CN112350407A - 一种电池组的均压电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种电能搬运机制的电池组均压控制电路及其控制方法，使电池在充电或放电过程中实现均压。第一步，检测并确定电池组中最高电压的电池和最低电压的电池；第二步，通过开关对用最高电压的电池给储能电容充电；第三步，将储能电容的电能释放到最低电压的电池中；重复前述控制过程使串联电池组中的各电池电压最终趋于一致。根据冒泡排序的控制原理和结果，电池组中的所有电池电压最终都会趋于一致。由于仅仅是在电池内部转移电能，提升了充电效率、缩短充电时间、均压电路发热量小，相较旁路均压方式可以提高电池的续航能力。

Description

一种电池组的均压电路及其控制方法
技术领域
本技术属于电池电能应用领域，具体实现串联电池组的充放电过程中的均压控制。
背景技术
目前电池组均压多采用旁路电流的方式，其优点是实时性好、可根据单体电池调压等。但是旁路方式是将过剩的电流引流到充电回路，增加了充电损耗，而且功率越大、充电越快损耗越大。
发明内容
本发明提出了一种电池组的均压控制方法，特征是采用一个电能搬运机制，将电压高的电池电能搬运到电压低的电池中去。这带来的积极效果是提高了充电效率、减少充电时间、同时又是均压充放电的控制过程。
电路如图1所示是一个4个电池串联的电池组的均压电路结构。由电池组BT1-BT4、缓冲电容C1-C4、电能搬运电路的开关S1–S8和储能电容Cbuf组成。
充电均压和放电均压控制原理是一样的，都是用最高电压的电池充电到储能电容Cbuf，再用储能电容给电池组中最低电压的电池充电，然后检测电池组中的最高电压电池和最低电压电池，重复前述步骤。根据冒泡排序法的控制结果，最终电池组中的所有电池电压都会趋近于一致，均压过程完成。
图2是充电均压过程波形示意图，横轴是时间轴，用t0–t7标记，纵轴是电压轴，由上至下依次是：VIN——充电电压，范围是DC160V–DC320V，DC160V是充电起始电压，DC320V是电池组理想的满电电压；(VC1–VC4)——电容C1–C4电压，同时也表示电池BT1–BT4的电压，因为它们是并联关系；Vbuf——储能电容Cbuf的电压。
开关S1–S8没有在波形图中表示，因为VC1–VC4的充电或放电只能由唯一对应的一对开关完成。下面结合图1用图2的时间段顺序进行均压控制过程说明。
t0–t1时间内
充电起始电压是160V，电容电压VC1＝VC2＝VC3＝VC4＝40V，起始过程是平衡充电的。储能电容Cbuf进行初始化充电，依次开通S1/S2、S3/S4、S5/S6、S7/S8四个开关对，则Cbuf上获得初始电压40V。
t1–t2时间内
由于恒流充电阶段充电电流通常较大，因各电池的内阻、容量、损耗等差异很容易导致各电池的充电电压不平衡，如图中的VC1已经到60V了，但VC2、VC3、VC4都还在50V，均压控制过程如下：
开通S1/S2使BT1给储能电容Cbuf充电使其到60V；
按照预先设定的优先级顺序，如BT2、BT3、BT4，则先开通S3/S4给BT2充电，然后返回上一步给Cbuf充电，再开通S5/S6给BT3充电，然后再返回上一步给Cbuf充电，再开通S7/S8给BT4充电；
重复上述两步，直到VC1、VC2、VC3、VC4都趋近于相等，比如60V。
在这个过程中，充电电源是一直持续充电的，Cbuf其实是VIN的充电电流分流了一部分进行的充电，从而减少了对电池BT1的充电电流，使其电压VC1上升变缓；然后将Cbuf的电能再充入BT2、BT3、BT4，使它们虽然串联在VIN的充电回路中，却因Cbuf的接入额外多了一部分充电电流，使VC2、VC3、VC4的上升加速，从而可以趋近于VC1的电压。当电池压差越大的时候，电能搬运的频率和幅度都会越大，从而可以快速均压的充电。
t2-t3时间内
如果电压均衡在一定的时间内没有完成均压，也就是充电不均衡的电压超过了电压均衡能够调节的范围，可以采用离线均压方式，如这个t2–t3时间内，将输入电源VIN撤去，利用电能搬运机制继续调整均压值直到达到平衡，如VC1＝VC2＝VC3＝VC4＝60V。
t3–t4时间内
当检测到电池电压已经达到平衡后，继续上电充电，如以上的4*60V＝240V。
t4–t5时间内
VC1＝60V，VC2＝VC3＝70V，而VC4＝80V的情况下，应该开通S7/S8给Cbuf充电到80V，然后开通S1/S2用Cbuf给BT1充电。重复前述步骤则可以使它们的电压最终都趋近于80V。
因为VC2、VC3在同步上升，当BT1充电电流增加而加速VC1的上升，BT4充电电流减少而VC4上升变缓，VC1-VC4也可以近似同步到达目标值80V。
t5–t6时间内
同样如果不平衡的电压值超过了均压电路的调整范围，可以采用离线均压的方式，直到都趋近于80V。
t6–t7时间内
恒流充电过后的浮充过程，这个时间段内充电电流较小，均压控制相对容易，最终达到每个电池的电压都到80V的满电压。
由上分析可知，这种采用缓冲电容(或电池)Cbuf的均压控制方法，实质是将充电电压高的电池电能搬运到充电电压低的电池中去，不均衡的电压并没有被旁路而是在电池组内部进行了转移。
所带来的优势：可以更快的使每个电池充电到满电；发热量仅为开关管的发热量；电容(或电池)Cbuf仅仅是一个缓存能量的缓存机制。
在放电过程中，这种电能搬运机制特别起到节约电能的作用，而不用旁路掉电流，从而直接提高电池的续航能力。
附图说明
附图1，均压控制方法的电路结构
附图2，充电均压控制过程波形示意图
附图3，均压控制方法实施例
具体实施方式
均压控制方法在电池包中的应用。
图3是一个电池包的结构图及其外部直流母线连接。左边是充电电源，右边是负载电路。
电池包由电能搬运机制的开关S1–S6、储能电容(或电池)Cbuf、缓冲电容C1、C2、C3组成，电池BT1、BT2、BT3是串联电池组。
不管负载电路是否工作，充电电源是否连接，只要电池组电压是可工作的，就可以触发均压电路工作；而不需要工作时则可关闭均压控制电路节约电能。
辅助电源给控制电路供电，当电流检测器R1无电流时，表示外部无充电输入或放电输出，控制电路处于待机状态，开关S1-S6均不导通。
当外部接入充电电源时，充电电流会流过电流检测器R1，其产生的压降Vsens一是作为触发信号使控制电路开始均压控制，二是检测电流是否过流以保护电池组。
当Vsens检测到过流则断开充电开关SW以保护电池包。当没有过流时，无论是充电还是放电对均压控制电路来说，都是将电压高的电池电能搬运到电压电的电池中去。
以下简述图3的工作过程：
第一步，检测电池电压VB1、VB2、VB3，找出最高电压电池序号和最低电池电压序号，如最高为BT3最低为BT1；
第二步，开通S5/S6用BT3给储能电容Cbuf充电；
第三步，开通S1/S2用Cbuf给BT1充电。
如果存在多个最高或多个最低电压的电池，按照预设的优先级顺序进行工作，直到BT1、BT2、BT3趋近于相等，均压结束；
或者充电电源断开Vsens失去检测电压而触发控制电路停止工作；
或者负载电路断开Vsens失去检测电压而触发控制电路停止工作。

Claims (2)

1.串联电池组的均压电路结构的特征是
电池组的正极(VB+)连接电池一(BT1)的正极，电池一(BT1)的负极、电池二(BT2)的正极连接到节点一(N1)，电池二(BT2)的负极、电池三(BT3)的正极连接到节点二(N2)，电池三(BT3)的负极、电池四(BT4)的正极连接到节点三(N3)，电池四(BT4)的负极连接到电池组的负极(VB-)；
电容一(C1)的一端、开关一(S1)的一端连接到前述“电池组的正极(VB+)”，电容一(C1)的另一端、开关二(S2)的一端、开关三(S3)的一端、电容二(C2)的一端连接到节点一(N1)，电容二(C2)的另一端、开关四(S4)的一端、开关五(S5)的一端、电容三(C3)的一端连接到节点二(N2)，电容三(C3)的另一端、开关六(S6)的一端、开关七(S7)的一端、电容四(C4)的一端连接到节点三(N3)，电容四(C4)的另一端、开关八(S8)的一端连接到前述“电池组的负极(VB-)”；
开关一(S1)的另一端、开关三(S3)的另一端、开关五(S5)的另一端、开关七(S7)的另一端连接到储能电容(Cbuf)的一端，开关二(S2)的另一端、开关四(S4)的另一端、开关六(S6)的另一端、开关八(S8)的另一端连接到储能电容(Cbuf)的另一端。
2.串联电池组的均压控制方法的特征是
检测并确定串联电池组(BT1、BT2、BT3、BT4)中最高电压的电池(BT4)和最低电压的电池(BT1)，通过开关对一(S7/S8)的开通用最高电压的电池(BT4)给储能电容(Cbuf)充电完成并断开开关对一(S7/S8)，
通过开关对二(S1/S2)的开通用储能电容(Cbuf)给最低电压的电池(BT1)充电完成并断开开关对二(S7/S8)，
重复前述三步的循环控制过程，直到电池组中各电池电压趋于一致；
前述“检测并确定”由控制电路的采样功能和比较功能完成或由控制电路的MCU完成，
前述“最高电压的电池(VC4)”指控制电路的每个循环控制中，检测串联电池组(BT1、BT2、BT3、BT4)中每个电池的电压(VC1、VC2、VC3、VC4)，比较检测结果并找出最高电压(VC4)的电池(BT4)，
前述“最低电压的电池(VC1)”指控制电路的每个循环控制中，检测串联电池组(BT1、BT2、BT3、BT4)中每个电池的电压(VC1、VC2、VC3、VC4)，比较检测结果并找出最低电压(VC1)的电池(BT1)，
前述“开关对”中的两个开关(S7/S8，或S1/S2)是同步导通或同步关断工作的。
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