CN103390909A - 电池的均衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电池的均衡系统，包括监测采集模块用于监测并采集每个单体电池的电压和温度，根据放电控制信号选择开启能量管理模块中对应的能量管理单元；控制模块用于根据每个单体电池的电压设置电压阈值，并将电压与电压阈值进行比较以选择一个或多个待放电的单体电池，并根据每个单体电池的电压和温度计算对应的单体电池的电池极化内阻及电池剩余电荷，生成放电控制信号；能量管理模块包括多个能量管理单元，每个能量管理单元分别与每个单体电池一一对应相连，用于开启以控制对应的待放电单体电池放电以对电池组进行充电。该系统采用集成化、模块化控制，均衡能量不是消耗，而是转移，均衡效率高。本发明还提出一种电池的均衡方法。

Description

电池的均衡系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车动力电池技术领域，特别涉及一种电池的均衡系统及其方法。

背景技术

以混合动力、纯电动、燃料电池车为代表的节能环保车是未来车型发展的主要方向，而它们都是将电池作为动力的一部分或全部。电池往往由电池单体串并联组成，但由于电池单体制造及使用环境即电池组中的温度场分布绝对不均上的差异，随着电池的使用，电池的能量变得越来越不一致，此时能量最小的电池单体影响了整个电池组/电池模块的使用。

目前，为电池增加均衡电流，已经使用了外部MOSFET管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层-半导体-场效晶体管）进行均衡，为一种锂电池均衡的成熟技术方案，如图1和图2所示。

结合图1和图2，当电池组充放电时，ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）例如LTC6802，用来监测电池单体的电压和温度并汇报给MCU（MicroControl Unit，微处理器），MCU分析比较后发现某电池单体较电池组中其他串联的单体电压（或平均电压）高，此时MCU通过SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）总线控制发命令给ASIC，控制该电池单体对应的MOSFET管打开，单体电池通过MOSFET管和电阻实现对单体电池放电，从而达到整个电池组的能量均衡。

现有电池均衡方式为被动均衡，即只能被动地将能量多的单体电池的能量进行一定消耗来实现整个电池组能量均衡。由于被消耗掉的这部分能量以热量的形式（电阻和MOSFET管）散发掉，因此，现有技术存在发热量大、均衡效率低的缺点。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种电池的均衡系统，该系统采用集成化、模块化控制，均衡能量不是消耗，而是转移，均衡效率高。本发明的第二个目的在于提出一种电池的均衡方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种电池的均衡系统，包括：监测采集模块、控制模块和能量管理模块，所述监测采集模块与电池组中的每个单体电池相连，用于监测并采集所述电池组中每个单体电池的电压和温度，以及根据来自所述控制模块的放电控制信号选择开启所述能量管理模块中对应的能量管理单元；所述控制模块与所述监测采集模块相连，用于根据所述每个单体电池的电压设置电压阈值，并将所述每个单体电池的电压与所述电压阈值进行比较以选择一个或多个待放电的单体电池，并根据所述每个单体电池的电压和温度计算对应的单体电池的电池极化内阻及电池剩余电荷，根据所述每个单体电池的电压、温度、电池极化内阻及电池剩余电荷以及选择的所述一个或多个待放电的单体电池生成放电控制信号；所述能量管理模块分别与所述监测采集模块和所述电池组相连，其中，所述能量管理模块包括多个能量管理单元，每个所述能量管理单元分别与每个所述单体电池一一对应相连，用于在所述监测采集模块的控制下开启以控制对应的待放电单体电池放电以对所述电池组进行充电。

根据本发明实施例的电池的均衡系统，对均衡和单体电池电压温度采集实现了集成化控制，均衡能量不是消耗，而是转移到电池组，均衡电流大，均衡效率高。此外，采用模块化设计，并可同时对多个单体电池进行均衡。

在本发明的一个实施例中，所述控制模块通过串行外设接口SPI总线与所述监测采集模块进行通讯，并且所述控制模块可以为微处理器。

通讯部分采用循环冗余校验CRC提高了通讯数据质量的可靠性。

在本发明的一个实施例中，所述电压阈值为所述电池组的多个单体电池的电压的平均值。

在本发明的另一个实施例中，当所述电池组包括N个所述单体电池，且其中M个所述单体电池的电压均高于其它N-M个所述单体电池中的每一个单体电池的电压时，所述电压阈值为N-M个单体电池中的电压最高值，其中，1≤M≤N-1，N为大于等于2的正整数，M为正整数。

在本发明的一个实施例中，所述监测采集模块包括：监测单元，所述监测单元与所述每个单体电池相连，用于监测并采集所述电池组中每个单体电池的电压；开启单元，所述开启单元与所述监测单元相连，用于根据所述放电控制信号选择开启待放电的单体电池对应的能量管理单元。

其中，在本发明的一个示例中，所述开启单元为金属-氧化层-半导体-场效晶体管MOSFET管。

在本发明的一个实施例中，所述能量管理单元包括：变压器，所述变压器的副边与所述电池组的两端相连；充放电子单元，所述充放电子单元分别与所述变压器的主边和所述开启单元相连，用于在所述开启单元的控制下开启以通过所述变压器执行充放电动作；以及电流控制子单元，所述电流控制子单元分别与所述单体电池和所述充放电子单元相连，用于控制对应的所述单体电池的放电电流。

其中，在本发明的一个示例中，所述电流控制子单元包括：N型金属氧化物半导体管NMOS管，所述N型金属氧化物半导体管NMOS管与所述充放电子单元相连；和源极电阻，所述源极电阻与所述N型金属氧化物半导体管NMOS管的源极相连。

本发明第二方面的实施例提出了一种电池的均衡方法，包括以下步骤：

监测并采集电池组中每个单体电池的电压和温度；

根据每个单体电池的电压设置电压阈值，并将所述每个单体电池的电压与所述电压阈值进行比较以选择一个或多个待放电的单体电池，并根据所述每个单体电池的电压和温度计算对应的单体电池的电池极化内阻及电池剩余电荷，根据所述每个单体电池的电压、温度、电池极化内阻及电池剩余电荷以及选择的所述一个或多个待放电的单体电池生成放电控制信号；以及

根据所述放电控制信号控制所述一个或多个待放电的单体电池进行放电以对所述电池组进行充电。

根据本发明实施例的电池的均衡方法，通过把电池组中能量较为充裕的电池单体的能量转移到整个电池组，可同时对多个单体电池进行均衡，均衡效率大大提高，并且发热量低，操作简单方便。

在本发明的一个实施例中，所述设置电压阈值，包括如下步骤：

根据所述每个单体电池的电压计算所述多个单体电池的电压的平均值或最低值，并设置所述多个单体电池的电压的平均值或最低值作为所述电压阈值。

在本发明的一个实施例中，当所述电池组的电压达到预设最大充电电压时，所述电池组均衡结束。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有的电池均衡系统的电路原理图；

图2为现有的电池均衡系统的进一步电路原理图；

图3为根据本发明实施例的电池的均衡系统的方框图；

图4为根据本发明一个实施例的电池的均衡系统的电路图；

图5为根据本发明实施例的电池的均衡方法的流程图；和

图6为根据本发明实施例的电池的均衡方法的进一步流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照图3和图4描述根据本发明第一方面实施例提出的电池的均衡系统。

如图3所示，本发明第一方面实施例提出的电池的均衡系统包括监测采集模块301、控制模块302和能量管理模块303。

其中，监测采集模块301与电池组304中的每个单体电池相连，用于监测并采集电池组304中每个单体电池的电压和温度，以及根据来自控制模块302的放电控制信号选择开启能量管理模块303中对应的能量管理单元305。

控制模块302与监测采集模块301相连，用于根据每个单体电池的电压设置电压阈值，并将每个单体电池的电压与电压阈值进行比较以选择一个或多个待放电的单体电池，并根据每个单体电池的电压和温度计算对应的单体电池的电池极化内阻及电池剩余电荷，根据上述每个单体电池的电压、温度、电池极化内阻及电池剩余电荷以及选择的一个或多个待放电的单体电池生成放电控制信号。

能量管理模块303分别与监测采集模块301和电池组304相连，其中，能量管理模块303包括多个能量管理单元305，每个能量管理单元305分别与每个单体电池一一对应相连，用于在监测采集模块301的控制下开启以控制对应的待放电单体电池放电以对电池组304进行充电。

此外，在本发明的一个实施例中，如图4所示，单体电池的温度采集主要是通过NTC（Negative Temperature Coefficient，负温度系数）热敏电阻来实现。

通过精确采集到的每个单体电池的实时温度，便于及时计算每个单体电池的极化电阻和可用荷电电量，从而判断电池组的不一致性。

在本发明的一个实施例中，控制模块302通过串行外设接口SPI总线与监测采集模块301进行通讯。

通讯部分采用CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）提高了通讯数据质量的可靠性。

在本发明的一个实施例中，电压阈值为电池组304的多个单体电池的电压的平均值。

在本发明的另一个实施例中，当电池组包括N个单体电池，且其中M个单体电池的电压均高于其它N-M个单体电池中的每一个单体电池的电压时，电压阈值为N-M个单体电池中的电压最高值，其中，1≤M≤N-1，N为大于等于2的正整数，M为正整数。

具体地，如图4所示，在本发明的一个实施例中，控制模块302为微处理器MCU401。

如图4所示，监测采集模块301包括监测单元402和开启单元403。其中，监测单元402与每个单体电池相连，用于监测并采集电池组304中每个单体电池的电压。开启单元403与监测单元402相连，用于根据放电控制信号选择开启待放电的单体电池对应的能量管理单元305。在本发明的一个示例中，监测单元402可以为芯片LTC6803。

进一步地，如图4所示，在本发明的一个示例中，开启单元403为金属-氧化层-半导体-场效晶体管MOSFET管。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，能量管理单元305包括变压器404、充放电子单元405和电流控制子单元406。在本发明的一个示例中，充放电子单元405可以为芯片LTC3705。

其中，变压器404的副边与电池组304的两端相连。充放电子单元405分别与变压器404的主边和开启单元403相连，用于在开启单元403的控制下开启以通过变压器404执行充放电动作。电流控制子单元406分别与单体电池和充放电子单元405相连，用于控制对应的单体电池的放电电流。

再进一步地，如图4所示，电流控制子单元406包括NMOS管407（N-Mental-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体管）和源极电阻408。其中，NMOS管407与充放电子单元405相连，源极电阻408与NMOS管407的源极相连。与之对应的单体电池的放电电流值由源极电阻408和NMOS管407共同决定。

也就是说，MCU401通过SPI通讯控制LTC6803，LTC6803选择要放电的单体电池，单体电池给电池组304充电。通过电路的结构，根据实际需要可选择工作过程中多个能量较为充裕的单体电池同时给整个电池组304进行充电，从而实现了整个电池组304能量的均衡。LTC6803可进行单体电池的电压和温度的采集，利用LTC6803的均衡管脚进行LTC3750是否工作（单体电池是否均衡）的控制。

LT3750的关断和工作由LTC6803进行控制。在关断模式下，静态电流最大仅为10微安，满足电池正常工作需要。

此外，电池组304的最大充电电压Umax为：

Umax=（1.24*RV_OUT/RBG）-VFD，其中，RV_OUT为LT3750的RV_OUT管脚连接的电阻，RBG为LT3750的RBG管脚连接的电阻，VFD为二极管正向电压。根据二极管的类型不同，VFD可以对应不同的值。

在本发明的一个示例中，VFD可以为0.7V。

根据本发明实施例的电池的均衡系统，对均衡和单体电池电压温度采集实现了集成化控制，均衡能量不是消耗，而是转移到电池组，能量转移主要是由MOS管和变压器实现，均衡电流大，均衡效率高。此外，采用模块化设计，并可同时对多个单体电池进行均衡。

下面参照图5和图6描述根据本发明第二方面实施例提出的电池的均衡方法。

如图5所示，该电池的均衡方法包括以下步骤：

S501，监测并采集电池组中每个单体电池的电压和温度；

S502，根据每个单体电池的电压设置电压阈值，并将每个单体电池的电压与电压阈值进行比较以选择一个或多个待放电的单体电池，并根据每个单体电池的电压和温度计算对应的单体电池的电池极化内阻及电池剩余电荷，根据上述每个单体电池的电压、温度、电池极化内阻及电池剩余电荷以及选择的所述一个或多个待放电的单体电池生成放电控制信号；

S503，根据放电控制信号控制一个或多个待放电的单体电池进行放电以对电池组进行充电。

在本发明的一个实施例中，上述电池的均衡方法还包括监测并采集所述电池组中每个单体电池的温度。

通过精确采集到的每个单体电池的实时温度，便于及时计算每个单体电池的极化电阻和可用荷电电量，从而判断电池组的不一致性。

在本发明的一个实施例中，设置电压阈值包括如下步骤：

根据每个单体电池的电压计算多个单体电池的电压的平均值或最低值，并设置多个单体电池的电压的平均值或最低值作为电压阈值。

进一步地，如图6所示，在本发明的一个具体实施例中，上述电池的均衡方法包括以下步骤：

S601，MCU选定要均衡的一个或多个单体电池。

S602，对电池组进行充电。

S603，一个或多个单体电池向变压器主边充电。

S604，各对应的变压器向副边进行能量转移。

S605，各对应的芯片LTC3750进行不连续模式监测。

S606，判断电池组电压是否达到预设最大充电电压。如果是，则执行下一步骤S608；如果否，返回步骤S602，继续充电。

S607，判断均衡控制是否符合要求，例如进行均衡的一个或多个单体电池放电是否达到预设电压。如果是，则执行下一步骤S608；如果否，返回步骤S602，继续充电。

S608，电池组均衡结束。

在本发明的一个实施例中，电池组的最大充电电压Umax为：Umax=（1.24*RV_OUT/RBG）-VFD，其中，RV_OUT为LT3750的RV_OUT管脚连接的电阻，RBG为LT3750的RBG管脚连接的电阻，VFD为二极管正向电压，根据二极管的类型不同，VFD可以对应不同的值。

在本发明的一个示例中，VFD可以为0.7V。

根据本发明实施例的电池的均衡方法，通过把电池组中能量较为充裕的电池单体的能量转移到整个电池组，可同时对多个单体电池进行均衡，均衡效率大大提高，并且发热量低，操作简单方便。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (12)

1.一种电池的均衡系统，其特征在于，包括：监测采集模块、控制模块和能量管理模块，

所述监测采集模块与电池组中的每个单体电池相连，用于监测并采集所述电池组中每个单体电池的电压和温度，以及根据来自所述控制模块的放电控制信号选择开启所述能量管理模块中对应的能量管理单元；

所述控制模块与所述监测采集模块相连，用于根据所述每个单体电池的电压设置电压阈值，并将所述每个单体电池的电压与所述电压阈值进行比较以选择一个或多个待放电的单体电池，并根据所述每个单体电池的电压和温度计算对应的单体电池的电池极化内阻及电池剩余电荷，根据所述每个单体电池的电压、温度、电池极化内阻及电池剩余电荷以及选择的所述一个或多个待放电的单体电池生成放电控制信号；

所述能量管理模块分别与所述监测采集模块和所述电池组相连，其中，所述能量管理模块包括多个能量管理单元，每个所述能量管理单元分别与每个所述单体电池一一对应相连，用于在所述监测采集模块的控制下开启以控制对应的待放电单体电池放电以对所述电池组进行充电。

2.如权利要求1所述的电池的均衡系统，其特征在于，所述控制模块通过串行外设接口SPI总线与所述监测采集模块进行通讯。

3.如权利要求2所述的电池的均衡系统，其特征在于，所述控制模块为微处理器。

4.如权利要求1所述的电池的均衡系统，其特征在于，所述电压阈值为所述电池组的多个单体电池的电压的平均值。

5.如权利要求1所述的电池的均衡系统，其特征在于，当所述电池组包括N个所述单体电池，且其中M个所述单体电池的电压均高于其它N-M个所述单体电池中的每一个单体电池的电压时，所述电压阈值为N-M个单体电池中的电压最高值，其中，1≤M≤N-1，N为大于等于2的正整数，M为正整数。

6.如权利要求1所述的电池的均衡系统，其特征在于，所述监测采集模块包括：

监测单元，所述监测单元与所述每个单体电池相连，用于监测并采集所述电池组中每个单体电池的电压；

开启单元，所述开启单元与所述监测单元相连，用于根据所述放电控制信号选择开启待放电的单体电池对应的能量管理单元。

7.如权利要求6所述的电池的均衡系统，其特征在于，所述开启单元为金属-氧化层-半导体-场效晶体管MOSFET管。

8.如权利要求6所述的电池的均衡系统，其特征在于，所述能量管理单元包括：

变压器，所述变压器的副边与所述电池组的两端相连；

充放电子单元，所述充放电子单元分别与所述变压器的主边和所述开启单元相连，用于在所述开启单元的控制下开启以通过所述变压器执行充放电动作；以及

电流控制子单元，所述电流控制子单元分别与所述单体电池和所述充放电子单元相连，用于控制对应的所述单体电池的放电电流。

9.如权利要求8所述的电池的均衡系统，其特征在于，所述电流控制子单元包括：

N型金属氧化物半导体管NMOS管，所述N型金属氧化物半导体管NMOS管与所述充放电子单元相连；和

源极电阻，所述源极电阻与所述N型金属氧化物半导体管NMOS管的源极相连。

10.一种电池的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

监测并采集电池组中每个单体电池的电压和温度；

根据每个单体电池的电压设置电压阈值，并将所述每个单体电池的电压与所述电压阈值进行比较以选择一个或多个待放电的单体电池，并根据所述每个单体电池的电压和温度计算对应的单体电池的电池极化内阻及电池剩余电荷，根据所述每个单体电池的电压、温度、电池极化内阻及电池剩余电荷以及选择的所述一个或多个待放电的单体电池生成放电控制信号；以及

根据所述放电控制信号控制所述一个或多个待放电的单体电池进行放电以对所述电池组进行充电。

11.如权利要求10所述的电池的均衡方法，其特征在于，所述设置电压阈值，包括如下步骤：

根据所述每个单体电池的电压计算所述多个单体电池的电压的平均值或最低值，并设置所述多个单体电池的电压的平均值或最低值作为所述电压阈值。

12.如权利要求10所述的电池的均衡方法，其特征在于，

当所述电池组的电压达到预设最大充电电压时，所述电池组均衡结束。

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