模块计算获得电池组内所有单体电池的剩余电量值后，通过控制模块的控制选择对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电，具体的，可以由控制模块控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，并将其连接到双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向双向隔离直流转换电路发送对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示，以由双向隔离直流转换电路对电池组内所有单体电池的剩余电量值最小的单体电池进行充电，对电池组内所有单体电池的剩余电量值最大的单体电池进行放电，能够实现电池组内单体电池的电量均衡，有效解决单体电池的性能不一致带来的问题。
具体的，本发明上述实施例中，信号采集模块采集的电池组内所有单体电池的性能参数信息包括电压参数、温度参数，以及充电参数和/或放电参数，所述充电参数包括充电电流参数和充电时间参数，放电参数包括放电电流参数和放电时间参数。
其中的剩余电量计算模块根据信号采集模块采集的电池组内所有单体电池的性能参数信息获取电池组内所有单体电池的剩余电量值具体包括：
剩余电量计算模块根据所述电压参数、温度参数获取电池组内所有单体电池的容量，以及进一步根据充电参数和/或放电获取电池组内所有单体电池的剩余电量值。
另外，上述方法还可以包括：
控制模块根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值，获取对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电的电流大小及充电时间，或获取对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行放电的电流大小及放电时间；
控制模块根据所述充电时间或所述放电时间控制矩阵开关选中需要进行电量均衡的单体电池的时间。
以及，上述控制模块向所述双向隔离直流转换电路发送对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示具体为：
所述控制模块向所述双向隔离直流转换电路发送携带所述对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电的电流大小及充电时间，或携带所述对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行放电的电流大小及放电时间的指示。
本发明上述实施例提供的对单体电池进行电量均衡的方法，可以是在对电池组的充电过程中，对电池组的放电过程中，或在静态状况下对电池组的单体电池进行电量均衡。本发明上述实施例中提供的对单体电池进行电量均衡的方法，可以实时的检测电池组内各个单体电池的剩余电量值，对剩余电量值最小的单体电池进行充电，或对剩余电量值最大的单体电池进行放电，在检测到电池组内剩余电量值最小的单体电池发生变化时，可以动态的转换到为检测到的新的剩余电量值最小的单体电池进行充电，或者是在检测到电池组内剩余电量值最大的单体电池发生变化时，可以动态的转换到为检测到的新的剩余电量值最大的单体电池进行放电。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种单体电池电量均衡系统，用于在电池组内的多个单体电池间进行电量均衡，其特征在于，包括信号采集模块、剩余电量计算模块、控制模块、双向隔离直流转换电路和开关矩阵；
所述信号采集模块，用于采集电池组内所有单体电池的性能参数信息；
所述剩余电量计算模块，与所述信号采集模块连接，用于根据所述信号采集模块采集的性能参数信息获取电池组内所有单体电池的剩余电量值；
所述控制模块，与所述剩余电量计算模块连接，用于根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值确定并控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池以使所述需要进行电量均衡的单体电池的正极和负极分别连接到所述双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向所述双向隔离直流转换电路发送对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示；
所述双向隔离直流转换电路的另一侧的正极和负极分别与所述电池组的正极和负极连接，用于根据所述控制模块发送的指示，对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电；
还包括电池奇偶开关，所述电池奇偶开关设置在所述双向隔离直流转换电路与开关矩阵之间，所述电池奇偶开关用于控制单体电池的正极和负极对应于所述双向隔离直流转换电路一侧的正极和负极。
2.根据权利要求1所述的单体电池电量均衡系统，其特征在于，所述信号采集模块采集的电池组内所有单体电池的性能参数信息包括电压参数、温度参数，以及充电参数和/或放电参数，所述充电参数包括充电电流参数和充电时间参数，所述放电参数包括放电电流参数和放电时间参数；以及，
所述剩余电量计算模块具体用于根据所述电压参数、温度参数获取电池组内所有单体电池的容量，以及进一步根据充电参数和/或放电参数获取电池组内所有单体电池的剩余电量值。
3.根据权利要求1或2所述的单体电池电量均衡系统，其特征在于，所述控制模块还用于根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值，获取对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电的电流大小及充电时间，或获取对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行放电的电流大小及放电时间；
所述控制模块还用于根据所述充电时间或所述放电时间控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池的时间；以及，
所述控制模块向所述双向隔离直流转换电路发送的指示中携带所述对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电的电流大小及充电时间，或携带所述对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行放电的电流大小及放电时间。
4.根据权利要求1所述的单体电池电量均衡系统，其特征在于，所述双向隔离直流转换电路具体用于根据所述控制模块发送的指示，对所述电池组内所有单体电池的剩余电量值最小的单体电池充电，或对所述电池组内所有单体电池的剩余电量值最大的单体电池放电。
5.一种单体电池电量均衡方法，其特征在于，包括：
信号采集模块采集电池组内所有单体电池的性能参数信息；
剩余电量计算模块根据所述信号采集模块采集的性能参数信息获取电池组内所有单体电池的剩余电量值；
控制模块根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值确定并控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池，将需要进行电量均衡的单体电池的正极和负极分别连接到双向隔离直流转换电路的一侧对应的正极和负极，并向所述双向隔离直流转换电路发送对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示；
双向隔离直流转换电路的另一侧的正极和负极分别与所述电池组的正极和负极连接，其根据所述控制模块发送的指示，对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电；
电池奇偶开关设置在所述双向隔离直流转换电路与开关矩阵之间，控制单体电池的正极和负极对应于所述双向隔离直流转换电路一侧的正极和负极。
6.根据权利要求5所述的单体电池电量均衡方法，其特征在于，所述信号采集模块采集的电池组内所有单体电池的性能参数信息包括电压参数、温度参数，以及充电参数和/或放电参数，所述充电参数包括充电电流参数和充电时间参数，所述放电参数包括放电电流参数和放电时间参数；
所述剩余电量计算模块根据所述信号采集模块采集的电池组内所有单体电池的性能参数信息获取电池组内所有单体电池的剩余电量值包括：
所述剩余电量计算模块根据所述电压参数、温度参数获取电池组内所有单体电池的容量，以及进一步根据充电参数和/或放电参数获取电池组内所有单体电池的剩余电量值。
7.根据权利要求5或6所述的单体电池电量均衡方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述控制模块根据所述电池组内所有单体电池的剩余电量值，获取对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电的电流大小及充电时间，或获取对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行放电的电流大小及放电时间；
所述控制模块根据所述充电时间或所述放电时间控制开关矩阵选中需要进行电量均衡的单体电池的时间；以及，
所述控制模块向所述双向隔离直流转换电路发送对所述选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电的指示具体为：
所述控制模块向所述双向隔离直流转换电路发送携带所述对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行充电的电流大小及充电时间，或携带所述对选中的需要进行电量均衡的单体电池进行放电的电流大小及放电时间的指示。
8.根据权利要求5或6所述的单体电池电量均衡方法，其特征在于，所述对选中需要进行电量均衡的单体电池进行充电或放电包括：
对所述电池组内所有单体电池的剩余电量值较小的单体电池充电，或对所述电池组内所有单体电池的剩余电量值较大的单体电池放电。
9.根据权利要求5或6所述的单体电池电量均衡方法，其特征在于，在对所述电池组的充电的过程中，对所述电池组的放电过程中，或在静态状况下对所述电池组的单体电池间进行电量均衡。
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| CN102545332A (zh) | 2012-07-04 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Method and system for equalizing electric quantity of single batteries Effective date of registration: 20140806 Granted publication date: 20140402 Pledgee: Zhongguancun Beijing technology financing Company limited by guarantee Pledgor: Beijing Hyperstrong Technology Co.,Ltd. Registration number: 2014990000637 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Unit 1201, unit 3, 12 / F, building 2, yard 9, FengHao East Road, Haidian District, Beijing 100094 Patentee after: Beijing Haibo Sichuang Technology Co.,Ltd. Address before: 100085, No. 2, information road, Beijing, D, building 402, Haidian District Patentee before: BEIJING HYPERSTRONG TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230328 Granted publication date: 20140402 Pledgee: Zhongguancun Beijing technology financing Company limited by guarantee Pledgor: BEIJING HYPERSTRONG TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2014990000637 |