CN112331951B - 一种电池组被动均衡下的温度控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池组被动均衡下的温度控制系统和方法。所述系统包括控制器、温度检测模块、电压检测模块和被动均衡电路；每个电池连接一个温度检测模块和一个电压检测模块，电压检测模块连接在对应电池的电压输出端；控制器连接各个温度检测模块和电压检测模块的输出端，用于判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态；被动均衡电路用于在不均衡时，以各个电池中的最低输出电压为基准，将多余的电量用于散热或加热。本发明将传统的被动均衡技术会产生热量的这一缺点加以利用，被均衡的电池电压的多余电压将通过PTC释放给温度低的电池单体，或者通过给散热扇供电给电池组降温，使得电池组的电压和温度都得到了均衡。

Description

一种电池组被动均衡下的温度控制系统和方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体的说是一种电池组被动均衡下的温度控制系统和方法。
背景技术
基于BMS(电池管理系统)的技术不断发展，市面上的基于BMS的均衡技术也在飞速发展，形成了主动均衡和被动均衡技术。
被动均衡技术成熟，市场上应用广，实现起来电路简单，价格低；但其缺点在于：以最低电池残余量为基准进行均衡，无法增加残量少的电池的容量，将多余电量传给电阻，从而将这多余的电量完全白白释放掉。
主动均衡技术是以电量转移的方式进行均衡，效率高，损失小。不同厂家的方法不同，均衡电流也从1～10A不等。但其缺点在于：目前市场上出现的很多主动均衡技术不成熟，导致电池过放，加速电池衰减的情况时有发生。市场上的主动均衡大多采用变压原理，依托于芯片厂家昂贵的芯片；并且此方式除了均衡芯片外，还需要昂贵的变压器等周边零部件，体积较大，成本较高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种电池组被动均衡下的温度控制系统和方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种电池组被动均衡下的温度控制系统，所述电池组包括若干节电池，所述温度控制系统包括控制器、温度检测模块、电压检测模块和被动均衡电路；所述温度检测模块和电压检测模块的数量与所述电池的数量相同，每个电池连接一个温度检测模块和一个电压检测模块，所述温度检测模块用于检测对应电池的温度，所述电压检测模块连接在对应电池的电压输出端，用于检测其输出电压；所述控制器连接各个温度检测模块和电压检测模块的输出端，用于根据所述电压检测模块的检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态，并根据所述温度检测模块的检测结果判断各个电池的温度是否超过预设温度上限和预设温度下限；所述被动均衡电路包括与所述电池数量相同且一一对应的被动均衡单元，所述被动均衡单元用于在所述控制器的检测到电池组内的电池单体的输出电压处于不均衡状态时，以各个电池中的最低输出电压为基准，将其余电池的输出端接入高于预设温度上限的电池所对应的被动均衡单元中以启动散热，和/或将其余电池的输出端接入低于预设温度下限的电池所对应的被动均衡单元中以启动加热。
所述被动均衡单元包括一个降温模块、一个加热模块和第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关；所述第一开关、第二开关、加热模块、第三开关和第四开关依次串联，所述第五开关、第六开关、降温模块、第七开关和第八开关依次串联，所述第一开关连接所述第八开关，所述第四开关连接所述第五开关；所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关均连接所述控制器；各个被动均衡单元中的所述第一开关和第二开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第三开关和第四开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第五开关和第六开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第七开关和第八开关之间的连接点相互连接。
所述加热模块包括串联的放大器、升压模块和热敏电阻。
所述热敏电阻采用正温度系数热敏电阻。
所述降温模块包括串联的放大器、升压模块和风扇。
所述控制器用于判断各个电压检测模块的检测结果是否高于所述电池的最高输出电压，如果是则判定该电池的输出电压处于非均衡状态，否则判定该电池的输出电压处于均衡状态。
一种电池组被动均衡下的温度控制方法，包括以下步骤：
对电池组内的每个电池分别进行电压检测和温度检测；
根据电压检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态；
根据判断结果和温度检测结果进行充放电管理。
所述根据电压检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态，具体为：
根据各个电压检测模块的检测结果判断电池组中各个电池电压是否一致，如果是则判定该电池组处于非均衡状态，否则判定该电池组处于均衡状态。
所述根据判断结果和温度检测结果进行充放电管理，具体为：
在所述控制器的检测到任一电池的输出电压不处于均衡状态时，以各个电池中的最低输出电压为基准，将其余电池的输出端接入高于预设温度上限的电池所对应的被动均衡单元中以启动散热，和/或将其余电池的输出端接入低于预设温度下限的电池所对应的被动均衡单元中以启动加热。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明将传统的被动均衡技术会产生热量的这一缺点加以利用，变缺点为优点，被均衡的电池电压的多余电压将通过PTC释放给温度低的电池单体，或者通过给散热扇供电给电池组降温，使得电池组的电压和温度都得到了均衡。
2、本发明的电池组能源消耗较之前低，并且大大提高了这种市场上成熟的性价比高的均衡技术的性能，应用前景好。
附图说明
图1为本发明实施例的被动均衡电路的电路结构图；
图2为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种电池组被动均衡下的温度控制系统，所述电池组包括若干节电池，所述温度控制系统包括控制器(本发明的实施例中采用MCU)、温度检测模块(本发明的实施例中采用NTC温度传感器)、电压检测模块(本发明的实施例中采用电压检测芯片，例如LTC6804)和被动均衡电路；所述温度检测模块和电压检测模块的数量与所述电池的数量相同，每个电池连接一个温度检测模块和一个电压检测模块，所述温度检测模块用于检测对应电池的温度，所述电压检测模块连接在对应电池的电压输出端，用于检测其输出电压；所述控制器连接各个温度检测模块和电压检测模块的输出端，用于根据所述电压检测模块的检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态，并根据所述温度检测模块的检测结果判断各个电池的温度是否超过预设温度上限和预设温度下限。
如图1所示，被动均衡电路包括与所述电池(B1/B2/B3)数量相同且一一对应的被动均衡单元，所述被动均衡单元用于在所述控制器的检测到任一电池的输出电压不处于均衡状态时，以各个电池中的最低输出电压为基准，将其余电池的输出端接入高于预设温度上限的电池所对应的被动均衡单元中以启动散热，和/或将其余电池的输出端接入低于预设温度下限的电池所对应的被动均衡单元中以启动加热。被动均衡单元包括一个降温模块、一个加热模块和第一开关(K11/K21/K31)、第二开关(K12/K22/K32)、第三开关(K13/K23/K33)、第四开关(K14/K24/K34)、第五开关(K15/K25/K35)、第六开关(K16/K26/K36)、第七开关(K17/K27/K37)、第八开关(K18/K28/K38)；所述第一开关、第二开关、加热模块、第三开关和第四开关依次串联，所述第五开关、第六开关、降温模块、第七开关和第八开关依次串联，所述第一开关连接所述第八开关，所述第四开关连接所述第五开关；所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关均连接所述控制器；各个被动均衡单元中的所述第一开关和第二开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第三开关和第四开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第五开关和第六开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第七开关和第八开关之间的连接点相互连接。
加热模块包括串联的放大器、升压模块和热敏电阻。所述热敏电阻采用正温度系数热敏电阻PTC。以电网储能的LiFePO4电池为例，其充电上限为3.7-4V，放电下限为2-2.5V；电池组在运行时，被动均衡电压也就几百mV左右，而市场上最小工作电压的PTC和风扇为3V或者5V，所以在实际应用时应根据实际使用的相应的电池类型去匹配相应的放大器或者升压模块即可。同理，所述降温模块包括串联的放大器、升压模块和风扇。
所述控制器用于判断各个电压检测模块的检测结果是否高于所述电池的最高输出电压，如果是则判定该电池的输出电压处于非均衡状态，否则判定该电池的输出电压处于均衡状态。
下面根据图1举个几个例子进行说明：
①若检测到电池组的单体电池电压不一致，电池B3的电压最低，且MCU测得B1自身的温度过低，则以B3的电压为基准，被动均衡的B1和B2的电压要释放给PTC1以给B1加热，控制器将开关K11、K12、K14、K13、K21、K24闭合，从而将温度升高；
②若检测到电池组的单体电池电压不一致，电池B3的电压最低，且MCU测得B1自身的温度过高，则以B3的电压为基准，被动均衡的B1和B2的电压要释放给的风扇1以给B1散热，控制器将开关K18、K17、K15、K16、K28、K25闭合，从而将温度降低；
③若检测到电池组的单体电池电压不一致，电池B3的电压最低，且MCU测得B2自身的温度过低，则以B3的电压为基准，被动均衡的B1和B2的电压要释放给PTC2以给B2加热，控制器将开关K28、K27、K25、K26、K18、K15开关关闭，从而将温度升高；
④若检测到电池组的单体电池电压不一致，电池B2的电压最低，且MCU测得B2自身的温度过高，则以B2的电压为基准，被动均衡的B1和B3的电压要释放给风扇2以给B2散热，控制器将开关K18、K15、K27、K26、K38、K35闭合，从而将温度降低。
利用上述规则，从而在被动均衡下，通过被动均衡将多余电量要释放掉的特点，在维持了电压的均衡下，将多余的电量传给了温度需要控制的单体电池，同时也维持了电池组内电池单体的温度均衡和控制。
如图2所示，一种电池组被动均衡下的温度控制方法，包括以下步骤：对电池组内的每个电池分别进行电压检测和温度检测；根据电压检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态；根据判断结果和温度检测结果进行充放电管理。
所述根据电压检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态，具体为：根据各个电压检测模块的检测结果判断电池组中各个电池电压是否一致，如果是则判定该电池组处于非均衡状态，否则判定该电池组处于均衡状态。
所述根据判断结果和温度检测结果进行充放电管理，具体为：在所述控制器的检测到任一电池的输出电压不处于均衡状态时，以各个电池中的最低输出电压为基准，将其余电池的输出端接入高于预设温度上限的电池所对应的被动均衡单元中以启动散热，和/或将其余电池的输出端接入低于预设温度下限的电池所对应的被动均衡单元中以启动加热。
以磷酸铁锂电池为例，这种电池的最高输出电压为3.65V，电压检测模块一旦检测到电池组中各个单体电池电压不一致，则整个电池组以最低输出电压的电池为基准，其余电池都进行放电处理，使得整体电池组保持平衡。其中其余要被动均衡的电池的电压，根据电池单体的温度情况决定到底是将这多余的电压是用于给电池升温的PTC加热模块，还是给降温的风扇。
本发明通过对BMS中的电池组内每节电池分别进行电压检测和温度检测，根据每节电池的检测结果对电池组状态进行判断，根据判断结果进行BMS电池组的充放电管理，实时监控BMS电池组是否处于均衡状态，将处于不均衡状态的电池组接入被动均衡电路中，通过PTC放热或者给电池组的散热风扇供电来释放掉被动均衡的多余电量，进行能量转移。同时使每节电池的电压和温度变为均衡，从而使得BMS电池组达到均衡状态。
本发明是将传统的被动均衡的电量没有让它白白浪费掉，而是将它与电池组的温度考虑在了一起，通过将这多余的电量传给PTC或者散热扇来将这被动均衡的将多余电量充分的利用上。但是，本发明在传统的在电池组温度控制这一块的PTC和散热扇这块的电源供给电路保持不变，只是每当电池需要加热或者散热时，优先的选用被动均衡的那一部分电量；从而使得整个方案在现有的技术上，仅仅增加了被动均衡电路将多余电量供给PTC和散热扇这一电路。使得新方案充分将被动均衡的多余电量利用上，优化了被动均衡，同时也降低了传统上控制电池组温度的这一部分供电电量的消耗。

Claims (9)

1.一种电池组被动均衡下的温度控制系统，所述电池组包括若干节电池，其特征在于，所述温度控制系统包括控制器、温度检测模块、电压检测模块和被动均衡电路；所述温度检测模块和电压检测模块的数量与所述电池的数量相同，每个电池连接一个温度检测模块和一个电压检测模块，所述温度检测模块用于检测对应电池的温度，所述电压检测模块连接在对应电池的电压输出端，用于检测其输出电压；所述控制器连接各个温度检测模块和电压检测模块的输出端，用于根据所述电压检测模块的检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态，并根据所述温度检测模块的检测结果判断各个电池的温度是否超过预设温度上限和预设温度下限；所述被动均衡电路包括与所述电池数量相同且一一对应的被动均衡单元，所述被动均衡单元用于在所述控制器的检测到电池组内的电池单体的输出电压处于不均衡状态时，以各个电池中的最低输出电压为基准，将其余电池的输出端接入高于预设温度上限的电池所对应的被动均衡单元中以启动散热，和/或将其余电池的输出端接入低于预设温度下限的电池所对应的被动均衡单元中以启动加热。
2.根据权利要求1所述的一种电池组被动均衡下的温度控制系统，其特征在于，所述被动均衡单元包括一个降温模块、一个加热模块和第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关；所述第一开关、第二开关、加热模块、第三开关和第四开关依次串联，所述第五开关、第六开关、降温模块、第七开关和第八开关依次串联，所述第一开关连接所述第八开关，所述第四开关连接所述第五开关；所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关均连接所述控制器；各个被动均衡单元中的所述第一开关和第二开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第三开关和第四开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第五开关和第六开关之间的连接点相互连接，各个被动均衡单元中的所述第七开关和第八开关之间的连接点相互连接。
3.根据权利要求2所述的一种电池组被动均衡下的温度控制系统，其特征在于，所述加热模块包括串联的放大器、升压模块和热敏电阻。
4.根据权利要求3所述的一种电池组被动均衡下的温度控制系统，其特征在于，所述热敏电阻采用正温度系数热敏电阻。
5.根据权利要求2所述的一种电池组被动均衡下的温度控制系统，其特征在于，所述降温模块包括串联的放大器、升压模块和风扇。
6.根据权利要求1所述的一种电池组被动均衡下的温度控制系统，其特征在于，所述控制器用于根据各个电压检测模块的检测结果判断电池组中各个电池电压是否一致，如果是则判定该电池组处于均衡状态，否则判定该电池组处于非均衡状态。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述电池组被动均衡下的温度控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
对电池组内的每个电池分别进行电压检测和温度检测；
根据电压检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态；
根据判断结果和温度检测结果进行充放电管理。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据电压检测结果判断各个电池的输出电压是否处于均衡状态，具体为：
根据各个电压检测模块的检测结果判断电池组中各个电池电压是否一致，如果是则判定该电池组处于均衡状态，否则判定该电池组处于非均衡状态。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据判断结果和温度检测结果进行充放电管理，具体为：
在所述控制器的检测到任一电池的输出电压不处于均衡状态时，以各个电池中的最低输出电压为基准，将其余电池的输出端接入高于预设温度上限的电池所对应的被动均衡单元中以启动散热，和/或将其余电池的输出端接入低于预设温度下限的电池所对应的被动均衡单元中以启动加热。
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