CN108604711A - 借助于占空控制的有效电池平衡的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及使用占空比控制的电池平衡，更特别地，涉及一种通过检测电池平衡期间由电池中流动的电流所导致的电阻的温度，根据该温度计算电池平衡的占空比，以及检测电池平衡操作之后过去预定时间时的电池电压，而具有提高的精准度和效率的电池平衡方法和系统。

Description

借助于占空控制的有效电池平衡的方法和系统
技术领域
本公开内容涉及使用占空比控制的电池平衡，更特别地，涉及一种通过检测电池平衡期间由电池中流动的电流所导致的电阻的温度，根据该温度计算电池平衡的占空比，以及检测电池平衡操作之后过去预定时间时的电池电压，而具有提高的精准度和效率的电池平衡方法和系统。
背景技术
通常安装在需要可再充电的电存储设备的设备之中，例如能量存储设备、电动车、便携电子设备等之中的电池组包括串联或并联的多个电池。当包括多个电池的电池组放电时，由于每一电池的自放电率中的差异，导致随时间流逝而出现每一电池的充电状态中的差异。如果以这种不平衡的充电状态持续电池组的放电，具有低充电状态的特定电池被过放电，使得电池组的稳定操作变得困难。而且，当特定电池在充电处理期间被过充电时，其会干扰电池组的稳定操作。
按这种方式发生的特定电池的过充电或过放电降低了电池组的容量，并且还使电池组劣化以及使用寿命缩短。
因此，应当本质上执行电池平衡，其作为一种有效管理电池组的方法，将构成电池组的每一电池之间的电压差调整至预定允许范围内或调整为与预定允许范围相同。
常规上，已通过下述方法执行电池之间的平衡：在电池的开路电压相对于电池的充电状态的变化等于或大于参考值时，选择平衡目标电池并对其进行平衡达预定时间的方法；通过在电池的平衡控制操作期间实时监控每一电池的电压来确定平衡操作完成的方法；和测量每一电池的电压并将测量的电压之一设定为平衡参考电压以通过根据参考电压充电/放电来执行平衡的方法。
然而，在常规方法中，存在由于电池平衡期间连续流动的电流导致的电阻发热问题，并且由于无论电池平衡期间流动的电流大小如何，电池平衡之后直至电压检测时间为止所需的时间是恒定的，因此电池平衡的精准度和效率降低。
发明内容
本公开内容提供了一种电池平衡方法，用于将由于电池平衡期间流动的电流所导致的电阻而生成热的问题最小化，并且控制到达电池平衡之后到电压检测时间点的时间，以提高效率。
根据示范性实施方式，提供了一种用于平衡电池组中包括的至少两个电池的电压的电池平衡系统，所述系统包括：电池组，包括两个或更多个电池；和电池管理单元，配置用以控制电池平衡，其中所述电池管理单元包括：电池平衡操作控制单元，配置用以确定是否满足电池平衡操作条件并且将开/关信号施加至电池平衡控制FET以控制电池平衡操作；电池平衡电流计算单元，配置用以测量电池平衡操作期间的电池平衡电流的大小；电池平衡电阻温度计算单元，配置用以计算通过电池平衡操作期间流动的电池平衡电流所生成的电池平衡电阻的温度；占空比计算单元，配置用以根据所计算的电池平衡电阻的温度值，计算关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比；和电压检测单元，配置用以检测电池的电压。
占空比计算单元可检测通过电池平衡电阻温度计算单元计算的电阻的温度值所属的温度区段，并且计算与检测的温度区段相对应的关于电池平衡控制FET的开/关信号的占空比，以提供占空比给电池平衡操作控制单元。
电压检测单元可包括：电池检测单元，配置用以计算电池的电压的偏差，并在每一电池的电压偏差的至少之一等于或大于预定参考值时确定需要电池平衡以检测需要平衡的电池；和电池平衡电压检测单元，配置用以在电池平衡控制FET关断之后检测被应用电池平衡的电池的电压，并且将该电压与预定参考值比较以确定电池平衡是否成功。
在电池平衡控制FET关断之后，当过去预定时间时，电池平衡电压检测单元可进行操作。
电池平衡操作控制单元可在电池平衡开始时利用具有预定占空比的开/关控制信号控制电池平衡控制FET，之后在电池平衡操作时利用根据所生成的电阻的温度计算的占空比来控制电池平衡控制FET的开/关。
根据另一示范性实施方式，提供了一种用于平衡电池组中包括的至少两个电池的电压的电池平衡方法。所述方法包括：电池平衡操作确定操作，用以确定是否满足电池平衡操作条件并且根据确定结果将开/关信号施加至电池平衡控制FET以控制电池平衡操作；电池平衡电流计算操作，用以测量和计算电池平衡操作期间的电池平衡电流的大小；电池平衡电阻温度计算操作，用以计算通过电池平衡操作期间的电池平衡电流而生成的电池平衡电阻的温度；占空比计算操作，用以根据所计算的电池平衡电阻的温度值，计算关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比；电池平衡操作，用以根据所计算的占空比施加开/关信号至电池平衡控制FET以操作电池平衡；和电压检测操作，用以检测电池的电压。
占空比计算操作可检测电池平衡电阻温度计算操作中计算的电阻的温度值所属的温度区段，并且计算与检测的温度区段相对应的关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比。
电压检测操作可在电池平衡控制FET关断之后过去预定时间时，检测被应用平衡的电池的电压，并且将电压与预定参考值比较以确定电池平衡是否成功。
电池平衡操作确定操作可在电池平衡操作开始时利用具有预定占空比的开/关控制信号控制电池平衡控制FET的开/关，之后根据占空比计算操作中计算的开/关占空比施加开/关信号。
附图说明
根据结合附图的下述说明可更详细地理解示范性实施方式，在附图中：
图1是示出本发明的配置的实施方式的电路图。
图2是本发明的总体系统框图。
图3是示出根据本发明的操作的图。
图4是根据电池平衡的总体操作的比较例。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施方式，以使本领域技术人员可以容易地实现本发明。然而，本发明可实现为不同的形式且不应理解为限制于本文所述的实施方式。在附图中省略了与说明无关的部件以清楚描述本发明，在全文中相似的参考数字指代相似的元件。
在说明书中，当一部分被称作“连接”至另一部分时，其不仅包括“直接连接”，也包括在二者之间存在另一元件的“间接连接”。而且，当描述一者包括(或包含或具有)一些元件时，如果没有特别限制，应理解为其可以只包括(或包含或具有)这些元件，或者其可以包括(或包含或具有)其他元件以及这些元件。说明书所使用的术语“……操作”或“……的操作”不表示“用于……的操作”。
一种用于平衡电池组中包括的至少两个电池的电压的电池平衡方法包括：电池平衡操作确定操作，用以确定是否满足电池平衡操作条件并且通过根据确定结果将开/关信号施加至电池平衡控制FET而控制电池平衡操作；电池平衡电流计算操作，用以测量和计算电池平衡操作期间的电池平衡电流的大小；电池平衡电阻温度计算操作，用以计算通过电池平衡操作期间的电池平衡电流而生成的电池平衡电阻的温度；占空比计算操作，用以根据所计算的电池平衡电阻的温度值，计算相关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比；电池平衡操作，用以根据所计算的占空比施加开/关信号至电池平衡控制FET，以操作电池平衡；和电压检测操作，用以检测电池的电压。
本发明中所提到的占空比表示施加电池平衡控制FET的开/关信号时的时间比率。
在详细描述之前，将参照图1描述本发明的配置。
参照图1的电路图，A代表的部分是本发明所提到的电池平衡控制FET。用于电池平衡的电流可根据电池平衡控制FET的开/关而流动或被切断。
本发明中提到的电池平衡电流是电池平衡操作期间流动的电流。例如，电池平衡电流是指在电池平衡控制FET开启之后，在a-b端之间流动的电流。
此外，本发明中提到的电池平衡电阻是电池平衡操作期间电池平衡电流流过的区段中形成的电阻。例如，其可以是图1中的a-b端之间的R21和R20。
因此，本发明可根据通过电池平衡电流生成的电池平衡电阻的温度控制电池平衡控制FET的开/关周期。
下文中，将参照其余附图详细描述本发明。
图2是示出根据本发明的总体系统配置的框图。
参照图2，根据本发明的用于电池的电池平衡的系统包括电池组100和电池管理单元200。
电池组100可包括串联和并联连接的至少两个电池110。
用于控制构成电池组100的电池110的平衡的电池管理单元200包括：电池平衡操作控制单元210、电池平衡电流计算单元220、电池平衡电阻温度计算单元230、占空比计算单元240和电压检测单元250。电压检测单元250可包括电池检测单元251和电池平衡电压检测单元252。
电池平衡操作控制单元210可确定是否满足平衡电池110的操作条件，并且根据确定结果施加开/关信号至电池平衡控制FET以控制电池平衡操作。
电池平衡操作控制单元210可在电池平衡操作开始时利用具有预定占空比的开/关控制信号控制电池平衡控制FET开启/关断，之后根据单元240所计算的占空比施加开/关信号至电池平衡控制FET以执行控制。
确定是否满足电池平衡操作条件可包括：通过使用电池检测单元251所提供的有关需要平衡的电池的信息来确定是否操作。
将在描述电压检测单元250时详细描述电池检测单元251。
此外，电池平衡操作控制单元210可配置为包括通常用作电池平衡操作条件的各种元素，除电池检测单元251所提供的信息之外，所述电池平衡操作条件包括电池平衡电流计算单元220所计算的电池平衡操作期间流动的电流的状态。
电池平衡电流计算单元220可测量和计算电池平衡操作期间流动的电池平衡电流的大小。通过使用常用的公式，电流＝电压/电阻，计算电流的大小。
此外，电池平衡电流计算单元220可检测电池平衡操作期间流动的电流的状态并将检测的状态提供至电池平衡操作控制单元210。
计算电池平衡操作期间流动的电流的方法包括通过将串联连接的电流感测电阻连接至电池110，测量电池110两端的电势差。通过使用测量的电势差，可获得电流在电池110中流动的方向，以检测电流充电或放电，或者没有电流流动的状态。
电流感测电阻是具有非常低电阻值的电阻，用于检查电流在电路的特定部分中流动的程度，并且由于电阻值非常低，不会显著妨碍电流的流动，因此可以测量电池110中的电流量。
电池平衡电阻温度计算单元230可计算通过电池平衡操作期间流动的电池平衡电流而生成的电池平衡电阻的温度值。
使用热敏电阻来计算电池平衡电阻的温度值。可使用模数转换器(ADC)来测量热敏电阻上的电压，并且藉由此，可逆向计算电阻值以计算温度值。
热敏电阻的连接方法包括金属丝方法和片式电阻方法，并且在本发明中，可大致配置为包括用于围绕构成电池平衡电路的电阻器设计芯片的片式电阻方法。
占空比计算单元240可检测电池平衡电阻温度计算单元230所计算的电池平衡电阻的温度值所属的温度区段，并且可计算与检测的温度区段相对应的相关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比。
[表1]
温度 电池平衡操作On 电池平衡操作Off
T≤30℃ 100％ 0％
30<T≤40℃ 80％ 20％
40<T≤50℃ 60％ 40％
50<T≤60℃ 40％ 60％
60<T≤65℃ 20％ 80％
65℃<T 0％ 100％(电池平衡停止)
此外，占空比计算单元240可提供所计算的相关于电池平衡控制FET的开/关的占空比至电池平衡操作控制单元210。
电压检测单元250可包括电池检测单元251和电池平衡电压检测单元252。
电池检测单元251可计算电池110的电压的偏差，并且将每一电池110的电池偏差与预定参考值比较以检测需要平衡的电池110。当所计算的每一电池的电压偏差中的至少之一等于或大于预定参考值时，确定电池平衡是必需的，因此可检测需要平衡的电池110。此外，被检测的电池的信息可提供至电池平衡操作控制单元210。
在电池平衡控制FET关断之后，电池平衡电压检测单元252可检测被应用平衡的电池的电压，并且将该电压与预定参考值比较，以确定电池平衡是否成功。此外，电池110的电压检测可在预定时间之后操作。
取决于用于测量电池110的电压的系统的性能和特性，可不同地设定所述预定时间。
图3是示出根据本发明的平衡电池的操作的框图。
参照图3，所述操作可包括：电池平衡操作确定操作S10，用以确定是否满足电池平衡操作条件并且根据确定结果将开/关信号施加至电池平衡控制FET以控制电池平衡操作；电池平衡电流计算操作S20，用以测量和计算电池平衡操作期间的电池平衡电流的大小；电阻温度计算操作S30，用以计算当执行电池平衡操作时通过电池平衡电流而生成的电池平衡电阻的温度；占空比计算操作S40，用以根据所计算的电池平衡电阻的温度值，计算相关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比；电池平衡操作S50，用以根据所计算的占空比施加开/关信号至电池平衡控制FET以操作电池平衡；和电压检测操作S60，用以检测电池的电压。
电池平衡操作确定操作S10确定是否满足电池110的平衡操作条件并且根据确定结果将开/关信号施加至电池平衡控制FET以控制电池平衡操作。
电池平衡操作确定操作S10可在电池平衡操作开始时利用具有预定占空比的开/关控制信号控制电池平衡控制FET开启/关断，并且在电池平衡操作之后，通过根据占空比计算操作S40中计算的占空比将开/关信号施加至电池平衡控制FET，来执行控制。
用于确定电池平衡操作条件的方法包括计算每一电池110的电压的偏差并且将计算的电压偏差与预定参考值比较以确定是否满足电池110的平衡操作。
当所计算的电压偏差的至少之一等于或大于预定参考值时，可确定电池平衡是必需的。
而且，确定电池平衡操作条件的方法可包括通常用作电池平衡操作条件的各种元素，除了电池的电压偏差之外，所述电池平衡操作条件包括有关电池中流动的电流的状态的信息。
电池平衡电流计算操作S20可以是测量和计算电池平衡操作期间的电池平衡电流的大小的操作。通过使用常用的公式，电流＝电压/电阻，对计算电流的大小的方法进行计算。
电池平衡电阻温度计算操作S30可以是计算通过电池平衡操作期间流动的电池平衡电流而生成的电池平衡电阻的温度的操作。
计算电池平衡电阻的温度值的方法可使用热敏电阻。可使用模数转换器(ADC)来测量热敏电阻两端的电压，并且藉由此，可逆向计算电阻值以计算温度值。
热敏电阻的连接方法包括金属丝方法和片式电阻方法，并且在本发明中，可大致配置为包括用于围绕构成电池平衡电路的电阻器设计芯片的片式电阻方法。
占空比计算操作S40可以是检测电池平衡电阻温度计算操作S30中计算的电池平衡电阻的温度值所属的预定温度区段，并且计算与检测的温度区段相对应的相关于预定电池平衡控制FET的开/关信号的占空比的操作。
如图2中描述的，根据电池平衡电阻的温度值计算预定占空比的方法可通过参照表1执行计算。
电池平衡操作S50可以是根据占空比计算操作S40中计算的占空比施加开/关信号至电池平衡控制FET以执行电池平衡操作的操作。
在电池平衡操作S50中，在电池平衡控制FET关断之后过去预定时间时，电压检测操作S60可检测被应用平衡的电池的电压。可依据用于测量电池110的电压的系统的性能和特性，确定所述预定时间。
图4是示出根据现有技术和本发明的总体电池平衡操作的比较例的图。
图4的(a)是示出应用常规的电池平衡控制方法的操作的图。如图4的(a)所示，可确认在电池平衡控制FET中，以预定比率进行开/关操作。而且，可确认在电池平衡控制FET关断之后，用于检测电池的电压的时间点是恒定的。然而，在这种情况下，按照恒定时间比率执行电池平衡，而不考虑电池平衡操作期间流动的电池平衡电流所导致的电池平衡电阻的发热问题。因此，会发生由于电池平衡电阻的发热问题而损坏电池110，以及电池平衡操作的精准度和效率降低。
而且，一般地，在电池平衡控制FET关断之后，电池电压在充足的时间过去之后恢复为初始OCV电压。然而，在常规的电池平衡控制FET关断之后，在预定时间点检测电池电压而不考虑恢复OCV电压的时间，因此会降低电池电压检测的精准度。
另一方面，参照应用本发明的图4的(b)，可根据通过电池平衡操作期间流动的电池平衡电流而生成的电池平衡电阻的温度，检测相关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比，并且可与此相应地确认，电池平衡操作。而且，在电池平衡控制FET关断之后检测电池110的电压的时间点是根据电池特征或系统特征而弹性控制的，并且在电池电压恢复为OCV之后进行测量，因此可实现具有提高的精准度和效率的电池平衡操作。
本发明通过使用电池平衡占空比来执行电池平衡，所述电池平衡占空比是根据通过电池的电池平衡操作期间流动的电流而生成的电阻的温度来计算的，从而通过在预定时间之后检测电压来提高电压测量的精准度，并且有效控制通过电池平衡操作期间流动的电流所导致的电阻的热生成，因此可以提高的效率实现电池之间的平衡。
尽管参考特定实施方式描述了电池平衡方法和系统，但是其不限于此。因此本领域技术人员容易理解可以对实施方式做出各种更改和变化，而不脱离由随附权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于平衡电池组中包括的至少两个电池的电压的电池平衡系统，所述系统包括：
电池组，包括两个或更多个电池；和
电池管理单元，配置用以控制电池平衡，
其中所述电池管理单元包括：
电池平衡操作控制单元，配置用以确定是否满足电池平衡操作条件并且将开/关信号施加至电池平衡控制FET以控制电池平衡操作；
电池平衡电流计算单元，配置用以测量电池平衡操作期间的电池平衡电流的大小；
电池平衡电阻温度计算单元，配置用以计算通过电池平衡操作期间流动的电池平衡电流而生成的电池平衡电阻的温度；
占空比计算单元，配置用以根据所计算的电池平衡电阻的温度值，计算相关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比；和
电压检测单元，配置用以检测电池的电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述占空比计算单元检测通过所述电池平衡电阻温度计算单元计算的电阻的温度值所属的温度区段，并且计算与检测的温度区段相对应的相关于电池平衡控制FET的开/关信号的占空比，以提供所述占空比给所述电池平衡操作控制单元。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压检测单元包括：
电池检测单元，配置用以计算电池的电压的偏差，并且在每一电池的电压偏差中的至少一个等于或大于预定参考值时，确定需要电池平衡，以检测需要平衡的电池；和
电池平衡电压检测单元，配置用以在电池平衡控制FET关断之后检测被应用电池平衡的电池的电压，并且将所述电压与预定参考值比较以确定电池平衡是否成功。
4.根据权利要求3所述的系统，其中在电池平衡控制FET关断之后，当过去预定时间时，所述电池平衡电压检测单元进行操作。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电池平衡操作控制单元在电池平衡开始时利用具有预定占空比的开/关控制信号控制电池平衡控制FET，之后在电池平衡操作时利用根据所生成的电阻的温度计算的占空比控制电池平衡控制FET的开/关。
6.一种用于平衡电池组中包括的至少两个电池的电压的电池平衡方法，所述方法包括：
电池平衡操作确定操作，用以确定是否满足电池平衡操作条件并且根据确定结果将开/关信号施加至电池平衡控制FET以控制电池平衡操作；
电池平衡电流计算操作，用以测量和计算电池平衡操作期间的电池平衡电流的大小；
电池平衡电阻温度计算操作，用以计算通过电池平衡操作期间的电池平衡电流而生成的电池平衡电阻的温度；
占空比计算操作，用以根据所计算的电池平衡电阻的温度值，计算相关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比；
电池平衡操作，用以根据所计算的占空比施加开/关信号至电池平衡控制FET以操作电池平衡；和
电压检测操作，用以检测电池的电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述占空比计算操作检测所述电池平衡电阻温度计算操作中计算的电阻的温度值所属的温度区段，并且计算与检测的温度区段相对应的相关于电池平衡控制FET的开/关周期的占空比。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述电压检测操作在电池平衡控制FET关断之后过去预定时间时，检测被应用平衡的电池的电压，并且将所述电压与预定参考值比较以确定电池平衡是否成功。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述电池平衡操作确定操作在所述电池平衡操作开始时利用具有预定占空比的开/关控制信号控制电池平衡控制FET的开/关，之后根据所述占空比计算操作中计算的开/关占空比施加开/关信号。
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