CN104737411B - 电压均衡器 - Google Patents

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Abstract

一种电压均衡器1，包括：用于检测电池单元81‑84和91‑94的电压V81‑V84和电压V91‑94的电压检测器2和3、开关41‑44和51‑54以及控制器7，控制器7反复将电压检测器2和3检测到的电压中的最低电压设置为每个电池组8和9中的目标电压Vt1或Vt2，并且反复接通/关断每个开关41‑44和51‑54，使得除具有最低电压的电池单元之外的其他电池单元的电压变成每个电池组8和9的目标电压Vt1或Vt2，直到控制器7基于电压检测器2和3检测到的电压V81‑V84和电压V91‑94确定不需要执行均衡操作。

Description

电压均衡器
技术领域
本发明涉及电压均衡器，所述电压均衡器对构成彼此并联的多个电池组中的每一个电池组的多个电池单元的电压进行均衡。
背景技术
通过将多个可再充电电池单元串联以实现高电压电池来配置电池组的技术已投入实际使用。近年来，在安装于诸如电动铲车、混合车辆或电动车辆等车辆上时，这种类型的电池引人注目。这种类型的电池中的一些被配置为将多个电池组彼此并联以向负载稳定地提供大的电功率。
当在多个电池单元串联的状态下对所述多个电池单元充电时，各个电池单元的电压(或各个电池单元的充电容量)有时变得不均匀。当上述电池安装在车辆上时，重复以下操作：在驱动行驶用电动机时使电池放电，在行驶用电动机产生电力时对电池充电，反复充电和放电有时也导致各个电池单元的电压不均匀。各个电池单元的电压不均匀可能导致一些电池单元劣化加剧，并且可能导致整个电池的效率降低。各个电池单元的电压不均匀可以是由于各个电池单元的制造差异或随时间劣化而引起的。鉴于前述，提出了一种电压均衡器，所述电压均衡器例如通过利用电阻器对多个电池单元之中电压高于目标电压的电池单元放电来均衡所述多个电池单元的电压(例如，参见专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开专利公开No.2012-60691
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在各个电池组彼此并联的情况下，当各个电池组中各个电池单元的电压被均衡而各个电池组的总电压不均匀时，回流电流在各个电池组之间流动，使得各个电池组中一个电池组被放电而另一个电池组被充电，因此各个电池组中各个电池单元的电压可能变得不均匀。
本发明的目的在于提供一种电压均衡器，能够对构成了彼此并联的多个电池组中的每一个电池组的多个电池单元的电压进行均衡。
解决问题的手段
根据本发明的电压均衡器包括：电压检测器，检测构成了彼此并联的多个电池组中的每个电池组的多个电池单元的电压；多个电阻器，分别与所述多个电池单元并联；多个开关，分别设置在所述多个电池单元与所述多个电阻器之间；以及控制器，在所述多个电池组中的每个电池组中反复将电压检测器检测到的电压中的最低电压设置为目标电压，并且反复接通/关断所述多个开关中的每一个，使得在所述多个电池组中的每个电池组中除具有所述最低电压的电池单元之外的其他电池单元的电压变成所述目标电压，直到控制器基于电压检测器检测到的电压确定所述多个电池单元的电压不需要被均衡。
这允许在每个电池组中以高精度反复执行电压均衡，直到各个电池组具有彼此相似的总电压并且由于回流电流或电阻器的能量消耗的影响而引起的电池单元电压波动变得较小。也就是说，这允许构成彼此并联的电池组中的每一个的多个电池单元的各电压被均衡。
控制器可以配置为：在所述多个电池组中每个电池组中，在电压检测器检测到的电压中的最高电压与最低电压之间的电压差变成小于或等于电压阈值时，确定所述多个电池单元的电压不需要被均衡。
根据本发明的电压均衡器还可以包括检测在各电池组之间流动的电流的电流检测器，控制器可以配置为当电流检测器检测到的电流具有小于或等于电流阈值的值时，开始确定所述多个电池单元的电压是否需要被均衡。
本发明的效果
根据本发明，能够对构成彼此并联的多个电池组中的每一个电池组的多个电池单元的电压进行均衡。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的电压均衡器。
图2是示出了控制器的电池单元平衡控制操作的流程图。
图3示出了在电池单元平衡控制操作期间各个电池单元的电压的增大或减小的示例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的电压均衡器。
图1所示的电压均衡器1均衡电池中各个电池单元的电压，所述电池安装于诸如电动铲车、混合车辆或电动车等车辆上，所述电压均衡器1包括电压检测器2和3、电池单元平衡部4和5、电流检测器6以及控制器7。电池包括彼此并联的两个电池组8和9。电池组8包括彼此串联的四个电池单元81-84，电池组9包括彼此串联的四个电池单元91-94。作为示例，利用锂离子二次电池或类似物来配置电池单元81-84和电池单元91-94中的每一个。假定电池经由倒相电路对行驶用电动机供电，或者向诸如照明器、加热器或汽车导航设备等电子设备供电。彼此并联以配置电池的电池组的数目不限于两个。构成每个电池组的电池单元的数目不限于四个。
电压检测器2包括电压传感器21-24，电压传感器21检测电池单元81的电压V81，电压传感器22检测电池单元82的电压V82，电压传感器23检测电池单元83的电压V83，电压传感器24检测电池单元84的电压V84。
电压检测器3包括电压传感器31-34，电压传感器31检测电池单元91的电压V91，电压传感器32检测电池单元92的电压V92，电压传感器33检测电池单元93的电压V93，电压传感器34检测电池单元94的电压V94。
电池单元平衡部4包括开关41-44和电阻器45-48。彼此串联的开关41和电阻器45与电池单元81并联，彼此串联的开关42和电阻器46与电池单元82并联，彼此串联的开关43和电阻器47与电池单元83并联，彼此串联的开关44和电阻器48与电池单元84并联。例如使用MOSFET、电磁继电器或类似物来配置开关41-44。当开关41接通并且电池单元81与电阻器45彼此电连接时，利用电阻器45将电池单元81放电，并且电池单元81的电压减小。当开关42接通并且电池单元82与电阻器46彼此电连接时，利用电阻器46将电池单元82放电，并且电池单元82的电压减小。当开关43接通并且电池单元83与电阻器47彼此电连接时，利用电阻器47将电池单元83放电，并且电池单元83的电压减小。当开关44接通并且电池单元84与电阻器48彼此电连接时，利用电阻器48将电池单元84放电，并且电池单元84的电压减小。
电池单元平衡部5包括开关51-54和电阻器55-58。彼此串联的开关51和电阻器55与电池单元91并联，彼此串联的开关52和电阻器56与电池单元92并联，彼此串联的开关53和电阻器57与电池单元93并联，彼此串联的开关54和电阻器58与电池单元94并联。例如使用MOSFET、电磁继电器或类似物来配置开关41-44。当开关51接通并且电池单元91与电阻器55彼此电连接时，利用电阻器55将电池单元91放电，并且电池单元91的电压减小。当开关52接通并且电池单元92与电阻器56彼此电连接时，利用电阻器56将电池单元92放电，并且电池单元92的电压减小。当开关53接通并且电池单元93与电阻器57彼此电连接时，利用电阻器57将电池单元93放电，并且电池单元93的电压减小。当开关54接通并且电池单元94与电阻器58彼此电连接时，利用电阻器58将电池单元94放电，并且电池单元94的电压减小。
电流检测器6设置在将电池组8和9彼此并联的路径中，检测从电池组8流向电池组9的电流(回流电流)或从电池组9流向电池组8的电流(回流电流)，并将检测的电流发送至控制器7。
控制器7例如由CPU(中央处理单元)、可编程器件(FPGA(现场可编程门阵列)或PLD(可编程逻辑器件))或类似物配置，在控制器7中CPU和可编程器件读取和执行存储单元(未示出)中存储的程序，使得基于电压检测器2和3检测到的电压或电流检测器6检测到的电流来执行电池单元平衡控制操作。存储单元可以设置在控制器7外部。
图2是示出了控制器7的电池单元平衡控制操作的流程图。
当电流检测器6检测到的电流具有小于或等于电流阈值Ith的值时(S1中为“是”)，控制器7首先从电压检测器2获得电压V81-V84，并从电压检测器3获得电压V91-V94(S2)。
然后控制器7计算电压V81-V84之中的最高电压与最低电压之间的电压差Vd1，并计算电压V91-V94之中的最高电压与最低电压之间的电压差Vd2(S3)。
当控制器7确定电压差Vd1和电压差Vd2均不小于或等于电压阈值Vth时，即，当控制器7基于电压检测器2和3检测到的电压V81-V84和电压V91-V94，确定电池单元81-84和电池单元91-94的各电压需要被均衡时(S4中为“否”)，控制器7将电压V81-V84中的最低电压设置为目标电压Vt1，并将电压V91-V94中的最低电压设置为目标电压Vt2(S5)。当控制器7确定电压差Vd1和Vd2均小于或等于电压阈值Vth时，即，当控制器7基于电压检测器2和3检测到的电压V81-V84和电压V91-V94确定电池单元81-84和电池单元91-94的各电压不需要被均衡时(S4中为“是”)，控制器7完成电池单元平衡控制操作。
然后控制器7控制电池单元平衡部4中的开关41-44的接通/关断，使得电池组8的电池单元81-84中除具有最低电压的电池单元之外的其他电池单元的电压变成目标电压Vt1，并控制电池单元平衡部5中的开关51-54的接通/关断，使得电池组9的电池单元91-94中除具有最低电压的电池单元之外的其他电池单元的电压变成目标电压Vt2，直到经过了预定时间段(S6和S7)，过程返回S1。例如，假定预定时间段是比以下时间段短的时间段(例如，24ms)：在设置目标电压Vt1之后并且电压V81-V84中除最低电压以外的电压达到目标电压Vt1之前的时间段，或者在设置目标电压Vt2之后并且电压V91-V94中除最低电压以外的电压达到目标电压Vt2之前的时间段。例如，还假定预定时间段是：由于从电池组8流向电池组9的回流电流或从电池组9流向电池组8的回流电流而导致电压V81-V84中的最低电压和电压V91-V94中的最低电压波动预定电压(例如，±0.02V)所需的时间段。
作为示例，关于以下情况描述了控制器7的平衡控制操作：在车辆停止期间，当电流检测器6检测到的电流的值小于或等于电流阈值Ith时，电池单元81的电压V81为3.50V，电池单元82的电压V82为3.50V，电池单元83的电压V83为3.50V，电池单元84的电压V84为3.30V，电池单元91的电压V91为3.50V，电池单元92的电压V92为3.50V，电池单元93的电压V93为3.50V，电池单元94的电压V94为2.90V，如图3a所示。在这种情况下，电池组8的总电压为13.80V，电池组9的总电压为13.40V，假定回流电流从电池组8流向电池组9。还假定电压阈值Vth为0.10V。
首先，当控制器7获得电压V81-V84和电压V91-V94时，控制器7计算电压V81-V84中最高电压3.50V与最低电压3.30V之间的电压差Vd1为0.20V，并计算电压V91-V94中最高电压3.50V与最低电压2.90V之间的电压差Vd1为0.60V。
当控制器7确定电压差Vd1(0.20V)和电压差Vd2(0.60V)均不小于或等于电压阈值Vth(0.10V)时，控制器7将电池组8的目标电压Vt1设置为电压V81-V84中的最低电压3.3V，并将电池组9的目标电压Vt2设置为电压V91-V94中的最低电压2.90V。
控制器7接通各个开关41-43，使得除了具有最低电压V84的电池单元84之外的电池单元81-83的电压V81-V83全部变成目标电压Vt1(3.30V)，并接通各个开关51-53，使得除了具有最低电压V94的电池单元94之外的电池单元91-93的电压V91-V93全部变成目标电压Vt2(2.90V)，直到经过了预定的时间段。在这种情况下，电压V81-V83分别减小的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压减小量-0.02V与由于电阻器45-47的能量消耗而导致的电压减小量-0.05V的总计电压-0.07V；电压V84减小的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压减小量(-0.02V)。此外，电压V91-V93分别减小的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压增加量+0.02V与由于电阻器55-57的能量消耗而导致的电压减小量-0.05V的总计电压-0.03V；电压V94增加的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压增加量(+0.02V)。
当电流检测器6检测到的电流具有小于或等于电流阈值Ith的值时，控制器7再次获得电压V81-V84和电压V91-V94。如图3(b)所示，例如，得到3.43V的电压V81-V83、3.28V的电压V84、3.47V的电压V91-V93以及2.92V的电压V94。在这种情况下，电池组8的总电压为13.57V，电池组9的总电压为13.33V，假定回流电流从电池组8流向电池组9。
控制器7计算电压V81-V84中最高电压3.43V与最低电压3.28V之间的电压差Vd1为0.15V，并计算电压V91-V94中最高电压3.47V与最低电压2.92V之间的电压差Vd2为0.55V。
当控制器7确定电压差Vd1(0.15V)和电压差Vd2(0.55V)均不小于或等于电压阈值0.10V时，控制器7将电池组8的目标电压Vt1重置为电压V81-V84中的最低电压3.28V，并将电池组9的目标电压Vt2重置为电压V91-V94中的最低电压2.92V。
控制器7接通各个开关41-43，使得除具有最低电压V84的电池单元84之外的电池单元81-83的电压V81-V83全部变成更新后的目标电压Vt1(3.28V)，并接通各个开关51-53，使得除最低电压V94之外的电压V91-V93全部变成更新后的目标电压Vt2(2.92V)，直到经过了预定的时间段。在这种情况下，电压V81-V83分别减小的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压减小量-0.02V与由于电阻器45-47的能量消耗而导致的电压减小量-0.05V的总计电压-0.07V；电压V84减小的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压减小量(-0.02V)。此外，电压V91-V93分别减小的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压增加量+0.02V与由于电阻器55-57的能量消耗而导致的电压减小量-0.05V的总计电压-0.03V；电压V94增加的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压增加量(+0.02V)。
当电流检测器6检测到的电流具有小于或等于电流阈值Ith的值时，控制器7再次获得电压V81-V84和电压V91-V94。如图3(c)所示，例如，得到3.36V的电压V81-V83、3.26V的电压V84、3.44V的电压V91-V93以及2.94V的电压V94。在这种情况下，电池组8的总电压为13.34V，电池组9的总电压为13.26V，假定回流电流从电池组8流向电池组9。
然后，控制器7计算电压V81-V84中最高电压3.36V与最低电压3.26V之间的电压差Vd1为0.10V，并计算电压V91-V94中最高电压3.44V与最低电压2.94V之间的电压差Vd2为0.50V。
当控制器7确定电压差Vd1(0.10V)小于或等于电压阈值0.10V时，控制器7完成电池组8的电池单元平衡控制操作。当控制器7确定电压差Vd2(0.50)不小于或等于电压阈值Vth(0.10V)时，控制器7将电池组9的目标电压Vt2重置为电压V91-V94中的最低电压2.94V。
然后控制器7接通各个开关51-53，使得电压V91-V93变成更新后的目标电压Vt2(2.94V)，直到经过了预定的时间段。在这种情况下，电压V81-V83分别减小的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压减小量-0.02V。电压V91-V93分别减小的量为：由于回流电流从电池组8流向电池组9而导致的电压增加量+0.02V与由于电阻器55-57的能量消耗而导致的电压减小量-0.05V的总计电压(-0.03V)。
当此后重复上述操作时，在一定时间点，电压V81-V83分别均改变成3.20V，电压V84改变成3.10V，电压V91-V93分别均改变为3.20V，电压V94改变成3.10V，例如，如图3(d)所示。在这种情况下，电池组8的总电压为12.70V，电池组9的总电压为12.70V，假定即不存在从电池组8流向电池组9的回流电流，也不存在从电池组9流向电池组8的回流电流。
控制器7计算电压V81-V84中最高电压3.20V与最低电压3.10V之间的电压差Vd1为0.10V，并计算电压V91-V94中最高电压3.20V与最低电压3.10V之间的电压差Vd2为0.10V。
当控制器7确定确定电压差Vd1(0.10V)和电压差Vd2(0.10V)均小于或等于电压阈值Vth(0.10V)时，控制器7完成电池组8和9的电池单元平衡控制操作。
如上所述，在根据实施例的电压均衡器1中，基于在回流电流或电阻器的能量消耗而引起的波动之后的电池单元电压，反复更新目标电压Vt1和Vt2，直到电压差Vd1和Vd2均变成小于或等于电压阈值Vth，因此可以在每个电池组8和9中以高精度反复地执行电压均衡，直到电池组8和9具有彼此相似的总电压，并且由于回流电流或电阻器能量消耗的影响而导致的电池单元电压的波动变得较小。也就是说，电池单元81-84和电池单元91-94的各电压可以被均衡，其中电池单元81-84和电池单元91-94分别构成彼此并联的电池组8和9。
此外，在根据实施例的电压均衡器1中，当电流检测器6检测到的电流具有小于或等于电流阈值Ith的值时，开始电池单元平衡控制操作，因此，相较于不确定电流检测器6检测到的电流是否具有小于或等于电流阈值Ith就开始电池单元平衡控制操作的情况，可以抑制由于回流电流而导致的电池单元电压的波动并且可以缩短电池单元平衡控制操作从开始到结束的时间段。因此，可以抑制由于电池单元平衡控制操作(电阻器45-48和电阻器55-58)而导致的电池组8和9中的能量消耗浪费。

Claims (2)

1.一种电压均衡器，包括：
电压检测器，检测构成了彼此并联的多个电池组中的每个电池组的多个电池单元的电压；
多个电阻器，其中所述多个电阻器中的每一个与所述多个电池单元之一并联；
多个开关，分别设置在所述多个电池单元中的各电池单元以及与其并联的电阻器之间；
电流检测器，检测在各个电池组之间流动的电流；以及
控制器，基于由于所述多个电池组之间流动的回流电流和电阻器的能量消耗而引起波动之后所述多个电池单元的电压，在所述多个电池组中的每个电池组中反复将电压检测器检测到的电压中的最低电压设置为目标电压，并且反复接通/关断所述多个开关中的每一个，使得在所述多个电池组中的每个电池组中，除具有所述最低电压的电池单元之外的所述其他电池单元的电压变成所述目标电压，直到控制器基于电压检测器检测到的电压确定所述多个电池单元的电压不需要被均衡，
其中当电流检测器检测到的电流具有小于或等于电流阈值的值时，所述控制器开始确定所述多个电池单元的电压是否需要被均衡。
2.根据权利要求1所述的电压均衡器，其中，
在所述多个电池组中的每个电池组中，在电压检测器检测到的电压中的最高电压与最低电压之间的电压差变成小于或等于电压阈值时，所述控制器确定所述多个电池单元的电压不需要被均衡。
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