CN102593893A - 一种实现电池组均衡放电的系统 - Google Patents

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高福荣
姚科
蒋毅飞
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Abstract

本发明公开了一种实现电池组均衡放电的系统,包括多个均衡放电模块,所述多个均衡放电模块依次串联构成该系统的正负极端子,每个均衡放电模块输入端对应有一节电池,每个均衡放电模块的控制端连接有一通过逻辑控制保持电池组各节电池剩余电量一致的单片机系统。系统通过采用均衡放电模块将电池组串联起来,由于均衡模块串联的关系,放电电流相等,因此通过控制均衡放电模块的放电电压,即可控制单体电池的放电功率,从而实现电池组的均衡放电,避免了SOC值不一致时出现的过放现象。本发明利用开关控制原理,既避开了传统的被动均衡的能量消耗,又避免了主动均衡中的能量转移引起的能量损失。本发明系统可广泛应用于电池管理领域。

Description

—种实现电池组均衡放电的系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电池管理技术,尤其是一种实现电池组均衡放电的系统及方法。
背景技术
[0002] 由于电动车与不断电系统等产品的耗能较大,为避免过高的电流,电池的串并联应用成了普遍的现象。串联锂离子电池组是由2个或者更多个电池串联构成的。在这种结构中,电池电压等于单个电池电压之和。加上负载之后,即在电池组的放电过程中,负载的电流是由串联的所有电池共同提供。如果对电池进行充电,充电器需要向串联的电池组提供充电电流。在这两种情况下,所有电池的放电和充电电流是相同的。在整个生命周期内, 电池可能会进行数百次甚至数千次的充放电。此时,各个电池的老化程度会有所不同。有些电池会变得与其它电池有些失配(或者更严重一些)。当电池组的电池之间差异愈加显著, 电池组的使用效率就愈差,导致电池组的使用寿命也随之降低。如果这种现象没有得到改善,一个或多个电池可能会欠充电或过充电,这两种现象都会导致电池组所储存的电能浪费或者发生危险。改善这种状况的方法被称为均衡。均衡是强制所有电池具有相同电压的过程,这是通过均衡电路实现的。
[0003] 对于电动车来说,电池均衡的目的就是使得电动车可以从电池中获得最大可用容量。在电池充电的过程中,不均衡的电池可能过早达到充电截止电压而迫使充电器关闭,电池均衡电路通过控制使得所有电池的电压差不多相等时才关闭充电器。现有的电池组放电均衡的电路原理主要有两种:消耗和转移。
[0004] 消耗,主要是指被动平衡,为了达到电池组的放电一致,把电量相对较多的电池额外的增加一个电阻性的负载,让其放电功率增大,经过适当的调整,让电池电量达到一致。 这种方法,本身没有增加电池组的有效使用容量;现有技术中采用的电阻分流的被动均衡方式就是属于这种情况;
转移,就是把能量高的电池的一部分能量转移给能量低的电池,也能让电池电量达到一致;理想的转移,是可以实现电池有效容量的最大化;但实际上,电能的转移,一定需要由储能元件完成;储能元件的一充一放,伴有能量损失,如果能量转移过于频繁,会造成不少的能量浪费;同时,要实现有效的能量转移,一定要有大容量的元件(或者高频的开关控制),这样的元件,会让整个电池管理系统增加相当的体积或者成本。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是:提供一种电池组均衡放电的系统,该系统可以调整每块电池的输出功率,实现对电池组各节电池的剩余电量调节。
[0006] 为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种实现电池组均衡放电的系统,包括多个均衡放电模块,所述多个均衡放电模块依次串联构成该系统的正负极端子,所述每个均衡放电模块输入端对应有一节电池,所述每个均衡放电模块的控制端连接有一通过逻辑控制保持电池组各节电池剩余电量一致的单片机系统。
[0007] 进一步作为优选的实施方式,所述均衡放电模块为调节直流电压的DC-DC模块, 所述DC-DC模块的输出电压控制端与单片机系统连接。
[0008] 进一步作为优选的实施方式,所述单片机系统包括用于采集每节电池状态信息的传感器采集单元、计算电池SOC值的MCU单元及控制DC-DC模块输出电压的控制单元。
[0009] 进一步作为优选的实施方式,所述电池状态信息包括电池的电压值、电流值及温度值。
[0010] 进一步作为优选的实施方式,所述控制单元为光电耦合器。
[0011] 本发明的有益效果是:本发明电池组均衡放电的系统通过采用均衡放电模块将电池组串联起来,每节电池连接在均衡放电模块的输入端,均衡放电模块与单体电池对应,而均衡放电模块依次串联构成电池组的正、负极,由于均衡模块串联的关系,放电电流相等, 因此通过控制均衡放电模块的放电电压,即可控制单体电池的放电功率,从而实现单体电池的放电时SOC值的均衡,避免了 SOC值不一致时出现的过放现象。本发明利用开关控制原理,既避开了传统的被动均衡的能量消耗,又避免了主动均衡中的能量转移引起的能量损失。
附图说明
[0012] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明:
图I是本发明电池组均衡放电系统的原理方框图;
图2是本发明单片机系统的原理框图;
图3是本发明电池组均衡放电系统实施例的结构框图。
具体实施方式
[0013] 本发明采用开关控制的原理,即通过降低串联电池组中电量相对较低的电池的输出功率,让其在一段时间内,电量的下降速度较其他的电池慢,从而既避免了被动均衡的能量消耗,又避免了各电池间能量转移带来的能量损失。
[0014] 参照图1,一种实现电池组均衡放电的系统,包括多个均衡放电模块2,所述多个均衡放电模块2依次串联构成该系统的正负极端子,所述每个均衡放电模块2的输入端对应有一节电池11,所述每个均衡放电模块2的控制端连接有一通过逻辑控制保持电池组各节电池11剩余电量一致的单片机系统3。这样,每一节电池11单独连接一个均衡放电模块 2,多个均衡放电模块2依次串联构成了电池组正极和电池组负极。
[0015] 进一步作为优选的实施方式,所述均衡放电模块2为调节直流电压的DC-DC模块, 所述DC-DC模块的输出电压控制端与单片机系统3连接。
[0016] 由于在本发明中,多个均衡放电模块2是依次串联的,所以在电池组放电时,各个均衡放电模块2的放电电流是一样的。假设有η个电池,配合着相同数量的均衡放电模块 2,串联在一起放电;在某个时刻,串联在一起的均衡放电模块2的电流都一样,我们记为I ; 各个均衡放电模块的输出电压分别是A、U2……Un ;每个均衡放电模块的转换效率分别为 rL I、rL 2...... rL η ;
这样,在该时刻,电池k的输出功率为Pk = uk*l*l/nk;其中输出电压Uk是可调的,而转换功率nk基本恒定,所以电池的输出功率Pk可调; 很明显,该电池剩余电量 E ( t ) =E(t0)-
我们通过调节uk,从而调节了 pk,从而可以调节该电池剩余电量;
这样,我们可以通过对电池SOC的状态进行判断,按预先设置的逻辑转换电池的放电电压状态,实现所有电池的剩余电量一致;从而实现均衡放电。
[0017] 进一步作为优选的实施方式,参照图2,所述单片机系统3包括用于采集每节电池 11状态信息的传感器采集单元31、计算电池SOC值的MCU单元32及控制DC-DC模块输出电压的控制单元33。所述电池状态信息包括电池的电压值、电流值及温度值。MCU单元32 根据传感器采集单元31获取的相应电池的电压值、电流值及温度值计算电池的SOC值,根据预先设定的阈值判断该SOC值是属于高电荷状态还是低电荷状态,控制单元33按照逻辑控制相应驱动该电池对应的均衡放电模块输出高电压或者低电压。
[0018] 优选地,所述控制单元33为光电耦合器。通过隔离式的光电耦合器驱动DC-DC模块进行输出电压的高低切换。
[0019] 图3是本发明电池组均衡放电系统实施例的结构框图,参照图3,该电池组包括6 节电池11,每节电池11都连接有一均衡放电模块2,图中6块均衡放电模块2依次串联, 其两端构成电池组正极和电池组负极,在电池组正极和电池组负极间串接外界负载,从而实现电池组的放电。单片机系统3通过其内的传感器采集单元31采集各节电池11的电流值、电压值及温度值等电池状态信息,通过MCU单元计算得到该电池的SOC值,并根据预先设定的SOC值判断相应电池的SOC值是否为低电荷状态或者高电荷状态,从而通过光电耦合器控制相应均衡放电模块2选择低电压放电或者高电压放电,通过对均衡放电模块2输出电压的控制,实现了单节电池输出功率的调整,从而可以保证6节电池在某个时刻SOC值一致,实现电池组的均衡放电。
[0020] 本领域技术人员可以理解,本发明中的均衡放电模块2主要实现直流电压的切换,可以采用DC-DC模块,经试验,该系统可以达到平均95%的转换效率。随着DC-DC模块性能的不断提高,本发明的可用性会越来越强。
[0021] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1. 一种实现电池组均衡放电的系统,其特征在于:包括多个均衡放电模块(2),所述多个均衡放电模块(2)依次串联构成该系统的正负极端子,所述每个均衡放电模块(2)的输入端对应有一节电池(II),所述每个均衡放电模块(2)的控制端连接有一通过逻辑控制保持电池组各节电池(11)剩余电量一致的单片机系统(3 )。
2.根据权利要求I所述的一种实现电池组均衡放电的系统,其特征在于:所述均衡放电模块(2)为调节直流电压的DC-DC模块,所述DC-DC模块的输出电压控制端与单片机系统(3)连接。
3.根据权利要求2所述的一种实现电池组均衡放电的系统,其特征在于:所述单片机系统(3 )包括用于采集每节电池(11)状态信息的传感器采集单元(31)、计算电池SOC值的 MCU单元(32)及控制DC-DC模块输出电压的控制单元(33)。
4.根据权利要求3所述的一种实现电池组均衡放电的系统,其特征在于:所述电池状态信息包括电池的电压值、电流值及温度值。
5.根据权利要求3所述的一种实现电池组均衡放电的系统,其特征在于:所述控制单兀(33)为光电稱合器。
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