CN107516924A - 动力电池组非能耗式均衡管理系统及均衡管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于动力电池技术领域，提供了一种动力电池组非能耗式均衡管理系统及均衡管理方法，该系统中的动力电池管理模块基于采集到的单体电池电压得到电压平均值，基于单体电池电压值与电压平均值的偏差决定输出的数字信号，及该数字信号的输出时间，当偏差值为正，即单体电池电压值大于电压平均值，单体电池向储能装置充电，当偏差值为负，即单体电池电压值小于电压平均值，储能装置向单体电池充电，通过能量转移的形式保证了动力电池组内的各个单体电池均衡，解决了能耗式均衡管理系统存在的能耗问题。

Description

动力电池组非能耗式均衡管理系统及均衡管理方法

技术领域

本发明属于动力电池技术领域，提供了一种动力电池组非能耗式均衡管理系统及均衡管理方法。

背景技术

随着新能源产业的高速发展，动力电池作为动力的源泉，被广泛应用于电动自行车、汽车、飞机的电推进系统中,通过串联、并联众多单体电池组成动力电池组，动力电池组中单体电池之间存在充放电压不一致性，而动力电池组的有效电容量受其中最小容量电池单体的制约，最终使得动力电池组的充放电能力减弱，缩短动力电池组的使用寿命，难以保障电动自行车、汽车、飞机的持续续航,此外,当给动力电池组充电时，由于单体电池的容量不一致，导致容量小的单体电池充满而容量大的单体电池尚未充满，如果动力电池组继续充电，则会导致容量小的单体电池过压充电,过压充电的电量会消耗在电解液上，一方面会使电池过热燃烧甚至导致单体电池爆炸；另一方面过压充电在电极上产生的气泡依附于电极上，会减少电解液与电极的接触面积，降低充电的效率，缩短使用寿命；当动力电池组放电时，单体电池容量不一致性，动力电池组在欠压状态下放电，导致单体电池深度放电，进而减弱整个电池组放电能力，减短使用寿命。针对动力电池组中单体电池不一致性带来的电池组容量衰减/里程衰减、充放电能力减弱、使用寿命减短等问题，需要电池管理系统能够实现单体电池之间容量的均衡，改善单体不一致性带来的容量损失，提高电动自行车、汽车、飞机的里程及使用的寿命。

目前动力电池均衡管理的方法可以分为耗能式和非耗能式，而非耗能式又可以分为能量转换式和能量转移式。能耗式是通过给单体电池并联一个功率电阻和一个开关进行分流，将动力电池组中电压高的单体电池多余的能量释放，达到电池组电压均衡，但存在能量浪费问题。

发明内容

本发明实施例提供一种动力电池组非能耗式均衡管理系统，旨在解决能耗式均衡管理系统存在的能量浪费问题。

本发明是这样实现的，一种动力电池组非能耗式均衡管理系统，该系统包括：电压采集模块、动力电池管理模块、IGBT开关驱动电路、IGBT驱动开关、及储能装置，其中，动力电池管理模块包括：处理器、电压阈值比较器，及数模转换器，

电压采集模块设于在单体电池的两端，用于采集各单体电池充电及放电时的电压值，并将采集到的各单体电池电压值发送至动力电池管理模块的处理器；

处理器基于电压采集模块发送的单体电池的电压值计算电压平均值，及各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值，并基于偏差值的绝对值来控制电压阈值比较器内各数字信号输出时长，同时将各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值发送至电压阈值比较器，

电压阈值比较器基于偏差值的正负，输出对应的数字信号，数字信号包括：数字信号1、及数字信号0；

数模转换器将电压阈值比较器输出的各数字信号转化为模拟量信号，并将模拟量信号输出至对应IGBT开关驱动电路；

IGBT开关驱动电路将模拟量信号转为IGBT控制信号；

IGBT驱动开关基于IGBT控制信号来控制对应IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，以使单体电池处充电状态或放电状态；

当偏差值为正，输出数字信号1或数字信号0，IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，单体电池处于放电状态，即单体电池向储能装置充电；

当偏差值为负，输出数字信号0或数字信号1，IGBT驱动开关的Y脚或X脚导通，单体电池处于充电状态，即储能装置向单体电池充电；

当偏差值为零，输出高阻态，电压阈值比较器不输出信号。

进一步的，所述电压阈值比较器内各数字信号输出时长与各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值的绝对值呈正比。

进一步的，所述IGBT开关驱动电路包括：高速光耦开关电路模块、开关驱动电路模块、以及驱动信号发送模块；

高速光耦开关电路模块将数模转换器输出的模拟量信号转换为开关驱动电路信号，并传输至开关驱动电路模块，开关驱动电路模块将开关驱动电路信号传输至驱动信号发送模块，驱动信号发送模块将一路开关驱动电路信号转化为信号相反的两路IGBT控制信号，并将相反两路IGBT控制信号输入IGBT驱动开关的X脚或Y脚，用于控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，在IGBT开关驱动电路中设计高速光耦开关电路，能够实时快速响应，同时能实现信号高频干扰。

本发明实施例还提供了一种动力电池组非能耗式均衡管理系统的均衡管理方法，所述方法包括如下步骤：

S1、电压采集模块采集各单体电池在充电或放电时的两端电压值，并将采集到的各单体电池的电压值发送至动力电池管理模块的处理器；

S2、处理器基于各单体电池的电压值计算电压平均值、及各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值，电压阈值比较器基于偏差值的正负输出数字信号，处理器基于偏差值的绝对值控制电压阈值比较器内各数字信号输出时长，输出的数字信号经数模转换器转换成模拟量信号；

S4、模拟量信号经IGBT开关驱动电路转为IGBT控制信号；

S5、IGBT控制信号控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，以使单体充电电池处于充电状态或放电状态；

当偏差值为正，输出数字信号1或数字信号0，IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，单体电池处于放电状态；

当偏差值为负，输出数字信号0或数字信号1，IGBT驱动开关的Y脚或X脚导通，单体电池处于充电状态；

当偏差值为零，输出高阻态，电压阈值比较器不输出信号。

进一步的，所述电压阈值比较器内各数字信号输出时长与各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值的绝对值呈正比。

进一步的，所述步骤S4具体包括如下步骤：

S41、高速光耦开关电路模块接收数模转换器输入的模拟量信号，将模拟量信号转换为开关驱动电路信号；

S42、开关电路信号经开关驱动电路模块传输至驱动信号发送模块；

S43、驱动信号发送模块将一路开关驱动电路信号转化为信号相反的两路IGBT控制信号，并将相反两路IGBT控制信号输入IGBT驱动开关的X脚和Y脚，用于控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通。

该系统中的动力电池管理模块基于采集到的单体电池电压得到电压平均值，基于单体电池电压值与电压平均值的偏差决定输出的数字信号，及该数字信号的输出时间，当偏差值为正，即单体电池电压值大于电压平均值，单体电池向储能装置充电，当偏差值为负，即单体电池电压值小于电压平均值，储能装置向单体电池充电，通过能量转移的形式尽量保证动力电池组内的各个单体电池均衡，解决了能耗式均衡管理系统存在的能耗问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的动力电池组非能耗式均衡管理系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的IGBT开关驱动电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的动力电池组非能耗式均衡管理方法的流程示意图；

1.储能装置、2.IGBT驱动开关、3.单体电池、4.电压采集模块、5.电动电池管理系统、51.处理器、52.电压阈值比较器、53.数模转换器、6.IGBT开关驱动电路、61、高速光耦开关电路模块，62、开关驱动电路模块、63、驱动信号发送模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例提供的动力电池组非能耗式均衡管理系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。

该系统包括：电压采集模块4、动力电池管理模块5、IGBT开关驱动电路6、及IGBT驱动开关2、及储能装置1，其中，动力电池管理模块包括：处理器51、电压阈值比较器52，及数模转换器53，

电压采集模块4设于在单体电池2的两端，用于采集各单体电池2充电及放电时的电压值，并将采集到的各单体电池电压值发送至动力电池管理模块的处理器51；

处理器51基于电压采集模块4发送的单体电池电压值计算电压平均值，及各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值，并基于偏差值的绝对值来控制电压阈值比较器52内各数字信号输出时长，各数字信号输出时长与各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值的绝对值呈正比，同时将各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值发送至电压阈值比较器52；

电压阈值比较器52基于各单体电池电压值与电压平均值的偏差值的正负，输出对应的数字信号，数字信号包括：数字信号1、及数字信号0；

数模转换器53将电压阈值比较器输出的各数字信号转化为模拟量信号，将该模拟量信号输出至对应的IGBT开关驱动电路6；

IGBT开关驱动电路6将模拟量信号转为IGBT控制信号，图2是本发明实施例提供的IGBT开关驱动电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分，该IGBT开关驱动电路6包括：高速光耦开关电路模块61、开关驱动电路模块62、以及驱动信号发送模块63；高速光耦开关电路模块61将模拟量信号转换为开关驱动电路信号，并传输至开关驱动电路模块62，开关驱动电路模块62将开关驱动电路信号传输至驱动信号发送模块63，驱动信号发送模块63将一路开关驱动电路信号转化为信号相反的两路IGBT控制信号，并将相反两路IGBT控制信号输入IGBT驱动开关的X脚或Y脚，用于控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通。

IGBT驱动开关2基于IGBT控制信号来控制对应IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，以使单体电池3处充电状态或放电状态；

当偏差值为正，输出数字信号1或数字信号0，IGBT驱动开关2的X脚或Y脚导通，单体电池3处于放电状态，放电状态即单体电池3向储能装置1充电；

当偏差值为负，输出数字信号0或数字信号1，IGBT驱动开关2的Y脚或X脚导通，单体电池3处于充电状态，充电状态即储能装置1向单体电池3充电；

当偏差值为零，输出高阻态，电压阈值比较器52不输出信号。

本发明实施例以动力电池组内设有8个单体电池为例进行说明，电压检测模块4分别测量八个单体电池2充电或放电时两端的电压值，并将采集到的各电压值发送至动力电池管理模块的处理器51，各假设采集到八个单体电池电压分别为：V1＝4.1、V2＝4.2、V3＝4.0、V4＝3.9、V5＝4.1、V6＝4.0、V7＝4.1、V8＝4.2、单位为(V)，

处理器51计算上述八个单体电池电压值的电压平均值Vset，电压平均值Vset＝(V1+V2+V3+V4+V5+V6+V7+V8)/8＝4.075(V)，偏差值△V1＝V1-Vset＝0.025、△V2＝0.125、△V3＝-0.075、△V4＝-0.175、△V5＝0.025、△V6＝-0.075、△V7＝0.025、△V8＝0.125；电压阈值比较器52基于上述偏差值的正负来确定输出的数字信号，如△V1为正，则输出数字信号1，△V3为负，则输出数字信号0，若存在△Vn＝0，则输出高阻态(电压阈值比较器不输出信号)，同时处理器偏差值的绝对值的大小来确定电压阈值比较器内的各数字信号输出时长，电压阈值比较器52输出的数字信号经数模转换器转换成模拟量信号，并将V1对应的模拟量信号经IGBT1开关驱动电路6传输至IGBT1驱动开关2，当输入的为高电平信号时，IGBT1驱动开关2的X脚或Y脚导通，单体电池一3向储能装置1充电，当输入的为低平信号时，IGBT1驱动开关2的Y脚或X脚导通，储能装置1向单体电池一3充电，其他单体电池的充电或放电控制原理同单体电池一。

本发明实施例中的动力电池管理模块基于采集到的单体电池电压得到电压平均值，基于单体电池电压值与电压平均值的偏差决定输出的数字信号，及该数字信号的输出时间，当偏差值为正，即单体电池电压值大于电压平均值，单体电池向储能装置充电，且正偏差值越大，单体电池向储能装置充电时间就越长，当偏差值为负，即单体电池电压值小于电压平均值，储能装置向单体电池充电，且负偏差值的绝对值越大，储能装置向单体电池充电时间就越长，通过能量转移的形式保证了动力电池组内的各个单体电池均衡，解决了能耗式均衡管理系统存在的能耗问题。

图3为本发明实施例提供的动力电池组非能耗式均衡管理方法的流程图，该方法包括如下步骤：

S1、电压采集模块采集各单体电池在充电或放电时的两端电压值，并将采集到的各单体电池的电压值发送至动力电池管理模块的处理器；

S2、处理器基于各单体电池的电压值计算电压平均值、及各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值，电压阈值比较器基于偏差值的正负输出数字信号，处理器基于偏差值的绝对值控制电压阈值比较器内各数字信号输出时长，各数字信号输出时长与各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值的绝对值呈正比，输出的数字信号经数模转换器转换成模拟量信号；

S4、模拟量信号经IGBT开关驱动电路转为IGBT控制信号，

步骤S4具体包括如下步骤：

S41、高速光耦开关电路模块接收数模转换器输入的模拟量信号，将模拟量信号转换为开关驱动电路信号；

S42、开关电路信号经开关驱动电路模块传输至驱动信号发送模块；

S43、驱动信号发送模块将一路开关驱动电路信号转化为信号相反的两路IGBT控制信号，并将相反两路IGBT控制信号输入IGBT驱动开关的X脚和Y脚，用于控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通。

S5、IGBT控制信号控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，以使单体充电电池处于充电状态或放电状态，

当偏差值为正，输出数字信号1或数字信号0，IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，单体电池处于放电状态；

当偏差值为负，输出数字信号0或数字信号1，IGBT驱动开关的Y脚或X脚导通，单体电池处于充电状态；

当偏差值为零，输出高阻态，电压阈值比较器不输出信号。

本发明实施例中的动力电池管理模块基于采集到的单体电池电压得到电压平均值，基于单体电池电压值与电压平均值的偏差决定输出的数字信号，及该数字信号的输出时间，当偏差值为正，即单体电池电压值大于电压平均值，单体电池向储能装置充电，且正偏差值越大，单体电池向储能装置充电时间就越长，当偏差值为负，即单体电池电压值小于电压平均值，储能装置向单体电池充电，且负偏差值的绝对值越大，储能装置向单体电池充电时间就越长，通过能量转移的形式保证了动力电池组内的各个单体电池均衡，解决了能耗式均衡管理系方法在的能耗问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动力电池组非能耗式均衡管理系统，其特征在于，所述系统包括：电压采集模块、动力电池管理模块、IGBT开关驱动电路、IGBT驱动开关、及储能装置，其中，动力电池管理模块包括：处理器、电压阈值比较器，及数模转换器，

电压采集模块设于在单体电池的两端，用于采集各单体电池充电及放电时的电压值，并将采集到的各单体电池电压值发送至动力电池管理模块的处理器；

处理器基于电压采集模块发送的单体电池的电压值计算电压平均值，及各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值，并基于偏差值的绝对值来控制电压阈值比较器内各数字信号输出时长，同时将各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值发送至电压阈值比较器，

电压阈值比较器基于偏差值的正负，输出对应的数字信号，数字信号包括：数字信号1、及数字信号0；

数模转换器将电压阈值比较器输出的各数字信号转化为模拟量信号，并将模拟量信号输出至对应IGBT开关驱动电路；

IGBT开关驱动电路将模拟量信号转为IGBT控制信号；

IGBT驱动开关基于IGBT控制信号来控制对应IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，以使单体电池处充电状态或放电状态；

当偏差值为正，输出数字信号1或数字信号0，IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，单体电池处于放电状态，即单体电池向储能装置充电；

当偏差值为负，输出数字信号0或数字信号1，IGBT驱动开关的Y脚或X脚导通，单体电池处于充电状态，即储能装置向单体电池充电；

当偏差值为零，输出高阻态，电压阈值比较器不输出信号。

2.如权利要求1所述的动力电池组非能耗式均衡管理系统，其特征在于，所述电压阈值比较器内各数字信号输出时长与各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值的绝对值呈正比。

3.如权利要求1或2所述的动力电池组非能耗式均衡管理系统，其特征在于，所述IGBT开关驱动电路包括：高速光耦开关电路模块、开关驱动电路模块、以及驱动信号发送模块；

高速光耦开关电路模块将数模转换器输出的模拟量信号转换为开关驱动电路信号，并传输至开关驱动电路模块，开关驱动电路模块将开关驱动电路信号传输至驱动信号发送模块，驱动信号发送模块将一路开关驱动电路信号转化为信号相反的两路IGBT控制信号，并将相反两路IGBT控制信号输入IGBT驱动开关的X脚或Y脚，用于控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通。

4.一种基于权利要求1至3任一权利要求所述的动力电池组非能耗式均衡管理系统的均衡管理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、电压采集模块采集各单体电池在充电或放电时的两端电压值，并将采集到的各单体电池的电压值发送至动力电池管理模块的处理器；

S2、处理器基于各单体电池的电压值计算电压平均值、及各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值，电压阈值比较器基于偏差值的正负输出数字信号，处理器基于偏差值的绝对值控制电压阈值比较器内各数字信号输出时长，输出的数字信号经数模转换器转换成模拟量信号；

S4、模拟量信号经IGBT开关驱动电路转为IGBT控制信号；

S5、IGBT控制信号控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，以使单体充电电池处于充电状态或放电状态；

当偏差值为正，输出数字信号1或数字信号0，IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通，单体电池处于放电状态；

当偏差值为负，输出数字信号0或数字信号1，IGBT驱动开关的Y脚或X脚导通，单体电池处于充电状态；

当偏差值为零，输出高阻态，电压阈值比较器不输出信号。

5.如权利要求4所述的动力电池组非能耗式均衡管理系统的均衡管理方法，其特征在于，所述电压阈值比较器内各数字信号输出时长与各单体电池电压值偏离电压平均值的偏差值的绝对值呈正比。

6.如权利要求4或5所述的动力电池组非能耗式均衡管理系统的均衡管理方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：

S41、高速光耦开关电路模块接收数模转换器输入的模拟量信号，将模拟量信号转换为开关驱动电路信号；

S42、开关电路信号经开关驱动电路模块传输至驱动信号发送模块；

S43、驱动信号发送模块将一路开关驱动电路信号转化为信号相反的两路IGBT控制信号，并将相反两路IGBT控制信号输入IGBT驱动开关的X脚和Y脚，用于控制IGBT驱动开关的X脚或Y脚导通。