CN111490572B - 采用倍压开关储能元件的均衡装置、方法及电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种能量均衡装置、方法及电池管理系统，应用于电池单元组；电池单元组至少包括串联的第一电池单元和第二电池单元；第一电池单元的剩余电量高于第二电池单元的剩余电量；装置包括：控制器和均衡电路；均衡电路至少包括：第一储能元件和第二储能元件；控制器，用于均衡电路接通第一电池单元时，控制第一储能元件与第二储能元件并联，将第一电池单元提供的能量存储到均衡电路；提高能量从储能元件向第二电池单元的转移速率。还用于均衡电路接通第二电池单元时，控制第一储能元件与第二储能元件串联，将第一电池单元提供的能量从均衡电路传递给第二电池单元；提高能量从剩余电量较高的电池单元向储能元件的转移速率。

Description

采用倍压开关储能元件的均衡装置、方法及电池管理系统
技术领域
本申请涉及均衡电路技术领域，特别是涉及一种能量均衡装置、方法及电池管理系统。
背景技术
在电池单元组处于充电状态或放电状态时，由于电池单元组的电池单元之间的容量不同，会出现个别电池单元先充满或先用尽的情况，导致电池单元的寿命缩短的问题。
如图1所示，均衡电路包括依次串联的n-1个储能电容，2n个开关。均衡电路的主要作用在于，将电池单元组中剩余电量较大的电池单元的能量转移至均衡电路的储能电容中存储，然后再将储能电容中存储的能量转移给电池单元组中剩余电量较小的电池单元。从而避免出现个别电池单元先充满或先用尽的情况。如图2所示，均衡电路中的储能电容为n个，与图1的区别是在依次串联的n-1个储能电容两端并联一个储能电容。如图3所示，均衡电路包括一个储能电容，通过控制器主动将均衡电路与需要均衡的电池单元进行接通，进而对剩余电量不同的电池单元的能量进行均衡。
但是，上述三种均衡方式中，对剩余电量不同的电池单元的能量进行均衡时，均会存在均衡速度慢的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种能量均衡装置、方法及电池管理系统，提高了对电量不同的电池单元的能量进行均衡时的均衡速度。
本申请实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本申请提供了一种能量均衡装置，应用于电池单元组；所述电池单元组至少包括串联的第一电池单元和第二电池单元；所述第一电池单元的剩余电量高于所述第二电池单元的剩余电量；所述装置包括：控制器和均衡电路；
所述均衡电路至少包括：第一储能元件和第二储能元件；
所述控制器，用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联，将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路；还用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联，将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递给所述第二电池单元。
作为一种可能的实施方式，所述均衡电路包括选通电路；
所述选通电路的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述选通电路的第二端连接所述第一储能元件的第二端，所述选通电路的第三端连接所述第二储能元件的第一端，所述选通电路的第四端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制器，具体用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通；具体用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通。
作为一种可能的实施方式，所述选通电路包括：第一开关管、第二开关管和第三开关管；
所述第一开关管的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述第一开关管的第二端连接所述第二储能元件的第一端；
所述第二开关管的第一端连接所述第一开关管的第二端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端；
所述第三开关管的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第三开关管的第二端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制器，具体用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一开关管与所述第三开关管导通，控制所述第二开关管截止；具体用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一开关管与所述第三开关管截止，控制所述第二开关管导通。
作为一种可能的实施方式，所述选通电路包括：第一继电器和第二继电器；
所述第一继电器的静触点连接所述第二储能元件的第一端，所述第一继电器的第一动触点连接所述第一储能元件的第一端，所述第一继电器的第二动触点连接所述第一储能元件的第二端；
所述第二继电器的开关的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第二继电器的开关的第二端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制器，具体用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述静触点与所述第一动触点导通且控制所述第二继电器的开关闭合；具体用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述静触点与所述第二动触点导通且控制所述第二继电器的开关断开。
作为一种可能的实施方式，所述控制器，还用于通过控制所述均衡电路的均衡电压，调整均衡速率；所述均衡速率包括将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路的第一速率和/或将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递到所述第二电池单元的第二速率。
作为一种可能的实施方式，当所述均衡速率为所述第一速率时，所述控制器，具体用于控制所述均衡电路与所述第一电池单元的第一接通时间，所述均衡电压与所述第一接通时间正相关。
作为一种可能的实施方式，当所述均衡速率为所述第二速率时，所述控制器，具体用于控制所述均衡电路与所述第二电池单元的第二接通时间，所述均衡电压与所述第二接通时间负相关。
作为一种可能的实施方式，所述储能元件包括：电容或可充电电池。
第二方面，本申请提供了一种能量均衡方法，应用于电池单元组；所述电池单元组至少包括串联的第一电池单元和第二电池单元；所述第一电池单元的剩余电量高于所述第二电池单元的剩余电量；所述电池单元组与均衡电路连接；所述均衡电路至少包括：第一储能元件和第二储能元件；所述方法包括：
当所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联，将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路；
当所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联，将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递给所述第二电池单元。
作为一种可能的实施方式，所述均衡电路包括选通电路；所述选通电路的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述选通电路的第二端连接所述第一储能元件的第二端，所述选通电路的第三端连接所述第二储能元件的第一端，所述选通电路的第四端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联包括：
控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通；
所述控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联包括：控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通。
作为一种可能的实施方式，所述选通电路包括：第一开关管、第二开关管和第三开关管；所述第一开关管的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述第一开关管的第二端连接所述第二储能元件的第一端；所述第二开关管的第一端连接所述第一开关管的第二端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端；所述第三开关管的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第三开关管的第二端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通包括：
控制所述第一开关管与所述第三开关管导通，控制所述第二开关管截止；
所述控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通包括：
控制所述第一开关管与所述第三开关管截止，控制所述第二开关管导通。
作为一种可能的实施方式，所述选通电路包括：第一继电器和第二继电器；所述第一继电器的静触点连接所述第二储能元件的第一端，所述第一继电器的第一动触点连接所述第一储能元件的第一端，所述第一继电器的第二动触点连接所述第一储能元件的第二端；所述第二继电器的开关的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第二继电器的开关的第二端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通包括：
控制所述静触点与所述第一动触点导通且控制所述第二继电器的开关闭合；
所述控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通包括：
控制所述静触点与所述第二动触点导通且控制所述第二继电器的开关断开。
作为一种可能的实施方式，所述方法还包括：
通过控制所述均衡电路的均衡电压，调整均衡速率；所述均衡速率包括将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路的第一速率和/或将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递到所述第二电池单元的第二速率。
作为一种可能的实施方式，当所述均衡速率为所述第一速率时，所述通过控制所述均衡电路的均衡电压，调整均衡速率包括：
控制所述均衡电路与所述第一电池单元的第一接通时间，以调整所述均衡速率；所述均衡电压与所述第一接通时间正相关。
作为一种可能的实施方式，当所述均衡速率为所述第二速率时，控制所述均衡电路与所述第二电池单元的第二接通时间，以调整所述均衡速率；所述均衡电压与所述第二接通时间负相关
作为一种可能的实施方式，所述储能元件包括：电容或可充电电池。
第三方法，本申请提高了一种电池管理系统，其特征在于，包括上述第一方面中任一种可能的实施方式所述能量均衡装置。
由上述技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本发明提供的一种能量均衡装置，应用于电池单元组；所述电池单元组至少包括依次串联的第一电池单元和第二电池单元；所述第一电池单元的剩余电量高于所述第二电池单元的剩余电量；所述装置包括：控制器和均衡电路；所述均衡电路至少包括第一储能元件和第二储能元件；所述控制器，用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联，将所述第一电池单元的提供的能量存储到所述均衡电路；还用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联，将第一电池单元的提供的能量从所述均衡电路传递给所述第二电池单元。
所述均衡电路从所述第一电池单元获电时，控制器控制每个储能元件并联，则每个储能元件两端的电压均为所述第一电池单元的电压；所述均衡电路向所述第二电池单元送电时，控制器控制每个储能元件依次串联，则串联后储能元件的电压为储能元件的个数乘以所述第一电池单元的电压。由此，串联后储能元件会与所述第二电池单元形成较大的电压差，从而提高能量从储能元件向所述第二电池单元的转移速率。进入下一个均衡周期后，控制每个储能元件从串联切换为并联，并联后储能元件的电压为所述第二电池电压除以储能元件个数。由此，并联后储能元件会与下一个剩余电量较高的电池单元形成差大的电压差，从而提高能量从下一个剩余电量较高的电池单元向储能元件的转移速率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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他的附图。
图1为本申请提供的一种均衡电路的示意图；
图2为本申请提供的另一种均衡电路的示意图；
图3为本申请提供的又一种均衡电路的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种能量均衡装置的示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种能量均衡装置的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种均衡电路的示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种均衡电路的示意图；
图8为本申请实施例提供的又一种均衡电路的示意图；
图9为本申请实施例提供的一种充放电曲线的示意图；
图10为本申请实施例提供的另一种充放电曲线的示意图；
图11为本申请实施例提供的一种均衡电路取电时的示意图；
图12为本申请实施例提供的一种均衡电路送电时的示意图；
图13为本申请实施例提供的再一种均衡电路的示意图；
图14为本申请实施例提供的一种能量均衡方法的流程图。
具体实施方式
在现有技术中，由图1、图2和图3中的均衡电路的拓扑结构可以看出，均衡电路接通电池单元组，从剩余电量较高的电池单元获取能量时，电容两端的电压逐渐上升到剩余电量较高的电池的电压。将能量从均衡电路传递给剩余电量较低的电池单元时，电容两端的电压逐渐下降到剩余电量较低的电池单元两端的电压。影响均衡电路对能量的转换速率的电压差为剩余电量较高的电池单元与剩余电量较低的电池单元之间的电压差，由于该电压差很小。而电池单元组的内阻取决于电池的种类，均衡电路的内阻取决于电容个数，通过以下公式可以得知均衡电路的内阻一定时，均衡电路两端的电压越大，则通过均衡电路的电流越大。
U＝I×R
其中，U为衡电路两端的电压，I为通过均衡电路的电流，R为均衡电路的内阻。
通过以下公式可以得知，通过均衡电路的电流越大时，在相同的时间间隔内，均衡电路转移的电荷量越大。
Q＝I×T
其中，Q为均衡电路转移的电荷量，I为通过均衡电路的电流，T为时间间隔。
也就是说，影响均衡电路对能量的转换速率的电压差为剩余电量较高的电池单元与剩余电量较低的电池单元之间的电压差，由于该电压差很小，由此导致均衡电路对能量的转换速率低。
通常选用外加直流-直流DC-DC电路来克服电压差很小的问题，但是额外增加DC-DC电路会增加均衡电路的复杂性和生产成本。
而本申请无需借助额外的DC-DC电路，可以提高均衡电路对能量的转换速率。
为了解决上述问题，本申请提供了一种能量均衡装置、方法及电池管理系统。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请实施例提供的能量均衡装置、方法及电池管理系统不仅仅可以应用于电池组，还可以应用于其他可以存储电荷和释放电荷的介质，例如：超级电容。本申请中，对此并不限定。
下面以应用于电池组为例，进行详细介绍，当电池组处于充电状态、放电状态或空载状态时，以下实施例中所介绍的能量均衡装置、方法及电池管理系统均可适应。
装置实施例一：
本申请实施例一提供了一种能量均衡装置，下面结合附图具体说明。
参见图4，该图为本申请实施例提供的一种能量均衡装置的示意图。
该能量均衡装置，应用于电池单元组300；所述装置包括：控制器100和均衡电路200。
参见图5，该图为本申请实施例提供的又一种能量均衡装置的示意图。
下面以电池单元组300中有两个串联的电池单元为例进行详细介绍。
所述电池单元组300至少包括串联的第一电池单元301和第二电池单元302；所述第一电池单元301的电量高于所述第二电池单元302的电量。
下面以均衡电路200中包括两个储能元件为例进行详细介绍。
所述均衡电路200至少包括：第一储能元件201和第二储能元件202。
所述控制器100，用于所述均衡电路200接通所述第一电池单元301时，控制所述第一储能元件201与所述第二储能元件202并联，将所述第一电池单元301提供的能量存储到所述均衡电路200；还用于所述均衡电路200接通所述第二电池单元302时，控制所述第一储能元件201与所述第二储能元件202串联，将所述第一电池单元301提供的能量从所述均衡电路200传递给所述第二电池单元302。
在均衡电路从电池单元组取电或送电时，所述控制器100可以控制储能元件的连接方式，由此来改变取电或送电时，电池单元组和储能元件之间的电压差，从而提高均衡电路的能量均衡效率。
下面详细介绍本申请实施例一中能量均衡装置的工作原理。
在每一个取电和送电的周期开始之前，需要通过电压采集电路获取电池单元组中电池单元的电压，由此来判断各个电池单元的剩余电量(SOC，State of charge)。电池单元的SOC是指电池内的可用电量占标称容量的比例。也可以通过其他方法获取各个电池单元的SOC，此处并不限定。下面以获取的电池单元的SOC的结果为：所述第一电池单元301的SOC高于所述第二电池单元302的SOC为例进行详细介绍。
第一个周期开始时，所述控制器100控制均衡电路200从所述第一电池单元301取电时，所述控制器100控制所述均衡电路200中的第一储能元件201与第二储能元件202并联。均衡电路200取电后，则第一储能元件201与第二储能元件202的电压均为第一电池单元301的电压。所述控制器100控制均衡电路200向所述第二电池单元302送电时，所述控制器100控制所述均衡电路200中的第一储能元件201与第二储能元件202串联。则第一储能元件201与第二储能元件202串联后的电压为第一储能元件201的电压加上第二储能元件202的电压。也就是说，第一储能元件201与第二储能元件202串联后的电压为第一电池单元301电压的二倍，由此，均衡电路200与第二电池单元302之间的电压差为两倍的第一电池单元301的电压减去第二电池单元302的电压，而不是一倍的第一电池单元301的电压减去第二电池单元302的电压。从而提高了均衡电路200向第二电池单元的送电效率。
均衡电路200送电后，则第一储能元件201与第二储能元件202串联后的电压为第二电池单元302的电压。
进入第二个周期后，的所述控制器100控制均衡电路200从所述第一电池单元301取电，所述控制器100将第一储能元件201与第二储能元件202串联状态切换为并联状态。则第一储能元件201的电压变为串联后的电压的二分之一，第二储能元件202的电压也变为串联后的电压的二分之一。也就是说，第一储能元件201与第二储能元件202串联状态切换为并联状态后，每个储能元件的电压均为串联后电压的二分之一，由此，均衡电路200与第一电池单元301之间的电压差为第一电池单元301的电压减去二分之一倍的第二电池单元302的电压，而不是第一电池单元301的电压减去一倍的第二电池单元302的电压。从而提高了均衡电路200从第一电池单元的取电效率。后续送电过程与上述第一个周期中相类似，此处不再赘述。
在一些实施例中，为了进一步提高转换效率，降低能量损耗。在取电过程中，可以不必等到均衡电路200的均衡电压与第一电池单元301的电压一致后，才向第二电池单元302送电。
下面以储能元件为电容时为例进行介绍。
例如，锂离子可充电电池的标称电压为3.7V，当电容为法拉电容(耐压为2.7V)时。根据法拉电容的特性，可以将法拉电容的电压钳制在2.7V以下，而不是在均衡电路200取电过程中，将法拉电容的电压升到3.7V。
由此，均衡电路200取电过程中，当法拉电容的电压升到2.7V时，控制器100将两个法拉电容从并联状态切换为串联状态，从而串联后的电压为5.4V。而均衡电路200送电后，串联后的电压会降到3.7V左右，控制器100将两个法拉电容从串联状态切换为并联状态后，每个法拉电容的电压为1.85V。因此，可控制法拉电容的电压在1.85V-2.7V之间变换，从而进一步提高转换效率，降低能量损耗。
此外，储能元件还可以为可充电电池，例如：镍氢电池；也可以为电池单元组中的电池单元。
与现有技术相比，所述均衡电路从所述第一电池单元获电时，控制器控制每个储能元件并联，则每个储能元件两端的电压均为所述第一电池单元的电压；所述均衡电路向所述第二电池单元送电时，控制器控制每个储能元件依次串联，则串联后储能元件的电压为储能元件的个数乘以所述第一电池单元的电压。由此，串联后储能元件会与所述第二电池单元形成较大的电压差，从而提高能量从储能元件向所述第二电池单元的转移速率。进入下一个均衡周期后，控制每个储能元件从串联切换为并联，并联后储能元件的电压为所述第二电池电压除以储能元件个数。由此，并联后储能元件会与下一个剩余电量较高的电池单元形成差大的电压差，从而提高能量从下一个剩余电量较高的电池单元向储能元件的转移速率。此外，无需额外增加DC-DC电路，进一步降低均衡电路的复杂性，从上述装置实施例一可知，仅需要两个储能元件即可实现能量均衡，该能量均衡装置的元器件少，电能损耗少，电路结构简单，成本低。
装置实施例二：
结合本申请的实施例一，在本申请实施例二中详细介绍控制器100如何控制第一储能元件与第二储能元件之间的连接状态的切换过程。
参见图6，该图为本申请实施例提供的一种均衡电路的示意图。
所述均衡电路200包括选通电路210。
所述选通电路210的第一端连接所述第一储能元件201的第一端，所述选通电路210的第二端连接所述第一储能元件201的第二端，所述选通电路210的第三端连接所述第二储能元件202的第一端，所述选通电路210的第四端连接所述第二储能元件202的第二端。
所述控制器100，具体用于所述均衡电路200接通所述第一电池单元310时，控制所述选通电路210的第一端与所述选通电路210的第三端导通且控制所述选通电路210的第二端与所述选通电路210的第四端导通；具体用于所述均衡电路200接通所述第二电池单元302时，控制所述选通电路210的第二端与所述选通电路210的第三端导通。
参见图7，该图为本申请实施例提供的另一种均衡电路的示意图。
在一些可能的实施方式中，所述选通电路210包括：第一开关管K1、第二开关管K2和第三开关管K3。
所述第一开关管K2的第一端连接所述第一储能元件C1的第一端，所述第一开关管K1的第二端连接所述第二储能元件C2的第一端。
所述第二开关管K2的第一端连接所述第一开关管K1的第二端，所述第二开关管K2的第二端连接所述第三开关管K3的第一端。
所述第三开关管K3的第一端连接所述第一储能元件C1的第二端，所述第三开关管K3的第二端连接所述第二储能元件C2的第二端。
所述控制器100，具体用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一开关管K1与所述第三开关管K3导通，控制所述第二开关管K2截止；具体用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一开关管K1与所述第三开关管K3截止，控制所述第二开关管K2导通。
具体的，控制器可以向Ichrg端口输出高低电平来控制第一储能元件C1和第二储能元件C2的连接状态。当控制器向Ichrg端口输出高电平时，将控制第一储能元件C1和第二储能元件C2并联；当控制器向Ichrg端口输出低电平时，将控制第一储能元件C1和第二储能元件C2串联。
其中，第一开关管K1与所述第二开关管K2均为PMOS管，第三开关管K3为NMOS管。本领域技术人员可以根据实际需要，选择其他的开关管进行替换，从而实现相同或相似的控制逻辑，本申请并不限定于此。
在一些可能的实施方式中，所述选通电路210包括：第一继电器J1和第二继电器J2。
所述第一继电器J1的静触点连接所述第二储能元件C2的第一端，所述第一继电器J1的第一动触点连接所述第一储能元件C1的第一端，所述第一继电器J1的第二动触点连接所述第一储能元件C1的第二端。
所述第二继电器J2的开关的第一端连接所述第一储能元件C1的第二端，所述第二继电器J2的开关的第二端连接所述第二储能元件C2的第二端。
所述控制器100，具体用于所述均衡电路200接通所述第一电池单元301时，控制所述静触点与所述第一动触点导通且控制所述第二继电器J2的开关闭合；具体用于所述均衡电路200接通所述第二电池单元302时，控制所述静触点与所述第二动触点导通且控制所述第二继电器J2的开关断开。
上述仅仅是两种选通电路的实现方式，本申请的选通电路并不限定于此，上述开关管或继电器均可由其他类型的可控开关替代，例如：可控硅。本领域技术人员可以根据实际情况，选择需要的可控开关，从而实现选通电路的功能。
以上所述，仅仅是本申请中给出的示例性的实施例，本领域技术人员也可以通过其他方式，控制第一储能元件C1与第二储能元件C2，从而实现第一储能元件C1与第二储能元件C2在串联和并联的状态之间进行切换。
在一些实施例中，所述控制器100，还用于通过控制所述均衡电路200的均衡电压，调整均衡速率；所述均衡速率包括将所述第一电池单元301提供的能量存储到所述均衡电路200的第一速率和/或将所述第一电池单元301提供的能量从所述均衡电路200传递到所述第二电池单元302的第二速率。
下面分两种情况进行介绍控制器100如何通过均衡电压，调整均衡速率。
第一种为取电过程，则此时的均衡速率为所述第一电池单元301提供的能量存储到所述均衡电路200的第一速率。由于均衡电路200的内阻不变情况下，例如，第一储能元件C1与第二储能元件C2并联时，第一储能元件与第二储能元件形成的阻抗是不变的。故，均衡电路200中的电流由均衡电压决定，而均衡电压与所述均衡电路200与所述第一电池单元301的第一接通时间正相关。也就是说，可以通过改变第一接通时间，控制均衡电压的大小，从而控制均衡电路200与电池单元组300之间的电压差，进而改变能量均衡速率。
考虑到，当均衡电压趋近于第一电池单元301的电压时，均衡电压的大小受第一接通时间的影响相对较小。由此，可以选择预定的第一接通时间，在保证能量均衡速率较高的前提下，进一步的提高能量均衡效率，减少能量浪费。
第二种为送电过程，则此时的均衡速率为所述第一电池单元301提供的能量从所述均衡电路200传递到所述第二电池单元302的第二速率。由于均衡电路200的内阻不变情况下，例如，第一储能元件C1与第二储能元件C2串联时，第一储能元件与第二储能元件形成的阻抗是不变的。故，均衡电路200中的电流由均衡电压决定，而均衡电压与所述均衡电路200与所述第二电池单元302的第二接通时间负相关。也就是说，可以通过改变第二接通时间，控制均衡电压的大小，从而控制均衡电路200与电池单元组300之间的电压差，进而改变能量均衡速率。
考虑到，当均衡电压趋近于第二电池单元302的电压时，均衡电压的大小受第二接通时间的影响相对较小。由此，可以选择预定的第二接通时间，在保证能量均衡速率较高的前提下，进一步的提高能量均衡效率，减少能量浪费。
其中，对所述第一接通时间和/或第二接通时间的选取可以依据均衡电路200中储能元件的个数进行选择，或根据实际需要进行选择。
此外，在一些实施例中，该能量均衡装置中还包括限流器，所述限流器与所述均衡电路串联。
所述控制器，还用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，通过所述限流器调整所述第一电池单元的提供的能量存储到所述均衡电路的第一速率；还用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，通过所述限流器调整所述第一电池单元的提供的能量从所述均衡电路传递给所述第二电池单元的第二速率。
由公式Q＝I×T可知，通过增加限流器，可以限制均衡电路中的导通电流，从而限制单位时间内转移的电荷量。具体的，限流器可以为限流电阻，该限流电阻还可以与储能元件串联，限制储能元件中通过的电流大小，从而限制单位时间内转移的电荷量。
参见图9，该图为本申请实施例提供的一种充放电曲线的示意图。
该图是以两个储能元件为例进行实验获得，其中，曲线A为送电过程中，串联后的储能元件的电压变化曲线；曲线D为取电过程中，并联后的储能元件的电压变化曲线；曲线B为送电过程中，串联后的储能元件累计送电电荷量的变化曲线；曲线C为取电过程中，并联后的储能元件累计取电电荷量的变化曲线；直线F为电池单元组的电压曲线。
参见图10，该图为本申请实施例提供的另一种充放电曲线的示意图。
该图是以三个储能元件为例进行实验获得，其中，曲线G为送电过程中，串联后的储能元件的电压变化曲线；曲线K为取电过程中，并联后的储能元件的电压变化曲线；曲线H为送电过程中，串联后的储能元件累计送电电荷量的变化曲线；曲线I为取电过程中，并联后的储能元件累计取电电荷量的变化曲线；直线J为电池单元组的电压曲线。
对比图9和图10可知，随着储能元件个数的增多，均衡电路累计转移的电荷量在越短的时间内达到累计转移电荷量的峰值；并且均衡电路累计转移的电荷量随储能元件个数的增多将会倍数的增多。也就是说，均衡电路在取电过程中的取电速率与储能元件的个数正相关；均衡电路在送电过程中的送电速率与储能元件的个数正相关；由此，还可以通过控制均衡电路中的储能元件的个数，控制均衡电路的均衡速率。
多储能元件的优点在于：串联后的储能元件与电池单元之间的电压差增高，可以在相同的时间内向电池单元转移更多的电荷，进而提高均衡电路的转换效率；串联后的储能元件由串联状态切换为并联状态后，并联后储能元件与电池单元的电压差也会增大，储能元件存储的电荷排空越彻底。因而电容量使用效率高。因此，本领域技术人员可以根据实际需要，选择相应的储能元件的个数。
需要说明的是，储能元件本身存在一定的内阻，当均衡电路的回路中电流越大时，在储能元件上的能量损耗也就越大，因此，可以适当调整储能元件的个数，提高能量转换的效率。
以上实施例一和实施例二中是以储能元件个数为两个时的电路拓扑图为例进行介绍的，下面以储能元件为多个时，进行介绍本申请实施例的电路拓扑图。
参见图11，该图为本申请实施例提供的一种均衡电路取电时的示意图。
该均衡电路包括m-1个单刀双掷开关(D1-Dm-1)、m-1个单向开关(S1-Sm-1)和m个储能元件。如图中所示，电池单元B1的能量较高，因此，控制器控制均衡电路接通电池单元B1并且控制均衡电路的单刀双掷开关和单向开关动作使储能元件处于并联状态，以将电池单元B1提供的电量存储到均衡电路的储能元件中。
参见图12，该图为本申请实施例提供的一种均衡电路送电时的示意图。
结合图11，如图中所示，电池单元B5的能量较低，因此，控制器控制均衡电路接通电池单元B5并且控制均衡电路的单刀双掷开关和单向开关动作使储能元件处于串联状态，以将电池单元B1提供的电量转移到电池单元B5中。
此外，在获取电池单元的SOC时，可以通过外置测压电路获取，还可以在图11和图12的基础上增加开关K0和电容C0，进而获取电池单元的SOC。
参见图13，该图为本申请实施例提供的再一种均衡电路的示意图。
在均衡电路的回路中增加开关K0，在电池单元组两端并联电容C0，电容C0可以用于滤波，使得电容C0的电压值更为稳定。每个电池单元的电压可以通过采用电容C0的电压，并通过发送给控制器，通过模数转换模块获取电容C0的电压数值，进而用该数值表征电池单元的SOC。
对于均衡电路中有多个储能元件时，介绍的相对简单，相同或相似的部分可以参见均衡电路中有两个储能元件时的实施例，此处不再赘述。
方法实施例：
本申请方法实施例提高了一种能量均衡的方法，应用于电池单元组；所述电池单元组至少包括串联的第一电池单元和第二电池单元；所述第一电池单元的剩余电量高于所述第二电池单元的剩余电量；所述电池单元组与均衡电路连接；所述均衡电路至少包括：第一储能元件和第二储能元件。
参见图14，该图为本申请实施例提供的一种能量均衡方法的流程图。
该能量均衡的方法包括以下步骤：
步骤101：当所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联，将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路。
步骤102：当所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联，将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递给所述第二电池单元。
需要说明的是，上述步骤101和步骤102在执行时，并无先后顺序之分，若在一个周期内先执行步骤101后执行步骤102，则在后续的每个周期均按照该顺序执行；若在一个周期内先执行步骤102后执行步骤101，则在后续的每个周期均按照该顺序执行。
作为一种可能的实施方式，所述均衡电路包括选通电路；所述选通电路的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述选通电路的第二端连接所述第一储能元件的第二端，所述选通电路的第三端连接所述第二储能元件的第一端，所述选通电路的第四端连接所述第二储能元件的第二端；所述控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联包括：控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通；所述控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联包括：控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通。
下面将分为两种情况对选通电路进行详细介绍。
第一种：
所述选通电路包括：第一开关管、第二开关管和第三开关管。
所述第一开关管的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述第一开关管的第二端连接所述第二储能元件的第一端；所述第二开关管的第一端连接所述第一开关管的第二端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端；所述第三开关管的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第三开关管的第二端连接所述第二储能元件的第二端。
所述控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通包括：控制所述第一开关管与所述第三开关管导通，控制所述第二开关管截止。
所述控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通包括：控制所述第一开关管与所述第三开关管截止，控制所述第二开关管导通。
第二种：所述选通电路包括：第一继电器和第二继电器。
所述第一继电器的静触点连接所述第二储能元件的第一端，所述第一继电器的第一动触点连接所述第一储能元件的第一端，所述第一继电器的第二动触点连接所述第一储能元件的第二端；所述第二继电器的开关的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第二继电器的开关的第二端连接所述第二储能元件的第二端。
所述控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通包括：控制所述静触点与所述第一动触点导通且控制所述第二继电器的开关闭合。
所述控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通包括：控制所述静触点与所述第二动触点导通且控制所述第二继电器的开关断开。
在一些实施例中，所述方法还包括：通过控制所述均衡电路的均衡电压，调整均衡速率；所述均衡速率包括将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路的第一速率和/或将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递到所述第二电池单元的第二速率。
当所述均衡速率为所述第一速率时，所述通过控制所述均衡电路的均衡电压，调整均衡速率包括：控制所述均衡电路与所述第一电池单元的第一接通时间，以调整所述均衡速率；所述均衡电压与所述第一接通时间正相关。
当所述均衡速率为所述第二速率时，控制所述均衡电路与所述第二电池单元的第二接通时间，以调整所述均衡速率；所述均衡电压与所述第二接通时间负相关。
需要说明的是，所述储能元件包括：电容或可充电电池。
与现有技术相比，所述均衡电路从所述第一电池单元获电时，控制每个储能元件并联，则每个储能元件两端的电压均为所述第一电池单元的电压；所述均衡电路向所述第二电池单元送电时，控制每个储能元件依次串联，则串联后储能元件的电压为储能元件的个数乘以所述第一电池单元的电压。由此，串联后储能元件会与所述第二电池单元形成较大的电压差，从而提高能量从储能元件向所述第二电池单元的转移速率。进入下一个均衡周期后，控制每个储能元件从串联切换为并联，并联后储能元件的电压为所述第二电池电压除以储能元件个数。由此，并联后储能元件会与下一个剩余电量较高的电池单元形成差大的电压差，从而提高能量从下一个剩余电量较高的电池单元向储能元件的转移速率。此外，无需额外增加DC-DC电路，进一步降低均衡电路的复杂性，需要两个储能元件即可实现能量均衡，该能量均衡方法使用的元器件少，电能损耗少，电路结构简单，成本低。
系统实施例：
本申请系统实施例提供了一种电池管理系统，包括本申请装置实施例一或二中所述的装置。
与现有技术相比，本申请提供的电池管理系统包括能量均衡装置，所述均衡电路从所述第一电池单元获电时，控制器控制每个储能元件并联，则每个储能元件两端的电压均为所述第一电池单元的电压；所述均衡电路向所述第二电池单元送电时，控制器控制每个储能元件依次串联，则串联后储能元件的电压为储能元件的个数乘以所述第一电池单元的电压。由此，串联后储能元件会与所述第二电池单元形成较大的电压差，从而提高能量从储能元件向所述第二电池单元的转移速率。进入下一个均衡周期后，控制每个储能元件从串联切换为并联，并联后储能元件的电压为所述第二电池电压除以储能元件个数。由此，并联后储能元件会与下一个剩余电量较高的电池单元形成差大的电压差，从而提高能量从下一个剩余电量较高的电池单元向储能元件的转移速率。此外，无需额外增加DC-DC电路，进一步降低均衡电路的复杂性，从上述装置实施例一可知，仅需要两个储能元件即可实现能量均衡，该能量均衡装置的元器件少，电能损耗少，电路结构简单，成本低。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法或装置实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统或装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (17)

1.一种能量均衡装置，其特征在于，应用于电池单元组；所述电池单元组至少包括串联的第一电池单元和第二电池单元；所述第一电池单元的剩余电量高于所述第二电池单元的剩余电量；所述装置包括：控制器和均衡电路；
所述均衡电路至少包括：第一储能元件和第二储能元件；
所述控制器，用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联，将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路；还用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联，将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递给所述第二电池单元。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述均衡电路包括选通电路；
所述选通电路的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述选通电路的第二端连接所述第一储能元件的第二端，所述选通电路的第三端连接所述第二储能元件的第一端，所述选通电路的第四端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制器，具体用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通；具体用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述选通电路包括：第一开关管、第二开关管和第三开关管；
所述第一开关管的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述第一开关管的第二端连接所述第二储能元件的第一端；
所述第二开关管的第一端连接所述第一开关管的第二端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端；
所述第三开关管的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第三开关管的第二端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制器，具体用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一开关管与所述第三开关管导通，控制所述第二开关管截止；具体用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一开关管与所述第三开关管截止，控制所述第二开关管导通。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述选通电路包括：第一继电器和第二继电器；
所述第一继电器的静触点连接所述第二储能元件的第一端，所述第一继电器的第一动触点连接所述第一储能元件的第一端，所述第一继电器的第二动触点连接所述第一储能元件的第二端；
所述第二继电器的开关的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第二继电器的开关的第二端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制器，具体用于所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述静触点与所述第一动触点导通且控制所述第二继电器的开关闭合；具体用于所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述静触点与所述第二动触点导通且控制所述第二继电器的开关断开。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器，还用于通过控制所述均衡电路的均衡电压，调整均衡速率；所述均衡速率包括将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路的第一速率和/或将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递到所述第二电池单元的第二速率。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，当所述均衡速率为所述第一速率时，所述控制器，具体用于控制所述均衡电路与所述第一电池单元的第一接通时间，所述均衡电压与所述第一接通时间正相关。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，当所述均衡速率为所述第二速率时，所述控制器，具体用于控制所述均衡电路与所述第二电池单元的第二接通时间，所述均衡电压与所述第二接通时间负相关。
8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述储能元件包括：电容或可充电电池。
9.一种能量均衡的方法，其特征在于，应用于电池单元组；所述电池单元组至少包括串联的第一电池单元和第二电池单元；所述第一电池单元的剩余电量高于所述第二电池单元的剩余电量；所述电池单元组与均衡电路连接；所述均衡电路至少包括：第一储能元件和第二储能元件；所述方法包括：
当所述均衡电路接通所述第一电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联，将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路；
当所述均衡电路接通所述第二电池单元时，控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联，将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递给所述第二电池单元。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述均衡电路包括选通电路；所述选通电路的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述选通电路的第二端连接所述第一储能元件的第二端，所述选通电路的第三端连接所述第二储能元件的第一端，所述选通电路的第四端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制所述第一储能元件与所述第二储能元件并联包括：
控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通；
所述控制所述第一储能元件与所述第二储能元件串联包括：控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述选通电路包括：第一开关管、第二开关管和第三开关管；所述第一开关管的第一端连接所述第一储能元件的第一端，所述第一开关管的第二端连接所述第二储能元件的第一端；所述第二开关管的第一端连接所述第一开关管的第二端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端；所述第三开关管的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第三开关管的第二端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通包括：
控制所述第一开关管与所述第三开关管导通，控制所述第二开关管截止；
所述控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通包括：
控制所述第一开关管与所述第三开关管截止，控制所述第二开关管导通。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述选通电路包括：第一继电器和第二继电器；所述第一继电器的静触点连接所述第二储能元件的第一端，所述第一继电器的第一动触点连接所述第一储能元件的第一端，所述第一继电器的第二动触点连接所述第一储能元件的第二端；所述第二继电器的开关的第一端连接所述第一储能元件的第二端，所述第二继电器的开关的第二端连接所述第二储能元件的第二端；
所述控制所述选通电路的第一端与所述选通电路的第三端导通且控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第四端导通包括：
控制所述静触点与所述第一动触点导通且控制所述第二继电器的开关闭合；
所述控制所述选通电路的第二端与所述选通电路的第三端导通包括：
控制所述静触点与所述第二动触点导通且控制所述第二继电器的开关断开。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过控制所述均衡电路的均衡电压，调整均衡速率；所述均衡速率包括将所述第一电池单元提供的能量存储到所述均衡电路的第一速率和/或将所述第一电池单元提供的能量从所述均衡电路传递到所述第二电池单元的第二速率。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当所述均衡速率为所述第一速率时，所述通过控制所述均衡电路的均衡电压，调整均衡速率包括：
控制所述均衡电路与所述第一电池单元的第一接通时间，以调整所述均衡速率；所述均衡电压与所述第一接通时间正相关。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当所述均衡速率为所述第二速率时，控制所述均衡电路与所述第二电池单元的第二接通时间，以调整所述均衡速率；所述均衡电压与所述第二接通时间负相关。
16.根据权利要求9-15任一项所述的方法，其特征在于，所述储能元件包括：电容或可充电电池。
17.一种电池管理系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项中所述的装置。
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