CN103606997A - 快速均衡充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对蓄电池中各个单体电池快速均衡充电的方法，每个电池组的电池单体正负极间均并联一个分流装置和一补充充电单元，充电机对串联电池组充电，在各个电池单体电压都在正常范围内时，对于单体电压比平均单体电压低的电池单体，控制电路控制与它们并联的各补充充电单元向各相应的单体补充充电；对于单体电压比平均单体电压高的电池单体，控制电路控制与它们并联的各分流装置减少相应单体的充电电流，使单体电压等于当前平均单体电压，均衡充电完成；双向均衡，均衡速度快，采用统一基准进行判断，均衡效果好。

Description

快速均衡充电方法

技术领域

本发明涉及蓄电池领域，具体涉及蓄电池中各个单体电池的均衡充电方法。

背景技术

蓄电池由多个单体电池串联组成，蓄电池组由多个蓄电池串联组成，已广泛地应用在交通、电力、通信等领域的电子设备中。实践表明，蓄电池组的寿命远远低于单体电池的寿命，最根本的原因就是在充电设备对蓄电池组充电式时，流过各个单体电池的电流大小相同，然而由于单体电池的容量存在差异，在以相同的充电电流充电时，会造成有的单体电池未充满，而有的单体电池过冲的现象，也就是造成单体电池充电不均衡，严重降低了蓄电池组的寿命。

 现有的充电均衡器能够有效弥补在充电过程中不一致性，最大限度地发挥电池的效用，延长电池的使用寿命。常见的充电均衡器有如下几种：

（1）被动放电式充电均衡器。这种充电均衡器利用电池管理系统（BMS）检测充电机在充电过程中的单体电池电压，检测到端电压较高的单体电池，则闭合相应的开关，将负载接入为单体电池放电，直到其两端电压与其余单体电池电压接近为止。这种充电均衡器，优点是结构简单，容易实现；缺点是比较耗能，充电机的输出能量不能充分得到利用，有一部分被消耗在无用的负载上，相当于部分单体电池多充后能量再被放出来损耗掉。

（2）高放低充式充电均衡器。这种充电均衡器由放电装置和充电装置共同组成，利用BMS检测充电过程中的单体电池电压，检测到端电压较高的单体电池则闭合相应的开关，同时为端电压低的单体电池补充充电直到与其他单体电压接近为止。这种充电均衡器，优点是单体电池有充有放，相对减少了部分能量损耗；缺点是控制比较复杂，同时也有不必要的能量损耗，同样有部分单体电池多充后能量再被放出来损耗掉。

（3）电容切换式充电均衡器。这种充电均衡器，利用电容在蓄电池组问来回切换实现电压均衡充放电，通过单刀双掷的双向开关进行切换。每个电容都与相邻的两个蓄电池相连。切换过程中，电压发生转化，向蓄电池释放或者吸收能量，最终达到相邻两个单体蓄电池的容量一致的目的。这种方法优点是不用消耗能量，效率较高；缺点是这种方法由于引进电容，所以均衡频率受到一定限制。另外，单刀双掷开关的实现比较复杂。同样存在部分电池单体多充后再被放出来转移到欠充的电池单体，转移过程中同样会再次造成能量损耗。

（4）放电平衡式均衡充电机。以最低单体电压为基准，高于这个基准的单体电池则闭合相应的开关，为其放电，直至电压等于最低的单体电池电压，这时，所有闭合的开关都打开，充电机为串联电池组以相同的电流充电，单体电池的电压自动平衡。这种方法的优点是简单易行，缺点是电压检测电路较复杂，电池能量得不到充分利用。同样存在部分电池单体多充后再被放出来损耗掉了。

（5）高放低充均衡充电机。每两个相邻的单体电池之间都有一个双向充电器，当检测到某一单体电池低压低于相邻的单体电池电压时，双向充电器开始工作，由单体电压高的单体电池提供能量，为电压较低的单体电池补充充电，由于相邻的单体电池间都有一个双向充电器，所以当电压不均衡时，双向充电器自动开始工作，电压高的为电压低的补充充电，最终达到单体电池电压均衡的效果。这种方式的优点显而易见，充电效率较高，能量损耗小；缺点是双向充电器的控制很复杂，成本较高。

（6）其他常见的均衡充电机。其他的均衡充电器还包括分体充电，分时分序充电，MCU控制的均衡充电等等。这些均衡方法或设备均存在着部分电池单体多充后再被放出损耗掉或转移到欠充的部分单体中，存在二次转移时的能量损耗，同时每次充电时或充电后多充的电池单体先被充入再放出也会影响电池充电循环寿命。另外，这些均衡充电器都是以一个均衡范围作为单体电池电压偏高或偏低的依据，但在电池充电过程中单体电压变化范围是较大的，这种固定均衡范围作为均衡依据的方法只能在充电后期或充电完成后进行，会增加整体充电均衡的时间，或导致均衡时间较短，影响均衡效果。

发明内容

本发明的目的是为解决目前均衡方法中存在的部分电池单体多充后再被放出损耗掉或转移到欠充的部分单体中，存在二次转移时的能量损耗，同时每次充电时或充电后多充的电池单体先被充入再放出也会影响电池充电循环寿命的问题，解决以一个均衡范围作为单体电池电压偏高或偏低的依据，但在电池充电过程中单体电压变化范围是较大的，这种固定均衡范围作为均衡依据的方法只能在充电后期或充电完成后进行，影响均衡效果的问题，从而提出一种新型的快速均衡充电方法。

本发明采用的技术方案是采用如下步骤：（1） 每个电池组的电池单体正负极间均并联一个分流装置和一补充充电单元，所有的分流装置和补充充电单元均连接检测电路，检测电路和所有的分流装置及补充充电单元分别连接于控制电路；（2）充电机对串联电池组充电，在各个电池单体电压都在正常范围内时，检测电路检测电池组总电压与各电池单体电压，控制电路计算出平均单体电压，将电池组总电压、各电池单体电压及平均单体电压送给补充充电单元和分流装置；（3）对于单体电压比平均单体电压低的电池单体，控制电路控制与它们并联的各补充充电单元向各相应的单体补充充电；对于单体电压比平均单体电压高的电池单体，控制电路控制与它们并联的各分流装置减少相应单体的充电电流，使单体电压等于当前平均单体电压，均衡充电完成。

均衡充电完成后，充电机继续充电，各补充充电单元与分流装置处于等待工作状态，当出现新的不均衡时，随时进行工作，直至充电完成。

当出现某个单体电池电压达到单体最高保护电压时，充电机停止充电。

当电池组总电压达到电池组最高保护电压时，充电机停止充电。

充电机停止充电后，分流装置不工作，补充充电单元继续给各个单体电压偏低的电池单体充电，直到最后一个补充充电单元停止补充充电，均衡充电完成

本发明采用上述技术后，与常见的电池充电均衡器的充电均衡方法相比，具有以下优点：

1、整个充电过程中任何单体都不会存在过充现象，也不会产生过充或多充后再放出来消耗掉或转移到其它单体的问题。

2、由于采用动态的电池平均单体电压作为基准电压给各个补充充电单元与分流充电作为统一基准，同时对与平均单体电压进行比较的高电压分流低电压补充，双向进行均衡，均衡速度快，采用统一基准进行判断，均衡效果好。

3、由于采用动态的电池平均单体电压作为基准电压给各个补充充电单元进行补充充电及给各个分流装置进行充电分流，因此可以在整个充电过程中精确进行均衡补充充电与分流充电，均衡时间长，因此补充充电单元模块与分流装置的功率可以比较小。

附图说明

 图1是本发明所述一种快速均衡充电方法所采用的电路结构框图；

     图2是本发明所述一种快速均衡充电方法的流程图。

具体实施方式

参见图1所示，B1，B2，……，Bn是串联电池组中的电池单体，充电机并接串联电池组，对串联电池组充电。每个电池单体B1，B2，……，Bn正负极间均并联一个分流装置和一补充充电单元，每个分流装置均由分流电路和与分流电路串接的开关组成，与电池单体B1，B2，……，Bn并联的分流装置中的开关分别是开关S1，S2，……，Sn。所有的分流装置和补充充电单元均连接检测电路，检测电路和所有的分流装置以及补充充电单元分别连接于控制电路。整个均衡充电过程采用控制电路控制，控制电路可以是模拟数字电路，也可以是利用单片机或相关的MCU通过软件进行控制，

补充充电单元（或模块）可以适用于各种正激式，反激式，BUCK-BOOST(升降压转换器)等不同拓扑形式的电路，但又不仅限于这几种拓扑形式。分流装置可以是恒流源、DC/DC转换电路、电阻、其它类型的能量转换装置，也可以将补充充电单元与分流装置合在一起，如采用可双向充放电的电路拓扑。DC/DC转换电路可以是正激式、反激式、单桥、全桥、LLC、推挽、升压、BUCK-BOOST电路等

整个均衡充电过程可能用模拟数字电路进行控制外，也可以利用单片机或相关的MCU通过软件进行控制，参见图2，整个电池均衡充电过程如下：

开始时充电机正常给电池组充电，在电池充电过程中，在各个电池单体电压都在正常范围内时，检测电路对电池组的充电电压进行取样，检测电池组总电压Vb与各电池单体电压Vi，并输入控制电路，控制电路接受检测电路输来的电池组总电压Vb与各电池单体电压Vi，计算出电池组在充电过程中相同时间内的平均单体电压Va，平均单体电压Va为电池组总电压Vb除以单体总数得到。将电池组总电压Vb和各电池单体电压Vi以及平均单体电压Va送给相应的补充充电单元和分流装置。

在电池充电过程中，以变化的平均单体电压作为均衡基准，对于单体电压Vi比平均单体电压Va低的电池单体，控制电路控制与它们并联的各补充充电单元开始工作，向各相应的单体进行补充充电；对于单体电压Vi比平均单体电压Va高的电池单体，控制电路控制与它们并联的各分流装置开始工作，减少相应单体的充电电流。

对小于平均单体电压Va的单体进行补充充电，随着补充充电的进行，各单体电压Vi越来越接近平均单体电压Va，对大于平均单体电压Va的单体进行分流充电，随着分流充电的进行，各单体电压Vi也越来越接近平均单体电压Va。

由于各补充充电单元及各分流装置的都是以平均单体电压Va为基准，当各补充充电单元和各分流装置都停止工作时，说明各电池单体电压Vi已都已等于当前的平均单体电压Va，说明各单体容量接近一致，均衡充电基本完成，充电机按正常工作充电曲线继续充电，各补充充电单元与分流装置处于等待工作状态，当出现新的不均衡时，它们会随时进行工作，直至充电完成。

在充电后期，当出现某个单体电池电压Vi达到单体最高保护电压Vo1时，给整个电池组充电的充电回路断开，或当电池组总电压Vb达到电池组最高保护电压Vo2时，整个电池组的充电回路也断开，这时，分流装置不再工作，但给各个单体补充充电的补充充电单元可以继续给各个单体电压偏低的电池单体进行充电，当各个单体电压逐步到达与这个最高单体电压时，各个单体的补充充电单元也相应停止补充充电，直到最后一个补充充电单元停止补充充电时，均衡充电完成。

在均衡过程中，各个补充充电单元和分流装置都是以平均单体电压作为输出电压的基准，而平均单体电压会随着充电机给电池组充电整体电压变化而变化，因此各补充充电单元的输出电压也是变化的，但各补充充电单元停止工作时的电压是与当时的平均单体电压完全相等的，各分流装置停止工作时的单体电压是与当时的平均单体电压也是完全相等的，这们在整个充电过程中都可以实现精确均衡。

这样，每个单体电池都会在单体电压低于设定的动态电压基准（平均单体电压）时得到补充充电，每个单体电池都会在单体电压高于设定的动态电压基准（平均单体电压）时分分流掉部分充电电流，这样每个单体电池的电压与动态电压基准的压差会快速缩小，直至压差为零，这样也就完成了串联电池组的均衡。以变化的平均单体电压作为均衡基准，通过同时对单体电压比平均单体电压低的部分单体电池的补充充电和对单体电压比平均单体电压高的部分单体电池的进行分流充电，以达到电池充电均衡的目的，这种以变化的平均单体电压为基准双向均衡的方法较其它均衡方法的速度更快，其补充充电的功率与分流装置的功率都可以大为减少。

Claims (10)

1.一种快速均衡充电方法，充电机并接串联电池组，其特征是采用如下步骤：

（1） 每个电池组的电池单体正负极间均并联一个分流装置和一补充充电单元，所有的分流装置和补充充电单元均连接检测电路，检测电路和所有的分流装置及补充充电单元分别连接于控制电路；

（2）充电机对串联电池组充电，在各个电池单体电压都在正常范围内时，检测电路检测电池组总电压与各电池单体电压，控制电路计算出平均单体电压，将电池组总电压、各电池单体电压及平均单体电压送给补充充电单元和分流装置；

（3）对于单体电压比平均单体电压低的电池单体，控制电路控制与它们并联的各补充充电单元向各相应的单体补充充电；对于单体电压比平均单体电压高的电池单体，控制电路控制与它们并联的各分流装置减少相应单体的充电电流，使单体电压等于当前平均单体电压，均衡充电完成。

2.根据权利要求1所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：步骤（3）中的均衡充电完成后，充电机继续充电，各补充充电单元与分流装置处于等待工作状态，当出现新的不均衡时，随时进行工作，直至充电完成。

3.根据权利要求1所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：当出现某个单体电池电压达到单体最高保护电压时，充电机停止充电。

4.根据权利要求1所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：当电池组总电压达到电池组最高保护电压时，充电机停止充电。

5.根据权利要求4所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：充电机停止充电后，分流装置不工作，补充充电单元继续给各个单体电压偏低的电池单体充电，直到最后一个补充充电单元停止补充充电，均衡充电完成。

6.根据权利要求1所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：步骤（3）中，各个补充充电单元和分流装置都是以平均单体电压作为输出电压。

7.根据权利要求1所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：步骤（3）中，平均单体电压随着充电机给电池组充电整体电压变化而变化。

8.根据权利要求1所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：每个分流装置均由分流电路和与分流电路串接的开关组成。

9.根据权利要求1所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：控制电路是模拟数字电路或是利用单片机或MCU的电路。

10.根据权利要求1所述的一种快速均衡充电方法，其特征是：补充充电单元是各种正激式、反激式、BUCK-BOOST的拓扑形式的电路。

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