CN110190651A - 一种电池组的多阈值电量均衡方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种电池组的多阈值电量均衡方法包括：在放电过电压阈值和充电过电压阈值之间设置N个平衡放电阈值，用于把放电过电压阈值到充电过电压阈值之间的电压分为N+1段电压区间，N为大于等于1的自然数；检测电池组各电芯电压；基于电池组各电芯电压高于放电过电压阈值，且电池组各电芯电压低于充电过电压阈值，判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内；基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的两个或两个以上区间内，不对最低电压的电芯以及与该电芯处在相同区间的电芯进行平衡放电，对其余电芯进行平衡放电。解决了单阈值均衡方法遇到的：为追求平衡效果而对高均衡电流的需求同电池内阻影响和高发热的矛盾的问题。

Description

一种电池组的多阈值电量均衡方法及系统
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域,尤其涉及一种电池组的多阈值电量均衡方法及系统。
背景技术
对平衡放电的效果与充放电电流的大小和平衡放电电流的关系进行分析，为便于理解和说明，假设单个电芯等效电容为C，充电电流为IC,平衡放电电流为IB，在触发平衡放电之前，N节串联电池中电芯电压最大者与电芯电压最小者之间电压差Vdelta。
在充电阶段，当最高电芯电压逐渐上升超过VBL时触发对超过VBL的电芯进行平衡放电，当最低电芯电压充电超过VBL时平衡放电结束。充电阶段的平衡放电时间TB_CHG为最低电芯电压上升Vdelta所需时间即：TB_CHG＝Vdelta*C/IC在此平衡放电时间内，电芯电压最大者与电芯电压最小者由平衡放电造成的充电电量差QB_CHG＝IB*TB_CHG＝Vdelta*C*IB/IC，该电量差造成的最大电芯电压与最小电芯电压之间的电压差缩小了QB_CHG/C＝Vdelta*IB/IC。由此可以看出对于固定的初始电压差，充电过程中的一次平衡放电的平衡效果与平衡电流IB成正比，与充电电流IC成反比。
在负载放电阶段，当最低电芯电压逐渐下降到低于VBL时触发对仍高于VBL的电芯进行平衡放电，当最高电芯电压放电到低于VBL时平衡放电结束。设电池负载电流为ID，平衡放电时间TB_DIS为最高电芯电压下降Vdelta所需时间即TB_DIS＝Vdelta*C/(ID+IB)。在此平衡放电时间内，电芯电压最大者与电芯电压最小者由平衡放电造成的放电电量差QB_DIS＝IB*TB_DIS＝Vdelta*C*IB/(ID+IB)＝Vdelta*C/(1+ID/IB),该电量差造成的最大电芯电压与最小电芯电压之间的电压差缩小了QB_DIS/C＝Vdelta/(1+ID/IB)。由此可以看出对于固定的初始电压差，放电过程中的一次平衡放电的平衡效果与(1+ID/IB)成反比。可以看出如果电池负载电流越小于IB，平衡放电效果越接近于最大极限Vdelta，但是如果负载电流越大于IB，此平衡过程的效果越接近于最小极限Vdelta*IB/ID,而考虑到通常应用，负载电流很可能远远大于平衡放电电流，在那种情况下，负载放电阶段，电池电压下降通过VBL所产生的平衡效果近似为Vdelta*IB/ID，与平衡放电电流IB成正比，与负载放电电流ID成反比。
从上述分析中，我们可以看到充电电流和负载放电电流越大，全部电芯电压越过VBL过程中平衡放电所产生的电压平衡效果就越小。但在应用中为了追求更短的充电时间，和更强的动力输出，充电电流和负载电流的需求越来越高。而在此情况下，如果要维持甚至获得更大的平衡效果，就需要相应提高平衡放电电流，然而，该平衡放电电流越大会使三个问题越明显：1)由电芯内阻产生的压降越大，该压降会直接影响电芯电压的检测精度。2)平衡放电电流在平衡放电通路上产生的热量增大，对于电池保护板和电池包散热提出更大挑战3)需要控制平衡放电通路的开关器件具有更高的电流通过能力，提高了平衡功能的实现成本。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种电池组的多阈值电量均衡方法及系统。
第一方面，本申请实施例提供了一种电池组的多阈值电量均衡方法，所述方法包括：
在放电过电压阈值和充电过电压阈值之间设置N个平衡放电阈值，所述N个平衡放电阈值把放电过电压阈值到充电过电压阈值之间的电压分为N+1段电压区间，N为大于等于1的自然数；
检测电池组各电芯电压，将电池组各电芯电压与放电过电压阈值和充电过电压阈值进行比较；
基于电池组各电芯电压高于放电过电压阈值，且电池组各电芯电压低于充电过电压阈值，判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内；
基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的两个或两个以上区间内，不对最低电压的电芯以及与该电芯处在相同区间的电芯进行平衡放电，对其余电芯进行平衡放电。
可选实施例中，还包括：基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的同一个区间内时，禁止对电池组各电芯进行放电。
可选实施例中，所述判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内包括：
从第一个平衡放电阈值开始，依次将N个平衡放电阈值与电池组各电芯电压进行比较，当电池组各电芯电压刚好不小于第m个平衡放电阈值时停止比较；获取第m+1个平衡放电阈值，将电池组各电芯电压与第m+1个平衡放电阈值进行比较，若各电芯电压小于第m+1个平衡放电阈值，则电池组各电芯电压处在同一平衡放电区间内；m为大于等于1小于等于N的自然数。
可选实施例中，所述对电芯进行平衡放电后还包括：继续检测所有电芯的电压值。
可选实施例中，所述对电芯进行平衡放电包括：对放电电芯的电压进行实时检测。
可选实施例中，所述对电芯进行平衡放电，当被放电的电芯电压低于第m+1个平衡放电阈值时，停止平衡放电。
第二方面，本申请实施例提供了一种电池组的多阈值电量均衡系统，包括：
检测单元，其用于检测电池组各电芯的电压值；
第一比较单元，其用于将电池组各电芯电压与N个平衡放电阈值进行比较，判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内，并将判断结果传输给处理单元，其中N为大于等于1的自然数；
处理单元，根据第一比较单元的判断结果，触发电池保护系统进行平衡放电操作。
可选实施例中，所述将电池组各电芯电压与N个平衡放电阈值进行比较，判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内包括：
从第一个平衡放电阈值开始，依次将N个平衡放电阈值与电池组各电芯电压进行比较，当电池组各电芯电压刚好不小于第m个平衡放电阈值时停止比较；获取第m+1个平衡放电阈值，将电池组各电芯电压与第m+1个平衡放电阈值进行比较，若各电芯电压小于第m+1个平衡放电阈值，则电池组各电芯电压处在同一平衡放电区间内；m为大于等于1小于等于N的自然数。
可选实施例中，所述根据第一比较单元的判断结果，触发电池保护系统进行平衡放电操作包括：
基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的两个或两个以上区间内，不对最低电压的电芯以及与该电芯处在相同区间的电芯进行平衡放电，对其余电芯进行平衡放电；
基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的同一个区间内时，禁止对电池组各电芯进行放电。
本申请实施例具有如下有益效果：
本申请实施例提供的一种电池组的多阈值电量均衡方法及系统，通过在电芯正常工作的电压区间中设置多个平衡放电阈值的方式，使保护系统可以在整个电池充放电过程中进行多次电量均衡，在一个充电或者放电过程中实现多次均衡叠加的效果。解决了单阈值均衡方法遇到的：为最求平衡效果而对高均衡电流的需求同电池内阻影响和高发热的矛盾的问题。本申请实施例可以以更小的均衡放电电流达到甚至超越传统均衡方法的效果，进一步消除了把均衡放电通路原件全集成入保护芯片的瓶颈问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1示出了本申请一种电池组的多阈值电量均衡方法的流程图；
图2示出了本申请一种电池组的多阈值电量均衡方法的一实施例流程图；
图3示出了本申请一种电池组的多阈值电量均衡系统的结构示意图；
图4示出了单阈值示意模型仿真效果图；
图5示出了多阈值示意模型仿真效果图；
图6示出了单阈值示意模型仿真效果和多阈值示意模型仿真效果的对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，但不作为对本申请的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
图1为本申请实施例提供的一种电池组的多阈值电量均衡方法的流程示意图，如图1所示包括步骤S101-S106。
步骤S101：在放电过电压阈值和充电过电压阈值之间设置N个平衡放电阈值，N为大于1的自然数。
步骤S102：检测电池组各电芯电压。
步骤S103:判断电池组各电芯电压是否低于放电过电压保护阈值或是否高于充电过压保护阈值；若电池组各电芯电压低于放电过电压保护阈值或者高于充电过电压保护阈值，执行步骤S106；若电池组电芯电压不低于放电过压保护阈值且不高于充电过压保护阈值，执行步骤S104。
步骤S104：判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内，若电池组各电芯电压处于同一电压区间内，执行步骤S106；若电池组各电芯电压不处于同一电压区间内，执行步骤S105。
步骤S105：禁止对最低电压的电芯以及与该电芯处在相同区间的电芯进行平衡放电，对其余电芯进行放电。
在一个可能的实施例中，从第一个平衡放电阈值开始，依次将N个平衡放电阈值与电池组各电芯电压进行比较，当存在第m个平衡放电阈值，使得电池组各电芯电压刚好不小于第m个平衡放电阈值，m为大于1小于N-1的自然数；判断是否有电芯电压超过第m+1个平衡放电阈值；对超过第m+1个平衡放电阈值的电芯进行平衡放电。
进一步地，当各电芯的电压都未超过第m+1个平衡放电阈值时，可知此时电芯电压都处在同一区间内，不需要对电池组的各电芯进行放电。当有电芯电压超过第m+1个平衡放电阈值时，可知此时电芯电压处在两个或两个以上的区间内，此时不需要对最低电压的电芯以及与该电芯处于相同区间的进行平衡放电，对其余电芯进行平衡放电。
在一个可能的实施例中，可以先将电池组各电芯电压进行比较，获取电池组内的电芯的最大电压值Vh和最小电压值Vd。从第一个平衡放电阈值开始依次将N个平衡放电阈值与电池组的最小电压值Vd进行比较，当电池组的最小电压值Vd刚好不小于第m个平衡放电阈值时停止比较，其中，m为大于等于1小于等于N-1的自然数；获取第m+1个平衡放电阈值，将电池组各电芯电压与第m+1个平衡放电阈值进行比较；基于有电芯电压超过第m+1个平衡放电阈值，对超过第m+1个平衡放电阈值的电芯进行平衡放电。
进一步地，当m等于N时，即此时电池组的各电芯电压值大于等于第N个平衡放电阈值小于充电过电压阈值，此时不需要对电池组内的各电芯电压进行平衡放电。
使用最低电压Vd和最高电压Vh去比较，这样可以减少比较的次数，节约电池组电量均衡的时间且随着N的增大或电池组内电芯的增多效果越明显。
步骤S106：禁止进行平衡放电。
其中，禁止电芯进行平衡放电包括：电池组内的各电芯电压低于放电平衡保护阈值，或者电池组内的各电芯电压超过充电过压保护阈值；将电池组各电芯电压与多个平衡放电阈值进行比较，当电池组内各电芯电压处在同一电压区间内，此时也不需要对电池组各电芯电压进行放电。
在放电过电压阈值和充电过电压阈值之间设置N个平衡放电阈值，把放电过电压阈值到充电过电压阈值之间的电压分为N+1段区间，依次将电池组各电芯电压与第1个平衡放电阈值到第N个平衡放电阈值进行比较，根据比较结果决定是否进行平衡放电。在正常工作的电压区间中设置多个平衡放电阈值，使保护系统可以在整个电池充放电过程中进行多次电量均衡。在一个充电或者放电过程中实现多次均衡叠加的效果，解决了单阈值均衡方法遇到的为追求均衡效果而对高均衡电流的需求同电池内阻影响和高发热的矛盾的问题。
以在放电过电压阈值和充电过电压阈值之间设置三个平衡放电阈值为例,参照图2本实施例的步骤包括步骤S201-S212。
步骤S201：检测电池组各电芯电压。
步骤S202：判断是否有电芯电压高于充电过电压阈值或低于放电过电压阈值，若有电芯电压高于充电过电压阈值或低于放电过电压阈值，执行步骤S212；若没有高于充电过电压阈值或低于放电过电压阈值，执行步骤S203。
步骤S203：判断是否有电芯电压超过第一平衡放电阈值，若没有执行步骤S212；若有电芯电压超过第一平衡放电阈值，执行步骤S204。
步骤S204：判断是否电池组各电芯电压都超过第一平衡放电阈值，若是执行步骤S206；若不存在电池组各电芯电压都超过第一平衡放电阈值，执行步骤S205。
步骤S205：对超过第一平衡放电阈值的电芯进行平衡放电，放电完成后执行步骤S201。
步骤S206：判断是否有电芯电压是否超过第二平衡放电阈值，若没有执行步骤S212；若有电芯电压超过第二平衡放电阈值，执行步骤S207。
步骤S207：判断是否电池组各电芯电压都超过第二平衡放电阈值，若是执行步骤S209；若不存在电池组各电芯电压都超过第二平衡放电阈值，执行步骤S208。
步骤S208：对超过第二平衡放电阈值的电芯进行平衡放电，放电完成后执行步骤S201。
步骤S209：判断是否有电芯电压是否超过第三平衡放电阈值，若没有执行步骤S212；若有电芯电压超过第三平衡放电阈值，执行步骤S210。
步骤S210：断是否电池组各电芯电压都超过第三平衡放电阈值，若是执行步骤S212；若不存在电池组各电芯电压都超过第三平衡放电阈值，执行步骤S211。
步骤S211：对超过第三平衡放电阈值的电芯进行平衡放电，放电完成后执行步骤S201。
步骤S212：禁止进行平衡放电，且继续执行步骤S201。
图3本申请电池组的多阈值电量均衡系统的一实施例结构示意图。参见图3，本申请实施例的一种电池组的电量均衡系统包括检测单元301、比较单元302、处理单元303：
检测单元301用于检测电池组各电芯的电压值；
比较单元302用于将电池组各电芯电压与N个平衡放电阈值进行比较，并将比较结果传输给处理单元，其中N为大于等于1的自然数；
处理单元303根据比较单元的比较结果，触发电池保护系统进行平衡放电操作。
本在申请实施例提供的电量均衡系统中，检测单元301用于检测电池组各电芯的电压值，具体地，检测单元301对电池组各电芯电压进行实时检测，并将检测结果传递到比较单元302。比较单元302将检测单元检测301的电池组各电芯电压值与放电过电压保护阈值和充电过电压保护阈值进行比较并将比较结果传递给处理单元303。
可选地，比较单元302包括第一比较单元和第二比较单元，第一比较单元用于将检测单元301获取的电池组各电芯电压值进行比较得到电池组内电芯的最低电压值Vd和最高电压值Vh；第二比较单元将最低电压值Vd与放电过电压保护阈值和设置的多个平衡放电阈值进行比较，将最高电压值Vh与充电过电压保护阈值进行比较并将比较结果传递给处理单元303。
处理单元303根据比较单元的比较结果触发电池保护系统进行平衡放电操作，具体包括，若存在电池组电芯电压超过充电过电压阈值或者存在电池组电芯电压低于放电过电压阈值，处理单元303禁止触发平衡放电操作。若被检测的电池组各电芯电压处在同一个电压区间内，处理单元303禁止触发平衡放电操作。若被检测电池组各电芯电压分布在两个或者连个以上的区间内，那么处理单元303不对最低电压的电芯以及与该电芯处于相同区间的电芯进行过平衡放电，对其余电芯做平衡放电操作。
为了说明本发明审请的有益效果，以两节电芯为例，进行充放电过程中均衡放电的建模仿真参见图4-图6。
图4为单阈值均衡示意模型仿真效果，VB1、VB2分别为两节电芯的电压，仿真对其作了三次充电和放电，DeltaV为VB1-VB2的差，初始差为300mV。每轮充放电每节电芯电压越过两次VBL，激活两次平衡放电。可以看到三轮充放电后，共激活了6次平衡放电，DeltaV从300mV缩小到81.5mV。
图5为多阈值均衡示意模型仿真效果，此处设置了4个平衡放电阈值，电芯充放电流与图4相同，区别仅在于控制平衡放电通路开启和截止的控制逻辑采取了多阈值均衡方法。可以看到经过三轮同样的放电后，共激活了21次平衡放电。由于DeltaV初值比较大，所以在第一次充电过程中的四次平衡放电连接到了一起。经过三轮充放电，DeltaV从300mV缩小到4.5mV。
图6为图4和图5两次仿真的DeltaV波形对比。可见，使用相同的均衡放电通路，多阈值均衡方法能够实现比传统的单阈值均衡方法大得多的均衡效果。如果对均衡效果的需求一定，使用多阈值均衡方法，可以适用于均衡放电电流小得多的均衡放电通路。在此基础上，消除了高发热和大开关面积上的障碍，将均衡发电通路上的元件集成到电池保护芯片内部就很容易实现。
以上建模仿真以两节电芯为例，本发明申请同样适用于多节电芯。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电池组的多阈值电量均衡方法，包括：
在放电过电压阈值和充电过电压阈值之间设置N个平衡放电阈值，所述N个平衡放电阈值把放电过电压阈值到充电过电压阈值之间的电压分为N+1段电压区间，N为大于等于1的自然数；
检测电池组各电芯电压，将电池组各电芯电压与放电过电压阈值和充电过电压阈值进行比较；
基于电池组各电芯电压高于放电过电压阈值，且电池组各电芯电压低于充电过电压阈值，判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内；
基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的两个或两个以上区间内，不对最低电压的电芯以及与该电芯处在相同区间的电芯进行平衡放电，对其余电芯进行平衡放电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的同一个区间内时，禁止对电池组各电芯进行放电。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内包括：
从第一个平衡放电阈值开始，依次将N个平衡放电阈值与电池组各电芯电压进行比较，当电池组各电芯电压刚好不小于第m个平衡放电阈值时停止比较；获取第m+1个平衡放电阈值，将电池组各电芯电压与第m+1个平衡放电阈值进行比较，若各电芯电压小于第m+1个平衡放电阈值，则电池组各电芯电压处在同一平衡放电区间内；m为大于等于1小于等于N的自然数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对电芯进行平衡放电后还包括：继续检测所有电芯的电压值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对电芯进行平衡放电包括：对放电电芯的电压进行实时检测。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述对电芯进行平衡放电，当被放电的电芯电压低于第m+1个平衡放电阈值时，停止平衡放电。
7.一种电池组的多阈值电量均衡系统，包括：
检测单元，其用于检测电池组各电芯的电压值；
第一比较单元，其用于将电池组各电芯电压与N个平衡放电阈值进行比较，判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内，并将判断结果传输给处理单元，其中N为大于等于1的自然数；
处理单元，根据第一比较单元的判断结果，触发电池保护系统进行平衡放电操作。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述将电池组各电芯电压与N个平衡放电阈值进行比较，判断电池组各电芯电压是否处于同一电压区间内包括：
从第一个平衡放电阈值开始，依次将N个平衡放电阈值与电池组各电芯电压进行比较，当电池组各电芯电压刚好不小于第m个平衡放电阈值时停止比较；获取第m+1个平衡放电阈值，将电池组各电芯电压与第m+1个平衡放电阈值进行比较，若各电芯电压小于第m+1个平衡放电阈值，则电池组各电芯电压处在同一平衡放电区间内；m为大于等于1小于等于N的自然数。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述根据第一比较单元的判断结果，触发电池保护系统进行平衡放电操作包括：
基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的两个或两个以上区间内，不对最低电压的电芯以及与该电芯处在相同区间的电芯进行平衡放电，对其余电芯进行平衡放电；
基于电池组各电芯电压分布在所述N+1段电压区间中的同一个区间内时，禁止对电池组各电芯进行放电。
CN201910532732.8A 2019-06-19 2019-06-19 一种电池组的多阈值电量均衡方法及系统 Active CN110190651B (zh)

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