CN111245067A - 锂电池组能量均衡装置及均衡方法 - Google Patents

Abstract

锂电池组能量均衡装置及均衡方法，将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层面，各相邻锂电池组、各相邻锂电池单体均并联有能量均衡基于Buck‑Boost变换器的双向均衡模块；MCU主控芯片通过判断各酸铁锂电池荷电状态(State of Charge，SOC)差值是否在设定阈值范围内，决定是否启动各均衡模块，从而实现各单体电池间能量的均衡，基于本发明的锂电池组能量装置，具有硬件成本较低、控制简单、均衡效率高和速度快的优点。

Description

锂电池组能量均衡装置及均衡方法

技术领域

本发明涉及电池储能技术领域，具体涉及一种锂电池组能量均衡装置及均衡方法。

背景技术

随着环境污染和能源短缺的日益加重，人类的生存环境和经济发展受到了严重冲击，因此，加大现有能源结构中太阳能、潮汐能和风能等一系列清洁能源的占比和推动电动汽车的发展，将有力的提高现有生态环境的稳定性，缓解了能源危机。但光伏、风能等分布式发电的间歇性和随机性，使得新能源供电具有很强的不稳定性，为了解决这一问题需要在系统中加入储能装置。锂电池作为一种能量密度高、重量轻，使用寿命相对较长且自放电率低，无记忆效应，高低温适应性强的储能装置，具有良好的发展前景与研究价值。

由于锂离子单体电池的能量较低，为了满足储能电池和动力电池对电压和功率要求，需要将几十个甚至几百上千个单体电池进行串并联成组后使用；由于不同电池之间内阻、容量和电压等不一致的不一致的影响，各单体电池间能量差异较为明显；所以对电池组的进行能量管理，保证不同电池单体间能量的一致性，有助于降低储能系统运行风险，延长锂电池使用寿命。

现有技术中也有实现对锂电池组能量管理的技术，中国专利文献CN 106356927 A记载了一种一种锂电池组SOC均衡系统及方法，锂电池分成若干组，分别和双向DC-DC转换器并联，每组内电池通过双向开关连接，同时并联旁路开关，可实现电池动态接入。根据各组平均SOC分配各组输出电压实现组间均衡，根据组内单体电池SOC控制其动态接入可实现各组内均衡，但在检测到单体电池间的SOC差异使，采用开关将电池进行旁路不投入使用，在开关出现故障时，可能导致单体电池出现短路逐渐发热而引起火灾，具有较大的安全隐患，同时为了保证串联的总电池组具有稳定的电压系统每个时刻投入的单体池总量是稳定的，这就使一些单体电池相当于“备用电源”，不能全体投入使用，这样在单体电池数量一定的情况下，使用此类电池组能量管理的系统接通容量和输出功率减小，不利于合理利用资源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种锂电池组能量均衡装置及均衡方法，通过检测电池的荷电状态SOC是否在阈值范围内，决定是否启动各均衡模块，均衡模块可以实现电池之间和电池组之间的双向能量传递，从而实现各单体电池间能量的均衡，使得电池组放电和充电时单体电池能量均衡，负荷均匀，延长锂电池的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

锂电池组能量均衡装置，它包括N个锂离子电池，与锂离子电池或电池组电连接的均衡模块和一个控制器，N个锂离子电池串联连接，均衡模块与锂离子电池或电池组并联，控制器采集锂离子电池的荷电状态（State of Charge,SOC），判断能量大小，通过均衡模块使单体电池或电池组之间的能量均衡，通过控制器采集锂离子电池单体之间和电池组之间的SOC差值，然后将差值与设定的阈值进行比较，决定是否启动均衡模块，来平衡单体电池之间和电池组之间的能量。

上述的均衡模块结构为：分为单体电池均衡模块和组间电池均衡模块，均包括两个MOSFET开关管和一个储能电感构成Buck-Boost型均衡电路，两个MOSFET开关管串联连接，储能电感的一端与两个MOSFET开关管的中间点电连接；

单体电池均衡模块串联的两个MOSFET开关管两端并联在两个单体电池两端，储能电感的另一端与两个单体电池串联的中间点电连接，通过MOSFET开关管的开断控制可以控制储能电感储能或者向电池充电，从而达到相邻单体电池间的能量均衡；

组间电池均衡模块串联的两个MOSFET开关管两端并联在串联的两个电池组两端，储能电感的另一端与两个电池组串联的中间点电连接，通过MOSFET开关管的开断控制可以控制储能电感储能或者向电池充电，从而达到相邻电池组间的能量均衡。

上述的电池组包含的单体电池数量不少于二，根据电池的特性和使用需求采用合理的电池组数量。

上述的控制器控制均衡模块的结构为：控制器通过总线控制单稳态触发器开关电路发出信号，进而控制PWM发生器发出MOSFET开关管控制信号，实现各锂离子电池能量均衡，通过总线控制，可以使响应速度更快，控制MOSFET开关管的占空比更贴近当前的控制周期，通过触发器控制PWM发生器，最终控制MOSFET开关管，利用PWM和MOSFET的高可集成性特点，使控制器更加紧凑耐用。

优选的方案中，所述的总线为CAN总线；

所述的单稳态触发器采用555触发器。

优选的方案中，所述的控制器为单片机或者PLC，采用单片机的MCU控制芯片，方案更加容易实施，采用PLC控制，采样点更具有拓展性，可以适应大功率场合电池使用。

优选的方案中，上述N个锂离子电池形成的电池组内单体电池的增加或减少为偶数。

使用上述装置的锂电池组能量均衡方法，其特征在于，该方法包括：

组间SOC均衡控制方法：采集每组锂电池的输出电流I和输出电压V，计算每个锂电池组SOC的平均值，并以此为依据分配各相邻锂电池组间所并联均衡模块的工作状态，进而实现各锂电池组间的SOC趋于平衡，组间SOC均衡控制启动阈值在主控芯片中已预置，若相邻锂电池组间SOC的差值在预定阈值范围内，则此相邻电池组所并联的组间均衡模块将不启动；

组内各单体电池间SOC均衡控制方法：采集锂电池组内的各相邻单体电池间SOC差值，当此差值超过单体电池设定阈差值时，控制对应SOC值高的单体电池上方的MOSFET开关管接通，此单体电池向储能电感储能，控制MOSFET开关管断开时储能电感向SOC值低的电池充电，控制MOSFET的占空比和可以控制储能电感储能和向电池充电的周期，直到相邻的单体电池的SOC差值小于设定的阈值，控制MOSFET开关管完全断开。

本发明提供的一种锂电池组能量均衡装置及均衡方法，将锂电池组的均衡问题分为组内均衡和组间均衡两个层面，各相邻锂电池组、各相邻锂电池单体均并联有能量均衡基于Buck-Boost变换器的双向均衡模块； MCU主控芯片通过判断各酸铁锂电池荷电状态(State of Charge，SOC)差值是否在设定阈值范围内，决定是否启动各均衡模块，从而实现各单体电池间能量的均衡，基于本发明的锂电池组能量装置，具有硬件成本较低、控制简单、均衡效率高和速度快的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明锂离子电池组SOC均衡系统结构示意图；

图2为本发明锂离子电池组均衡模块结构示意图；

图3为实施例中相邻四节单体电池的均衡电路图；

图4为各均衡模块控制器电路拓扑结构图；

图5为电池组均衡流程图。

具体实施方式

如图1中所示，锂电池组能量均衡装置，它包括N个锂离子电池，与锂离子电池或电池组电连接的均衡模块和一个控制器，N个锂离子电池串联连接，均衡模块与锂离子电池或电池组并联，控制器采集锂离子电池的荷电状态（State of Charge,SOC），判断能量大小，通过均衡模块使单体电池或电池组之间的能量均衡，通过控制器采集锂离子电池单体之间和电池组之间的SOC差值，然后将差值与设定的阈值进行比较，决定是否启动均衡模块，来平衡单体电池之间和电池组之间的能量。

上述控制器采集锂离子电池的荷电状态方法可参考中国专利文献CN 106356927A中记载的采集方法。

如图1、2中所示，上述的均衡模块结构为：分为单体电池均衡模块和组间电池均衡模块，均包括两个MOSFET开关管和一个储能电感构成Buck-Boost型均衡电路，两个MOSFET开关管串联连接，储能电感的一端与两个MOSFET开关管的中间点电连接；

如图2、3中所示，单体电池均衡模块串联的两个MOSFET开关管两端并联在两个单体电池两端，储能电感的另一端与两个单体电池串联的中间点电连接，通过MOSFET开关管的开断控制可以控制储能电感储能或者向电池充电，从而达到相邻单体电池间的能量均衡；

如图2、3中所示，组间电池均衡模块串联的两个MOSFET开关管两端并联在串联的两个电池组两端，储能电感的另一端与两个电池组串联的中间点电连接，通过MOSFET开关管的开断控制可以控制储能电感储能或者向电池充电，从而达到相邻电池组间的能量均衡。

上述的电池组包含的单体电池数量不少于二，根据电池的特性和使用需求采用合理的电池组数量，可以采取三个电池一组、四个电池一组等形式。

如图4中所示，上述的控制器控制均衡模块的结构为：控制器通过总线控制单稳态触发器开关电路发出信号，进而控制PWM发生器发出MOSFET开关管控制信号，实现各锂离子电池能量均衡，通过总线控制，可以使响应速度更快，控制MOSFET开关管的占空比更贴近当前的控制周期，通过触发器控制PWM发生器，最终控制MOSFET开关管，利用PWM和MOSFET的高可集成性特点，使控制器更加紧凑耐用。

如图4中所示，优选的方案中，所述的总线为CAN总线；

所述的单稳态触发器采用555触发器。

优选的方案中，所述的控制器为单片机或者PLC，采用单片机的MCU控制芯片，方案更加容易实施，采用PLC控制，采样点更具有拓展性，可以适应大功率场合电池使用。

优选的方案中，上述N个锂离子电池形成的电池组内单体电池的增加或减少为偶数。

如图3、4、5中实施例所示，电池组的不一致性和离散程度需要选用量化指标进行衡量，本文选用SOC作为均衡变量，用单体电池SOC的平均值表示电池组荷电状态，用单体电池SOC的均方差来表示电池组的离散程度，用相邻电池间SOC的差值来表示电池组的不一致性。

如图3、5中所示，选取电池组中的四节单体电池分析相邻电池间的均衡过程。设四节单体电池的荷电状态SOC1>SOC2>SOC3>SOC4，均方差大于启动均衡阈值，相邻电池间的差值大于均衡阈值，均衡模块1、2、3同时开始均衡，工作过程分别如下：均衡模块1通过高频脉冲控制开关管M1-1的通断，将B1中的电量通过电感L1和二极管D1-2转移到B2中，直到两电池间的差值小于阈值，均衡模块1停止均衡工作，在均衡模块1的工作时间内，开关管M1-2一直处于关断状态；均衡模块2是与之差大于均衡阈值时，通过高频脉冲控制M2-1的通断，将B1和B2中的电量通过电感L2和二极管D2-2转移到B3和B4中，直到与之差小于均衡阈值时，均衡模块2停止均衡工作，在均衡模块2 的工作时间内，开关管M2-2一直处于关断状态；均衡模块3通过高频脉冲控制M3-1的通断，将B3中的电量通过电感L3和二极管D3-2转移到B4中，直到两电池间的差值小于阈值，均衡模块3停止均衡工作，在均衡模块3的工作时间内，开关管M3-2一直处于关断状态。在均衡模块的工作过程中为了避免电感的磁饱和现象，一般将均衡电路中的电感工作在断续（DCM）模式，在每个高频均衡周期内电感给低电量电池充完电后，确保电感电流下降为零。

控制器如图4由CAN接收器和NE555芯片构成，接收到MCU均衡信号后，通过控制电源开关K生成PWM信号，从而控制均衡模块。

Claims (8)

1.锂电池组能量均衡装置，其特征在于：它包括N个锂离子电池，与锂离子电池或电池组电连接的均衡模块和一个控制器，N个锂离子电池串联连接，均衡模块与锂离子电池或电池组并联，控制器采集锂离子电池的荷电状态（State of Charge,SOC），判断能量大小，通过均衡模块使单体电池或电池组之间的能量均衡。

2.根据权利要求1所述的锂电池组能量均衡装置，其特征在于，所述的均衡模块结构为：分为单体电池均衡模块和组间电池均衡模块，均包括两个MOSFET开关管和一个储能电感构成Buck-Boost型均衡电路，两个MOSFET开关管串联连接，储能电感的一端与两个MOSFET开关管的中间点电连接；

单体电池均衡模块串联的两个MOSFET开关管两端并联在两个单体电池两端，储能电感的另一端与两个单体电池串联的中间点电连接；

组间电池均衡模块串联的两个MOSFET开关管两端并联在串联的两个电池组两端，储能电感的另一端与两个电池组串联的中间点电连接。

3.根据权利要求2所述的锂电池组能量均衡装置，其特征是：所述的电池组包含的单体电池数量不少于二。

4.根据权利要求1所述的锂电池组能量均衡装置，其特征在于，所述的控制器控制均衡模块的结构为：控制器通过总线控制单稳态触发器开关电路发出信号，进而控制PWM发生器发出MOSFET开关管控制信号，实现各锂离子电池能量均衡。

5.根据权利要求4所述的锂电池组能量均衡装置，其特征是：所述的总线为CAN总线；

所述的单稳态触发器采用555触发器。

6.根据权利要求4所述的锂电池组能量均衡装置，其特征是：所述的控制器为单片机或者PLC。

7.根据权利要求1所述的锂电池组能量均衡装置，其特征是：所述N个锂离子电池形成的电池组内单体电池的增加或减少为偶数。

8.一种使用权利要求1所述装置的锂电池组能量均衡方法，其特征在于，该方法包括：

组间SOC均衡控制方法：采集每组锂电池的输出电流I和输出电压V，计算每个锂电池组SOC的平均值，并以此为依据分配各相邻锂电池组间所并联均衡模块的工作状态，进而实现各锂电池组间的SOC趋于平衡，组间SOC均衡控制启动阈值在主控芯片中已预置，若相邻锂电池组间SOC的差值在预定阈值范围内，则此相邻电池组所并联的组间均衡模块将不启动；

组内各单体电池间SOC均衡控制方法：采集锂电池组内的各相邻单体电池间SOC差值，当此差值超过单体电池设定阈差值时，控制对应SOC值高的单体电池上方的MOSFET开关管接通，此单体电池向储能电感储能，控制MOSFET开关管断开时储能电感向SOC值低的电池充电，控制MOSFET的占空比和可以控制储能电感储能和向电池充电的周期，直到相邻的单体电池的SOC差值小于设定的阈值，控制MOSFET开关管完全断开。

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