CN112332486B - 一种电池组主动均衡充电系统及其控制方法 - Google Patents

一种电池组主动均衡充电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电池组主动均衡充电系统及其控制方法。所述电池组主动均衡充电系统包括电池组、充电保护模块以及开关模块；所述控制方法包括：判断所述电池是否满足预设均衡条件；若所述电池满足预设均衡条件，则控制所述充电保护模块断开以及控制所述开关模块导通。当电池满足均衡条件时，通过充电保护模块和开关模块可以实现将需要均衡的电池从充电电路中断开，且不影响其他电池的充电；由于均衡过程中无需对均衡电池进行放电处理，因而可以避免均衡过程中损耗太大的问题，同时也能避免电池过放造成的电池组容量和使用寿命下降的问题。

Description

一种电池组主动均衡充电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电池组主动均衡充电系统及其控制方法。
背景技术
通常多个电池串之间是以串联的方式构成动力电池组，即使忽略由制造原因造成的电池单体间的不一致，在工作过程中因温度、内阻和老化的影响，不一致性也将会越来越严重，造成电池组的电压不均衡。导致在充放电的过程中会造成过充和过放现象，最终将影响电池组的循环使用寿命，导致电池组提早失效。为延长动力电池组的循环使用寿命，一种有效的措施是对电池组进行均衡控制。
现有的对电池组进行的均衡控制是采集电池组中每串电池的实际电压值，将采集到的实际电压值与固定电压范围进行对比，来判断超出固定电压的那串电池，控制超压的那串电池进行放电，从而达到每串电池均衡充电。但这种均衡控制由于电池存在放电过程而导致系统均衡时损耗太大，同时容易造成电池过放而影响电池组容量和使用寿命下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种电池组充电主动均衡控制方法，克服现有电池均衡控制方法中存在的均衡损耗太大以及容易造成电池过放而影响电池组容量和使用寿命下降的缺陷。
第一方面，本发明提供一种电池组主动均衡充电系统的控制方法，所述电池组主动均衡充电系统包括电池组、充电保护模块以及开关模块，所述充电保护模块与所述电池组中的电池串联，所述开关模块并联于所述充电保护模块和所述电池，所述电池组中的每串所述电池均配置有对应的所述充电保护模块和所述开关模块，所述控制方法包括判断所述电池是否满足预设均衡条件；若所述电池满足预设均衡条件，则控制所述充电保护模块断开以及控制所述开关模块导通；其中，所述判断所述电池是否满足预设均衡条件，包括获取当前所述电池的充电电压；判断当前所述电池的充电电压是否大于预设电压阈值；若当前所述电池的充电电压大于预设电压阈值，确定所述电池组每串所述电池的最低充电电压最低充电电压；判断当前所述电池的充电电压与所述最低充电电压之间的电压差是否大于预设电压差阈值；若当前所述电池的充电电压与所述最低充电电压之间的电压差大于预设电压差阈值，则判定所述电池满足预设均衡条件；其中，所述预设电压阈值可动态调节。
进一步地：所述预设电压阈值根据所述电池与所述电池组中电压最低的电池之间的电压差调减或调增。
进一步地：所述预设电压阈值根据所述电池组中所有电池的总电压与预设总电压之间的电压差调减或调增。
进一步地：获取充电功率最大的充电方式，其中，所述充电方式包括：均衡充电、恒压充电以及恒流充电；以充电功率最大的充电方式对所述电池组进行充电。
进一步地：若判断所述电池不满足预设均衡条件，则控制所述充电保护模块导通以及控制所述开关模块断开。
进一步地：所述控制方法还包括获取所述电池组的充电电压；判断所述电池组的充电电压是否大于预设总电压；若所述电池组的充电电压大于预设总电压，则控制所述充电保护模块以及所述开关模块均断开。
进一步地：所述电池组主动均衡充电系统还包括电流调节模块，所述电流调节模块与所述电池组连接，所述控制方法还包括获取所述电池组的充电电流；比较所述电池组的充电电流与预设电流值的大小；当所述充电电流小于预设电流值时，控制所述充电电流升高；当所述充电电流大于所述预设电流值时，控制所述充电电流降低。
进一步地：所述控制方法还包括获取所述电池组的充电温度；比较所述电池组的充电温度与预设温度值的大小；当所述充电温度小于预设温度值时，控制所述充电电流升高；当所述充电温度大于所述预设温度值时，控制所述充电电流降低。
进一步地：所述电流调节模块包括DC-DC电路，所述DC-DC电路连接于所述电池组与外部电源之间，所述控制所述充电电流升高或降低的方法，包括当所述充电电流小于预设电流值时，控制所述DC-DC电路的电压升高；当所述充电电流大于预设电流值时，控制所述DC-DC电路的电压降低；
第二方面，本发明提供一种电池组主动均衡充电系统，所述电池组主动均衡充电系统还包括控制模块，所述控制模块与所述充电保护模块以及所述开关模块连接，所述控制模块执行如上述第一方面所述的控制方法。
本发明的有益效果在于，当电池满足均衡条件时，通过充电保护模块和开关模块可以实现将需要均衡的电池从充电电路中断开，且不影响其他电池的充电；由于均衡过程中无需对均衡电池进行放电处理，因而可以避免均衡过程中损耗太大的问题，同时也能避免电池过放造成的电池组容量和使用寿命下降的问题。
附图说明
图1是本发明电池组主动均衡充电系统的控制方法的示意图；
图2是本发明电池组主动均衡充电系统的示意图；
图3是本发明本发明电池组主动均衡充电系统的电池组和充电保护模块的连接关系示意图。
附图标号与名称对应关系如下：电池组主动均衡充电系统1；电压采集模块10；开关模块20；充电保护模块30；控制模块40；电池组50；电流调节模块60；DC-DC电路601；电流采样电路602；运放电路603；控制单元604；温度采样电路70。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
本发明实施例提供了电池组主动均衡充电系统1的控制方法，如图1和2所示，所述电池组主动均衡充电系统1包括：电池组50、开关模块20和充电保护模块30，所述电池组50包括多串串联的电池，所述充电保护模块30与所述电池组50中的电池串联，所述开关模块20并联于所述充电保护模块30和所述电池，所述电池组50中的每串所述电池均配置有对应的所述充电保护模块30和所述开关模块20，所述控制方法包括：判断所述电池是否满足预设均衡条件；若所述电池满足预设均衡条件，则控制所述充电保护模块30断开以及控制所述开关模块20导通。
具体实施时，如图3所示，所述电池组50与外部电源连接以形成充电电路，所述电池组50包括串联连接的第一串电池、第二串电池、……、第N串电池，对应的开关模块20分别为第一开关模块、第二开关模块、……、第N开关模块，对应的充电保护模块30分别为第一充电保护模块、第二充电保护模块、……、第N充电保护模块；使用时，所述电池组50接入外部电源开始充电，充电保护模块30处于导通的状态，开关模块20处于断开的状态，此时充电电流从外部电源依次流经第一串电池、第一充电保护模块、第二串电池、第二充电保护模块、……、第N串电池和第N充电保护模块；当判断所述电池组50中某串或某几串所述电池满足预设均衡条件时，控制所述电池对应的所述充电保护模块30断开以及控制所述开关模块导通，从而将满足均衡条件的电池从充电电路中断开，而其他电池保护继续充电。在此处假设第二串电池满足预设均衡条件时，控制第二串电池对应的第二充电保护模块30断开，同时与第二串电池对应的第二开关模块导通，此时，第二串电池从充电电路中断开，其他串电池由于第二开关模块导通而继续保持充电，即充电电流从外部电源依次流经第一串电池、第一充电保护模块、第二开关模块、第三串电池、第三充电保护模块……、第N串电池和第N充电保护模块。
当电池满足均衡条件时，通过充电保护模块30和开关模块20可以实现将需要均衡的电池从充电电路中断开，且不影响其他电池的充电；由于均衡过程中无需对均衡电池进行放电处理，因而可以避免均衡过程中损耗太大的问题，同时也能避免电池过放造成的电池组50容量和使用寿命下降的问题。同时由于控制进入均衡充电的预设电压阈值可动态调整，这样的均衡方式，无需对电池进行放电处理，可以避免均衡过程中损耗太大的问题，同时也能避免电池过放造成的电池组容量和使用寿命下降，在日照时间有限的情况下，可实现电池提前进入均衡充电，每串电池都能够充到足够的电量，减小均衡的损耗，充电效率高，且充电更均衡，一致性好。
在一实施例中，继续参考图1，所述判断所述电池是否满足预设均衡条件，包括：获取当前所述电池的充电电压；判断当前所述电池的充电电压是否大于预设电压阈值；若当前所述电池的充电电压大于预设电压阈值，确定所述电池组50每串所述电池的最低充电电压；判断当前所述电池的充电电压与所述最低充电电压之间的电压差是否大于预设电压差阈值；若当前所述电池的充电电压与所述最低充电电压之间的电压差大于预设电压差阈值，则判定所述电池满足预设均衡条件。
将预设均衡条件设定为：“当前所述电池的充电电压大于预设电压阈值，且当前所述电池的充电电压与所述最低充电电压之间的电压差大于预设电压差阈值”，可以使电池组50中各串电池在充电过程中的电压值保持均衡，从而保证电池组50中处于充电过程的各串电池的一致性。
在一实施例中，继续参考图1，所述控制方法还包括：若判断所述电池不满足预设均衡条件，则控制所述充电保护模块30导通以及控制所述开关模块20断开。具体实施时，当断开充电的电池的电压与其他在充电的电池的最低电压的压差小于预设电压差阈值时，将断开充电的电池重新接入充电电路继续充电，从而可以使得处于电池组50中的各串电池之间的电压始终保持均衡，从而保证电池组50中的各串电池的一致性。
在一实施例中，继续参考图1，所述判断所述电池不满足预设均衡条件，包括若当前所述电池的充电电压不大于预设电压阈值，则判定所述电池不满足预设均衡条件。
在一实施例中，继续参考图1，所述判断所述电池不满足预设均衡条件，还包括：若当前所述电池的充电电压与所述最低充电电压之间的电压差不大于预设电压差阈值，则判定所述电池不满足预设均衡条件。
在一实施例中，继续参考图1，所述控制方法还包括：获取所述电池组50的充电电压；判断所述电池组50的充电电压是否大于预设总电压；若所述电池组50的充电电压大于预设总电压，则控制所述充电保护模块30以及所述开关模块20均断开。
具体实施时，所述开关模块20和充电保护模块30的接通和断开控制方式如下：
(1)比较每串电池的电压UX与设定电压值Ui,如果UX＜Ui，则比较所有充电状态的电池组50的电压总和Usum与预设总电压Umax,如果Usum≥Umax，则控制总充电回路断开，停止对所有电池组50的充电；
(2)如果UX＜Ui且Usum＜Umax，则整个充电回路继续保持充电，同时继续比较每串电池的电压UX与设定电压值Ui；
(3)如果UX≥Ui，则控制系统确定电池组50之间的最低电压Umin，然后比较其余各串电池的电压值UX与最低电压Umin的压差与设定的压差值Uo，如果UX-Umin＜Uo，则比较所有充电状态的电池组50的电压总和Usum与预设总电压Umax,如果Usum≥Umax，则控制总充电回路断开，停止对所有电池组50的充电；
(4)如果UX≥Ui且UX-Umin＜Uo且Usum＜Umax，则整个充电回路继续保持充电，同时继续比较每串电池的电压UX与设定电压值Ui；
(5)如果UX≥Ui且UX-Umin≥Uo，则控制与最低电压Umin的压差超过Uo的电池对应的开关模块20接通，与最低电压Umin的压差超过Uo的电池断开而停止充电，其他电池正常充电；
(6)当停止充电的电池的电压与在充电状态的电池的最低电压的压差＜Uo时，控制对应的开关模块20打开，将停止充电的电池重新接入充电电路中充电，直至Usum≥Umax。
在一实施例中，所述预设电压阈值根据所述电池与所述电池组中电压最低的电池之间的电压差调减或调增。
具体地，当多串中的一串电池的电压到达预设电压阈值时，可能已经是下午，这个时候系统进入恒压充电阶段，充电电流小，均衡的效果会比较差或者无法达到均衡的效果，特别是压差差距比较大的时候。因此，本实施例采用根据电池每串之间的压差，压差大的情况会适当的降低预设电压阈值，让系统提前进入到均衡。在有限的日照情况下，给不均衡的电池提前进入补电，给要均衡的电池多补充容量。此外，系统提前进入均衡，在阳光还算充足时，这个时候均衡板处于恒流充电的阶段，充电电流大，均衡效果会更好，均衡的时间也更短，充电速度更快。
进一步地，调减了预设电压阈值后，需要将预设电压阈值调增回来。因为，不调增回来，系统会一直提前均衡，此时的充电功率不一定是最大的充电功率。所以本实施例根据电池的压差对预设电压阈值进行调整，当电池的压差小于预设电压差阈值，则将预设电压阈值调增，进而将系统调整至最优的充电状态。
在一实施例中，所述预设电压阈值根据所述电池组中所有电池的总电压与预设总电压之间的电压差调减或调增。
具体地，大部分太阳能路灯控制器为了兼容多种不同类型的电池，会自带电池保护功能，它们并不完全依赖保护板的保护功能，而是依靠自身判断电池组的总电压进行充放电控制，这就存在控制器(40)的采样值和均衡板(10、20、电池组)的采样值存在偏差的问题。控制器采样偏高或者均衡板采样偏低一点的话，会出现控制器停止了充电，但是均衡板判断还没有达到端点电压而无法进入均衡的情况。因此，为了避免这种情况，本实施例判断电池组总电压与预设总电压之间存在压差，会适当的降低预设电压阈值，让电池可以在控制模块判断充满关闭充电之前完成均衡。例如，2串电池，端点电压为3.65V，控制模块判断充满的电压设置为7.3V(3.65V*2＝7.3V)，控制模块采样偏高，实际电压7.1V就判断充满了，则电池组中的一串电压达到3.6V，另一串达到3.5V就会判断充满了，停止充电，但是没有达到端点电压，不进行均衡，这种情况就需要降低预设电压阈值，使得电池能够充满电。
进一步地，同样的，在调减预设电压阈值后，需要将预设电压阈值调增回来。具体地，电池组总电压与预设总电压之间不存在压差了，则将预设电压阈值调增回来。
在一实施例中，所述电池组以功率最大的充电方式进行充电，其中，所述充电方式的功率包括：在均衡充电时的充电功率、恒压充电功率以及恒流充电功率。
具体地，由于太阳在白天是有限的，为了能够在有限的白天时间内，尽可能地对电池组充更多的电量，本实施例通过计算不同充电方式的功率，选择功率最大的充电方式进行充电，进一步提高充电速度，提高充电效率。
示例性地，例如，假设恒流为20A，两串电池。一串电池的端点电压3.65V(3.65V是电池充电保护电压)。预设电压阈值会决定系统是在恒压充电还是恒流充电的时候进行比较计算。其中，两串电池接近充满的时候，最大充电功率为20A*7.3V＝146W(恒流充电)。如果此时启动均衡给一串电池充电，这个时候的最大充电功率是20A*3.65V＝73W。
假设2串电池进入恒压阶段的电流是15A。此时充电功率为15A*7.3V＝109.5W。这个2串恒压充电功率109.3W就是大于一串电池的最大充电功率73W。所以系统会以2串恒压功率继续充电到低于73W，再继续计算。
假设2串电池进入恒压阶段的电流是9A，此时充电功率为9A*7.3V＝65.7W。此时一串电池如果是恒流模式充电，最大充电功率为20A*3.65V＝73W，73W>65.7W，所以此时系统是工作在一串恒流充电模式。
再次计算的时候，有可能1串电池进入恒压功率模式了，所以可能是2串电池的恒压充电功率与1串电池的恒压充电功率对比了。比如这个时候的2串的电流是8A，2串的充电恒压功率为8A*7.3V＝58.4W。如果给一串进行充电，充电电流是18A，一串的恒压是3.65V。一串充电恒压功率为18A*3.65V＝65.7V。65.7W大于58.4W，所以系统以1串恒压功率充电。
在一实施例中，所述电池组50主动均衡充电系统还包括电流调节模块60，所述电流调节模块60与所述电池组50连接，所述控制方法还包括：获取所述电池组50的充电电流；比较所述电池组50的充电电流与预设电流值的大小；当所述充电电流小于预设电流值时，控制所述充电电流升高；当所述充电电流大于所述预设电流值时，控制所述充电电流降低。
在电池均衡过程中，由于处于充电状态的电池数量会发生变化，因而会引起充电电流的变化，通过电流调节模块60，可以实现对电池组50充电电流的自动调节，保证充电电流稳定且提高电池组50的均衡效率。
在一实施例中，如图1所示，所述电流调节模块60包括DC-DC电路601，所述DC-DC电路601连接于所述电池组50与外部电源之间，所述控制所述充电电流升高或降低的方法，包括：当所述充电电流小于预设电流值时，控制所述DC-DC电路601的电压升高；当所述充电电流大于预设电流值时，控制所述DC-DC电路的电压降低；
具体实施时，所述电流调节模块60还可以包括电流采样电路602、运放电路603和控制单元604；所述DC-DC电路601连接于所述外部电源和所述电池组50之间，所述控制单元604连接于所述DC-DC电路601和所述运放电路603之间，所述电流采样电路602连接于所述运放电路603和所述电池组50之间；其中，所述电流采样电路602用于采集所述电池组50的充电电流，所述运放电路603用于将所述充电电流与所述预设值进行放大以输出反馈电流信号，所述控制单元604根据所述反馈电流信号与预设电流值对比以输出降压或升压信号至所述DC-DC电路601，以调节所述电池组50的充电电压，从而调节所述电池组50的充电电流。
使用时，假设第二串电池的电压从充电电路中断开时，充电电路中的充电电流增加，电流采样电路602采集到增加后的充电电流后反馈至运放电路603中，运放电路603将接收的充电电流放大后输出至控制单元604，以使充电电流与控制单元604的预设电流为同一量级，控制单元604对充电电流和预设电流对比后输出降压信号至DC-DC电路601，DC-DC电路601降压后输出电压至电池组50，从而降低充电电流以保证充电电流稳定；假设第二串电池重新接入充电电路时，充电电路中的充电电流由于第二串电池的接入而降低，电流采样电路602采集到充电电流后反馈至运放电路603，运放电路603将充电电流放大后输出至控制单元604，以使充电电流与控制单元604的预设电流为同一量级，控制单元604对充电电流和预设电流对比后输出升压信号至DC-DC电路601，DC-DC电路601升压后输出电压至电池组50，从而升高充电电流以保证充电电流稳定。
在一个实施例中，继续参考图1，所述控制方法还包括：获取所述电池组50的充电温度；比较所述电池组50的充电温度与预设温度值的大小；当所述充电温度小于预设温度值时，控制所述充电电流升高；当所述充电温度大于所述预设温度值时，控制所述充电电流降低。
具体实施时，所述主动均衡充电系统还可以包括温度采样电路70，其连接于所述连接于所述电池和所述电流调节模块60之间，所述温度采样电路70用于采集所述电池组50的温度并输出温度采集结果至所述电流调节模块60，所述电流调节模块60根据所述温度采集结果与所述电流调节模块60的预设温度值的比较结果调节所述充电电流。
使用时，所述预设温度值可以包括预设最高温度值和预设最低温度值，开始充电时，电池组50按照预设电流值进行充电，温度采样电路70采集电池组50的温度，当电池组50的温度超过预设最高温度值时，电流调节模块60降低充电电流以降低电池组50的温度，防止电路异常或电池组50温度过高而导致对电池组50的损坏；当电池组50的温度低于预设最低温度值时，电流调节模块60升高充电电流以提高电池的充电效率。
本发明展示了一种电池组主动均衡充电系统的控制方法，所述控制方法包括：判断所述电池是否满足预设均衡条件；当电池满足均衡条件时，通过充电保护模块和开关模块可以实现将需要均衡的电池从充电电路中断开，且不影响其他电池的充电；由于均衡过程中无需对均衡电池进行放电处理，因而可以避免均衡过程中损耗太大的问题，同时也能避免电池过放造成的电池组容量和使用寿命下降的问题。
本发明实施例还提供了一种电池组主动均衡充电系统，所述电池组主动均衡充电系统还包括控制模块40，所述控制模块40与所述充电保护模块30以及所述开关模块20连接，所述控制模块40执行如上述实施例所述的控制方法。通过控制模块40可以实现对开关模块20和充电保护模块30的导通和断开的控制，从而实现电池均衡或重新接入充电电路充电。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种电池组主动均衡充电系统的控制方法，其特征在于，所述电池组主动均衡充电系统包括电池组、充电保护模块以及开关模块，所述电池组包括多串串联的电池，所述充电保护模块与所述电池组中的电池串联，所述开关模块并联于所述充电保护模块和所述电池，所述电池组中的每串所述电池均配置有对应的所述充电保护模块和所述开关模块，所述控制方法包括：
判断所述电池是否满足预设均衡条件；
若所述电池满足预设均衡条件，则控制所述充电保护模块断开以及控制所述开关模块导通以均衡充电；
其中，所述判断所述电池是否满足预设均衡条件，包括：
获取当前所述电池的充电电压；
判断当前所述电池的充电电压是否大于预设电压阈值；
若当前所述电池的充电电压大于预设电压阈值，确定所述电池组每串所述电池的最低充电电压；
判断当前所述电池的充电电压与所述最低充电电压之间的电压差是否大于预设电压差阈值；
若当前所述电池的充电电压与所述最低充电电压之间的电压差大于预设电压差阈值，则判定所述电池满足预设均衡条件；
其中，所述预设电压阈值可动态调节；
所述预设电压阈值根据所述电池与所述电池组中电压最低的电池之间的电压差调减或调增。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
所述预设电压阈值根据所述电池组中所有电池的总电压与预设总电压之间的电压差调减或调增。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
获取充电功率最大的充电方式，其中，所述充电方式包括：均衡充电、恒压充电以及恒流充电；
以充电功率最大的充电方式对所述电池组进行充电。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
若判断所述电池不满足预设均衡条件，则控制所述充电保护模块导通以及控制所述开关模块断开。
5.根据权利要求1-4任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
获取所述电池组的充电电压；
判断所述电池组的充电电压是否大于预设总电压；
若所述电池组的充电电压大于预设总电压，则控制所述充电保护模块以及所述开关模块均断开。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述电池组主动均衡充电系统还包括电流调节模块，所述电流调节模块与所述电池组连接，所述控制方法还包括：
获取所述电池组的充电电流；
比较所述电池组的充电电流与预设电流值的大小；
当所述充电电流小于预设电流值时，控制所述充电电流升高；
当所述充电电流大于所述预设电流值时，控制所述充电电流降低。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
获取所述电池组的充电温度；
比较所述电池组的充电温度与预设温度值的大小；
当所述充电温度小于预设温度值时，控制所述充电电流升高；
当所述充电温度大于所述预设温度值时，控制所述充电电流降低。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述电流调节模块包括DC-DC电路，所述DC-DC电路连接于所述电池组与外部电源之间，所述控制所述充电电流升高或降低的方法，包括：
当所述充电电流小于预设电流值时，控制所述DC-DC电路的电压升高；
当所述充电电流大于预设电流值时，控制所述DC-DC电路的电压降低。
9.一种电池组主动均衡充电系统，其特征在于，所述电池组主动均衡充电系统还包括控制模块，所述控制模块与所述充电保护模块以及所述开关模块连接，所述控制模块执行如上述权利要求1-8任一项所述的控制方法。
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