CN105161783A - 电池电量平衡方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种电池电量平衡方法，通过综合充放电状态、电量状态、温度状态、电池电压选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向，进而以控制进行平衡的电池的温度低于预定阈值以及电池电压低于预定阈值为目标确定所述平衡电流的参考值，最终基于确定的平衡电流属性进行电池电量平衡。由此，可以将电池的温度以及电压控制纳入到电池电量平衡控制中，从而可以使得电池运行在舒适温度范围内，且避免了电池过充过放的危害，使得不同电池的老化速度基本相同。

Description

电池电量平衡方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种电池电量平衡方法。

背景技术

随着消费电子产品的功率的不断增大，应用于电子产品的电池组容量不断增加。大容量电池组通常由多个电池组合而成，在使用过程中，需要平衡不同电池的电量，以提高电池电量的利用率，并防止一部分电池被过充或过放，以防止因电池被过充或过放而影响电池寿命。

现有的电池电量平衡方法通常基于电压或荷电状态值(StateofCharge，SOC)进行，且并不对电池温度进行考虑，这会导致部分电池温度超出电池运行的舒适温度，从而加速电池老化。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种电池电量平衡方法，将电池的温度控制纳入到电视电量平衡控制中，从而可以使得电池运行在舒适温度范围内，实现电池平衡的同时也减小的电池之间的老化差异。

本发明的电池电量平衡方法包括：

根据所有电池的充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向，其中，所述电量状态包括荷电状态值、剩余电量和待充电量；

在所述进行平衡的电池的荷电状态值低于预定阈值时，以控制进行平衡的电池的温度低于温度阈值为目标确定所述平衡电流的参考值；

根据所述平衡电流的方向和参考值对进行平衡的电池进行电量平衡。

优选地，根据所有电池的充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向包括：

获取所有电池的充放电状态和荷电状态值；

在所有电池的荷电状态值均小于所述预定阈值且所有电池处于放电状态时，选择剩余电量最大的电池向剩余电量最小的电池输出平衡电流；

在所有电池的荷电状态值均小于所述预定阈值且所有电池处于充电状态时，选择待充电量最小的电池向待充电量最大的电池输出所述平衡电流，所述待充电量为电池额定电量和剩余电量的差值。

优选地，根据所有电池的充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向还包括：

在存在荷电状态值大于所述预定阈值的电池时，选择电压最高的电池向电压最低的电池输出平衡电流。

优选地，所述方法还包括：

在所述进行平衡的电池的荷电状态值高于预定阈值时，以最小化进行平衡的电池的电压差值为目标确定所述平衡电流的参考值。

优选地，以控制进行平衡的电池的温度低于温度阈值为目标确定所述平衡电流的参考值包括：

在进行平衡的电池的电池电流方向和所述平衡电流方向相同时，根据温度差值和第一增益获取第一参考值；在进行平衡的电池的电池电流方向和所述平衡电流方向不相同时，根据温度差值和第二增益获取第一参考值；

选取所述第一参考值与所述最大平衡电流值中较小的一个作为所述平衡电流的参考值；

其中，温度差值为温度阈值与所述进行平衡的电池的温度的差值，第一增益为负值，第二增益为正值。

优选地，以最小化进行平衡的电池的电压差值为目标确定所述平衡电流的参考值包括：

获取电压误差参量，所述电压误差参量为电压参考值与所述电压差值的差；

根据所述电压误差参量和第三增益获取第二参考值，将所述第二参考值作为所述平衡电流的参考值。

优选地，所述方法还包括：

在进行平衡的电池之间的电量状态的差值小于状态差阈值时，不进行电量平衡。

优选地，获取所有电池的充放电状态和荷电状态值包括：

在电池电流低于电流阈值时，不对电池进行充电或放电直至电池检测电压等于电池开路电压；

对电池进行检测获取所述充放电状态和荷电状态值。

通过充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向，进而以控制进行平衡的电池的温度低于预定阈值为目标确定所述平衡电流的参考值，最终基于确定的平衡电流属性进行电池电量平衡。由此，可以将电池的温度控制纳入到电池电量平衡控制中，通过电量平衡使得电池的荷电状态和温度都更加接近，实现电池平衡的同时也减小的电池之间的老化差异。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的电池电量平衡方法的流程图；

图2是本发明实施例选择进行平衡的电池和平衡电流方向的流程图；

图3是本发明实施例期望的平衡电流值区域的示意图；

图4是锂电池在充电状态下的状态参量曲线图；

图5是锂电池在放电状态下的状态参量曲线图；

图6是本发明实施例的确定平衡电流参考值的控制信号流图；

图7是本发明另一个实施例的电池电量平衡方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明以锂电池为例说明进行电池电量平衡的方法，但是，本领域技术人员容易理解，本发明的电池电量平衡方法也适用于其它类型的电池。

图1是本发明实施例的电池电量平衡方法的流程图。

如图1所示，所述方法包括：

步骤100、根据所有电池的充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向。

其中，电量状态包括荷电状态值、剩余电量和待充电量。

具体地，本步骤选择一对进行平衡的电池，由其中一个向另一个输出平衡电流，从而在两者之间进行电量平衡。

图2是本发明实施例选择进行平衡的电池和平衡电流方向的流程图。如图2所示，步骤100可以包括：

步骤110、获取所有电池的充放电状态和荷电状态值。

在一个优选实施方式中，为了更加精确地获取电池状态，在电池电流低于电流阈值时，不对电池进行充电或放电直至电池电压等于电池开路电压(OCV)；然后再对电池进行检测获取充放电状态和荷电状态值。电池管理系统(BatteryManagementSystem,BMS)在可以在电池电压恢复到电池开路电压后进行电池状态的检测和更新，然后再进行电池电量平衡，由此，可以保证所获取的电池状态的准确性。

步骤120、判断荷电状态值和电池充放电状态是否符合预定条件，在所有电池的荷电状态值均小于所述预定阈值(例如90％)且所有电池处于放电状态时，执行步骤130，在所有电池的荷电状态值均小于所述预定阈值且所有电池处于充电状态时，执行步骤140。

应理解，本步骤所判断的为一复合条件，其可以通过组合多个判断子步骤来完成，可以先对荷电状态值进行判断，然后在进一步判断电池充放电状态，也可以先对电池充放电状态进行判断，再进一步判断荷电状态值是否小于预定阈值。

荷电状态值(SOC)用于表征电池的剩余电量(RelativeRemainingCapacity，RRC)与额定电量(FullChargeCapacity,FCC)的比值，常用百分数表示，其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。在本实施例中，所述预定阈值优选为90％。

步骤130、在所有电池的荷电状态值均小于所述预定阈值且所有电池处于放电状态时，选择剩余电量最大的电池向剩余电量最小的电池输出平衡电流。

在放电状态下，随着电池放电的进行，FCC小的电池的SOC减少更快，如果不进行电量平衡，FCC最小的电池的SOC最先到达0，电池如果继续放电，则过放，如果停止放电，则其它电池的SOC并不为0，还有电量没有释放，电池电量没有充分利用。

由此，在放电过程中，希望所有电池的SOC同时达到0，即在放电过程中保持RRC相等，因此，在放电过程中进行电量平衡的参考选择为RRC，而非SOC。电量平衡操作可以使得电流从RRC较大的电池流向RRC较小的电池。如果某个电池希望平衡到相等的RRC比其FFC大时，需要停止平衡，防止该电池的过放。

步骤140、在所有电池的荷电状态值均小于所述预定阈值且所有电池处于充电状态时，选择待充电量最小的电池向待充电量最大的电池输出所述平衡电流，所述待充电量为FCC和RRC的差值。

充电刚好和放电相反，随着充电的进行，FCC较小的电池的SOC比FCC较大的电池的SOC大。如果不进行平衡，FCC较小的电池会先达到充满状态，如果充电继续进行，则会过充，如果仅仅停止充电则会导致FCC大的电池没有充满，利用率变低。因此充电时需要进行电量平衡使得所有电池最后都尽可能的充满，达到最高的利用率。

充电没有平衡时，FCC小的电池的SOC大，FCC大的电池的SOC小。本发明通过电池电量平衡操作使得FCC大的和FCC小的电池的SOC同时到达100％，因此，希望充电时它们的待充电量，即FCC与RRC的差值差是相等的。因此为了让它们同时达到100％SOC，我们希望平衡电路工作，使得在充电的过程中平衡电流从FCC与RRC之差小的电池流入FCC与RRC之差大的电池，而这，恰恰与没有平衡时的充电状态是相反的。

应理解，在所有电池的SOC均高于预定阈值时仍然可以采用如上述步骤130、140所述的策略确定进行平衡的电池和平衡电流的方向。

优选地，当出现任意电池的SOC高于预定阈值时，此时无论是充电状态还是放电状态，电池电压均较高，若平衡电流过大则一方面容易导致电池出现过充。另一方面由于电池内阻的存在，流出电流的电池端电压将低于电池开路电压，而流入电流的电池端电压将大于开路电压，过大的平衡电流可能会使得电池电压过高而产生电压保护。因此，在这种情况下，基于电池电压来选择进行平衡的电池和电流，以保证电池的使用安全。

具体地，步骤120进一步包括在存在荷电状态值高于预定阈值的电池时执行步骤150。

在步骤150中，选择电压最高的电池向电压最低的电池输出平衡电流。并且，在此时需要提供一个较低的平衡电流参考值。

由此，当出现任意电池的SOC较高时，基于电池电压进行平衡，以防止基于原有策略产生过大的平衡电流，损害电池的寿命。

在确定了进行平衡电池以及平衡电流方向后，需要进一步确定平衡电流的大小，也即确定其参考值。

图3是本发明实施例期望的平衡电流的区域图。

如图3所示，平衡电流大小受到四个方面的影响。这四个边界条件决定了平衡电流的大小，即平衡电流是其四个方面的函数，其可以表示成：

I_banlance＝f(temp,loadstate,batstate,I_set)(式1)

其中temp表示电池温度；loadstate为当前电池负载状态，也即充放电状态，表示当前电池处于充/放电或者静置状态，以及电流大小；batstate表示电池的电量状态，对应SOC/RRC/FCC等状态值；I_set表示电池能流过的最大电流，也即最大充放电电流。上述四个参量构成了平衡电流的约束条件，这四个边界条件对平衡电流构成一个安全工作区域，本发明通过控制平衡电流，使得平衡电流在该安全工作区域内，并取得取最优解。

步骤200、在所述进行平衡的电池的荷电状态值低于预定阈值时，以控制进行平衡的电池的温度低于温度阈值为目标确定所述平衡电流的参考值，执行步骤400。

电池的寿命和状态与电池温度息息相关。合理的控制电池温度，尽可能使其工作在舒适范围，有利于电池寿命变长，增加电池利用率；使电池温度尽可能的接近，有利于平衡电池之间的老化速度，使电池老化程度接近，减小电池的差异性，有利于减小电量平衡带来的电量损耗。本发明实施例对于电池温度的控制策略为调节平衡电流的大小，使得电池的温度保持低于温度阈值，从而位于上述的舒适范围内。同时，如果电池温度意外上升到温度阈值以上，通过调节平衡电流使得其逐步下降，直至低于温度阈值。

图4是锂电池在充电状态下的状态参量曲线图。

如图4所示，充电时锂电池的阻抗随着SOC的增大而增大，没有进行电量平衡时，所有电池的电流相等，FCC小的电池的SOC大，对应的阻抗也大，电化学反应也最快，其发热比FCC大的电池严重，造成其温度较高，温度越高则电池老化速度越快，电池的FCC会随老化的加剧而变得更小，这样使得电池之间的老化差异越来越大。本发明实施例的目的是采用平衡策略，使得SOC大的电池的一部分电流转移到SOC小的电池上，减小SOC大的电池温度，同时减慢其充电速度，增加SOC小的电池的温度和充电速度，使得它们的SOC和温度都更加接近，实现电池平衡的同时也减小的电池之间的老化差异。此时，其平衡电流的选择主要取决于电池的温度，使得电池温度平衡。

如果充电电流很大(比如快充，且处于恒流充电模式下)，电池的最大电流的限制使得平衡电流不宜过大，如果SOC大的电池温度大，且接近充满时，需要有旁路电路减小SOC大的电池充电电流，同时减小其发热和过充。

图5是锂电池在放电状态下的状态参量曲线图。

如图5所示，随着放电过程的进行，电池的SOC减小，电池内阻变大。如果此时才开始对做电池平衡，则由于内阻变大的缘故，相同平衡电流要产生更多的热和损耗，效率比SOC大时低。且当SOC小时，接近“放完”状态(SOC＝0)，如果负载电流较大，平衡速度跟不上放电速度，则会出现没有平衡完成SOC小的电池已经达到了“放完”状态，使得放电过程不得不中断，电池利用率变低。因此在SOC比较大时就应该开始进行电量的平衡。

具体地，步骤200可以包括：

步骤210、判断电池电流方向和平衡电流方向是否相同，如果相同执行步骤220，如果不相同执行步骤230。

在本实施例中，电池电流方向是指电池的实际电流方向，也即，在充电时电池电流方向为流入电池，在放电时电池电流方向为流出电池。平衡电流方向是指进行电量平衡时两个进行平衡的电池之间的电流分配方向。

步骤220、根据温度差值和第一增益K_T获取第一参考值，执行步骤240，其中第一增益K_T为正值，温度差值为温度阈值与所述进行平衡的电池的温度T_bat的差值。

步骤230、根据温度差值和第二增益-K_T获取第一参考值，其中第二增益-K_T为负值。

步骤240、选取所述第一参考值与所述最大平衡电流值中较小的一个作为所述平衡电流的参考值。

在本步骤，可以保证如果第一参考值过大，选取最大平衡电流值作为参考值，防止根据过大的第一参考值进行电量平衡导致电池电流超出最大充放电电流。

基于以上步骤，当电池电流方向与平衡电流方向一致时，温度调节为负反馈，即当电池的温度越高时，调节使得平衡电流的电流基准变小以减小平衡电流来减小电池电流；当电池电流方向与平衡电流方向相反时，温度调节为正反馈，即电池温度越高，调节使得平衡电流的电流基准变大以增大平衡电流来减小电池电流。因此，可以调节使得电池温度保持低于温度阈值。

步骤300、在所述进行平衡的电池的荷电状态值高于预定阈值时，以最小化进行平衡的电池的电压差值为目标确定所述平衡电流的参考值。

优选地，步骤300可以包括：

步骤310、获取电压误差参量，所述电压误差参量为电压参考值V_ref(在本实施例中V_ref＝0)与所述电压差值V_diff的差。

步骤320、根据所述电压误差参量和第三增益获取第二参考值，将所述第二参考值作为所述平衡电流的参考值。

由此，在SOC高于预定阈值时，以较小的平衡电流来对电池电压差不同的电池进行电量平衡，保证电池运行的安全。

图6是本发明实施例的确定平衡电流参考值的控制信号流图，其以框图形式表述上述步骤200和步骤300的逻辑实现。

其中，状态信号V1在所有电池SOC高于预定阈值的状态记为1，存在SOC低于预定阈值的电池的状态记为0。平衡电流从电流流出为状态0，流入为状态1。此时，电池温度T_bat分别提供到两个第一参考值的生成路径中，通过加法器计算温度阈值T_th和电池温度T_bat的差值，进而通过放大器基于第一增益K_T和第二增益-K_T进行处理，然后输入到选择器。选择器的控制信号为电池电流方向和平衡电流方向的异或值V2，其在两者方向相同是为0，选择器选择上面一路的第一参考值输出，此时温度调节为负反馈；在两者方向相反时，异或值为1，选择器选择下面一路的第一参考值输出，此时温度调节为正反馈。

另一个选择器则分别输入最大平衡电流I_MAX和根据电压参考值V_ref与所述电压差值V_diff通过加法器获取的误差电压以及较小的第三增益Kv获取的第二参考值。在状态信号V1为0时，该选择器选择输出最大平衡电流I_MAX。两个选择器的输出经由最小值选取装置Min选取最小值输出作为平衡电流的参考值I_ref。在状态信号V1为1时，此时，需要进行基于电压的电量平衡，选择器选择第二参考值输出。通过设置第三增益可以使得第二参考值始终小于第一参考值，从而可以保证最小值选取装置输出第二参考值作为平衡电流的参考值I_ref。

步骤400、根据所述平衡电流的方向和参考值对进行平衡的电池进行电量平衡。

上述流程周期性地或持续地进行，可以在多个电池之间持续进行电量平衡。

通过充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向，进而以控制进行平衡的电池的温度低于预定阈值为目标确定所述平衡电流的参考值，最终基于确定的平衡电流属性进行电池电量平衡。由此，可以将电池的温度控制纳入到电池电量平衡控制中，通过电量平衡使得电池的荷电状态和温度都更加接近，实现电池平衡的同时也减小的电池之间的老化差异。

具体地，相对于现有技术通常在充电过程中进行电量平衡，本发明实施例可以在充电和放电过程中均进行电量平衡。

同时，本发明实施例根据充电和放电状态的不同，不使用SOC为参考进行平衡电池的选择，而是利用RRC和FFC来选择进行平衡的电池，同时不同状态下采用不同的选择策略，可以解决基于电压或者SOC进行均衡导致需要反复电量平衡的问题，并对于平衡电流的流向给出最优路径，从而使得平衡产生的电量损失减小至理论最小值。

而且，本发明在电池平衡过程加入了对电池温度的控制，避免了由于电池间温度差异较大而使得电池老化速度不同，从而加大了电池老化程度差异的情况。同时可以在可控范围内让电池工作在电池舒适温度范围内(锂电池一般为10-45摄氏度)，减小电池的老化速度。

图7是本发明另一个实施例的电池电量平衡方法的流程图。

如图7所示，本实施例的电池电量平衡方法在步骤400之前还包括步骤400A，其判断在进行平衡的电池的电量状态的差值是否小于状态差阈值(例如5％)，如果是，则跳转回到步骤100，不进行电量平衡，如果否，则执行步骤400。

其中，电量状态可以是SOC、RRC或FCC-RCC中的任一项。

由此，可以避免在电量状态相差不大时反复进行电量平衡，提高系统效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池电量平衡方法，包括：

根据所有电池的充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向，其中，所述电量状态包括荷电状态值、剩余电量和待充电量；

在所述进行平衡的电池的荷电状态值低于预定阈值时，以控制进行平衡的电池的温度低于温度阈值为目标确定所述平衡电流的参考值；

根据所述平衡电流的方向和参考值对进行平衡的电池进行电量平衡。

2.根据权利要求1所述的电池电量平衡方法，其特征在于，根据所有电池的充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向包括：

获取所有电池的充放电状态和荷电状态值；

在所有电池的荷电状态值均小于所述预定阈值且所有电池处于放电状态时，选择剩余电量最大的电池向剩余电量最小的电池输出平衡电流；

在所有电池的荷电状态值均小于所述预定阈值且所有电池处于充电状态时，选择待充电量最小的电池向待充电量最大的电池输出所述平衡电流，所述待充电量为电池额定电量和剩余电量的差值。

3.根据权利要求2所述的电池电量平衡方法，其特征在于，根据所有电池的充放电状态和电量状态选择进行平衡的电池以及平衡电流的方向还包括：

在存在荷电状态值大于所述预定阈值的电池时，选择电压最高的电池向电压最低的电池输出平衡电流。

4.根据权利要求3所述的电池电量平衡方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述进行平衡的电池的荷电状态值高于预定阈值时，以最小化进行平衡的电池的电压差值为目标确定所述平衡电流的参考值。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电池电量平衡方法，其特征在于，以控制进行平衡的电池的温度低于温度阈值为目标确定所述平衡电流的参考值包括：

在进行平衡的电池的电池电流方向和所述平衡电流方向相同时，根据温度差值和第一增益获取第一参考值；在进行平衡的电池的电池电流方向和所述平衡电流方向不相同时，根据温度差值和第二增益获取第一参考值；

选取所述第一参考值与所述最大平衡电流值中较小的一个作为所述平衡电流的参考值；

其中，温度差值为温度阈值与所述进行平衡的电池的温度的差值，第一增益为负值，第二增益为正值。

6.根据权利要求4所述的电池电量平衡方法，其特征在于，以最小化进行平衡的电池的电压差值为目标确定所述平衡电流的参考值包括：

获取电压误差参量，所述电压误差参量为电压参考值与所述电压差值的差；

根据所述电压误差参量和第三增益获取第二参考值，将所述第二参考值作为所述平衡电流的参考值。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的电池电量平衡方法，其特征在于，所述方法还包括：

在进行平衡的电池之间的电量状态的差值小于状态差阈值时，不进行电量平衡。

8.根据权利要求2所述的电池电量平衡方法，其特征在于，获取所有电池的充放电状态和荷电状态值包括：

在电池电流低于电流阈值时，不对电池进行充电或放电直至电池检测电压等于电池开路电压；

对电池进行检测获取所述充放电状态和荷电状态值。