CN103607000A - 分流均衡充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蓄电池中各个单体电池的分流均衡充电方法，将串联电池组中的每个电池单体各并联一个分流装置，所有的分流装置均连接检测电路，检测电路和所有的分流装置均连接于控制电路，充电过程中，检测电路检测电池组总电压与各电池单体电压，将各电池单体电压与平均单体电压进行比较，确定出比平均单体电压高的电池单体；控制电路启动并联于比平均单体电压高的电池单体的分流装置，给这部分电池单体的充电电流分流，直到这部分电池单体电压与平均单体电压相等；本发明在充电一开始时就对单体电压偏高的单体进行减少充电电流的均衡动作，整个充电过程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，均衡速度快，均衡效果好。

Description

分流均衡充电方法

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电池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，同时能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，影响均衡效果问题，从而提出一种新型的分流均衡充电方法。

本发明的技术方案是采用如下步骤：

（1）将串联电池组中的每个电池单体各并联一个分流装置，所有的分流装置均连接检测电路，检测电路和所有的分流装置均连接于控制电路，由充电机对串联电池组充电。

（2）充电过程中，检测电路检测电池组总电压Vb与各电池单体电压Vi，并将总电压Vb与各电池单体电压Vi输入控制电路，以电池组总电压Vb除以单体总数得到电池组在充电过程中相同时间内的平均单体电压Va；将各电池单体电压Vi与平均单体电压Va进行比较，确定出比平均单体电压Va高的电池单体。

（3）控制电路启动并联于所述比平均单体电压Va高的电池单体的分流装置，控制这些分流装置减少与其并联的电池单体的充电电流，给这部分电池单体的充电电流进行分流，直到这部分电池单体电压Vi与平均单体电压Va相等时，停止分流装置。

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、本发明的均衡过程是在整个充电过程中进行，在充电一开始时就对单体电压偏高的单体进行减少充电电流的均衡动作，因此在整个充电过程中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、由于本发明采用电池平均单体电压作为判断基准，可同时对较多的单体进行分流均衡，分流均衡的电流与单体电压和平均单体电压的差值成正比，因此均衡速度快；同时由于各单体均衡的基准是相同的，因此均衡效果较好。

3、本发明由于采用动态的基准电压（电池平均单体电压）给各个均衡单元（分流装置），因此可以在整个充电过程中精确进行分流均衡，均衡时间长，均衡单元的功率可以比较小。

4、在本发明均衡方法中，由于不存在多充或过充，部分单体的被分流电流（或能量）可直接返回到电池组或其它电池单体中，提高充电效率。

附图说明

图1是本发明所述电池分流均衡方法所采用的电路结构框图；

     图2是本发明所述电池分流均衡方法的流程图。

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均并联一个分流装置，所有的分流装置均连接检测电路，检测电路和所有的分流装置分别连接于控制电路。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。

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。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等电路。

整个均衡充电过程可用模拟数字电路进行控制，也可利用包含有单片机或相关的MCU的电路通过软件进行控制。

再参见图2所示，整个分流均衡充电过程如下：

1、开始时，充电机正常给电池组充电。

2、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，由检测电路对电池组的充电电压进行检测取样，检测取样到电池组总电压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。以平均低单体电压Va作为控制各开关S1，S2，……，SN的动态电压基准。将各电池单体电压Vi与平均单体电压Va逐个地进行比较，确定出比平均单体电压Va高的电池单体，控制电路启动并联于比平均单体电压Va高的电池单体的分流装置，控制这些分流装置减少这部分电池单体的充电电流，给这部分电池单体的充电电流进行分流，直到它们的电压与平均单体电压Va相等时，并联的分流装置才停止工作。

  各个已工作的分流装置的工作电流与它们的单体电压Vi和平均单体电压Va之差成正比，差越大，与这个电池单体并联的分流装置所分流的电流也越大。

分流装置所分流的能量可以通过DC/DC模块回馈给电池组充电。

3、当分流的这部分电池单体中的某个电池单体的电压经分流一段时间后与平均单体电压Va相等时，控制电路再控制与所述某个电池单体并联的分流装置停止工作，此时充电机仍可能给电池组继续充电，当有任一电池单体电压Vi在充电过程中不断上升，到达单体保护电压Vo1保护点时，均衡充电停止；当电池组总电压Vb到达电池组保护电压Vo2保护点时，均衡充电停止；由于在整个充电过程中通过分流装置一直在维持各单体电压Vi在整个充电过程中保持一致，则充电结束后，各单体电压Vi就自然达到均衡目的。 

在分流充电过程中，平均单体电压Va并不是固定不变而是变化的，平均单体电压Va会随着充电机给电池组充电整体电压变化而变化，被分流的电池单体不是固定的，当任何单体电压高于平均单体电压Va时，与之并联的分流装置都会启动并对本单体的充电电流进行分流。当充电过程中出现各个单体电压均达到平均单体电压Va时，分流装置停止工作，充电机仍给电池组继续充电，

4、当电池组总电压Vb到达电池组电压上限保护点时，充电停止，分流均衡也停止，或者在充电后期，当平均单体电压Va在充电过程中不断上升，到达单体电压保护点时，充电停止，分流均衡也停止。由于在整个充电过程中通过分流装置一直在维持各单体电压在整个充电过程中保持一致，则充电结束后，各单体电压就自然达到均衡目的。 

这样，在电池充电过程中，每个电池单体都会在单体电压Vi高于平均单体电压Va时被分流小部分充电电流，使单体电压Vi偏高（通常在充电情况下单体电压偏高的电池单体它的容量也会偏高）的部分单体的充电电流被减少，单体电压偏低（通常在充电情况下单体电压偏低的电池单体它的容量也会偏低）的部分单体的充电电流因没有被减少而获得更多的充电容量；这样每个单体电池的电压与平均单体电压的压差逐渐缩小，直至压差为零，这样也就完成了串联电池组的均衡。

在电池充电过程中，检测电池组每个单体的电压，根据这个单体电池电压与电池组在充电过程中相同时间内的平均单体电压（同时作为各个单体补充充电模块的动态基准电压）进行比较，平均单体电压为电池组总电压除去单体总数，对于单体实际电压比平均单体电压低的单体进行补充充电（均衡充电：通过含有DC/DC电路的补充充电单元模块），对于单体实际电压比平均单体电压高的单体进行分流充电（分流充电：通过含有分流装置减少本单体的充电电流），直到本单体实际电压等于平均单体电压时，给本单体进行的补充充电或分流充电停止。在补充充电或分流充电过程中，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。当充电过程中出现某单体电压达到单体保护电压点时，充电机停止给电池组充电，而分流充电则也同时停止，但补充充电单元则可以继续给需要的单体补充充电，直到所有单体电压均达到单体保护电压点或各个单体电压达到均衡要求。

Claims (10)

1.一种分流均衡充电方法，其特征是采用如下步骤：

（1）将串联电池组中的每个电池单体各并联一个分流装置，所有的分流装置均连接检测电路，检测电路和所有的分流装置均连接于控制电路，由充电机对串联电池组充电；

（2）充电过程中，检测电路检测电池组总电压Vb与各电池单体电压Vi，并将总电压Vb与各电池单体电压Vi输入控制电路，以电池组总电压Vb除以单体总数得到电池组在充电过程中相同时间内的平均单体电压Va；将各电池单体电压Vi与平均单体电压Va进行比较，确定出比平均单体电压Va高的电池单体；

（3）控制电路启动并联于所述比平均单体电压Va高的电池单体的分流装置，控制这些分流装置减少与其并联的电池单体的充电电流，给这部分电池单体的充电电流进行分流，直到这部分电池单体电压Vi与平均单体电压Va相等时，停止分流装置。

2.根据权利要求1所述分流均衡充电方法，其特征是：步骤（3）中，分流装置停止后，充电机仍给电池组继续充电，当有任一电池单体电压Vi在充电过程中不断上升，到达单体保护电压的保护点时，均衡充电停止。

3.根据权利要求1所述分流均衡充电方法，其特征是：步骤（3）中，分流装置停止后，充电机仍给电池组继续充电，当电池组总电压Vb到达电池组保护电压的保护点时，均衡充电停止。

4.根据权利要求1所述分流均衡充电方法，其特征是：步骤（3）中，分流装置停止后，充电机仍给电池组继续充电，当各电池单体电压Vi保持一致，充电结束。

5.根据权利要求1所述分流均衡充电方法，其特征是：步骤（3）中， 各个已工作的分流装置的工作电流与对应的单体电压Vi和平均单体电压Va之差成正比，差值越大，与这个电池单体并联的分流装置所分流的电流也越大。

6.根据权利要求1所述分流均衡充电方法，其特征是：分流装置所分流的能量通过DC/DC模块回馈给电池组充电。

7.根据权利要求1所述分流均衡充电方法，其特征是：步骤（2）中，充电过程中的平均单体电压Va随着电池组总电压Vb变化而变化。

8.根据权利要求1所述分流均衡充电方法，其特征是：控制电路是包括有单片机或MCU的电路。

9.根据权利要求1所述分流均衡充电方法，其特征是：分流装置是恒流源或DC/DC转换电路或电阻或其它类型的能量转换装置。

10.根据权利要求9所述分流均衡充电方法，其特征是：DC/DC转换电路是正激式、反激式、单桥、全桥、LLC、推挽、升压或BUCK-BOOST转换电路。

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