CN107733005A - 延长铅酸电池组使用寿命的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种延长铅酸电池组使用寿命的方法及系统，是将每节电池通过设置的双向电子开关与充、放电电路和采样电路相连，使得所有单节电池共用同一采样电路、同一充电电路、同一放电电路，通过双向电子开关和充放电路对某个电压值低（高）于平均值且差值最大的电池充（放）电，直至被充（放）电的电池电压值高（低）于平均值后，充（放）电路停止工作。其优点是消除了各单节电池在采样、充电、放电过程中电路引起的误差，可以有针对性的防止每个电池出现过充、长期充不满和过放的情况，让电池良好的一致性维持尽可能长的时间，当无法维持时，通过控制策略让坏电池对较好的电池损害降到最低同时发出警报。
Description
技术领域
本发明涉及电池充、放电技术领域，特别涉及一种延长铅酸电池组使用寿命的方法及系统。
背景技术
国家对铅酸电池的充、放电是有标准要求的。比如,国标QC/T 742-2006对电动汽车用铅酸蓄电池(单节)的要求是:“电池容量降至额定值的80%时,循环次数应不少于400次”。国标YDD799-2010对通信用阀控式密封铅酸蓄电池（单节）的要求是：“重复充、放电，直至蓄电池容量低于1h率容量并再次实验，确认仍低于80%时结束实验，实验结果应不少于300次”。而实际情况是,当客户将单节电池连接在一起组成电池组并按电池组容量降至额定值的80%进行充、放电, 其循环次数一定少于单节电池的循环次数，这就意味着电池组的使用寿命短于单节电池。而铅酸蓄电池管理系统的目标就是让成组电池的充、放电次数达到甚至超过单节电池的充、放电次数。它是通过对电池组中的每个电池的实时监测，发现“生病”了（一致性差）的电池，及时自动对其进行“医治”，从而保证每个电池的“健康”（很好的一致性）。
电池组内的各个电池的参数（充/放电内阻、电压、安时容量）在出厂时基本接近（通过厂家工艺控制、严格筛选和配组来实现），在使用过程中，这些参数将逐渐拉开距离（即趋向异化），电池一致性趋恶，是必然会发生的结果，当一致性恶化到某种程度时：1、充电时，某节电池的充电电阻比其他电池高出不少时，分配给该电池的电压将过高而被过充，其他电池的充电电压将过低而造成充不满；2、放电时，如某节电池容量已经比其他电池低不少时，因用电负载只能检测到整组的电压，那么在触发电池组欠压保护之前，该节电池实际已经过放电了。过充、长期充不满和过放都会对电池造成不可逆的损伤，一旦发生了这些情况，就会进入恶性循环加速电池的损坏。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可以有针对性的防止每个电池出现过充、长期充不满和过放的情况，让电池良好的一致性维持尽可能长的时间，当无法维持时，通过控制策略让坏电池对较好的电池损害降到最低，同时发出警报的延长铅酸电池组使用寿命的方法及系统。
本发明的解决方案是这样的：
本发明一种延长铅酸电池组使用寿命的方法，包括步骤：
（1）DC/DC转换器设置步骤：设置DC/DC转换器，由DC/DC转换器的输出电压对单节电池进行补充充电；
（2）双向电子开关设置步骤：每节电池均通过设置的双向电子开关与充、放电电路和采样电路相联，所述双向电子开关在控制电路的控制下，按如下方式接通：
1）对各节电池电压依次采样时，接通同一路衰减电路和AD转换通道；
2）对单节电池的充电，接通同一路充电电路；
3）对单节电池的放电，接通同一路放电电路。
更具体的技术方案还包括：单节电池的充、放电控制策略为：
（1）每次只让一组双向电子开关接通，其余各组双向电子开关断开，分别采样电池组所有电池电压值，将各组数据保存并计算此时电池组所有电池的电压平均值；
（2）放电均衡控制策略：当电池组放电时，如检测到单节电池电压高于此时电池组所有电池的电压平均值且两者差值达到设定阀值时，则接通电池组中电压最高那一节电池的双向开关，通过放电电路对其放电；
（3）充电均衡控制策略：当电池组充电时，如检测到单节电池电压低于此时电池组所有电池的电压平均值且两者差值达到设定阀值时，则 接通电池组中电压最低那一节电池的双向开关，通过DC/DC转换器对其额外充电；
（4）单节电池放电后电压仍过高的控制策略：对单节电池放电后，如该节电池电压仍高于电池组单节电池的电压平均值，则将充电机断开。
进一步的：电池组内各节电池充、放电的控制策略为：用连线将每节电池的电压送入延长铅酸电池组使用寿命的装置------电池管理系统（BMS），BMS通过对内部成对电子开关的控制，逐节采样电池的电压值，并计算整个电池组单节电池的电压平均值，然后通过电子开关和充、放电电路对某个电压值低（高）于平均值且差值最大的电池充（放）电，直至被充（放）电的电池电压值高（低）于平均值后，电子开关成对断开，充（放）电电路停止工作；延时一段时间，BMS又重复采集---比较-----充（放）过程，直至整个电池组充电结束。
进一步的：单节电池放电后电压仍过高的控制步骤：对单节电池放电后，如该节电池电压仍过高，则将充电机断开。
进一步的：还包括系统自动启停控制步骤：正常放电范围内，系统休眠；当深度放电临近安全界限，系统自动唤醒并评估各电池单体情况。
进一步的：还包括电池组充电机触发系统工作步骤：系统处于休眠状态时，电池组充电机一旦接通，可使系统自动唤醒。
进一步的：还包括电池组输出开路系统做均衡充电步骤：当电池组输出开路，各单体电池的差异性超过规定值时，系统对单节电池做均衡充电。
一种延长铅酸电池组使用寿命的系统，每节电池正、负极分别连接一个双向电子开关，正极连接的双向电子开关接到单节电池电压采样和电池电压放电电阻以及DC/DC电压输出控制开关管C极的合点，负极连接的双向电子开关接到DC/DC的地端；每节电池的两组双向电子开关由单片机的I/O口控制其同时通断；电池组的每节电池按上述规律连接后，每对双向电子开关接到单片机的不同控制端口，由单片机的不同控制端口按每次只对一节电池进行充（放）电进行控制的模式对每节电池进行控制；所述充电电压通过由单片机控制的电子开关管接通DC/DC转换器，由DC/DC转换器的输出电压对单节电池进行充电；所述放电控制，则由单片机控制放电电阻接地实现。
进一步的：所述双向电子开关既要满足电流的双向流动，又要使电子开关的导通压降为零，因此双向电子开关采用继电器。
本发明的优点是：
1、系统单节电池的采样、充（放）电仅需一对继电器参与，相较与用三极管而言，具有双向、无压差的优点；
2、所有单节电池共用同一采样电路、同一充电电路、同一放电电路，消除了各单节电池在采样、充电、放电过程中电路引起的误差；
3、可以有针对性的防止每个电池出现过充、长期充不满和过放的情况，让电池良好的一致性维持尽可能长的时间，当无法维持时，通过控制策略让坏电池对较好的电池损害降到最低，同时发出警报。
附图说明
图1是本发明具体案例的电路原理图，单节电池为标称12V。
具体实施方式
本发明一种延长铅酸电池组使用寿命的方法，包括步骤：
（1）DC/DC转换器设置步骤：设置DC/DC转换器，由DC/DC转换器的输出电压对单节电池进行补充充电；
（2）双向电子开关设置步骤：每节电池均通过设置的双向电子开关与充放电电路和采样电路相联，所述双向电子开关在控制电路的控制下，按如下方式接通：
1）对各节电池电压依次采样时，接通同一路衰减电路和AD转换通道；
2）对单节电池的充电，接通同一路充电电路；
3）对单节电池的放电，接通同一路放电电路。
单节电池的充放电控制策略为：
（1）每次只让一组双向电子开关接通，其余各组双向电子开关断开，分别采样电池BATTERY1至BATTERY4的电压值，并将四组数据保存并计算此时电池组所有电池的电压平均值；
（2）放电均衡控制策略：当电池组放电时，如检测到单节电池电压高于此时电池组所有电池的电压平均值且两者差值达到设定阀值时，则接通电池组中电压最高那一节电池的双向开关，通过放电电路对其放电；
（3）充电均衡控制策略：当电池组充电时，如检测到单节电池电压低于此时电池组所有电池的电压平均值且两者差值达到设定阀值时，则接通电池组中电压最低那一节电池的双向开关，通过DC/DC转换器对其额外充电；
（4）单节电池放电后电压仍过高的控制策略：对单节电池放电后，如该节电池电压仍高于电池组单节电池的电压平均值，则将充电机断开。
电池组内各节电池充放电的控制策略为：用连线将每节电池的电压送入延长铅酸电池组使用寿命的装置------电池管理系统（BMS），BMS通过对内部成对电子开关的控制，逐节采样电池的电压值，并计算整个电池组单节电池的电压平均值，然后通过电子开关和充、放电电路对某个电压值低（高）于平均值且差值最大的电池充（放）电，直至被充（放）电的电池电压值高（低）于平均值后，电子开关成对断开，充（放）电电路停止工作；延时一段时间，BMS又重复采集---比较-----充（放）过程，直至整个电池组充电结束。
单节电池放电后电压仍过高的控制步骤：对单节电池放电后，如该节电池电压仍过高，则将充电机断开。
还包括系统自动启停控制步骤：正常放电范围内，系统休眠；当深度放电临近安全界限，系统自动唤醒并评估各电池单体情况。
还包括电池组充电机触发系统工作步骤：系统处于休眠状态时，电池组充电机一旦接通，可使系统自动唤醒。
还包括电池组输出开路系统做均衡充电步骤：当电池组输出开路，各单体电池的差异性超过规定值时，系统对单节电池做均衡充电。
上述方法由软件进行的控制有：
1、单节电池电压过高，电池放电；
2、如放电仍不能使单节电池电压降低，则断充电机；
3、单节电池电压值低于电池组电压平均值，电池充电；
4、对于电压值低于标称值80%的单节电池，报警提示。
图1是一种延长铅酸电池组使用寿命的系统，每节电池正、负极分别连接一个双向电子开关，正极连接的双向电子开关接到单节电池电压采样电阻3R和放电电阻R1以及DC/DC电压输出控制开关管C极的合点，负极连接的双向电子开关接到DC/DC的地端；每节电池的双向电子开关由单片机的I/O口控制其同时通断；电池组的每节电池按上述规律连接后，每对双向电子开关接到单片机的不同控制端口，由单片机的不同控制端口按每次只对一节电池进行充（放）电进行控制的模式对每节电池进行控制；所述充电电压通过由单片机控制的电子开关管接通DC/DC转换器，由DC/DC转换器的输出电压对单节电池进行充电；所述放电控制，则由单片机控制R1接地实现。
所述双向电子开关既要满足电流的双向流动，又要使电子开关的导通压降为零，因此双向电子开关采用继电器。
下面结合图1所示结构为例，对本发明进行详细说明：
3R和R为单节电池采样分压电阻；R1为放电电阻；A、A1，B、B1，C、C1，D、D1为八个继电器，按X、X1为一组，即A、A1为一组，B、B1为一组，以此类推,同一组继电器由同一个控制端口，同时通断；BATTERY1 、BATTERY2 、BATTERY3、 BATTERY4为四个电池单体；虚线框内为DC/DC转换器，用于将48V转为14.5V。
当充电机接上时，检测电路检测到充电机输出的电压后，触发DC/DC转换器的启动电路，使DC/DC转换器工作，并输出+14.5V和+5V电压。+5V电压送入单片机，单片机立刻向锁存电路发出锁存信号，以保持DC/DC转换器处于工作状态，然后单片机输出高电平使E继电器接通,此时，充电机对开始对电池组充电。
在充电过程中，单片机输出高电平使A、A1继电器接通，输出低电平使B、B1，C、C1，D、D1继电器断开，则电池BATTERY1与采样分压电阻相连，使分压后的电压值送入单片机的A/D采样口。
同样操作，每次只让一组继电器接通，其余各组继电器断开，分别采样电池BATTERY2至BATTERY4的电压值，并将四组数据保存并计算其平均值。
采样数据与四组数据平均值比较后，单片机将接通采样数据与四组数据平均值小最多的那节电池的两个继电器，然后单片机输出低电平，使三级管Q1导通，DC/DC转换器输出电压通过三极管Q1对该节电池充电。然后，单片机通过A/D采样口，时时检测该节电池的电压，当单节电池的电压高过四组数据的平均值时，单片机输出低电平使该节电池的两个继电器断开。
然后，单片机重新输出高电平使A、A1继电器接通，输出低电平使B、B1，C、C1，D、D1继电器断开，再重复以上的采样和控制过程，直至充电结束。
在以上控制过程中：
1、如单节电池的电压高于设定的电压值，则单片机输出高电平，接通该节电池的两个继电器和放电电阻，使该节电池处于放电状态。
2、正常放电范围内，系统休眠；当深度放电临近安全界限，系统自动唤醒并评估各电池单体情况。
3、系统处于休眠状态时，电池组充电机一旦接通 ，可使系统自动唤醒。
4、当电池组输出开路，各单体电池的差异性超过规定值时，系统对单节电池做均衡充电。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种延长铅酸电池组使用寿命的方法，其特征在于：包括步骤：
（1）DC/DC转换器设置步骤：设置DC/DC转换器，由DC/DC转换器的输出电压对单节电池进行补充充电；
（2）双向电子开关设置步骤：每节电池均通过设置的双向电子开关与充、放电电路和采样电路相联，所述双向电子开关在控制电路的控制下，按如下方式接通：
1）对各节电池电压依次采样，接通同一路衰减电路和AD转换通道；
2）对单节电池的充电，接通同一路充电电路；
3）对单节电池的放电，接通同一路放电电路。
2.根据权利要求1所述的延长铅酸电池组使用寿命的方法，其特征在于：单节电池的充、放电控制策略为：
（1）每次只让一组双向电子开关接通，其余各组双向电子开关断开，分别采样电池组所有电池电压值，将各数据保存并计算此时电池组所有电池的电压平均值；
（2）放电均衡控制策略：当电池组放电时，如检测到单节电池电压高于此时电池组所有电池的电压平均值且两者差值达到设定阀值时，接通电池组中电压最高那一节电池的双向开关，通过放电电路对其放电；
（3）充电均衡控制策略：当电池组充电时，如检测到单节电池电压低于此时电池组所有电池的电压平均值且两者差值达到设定阀值时，则接通电池组中电压最低那一节电池的双向开关，通过DC/DC转换器对其额外充电；
（4）单节电池放电后电压仍过高的控制策略：对某节放电后，如该节电池电压仍高于此时电池组所有电池的电压平均值，则将充电机断开。
3.根据权利要求1所述的延长铅酸电池组使用寿命的方法，其特征在于：电池组内各节电池充、放电的控制策略为：用连线将每节电池的电压送入延长铅酸电池组使用寿命的装置------电池管理系统（BMS），BMS通过对内部成对电子开关的控制，逐节采样电池的电压值，并计算整个电池组单节电池的电压平均值，然后通过电子开关和充、放电电路对某个电压值低（高）于平均值且差值最大的电池充（放）电，直至被充（放）电的电池电压值高（低）于平均值后，电子开关成对断开，充（放）电电路停止工作；延时一段时间，BMS又重复采集---比较-----充（放）过程，直至整个电池组充电结束。
4.根据权利要求2所述的延长铅酸电池组使用寿命的方法，其特征在于：单节电池放电后电压仍过高的控制步骤：对某节放电后，如该节电池电压仍过高，则将充电机断开。
5.根据权利要求1所述的延长铅酸电池组使用寿命的方法，其特征在于：还包括系统自动启停控制步骤：正常放电范围内，系统休眠；当深度放电临近安全界限，系统自动唤醒并评估各电池单体情况。
6.根据权利要求1所述的延长铅酸电池组使用寿命的方法，其特征在于：还包括电池组充电机触发系统工作步骤：系统处于休眠状态时，电池组充电机一旦接通，可使系统自动唤醒。
7.根据权利要求1所述的延长铅酸电池组使用寿命的方法，其特征在于：还包括电池组输出开路系统做均衡充电步骤：当电池组输出开路，各单体电池的差异性超过规定值时，系统对单节电池做均衡充电。
8.一种实现权利要求1所述方法的延长铅酸电池组使用寿命的系统，其特征在于：每节电池正、负极分别连接一个双向电子开关，正极连接的双向电子开关接到单节电池电压采样电阻和电池电压放电电阻以及DC/DC电压输出控制开关管C极的合点，负极连接的双向电子开关接到DC/DC的地端；每节电池的两组双向电子开关由单片机的I/O口控制其同时通断；电池组的每节电池按上述规律连接后，每对双向电子开关接到单片机的不同控制端口，由单片机的不同控制端口按每次只对一节电池进行充（放）电进行控制的模式对每节电池进行控制；所述充电电压通过由单片机控制的电子开关管接通DC/DC转换器，由DC/DC转换器的输出电压对单节电池进行充电；所述放电控制，则由单片机控制控制放电电阻接地实现。
9.根据权利要求8所述的延长铅酸电池组使用寿命的系统，其特征在于：所述双向电子开关既要满足电流的双向流动，又要使电子开关的导通压降为零，因此双向电子开关采用继电器。
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