CN105790339A - 动力电池组的均衡充放电系统及均衡充放电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池组的均衡充放电系统及方法，系统包括电池管理系统、开关控制器、开关阵列、充放电端口、充电器和放电器。电池管理系统采集各单体电池电压信息并传送给开关控制器。开关控制器根据电压信息控制开关阵列，使待充或放电的单体电池经开关阵列与充放电端口相通。充放电端口分两路，分别与充电器、放电器连接，当存在待充电单体电池时，使待充电单体电池与充电器连通，当存在待放电单体电池时，使待放电单体电池与放电器连通。本发明通过电池管理系统与开关控制器相互配合，由开关阵列实现对动力电池组中需要均衡的单体电池进行一对一的均衡充放电，充放电过程中的能量消耗小，可操作性强，均衡充放电效率高。

Description

动力电池组的均衡充放电系统及均衡充放电方法

技术领域

本发明涉及一种用于诸如电动汽车的动力电池组的均衡充放电系统及均衡充放电方法，属于电力控制技术领域。

背景技术

用于电动汽车的动力电池组由多个单体电池串联而成。由于单体电池性能存在不一致性，在充放电时会出现单体电池电压不一致，进而影响和制约着整个动力电池组的充放电能力。在实际使用中，动力电池组内各单体电池的电压偏差程度应控制在一定范围内，否则单体电池极易发生过充或过放，严重影响其安全性。对个别电池进行均衡充电或放电是解决上述问题的重要途径，这样既可以更好地发挥电池性能，又可以延长动力电池组的整体使用寿命。

目前均衡电路的技术路线有两种：一种是被动均衡电路，也称为能耗型均衡电路，通常采用在单体电池两端并联电阻的方式，通过电阻将电能转换成热能，来达到电压平衡，但是这种电路既消耗了单体电池的能量，又增加了单体电池热管理的困难。另一种是主动均衡电路，也即非能耗性均衡电路，利用电感或电容等储能元件，把动力电池组中容量高的单体电池的能量转移到容量偏低的电池，这种电路通过切换电容开关，由电容传递相邻单体电池的能量，或通过电感储能的方式，在相邻单体电池之间进行双向传递能量，虽然这种电路的能量损耗很小，但是达到均衡必须要有多次传输，所以均衡速度较慢，不适于串联单体电池数量较多的动力电池组。

由此可见，设计出一种电路简单、运行方便的充放电技术方案，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力电池组的均衡充放电系统及均衡充放电方法，通过电池管理系统与开关控制器相互配合，由开关阵列实现对动力电池组中需要均衡的单体电池进行一对一的均衡充放电，充放电过程中的能量消耗小，可操作性强，均衡充放电效率高。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种动力电池组的均衡充放电系统，其特征在于：它包括电池管理系统、开关控制器和开关阵列、充放电端口、充电器和放电器，其中：

电池管理系统采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息并将电压信息传送给开关控制器；

开关控制器根据接收的电压信息来控制开关阵列，使动力电池组中的待充电和待放电的单体电池逐一经由开关阵列与充放电端口相通，其中，待充电的单体电池的电压偏差值小于0且绝对值大于偏差控制阈值，待放电的单体电池的电压偏差值大于0且大于偏差控制阈值；

充放电端口分两路，一路与充电器连接，另一路与放电器连接，充放电端口与充电器连接的线路上设有第一开关，充放电端口与放电器连接的线路上设有第二开关，第一开关和第二开关的打开与闭合受开关控制器控制，其中，当存在待充电的单体电池时，第一开关闭合而使待充电的单体电池经由开关阵列、充放电端口、第一开关与充电器连通，当存在待放电的单体电池时，第二开关闭合而使待放电的单体电池经由开关阵列、充放电端口、第二开关与放电器连通。

一种基于所述的均衡充放电系统实现的动力电池组的均衡充放电方法，其特征在于它包括步骤：

1)所述电池管理系统采集所述动力电池组中各单体电池的电压信息，并将电压信息传送给所述开关控制器；

2)所述开关控制器根据接收的电压信息进行判断，具体为：

若一单体电池的电压偏差值小于0且绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电，转至3)；若一单体电池的电压偏差值大于0且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电，转至4)；其中：单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去所述动力电池组中各单体电池两端电压值的均值；

3)所述开关控制器控制所述开关阵列，使需要充电的该单体电池通过所述开关阵列与所述充放电端口连通，同时控制所述第一开关闭合，从而对该单体电池进行均衡充电；

4)所述开关控制器控制所述开关阵列，使需要放电的该单体电池通过所述开关阵列与所述充放电端口连通，同时控制所述第二开关闭合，从而对该单体电池进行均衡放电。

本发明的优点是：

本发明不消耗动力电池组的内部能量，在单体电池之间也不存在能量转移，而是通过电池管理系统与开关控制器相互配合，由开关阵列实现对动力电池组中需要均衡的单体电池进行一对一的均衡充放电，保持动力电池组的荷电状态(SOC)始终维持在合理范围内，有效延长了动力电池组的整体使用寿命。

本发明的均衡方式具有指向性且易于实现，区别于在线均衡方式，本发明仅在需要均衡时发挥作用，能量消耗小，可操作性强，提高了均衡充放电的效率，尤其对于单只单体电池需要充电或放电时，可以在不拆开电池箱的情况下实现对单体电池的修复。

附图说明

图1是本发明均衡充放电系统的组成示意图。

图2是本发明均衡充放电系统的实施例1的电路连接示意图。

图3是本发明均衡充放电系统的实施例2的电路连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明动力电池组的均衡充放电系统包括电池管理系统20、开关控制器40和开关阵列30、充放电端口50、充电器60和放电器70，其中：

电池管理系统20采集动力电池组10中串联连接的各单体电池的电压信息，电压信息包括单体电池两端的电压，并将电压信息传送给开关控制器40，如图1，电池管理系统20与开关控制器40之间进行通讯，电池管理系统20受开关控制器40的控制而进行电压的检测；

开关控制器40根据接收的电压信息来控制开关阵列30，使动力电池组10中的待充电和待放电的单体电池逐一经由开关阵列30与充放电端口50相通，其中，待充电的单体电池的电压偏差值小于0且绝对值大于偏差控制阈值，待放电的单体电池的电压偏差值大于0且大于偏差控制阈值，单体电池的电压偏差值等于自身两端电压值减去动力电池组10中各单体电池两端电压值的均值；

充放电端口50分两路，一路与充电器60连接，另一路与放电器70连接，充放电端口50与充电器60连接的线路上设有第一开关KA，充放电端口50与放电器70连接的线路上设有第二开关KB，第一开关KA和第二开关KB的打开与闭合可受开关控制器40控制，或者也可手动控制，其中，当存在待充电的单体电池时，第一开关KA闭合而使待充电的单体电池经由开关阵列30、充放电端口50、第一开关KA与充电器60连通，当存在待放电的单体电池时，第二开关KB闭合而使待放电的单体电池经由开关阵列30、充放电端口50、第二开关KB与放电器70连通。

如图1，电池管理系统20的检测端口与动力电池组10中串联连接的各单体电池的两端连接，以用来检测单体电池两端电压，电池管理系统20的通讯端口与开关控制器40的通讯端口连接，电池管理系统20与开关控制器40之间进行通讯，电池管理系统20受开关控制器40的控制来进行电压的检测以及将检测得到的电压信息传送给开关控制器40，开关控制器40的控制端口与开关阵列30的控制信号输入端口连接，充放电端口50的内侧正、负端、各单体电池的正、负极分别与开关阵列30的相应响应端连接，充放电端口50的外侧正端分两路，一路经由第一开关KA与充电器60的正极连接，另一路经由第二开关KB与放电器70的正极连接，充放电端口50的外侧负端与充电器60、放电器70的负极连接。

在实际设计中，开关控制器40可为单片机、嵌入式控制器或其它计算处理器。

在实际设计中，开关阵列30可包括双路触点常开继电器，每个单体电池配有一个双路触点常开继电器，其中：对于单体电池及为其配设的双路触点常开继电器而言，双路触点常开继电器的线圈两端分别与电源(图中未示出)的正极、开关控制器40的相应控制端连接，双路触点常开继电器的第一路常开触点的两端分别与单体电池的正极、充放电端口50的内侧正端连接，第二路常开触点的两端分别与单体电池的负极、充放电端口50的内侧负端连接。

开关阵列30也可包括多选一电子开关，动力电池组10中的所有单体电池分成多组，每组对应配设有两个多选一电子开关，每组中的每个单体电池与该两个多选一电子开关连接，其中：对于每组中的每个单体电池及为其配设的两个多选一电子开关而言，多选一电子开关的控制端和使能端与开关控制器40的相应控制端连接，一多选一电子开关的一输入端与单体电池的正极连接，而单体电池的负极与另一多选一电子开关的相应一输入端连接，与单体电池的正极连接的多选一电子开关的输出端与充放电端口50的内侧正端连接，与单体电池的负极连接的多选一电子开关的输出端与充放电端口50的内侧负端连接。

在本发明中，开关阵列30还可有其它构成形式，并不局限于上述。

在本发明中，动力电池组10包括串联连接的多个单体电池。电池管理系统20为本领域的公知系统，其可采集动力电池组10中各个单体电池两端的电压、动力电池组10的总电压和电流，电池管理系统20的具体构成不在这里详述。充电器60、放电器70、充放电端口50均为本领域的已有器件，故其具体构成不在这里详述。

基于上述本发明均衡充放电系统，本发明还提出了一种动力电池组的均衡充放电方法，它包括步骤：

1)电池管理系统20采集动力电池组10中各单体电池的电压信息，并将电压信息传送给开关控制器40；

2)开关控制器40根据接收的电压信息进行判断，具体为：

若一单体电池的电压偏差值小于0且电压偏差值的绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电，转至3)；若一单体电池的电压偏差值大于0且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电，转至4)；其中：单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去动力电池组10中各单体电池两端电压值的均值；

3)开关控制器40控制开关阵列30，使需要充电的该单体电池通过开关阵列30与充放电端口50连通，同时控制第一开关KA闭合，从而对该单体电池进行均衡充电；

4)开关控制器40控制开关阵列30，使需要放电的该单体电池通过开关阵列30与充放电端口50连通，同时控制第二开关KB闭合，从而对该单体电池进行均衡放电。

在实际应用中，当存在多个需要充电的单体电池时，可按照电压偏差值的绝对值由大到小的顺序逐一对各个需要充电的单体电池进行均衡充电，当存在多个需要放电的单体电池时，按照电压偏差值由大到小的顺序逐一对各个需要放电的单体电池进行均衡放电。

当均衡充电至单体电池的电压偏差值回归到正常区间(设定区间值)内时，开关控制器40将控制开关阵列30，使该单体电池与充放电端口50断开连接，充电均衡作业完成。而在实际充电时，当均衡充电完成时，单体电池的电压会有一定的回落，其电压偏差值的绝对值可能会重新大于偏差控制阀值，由此会导致还要对该单体电池进行再次均衡充电，所以，在给单体电池充电时，应保证足够的充电时间，以确保均衡充电效果。

当均衡放电至单体电池的电压偏差值回归到正常区间内时，开关控制器40将控制开关阵列30，使该单体电池与充放电端口50断开连接，放电均衡作业完成。而在实际放电时，当均衡放电完成时，单体电池的电压会有一定的回落，其电压偏差值可能会重新大于偏差控制阀值，由此会导致还要对该单体电池进行再次均衡放电，所以，在给单体电池放电时，应保证足够的放电时间，以确保均衡放电效果。

实施例1：

如图2所示，针对由8只单体电池10a至10h串联连接组成的动力电池组10，本发明均衡充放电系统进行如下设计：开关控制器40选用单片机U0，单片机U0连接有报警灯LED，单片机U0控制报警灯LED的点亮、熄灭。开关阵列30由8个双路触点常开继电器构成，每个双路触点常开继电器的第一路常开触点的一端分别连接单体电池10a至10h的正极而另一端连接充放电端口50的内侧正端，每个双路触点常开继电器的第二路常开触点的一端分别连接单体电池10a至10h的负极而另一端连接充放电端口50的内侧负端。在图2中未示出电池管理系统20与单体电池之间的连接关系以及第一、第二开关KA、KB与单片机U0之间的连接关系。

正常情况下，单片机U0的引脚12-19输出高电平，双路触点常开继电器的线圈J1至J8均不导通，双路常开触点K1-1、K1-2、K2-1、K2-2、......、K8-1、K8-2均处于断开状态，且单片机U0的引脚11输出高电平，报警灯LED处于熄灭状态。

电池管理系统20检测各单体电池10a至10h的两端电压并将电压信息传递给单片机U0，例如当单片机U0检测到单体电池10a的电压偏差值小于0且绝对值大于偏差控制阈值时，单片机U0控制引脚11输出低电平，点亮报警灯LED报警，同时控制引脚19输出低电平，双路触点常开继电器的线圈J1得电，其双路常开触点K1-1、K1-2闭合，使单体电池10a的正负极与充放电端口50的内侧正负端导通。此时由单片机U0控制第一开关KA闭合，于是单体电池10a与充电器60形成充电回路，单体电池10a进行均衡充电。

在充电过程中，电池管理系统20采集单体电池10a两端的电压，当单体电池10a两端的电压上升到与其它单体电池电压一致时，电池管理系统20可告知单片机U0，于是单片机U0控制引脚19变为高电平，线圈J1失电，其双路常开触点K1-1、K1-2打开，单体电池10a的正负极与充放电端口50的内侧正负端断开，停止充电，同时单片机U0控制报警灯LED熄灭。

同样，当动力电池组10中某只单体电池的电压偏差值大于0且大于偏差控制阈值时，通过上述控制过程使该单体电池与充放电端口50连通，且控制第二开关KB闭合，从而该单体电池与放电器70之间形成放电回路，以对该单体电池进行均衡放电。

实施例2：

针对由48只单体电池10-1至10-48串联连接组成的动力电池组10，本发明均衡充放电系统进行如下设计：开关控制器40选用单片机U1，单片机U1连接有报警灯LED，单片机U1控制报警灯LED的点亮、熄灭。开关阵列30由12个八选一电子开关30A至30L构成，每个八选一电子开关的控制端A、B、C和使能端EN与单片机U1的相应控制引脚连接，如图3，每8只单体电池对应设有两个八选一电子开关。对于每个单体电池相应配设的两个八选一电子开关而言，以单体电池10-1为例说明，八选一电子开关30A的输入端K1+与单体电池10-1的正极连接，单体电池10-1的负极与八选一电子开关30B的输入端K1-连接，八选一电子开关30A的输出端OUT+与充放电端口50的内侧正端连接，八选一电子开关30B的输出端OUT-与充放电端口50的内侧负端连接。在图3中未示出电池管理系统20与单体电池之间的连接关系以及第一、第二开关KA、KB与单片机U1之间的连接关系。

八选一电子开关为3-8译码器，当其被使能时，根据3-8译码器的地址线A、B、C的逻辑电平，八选一电子开关中只有一路开关导通，其真值表如下表1所示。

表1八选一电子开关真值表

EN	A	B	C	导通开关
					1	x	x	x	都不导通
0	0	0	0	K1导通
					0	0	0	1	K2导通
0	0	1	0	K3导通
					0	0	1	1	K4导通
0	1	0	0	K5导通
					0	1	0	1	K6导通
0	1	1	0	K7导通
					0	1	1	1	K8导通

正常情况下，单片机U1控制向12个八选一电子开关30A至30L的使能端EN输入高电平，使12个八选一电子开关30A至30L中的开关均不导通，且单片机U1的引脚14输出低电平，报警灯LED处于熄灭状态。

电池管理系统20检测各个单体电池10-1至10-48的两端电压并将电压信息传递给单片机U1，例如当单片机U1检测到单体电池10-1的电压偏差值小于0且绝对值大于偏差控制阈值时，单片机U1控制引脚14输出高电平，点亮报警灯LED，同时控制引脚39、38、37、36分别输出低、低、低、低电平，使八选一电子开关30A、30B的K1开关闭合，单体电池10-1的正、负极与充放电端口50的内侧正负端导通。此时由单片机U1控制第一开关KA闭合，于是单体电池10-1与充电器60形成充电回路，单体电池10-1进行均衡充电。

在充电过程中，电池管理系统20采集单体电池10-1两端的电压，当单体电池10-1两端的电压上升到与其它单体电池电压一致时，电池管理系统20可告知单片机U1，于是单片机U1控制引脚36变为高电平，八选一电子开关30A、30B的K1开关打开，单体电池10-1的正负极与充放电端口50的内侧正负端断开，停止充电，同时单片机U1控制报警灯LED熄灭。

同样，当动力电池组10中某只单体电池的电压偏差值大于0且大于偏差控制阈值时，通过上述控制过程使该单体电池与充放电端口50连通，且控制第二开关KB闭合，从而该单体电池与放电器70之间形成放电回路，以对该单体电池进行均衡放电。

本发明不消耗动力电池组的内部能量，在单体电池之间也不存在能量转移，而是通过电池管理系统与开关控制器相互配合，由开关阵列实现对动力电池组中需要均衡的单体电池进行一对一的均衡充放电，保持动力电池组的荷电状态(SOC)始终维持在合理范围内，有效延长了动力电池组的整体使用寿命。

本发明的均衡方式具有指向性且易于实现，区别于在线均衡方式，本发明仅在需要均衡时发挥作用，能量消耗小，可操作性强，提高了均衡充放电的效率，尤其对于单只单体电池需要充电或放电时，可以在不拆开电池箱的情况下实现对单体电池的修复。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种动力电池组的均衡充放电系统，其特征在于：它包括电池管理系统、开关控制器和开关阵列、充放电端口、充电器和放电器，其中：

电池管理系统采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息并将电压信息传送给开关控制器；

开关控制器根据接收的电压信息来控制开关阵列，使动力电池组中的待充电和待放电的单体电池逐一经由开关阵列与充放电端口相通，其中，待充电的单体电池的电压偏差值小于0且绝对值大于偏差控制阈值，待放电的单体电池的电压偏差值大于0且大于偏差控制阈值；

充放电端口分两路，一路与充电器连接，另一路与放电器连接，充放电端口与充电器连接的线路上设有第一开关，充放电端口与放电器连接的线路上设有第二开关，第一开关和第二开关的打开与闭合受开关控制器控制，其中，当存在待充电的单体电池时，第一开关闭合而使待充电的单体电池经由开关阵列、充放电端口、第一开关与充电器连通，当存在待放电的单体电池时，第二开关闭合而使待放电的单体电池经由开关阵列、充放电端口、第二开关与放电器连通。

2.如权利要求1所述的均衡充放电系统，其特征在于：

所述开关控制器为单片机、嵌入式控制器。

3.如权利要求1或2所述的均衡充放电系统，其特征在于：

所述开关阵列包括双路触点常开继电器，每个所述单体电池配有一个双路触点常开继电器，其中：对于单体电池及为其配设的双路触点常开继电器而言，双路触点常开继电器的线圈两端分别与电源的正极、所述开关控制器的相应控制端连接，双路触点常开继电器的第一路常开触点的两端分别与单体电池的正极、充放电端口的内侧正端连接，第二路常开触点的两端分别与单体电池的负极、充放电端口的内侧负端连接。

4.如权利要求1或2所述的均衡充放电系统，其特征在于：

所述开关阵列包括多选一电子开关，所述动力电池组中的所有单体电池分成多组，每组对应配设有两个多选一电子开关，每组中的每个单体电池与该两个多选一电子开关连接，其中：对于每组中的每个单体电池及为其配设的两个多选一电子开关而言，多选一电子开关的控制端和使能端与所述开关控制器的相应控制端连接，一多选一电子开关的一输入端与单体电池的正极连接，而单体电池的负极与另一多选一电子开关的相应一输入端连接，与单体电池的正极连接的多选一电子开关的输出端与所述充放电端口的内侧正端连接，与单体电池的负极连接的多选一电子开关的输出端与所述充放电端口的内侧负端连接。

5.一种基于权利要求1至4中任一项所述的均衡充放电系统实现的动力电池组的均衡充放电方法，其特征在于它包括步骤：

1)所述电池管理系统采集所述动力电池组中各单体电池的电压信息，并将电压信息传送给所述开关控制器；

2)所述开关控制器根据接收的电压信息进行判断，具体为：

若一单体电池的电压偏差值小于0且绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电，转至3)；若一单体电池的电压偏差值大于0且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电，转至4)；其中：单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去所述动力电池组中各单体电池两端电压值的均值；

3)所述开关控制器控制所述开关阵列，使需要充电的该单体电池通过所述开关阵列与所述充放电端口连通，同时控制所述第一开关闭合，从而对该单体电池进行均衡充电；

4)所述开关控制器控制所述开关阵列，使需要放电的该单体电池通过所述开关阵列与所述充放电端口连通，同时控制所述第二开关闭合，从而对该单体电池进行均衡放电。

6.如权利要求5所述的均衡充放电方法，其特征在于：

当存在多个需要充电的单体电池时，按照电压偏差值的绝对值由大到小的顺序逐一对各个需要充电的单体电池进行均衡充电；

当存在多个需要放电的单体电池时，按照电压偏差值由大到小的顺序逐一对各个需要放电的单体电池进行均衡放电。

7.如权利要求5所述的均衡充放电方法，其特征在于：

当均衡充电至单体电池的电压偏差值回归到正常区间内时，所述开关控制器将控制所述开关阵列，使该单体电池与所述充放电端口断开连接，充电均衡作业完成；

当均衡放电至单体电池的电压偏差值回归到正常区间内时，所述开关控制器将控制所述开关阵列，使该单体电池与所述充放电端口断开连接，放电均衡作业完成。