CN103560554A - 电池组电量均衡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电池组电量均衡装置。该装置包括：信号采集模块、电池组、直流变换模块和控制模块，电池组包括多个串联的电池单体；信号采集模块，用于采集电池组中每个电池单体的电压信号、电流信号和温度信号；控制模块，用于根据电压信号、电流信号和温度信号对直流变换模块进行充放电控制；直流变换模块，用于在控制模块的控制下对电池组中每个电池单体进行充电或放电。本发明提供的电池组电量均衡装置，使得电池组中电池单体之间的电量均衡，提高了电池组的可用容量，增加了电池组的循环使用寿命，减少了电池置换成本。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种电池组电量均衡装置。
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的核心储能器件。由于锂电池单体的电压一般为3伏（V）左右，因此电动汽车的锂电池组由几十只甚至数百只电池单体串联组成。
但电池组经长时间充放电后，每个电池单体的容量和电压会出现越来越大的不一致性，使得电池组的充放电深度不断减小，即可用容量不断减小。如图1所示为电池单体不一致性导致的电池组可用容量减小的示意图，在放电过程中，当容量最小的电池单体达到放电电压阈值时，电池组必须停止放电，但此时电池组中其他电池单体还有若干电量未耗尽；对应的，在充电过程中，最先到达充电电压阈值的电池单体阻碍了电池组中其他电池单体继续充电，使得电池组不能得到充分充电。电池组可用容量不断减小，使得电池组的循环使用寿命降低，电池置换成本增加。
发明内容
本发明提供一种电池组电量均衡装置，用以解决现有技术中存在的电池组经长时间充放电后，可用容量不断减小，电池组的循环使用寿命降低，电池置换成本增加的问题。
本发明提供了一种电池组电量均衡装置，包括：信号采集模块、电池组、直流变换模块和控制模块，所述电池组包括多个串联的电池单体；
所述信号采集模块，用于采集所述电池组中每个所述电池单体的电压信号、电流信号和温度信号；
所述控制模块，用于根据所述电压信号、所述电流信号和所述温度信号对所述直流变换模块进行充放电控制；
所述直流变换模块，用于在所述控制模块的控制下对所述电池组中每个所述电池单体进行充电或放电。
本发明提供的电池组电量均衡装置，控制模块根据信号采集模块采集的电池组中每个电池单体的电压信号、电流信号和温度信号，控制直流变换模块对每个电池单体进行充电或放电，使得电池单体之间的电量均衡，提高了电池组的可用容量，增加了电池组的循环使用寿命，减少了电池置换成本。
附图说明
图1为电池单体不一致性导致的电池组可用容量减小的示意图；
图2为本发明提供的电池组电量均衡装置一个实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的电池组电量均衡装置又一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例及附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图2为本发明提供的电池组电量均衡装置一个实施例的结构示意图。如图2所示，该装置具体可以包括：信号采集模块21、电池组22、直流变换模块23和控制模块24，电池组22包括多个串联的电池单体，其中：
信号采集模块21，用于采集电池组22中每个电池单体的电压信号、电流信号和温度信号。
控制模块24，用于根据电压信号、电流信号和温度信号对直流变换模块23进行充放电控制。
直流变换模块23，用于在控制模块24的控制下对电池组22中每个电池单体进行充电或放电。
具体的，信号采集模块21分别与电池组22和控制模块24电连接，直流变换模块23分别与电池组22和控制模块24电连接。
信号采集模块21具体可以通过采集电池组22中每个电池单体正负极之间的电压得到电压信号，通过采集流经电池组22的电流得到电流信号，通过采集设置在电池组22中每个电池单体上的热敏电阻的电阻得到温度信号，并将采集到的电池组22中每个电池单体的电压信号、电流信号和温度信号输入至控制模块24。控制模块24根据从信号采集模块21接收到的电池组22中每个电池单体的电压信号、电流信号和温度信号，控制直流变换模块23对电池组22中每个电池单体进行充电或放电，使得电池单体之间的电量均衡。
本实施例提供的电池组电量均衡装置，控制模块根据信号采集模块采集的电池组中每个电池单体的电压信号、电流信号和温度信号，控制直流变换模块对每个电池单体进行充电或放电，使得电池单体之间的电量均衡，提高了电池组的可用容量，增加了电池组的循环使用寿命，减少了电池置换成本。
图3为本发明提供的电池组电量均衡装置又一个实施例的结构示意图。如图3所示，本实施例描述了图2所示实施例的电池组电量均衡装置的一种具体结构，具体的：
图2所示实施例中的信号采集模块21具体可以包括：信号采集单元31和信号转换单元32，其中：
信号采集单元31，用于采集电池组22中每个电池单体33的模拟量格式的电压信号、电流信号和温度信号。
信号转换单元32，用于将模拟量格式的电压信号、电流信号和温度信号分别转换为数字量格式的电压信号、电流信号和温度信号。
具体的，信号采集单元31分别与电池组22和信号转换单元32电连接，信号转换单元32与控制模块24电连接。
由于信号采集单元31直接采集的电池组22中每个电池单体33的电压信号、电流信号和温度信号均为模拟量格式的信号，而控制模块24一般只能处理数字量格式的信号，因此信号转换单元32将信号采集单元31采集的模拟量格式的电压信号、电流信号和温度信号转换为控制模块24可以处理的数字量格式的电压信号、电流信号和温度信号，并输入至控制模块24。
进一步的，图2所示实施例中的直流变换模块23具体可以包括：第一直流总线34、第二直流总线35和多个直流变换单元36，直流变换单元36的数量与电池单体33的数量相等，其中：
直流变换单元36的第一端的正极与对应的电池单体33的正极电连接，直流变换单元36的第一端的负极与对应的电池单体33的负极电连接；直流变换单元36的第二端的正极与第一直流总线34电连接，直流变换单元36的第二端的负极与第二直流总线35电连接；直流变换单元36的第三端与控制模块24电连接；
直流变换单元36，用于在控制模块24的控制下对对应的电池单体33进行充电或放电。
具体的，每个直流变换单元36对应一个电池单体33，用于在控制模块24的控制下对该电池单体33进行充电或放电操作。各个直流变换单元36的第二端并联于第一直流总线34和第二直流总线35之间，用于对电池单体33进行充电或放电操作时通过第一直流总线34和第二直流总线进行电荷移动。
进一步的，图2所示实施例中的控制模块24具体可以包括：计算单元37、判断单元38和控制单元39，其中：
计算单元37，用于根据每个电池单体33的电压信号、电流信号和温度信号计算每个电池单体33的剩余电量；
判断单元38，用于根据每个电池单体33的剩余电量判断需进行电量均衡的电池单体、电量均衡的方向、均衡电流的大小和均衡的时间；
控制单元39，用于根据需进行电量均衡的电池单体、电量均衡的方向、均衡电流的大小和均衡的时间对与每个需进行电量均衡的电池单体对应的直流变换单元36进行充放电控制。
具体的，计算单元37分别与信号采集模块21和判断单元38电连接，控制单元39分别与判断单元38和直流变换单元36电连接。
计算单元37根据信号采集模块21采集的每个电池单体33的电压信号、电流信号和温度信号计算每个电池单体33的剩余电量，具体计算方法可以采用现有的各种根据电压信号、电流信号和温度信号计算剩余电量的方法，此处不再赘述。判断单元38根据计算单元37计算得到的每个电池单体33的剩余电量是否位于均衡值范围内，判断电池组22中剩余电量位于均衡值范围外的电池单体为需进行电量均衡的电池单体，并进一步判断电量均衡的方向、均衡电流的大小和均衡的时间。控制单元39根据判断单元38的判断结果对与每个需进行电量均衡的电池单体对应的直流变换单元36进行充放电控制，使得剩余电量位于均衡值范围外的电池单体经充电或放电后剩余电量位于均衡值范围内，即实现电量均衡。
进一步的，控制单元39具体可以包括：确定子单元40、设置子单元41和控制子单元42，其中：
确定子单元40，用于根据需进行电量均衡的电池单体和电量均衡的方向确定需进行放电的电池单体和需进行充电的电池单体。
设置子单元41，用于根据均衡电流的大小和均衡的时间设置直流总线电压和充电电流。
控制子单元42，用于根据充电电流对与需进行充电的电池单体对应的直流变换单元36进行充电控制，以及根据直流总线电压对与需进行放电的电池单体对应的直流变换单元36进行放电控制。
具体的，确定子单元40分别与判断单元38和控制子单元42电连接，设置子单元41分别与判断单元38和控制子单元42电连接。
确定子单元40根据判断单元38判断结果中的需进行电量均衡的电池单体和电量均衡的方向，确定需进行放电的电池单体和需进行充电的电池单体。设置子单元41根据判断单元38判断结果中的均衡电流的大小和均衡的时间设置合适的直流总线电压和充电电流。控制子单元42根据设置子单元41设置的直流总线电压对与需进行放电的电池单体对应的直流变换单元36进行放电控制，即控制与需进行放电的电池单体对应的直流变换单元36运行于电压控制模式下；根据设置子单元41设置的充电电流对与需进行充电的电池单体对应的直流变换单元36进行充电控制，即控制与需进行充电的电池单体对应的直流变换单元36运行于电流控制模式下。
下面举例说明各电池单体之间电量均衡的具体过程：
以包括3个电池单体（需放电的电池单体为1个且需充电的电池单体为1个）的电池组为例，假设计算单元37计算出3个电池单体的剩余电量分别为50%（对应电池单体1）、30%（对应电池单体2）和10%（对应电池单体3），则判断单元38判断出需进行电量均衡的电池单体为电池单体1和电池单体3，电量均衡的方向为电荷由电池单体1转移至电池单体3，均衡电流的大小为I，均衡的时间为T。确定子单元40根据判断单元38判断出的需进行电量均衡的电池单体为电池单体1和电池单体3，电量均衡的方向为电荷由电池单体1转移至电池单体3，确定需进行放电的电池单体为电池单体1，需进行充电的电池单体为电池单体3。设置子单元41根据判断单元38判断出的均衡电流的大小I和均衡的时间T设置直流总线电压Vout和充电电流Iin。控制子单元42控制与电池单体1对应的直流变换单元36运行在电压控制模式下，即将第一直流总线34和第二直流总线35之间的电压设置为直流总线电压Vout，并对电池单体1进行放电，使得第一直流总线34和第二直流总线35之间的电压稳定在直流总线电压Vout；控制子单元42控制与电池单体3对应的直流变换单元36运行在电流控制模式下，即控制与电池单体3对应的直流变换单元36按充电电流Iin对电池单体3进行充电。当电池单体1和电池单体3的电量均衡后停止对电池单体1的放电和对电池单体3的充电。
又以包括3个电池单体（需放电的电池单体为1个且需充电的电池单体为2个）的电池组为例，假设计算单元37计算出3个电池单体的剩余电量分别为50%（对应电池单体1）、20%（对应电池单体2）和20%（对应电池单体3），则判断单元38判断出需进行电量均衡的电池单体为电池单体1、电池单体2和电池单体3，电量均衡的方向为电荷由电池单体1转移至电池单体2和电池单体3，均衡电流的大小分别为I，均衡的时间为T。确定子单元40根据判断单元38判断出的需进行电量均衡的电池单体为电池单体1、电池单体2和电池单体3，电量均衡的方向为电荷由电池单体1转移至电池单体2和电池单体3，确定需进行放电的电池单体为电池单体1，需进行充电的电池单体为电池单体2和电池单体3。设置子单元41根据判断单元38判断出的均衡电流的大小I和均衡的时间T设置直流总线电压Vout和充电电流Iin。控制子单元42控制与电池单体1对应的直流变换单元36运行在电压控制模式下，即将第一直流总线34和第二直流总线35之间的电压设置为直流总线电压Vout，并对电池单体1进行放电，使得第一直流总线34和第二直流总线35之间的电压稳定在直流总线电压Vout；控制子单元42分别控制与电池单体2和电池单体3对应的直流变换单元36运行在电流控制模式下，即分别控制与电池单体2和电池单体3对应的直流变换单元36按充电电流Iin对电池单体2和电池单体3进行充电。当电池单体1、电池单体2和电池单体3的电量均衡后停止对电池单体1的放电和对电池单体2和电池单体3的充电。
又以包括3个电池单体（需放电的电池单体为2个且需充电的电池单体为1个）的电池组为例，假设计算单元37计算出3个电池单体的剩余电量分别为40%（对应电池单体1）、40%（对应电池单体2）和10%（对应电池单体3），则判断单元38判断出需进行电量均衡的电池单体为电池单体1、电池单体2和电池单体3，电量均衡的方向为电荷由电池单体1和电池单体2转移至电池单体3，均衡电流的大小分别为I，均衡的时间为T。确定子单元40根据判断单元38判断出的需进行电量均衡的电池单体为电池单体1、电池单体2和电池单体3，电量均衡的方向为电荷由电池单体1和电池单体2转移至电池单体3，确定需进行放电的电池单体为电池单体1和电池单体2，需进行充电的电池单体为电池单体3。设置子单元41根据判断单元38判断出的均衡电流的大小I和均衡的时间T设置直流总线电压Vout和充电电流Iin。控制子单元42依次控制与电池单体1对应的直流变换单元36和电池单体2对应的直流变换单元36运行在电压控制模式下，即将第一直流总线34和第二直流总线35之间的电压设置为直流总线电压Vout，并依次对电池单体1和电池单体2进行放电，使得第一直流总线34和第二直流总线35之间的电压稳定在直流总线电压Vout；控制子单元42控制与电池单体3对应的直流变换单元36运行在电流控制模式下，即控制与电池单体3对应的直流变换单元36按充电电流Iin对电池单体3进行充电。当电池单体1、电池单体2和电池单体3的电量均衡后停止对电池单体1和电池单体2的放电和对电池单体3的充电。
进一步的，当需充电的电池单体为多个时，需同时控制该多个电池单体充电，控制难度较大，因此可采用控制需放电的电池单体放电至整个电池组的方式实现各个电池单体的电量均衡。相应的，当需放电的电池单体为多个时，需同时控制该多个电池单体放电，控制难度较大，因此可采用控制整个电池组放电至需充电的电池单体的方式实现各个电池单体的电量均衡。具体的：
图2所示实施例中的直流变换模块23还包括：直流总线选通单元43。
直流总线选通单元43的第一端的正极与电池组22的正极电连接，直流总线选通单元43的第一端的负极与电池组22的负极电连接；直流总线选通单元43的第二端的正极与第一直流总线34电连接，直流总线选通单元43的第二端的负极与第二直流总线35电连接；直流总线选通单元43的第三端与控制子单元42电连接；
直流总线选通单元43，用于在控制子单元42的控制下接通或断开电池组22的正极和第一直流总线34之间的电连接以及电池组22的负极和第二直流总线35之间的电连接；
判断单元38还用于：根据每个电池单体33的剩余电量判断是否接通电池组22的正极和第一直流总线34之间的电连接以及电池组22的负极和第二直流总线35之间的电连接；
控制子单元42还用于：若判断单元38的判断结果为是，则控制直流总线选通单元43接通电池组22的正极和第一直流总线34之间的电连接以及电池组22的负极和第二直流总线35之间的电连接，并根据充电电流对电池组22或对与需进行充电的电池单体33对应的直流变换单元36进行充电控制。
具体的，判断单元38根据计算单元37计算得到的每个电池单体33的剩余电量，判断出需进行电量均衡的电池单体，并当需充电的电池单体为多个或当需放电的电池单体为多个时，判断出需接通电池组22的正极和第一直流总线34之间的电连接以及电池组22的负极和第二直流总线35之间的电连接，并触发控制子单元42控制直流总线选通单元43接通电池组22的正极和第一直流总线34之间的电连接以及电池组22的负极和第二直流总线35之间的电连接。判断单元38进一步判断出电量均衡的方向（电荷由需放电的电池单体转移至整个电池组22或由整个电池组22转移至需充电的电池单体），均衡电流的大小和均衡的时间。设置子单元41根据判断单元38判断结果中的均衡电流的大小和均衡的时间设置合适的充电电流，控制子单元42根据设置子单元41设置的充电电流对整个电池组22或对与需进行充电的电池单体对应的直流变换单元36进行充电控制。
仍以包括3个电池单体（需放电的电池单体为1个且需充电的电池单体为2个）的电池组为例，假设计算单元37计算出3个电池单体的剩余电量分别为50%（对应电池单体1）、20%（对应电池单体2）和20%（对应电池单体3），则判断单元38判断出需进行电量均衡的电池单体为电池单体1，电量均衡的方向为电荷由电池单体1转移至整个电池组，均衡电流的大小为I，均衡的时间为T，第一直流总线34和第二直流总线35需要分别连接电池组22的正极和负极。确定子单元40根据判断单元38判断出的需进行电量均衡的电池单体为电池单体1，电量均衡的方向为电荷由电池单体1转移至整个电池组22，确定需进行放电的电池单体为电池单体1，需进行充电的为整个电池组。设置子单元41根据判断单元38判断出的均衡电流的大小I和均衡的时间T设置充电电流Iin。控制子单元42控制与电池单体1对应的直流变换单元36运行在电流控制模式下，并对电池单体1进行放电，按充电电流Iin对整个电池组进行充电。整个电池组电量均衡后停止对电池单体1的放电和对整个电池组的充电。
仍以包括3个电池单体（需放电的电池单体为2个且需充电的电池单体为1个）的电池组为例，假设计算单元37计算出3个电池单体的剩余电量分别为40%（对应电池单体1）、40%（对应电池单体2）和10%（对应电池单体3），则判断单元38判断出需进行电量均衡的电池单体为电池单体3，电量均衡的方向为电荷由整个电池组转移至电池单体3，均衡电流的大小为I，均衡的时间为T，第一直流总线34和第二直流总线35需要分别连接电池组22的正极和负极。确定子单元40根据判断单元38判断出的需进行电量均衡的电池单体为电池单体3，电量均衡的方向为电荷由整个电池组22转移至电池单体3，确定需进行放电的为整个电池组，需进行充电的电池单体为电池单体3。设置子单元41根据判断单元38判断出的均衡电流的大小I和均衡的时间T设置充电电流Iin。控制子单元42控制与电池单体3对应的直流变换单元36运行在电流控制模式下，即控制与电池单体3对应的直流变换单元36按充电电流Iin对电池单体3进行充电，并对整个电池组22进行放电控制。整个电池组电量均衡后停止对整个电池组的放电和对电池单体3的充电。
本实施例提供的电池组电量均衡装置，控制模块根据信号采集模块采集的电池组中每个电池单体的电压信号、电流信号和温度信号，控制直流变换模块对每个电池单体进行充电或放电，使得电池单体之间的电量均衡，提高了电池组的可用容量，增加了电池组的循环使用寿命，减少了电池置换成本。
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 (6)
1.一种电池组电量均衡装置，其特征在于，包括：信号采集模块、电池组、直流变换模块和控制模块，所述电池组包括多个串联的电池单体；
所述信号采集模块，用于采集所述电池组中每个所述电池单体的电压信号、电流信号和温度信号；
所述控制模块，用于根据所述电压信号、所述电流信号和所述温度信号对所述直流变换模块进行充放电控制；
所述直流变换模块，用于在所述控制模块的控制下对所述电池组中每个所述电池单体进行充电或放电。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块包括：信号采集单元和信号转换单元；
所述信号采集单元，用于采集所述电池组中每个所述电池单体的模拟量格式的所述电压信号、所述电流信号和所述温度信号；
所述信号转换单元，用于将所述模拟量格式的所述电压信号、所述电流信号和所述温度信号分别转换为数字量格式的所述电压信号、所述电流信号和所述温度信号。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述直流变换模块包括：第一直流总线、第二直流总线和多个直流变换单元，所述直流变换单元的数量与所述电池单体的数量相等；
所述直流变换单元的第一端的正极与对应的所述电池单体的正极电连接，所述直流变换单元的第一端的负极与对应的所述电池单体的负极电连接；
所述直流变换单元的第二端的正极与所述第一直流总线电连接，所述直流变换单元的第二端的负极与所述第二直流总线电连接；
所述直流变换单元的第三端与所述控制模块电连接；
所述直流变换单元，用于在所述控制模块的控制下对所述对应的所述电池单体进行充电或放电。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括：计算单元、判断单元和控制单元；
所述计算单元，用于根据每个所述电池单体的所述电压信号、所述电流信号和所述温度信号计算每个所述电池单体的剩余电量；
所述判断单元，用于根据每个所述电池单体的所述剩余电量判断需进行电量均衡的电池单体、电量均衡的方向、均衡电流的大小和均衡的时间；
所述控制单元，用于根据所述需进行电量均衡的电池单体、所述电量均衡的方向、所述均衡电流的大小和所述均衡的时间对与每个所述需进行电量均衡的电池单体对应的直流变换单元进行充放电控制。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括：确定子单元、设置子单元和控制子单元；
所述确定子单元，用于根据所述需进行电量均衡的电池单体和所述电量均衡的方向确定需进行放电的电池单体和需进行充电的电池单体；
所述设置子单元，用于根据所述均衡电流的大小和所述均衡的时间设置直流总线电压和充电电流；
所述控制子单元，用于根据所述充电电流对与所述需进行充电的电池单体对应的直流变换单元进行充电控制，以及根据所述直流总线电压对与所述需进行放电的电池单体对应的直流变换单元进行放电控制。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述直流变换模块还包括：直流总线选通单元；
所述直流总线选通单元的第一端的正极与所述电池组的正极电连接，所述直流总线选通单元的第一端的负极与所述电池组的负极电连接；所述直流总线选通单元的第二端的正极与所述第一直流总线电连接，所述直流总线选通单元的第二端的负极与所述第二直流总线电连接；所述直流总线选通单元的第三端与所述控制子单元电连接；
所述直流总线选通单元，用于在所述控制子单元的控制下接通或断开所述电池组的正极和所述第一直流总线之间的电连接以及所述电池组的负极和所述第二直流总线之间的电连接；
所述判断单元还用于：
根据每个所述电池单体的所述剩余电量判断是否接通所述电池组的正极和所述第一直流总线之间的电连接以及所述电池组的负极和所述第二直流总线之间的电连接；
所述控制子单元还用于：
若所述判断单元的判断结果为是，则控制直流总线选通单元接通所述电池组的正极和所述第一直流总线之间的电连接以及所述电池组的负极和所述第二直流总线之间的电连接，并根据所述充电电流对所述电池组或对与所述需进行充电的电池单体对应的直流变换单元进行充电控制。
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