CN103944226B - 一种单电池电芯补偿多电芯的电量均衡系统及均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多电池电芯电量均衡系统及均衡方法，包括多个串联的单体电池，该系统包括补偿电池，用于对电池回路中的单体电池进行充放电；开关选择通道电路，选择对补偿电池进行充电或者对单体电池放电；第一电池电压采样电路，与所述补偿电池连接，用于采集补偿电池的电量信息；第二电池电压采样电路，与所述单体电池连接，用于采集每个单体电池的电量信息；电池短路保护电路，与所述第二电池电压采样电路连接，用于保证补偿电池在一段时间内与一个单体电池并联。本发明能够使电池组获得的总电能相对于均衡前会增加，且各单体电池不会过充、过放，从而延长了电池组的使用寿命。

Description

一种单电池电芯补偿多电芯的电量均衡系统及均衡方法

技术领域

本发明涉及锂电池，更具体地涉及一种单电池电芯补偿多电芯的电量电量均衡系统及均衡方法。

背景技术

锂离子电池在应用过程中供电电源通常由多个单体电池串联组成，以满足设备所需电压和功率要求。在实际使用中，由于单体电池之间的差异，电池组的容量只能达到最弱的电池的容量。在串联电池组中，虽然通过单体电池的电流相同，但是由于其容量不同，电池的放电深度也会不同，容量大的总会欠充欠放，而容量小的总会过充过放，这就造成容量大的衰减缓慢、寿命延长；容量小的衰减加快、寿命缩短，两者之间的差异会越来越大，最终小容量电池的失效会导致电池组的提前失效。

通常我们把因单体电池的性能差异而导致的电池组性能降低的现象称为电池匹配失衡。大多数情况下，引起匹配失衡的原因是电池的制作工艺和检测手段的不完善，而不是锂离子电池本身的化学属性变化。即使在生产出电池后进行检测分类再进行组合，也会出现电池匹配失衡的现象。比如：各单体的自放电量不同导致电池组在搁置过程中的容量失衡、单体之间电阻不同导致个别单体在电池组充电过程中过充等。

电池匹配失衡主要表现在两个方面：电池荷电状态失衡（即：所有单体的容量相同，但在电池组制作或搁置过程中，单体的荷电状态不同）和电池容量或能量的失衡。采用电池均衡处理技术便可解决以上两种失衡问题，从而改进串联电池组的电性能。电池荷电态失衡需在电池组初次充、放电时进行均衡调整电池,此后只需在充电期间进行均衡即可，而容量或能量失衡则必须在充、放电过程都进行均衡。

在理想状态下，锂离子电池组中的单体电池满足以下条件，便认为实现了均衡保护管理：电池组中所有单体电池的容量和荷电状态都相同；电池组中所有单体的容量不同，但单体电池的荷电状态相同。其中电池的荷电状态是指电池的现有容量与电池的实际容量之比。

从上可以看出：电池组均衡是指在电池组的使用过程中，保证各单体电池的荷电状态相同。为了改进串联电池组的电性能，使不匹配的单体电池达到同样的荷电状态，要求一些电池的充电或放电量比其它电池多，所以要给电池组增加额外的元件和电路，现有的技术采用几个串联电池电芯进行相互之间的补偿对串联单体进行均衡管理。这种均衡是通过对电压最高的单体电池分流来实现的。通过数据采集电路，检测每只串联电池的电压，进而判断其在整个电池组中所处的状态，当它的电压超出总平均电压一定幅度后，控制与该只电池并联的分流电路导通，对其进行分流。但此种均衡方法实现上无法安全可靠的运行，同时也会影响电池的使用寿命，因此需要一种新的电池电量均衡系统及均衡方法。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种基于补偿电池方式的电池电芯电量均衡系统及均衡方法。

本发明的技术方案如下：

一种多电池电芯电量均衡系统包括：

补偿电池，用于对电池回路中的单体电池进行充放电；

开关选择通道电路，一端与所述补偿电池连接，一端分别与所述单体单池连接，根据单体电池的电量，选择对补偿电池进行充电或者对单体电池放电；

第一电池电压采样电路，与所述补偿电池连接，用于采集补偿电池的电量信息；

第二电池电压采样电路，与所述单体电池连接，用于采集每个单体电池的电量信息；

电池短路保护电路，与所述第二电池电压采样电路连接，用于保证补偿电池在一段时间内与一个单体电池并联。

进一步，所述开关选择通道电路包括依次连接的单片机、驱动保护电路、驱动光耦和双向开关，所述单片机通过驱动保护电路输出驱动信号至光耦驱动，经光耦驱动进行放大和增强驱动能力，光耦输出信号驱动双向开关,使双向开估对应的电流支路导通。

进一步，所述电池短路保护电路采用四个输入非门和四个四输入与门实现。

一种单电池电芯补偿多电芯的电量均衡方法包括如下步骤：

1）第一和第二电池电压采样电路分别采集补偿电池和每个单体电池的电量信息；

2）对单体电池的电量进行判断，确定是否对其充电或者放电。

进一步，所述步骤2中对单体电池的电量进行判断时，

采用轮流检测串联电池电芯方式，并对所有电芯电压进行电量大小排序，当被测某个单体电池的电量低于设定值时，开关选择通道电路选择一个补偿电池对单体电池充电；如果有多个单体电池电量低于设定值，则选取电量最小的进行充电。

采用轮流检测串联电池电芯方式，并对所有电芯电压进行电量大小排序，当被测某个单体电池的电量高于设定值时，开关选择通道电路选择一个补偿电池与该超过设定值的电池进行并联，由单体电池对补偿电池进行放电；如果有多个单体电池电量高于设定值，则选取电量最高的进行充电。

如果同时有高于设定值和低于设定值得电池，则先处理高于设定值的电池。

进一步，所述对单体电池进行充电或放电的时间设定为N分钟，当N分钟达到时，不管充放电是否完成，都进入重新轮流检测串联电池电芯的电量。本发明的有益效果如下：

本发明能够使电池组获得的总电能相对于均衡前会增加，且各单体电池不会过充、过放，从而延长了电池组的使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1：多电池电芯电量均衡系统结构原理图；

图2：电池电压采样电路结构原理图；

图3：开关选择通道电路结构原理图；

图4：双向开关电路原理图；

图5：驱动保护电路原理图；

图6：电池短路保护电路结构原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的一个目的是提供一种电池电芯电量均衡系统就，如图1所示为多电池电芯电量均衡系统结构原理图。所述均衡系统包括补偿电池，电池电压采样电路，开关选择通道电路，电池电压采样电路和电池短路保护电路。本发明主要采用一个补偿电池Bx分别与系统中串联的电池B1,B2……Bn并联,当某个单体电池电压高于设定值V_max时,通过开关选择通道电路切换，则该单体电池与补偿电池并联，单体电池向补偿电池放电。当某个单体电池电压低于设定值V_min时,通过开关选择通道电路切换，该单体电池与补偿电池并联，补偿电池向该单体电池充电,从而实现均衡功能。并通过电池短路保护方案对电池管理系统进行保护。下面以四节电池串联为例，详细说明该系统各部分组成。

1.电池电压采样电路

以B1电池为例，采样电路采用差分运算放大器LM324，将B1电池的正极和负极分别功过10K电阻连接到LM324的3脚正端和2脚，B1电池的正极与运算放大器的11脚之间接一个电容10nF。同时，运算放大器的11脚与电路的模拟地VP-相连，B1电池的负极与VP-之间接一个电容10nF，运算放大器的1脚与2脚之间接一个10K的电阻。运算放大器的输出1脚与VP-之间接一个稳压二极管，运算放大器1脚输出为被测电池两端电压。其它电池两端电压采样与此相同。

2.开关选择通道电路

对于均衡电路，需要实现补偿电池给单体充电，同时也需要实现单体电池给补偿电池放电，因此需要双向电子开关。

如图2,3,4所示，开关选择通道电路包括双向开关、驱动光耦、驱动保护电路及单片机MCU采用的是STM8系列或类似型号。其中双向开关采用两个MOS管串联，一端连在补偿电池的正极，一端连接在单体电池的正极，通过光耦信号驱动MOS管的开通和关断，此处光耦驱动信号为B1_MOS_1和B1_MOS_2。

所述单片机通过驱动保护电路输出驱动信号，再通过驱动光耦进行放大和增强驱动能力，以其中B1_MOS_1为例：

驱动保护电路输出的B1_MOS_D信号，经过一个330欧电阻给光耦的输入，输入和地之间并联10K电阻，光耦输出信号串联一个330欧电阻，同时用一个10K电阻与电池正极PACK+连接，输出的B1_MOS_1可以驱动MOS管。

3.驱动短路保护电路

如图5‐6所示，此部分的目的为了保证补偿电池在一段时间只与一个单体电池并联，即从硬件上实现互锁功能，使得同一时间开关驱动信号B1_MOS_D，B2_MOS_D，B3_MOS_D，B4_MOS_D，只有一个能输出高电平。具体实现电路如下：

驱动保护电路采用四输入非门SN74LS04和四个四输入与门74LS21构成,避免了补偿电池电芯由于驱动逻辑的错误同时与两个或多个串联电池并联的状态,保证补偿电池同一时刻只能与一个串联的电池发生并联。避免了短路现象发生。

具体实现方式为，以4节电池串联为例，单片机输出B1_4D,B2_4D,B3_4D,B4_4D,四路驱动信号，分别通过非门74LS04变成然后输入74LS21的四输入与门的输入端，输出信号为B1_MOS_D既可以驱动光耦。输入74LS21的四输入与门的输入端，输出信号为B2_MOS_D可以驱动光耦。输入74LS21的四输入与门的输入端，输出信号为B3_MOS_D可以驱动光耦。输入74LS21的四输入与门的输入端，输出信号为B4_MOS_D可以驱动光耦。

此时，如果如果B1_4D输出为高，B2_4D,B3_4D,B4_4D输出为低时，最后B1_MOS_D信号为高，驱动该组MOS管导通，使得补偿电芯与B1电池并联。而当由于单片机信号发出错误或者由于外部干扰等原因发生B1_4D,B2_4D,B3_4D,B4_4D中的两个或多个驱动信号为高，则由于信号经过四输入非门SN74LS04和四个四输入与门74LS21则驱动四路光耦的信号全部输出为低，不会出现同时两组MOS管开通的现象。

本发明的另一个目的是提供一种多电池电芯电量均衡方法，该均衡方法包括如下步骤：

1）第一和第二电池电压采样电路分别采集补偿电池和每个单体电池的电量信息；

2）对单体电池的电量进行判断，确定是否对其充电或者放电。

所述步骤2中对单体电池的电量进行判断时，

采用轮流检测串联电池电芯方式，并对所有电芯电压进行电量大小排序，当被测某个单体电池的电量低于设定值时，开关选择通道电路选择一个补偿电池对单体电池充电；如果有多个单体电池电量低于设定值，则选取电量最小的进行充电。

采用轮流检测串联电池电芯方式，并对所有电芯电压进行电量大小排序，当被测某个单体电池的电量高于设定值时，开关选择通道电路选择一个补偿电池与该超过设定值的电池进行并联，由单体电池对补偿电池进行放电；如果有多个单体电池电量高于设定值，则选取电量最高的进行充电。

如果有某一个电池的电量高于设定值和某一个电池的电量低于设定值时，则先处理高于设定值的电池。

对单体电池进行充电或放电的时间设定为N分钟，当N分钟达到时，不管充放电是否完成，都进入重新轮流检测串联电池电芯的电量。

如果出现单片机发出错误的驱动信号情况，例如补偿电池要求同时并联两个或多个电池，则由驱动保护电路起作用，断开所有并联支路。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种单电池电芯补偿多电芯的电量均衡系统，包括四个串联的单体电池，其特征在于，该系统包括：

补偿电池，用于对电池回路中的单体电池进行充放电；

开关选择通道电路，一端与所述补偿电池连接，另一端与四个单体电池分别连接，根据单体电池的电量，选择对补偿电池进行充电或者对单体电池放电；

第一电池电压采样电路，与所述补偿电池连接，用于采集补偿电池的电量信息；

第二电池电压采样电路，与所述单体电池连接，用于采集每个单体电池的电量信息；

电池短路保护电路，与所述第二电池电压采样电路连接，用于保证补偿电池在一段时间内只与一个单体电池并联；

所述开关选择通道电路包括依次连接的单片机、驱动保护电路、驱动光耦和双向开关，所述单片机通过驱动保护电路输出驱动信号至驱动光耦，经驱动光耦进行放大和增强驱动能力，光耦输出信号驱动双向开关，使双向开关对应的电流支路导通；

所述电池短路保护电路采用四个输入非门和四个四输入与门实现。

2.一种基于权利要求1所述电量均衡系统的单电池电芯补偿多电芯的电量均衡方法，其特征在于，

该均衡方法包括如下步骤：

1)第一和第二电池电压采样电路分别采集补偿电池和每个单体电池的电量信息；

2)对单体电池的电量进行判断，确定是否对其充电或者放电；

步骤2)中对单体电池的电量进行判断时，

采用轮流检测串联电池电芯方式，并对所有电芯电压进行电量大小排序，当被测某个单体电池的电量低于设定值时，开关选择通道电路使得补偿电池对所述电量低于设定值的单体电池进行充电；如果有多个单体电池电量低于设定值，则选取电量最小的进行充电；

采用轮流检测串联电池电芯方式，并对所有电芯电压进行电量大小排序，当被测某个单体电池的电量高于设定值时，开关选择通道电路使得补偿电池与所述电量高于设定值的电池进行并联，由单体电池对补偿电池进行放电；如果有多个单体电池电量高于设定值，则选取电量最高的进行放电；

如果同时有高于设定值和低于设定值的电池，则先处理高于设定值的电池。

3.根据权利要求2所述的单电池电芯补偿多电芯的电量均衡方法，其特征在于，对所述单体电池进行充电或放电的时间设定为N分钟，当N分钟达到时，不管充放电是否完成，都进入重新轮流检测串联电池电芯的电量。