CN103647327A - 一种用于电池组的充放电自动均衡装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电池组的充放电自动均衡装置，其电池切换电路（1）与充放电电流传感和信号采集电路（2）连接；控制电路（5）与电池切换电路（1）、均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）连接，控制均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）的充放电的均衡参数。均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）通过充放电电流传感和信号采集电路（2）与电池连接；充放电电流传感和信号采集电路（2）与控制电路（5）连接；均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）的功率开关器件和电池串联。充放电电流传感和信号采集电路（2）的取样电阻（R1）的电压信号进入控制电路（5）用以充放电电流的分析和计算，进行PID闭环均衡充电控制或放电控制。

Description

一种用于电池组的充放电自动均衡装置

技术领域

本发明涉及一种用于电池组的充放电均衡装置。

技术背景

电池组一般由多只单体电池通过串并联的方式组成。整组电池的性能不仅仅取决于电池组内每一只单体电池的性能，还取决于电池组内所有单体电池之间的一致性，包括最大充放电电流、最高储能上限、使用寿命、安全性等主要指标并不取决于性能状态最好的单体电池，而是取决于性能状态最差的单体电池。因此电池组的性能具有“木桶效应”，一致性差的单体电池即是电池组的“短板”，成为电池组的性能“瓶颈”，构成电池组的单体电池越多，保持一致性的难度越大，不一致性的恶劣影响越大。对于电动汽车、电网储能等大规模电池应用场合，电池组基本上都是由上百只甚至几百只单体电池串并联组成，电池的不一致性问题已经成为制约其应用和发展的核心问题之一。高性能的均衡装置是电池组不可或缺的维护工具。

充电或放电是目前常用的均衡手段，即对电池组中剩余电量较低的电池充电或者对剩余电量较高的电池放电，使整组电池的状态趋于一致。在大多数电池组中，常常出现剩余电量较高和较低的多个电池同时存在的现象，目前专用均衡装置很少，并且大多数是仅具有单一充电功能的充电器，或者仅具有单一放电功能的电阻箱，显然无法达到预期的均衡效果。同时高精度的均衡必须对均衡参数：均衡电流、均衡电压、均衡功率，和均衡过程进行精确控制，这也是目前的均衡装置亟待提高的关键。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种用于电池组的充放电均衡装置。本发明既有充电均衡功能也有放电均衡功能。

本发明采用基于PID的均衡充放电电流闭环控制方法控制电池组均衡充放电过程。

一种用于电池组的充放电自动均衡装置，包括用于将需要均衡的电池接入均衡电路的电池切换电路，充放电电流传感和信号采集电路，均衡充电电路和均衡放电电路，以及集成了中央处理器的控制电路。所述的控制电路与电池切换电路连接，控制电池切换电路的切换动作。同时控制电路分别与均衡充电电路和均衡放电电路连接，控制充电电路和均衡放电电路发出控制信号，控制充放电的电流、电压等均衡参数。均衡充电电路和均衡放电电路通过充放电电流传感和信号采集电路分别与电池连接，为需要均衡的电池提供均衡充放电能量。在充放电电流传感和信号采集电路的充放电回路上串联有用于检测充放电电流的取样电阻，取样电阻的电压信号经过滤波和放大处理及AD采样后，进入控制电路用以充放电电流的分析和计算，进行PID闭环均衡充电控制或放电控制。

控制电路中的中央处理器根据电池状态实时计算并调整均衡充电电路和均衡放电电路的电流设定值，将检测到的均衡充电电流或均衡放电电流的实际值与设定值进行比较，当实际值大于设定值时减小均衡充电电路或均衡放电电路中功率开关器件的占空比，当实际值小于设定值时则增加均衡充电电路或均衡放电电路中功率开关器件的占空比，从而实现均衡充放电电流的负反馈闭环控制。

本发明用于电池组的充放电自动均衡装置，在将充电均衡功能电路和放电均衡功能电路集成于一台均衡装置的基础上，利用基于PID的均衡充放电电流闭环控制方法对均衡充放电电流、电压、功率、时间和起停等进行高精度控制，达到精细调整电池一致性状态的目的，通过对一致性差的电池进行精细充放电均衡，可以使电池之间的静置开路电压达到≤±5mV的高精度均衡效果，从而大幅度提高了电池的一致性，既可以有效保持电池组的充放电性能，延长电池组的使用寿命，降低过充电、过放电的危险性，同时控制过程完全自动化，无需人员职守，与仅使用充电器充电或电阻箱放电相比，解决了均衡误差大、自动化程度低的问题。

附图说明

图1是充放电自动均衡装置原理框图；

图2是电池切换电路原理图；

图3是充放电电流传感和信号采集电路原理图；

图4是均衡充电电路原理图；

图5是均衡放电电路原理图；

图6均衡充放电电流闭环PID调节器原理框图；

图7是均衡充放电电流PID闭环控制算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明包括电池切换电路1、充放电电流传感和信号采集电路2、均衡充电电路3、均衡放电电路4和控制电路5。图1中的电池是本发明装置的工作对象。电池和电池切换电路1相联，电池切换电路1和充放电电流传感和信号采集电路2相联，充放电电流传感和信号采集电路2分别与均衡充电电路3、均衡放电电路4和控制电路5相联，均衡充电电路3和均衡放电电路4分别与控制电路5相联。

控制电路5控制电池切换电路1将需要均衡的电池接入充放电电流传感和信号采集电路2，均衡充电电路3和均衡放电电路4则通过充放电电流传感和信号采集电路2与接入的电池连接。控制电路5控制均衡充电电路2和均衡放电电路3的均衡电压、均衡电流、均衡功率、均衡时间以及均衡起停等对电池进行均衡充放电。

图2是电池切换电路原理图。在图2中，电池切换电路1由一组继电器S1、S2……Sn-1、Sn和电压测量直流母线正极BUS+和负极BUS-构成；单体电池B1、B2……Bn-1、Bn的正负极一一对应地连接到继电器S1、S2……Sn-1、Sn的一端，继电器S1、S2……Sn-1、Sn的另一端分别与电压测量直流母线正极BUS+和负极BUS-相联；继电器S1、S2……Sn-1、Sn受控制电路5控制，在同一时刻只允许其中任何一个继电器工作，将对应的单体电池电压接入电压测量直流母线正极BUS+和负极BUS-。

均衡充电电路3和均衡放电电路4共用一个电流传感电路和电流信号采集电路2，如图3所示。图3中的第一电阻R1为取样电阻，串入充放电回路中测量充放电电流，图3中的箭头方向分别表示充放电电流的流动方向，充放电电流与充放电电压的数学关系如式1所示。

U=I*R           1

式1中，U表示取样电阻R1的电压，当充电时该电压为正，放电时为负；I表示流过取样电阻的电流，当充电时该电流为正，放电时为负；R表示取样电阻R1的阻值。取样电阻的温漂系数要求要≤5ppm，在该规格参数下阻值R受环境温度和自身温升的影响较小，可以忽略不计。如果该温漂系数不能满足上述要求，则阻值R受环境温度和自身温升的影响变化较大，将明显影响均衡充放电的控制精度，无法保证高精度电池均衡的效果。

式1表明，当取样电阻的阻值R变化较小可忽略不计前提下，均衡充放电的电压U和电流I成线性比例关系。测量取样电阻的电压后通过式1即可计算出均衡充放电的电流。

图3是充放电电流传感和信号采集电路原理图。图3中，取样电阻R1与电池串联，第一电容C1与取样电阻R1并联。取样电阻R1与电池的连接点通过第二电阻R2与隔离芯片U1的输入端2脚连接。取样电阻R1没有与电池连接的一端与隔离芯片U1的3脚和4脚连接。第二电容C2并联在隔离电路芯片U1的输入端引脚2和引脚3之间。隔离芯片U1的输出端6脚通过第三电阻R3与运算放大器芯片U2A的输入端6脚连接，隔离芯片U1的输出端7脚通过第五电阻R5与运算放大器芯片U2A的输入端5脚连接。第六电阻R6串联在运算放大器芯片U2A的输入端5脚与电源地之间，第五电容C5与第六电阻R6并联，第四电阻R4并联在运算放大器芯片U2A的输入端6脚和输出端7脚之间，第六电容C6和第四电阻R4并联，第七电阻串联在运算放大器芯片U2A的输出端7脚和中央处理器的AD接口之间。第一二极管D1的阴极与电源VDD3V3连接，第一二极管D1阳极与AD接口连接，第二二极管D2的阴极与第一二极管的阳极连接，第二二极管D2的阳极接地，第七电容C7与第二二极管D2并联。

在图3中，取样电阻R1的电压首先经过第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2的低频滤波后，进入隔离电路芯片U1。隔离后的电压信号通过电阻R3～R6、电容C5～C6、运算放大器芯片U2A进行信号差分放大处理。经差分放大后的电压信号通过第七电阻R7和第七电容C7进行低频滤波，再经过第一二极管D1和第二二极管D2钳位后通过AD接口进入控制电路。中央处理器将电压信号的模拟量转换为数字量并进行数字滤波后，根据式1计算出均衡充放电电流的实际值。

图4是均衡充电电路原理图。在图4中，均衡充电电路包括DC/DC电源模块，第一电容C1和第二电容C2，功率开关器件Q1，第一二极管D1，电感L1，第三电容C3和第四电容C4。电池是均衡充电电路的工作对象，第一电阻R1是用于检测充放电电路的取样电阻。

在图4中，DC/DC电源模块的输出端正极和负极之间输出直流电压，第一电容C1和第二电容C2并联在DC/DC电源模块的输出端正负极之间，用于对DC/DC电源模块的输出电压进行稳压和滤波；功率开关器件Q1的漏极D与DC/DC电源模块的正极连接，功率开关器件Q1的源极S分别与电感L1和第一二极管D1的阴极连接；第一二极管D1的阳极与DC/DC电源模块的负极连接；电感L1与电池连接，取样电阻R1的一端与电池串联，取样电阻R1的另一端与DC/DC电源模块的负极连接；第三电容C3和第四电容C4与串联后的电池、取样电阻R1并联。功率开关器件Q1的门极G受控制电路发出的脉冲信号控制。

在图4中，控制电路通过控制功率开关器件Q1的占空比来控制充电电流的大小和均衡充电电路的起停。占空比越大，充电电流越大；占空比越小，充电电流越小；占空比为0，则充电电流为0，停止充电。电感L1、第三电容C3和第四电容C4用于电流滤波，第一二极管D1用于电流续流。

图5是均衡放电电路原理图。在图5中，均衡放电电路包括第二电阻R2和功率开关器件Q2。第二电阻R2串联在功率开关器件Q2的漏极D和电池正极之间，取样电阻R1串联在电池负极和功率开关器件Q2的源极S之间；功率开关器件Q2的门极G受控制电路发出的脉冲信号控制。电池是均衡放电电路的工作对象，第一电阻R1是用于检测充放电电路的取样电阻。

在图5中，控制电路通过控制功率开关器件Q2的占空比来控制放电电流的大小和均衡放电电路的起停。占空比越大，放电电流越大；占空比越小，放电电流越小；占空比为0，则放电电流为0，停止放电。第二电阻R2用于消耗电池放出的能量。

在图1中，均衡充电电路3和均衡放电电路4中的功率开关器件和电池串联，用于控制充电电流和放电电流的大小和开关。中央处理器根据电池状态实时计算并调整均衡充放电的电流设定值，将检测到的均衡充电电流或均衡放电电流的实际值与设定值进行比较，当实际值大于设定值时，减小均衡充电电路3和均衡放电电路4中的功率开关器件的占空比，即可减小充电电流或放电电流。当实际值小于设定值时，增加均衡充电电路3和均衡放电电路4中的功率开关器件的占空比，即可增加充电电流或放电电流，从而实现均衡充电电流或均衡放电电流的负反馈闭环控制。控制过程采用基于PID（比例积分调节）的控制方法，由式2、3推导出闭环控制PID调节器的传递函数。

$U\left(t\right)=\mathrm{Kp}[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---2$

式2中，U(t)是PID调节器的输出，e(t)是PID调节器的输入，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。

在初始情况为零时，对式2两端进行拉氏变换，得到均衡充放电电流闭环控制PID调节器的传递函数式3：

$\frac{U\left(s\right)}{E\left(s\right)}=K_p(1+\frac{1}{T_{i}S}+T_{d}S)---3$

式3中，U(s)是PID调节器输出的拉氏变换，E(s)是PID调节器输入的拉氏变换，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，S为复变量。

均衡充放电电流闭环PID控制的目的是保持均衡过程中充放电电流的恒定，电流越稳定，均衡控制的精度越高，均衡充放电能量的调整就越精细，越有利于提高改善电池的一致性。图6是均衡充放电电流闭环控制PID调节器的原理框图。如图6所示，被控对象是均衡充放电电流的实际值c(t)，给定量r(t)是均衡充放电电流的设定值，即均衡充放电电流的目标值，控制输出值u(t)是与均衡充放电电流的实际值c(t)有对应关系的功率开关器件的PWM驱动信号占空比，误差e(t)是充放电电流的设定值与实际值的差值，该差值经过比例（P）、积分（I）和微分（D）三个环节的运算得到控制输出值u(t)，u(t)决定了充放电电路中功率开关器件占空比的大小，占空比越大，均衡充放电电流越大，占空比越小，均衡充放电电流越小，当占空比为零时，均衡充放电停止。

经过PID调节器的动态调整，控制输出值u(t)通过控制均衡充放电电路中的功率开关器件，使均衡充放电电流的实际值能快速跟随设定值，并趋于稳定，最终实现恒定电流控制。实现上述均衡充放电电流PID闭环控制算法的流程图如图7所示。

如图7所示，程序开始执行后，首先等待1ms的定时中断，当判断到1ms定时中断到来时，对均衡充放电电流进行采样，将采样值与计算值相比较并计算差值e(t)，对差值e(t)进行限幅处理后调用并执行PID算法，算法结束时计算产生出新的PWM占空比，该占空比用于下一个中断时间内控制充放电电路中功率开关器件进行充放电电流的调节。

Claims (6)

1.一种用于电池组的充放电自动均衡装置，其特征在于，所述的充放电自动均衡装置包括将需要均衡的电池接入均衡电路的电池切换电路（1），充放电电流传感和信号采集电路（2），均衡充电电路（3），均衡放电电路（4）和集成了中央处理器的控制电路（5）；所述的电池切换电路（1）与充放电电流传感和信号采集电路（2）连接；控制电路（5）与电池切换电路（1）连接，控制电池切换电路（1）的切换动作；控制电路（5）分别与均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）连接，控制均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）充放电的均衡参数；均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）与充放电电流传感和信号采集电路（2）连接，并通过充放电电流传感和信号采集电路（2）与电池连接，为需要均衡的电池提供均衡充放电能量；充放电电流传感和信号采集电路（2）与控制电路（5）连接，并将充放电电流信号传递给控制电路（5）；在均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）中有功率开关器件和电池串联，用于控制充电电流和放电电流的大小和开关；在充放电电流传感和信号采集电路（2）上有与电池串联的、用于检测充放电电流的取样电阻（R1），取样电阻（R1）的电压信号经过滤波和放大处理及AD采样后，进入控制电路（5）用以充放电电流的分析和计算，进行PID闭环均衡充电控制或放电控制。 

2.根据权利要求1所述的充放电自动均衡装置，其特征在于，所述的电池切换电路（1）由一组继电器（S1、S2……Sn-1、Sn）和电压测量直流母线正极（BUS+）和负极（BUS-）构成；单体电池（B1、B2……Bn-1、Bn）的正负极一一对应地连接到所述继电器（S1、S2……Sn-1、Sn）的一端，所述继电器（S1、S2……Sn-1、Sn）的另一端分别与电压测量直流母线正极（BUS+）和电压测量直流母线负极（BUS-）相联；继电器（S1、S2……Sn-1、Sn）受控制电路（5）控制，在同一时刻只允许其中任何一个继电器工作，将对应的单体电池电压接入电压测量直流母线正极（BUS+）和负极（BUS-）。 

3.根据权利要求1所述的充放电自动均衡装置，其特征在于，所述的充放电电流传感和信号采集电路（2）检测均衡充电电流或均衡放电电流，并将信号传递给控制电路（5）；控制电路（5）的中央处理器根据电池状态实时计算并调整均衡充电电路（3）或均衡放电电路（4）的电流设定值，控制电路（5）将检测到的均衡充电电流或均衡放电电流的实际值与设定值进行比较，当实际值大于设定值时减小均衡充电电路（3）或均衡放电电路（4）中功率开关器件的占空比，当实际值小于设定值时则增加均衡充电电路（3）或均衡放电电路（4）中功率开关器件的占空比，从而实现均衡充放电电流的负反馈闭环控制。 

4.根据权利要求1所述的充放电自动均衡装置，其特征在于，所述的均衡充电电路（3）和均衡放电电路（4）共用一个充放电电流传感和信号采集电路（2）；充放电电流传感和信号采集电路中，取样电阻（R1）与电池串联，电容（C1）与取样电阻（R1）并联；取样电阻（R1）与电池的连接点通过第三电阻（R3）与隔离芯片（U1）的输入端2脚连接；取样电阻（R1）的另一端与第一电容（C1）、第二电容（C2）、隔离芯片（U1）的3脚和4脚连接；隔离芯片（U1）的输出端6脚通过第三电阻（R3）与运算放大器芯片（U2A）的输入端6脚连接，隔离芯片（U1）的输出端7脚通过第五电阻（R5）与运算放大器芯片（U2A）的输入端5脚连接；第三电阻（R3）和第五电阻（R5）串联；运算放大器芯片（U2A）的输出端7脚通过第七电阻（R7）将信号输出给中央处理器的AD接口。 

5.根据权利要求1所述的充放电自动均衡装置，其特征在于，所述的均衡充电电路（3）中，第一电容（C1）和第二电容（C2）并联在DC/DC电源模块的输出端正负极之间；功率开关器件（Q1）的漏极（D）与DC/DC电源模块的正极连接，功率开关器件（Q1）的源极（S）分别与电感（L1）和第一二极管（D1）的的阴极连接；第一二极管（D1）的阳极与DC/DC电源模块的负极连接；电感（L1）与电池连接，取样电阻（R1）的一端与电池串联，取样电阻（R1）的另一端与DC/DC电源模块的负极连接；第三电容（C3）和第四电容（C4）与串联后的电池、取样电阻（R1）并联；功率开关器件（Q1）的门极（G）受控制电路发出的脉冲信号控制。 

6.根据权利要求1所述的充放电自动均衡装置，其特征在于，所述的均衡放电电路（4）中，第二电阻（R2）串联在功率开关器件（Q2）的漏极（D）和电池正极（+）之间，取样电阻（R1）串联在电池负极（-）和功率开关器件（Q2）的源极（S）之间；功率开关器件（Q2）的门极（G）受控制电路发出的脉冲信号控制。 

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