CN103501025B - 一种电池组主动均衡系统 - Google Patents

Abstract

一种电池组主动均衡系统，包括电池状态监测单元（07）、通道切换单元（06）、DC/DC直流电压转换单元（02），以及均衡控制单元（05）。电池状态监测单元（07）实时测量电池组的各电池单体（b1、b2……bn）的电压；均衡控制单元（05）实时接收电池监测数据，并分别向通道切换单元（06）和DC/DC直流电压转换单元（02）发送逻辑选通信号和均衡控制信号；通道切换单元（06）接收均衡控制单元（05）的输出逻辑选通信号，控制各电池单体均衡回路的开通与关断；DC/DC直流电压转换单元（02）通过接收均衡控制单元（05）的均衡控制信号，对各电池单体（b1、b2……bn）进行均衡。本发明能够对电池组中任意一节单体电池进行均衡，且均衡效率高。

Description

一种电池组主动均衡系统

技术领域

本发明涉及一种电池组主动均衡系统，特别涉及一种电动汽车用串联锂离子电池组主动均衡系统。

背景技术

由于电池固有的电化学特性，单体电池的额定工作电压通常很低。在一些高能量需求的应用场合如电动汽车动力电源，电网电池储能等技术领域，为了达到系统的能量需求，通常采用的方法是将大量的电池单体进行串联成组使用。电池串联数量从几十串到几百串，电池容量从几Ah到数百Ah不等。由于电池制造工艺的限制，每节电池单体的特性都会有微小的差异，在大量电池单体成组使用的情况下，就会存在电池组的不均衡问题。并且由于容量小、内阻大、自放电率高的电池在充放电过程中容易发生过充电、过放电和过热，导致电池性能下降速度加快，呈现“正反馈”效应，这将导致电池组的不一致性加剧恶化。因此如何高效地对电池组的一致性进行实时修正，以延长其使用寿命，增大其可用容量，是电池单体成组使用亟待解决的问题。

传统的电池组均衡方式主要可以分为两大类，分别是能量消耗型和非能量消耗型。能量消耗型均衡方式通常在每只单体电池上并联一个可控分流电阻。当电池电压达到或超过限制电压时，导通分流电阻回路，使流过单体电池的充电电流减小，从而使单体电池的电压维持限制值以内。由于流过电阻的电能最终以热能的形式得到了释放，因此称作能量消耗型均衡方式。目前，有多种基于能量消耗型原理的电池组均衡系统，如中国专利201210321456.9和美国专利S6806686B1等。总的来说，能量消耗型均衡系统以其结构简单、控制方便、运行稳定性强等优点，在早期的低容量、低电压的电池组系统中得到了广泛应用。但是随着电池技术的不断发展，对于目前的大容量、高电压等级的电池组系统，这种方法的能耗太大，显然是不可取的。非能量消耗型均衡系统，一般需要一个电压转换器，在主控制器检测到某单体电压偏高时，将电压偏高单体的能量通过变换器反馈到电压偏低的单体，均衡过程中能量被重新利用，从而达到电压和能量的均衡。

此外，传统的均衡方式大多数为过分依赖充电过程的被动均衡方式。即电池组在使用电池过程中若长时间不充电，单体电池之间便得不到均衡，电池单体间的不均衡差异便会越来越大，从而给下一次充电均衡造成很大负担，甚至数次充电仍达不到平衡效果。虽然现在一些新型的电池组均衡系统，如中国专利201110190190.4和201210277359.4，它们对传统的能量消耗型被动均衡方式进行了一些改进，可以在充电、放电以及静态情况下进行均衡。但是传统均衡方法中存在的均衡效率低、均衡时间长、能耗高等问题依然没有得到解决。与被动均衡相对应，主动均衡不需借助充电过程，可以在任意状态下对电池组进行均衡控制，从理论上讲是低能耗，高效率的均衡方式。但是从目前主动均衡技术研究的现状分析，主动均衡方案由于涉及的元器件过多，实际结构复杂，系统的安全运行稳定性等问题依然很多，大多数均衡方案还处在理论研究阶段，并未得到实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电池组均衡技术中存在的问题，提出一种非能耗型电池组主动均衡系统。本发明在结构简单、易于扩展的前提下，进一步提高能量转换效率，以适用于高能量串联电池组均衡的应用场合。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明通过监测电池状态，包括电压、电流、温度等，并对所有电池单体状态进行分析，当电池组中的某个电池达到均衡要求时，开通相应均衡回路，通过电池组自供电的形式向需要均衡的电池单体进行充电，从而实现电池组的主动均衡。

本发明包含电池状态监测单元、通道切换单元、DC/DC直流电压转换单元以及均衡控制单元。电池状态监测单元实时测量串联组成电池组的各电池单体的电压，并将电池数据传送至均衡控制单元；均衡控制单元根据电池状态监测单元实时采集得到的各电池单体电压数据，计算各电池单体之间的电压差和最大能量差，并根据最大的电压差判断需要均衡的电池单体，根据最大能量差和具体的均衡需求确定均衡电流大小和均衡时间，所述的最大电压差、最大能量差为两两电池单体之间电压差、能量差的最大值；通道切换单元接收均衡控制单元发送的逻辑选通信号，控制相应均衡回路的开通或关断。DC/DC直流电压转换单元是本发明的主要能量转换器件，它的输入端直接跨接在电池组的总正和总负之间，通过接收来自均衡控制单元发送的均衡电流和均衡时间命令信号，将输入端的电池组的能量馈送至需要被均衡的电池单体，实现电池组中各单体能量的主动均衡。

本发明与现有技术相比，优点在于：

1、有效地解决了能量消耗型均衡方式的功耗问题，在本发明的均衡过程中，除了能量传输引起的能量损失之外，并无电阻耗能环节，大大减小了系统的功耗。

2、有效地解决了被动均衡方式在放电和静置阶段不能进行均衡的问题，在本发明的均衡过程中，能量通过DC/DC直流电压转换单元直接流向需要均衡的电池单体，并不需要外界提供均衡电流。因此，本发明的使用范围并不受到电池组的工作状态限制，可以在电池组充电、放电和静置过程中对电池组的不均衡性进行实时调整。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为通道切换单元原理图；

图3为均衡过程中能量最低电池单体电流流向图；

图4为均衡控制策略框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，均衡控制系统01包含电池状态监测单元07、均衡控制单元03、DC/DC直流电压转换单元02、通道切换单元06。电池组08由电池单体b1、b2、……、bn串联组成，电池监测单元07用于实时监测各电池单体b1、b2、……、bn的电压、电流及温度信号；均衡控制单元05接收电池状态监测单元07发送来的信号，依据均衡控制策略发送均衡控制命令和均衡通道选通命令；通道切换单元06接收均衡控制单元05发送的均衡通道逻辑选通命令，控制均衡回路的开通与关断；DC/DC直流电压转换单元02接收均衡控制单元05发送的均衡控制命令，将电池组整组的能量通过通道切换单元06馈送至需要均衡的电池单体，实现电池组的主动均衡。

电池监测单元07的I/O口分别与电池单体b1、电池单体b2、……、电池单体bn的正负极直接相连，用于实时监测各个电池单体的电压、电流、温度信号，电池监测单元07将测得的电池单体b1、电池单体b2、……、电池单体bn电压值累加，计算电池组总电压。电池监测单元07将监测得到的电池数据发送至均衡控制单元05。

均衡控制单元05包含两个控制子单元，分别为通道逻辑选通子单元03和充电控制子单元04。均衡控制单元05根据接收到的各电池单体电压值，分别逐一计算某一电池单体b1与其余电池单体b2、b3、……、bn的电压差。均衡控制单元05通过线性插值算法分别逐一计算某一电池单体b1与其余电池单体b2、b3、……、bn的能量差。通过冒泡排序算法，确定最大能量差，以及能量最高电池单体序号，能量最低电池单体序号。均衡控制单元05通过冒泡排序算法，确定最大电压差、最大能量差，以及能量最高电池单体序号，能量最低电池单体序号，所述的最大电压差、最大能量差为两两电池单体之间电压差、能量差的最大值；当最大电压差大于均衡阈值电压，均衡控制单元05的通道逻辑选通单元03对能量最低单体电池进行通道选通操作；均衡控制单元05根据最大能量差和均衡电流设定均衡时间，均衡控制单元05中的充电控制子单元04控制DC/DC直流电压转换单元02进行均衡充电。

DC/DC直流电压转换单元02的输入端口直接与电池组08的总正a1和总负a2相连，输出端与通道切换单元06相连。DC/DC直流电压转换单元02依据均衡控制单元发送的充电控制信号，通过通道切换单元06构成的均衡回路，将电池组的能量直接馈送至需要均衡的单体中，从而实现电池组的主动均衡。

图2具体描述了通道切换单元06的原理。如图2所示，通道切换单元06由双刀继电器j1、双刀继电器j2、……、双刀继电器jn构成。双刀继电器的j1、j2、……、jn的控制端与均衡控制单元05的通道逻辑选通子单元03相连，用于接收均衡通道选通信号。双刀继电器j1、j2、……、jn的输入端均并联连接至DC/DC直流电压转换单元02的输出端口；双刀继电器j1的输出端口分别与电池单体b1的正负端相连，用于控制电池单体b1均衡回路的开通与关断；双刀继电器j2的输出端口分别与电池单体b2的正负端相连，用于控制电池单体b2均衡回路的开通与关断，以此类推，双刀继电器jn的输出端口分别与电池单体bn的正负端相连，用于控制电池单体bn均衡回路的开通与关断。

图3具体描述了均衡过程中能量最低的电池单体的电流流向。图3中I_c为均衡充电电流，I_tal为总充电电流。由于均衡过程中是DC/DC直流电压转换单元02自供电，整个电池组是在放电的，令放电电流大小为I_d，那么在能量最低的电池单体上叠加电流为I_s=I_tal-I_d+I_c。同理，能量最高的电池单体上叠加电流为I_i=I_tal-I_d。在t时间内，能量最低的电池单体补充的能量为ΔQ_t，且；能量最高的电池单体补充的能量为ΔD_t，。当达到均衡时应有等式E_max+ΔD_t=E_min+ΔQ_t，即：

$E_{\max }+{\∫}_0^t{I}_d\mathrm{dt}=E_{\min }+{\∫}_0^t{I}_s\mathrm{dt}---\left(1\right)$

最终可以得到有：

$\mathrm{\ΔE}={{\∫}_0^{t}I}_s\mathrm{dt}-{{\∫}_0^{t}I}_d\mathrm{dt}={{\∫}_0^{t}I}_c\mathrm{dt}---\left(2\right)$

因此只需要知道能量差ΔE和充电电流I_c，即可计算出均衡时间t。其中E_max为能量最高的单体能量值，其中E_min为能量最低的单体能量值。

图4具体描述了本发明的均衡控制策略。首先通过电池监测单元07对电池各电池单体的温度、电压、电流信号进行采集；其次，均衡控制单元05依据采集到的电池数据，计算各电池单体之间的电压差；再其次，均衡控制单元05计算各电池单体之间的能量差，根据最大能量差和设定的均衡电流大小计算均衡时间；最后，均衡控制单元05控制DC/DC直流电压转换单元02对能量最低单体电池进行均衡操作。

所述的电池间的能量差计算方法是，首先依据电池特性实验，制定各电池单体在不同温度下电压与电池能量的关系数据表。然后在电池工作过程中实时检测各电池单体电压值，根据各电池单体电压值进行电池单体能量的插值查表计算，同时确定能量最低的电池单体，最后将查表所得各电池单体电压能量值进行两两相减，即可得到各电池单体间的能量差。

Claims (3)

1.一种电池组主动均衡系统，其特征在于所述的均衡系统(01)包括电池状态监测单元(07)、通道切换单元(06)、DC/DC直流电压转换单元(02)，以及均衡控制单元(05)；电池组(08)由多个电池单体(b1、b2、……，bn)串联组成；电池状态监测单元(07)实时测量电池组各电池单体(b1、b2……，bn)的电压；均衡控制单元(05)实时接收电池监测数据，并分别向通道切换单元(06)和DC/DC直流电压转换单元(02)发送逻辑选通信号和均衡控制信号；通道切换单元(06)接收均衡控制单元(05)输出的逻辑选通信号，控制各电池单体均衡回路的开通与关断；DC/DC直流电压转换单元(02)通过接收均衡控制单元(05)的均衡控制信号，对各电池单体(b1、b2……bn)进行均衡；

所述的电池状态监测单元(07)与电池组(08)的各个电池单体(b1、b2……bn)的正、负端连接，实时监测电池组(08)中各电池单体(b1、b2……bn)的电压；电池状态监测单元(07)通过I/O口与均衡控制单元(05)的输入口连接，将监测得到的电池电压值实时传送至均衡控制单元(05)；

所述的通道切换单元包括双刀继电器(j1)、第二继电器(j2)、……第n继电器(jn)；所述DC/DC直流电压转换单元(02)的输出端分别接双刀继电器(j1)、第二继电器(j2)、……第n继电器n(jn)的输入端，双刀继电器(j1)的输出端分别跨接在第一电池单体(b1)、第二电池单体(b2)、……第n电池单体(bn)的正负极两端；

所述的DC/DC直流电压转换单元(02)的输入端跨接在电池组的总正(a1)和总负(a2)上，即DC/DC直流电压转换单元(02)由电池组(08)自供电，DC/DC直流电压转换单元(02)的输出端连接至通道切换单元(06)的输入端，通道切换单元(06)的输出端分别跨接在电池组(08)中单体电池(b1、b2……bn)的正极和负极两端；

所述的均衡控制单元(05)的输入端与电池状态监测单元(07)的I/O输出端相连，均衡控制单元(05)的输出端充电控制单元(04)接DC/DC直流电压转换单元(02)，均衡控制单元(05)的输出端通道逻辑选通单元(03)接通道切换单元(06)，均衡控制单元(05)在接收到电池状态监测单元(07)发送的通道逻辑选通命令和充电控制命令后，控制DC/DC直流电压转换单元(02)工作和通道切换单元(06)通道选通；

所述的均衡控制单元(05)通过电池状态监测单元(07)实时检测得到的电池组各电池单体(b1、b2……bn)电压值，均衡控制单元(05)根据接收到的各电池单体电压值，分别逐一计算某一电池单体(b1)与其余电池单体(b2、b3、……、bn)的电压差；均衡控制单元(05)通过线性插值算法分别逐一计算某一电池单体(b1)与其余电池单体(b2、b3、……、bn)的能量差；均衡控制单元(05)通过冒泡排序算法，确定最大电压差、最大能量差，以及能量最高电池单体序号，能量最低电池单体序号；当最大电压差大于均衡阈值电压均衡控制单元(05)的通道逻辑选通单元(03)对能量最低单体电池进行通道选通操作；均衡控制单元(05)根据最大能量差和均衡电流设定均衡时间，均衡控制单元(05)中的充电控制子单元(04)控制DC/DC直流电压转换单元(02)进行均衡充电；

所述的通道切换单元(06)由双刀继电器j1、双刀继电器j2、……、双刀继电器jn构成；双刀继电器的j1、j2、……、jn的控制端与均衡控制单元(05)的通道逻辑选通子单元(03)相连，用于接收均衡通道选通信号；双刀继电器j1、j2、……、jn的输入端均连接至DC/DC直流电压转换单元(02)的输出端口；双刀继电器j1的输出端口分别与电池单体b1的正负端相连，用于控制电池单体b1均衡回路的开通与关断；双刀继电器j2的输出端口分别与电池单体b2的正负端相连，用于控制电池单体b2均衡回路的开通与关断，以此类推，双刀继电器jn的输出端口分别与电池单体bn的正负端相连，用于控制电池单体bn均衡回路的开通与关断。

2.按照权利要求1所述的电池组主动均衡系统，其特征在于电池间的能量差计算方法是，首先依据电池特性实验，制定各电池单体在不同温度下电压与电池能量的关系数据表，然后在电池工作过程中实时检测各电池单体的电压值，根据各电池单体电压值进行电池单体能量的插值查表计算，同时确定能量最低的电池单体，最后将查表所得各电池单体电压能量值进行两两相减，即可得到各电池单体间的能量差。

3.按照权利要求1所述的电池组主动均衡系统，其特征在于均衡过程中DC/DC直流电压转换单元(02)自供电，整个电池组(08)在放电，令放电电流大小为I_d，那么在能量最低的电池单体上叠加电流为I_s＝I_tal-I_d+I_c；同理，能量最高的电池单体上叠加电流为I_i＝I_tal-I_d；在t时间内，能量最低的电池单体补充的能量为ΔQ_t，且能量最高的电池单体补充的能量为ΔD_t，当达到均衡时应有等式E_max+ΔD_t＝E_min+ΔQ_t，即：

$E_{max}+{\∫}_0^t{I}_{i}dt=E_{min}+{\∫}_0^t{I}_{s}dt---\left(1\right)$

最终可以得到有：

$\mathrm{\Δ}E={\∫}_0^t{I}_{s}dt-{\∫}_0^t{I}_{i}dt={\∫}_0^t{I}_{c}dt---\left(2\right)$

其中ΔE能量差，I_c充电电流，t均衡时间，E_max为能量最高的单体能量值，E_min为能量最低的单体能量值。