CN107872088A - 一种电池组主动均衡电路及均衡方法 - Google Patents

一种电池组主动均衡电路及均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池组主动均衡电路及均衡方法，所述电路包括电池组与均衡器，所述电池组包括有一个或多个电池模块，各电池模块内设置有多个电池单体，各电池模块的正输入端和负输入端分别连接有开关Sma和开关Smb，均衡器的正输入端和输入端分别通过开关Smc和开关Smd与电池模块的正输出端和负输出端连接，均衡器的正输出端和负输出端分别通过开关Sme和开关Smf与电池模块的正输出端和负输出端连接，均衡器的正输出端和输出端还分别通过开关Smg和开关Smh与电池模块的正输入端和负输入端连接。本发明提供的主动均衡电路及均衡方法，其具有均衡效率高、均衡速度快以及可扩展性强等优点。

Description

一种电池组主动均衡电路及均衡方法
技术领域
本发明涉及电池管理系统中的均衡技术领域，尤其涉及一种电池组主动均衡电路及均衡方法。
背景技术
在锂电池实际应用中，大多数情况下需要串联电池组来提供大电压，而电池单体性能的不一致性导致电池组的容量受到容量最小的单体的限制。由于单体容量不一致，充电一段时间后，容量最小的单体最快充满，为了避免过充电池组便不能再进行充电，而实际上其他单体并未充满电，电池组不能充分利用其有效的容量，充电效率不高。放电时也一样。因此为了改善这种情况，需要一种电池组的均衡技术使得电池组在充放电过程中单体的充放电状态的差异性保持在一定范围内。
目前存在的电池组均衡技术主要分为两种：被动均衡和主动均衡。被动均衡就是在单体的两侧并联上一个电阻，当单体的能量过高时便通过并联的电阻将能量消耗掉，由于被动均衡是一种耗能均衡且电阻做功时发出大量热不利于锂电池的热管理，因此被动均衡只适用于低功率的场合。主动均衡可以分为两种：(1)单体到单体之间的均衡。(2)单体与电池组之间的均衡。单体到单体之间的均衡又分为相邻两个单体之间的均衡和任意两个单体之间的均衡。相邻两个单体之间的均衡，能量只在相邻两个单体之间传递，当需要均衡的两个模块距离很远时，需要多次的能量转移，能量转移的过程中又会伴随着能量损失，因此这种方式的均衡时间长，均衡效率低。单体与电池组之间的均衡能量在单体与电池组之间传递，无论能量是从单体转移到电池组还是从电池组转移到单体，由于电池组包含单体，每次能量转移时都会有一部分能量从单体里出来又重新回到单体，均衡速度也不快。
因此，有必要提供一种可有效提高均衡效率，并缩短均衡时间缩短，以及在电池增加时能有效扩展电路的均衡电路及均衡方法。
发明内容
为克服现有技术的不足及存在的问题，本发明提供一种电池组主动均衡电路及均衡方法，本发明具有均衡效率高、均衡速度快以及可扩展性强等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电池组主动均衡电路，所述均衡电路包括电池组与均衡器，所述电池组包括有一个或多个电池模块，各电池模块内设置有多个电池单体，各电池模块的正输入端和负输入端分别连接有开关Sma和开关Smb，均衡器的正输入端和输入端分别通过开关Smc和开关Smd与电池模块的正输出端和负输出端连接，均衡器的正输出端和负输出端分别通过开关Sme和开关Smf与电池模块的正输出端和负输出端连接，均衡器的正输出端和输出端还分别通过开关Smg和开关Smh与电池模块的正输入端和负输入端连接；所述电池模块内的各电池单体的正极分别通过开关Smja与电池模块的正输出端连接，所述电池模块内的各电池单体的负极分别通过开关Smjb与电池模块的负输出端连接；若所述电池组包括有多个电池模块，则各电池模块的正输入端相互连接，且各电池模块的负输入端相互连接。
优选地，所述均衡器为DC/DC变换器；较佳地，所述DC/DC变换器包括依次连接的桥式逆变电路、变压器以及整流电路；所述桥式逆变电路由四个PWM控制的MOS场效应管组成，所述整流电路由四个PWM控制的MOS场效应管组成。
利用上述主动均衡电路的均衡方法，该均衡方法包括有模块间均衡模模式与模块内均衡模式；
所述模块间均衡模式是指，以各电池模块的SOC平均值为判断依据，当某个电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围后，为需要进行模块间均衡的电池模块进行配对，即将SOC平均值最大的电池模块与SOC平均值最小的电池模块进行配对，将SOC平均值次大的模块与SOC平均值次小的电池模块进行配对，依次进行配对直到需要进行模块间均衡的电池模块全部配对完为止，配对完毕后，将每组配对中SOC平均值较大的电池模块连接到它对应的均衡器的输入端对其放电，SOC平均值较小的电池模块连接到该均衡器的输出端对其充电，直到各电池模块SOC值趋于平衡，未能配对的电池模块则进入模块内均衡模式；
所述模块内均衡模式是指，以各电池单体的SOC平均值为判断依据，当电池单体的SOC值中最大值和最小值超出预算的均衡阈值范围时，则将SOC值最大的电池单体通过均衡器放电，将SOC值最小的电池单体通过均衡器充电，直到电池模块内的电池单体的SOC值趋于平衡；
若所述均衡电路有多个电池模块，则以各电池模块的SOC平均值为判断依据，判断是否需要进入模块间均衡模式，当某个电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围后，即进入模块间均衡模式；当电池模块完成上述模块间均衡模式后，开始进入模块内均衡模式，当模块间均衡模式和模块内均衡模式都结束时则均衡结束，电池组内的所有电池模块的电荷量趋于平衡；
若所述均衡电路只有一个电池模块，则以各电池单体的SOC平均值为判断依据，当电池单体的SOC值中最大值和最小值超出预算的均衡阈值范围时，则直接进入模块内均衡模式，当电池模块内的电池单体的SOC值趋于平衡时则均衡结束。
优选地，所述模块间均衡模式的均衡过程包括：
S10、采集所有电池单体的电压和电流，以计算出电池单体的SOC值，并计算出各电池模块的SOC平均值；
S11、将所有电池模块的SOC平均值按降序排序，如果有电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围，则开启模块间均衡模式；如果所有电池模块均在均衡阈值范围内，则模块间均衡模式结束；
S12、为需要进行模块间均衡的电池模块进行配对，将SOC平均值最大的电池模块与SOC平均值最小的模块配对进行均衡，SOC平均值次大的模块与SOC平均值次小的模块配对均衡，依次配对进行均衡直到需要模块间均衡的模块全都配对完为止；
S13、均衡过程中反复执行步骤S11和步骤S12，直到各电池模块SOC值趋于平衡。
优选地，所述模块内均衡模式的均衡过程包括：
S20、根据各电池单体的SOC值按降序排序，判断电池单体的SOC值的最大值和最小值是否超出均衡阈值范围，若超出则进入下一步；
S21、将SOC值最大的电池单体连接到该电池单体所在的电池模块对应的均衡器的输入端，并对该电池单体进行放电，同时均衡器的输出端连接到SOC值最小的电池单体，并对该节电池单体进行充电；
S22、反复执行上述步骤S21，当所有电池单体的SOC值都在均衡阈值范围内，则模块内均衡的均衡结束。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)可以同时均衡多个电池模块，由于均衡器可以并行操作，从而大大提高了模块间均衡速度；
(2)电池模块内均衡是任意电池单体之间的均衡，从而可有效提高电池模块内均衡速度；
(3)能量是在源到目标体的直接转移，可有效避免能量在多次转移中损失，提高了均衡效率；
(4)以模块为单位进行均衡操作，方便以后根据电池增加时扩展电路，增加了灵活性，可扩展性。
附图说明
图1是本发明实施例中所述电池组主动均衡电路的电路结构示意框图。
图2是本发明实施例中所述均衡器的电路结构示意框图。
图3是本发明实施例中所述电池组主动均衡电路的应用于多个电池模块时的电路结构示意框图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如附图1一种电池组主动均衡电路，所述均衡电路包括电池组与均衡器，所述电池组包括有一个或多个电池模块，各电池模块内设置有多个电池单体，各电池模块的正输入端和负输入端分别连接有开关Sma和开关Smb，均衡器的正输入端和输入端分别通过开关Smc和开关Smd与电池模块的正输出端和负输出端连接，均衡器的正输出端和负输出端分别通过开关Sme和开关Smf与电池模块的正输出端和负输出端连接，均衡器的正输出端和输出端还分别通过开关Smg和开关Smh与电池模块的正输入端和负输入端连接；所述电池模块内的各电池单体的正极分别通过开关Smja与电池模块的正输出端连接，所述电池模块内的各电池单体的负极分别通过开关Smjb与电池模块的负输出端连接；若所述电池组包括有多个电池模块，则各电池模块的正输入端相互连接，且各电池模块的负输入端相互连接。
在其中一个优选的实施例中，所述均衡器为DC/DC变换器。作为优选，所述DC/DC变换器包括依次连接的桥式逆变电路、变压器以及整流电路。其中，所述桥式逆变电路由四个PWM控制的MOS场效应管组成，所述整流电路由四个PWM控制的MOS场效应管组成。所述DC/DC变换器的具体电路结构如附图2，在此不再详述。
需要说明的是，各开关可以通过电子开关实现，各电子开关可以通过IC或电路主板控制其开关状态。
作为优选的实施例，本实施例中的主动均衡电路如附图3所示，设电池组的电池模块的数量为m个，电池单体的数量为n个(附图1和附图3中,n的数量为4)，其中m、n为大于或等于1的正整数，具体数量可根据实际需要设置。另外，各电池模块内的电池单体的数量可以相同，也可以不同。在附图3中，电池单体的数量为4个(即n＝4)。在开关Smja与开关Smjb中，所述m的值是指其属于哪一个电池模块，而j则是指其属于哪一个电池单体，如开关S12a与开关S12b，均是指第一个电池模块M1中的第二个电池单体中的开关。
本实施例中的主动均衡电路，其均衡模式包括有模块内均衡和模块间均衡两种均衡模式，其中每个均衡器的输出端包含两组开关：第一组开关Smg、Smh，当电池模块m处于模块间均衡模式时闭合这组开关；第二组开关Sme，Smf，当电池模块m处于模块内均衡模式时闭合这组开关。两组开关不能同时关闭。每个均衡器的输入端包含一组开关：开关Smc、Smd，电池模块间均衡和模块内均衡共用这组开关。每个电池模块包含两组开关：第一组开关Sma、Smb，该组开关用于模块间均衡；第二组开关Smja、Smjb，这一组开关用于模块内均衡，特别地，在该组开关中，电池模块两端的开关也用于模块间均衡，即与第一组开关Sma、Smb直接连接的开关也用于模块内均衡。如在附图3中，开关S11a与开关S14b，开关S21a与开关S24b等均属于电池模块两端的开关，即开关S11a与开关S14b，开关S21a与开关S24b也用于模块间均衡。
具体地，在其中一个优选的实施例中，利用上述主动均衡电路的均衡方法，该均衡方法包括有模块间均衡模模式与模块内均衡模式；
所述模块间均衡模式是指，以各电池模块的SOC平均值为判断依据，当某个电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围后，为需要进行模块间均衡的电池模块进行配对，即将SOC平均值最大的电池模块与SOC平均值最小的电池模块进行配对，将SOC平均值次大的模块与SOC平均值次小的电池模块进行配对，依次进行配对直到需要进行模块间均衡的电池模块全部配对完为止，配对完毕后，将每组配对中SOC平均值较大的电池模块连接到它对应的均衡器的输入端对其放电，SOC平均值较小的电池模块连接到该均衡器的输出端对其充电，直到各电池模块SOC值趋于平衡，未能配对的电池模块则进入模块内均衡模式；
所述模块内均衡模式是指，以各电池单体的SOC平均值为判断依据，当电池单体的SOC值中最大值和最小值超出预算的均衡阈值范围时，则将SOC值最大的电池单体通过均衡器放电，将SOC值最小的电池单体通过均衡器充电，直到电池模块内的电池单体的SOC值趋于平衡；
若所述均衡电路有多个电池模块，则以各电池模块的SOC平均值为判断依据，判断是否需要进入模块间均衡模式，当某个电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围后，即进入模块间均衡模式；当电池模块完成上述模块间均衡模式后，开始进入模块内均衡模式，当模块间均衡模式和模块内均衡模式都结束时则均衡结束，电池组内的所有电池模块的电荷量趋于平衡；
若所述均衡电路只有一个电池模块，则以各电池单体的SOC平均值为判断依据，当电池单体的SOC值中最大值和最小值超出预算的均衡阈值范围时，则直接进入模块内均衡模式，当电池模块内的电池单体的SOC值趋于平衡时则均衡结束。
具体地，所述模块间均衡模式的均衡过程包括：
S10、采集所有电池单体的电压和电流，以计算出电池单体的SOC值，并计算出各电池模块的SOC平均值；
S11、将所有电池模块的SOC平均值按降序排序，如果有电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围，则开启模块间均衡模式；如果所有电池模块均在均衡阈值范围内，则模块间均衡模式结束；
S12、为需要进行模块间均衡的电池模块进行配对，将SOC平均值最大的电池模块与SOC平均值最小的模块配对进行均衡，SOC平均值次大的模块与SOC平均值次小的模块配对均衡，依次配对进行均衡直到需要模块间均衡的模块全都配对完为止；
S13、均衡过程中反复执行步骤S11和步骤S12，直到各电池模块SOC值趋于平衡。
而所述模块内均衡模式的均衡过程包括：
S20、根据各电池单体的SOC值按降序排序，判断电池单体的SOC值的最大值和最小值是否超出均衡阈值范围，若超出则进入下一步；
S21、将SOC值最大的电池单体连接到该电池单体所在的电池模块对应的均衡器的输入端，并对该电池单体进行放电，同时均衡器的输出端连接到SOC值最小的电池单体，并对该节电池单体进行充电；
S22、反复执行上述步骤S21，当所有电池单体的SOC值都在均衡阈值范围内，则模块内均衡的均衡结束。
以下根据附图3，对电池组的均衡过程作简要的说明：假设电池模块M1的SOC平均值最大且超过预设的均衡阈值范围，电池模块M2的SOC平均值最小，则电池模块M1与M2配对进行均衡：闭合开关S11a，S14b，S1c，S1d，将电池模块M1与均衡器1的输入端相连，闭合开关S1g，S1h，S2a，S2b，将电池模块M2与均衡器1的输出端相连。电池模块M1通过均衡器1放电，电池模块M2通过均衡器1充电，完成电荷在电池模块M1与电池模块M2之间的转移。当电池模块M1的SOC平均值下降到均衡阈值范围之后结束电池模块M1的模块间均衡模式，开始模块内均衡。假设第1节电池单体的SOC值最大且超过阈值范围，第4节电池单体的SOC值最小，则闭合开关S11a，S11b，S1c，S1d，将电池模块M1的第1节电池单体与均衡器1的输入端相连，闭合开关S14a，S14b，S1e，S1f，将电池模块M1的第4节电池单体与均衡器1的输出端相连，从而完成电荷在第1节电池单体与第4节电池单体之间的转移。当第1节电池单体的SOC值落入阈值范围内，开始第二对电池单体的均衡，直到电池模块M1的所有电池单体的SOC值落入阈值范围，电池模块M1的模块内均衡结束。当所有电池模块的模块内均衡都结束时，则均衡结束，此时电池组所有单体的电荷量差异保持在一定的范围内。另外，需要说明的是，各开关可以通过电子开关实现，各电子开关可以通过IC或电路主板控制其开关状态。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)可以同时均衡多个电池模块，由于均衡器可以并行操作，从而大大提高了模块间均衡速度；
(2)电池模块内均衡是任意电池单体之间的均衡，从而可有效提高电池模块内均衡速度；
(3)能量是在源到目标体的直接转移，可有效避免能量在多次转移中损失，提高了均衡效率；
(4)以模块为单位进行均衡操作，方便以后根据电池增加时扩展电路，增加了灵活性，可扩展性。
上述实施例为本发明的较佳的实现方式，并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电池组主动均衡电路，其特征在于：所述均衡电路包括电池组与均衡器，所述电池组包括有一个或多个电池模块，各电池模块内设置有多个电池单体，各电池模块的正输入端和负输入端分别连接有开关Sma和开关Smb，均衡器的正输入端和输入端分别通过开关Smc和开关Smd与电池模块的正输出端和负输出端连接，均衡器的正输出端和负输出端分别通过开关Sme和开关Smf与电池模块的正输出端和负输出端连接，均衡器的正输出端和输出端还分别通过开关Smg和开关Smh与电池模块的正输入端和负输入端连接；所述电池模块内的各电池单体的正极分别通过开关Smja与电池模块的正输出端连接，所述电池模块内的各电池单体的负极分别通过开关Smjb与电池模块的负输出端连接；若所述电池组包括有多个电池模块，则各电池模块的正输入端相互连接，且各电池模块的负输入端相互连接。
2.根据权利要求1所述的电池组主动均衡电路，其特征在于：所述均衡器为DC/DC变换器。
3.根据权利要求2所述的电池组主动均衡电路，其特征在于：所述DC/DC变换器包括依次连接的桥式逆变电路、变压器以及整流电路。
4.根据权利要求3所述的电池组主动均衡电路，其特征在于：所述桥式逆变电路由四个PWM控制的MOS场效应管组成，所述整流电路由四个PWM控制的MOS场效应管组成。
5.一种电池组主动均衡方法，所述均衡方法应用于权利要求1～4中任意一项所述的均衡电路中，其特征在于：所述均衡方法包括有模块间均衡模模式与模块内均衡模式；
所述模块间均衡模式是指，以各电池模块的SOC平均值为判断依据，当某个电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围后，为需要进行模块间均衡的电池模块进行配对，即将SOC平均值最大的电池模块与SOC平均值最小的电池模块进行配对，将SOC平均值次大的模块与SOC平均值次小的电池模块进行配对，依次进行配对直到需要进行模块间均衡的电池模块全部配对完为止，配对完毕后，将每组配对中SOC平均值较大的电池模块连接到它对应的均衡器的输入端对其放电，SOC平均值较小的电池模块连接到该均衡器的输出端对其充电，直到各电池模块SOC值趋于平衡，未能配对的电池模块则进入模块内均衡模式；
所述模块内均衡模式是指，以各电池单体的SOC平均值为判断依据，当电池单体的SOC值中最大值和最小值超出预算的均衡阈值范围时，则将SOC值最大的电池单体通过均衡器放电，将SOC值最小的电池单体通过均衡器充电，直到电池模块内的电池单体的SOC值趋于平衡；
若所述均衡电路有多个电池模块，则以各电池模块的SOC平均值为判断依据，判断是否需要进入模块间均衡模式，当某个电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围后，即进入模块间均衡模式；当电池模块完成上述模块间均衡模式后，开始进入模块内均衡模式，当模块间均衡模式和模块内均衡模式都结束时则均衡结束，电池组内的所有电池模块的电荷量趋于平衡；
若所述均衡电路只有一个电池模块，则以各电池单体的SOC平均值为判断依据，当电池单体的SOC值中最大值和最小值超出预算的均衡阈值范围时，则直接进入模块内均衡模式，当电池模块内的电池单体的SOC值趋于平衡时则均衡结束。
6.根据权利要求5所述的均衡方法，其特征在于，所述模块间均衡模式的均衡过程包括：
S10、采集所有电池单体的电压和电流，以计算出电池单体的SOC值，并计算出各电池模块的SOC平均值；
S11、将所有电池模块的SOC平均值按降序排序，如果有电池模块的SOC平均值超过预设的均衡阈值范围，则开启模块间均衡模式；如果所有电池模块均在均衡阈值范围内，则模块间均衡模式结束；
S12、为需要进行模块间均衡的电池模块进行配对，将SOC平均值最大的电池模块与SOC平均值最小的模块配对进行均衡，SOC平均值次大的模块与SOC平均值次小的模块配对均衡，依次配对进行均衡直到需要模块间均衡的模块全都配对完为止；
S13、均衡过程中反复执行步骤S11和步骤S12，直到各电池模块SOC值趋于平衡。
7.根据权利要求6所述的均衡方法，其特征在于，所述模块内均衡模式的均衡过程包括：
S20、根据各电池单体的SOC值按降序排序，判断电池单体的SOC值的最大值和最小值是否超出均衡阈值范围，若超出则进入下一步；
S21、将SOC值最大的电池单体连接到该电池单体所在的电池模块对应的均衡器的输入端，并对该电池单体进行放电，同时均衡器的输出端连接到SOC值最小的电池单体，并对该节电池单体进行充电；
S22、反复执行上述步骤S21，当所有电池单体的SOC值都在均衡阈值范围内，则模块内均衡的均衡结束。
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