CN107196388A - 并联电池组电压均衡管理系统、并联电池组及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
并联电池组电压均衡管理系统，应用于并联的多个单一电池，包括电池电压检测装置及多个供电开关，所述供电开关不与单一电池连接的一端与供电端连接，每一所述单一电池连接有一个电池电压检测装置，所述检测装置输出信号为数字信号，检测装置信号输出端与一个数字信号处理装置连接；还包括一个充电开关网络，所述充电开关网络能够连接任意两个单一电池的正极，同时与其他单一电池正极隔离。本发明还公开了一种并联电池组及其动态控制方法。本发明采用开关网络设计，实现了对供电电池的选择性处理，能够对供电电池的工作状态和充放电状态进行控制，实现电压均衡，延长了电池组的寿命，同时对器件要求大幅降低，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于电子电源领域，涉及一种电池管理技术，具体涉及一种并联电池组电压均衡管理系统、并联电池组及其控制方法。
背景技术
随着电池的小型化和能量比不断提高，出现了各种依靠电池供电的电动设备，例如无人机、电动汽车、电瓶车等，以电动汽车为例，电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。电动汽车的续行里程之长短取决于车载动力电池容量之大小，车载动力电池之重量取决于选用何种动力电池如铅酸、锌碳、锂电池等，以及电池的比重、比功率、比能量等指标。
但在电池使用过程中，由于工业化生产过程造成的电池输出电压的差异，导致电池输出功率不均，并且在使用过程中，这种差异由于电池的放电原理会被持续放大，例如对于输出电压的电池，输出电流较大，输出电流大导致电池发热增加，电池发热后导致内阻降低，进一步导致电流增大，形成正反馈使得电池持续发热并超负荷供电，电池寿命大幅缩小。
发明内容
为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种并联电池组电压均衡管理系统、并联电池组及其控制方法。
本发明所述并联电池组电压均衡管理系统，应用于并联的多个单一电池，包括电池电压检测装置及多个供电开关，每一单一电池与一个供电开关串联，所述供电开关不与单一电池连接的一端与供电端连接，每一所述单一电池连接有一个电池电压检测装置，所述检测装置输出信号为数字信号，检测装置信号输出端与一个数字信号处理装置连接；
还包括一个充电开关网络，所述充电开关网络能够连接任意两个单一电池的正极，同时与其他单一电池正极隔离；
所述数字信号处理装置能够完成以下功能：根据输入的数字信号，判断出各个单一电池电压的最高值和最低值，并控制各个供电开关和充电开关网络。
优选的，所述电池电压检测装置与电池正极连接。
优选的，所述电池电压检测装置为模数转换器。
优选的，所述充电开关网络包括多个一端与各个单一电池正极分别连接的均衡开关，均衡开关另一端均与电压均衡端连接。
优选的，所述数字信号处理装置内置有时钟发生器。
优选的，各个单一电池与电池电压检测装置的位置相同。
本发明还公开了一种并联电池组，采用了如上任意一项所述的电压均衡管理系统
本发明还公开了一种并联电池组控制方法，基于如上任意一项所述的电压均衡管理系统，数字信号处理装置随时根据输入的数字信号，判断出各个单一电池电压的最高值和最低值，断开电压最高和最低的两个单一电池的供电开关，同时控制充电开关网络使仅这两个单一电池的正极连接。
优选的，基于如前所述数字信号处理装置内置有时钟发生器的电压均衡管理系统，所述数字信号处理装置对于数字信号的识别判断及各个开关的切换，在时钟发生器产生的时钟信号的每一周期边沿开始同步进行。
采用本发明所述的并联电池组电压均衡管理系统、并联电池组及其控制方法，具有如下优越性：
一.采用开关网络设计，实现了对供电电池的选择性处理，能够对供电电池的工作状态和充放电状态进行控制，实现电压均衡。
二.采用数字信号排序处理方式，能够有效实现各个单一电池之间的电压均衡，缩小电压差异，降低高压电池的电压，延长了电池组的寿命。
三.采用多路复用，时分复用的即时控制方式，电压均衡随时动态进行，电压均衡反应快，时间短，电池工作状态稳定，输出效率提高。
四.即时控制、随时切换的控制方式，对器件要求大幅降低，无需采用昂贵的精确采样ADC对电池电压进行采样，即使出现误差，在后续周期内即可迅速纠正，降低了硬件要求和系统成本。
五.系统结构简单，器件数量少，与现有并联供电电池结构完全兼容，适合于不同种类单一电池的电压均衡控制。
附图说明
图1为本发明所述并联电池组的一种具体实施方式结构正视示意图，图中附图标记名称为ADC-模数转换器，DSP-数字信号处理装置，VO-供电端，VEX-电压均衡端，K1A-均衡开关，K1B-供电开关，图中C1、C2、C3、C4表示不同的单一电池，K2、K3、K4表示分别与C2、C3、C4连接的开关组。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述并联电池组电压均衡管理系统，应用于并联的多个单一电池，包括电池电压检测装置及多个供电开关，每一单一电池与一个供电开关串联，所述供电开关不与单一电池连接的一端与供电端连接，每一所述单一电池连接有一个电池电压检测装置，所述检测装置输出信号为数字信号，检测装置信号输出端与一个数字信号处理装置连接；
还包括一个充电开关网络，所述充电开关网络能够连接任意两个单一电池的正极，同时与其他单一电池正极隔离；
所述数字信号处理装置能够完成以下功能：根据输入的数字信号，判断出各个单一电池电压的最高值和最低值，并控制各个供电开关和充电开关网络。
图1所示的具体实施方式中，应用在一个四电池并联电池组上；其中各个单一电池C1、C2、C3、C4均连接有两个开关，例如电池C1连接有均衡开关K1A和供电开关K1B,与C2、C3、C4连接的开关组K2、K3、K4也分别拥有一个均衡开关和供电开关，为简化示图，图1中未分别完整标示。
假设初始状态下各个供电开关均闭合，各个均衡开关均断开，各个单一电池以并联状态与供电端VO连接并向与供电端VO连接的用电设备供电，每一单一电池正极与一个模数转换器ADC连接，模数转换器将检测到的电池正极电压模拟信号转换成数字信号。电池电压检测装置除ADC外，也可以采取更多部件，例如先用运算放大器将检测电压信号与一个基准值误差放大后再输入ADC进行采样，或在电池上串联一个电流采样电阻，通过对采样电阻两端压差检测表征电池电压；由于实际使用的各个单一电池都是标定性能相同的电池，电池输出电压及电流之间的差值不会太大，检测电池电压本身的绝对值并无太大意义，但是由于差值的存在，仍然可能导致电池寿命的急剧缩短，因此检测装置的作用主要是检测出一个能表征电池电压值的数字值，从而挑选出电压最高和电压最低的两个单一电池。
对于并联电池组，在不考虑导线电阻、接头电阻和开关导通电阻的情况下，由于并联电压处处相等，理论上各个电池的电压连接在一起之后也会相等，由于存在上述电阻，单一电池输出电流不同，导致这些电阻上的压降不同，使得各个单一电池在供电时的电压不同，因此单一电池与电池电压检测装置的位置应最好相同，消除接入点电阻不同对电压采集带来的误差影响。
数字信号处理装置根据输入的数字信号，筛选出具有电压最大值和最小值的两个单一电池，例如在图1所示的具体实施方式中，根据检测结果，单一电池C1电压最高，单一电池C4电压最低，数字信号处理装置控制这两个电池连接的供电开关断开，停止向供电端VO供电，并闭合这两个电池所连接的均衡开关，使得两个电池的正极均与电压均衡端连接，此时高电压的电池C1自动向低电压的电池C4充电，从而实现电池C1和电池C4的电压均衡。
本发明中，数字信号处理装置采用即时检测技术，随时切换各个开关的工作状态，例如前述电池C1和C4实现电压均衡时，各个ADC仍然持续检测各个单一电池电压，实现电压均衡后，单一电池C2可能变成四个电池中电压最高的电池，单一电池C3可能变成四个电池中电压最低的电池，此时数字信号处理装置则控制连接单一电池C2和C3的供电开关断开，并闭合连接单一电池C1和C4的供电开关，同时断开连接单一电池C1和C4的均衡开关，闭合连接单一电池C2和C3的均衡开关，实现C2和C3之间的电压均衡。实现动态均衡控制和即时检测的过程中，可以利用在数字信号处理装置中增加时钟发生器产生时钟信号，对检测电压及切换开关动作进行同步管理，减少误动作及操作冲突发生的可能性，例如可以设置在时钟信号上升沿开始新的电压检测，检测后在本周期下降沿或下一周期的上升沿对各个开关进行控制切换，从而更好的实现时序正确。
图1所示的具体实施方式中，充电开关网络由多个与各个单一电池正极连接的均衡开关组成，各个均衡开关另一端连接在一起，即与图1中所示的电压均衡端VEX连接，通过控制不同均衡开关，可以实现任意两个电池正极的相互连接，并且与其他未选电池的正极隔离。充电开关网络当然也可以以其他更加复杂或不同的方式实现，本发明中公开的这种方式较为简便。
由此可见，本发明中采用开关网络实现开关复用和电池的分时复用，使得任何时间段内，电池的均衡始终在动态进行，同时不影响电池的动态平衡供电，对于N个并联单一电池，任何时候都有N-2个电池为供电端持续供电，同时不断的实现电压动态平衡，相对传统的电池电压检测需要使用昂贵的高精度ADC精确检测电池电压的绝对值；本发明中，由于只关心单一电池之间的电压差值，且采用动态平衡，使得对ADC检测精度的要求大幅降低，即使ADC检测存在误差，该误差也被差值计算所抵消，并且由于动态平衡方式，使得ADC的检测误差几乎不会对平衡状态产生实质性影响，降低了产品成本。
本发明所述的具体实施方式虽然只公开了四个单一电池并联的情况，但显然本领域技术人员可以根据本发明内容任意增加支路，实现更多个单一电池的并联电池网络结构。
本发明中，数字信号处理装置实现的根据数字信号排序选择最高值和最低值，并控制对应的均衡开关和供电开关，在本领域内为非常简单的程序编制，属于现有技术，本领域技术人员可以轻松实现。
采用本发明所述的电压均衡管理的并联电池组及其控制方法，具有如下优越性：
一.采用开关网络设计，实现了对供电电池的选择性处理，能够对供电电池的工作状态和充放电状态进行控制，实现电压均衡。
二.采用数字信号排序处理方式，能够有效实现各个单一电池之间的电压均衡，缩小电压差异，降低高压电池的电压，延长了电池组的寿命。
三.采用多路复用，时分复用的即时控制方式，电压均衡随时动态进行，电压均衡反应快，时间短，电池工作状态稳定，输出效率提高。
四.即时控制、随时切换的控制方式，对器件要求大幅降低，无需采用昂贵的精确采样ADC对电池电压进行采样，即使出现误差，在后续周期内即可迅速纠正，降低了硬件要求和系统成本。
五.系统结构简单，器件数量少，与现有并联供电电池结构完全兼容，适合于不同种类单一电池的电压均衡控制。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.并联电池组电压均衡管理系统，应用于并联的多个单一电池，其特征在于，包括电池电压检测装置及多个供电开关，每一单一电池与一个供电开关串联，所述供电开关不与单一电池连接的一端与供电端连接，每一所述单一电池连接有一个电池电压检测装置，所述检测装置输出信号为数字信号，检测装置信号输出端与一个数字信号处理装置连接；
还包括一个充电开关网络，所述充电开关网络能够连接任意两个单一电池的正极，同时与其他单一电池正极隔离；
所述数字信号处理装置能够完成以下功能：根据输入的数字信号，判断出各个单一电池电压的最高值和最低值，并控制各个供电开关和充电开关网络。
2.如权利要求1所述的并联电池组电压均衡管理系统，其特征在于，所述电池电压检测装置与电池正极连接。
3.如权利要求1所述的并联电池组电压均衡管理系统，其特征在于，所述电池电压检测装置为模数转换器。
4.如权利要求1所述的并联电池组电压均衡管理系统，其特征在于，所述充电开关网络包括多个一端与各个单一电池正极分别连接的均衡开关，均衡开关另一端均与电压均衡端连接。
5.如权利要求1所述的并联电池组电压均衡管理系统，其特征在于，所述数字信号处理装置内置有时钟发生器。
6.如权利要求1所述的并联电池组电压均衡管理系统，其特征在于，各个单一电池与电池电压检测装置的位置相同。
7.并联电池组，其特征在于，采用了如权利要求1-6任意一项所述的电压均衡管理系统。
8.并联电池组控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-6任意一项所述的电压均衡管理系统，数字信号处理装置随时根据输入的数字信号，判断出各个单一电池电压的最高值和最低值，断开电压最高和最低的两个单一电池的供电开关，同时控制充电开关网络使仅这两个单一电池的正极连接。
9.如权利要求8所述的并联电池组动态控制方法，其特征在于，基于如权利要求5所述的并联电池组，所述数字信号处理装置对于数字信号的识别判断及各个开关的切换，在时钟发生器产生的时钟信号的每一周期边沿开始同步进行。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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