CN106329640B - 一种电池充电均衡装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池充电均衡装置及其充电均衡方法，充电均衡装置包括电池组、电容、继电器、电阻、电压检测模块一、电压检测模块二和控制器模块。通过电容并联在单体电池两端，实现电能的储存；通过分别对单体电池电压检测并控制继电器的闭合或断开，从而实现电池与电容的并联与否，均衡各单体电池之间的差异，保证了电池组的均衡；在电池放电结束后，已储能的电容向对应的单体电池进行放电，充分利用了资源，能量利用率高，而且继电器开关次数较少，损耗小，温升也小。整个充电均衡装置结构简单，损耗低，效率高，充电均衡方法相对简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种串联电池的充电均衡装置和方法。
背景技术
现阶段，动力电池是电动汽车的主要能量来源，电池安全高效地充放电对于汽车安全正常的行驶至关重要。充放电作为电池使用过程中最重要的一环，直接影响着电池的寿命及循环性能。
电动汽车的电池一般是由多节单体电池串联而成的电池组，在实际使用过程中，单体电池之间总是存在着能量不平衡现象，根本原因在于电池组各单体电池之间的不一致性。所谓的电池不一致性，是指电池组中各单体电池之间存在着电压、内阻和电池荷电状态SOC(state of charge)等参数的差异。随着电池充放电循环次数的增加，不一致性会越来越大。电池不一致性直观的表现是：当电池进行充/放电时，容量较小的电池会快速充满/放完电，为了防止电池过冲/过放，此时即会停止充电/放电，则大容量的电池利用率较低，导致整个电池组的容量利用率降低。如果为了提高电池组容量利用率而继续进行充/放电，容量小的电池就会过冲/过放，对电池的性能损伤比较大，进一步会缩短整个电池组的使用寿命。
常用的单体电池均衡方法按能量损耗进行分类，可以分为能量损耗型和非能量损耗型。能量损耗型一般通过在电池两端并联旁路电阻和开关器件来释放高压电池能量，可靠性高，控制简单且易于实现，但是能耗较大，且流过电阻的电能以热的形式释放，使得温度系统难以管理。非能量损耗型一般有电感式均衡、电容式均衡、变压器式均衡、直流-直流(DC-DC)变换器均衡等，这类方法大部分结构复杂，成本较高，但是能量利用率比较高。
发明内容
要解决的技术问题
为解决充放电过程中单体电池差异的问题，并避免能量消耗，本发明提出了一种用于电池组的充电均衡装置和方法，利用电容进行能量的存储与回馈，解决电池充电过程中能量损耗大、温升大的问题。
技术方案
一种电池充电均衡装置，其特征在于包括：电池组、电容、继电器、电阻、电压检测模块一、电压检测模块二和控制器模块；其中，电池组由两个以上单体电池串联而成，每个单体电池分别和与之对应的继电器、电容和电阻串联，电容用于能量存储与回馈，继电器用于连接或者断开各个单体电池和与之对应的电容，电阻有效地缓冲继电器闭合瞬间产生的大电流；电压检测模块一对电池组中各单体电池电压信号进行采集并输出到控制器模块，电压检测模块二对各电容电压信号进行采集并输出到控制器模块；控制器模块通过对电压信号进行分析，产生控制信号以控制各继电器的闭合与断开，从而控制各单体电池与之对应电容的并联与否。
一种电池充电均衡方法，其特征在于主要包括以下步骤：
步骤一：电池充电过程中，电压检测模块一以固定时间间隔对电池组各单体电池进行电压信号采集，并将采集到的电压信号发送至控制器模块；
步骤二：当采集到的某个单体电池的电压达到其限定值，则控制器模块输出控制信号使该单体电池对应的继电器闭合，从而使该单体电池和与之对应的电容并联，单体电池向电容充电；
步骤三：当采集到的所有单体电池的电压都达到其限定值，则控制器模块输出控制信号使所有闭合的继电器断开，电池充电结束；
步骤四：电池放电结束后，电压检测模块二以固定时间间隔对各电容进行电压信号采集，并将采集到的电压信号发送至控制器模块；
步骤五：当采集到的某个电容的电压高于其基值，则控制器模块输出控制信号使该电容对应的继电器闭合，从而使该电容与之对应的单体电池并联，电容向单体电池放电；
步骤六：当采集到的某个电容的电压小于其基值时，控制器模块输出控制信号，使该电容对应的继电器断开，该电容放电结束；当采集到的所有电容的电压都小于其基值，则控制器模块输出控制信号使所有闭合的继电器断开，电容放电结束。
所述的步骤一中电压检测模块一以固定时间间隔对电池组各单体电池进行电压信号采集，当采集到的单体电池电压接近其限定值时，减小电压采集时间间隔，以防止单体电池过充。
有益效果
本发明通过将电容并联在单体电池两端，可进行电能的储存，实现均衡充电；通过分别对单体电池电压检测并控制与电容的并联与否，考虑了各单体电池之间的差异，电量多的电池不会过冲，电量小的能够保证充满，保证了电池组的均衡；在电池放电结束后，已储能的电容向对应的单体电池进行放电，充分利用了资源，能量利用率高，而且继电器开关次数较少，损耗小，温升也小。整个充电均衡装置结构简单，损耗低，效率高，控制方法相对简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明的一种电池充电均衡装置的原理图。
图2是本发明的一种电池充电均衡方法的基本流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
一种电池充电均衡装置包括：电池组、电容、继电器、电阻、电压检测模块和控制器模块。
电池组由多个单体电池串联而成，每个单体电池分别和与之对应的继电器、电容和电阻串联。
电容用于能量存储与回馈，是本发明充电均衡装置的核心器件，当电池电压超过限定值时，电容主要用于能量的存储，以防止电池过压，在电池充放电一个周期结束时，电容则用于能量的回馈，将能量回馈至单体电池，保证了电容能够重复利用。
继电器用于连接或者断开各个单体电池和与之对应的电容，继电器在闭合瞬间会产生大电流，对电池造成损伤，电阻则可以有效地缓冲继电器闭合瞬间产生的大电流，减小大电流对电路产生的冲击。
电压检测模块包括两部分，电压检测模块一以固定时间间隔对各个单体电池电压信号进行采集并输出到控制器模块，在整个充电过程中选择固定时间间隔采集电池电压可以有效节省其工作时间、减小其工作频率。电压检测模块二用于对电容电压信号检测并输出到控制器模块。
控制器模块通过对电压检测模块检测到的电压信号进行分析，产生控制信号以控制继电器的闭合与断开，从而控制单体电池和与之对应电容的并联与否，实现电容电量的储能与回馈的过程。
本实施例中电池组由三个单体电池BT1、BT2、BT3串联而成，与之对应的电容分别是C1、C2、C3，电阻分别为R1、R2、R3，单体电池BT1与电容C1之间依赖继电器S1的通断控制电量的传递过程，单体电池BT2与储能电容C2之间为继电器S2，单体电池BT3与储能电容C3之间则为继电器S3。电压检测模块一分别采集单体电池BT1、BT2、BT3的电压，电压检测模块二分别采集储能电容C1、C2、C3的电压。
电池充电均衡方法主要包括以下步骤：
步骤一：充电过程中，电压检测模块一以固定时间间隔对电池组各单体电池进行电压信号的采集，并将采集到的电压信号发送至控制器模块，控制器模块进行数据分析处理。在已知电池充电特性的前提下，也可以根据电池充电过程中电压上升特性，采用充电前期固定时间间隔比较大，在充电后期，电池电压快要达到限定电压时，减小电压采集固定时间间隔，这样采集到的电压信息可以更好地应用于电池充电均衡过程中。
步骤二：当电压检测模块一采集到的某个单体电池电压高于其电压限定值时，控制器模块输出控制信号，控制与该单体电池对应的继电器闭合，单体电池向电容充电，单体电池电压不再升高。
步骤三：直至所有的单体电池电压均达到其限定值，控制器模块控制所有闭合的继电器断开，充电结束。
步骤四：在电池组一个充放电周期结束之后，电压检测模块二以固定时间间隔对电容电压信号进行采集，并将采集到的电压信号发送至控制器模块，控制器模块进行数据分析处理。
步骤五：若某个电容的电压大于其电容电压基值时，表明该电容储存有一定的电量，控制器模块输出控制信号，控制该电容对应的继电器闭合，该电容和与之对应的单体电池并联，对电池进行放电。
步骤六：当电压检测模块二采集到的某个电容的电压值小于其电容电压基值时，该电容放电结束，控制器模块输出控制信号，控制该电容对应的继电器断开；当所有电容的电压均小于其电容电压基值时，则控制器模块输出控制信号使所有闭合的继电器断开，电容放电结束。
Claims (3)
1.一种电池充电均衡装置，其特征在于包括：电池组、电容、继电器、电阻、电压检测模块一、电压检测模块二和控制器模块；其中，电池组由两个以上单体电池串联而成，每个单体电池分别和与之对应的继电器、电容和电阻串联，电容用于能量存储与回馈，继电器用于连接或者断开各个单体电池和与之对应的电容，电阻有效地缓冲继电器闭合瞬间产生的大电流；电压检测模块一对电池组中各单体电池电压信号进行采集并输出到控制器模块，电压检测模块二对各电容电压信号进行采集并输出到控制器模块；控制器模块通过对电压信号进行分析，产生控制信号以控制各继电器的闭合与断开，从而控制各单体电池和 与之对应电容的并联与否。
2.一种利用权利要求1所述装置的电池充电均衡方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：电池充电过程中，电压检测模块一以固定时间间隔对电池组各单体电池进行电压信号采集，并将采集到的电压信号发送至控制器模块；
步骤二：当采集到的某个单体电池的电压达到其限定值，则控制器模块输出控制信号使该单体电池对应的继电器闭合，从而使该单体电池和与之对应的电容并联，单体电池向电容充电；
步骤三：当采集到的所有单体电池的电压都达到其限定值，则控制器模块输出控制信号使所有闭合的继电器断开，电池充电结束；
步骤四：电池放电结束后，电压检测模块二以固定时间间隔对各电容进行电压信号采集，并将采集到的电压信号发送至控制器模块；
步骤五：当采集到的某个电容的电压高于其基值，则控制器模块输出控制信号使该电容对应的继电器闭合，从而使该电容和 与之对应的单体电池并联，电容向单体电池放电；
步骤六：当采集到的某个电容的电压小于其基值时，控制器模块输出控制信号，使该电容对应的继电器断开，该电容放电结束；当采集到的所有电容的电压都小于其基值，则控制器模块输出控制信号使所有闭合的继电器断开，电容放电结束。
3.一种如权利要求2所述的电池充电均衡方法，其特征在于：所述的步骤一中电压检测模块一以固定时间间隔对电池组各单体电池进行电压信号采集，当采集到的单体电池电压接近其限定值时，减小电压采集时间间隔，以防止单体电池过充。
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