CN107231010B - 一种电压补偿型电池保护器及均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电压补偿型电池保护器及均衡方法，其中保护器包括微处理器、内阻测试模块、电压采集/均衡模块、DC/DC电源模块、过放驱动电路、过充驱动电路、多路开关选择器以及电流传感器.微处理器与电压采集/均衡模块通过SPI进行通信，获得各电池单体电压；电压采集/均衡模块采集每节电池组的单体电压，并对相应的单体进行均衡保护工作。其中均衡方法包括均衡开启电压阈值补偿和过充、过放保护电压阈值补偿；其中，补偿后的均衡开启电压阈值为Ubti＝Ubt0+I3*Ri，Ubt0为补偿前的电压阈值，I3为充电电流，R为电池单体i的内电阻；补偿后的过充保护电压阈值为Utci＝U3+I3*Ri，U3为补偿前的过充电压阈值；补偿后的过放保护电压阈值为Utdi＝U4‑I4*Ri，U4为补偿前过放电压阈值，I4为放电电流。

Description

一种电压补偿型电池保护器及均衡方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，特别是涉及一种电压补偿型电池保护器及均衡方法。

背景技术

目前，电动车被广泛使用于市场上，车用电池被频繁的充放电工作，因此所用到的电池组需要更高的工作效率和使用寿命。由于电池往往是作为成组使用的，而且其个体在制造时无法保证一致性，使得电池组在使用过程中往往存在过度放电、过度充电、电流过大等问题。除此之外，电池单体还有自身的内阻，在充放电过程中，其内阻产生的电压会影响充放电功能。若不对上述问题进行快速有效的处理，不仅会大大影响锂电池组的使用寿命还会带来安全隐患。

为了提高电池组的使用时间，尽可能的延长电池组的使用寿命，大多数保护器都会对电池组进行过充电、过放电、过电流以及均衡保护。本发明设计了一种电压补偿型电池保护器及均衡方法，其主要功能有：使用内阻测试模块发送电流脉冲并通过电流传感器采集电流脉冲值，然后通过电压采集/均衡模块采集当时的单体电压，并将电压数据通过SPI通信传送给微处理器，根据直流内阻的测试方法计算出每节电池单体的内阻；通过基于单体电池内阻的电压补偿方法，优化均衡方法和优化充放电阈值电压。另外在电池组进行充放电的过程中，当出现过充电或者过放电时，保护板可以在第一时间开启过充过放保护关断过充驱动电路或过放驱动电路。

发明内容

本发明所采用的设计方案是：一种电压补偿型电池保护器及均衡方法，一种电压补偿型均衡方法基于一种电压补偿型电池保护器工作，该保护器包括：内阻测试模块、微处理器、电压采集/均衡模块、多路开关选择器、DC/DC电源模块、过充驱动电路、过放驱动电路以及电流传感器。一种电压补偿型电池保护器及均衡方法的详细步骤如下：

首先，微处理器向多路开关选择器发送控制信号，选择相应的单体电压并连接至内阻测试模块，微处理器发送电压控制信号给内阻测试模块，产生两段电流脉冲，电流传感器2将相应电流数据传输给微处理器，通过电压采集/均衡模块记录两段脉冲的单体电压数据并传输给微处理器，根据直流内阻测试方法，依次算出每节单体的内阻值，并储存到微处理器；微处理器通过电压补偿的方法将内电阻产生的电压计算到充电过程的均衡处理中，然后通过电流传感器1的电流大小判断保护器是在充电过程中还是在放电过程中，并在相应的过程中补偿过充阈值和过放阈值，以此来提高电池组充电容量和容量利用率。

在上述设计方案中，通过内阻测试模块发出两段电流脉冲，用多路开关选择器选择一节单体，将其与电流传感器串联起来，与内阻测试模块并联起来，用电流传感器2将I1、I2传输至微处理器，用电压采集/均衡模块采集当时的单体电压U1、U2，并传输至微处理器，最后根据直流内阻测试方法R＝ΔU/ΔI＝(U1-U2)/(I1-I2)，计算出该节单体的内阻值，并依据上述方法，计算出所有单体的内阻值。

在上述设计方案中，计算出电池单体的内阻值以后，选出其中最小内阻值R，充电电流为I3，补偿后的均衡开启电压阈值为Ubti＝Ubt0+I3*Ri，补偿后的均衡方法为：当Ui-Ua≥Ubti时，对该电池单体开启均衡，否则不开启。

在上述设计方案中，由计算得出的最小电池单体内电阻值R，对过充电、过放电阈值进行电压补偿，在充电过程中，补偿后的过充保护电压阈值为Utci＝U3+I3*Ri，当电池组中第i节电池单体电压Ui≥Utci时，微处理器发送控制信号至过充驱动电路，过充保护开启；在放电过程中，补偿后的过放保护电压阈值为Utdi＝U4-I4*Ri，当电池组中某节电池单体电压Ui≤Utdi时，微处理器发送控制信号至过放驱动电路，过放保护开启。

在上述设计方案中，DC/DC电源模块正极与电池组正极相连接，DC/DC电源模块负极与电池组负极连接，同时DC/DC电源模块为所有工作电压为低电压的电子器件供电。当电池组有电时，电源模块为微处理器供电，使其处于工作状态。

在上述设计方案中，当通过电流传感器1判断得出电池组在放电过程时，微处理器通过均衡采集/保护模块采集到电池组的单体电压，并实时更新单体电压数据，当第i节单体的电压值Ui≤Utdi时，此时开启过放驱动电路，相应的N沟道MOS管开关断开，电池组放电结束；当通过电流传感器1判断电池组在充电过程中时，微处理器通过电压采集/均衡模块采集到电池组的单体电压数据，当第i节充电单体电压Ui≥Utci时，此时开启过充驱动电路，相对应的N沟道MOS管开关断开，充电过程结束。

本发明的优点在于：设计的一种电压补偿型电池保护器及均衡方法，能够提高电池组充电容量和容量利用率。

附图说明

图1一种电压补偿型电池保护器架构图

图2一种电压补偿型电池保护器均衡方法流程图

具体工作方式

以下结合附图对本发明技术方案做进一步的说明。

如图1所示，整个保护器的系统结构包括：微处理器、电压采集/均衡模块、多路开关选择器、内阻测试模块、DC/DC电源模块、过放驱动电路、过充驱动电路以及电流传感器。微处理器控制整个保护板的工作流程，所有数据最后都要传输给微处理器进行相应的处理，并发出下一步工作的指令；电压采集/均衡模块是采集电池组单体电压数据，通过SPI通信将相应的数据传输给微处理器，该模块还带有均衡电路单元，实施对单体的均衡操作；多路开关选择器是通过微处理器将开关控制信号传输给该模块，选择接通相应的电池单体；内阻测试模块是通过微处理器输入电压控制信号使该模块输出两段电流脉冲到相应的并联电池单体上；DC/DC电源模块给所有保护器上的元器件提供工作电源；过放驱动电路是对电路中出现过放电的现象进行过放电保护，关断该保护的电子开关，结束放电工作；过充驱动电路是对电路中出现过充电的现象进行过充电保护，关断过充电保护的电子开关；电流传感器是对产生的电流信号传输给微处理器。计算电池单体内阻的具体方法是，通过微处理器控制多路开关选择器接通选择Bn，Bn为某节电池组单体，微处理器发送电压控制信号给内阻测试模块，该模块发出两段电流脉冲，电流传感器2将测得的两组电流值传输给微处理器，微处理器通过电流传感器和电压采集/均衡模块得到I1、I2和U1、U2，通过公式R＝(U1-U2)/(I1-I2)，测得Bn的内电阻值，依次求得n节单体的内电阻值，并得出内电阻值为Ri，分别在充放电过程中计算出新的过充电阈值电压为Utci，新的过放电阈值电压为Utdi，在放电过程中，当某节单体的放电电压Ui≤Utdi，放电过程结束；在充电过程中当某节单体的充电电压Ui≥Utci，充电过程结束。

图2一种电压补偿型电池保护器均衡方法，对其阐述如下：

(1)将电池最小内阻值R运用到充电均衡保护中；

(2)充电过程中第i节电池单体开启的均衡阈值为Ubti＝Ubt0+I3*Ri，开启的过充电保护阈值电压为Utci，Utci＝I3*Ri+U3，其中Ubt0为当前的实时设定的均衡阈值电压，I3为充电电流，U3为原过充电阈值电压，Utci为第i节单体的过充电阈值电压；

(3)进行充电，如果单体电压Ui满足Utci＞Ui≥Ubti+Ua，开启均衡工作，Ua为电池组单体电压平均值，直到Ui＜Ubti+Ua，均衡操作结束，继续充电，最后当Ui≥Utci时，开启过充电保护，整个充电过程结束；

(4)放电过程中过放电保护阈值电压为Utdi，Utdi＝U4-I4*Ri，U4为原过放电阈值电压，I4为放电电流，Utdi为第i节电池单体的过放电保护阈值电压；

(5)开启放电工作，如果电池组单体电压Ui＜Utdi，则继续放电，直到Ui≥Utdi，则开启过放电保护，整个放电过程结束。

Claims (6)

1.一种电压补偿型电池保护器，其特征在于：所述电压补偿型电池保护器包含微处理器、内阻测试模块、电压采集/均衡模块、DC/DC电源模块、过放驱动电路、过充驱动电路、多路开关选择器、第一电流传感器以及第二电流传感器，其中，

微处理器控制内阻测试模块发出两段脉冲电流给由多路开关选择器从多个电池单体中选择的电池单体，并通过第二电流传感器采集所选择的电池单体的脉冲电流；

电压采集/均衡模块采集所述多个电池单体中的每个电池单体的电压并对相应的电池单体进行均衡保护工作；

微处理器与电压采集/均衡模块通过SPI进行通信来获得电压采集/均衡模块采集的所述多个电池单体中的每个电池单体的电压，

微处理器根据电压采集/均衡模块采集的所述多个电池单体中的每个电池单体的电压和通过第二电流传感器采集的每个电池单体的脉冲电流，确定所述多个电池单体中的每个电池单体的内电阻，并从所述多个电池单体对应的多个内电阻中选择最小的内电阻，

其中，微处理器通过直流内阻测试方法Ri＝(U1-U2)/(I1-I2)计算出所述多个电池单体中的第i电池单体的内阻值Ri，I1、I2是提供给所述多个电池单体中的第i电池单体的两段脉冲电流的电流，U1、U2是由电压采集/均衡模块采集的第i电池单体的分别对应于I1、I2的电压，

其中，微处理器从所述多个电池单体对应的多个内电阻中选择最小内电阻，

其中，针对所述多个电池单体中第i电池单体，微处理器将均衡开启电压阈值动态补偿为Ubti＝Ubt0+I3*R，将过充保护电压阈值动态补偿为Utci＝U3+I3*R，将过放保护电压阈值动态补偿为Utdi＝U4-I4*R，其中，R为最小内电阻，Ubti为动态补偿的均衡开启电压阈值，Ubt0为补偿前的均衡开启电压阈值，I3为充电电流，Utci为动态补偿的过充电压阈值，U3为补偿前的过充电压阈值，Utdi为动态补偿的过放保护电压阈值，U4为补偿前过放保护电压阈值，I4为放电电流，

其中，针对所述多个电池单体中的每个电池单体，微处理器基于动态确定补偿的均衡开启电压阈值、动态补偿的过充保护电压阈值和动态补偿的过放保护电压阈值，控制电压采集/均衡模块、过放驱动电路、过充驱动电路选择性地执行均衡保护工作、过放电保护工作和过充电保护工作，

DC/DC电源模块向所述电压补偿型电池保护器内的所有需要供电的模块提供电源。

2.根据权利要求1所述的电压补偿型电池保护器，其特征在于：

当所述多个电池单体中的第i电池单体的电压Ui≤Utdi时，微处理器控制过放驱动电路执行过放保护工作来开启过放保护并结束放电过程；

当所述多个电池单体中的第i电池单体的电压Ui≥Utci时，微处理器控制开启过充驱动电路执行过充保护工作来开启过充保护并结束充电过程。

3.根据权利要求1所述的电压补偿型电池保护器，其特征在于：

针对所述多个电池单体中第i电池单体，当Ui-Ua≥Ubti时，对第i电池单体开启均衡保护工作，否则不开启，其中，Ui为多个电池单体中的第i电池单体的电压，Ua为电池单体的电压平均值。

4.一种用于电压补偿型电池保护器的均衡方法，其特征在于：

所述电压补偿型电池保护器包含微处理器、内阻测试模块、电压采集/均衡模块、过放驱动电路、过充驱动电路、多路开关选择器、第一电流传感器以及第二电流传感器，

其中，所述均衡方法包括如下步骤：

微处理器控制内阻测试模块发出两段脉冲电流给由多路开关选择器从多个电池单体中选择的电池单体，并通过第二电流传感器采集所选择的电池单体的脉冲电流；

电压采集/均衡模块采集所述多个电池单体中的每个电池单体的电压并对相应的电池单体进行均衡保护工作；

微处理器与电压采集/均衡模块通过SPI进行通信来获得电压采集/均衡模块采集的所述多个电池单体中的每个电池单体的电压；

微处理器根据电压采集/均衡模块采集的所述多个电池单体中的每个电池单体的电压和通过第二电流传感器采集的每个电池单体的脉冲电流，确定所述多个电池单体中的每个电池单体的内电阻，其中，微处理器通过直流内阻测试方法Ri＝(U1-U2)/(I1-I2)计算出所述多个电池单体中的第i电池单体的内阻值Ri，I1、I2是提供给所述多个电池单体中的第i电池单体的两段脉冲电流的电流，U1、U2是由电压采集/均衡模块采集的第i电池单体的分别对应于I1、I2的电压；

微处理器从与所述多个电池单体对应的多个内电阻中选择最小内电阻；

针对所述多个电池单体中第i电池单体，微处理器将均衡开启电压阈值动态补偿为Ubti＝Ubt0+I3*R，将过充保护电压阈值动态补偿为Utci＝U3+I3*R，将过放保护电压阈值动态补偿为Utdi＝U4-I4*R，其中，R为最小内电阻，Ubti为动态补偿的均衡开启电压阈值，Ubt0为补偿前的均衡开启电压阈值，I3为充电电流，Utci为动态补偿的过充电压阈值，U3为补偿前的过充电压阈值，Utdi为动态补偿的过放保护电压阈值，U4为补偿前过放保护电压阈值，I4为放电电流；

针对所述多个电池单体中的每个电池单体，微处理器基于动态确定补偿的均衡开启电压阈值、动态补偿的过充保护电压阈值和动态补偿的过放保护电压阈值，控制电压采集/均衡模块、过放驱动电路、过充驱动电路选择性地执行均衡保护工作、过放电保护工作和过充电保护工作。

5.根据权利要求4所述的均衡方法，其特征在于：

当所述多个电池单体中的第i电池单体的电压Ui≤Utdi时，微处理器控制过放驱动电路执行过放保护工作来开启过放保护并结束放电过程；

当所述多个电池单体中的第i电池单体的电压Ui≥Utci时，微处理器控制开启过充驱动电路执行过充保护工作来开启过充保护并结束充电过程。

6.根据权利要求4所述的均衡方法，其特征在于：

针对所述多个电池单体中第i电池单体，当Ui-Ua≥Ubti时，对第i电池单体开启均衡保护工作，否则不开启，其中，Ui为多个电池单体中的第i电池单体的电压，Ua为电池单体的电压平均值。

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