CN108832676A - 用于电池组的被动均衡系统 - Google Patents

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曾国建
吉祥
程晓伟
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    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
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Abstract

本发明提供一种用于电池组的被动均衡系统，属于电池领域。被动均衡系统包括：电压传感器，用于检测电池组的每一节单体电池的电压；开关电源；控制器用于：控制开关电源以第一电流值分别对每一节单体电池进行第一次充电；通过电压传感器获取每一节单体电池的第一电压；控制开关电源以第二电流值分别对每一节单体电池进行第二次充电；通过电压传感器获取每一节单体电池的第二电压；计算每一个单体电池的真实电压；将每一节单体电池的真实电压进行比对，确定单体电池的真实电压的最大值和最小值之间的差值；判断差值是否大于需要开启被动均衡的启动电压阈值；在判断差值大于启动电压阈值的情况下，执行被动均衡操作。

Description

用于电池组的被动均衡系统
技术领域
本发明涉及电池领域，具体地涉及一种用于电池组的被动均衡系统。
背景技术
由于锂电池组在生产、分容时的参数差异，锂电池组的一致性存在差异，并且因为后续电池组实际使用环境的不同，随着电池组循环次数的增加，导致电池的一致性差异逐渐增加，影响电池寿命。通过均衡可以改善电池组的一致性。
当前均衡技术可分为被动均衡与被动均衡。针对被动均衡，当判断某几节电池的单体电压明显高于其他电池时，则对其开启均衡电路，对其进行放电，改善其一致性；针对均衡，当判断出某几节电池的单体电压明显低于其他电池时，则对其开启均衡电路，对其进行充电，改善其一致性。从上面可以看出，无论哪种均衡方式，大多通过电池的单体电压，来判断该节电池是否需要开启均衡，因此单体电压检测的准确性直接影响着均衡开启的准确性，然而由于单体电压检测线往往较长，线阻的存在导致电压检测的误差较大，尤其是当均衡开启时，均衡电流的存在导致电池单体电压的测量值与真实值之间存在差异，影响电池均衡的准确性。当前往往通过均衡开启前的单体电压值作为均衡开启的条件，影响均衡开启的有效性与准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电池组的被动均衡系统，该被动均衡系统可以使得被动均衡后的单体电池的电压的一致性更高。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于电池组的被动均衡系统，该被动均衡系统包括：
电压传感器，用于检测所述电池组的每一节单体电池的电压；
开关电源；
控制器，分别与所述电压传感器、所述开关电源连接，用于：
控制所述开关电源以第一电流值分别对所述每一节单体电池进行第一次充电；
通过所述电压传感器获取所述每一节单体电池的第一电压；
控制所述开关电源以第二电流值分别对所述每一节单体电池进行第二次充电；
通过所述电压传感器获取所述每一节单体电池的第二电压；
根据方程(1)计算所述每一节单体电池的真实电压VT，
其中，VC1为所述第一电压，VC2为所述第二电压，R1为所述被动均衡系统中连接在所述单体电池的一端的线路的阻值，R2为所述被动均衡系统中连接在所述单体电池的另一端的线路的阻值，VT为所述单体电池的真实电压；
将每一节所述单体电池的真实电压进行比对，确定所述单体电池的真实电压的最大值和最小值之间的差值；
判断所述差值是否大于需要开启所述被动均衡的启动电压阈值；
在判断所述差值大于所述启动电压阈值的情况下，执行被动均衡操作。
可选地，所述启动电压阈值为20至60毫伏。
可选地，所述执行被动均衡操作包括：
从所述电池组中筛选出真实电压最高的至少一节单体电池进行被动均衡；
通过所述电压传感器实时获取所述被被动均衡的单体电池的电压；
判断所述被被动均衡的单体电池的电压是否大于剩余的所述单体电池的真实电压；
在判断所述被被动均衡的单体电池的电压不大于剩余的所述单体电池的真实电压的情况下，重新开始执行所述控制器的操作。
可选地，所述第一次充电的充电时间为0.1秒至1秒。
可选地，所述电压传感器包括电池管理系统BMS。
可选地，所述第二次充电的充电时间为0.1秒至1秒。
可选地，所述控制器为微控制器。
通过上述技术方案，本发明提供的用于电池组的被动均衡系统通过改变单体电池的充电电流的大小来计算电路的线阻，从而使得对单体电池的真实电压的检测更加精确，从而提高经过被动均衡后的单体电池的电压的一致性。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的用于电池组的被动均衡方法的流程图；
图2是根据本发明的一个实施方式的用于电池组的被动均衡系统的结构框图；以及
图3是根据本发明的一个实施方式的用于电池组的电路的线阻的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示是根据本发明的一个实施方式的用于电池组的被动均衡方法的流程图。在图1中，该被动均衡方法可以包括：
在步骤S01中，以第一电流值分别对电池组中的每一节单体电池进行第一次充电。在本发明的该实施方式中，该第一电流值的取值范围可以是例如1毫安(mA)至100mA。该步骤01可以是例如通过控制器控制开关电源以第一电流值对电池组的每一节单体电池进行充电来执行，考虑到线路的设计需要，可以将该开关电源通过如图3中所示出的端点A和端点B接入电池组的单体电池(以一个单体电池为例)的两端。在本发明的一个示例中，为了避免由于充电时间过长而对该单体电池的电压造成影响，同时考虑到电压检测设备的反应时间，该第一次充电的充电时间可以例如为0.1秒(s)至1s。
在步骤S02中，分别检测每一节单体电池的第一电压。在本发明的该实施方式中，该步骤S02可以是例如将电压传感器通过用于执行该被动均衡方法的电路(例如图3中示出的端点A和端点B)的线路接入每一节单体电池的正负极以检测该单体电池的第一电压。此外，考虑到实际电路设计的成本，也可以直接通过电池管理系统(Battery ManagementSystem，BMS)来检测该第一电压。
在步骤S03中，以第二电流值分别对每一节单体电池进行第二次充电。在本发明的该实施方式中，该第二电流值的取值范围可以是例如1毫安(mA)至100mA。该步骤03可以是例如通过控制器控制开关电源以第二电流值对电池组的每一节单体电池进行充电来执行，考虑到线路的设计需要，可以将该开关电源通过如图3中所示出的端点A和端点B接入电池组的单体电池(以一个单体电池为例)的两端。在本发明的一个示例中，为了避免由于充电时间过长而对该单体电池的电压造成影响，同时考虑到电压检测设备的反应时间，该第二次充电的充电时间可以例如为0.1秒(s)至1s。
在步骤S04中，分别检测每一节单体电池的第二电压。在本发明的该实施方式中，该步骤S04可以是例如将电压传感器通过电路的线路接入每一节单体电池的正负极以检测该单体电池的第二电压。此外，考虑到实际电路设计的成本，也可以直接通过BMS来检测该第二电压。
在步骤S05中，根据方程(1)计算每一节单体电池的真实电压VT，
其中，VC1为第一电压，VC2为第二电压，I1为第一电流值，I2为第二电流值，R1为用于执行被动均衡方法的电路连接在单体电池(例如图3中示出的单体电池B1)的一端的线路的阻值(如图3所示)，R2为用于执行被动均衡方法的电路连接在单体电池的另一端的线路的阻值(如图3所示)，VT为单体电池的真实电压。在本发明的该实施方式中，该方程(1)可以是例如通过基尔霍夫定律获得的。通过对方程(1)求解可以得出公式(1)，
通过将上述第一电压、第二电压、第一电流值和第二电流值带入公式(1)中来获取该单体电池的真实电压。
在步骤S06中，将每一节单体电池的真实电压进行比对，确定该单体电池的真实电压的最大值和最小值之间的差值。在本发明的一个实施方式中，可以是例如控制器将每一节单体电池的真实电压进行比对，从而确定该单体电池的真实电压的最大值和最小值之间的差值。
在步骤S07中，判断差值是否大于需要开启被动均衡的启动电压阈值。在本发明的该实施方式中，由于开启被动均衡需要一定的启动条件，例如电池组中的各个单体电池的电压差大于需要开启被动均衡的启动电压阈值。此时，电池组中的各个单体电池的不一致性会严重影响电池组整体的输出效率，因此需要开启被动均衡。所以在步骤S06中计算出差值后，在该步骤S07中将该差值与启动电压阈值进行比对，判断该差值是否大于该启动电压阈值，从而判断该电池组是否需要开启被动均衡。对于该启动电压阈值的取值，可以是根据实际电池组中的单节电池的数量以及输出电压来确定，在本发明的该实施方式中，在该电池组为锂电池组的情况下，可以将该启动电压阈值设定为20毫伏(mV)至60mV。在其他材料的电池组的情况下，该启动电压阈值也可以设定为其他数值。此外，在判断该差值不大于启动电压阈值的情况下，此时说明该电池组不满足该被动均衡的启动条件，因此可以直接结束本次被动均衡。考虑到在该电路工作的过程中需要触发检测单体电池的真实电压的条件，所以可以是例如在人为启动该电路后，该电路通过检测真实电压来判断该电池组是否满足启动条件，在满足启动条件的情况下再进一步判断是否需要开启被动均衡操作。在本发明的另一个示例中，也可以是例如预先设定一个时间周期，每隔一个该时间周期启动检测该单体电池的真实电压的机制，并进一步判断该电池组是否满足被动均衡的条件，该时间周期可以是例如1小时、2小时或24小时。上述列举的数值例如“1小时”等仅限于解释本发明，并不对本发明的保护范围造成限制。在本发明的同一技术构思下，根据不同的使用条件(例如电池的数量、设备的使用频率等)，上述各个数值均可以相应改变。
在判断差值大于启动电压阈值的情况下，执行被动均衡操作。在本发明的该实施方式中，在判断该差值大于启动电压阈值的情况下，此时说明该电池需要开启被动均衡，因此可以开启该被动均衡操作。在本发明的一个示例中，该被动均衡操作可以是例如步骤S08、步骤S09和步骤S10。
在步骤S08中，从电池组中筛选出真实电压最高的至少一节单体电池进行被动均衡。在本发明的该实施方式中，该步骤S08可以是例如将该电池组中的至少一节真实电压最高的单体电池进行被动均衡(例如将该单体电池放电以使得该单体电池的电压降低)。
在步骤S09中，实时检测被被动均衡的单体电池的电压。在本发明的该实施方式中，该步骤S09可以是例如通过BMS实时检测该被被动均衡的单体电池的电压。
在步骤S10中，判断该被均衡的单体电池的电压是否大于电池组中所有单体电池的真实电压。在该实施方式中，BMS实时检测该被被动均衡的单体电池的电压，该单体电池的电压由于被被动均衡(放电)后会随着放电时间的增加而降低，当该被均衡的单体电池的电压不大于电池组的单体电池的真实电压中的至少一者时，说明该单体电池并非该电池组中的电压最高的单体电池，因此不需要再对该单体电池进行均衡。但是，此时已然无法判断该电池组是否已经不满足被动均衡的条件，所以需要重新检测该电池组中每一节单体电池的真实电压，故在判断该被均衡的单体电池不大于所有单体电池的真实电压中的至少一者的情况下，重新开启该被动均衡方法(即返回步骤S01)。此外，在判断该被均衡的单体电池大于所有单体电池的真实电压的情况下，此时说明该单体电池依然需要被动均衡，所以继续对该单体电池进行被动均衡(放电)直到该被均衡的单体电池不大于所有单体电池的真实电压中的至少一者。
本发明的另一方面还提供一种用于电池组的被动均衡系统。如图2所示，该被动均衡系统可以包括电压传感器01、开关电源02和控制器03。
该电压传感器01可以用于检测电池组的每一节单体电池的电压。由于需要考虑被动均衡系统的线阻，因此，该电压传感器01可以是例如通过该被动均衡系统连接在单体电池两端(例如图3中所示出的端点A和端点B)的线路接入该单体电池的正极和负极。
控制器03可以分别与电压传感器01、开关电源02连接，可以用于执行如图1所示的被动均衡方法：
在步骤S01中，控制开关电源02以第一电流值分别对每一节单体电池进行第一次充电。在本发明的该实施方式中，该第一电流值的取值范围可以是例如1毫安(mA)至100mA。该步骤S01可以是例如通过控制器03通过控制开关电源02的输出电路(例如DC-DC转换电路)来调节输出电流，从而以第一电流值对电池组的每一节单体电池进行充电来执行，考虑到线路的设计需要，可以将该开关电源02通过如图3中所示出的端点A和端点B接入电池组的单体电池(以一个单体电池为例)的两端。在本发明的一个示例中，为了避免由于充电时间过长而对该单体电池的电压造成影响，同时考虑到电压检测设备(例如电压传感器01)的反应时间，该第一次充电的充电时间可以例如为0.1秒(s)至1s。
在步骤S02中，通过电压传感器01获取每一节单体电池的第一电压。该电压传感器02接入线路的方式上述已经详细描述，此处不再赘述。此外，考虑到实际电路设计的成本，也可以直接通过BMS来检测该第一电压。
在步骤S03中，控制开关电源02以第二电流值分别对每一节单体电池进行第二次充电。在本发明的该实施方式中，该第二电流值的取值范围可以是例如1毫安(mA)至100mA。此外，为了避免由于充电时间过长而对该单体电池的电压造成影响，同时考虑到电压检测设备的反应时间，该第二次充电的充电时间可以例如为0.1s至1s。
在步骤S04中，通过电压传感器01获取每一节单体电池的第二电压。
在步骤S05中，根据方程(1)计算每一节单体电池的真实电压VT，
其中，VC1为第一电压，VC2为第二电压，I1为第一电流值，I2为第二电流值，R1为被动均衡系统中连接在单体电池(例如图3中所示的单体电池B1)的一端的线路的阻值(如图3所示)，R2为被动均衡系统中连接在单体电池的另一端的线路的阻值(如图3所示)，VT为单体电池的真实电压。在本发明的该实施方式中，该方程(1)可以是例如通过基尔霍夫定律获得的。通过对方程(1)求解可以得出公式(1)，
通过将上述第一电压、第二电压、第一电流值和第二电流值带入公式(1)中来获取该单体电池的真实电压。
在步骤S06中，将每一节单体电池的真实电压进行比对，确定单体电池的真实电压的最大值和最小值之间的差值。
在步骤S07中，判断差值是否大于需要开启被动均衡的启动电压阈值。在本发明的该实施方式中，由于开启被动均衡需要一定的启动条件，例如电池组中的各个单体电池的电压差大于需要开启被动均衡的启动电压阈值。此时，电池组中的各个单体电池的不一致性会严重影响电池组整体的输出效率，因此需要开启被动均衡。所以控制器03在步骤S06中计算出差值后，在该步骤S07中将该差值与启动电压阈值进行比对，判断该差值是否大于该启动电压阈值，从而判断该电池组是否需要开启被动均衡。对于该启动电压阈值的取值，可以是根据实际电池组中的单节电池的数量以及输出电压来确定，在本发明的该实施方式中，在该电池组为锂电池组的情况下，可以将该启动电压阈值设定为20毫伏(mV)至60mV。在其他材料的电池组的情况下，该启动电压阈值也可以设定为其他数值。此外，在判断该差值不大于启动电压阈值的情况下，此时说明该电池组不满足该被动均衡的启动条件，因此可以直接结束本次被动均衡。考虑到在该系统工作的过程中需要触发检测单体电池的真实电压的条件，所以可以是例如在人为启动(例如设置触发按钮)该被动均衡系统后，该系统通过检测真实电压来判断该电池组是否满足启动条件，在满足启动条件的情况下再进一步判断是否需要开启被动均衡操作。在本发明的另一个示例中，也可以是例如预在控制器03中预先设定一个时间周期，使得该控制器03每隔一个该时间周期启动检测该单体电池的真实电压的机制，并进一步判断该电池组是否满足被动均衡的条件。控制器03在判断差值大于启动电压阈值的情况下，执行被动均衡操作。在本发明的该实施方式中，在判断该差值大于启动电压阈值的情况下，此时说明该电池需要开启被动均衡，因此可以开启该被动均衡操作。在本发明的一个示例中，该被动均衡操作可以是例如步骤S08、步骤S09和步骤S10。
在步骤S08中，控制器03从电池组中筛选出真实电压最高的至少一节单体电池进行被动均衡。在本发明的该实施方式中，该步骤S08可以是例如将该电池组中的至少一节真实电压最高的单体电池进行被动均衡(例如控制器03将该单体电池放电以使得该单体电池的电压降低)。在本发明的一个示例中，将该单体电池放电可以是例如将电池组的每个单体电池的两端分别通过可控开关与放电电阻连接。该可控开关的控制端可以与控制器03连接，控制器03通过将该可控开关闭合来使得放电电阻消耗单体电池中的电量以使得该单体电池放电。
在步骤S09中，控制器03通过电压传感器01实时检测被被动均衡的单体电池的电压。在本发明的该实施方式中，该步骤S09可以是例如通过BMS(即电压传感器01)实时检测该被被动均衡的单体电池的电压。
在步骤S10中，判断该被均衡的单体电池的电压是否大于单体电池的真实电压。在该实施方式中，BMS实时检测该被被动均衡的单体电池的电压，该单体电池的电压由于被被动均衡(放电)后会随着放电时间的增加而减少，当该被均衡的单体电池的电压不大于单体电池的真实电压中的至少一者时，说明该单体电池并非该电池组中的电压最高的单体电池，因此不需要再对该单体电池进行均衡。但是，控制器03此时已然无法判断该电池组是否已经不满足被动均衡的条件，所以需要重新检测该电池组中每一节单体电池的真实电压，故在判断该被均衡的单体电池不大于所有单体电池的真实电压中的至少一者的情况下，控制器03重新开启该被动均衡方法(即再次返回执行步骤S01)。此外，控制器03在判断该被均衡的单体电池大于所有单体电池的真实电压的情况下，此时说明该单体电池依然需要被动均衡，所以继续对该单体电池进行被动均衡(放电)直到该被均衡的单体电池不大于所有单体电池的真实电压中的至少一者。
在本发明的一个实施方式中，该控制器03可以为通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核心相关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、任何其它类型的集成电路(IC)、状态机等。
通过上述技术方案，本发明提供的用于电池组的被动均衡方法和系统通过改变单体电池的充电电流的大小来计算电路的线阻，从而使得对单体电池的真实电压的检测更加精确，从而提高经过被动均衡后的单体电池的电压的一致性。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明并不限于上述可选实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (7)

1.一种用于电池组的被动均衡系统，其特征在于，所述被动均衡系统包括：
电压传感器，用于检测所述电池组的每一节单体电池的电压；
开关电源；
控制器，分别与所述电压传感器、所述开关电源连接，用于：
控制所述开关电源以第一电流值分别对所述每一节单体电池进行第一次充电；
通过所述电压传感器获取所述每一节单体电池的第一电压；
控制所述开关电源以第二电流值分别对所述每一节单体电池进行第二次充电；
通过所述电压传感器获取所述每一节单体电池的第二电压；
根据方程(1)计算所述每一节单体电池的真实电压VT，
其中，VC1为所述第一电压，VC2为所述第二电压，R1为所述被动均衡系统中连接在所述单体电池的一端的线路的阻值，R2为所述被动均衡系统中连接在所述单体电池的另一端的线路的阻值，VT为所述单体电池的真实电压；
将每一节所述单体电池的真实电压进行比对，确定所述单体电池的真实电压的最大值和最小值之间的差值；
判断所述差值是否大于需要开启所述被动均衡的启动电压阈值；
在判断所述差值大于所述启动电压阈值的情况下，执行被动均衡操作。
2.根据权利要求1所述的被动均衡系统，其特征在于，所述启动电压阈值为20至60毫伏。
3.根据权利要求1所述的被动均衡系统，其特征在于，所述执行被动均衡操作包括：
从所述电池组中筛选出真实电压最高的至少一节单体电池进行被动均衡；
通过所述电压传感器实时获取所述被被动均衡的单体电池的电压；
判断所述被被动均衡的单体电池的电压是否大于剩余的所述单体电池的真实电压；
在判断所述被被动均衡的单体电池的电压不大于剩余的所述单体电池的真实电压的情况下，重新开始执行所述控制器的操作。
4.根据权利要求1所述的被动均衡系统，其特征在于，所述第一次充电的充电时间为0.1秒至1秒。
5.根据权利要求1所述的被动均衡系统，其特征在于，所述电压传感器包括电池管理系统BMS。
6.根据权利要求1所述的被动均衡系统，其特征在于，所述第二次充电的充电时间为0.1秒至1秒。
7.根据权利要求1至6任一所述的被动均衡系统，其特征在于，所述控制器为微控制器。
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