CN112701766A - 单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法 - Google Patents

单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法，当电池组进入充电末期或者静置状态时，将所有单体电池的中位电压值设定为启动门限，检测每个单体电池的电压值，当单体电池的电压值小于所有单体电池的中位电压值，且与所有单体电池的中位电压值之间的差值大于故障单体电池的判断门限值时，该单体电池标注为故障单体电池；当单体电池的电压值大于所有单体电池的中位电压值时，该单体电池标注为待均衡电池；在标注完所有的待均衡电池后，以优先突出、分组分散原则开启相应的单体电池的被动均衡电路，使相邻的单体电池不同时开启均衡，既避免均衡电流的相互干扰，也避免了均衡电路放电产生的热量过于集中。

Description

单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法
技术领域
本发明涉及电池管理系统技术领域，具体涉及一种单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法。
背景技术
在由锂电池串联组成的电池包中，由于电芯的个体差异，在经过若干次充放电后会出现电芯间的不均衡，表现为电芯的电压差异，这种均衡若不及时消除，会导致整组电池性能下降，甚至导致泄露、燃烧、爆炸等事故。
常用的锂电池均衡方法有主动均衡与被动均衡两种。被动均衡因其电路简单、成本低、安全可靠，被广泛使用。被动均衡的基本方法是使用电阻对电压明显过高的单体电池进行放电，以达到组内单体电池电压的一致。现有的均衡策略采用冒泡原则，当单体电池电压超过设定门限值，即开启均衡放电，若相邻单体电池电压均偏高，则会出现相邻单体电池同时启动均衡的情况，均衡电流会相互影响，同时均衡电流产生的热量集中，对电池包温度的影响较大。若使用逐个均衡的方式，则均衡所需的时间漫长，可能在尚未完成均衡即开始了下一次充放电循环。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种间隔均衡、突出优先的单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法。
一种单体电池被动均衡电路结构，用于电池组中串联的多个单体电池的被动均衡，包括多个单体电池被动均衡电路，每个单体电池对应设置有一个被动均衡电路，每个被动均衡电路包括串联的一个MOS管和一个耗能电阻，所述被动均衡电路与对应的所述单体电池并联，所述MOS管的源极和漏极分别连接至所述单体电池和所述耗能电阻，所述MOS管用于启动所述单体电池均衡放电。
进一步地，所述电池组包括多个串联的所述单体电池，多个所述单体电池依次编码为C1、C2、C3……Cn，与所述单体电池对应的所述MOS管依次编码为Q1、Q2、Q3……Qn，与所述单体电池对应的所述耗能电阻依次编码为R1、R2、R3……Rn，每个所述MOS管Qn启动对应的一个所述单体电池Cn放电，放电电流流经所述耗能电阻Rn。
进一步地，还包括控制模块、多个电池检测部件和多个温度传感器，每个所述温度传感器用于至少一个所述单体电池的温度检测，所述温度传感器连接至所述控制模块，并将检测到的所述单体电池的温度值传送至所述控制模块；所述电池检测部件用于检测每个所述单体电池的电压，所述电池检测部件将检测到的所述单体电池的电压值传送至所述控制模块；所述控制模块依据所述单体电池的电压值和温度值控制所述单体电池被动均衡电路的工作状态。
进一步地，所述单体电池采用磷酸铁锂电池或者三元锂电池。
以及，一种电池组被动均衡控制方法，采用如上所述的单体电池被动均衡电路结构中的单体电池被动均衡电路对相应的单体电池放电，包括以下步骤：
步骤一，电池组进入充电末期或者静置状态；
步骤二，温度传感器检测单体电池的温度，电池检测部件检测单体电池的电压；
步骤三，判断单体电池的温度值是否超出预设值，超出预设值，转至步骤九；未超出预设值，转至步骤四；
步骤四，计算所有单体电池的电压中位数，设置启动均衡电路的电压差门限值；
步骤五，检测所有单体电池中是否存在故障单体电池，存在故障单体电池，转至步骤六；不存在故障单体电池，转至步骤七；
步骤六，报告故障单体电池，转至步骤九；
步骤七，筛选并标记与电压中位数的电压差大于启动均衡电路的电压差门限值的单体电池；
步骤八，以优先突出原则、分组分散原则开启单体电池被动均衡电路，对电压过高的单体电池进行均衡，同时监测单体电池的温度值；
步骤九，关闭所有均衡电路。
进一步地，步骤六中的优先突出、分组分散原则开启均衡电路，包括如下步骤：
步骤1，将所有单体电池按照编码序号分为两组电池组：奇数组和偶数组；
步骤2，两组被标记的单体电池中，电压最高的单体电池是否同时出现在两个电池组中，否，转至步骤3；是，转至步骤4；
步骤3，启动电压最高的单体电池所在的电池组的均衡电路，开始该组单体电池的被动均衡，转至步骤6；
步骤4，分别计算两组单体电池的平均电压值；
步骤5，启动平均电压值高的电池组的均衡电路，开始该组单体电池的被动均衡；
步骤6，一个电池组均衡结束后，启动另一组电池组的均衡电路；
步骤7，所有单体电池均衡结束后，关闭所有均衡电路。
进一步地，步骤八中的优先突出原则、分组分散原则包括：
优先突出原则包括在奇数组和偶数组两组单体电池组中，优先启动与电压中位数偏差较大的一组；
分组分散原则包括在奇数组和偶数组两组单体电池组中，开启均衡电路的单体电池必须属于同一个电池组，既避免相邻单体电池同时开启均衡而导致均衡电流相互干扰，也避免均衡放电时产生的热量过于集中。
进一步地，步骤八中的所述监测单体电池的温度值，包括如下步骤：
步骤i，温度传感器检测每个单体电池的温度值，单体电池的温度值是否超出预设值，否，转至步骤i；是，转至步骤ii；
步骤ii，上报单体电池温度值，并关闭所有均衡电路。
进一步地，步骤四中的所述启动均衡电路的电压差门限值为50mV。
进一步地，步骤五中的所述检测所有单体电池中是否存在故障单体电池，包括如下步骤：
步骤I，设置故障单体电池的判断门限值；
步骤II，计算单体电池的电压值与所述所有单体电池的电压中位数之间的差值，所得差值是否为负数，且大于所述故障单体电池的判断门限值，是，转至步骤III；否，转至步骤IIII；
步骤III，将该单体电池标注为所述故障单体电池；
步骤IIII，将该单体电池标注为正常单体电池。
上述单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法中，当电池组进入充电末期或者静置状态时，将所有单体电池的中位电压值设定为启动门限，检测每个所述单体电池的电压值，当所述单体电池的电压值小于所述所有单体电池的中位电压值，且与所述所有单体电池的中位电压值之间的差值大于所述故障单体电池的判断门限值时，该单体电池标注为故障单体电池；当所述单体电池的电压值大于所述所有单体电池的中位电压值时，该单体电池标注为待均衡电池；在标注完所有的待均衡电池后，以优先突出、分组分散原则开启相应的所述单体电池的被动均衡电路，使相邻的单体电池不同时开启均衡，既避免均衡电流的相互干扰，也避免了均衡电路放电产生的热量过于集中。本发明的控制方法简单，易于实现，成本低廉，便于推广。
附图说明
图1是本发明实施例单体电池被动均衡电路结构的结构示意图。
图2是本发明实施例电池组被动均衡控制方法的流程图一。
图3是本发明实施例电池组被动均衡控制方法的流程图二。
具体实施方式
本实施例以单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法为例，以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。
请参阅图1，示出本发明实施例提供的一种单体电池被动均衡电路结构100，用于电池组中串联的多个单体电池的被动均衡，包括多个单体电池被动均衡电路，每个单体电池对应设置有一个被动均衡电路，每个被动均衡电路包括串联的一个MOS管和一个耗能电阻，所述被动均衡电路与对应的所述单体电池并联，所述MOS管的源极和漏极分别连接至所述单体电池和所述耗能电阻，所述MOS管用于启动所述单体电池均衡放电。
进一步地，所述电池组包括多个串联的所述单体电池，多个所述单体电池共n个，依次编码为C1、C2、C3……Cn，与所述单体电池对应的所述MOS管依次编码为Q1、Q2、Q3……Qn，与所述单体电池对应的所述耗能电阻依次编码为R1、R2、R3……Rn，每个所述MOS管Qn启动对应的一个所述单体电池Cn放电，放电电流流经所述耗能电阻Rn。
具体地，n的取值范围为10~130。
具体地，所述电池组由n节单体电池串联而成，它们的编号为C1~Cn，每一个被动均衡电路由一个MOS管与一个耗能电阻串联而成，分别对应编号为Q1~Qn、R1~Rn，均衡电路与单体并联，
进一步地，还包括控制模块、多个电池检测部件和多个温度传感器，每个所述温度传感器用于至少一个所述单体电池的温度检测，所述温度传感器连接至所述控制模块，并将检测到的所述单体电池的温度值传送至所述控制模块；所述电池检测部件用于检测每个所述单体电池的电压，所述电池检测部件将检测到的所述单体电池的电压值传送至所述控制模块；所述控制模块依据所述单体电池的电压值和温度值控制所述单体电池被动均衡电路的工作状态。
进一步地，所述单体电池采用磷酸铁锂电池或者三元锂电池。
以及，请参阅图2和图3，示出一种电池组被动均衡控制方法，采用如上所述的单体电池被动均衡电路结构中的单体电池被动均衡电路对相应的单体电池放电，在启动均衡时，综合考虑以下均衡原则：
1，为了保证当前测量电压是对单体真实电压的表征，均衡只在充电末期或静置状态下进行。充电末期的条件为磷酸铁锂电池的单体电压达到3.1V以上，三元锂电池的单体电压达到3.6V以上，且充电电流小于0.05C静置的条件为当前无充放电。
2，对启动均衡的电压差设定启动门限，以所有单体的中位电压作为参考。
3，为了防止相邻单体均衡电流的相互影响，在同时有多节单体需要均衡时，采用谁突出谁优先的逻辑，轮流开启均衡。
4，编号相邻单体在结构响铃，被动均衡的实质为对单体放电，通过负载电阻发热消耗单体电量，这样必然导致负载电阻周围温度升高，为了防止因为均衡电流导致的局部温度过高，不同时开启相邻单体均衡，使发热源分散，避免热量集中。
结合以上原则，所述控制模块对所述单体电池被动均衡电路的控制方法如下：
设定均衡的启动门限为50mV，故障判断门限为500mV。
当单体电池电压低于中位电压500mV以上，认为该单体电池为故障单体，当组内出现故障单体时，关闭所有均衡电路，并上报故障单体电池信息。
当单体电池电压与中位电压的差值大于50mV时，认为单体电池需要均衡，标记该单体电池状态为等待均衡；否则，认为该单体电池正常，标记该单体电池状态为无需均衡。
在标记完所有的待均衡单体电池后，以优先突出、分组分散原则开启均衡MOS管。分组分散原则，即将所有的单体电池按编号的奇偶分为两组，同时开启均衡的单体电池必须在同一组，这样避免了相邻单体电池同时开启均衡，而导致的均衡电流相互干扰，同时，也避免了均衡放电产生的热量过于集中；优先突出原则，即奇偶两组单体电池中，哪一组单体电池的电压值与中位电压值的偏离大，则优先开启哪一组单体电池的均衡MOS管。
判断是否出现局部温度偏高，若出现温度偏高，则停止所有均衡电路。
按照单体电池的序号，将待均衡单体电池分为奇偶两组，设奇数组的单体电池电压值分别为
Figure 946966DEST_PATH_IMAGE001
，偶数组的单体电池电压值分别为
Figure 151682DEST_PATH_IMAGE002
。
查找电压最高的单体所在的组，若最高电压单体没有在两组中同时出现，则开启这一组所有待单体电池的均衡MOS管。
若两组中同时出现了最高电压单体，则分别计算两组单体的平均电压：
Figure 288266DEST_PATH_IMAGE003
（1）
Figure 957144DEST_PATH_IMAGE004
（2）
若
Figure 950508DEST_PATH_IMAGE005
，则开始奇数组单体电池均衡，否则开启偶数组单体电池均衡。
进一步地，电池组被动均衡控制方法包括以下步骤：
步骤一，电池组进入充电末期或者静置状态；
步骤二，温度传感器检测单体电池的温度，电池检测部件检测单体电池的电压；
步骤三，判断单体电池的温度值是否超出预设值，超出预设值，转至步骤九；未超出预设值，转至步骤四；
步骤四，计算所有单体电池的电压中位数，设置启动均衡电路的电压差门限值；
步骤五，检测所有单体电池中是否存在故障单体电池，存在故障单体电池，转至步骤六；不存在故障单体电池，转至步骤七；
步骤六，报告故障单体电池，转至步骤九；
步骤七，筛选并标记与电压中位数的电压差大于启动均衡电路的电压差门限值的单体电池；
步骤八，以优先突出原则、分组分散原则开启单体电池被动均衡电路，对电压过高的单体电池进行均衡，同时监测单体电池的温度值；
步骤九，关闭所有均衡电路。
进一步地，步骤六中的优先突出原则、分组分散原则开启均衡电路，包括如下步骤：
步骤1，将所有单体电池按照编码序号分为两组电池组：奇数组和偶数组；
步骤2，两组被标记的单体电池中，电压最高的单体电池是否同时出现在两个电池组中，否，转至步骤3；是，转至步骤4；
步骤3，启动电压最高的单体电池所在的电池组的均衡电路，开始该组单体电池的被动均衡，转至步骤6；
步骤4，分别计算两组单体电池的平均电压值；
步骤5，启动平均电压值高的电池组的均衡电路，开始该组单体电池的被动均衡；
步骤6，一个电池组均衡结束后，启动另一组电池组的均衡电路；
步骤7，所有单体电池均衡结束后，关闭所有均衡电路。
进一步地，步骤八中的优先突出原则、分组分散原则包括：
优先突出原则包括在奇数组和偶数组两组单体电池组中，优先启动与电压中位数偏差较大的一组；
分组分散原则包括在奇数组和偶数组两组单体电池组中，开启均衡电路的单体电池必须属于同一个电池组，既避免相邻单体电池同时开启均衡而导致均衡电流相互干扰，也避免均衡放电时产生的热量过于集中。
进一步地，步骤八中的所述监测单体电池的温度值，包括如下步骤：
步骤i，温度传感器检测每个单体电池的温度值，单体电池的温度值是否超出预设值，否，转至步骤i；是，转至步骤ii；
步骤ii，上报单体电池温度值，并关闭所有均衡电路。
进一步地，步骤四中的所述启动均衡电路的电压差门限值为50mV。
进一步地，步骤五中的所述检测所有单体电池中是否存在故障单体电池，包括如下步骤：
步骤I，设置故障单体电池的判断门限值；
步骤II，计算单体电池的电压值与所述所有单体电池的电压中位数之间的差值，所得差值是否为负数，且大于所述故障单体电池的判断门限值，是，转至步骤III；否，转至步骤IIII；
步骤III，将该单体电池标注为所述故障单体电池；
步骤IIII，将该单体电池标注为正常单体电池。
上述单体电池被动均衡电路结构及电池组被动均衡控制方法中，当电池组进入充电末期或者静置状态时，将所有单体电池的中位电压值设定为启动门限，检测每个所述单体电池的电压值，当所述单体电池的电压值小于所述所有单体电池的中位电压值，且与所述所有单体电池的中位电压值之间的差值大于所述故障单体电池的判断门限值时，该单体电池标注为故障单体电池；当所述单体电池的电压值大于所述所有单体电池的中位电压值时，该单体电池标注为待均衡电池；在标注完所有的待均衡电池后，以优先突出、分组分散原则开启相应的所述单体电池的被动均衡电路，使相邻的单体电池不同时开启均衡，既避免均衡电流的相互干扰，也避免了均衡电路放电产生的热量过于集中。本发明的控制方法简单，易于实现，成本低廉，便于推广。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单体电池被动均衡电路结构，用于电池组中串联的多个单体电池的被动均衡，其特征在于，包括多个单体电池被动均衡电路、控制模块、多个电池检测部件和多个温度传感器，每个单体电池对应设置有一个被动均衡电路，每个被动均衡电路包括串联的一个MOS管和一个耗能电阻，所述被动均衡电路与对应的所述单体电池并联，所述MOS管的源极和漏极分别连接至所述单体电池和所述耗能电阻，所述MOS管用于启动所述单体电池均衡放电，每个所述温度传感器用于至少一个所述单体电池的温度检测，所述温度传感器连接至所述控制模块，并将检测到的所述单体电池的温度值传送至所述控制模块；所述电池检测部件用于检测每个所述单体电池的电压，所述电池检测部件将检测到的所述单体电池的电压值传送至所述控制模块；所述控制模块依据所述单体电池的电压值和温度值控制所述单体电池被动均衡电路的工作状态。
2.如权利要求1所述的被动均衡电路结构，其特征在于，所述电池组包括多个串联的所述单体电池，多个所述单体电池依次编码为C1、C2、C3……Cn，与所述单体电池对应的所述MOS管依次编码为Q1、Q2、Q3……Qn，与所述单体电池对应的所述耗能电阻依次编码为R1、R2、R3……Rn，每个所述MOS管Qn启动对应的一个所述单体电池Cn放电，放电电流流经所述耗能电阻Rn。
3.如权利要求1所述的被动均衡电路结构，其特征在于，所述单体电池采用磷酸铁锂电池或者三元锂电池。
4.一种电池组被动均衡控制方法，采用如权利要求1-3任一项所述的单体电池被动均衡电路结构中的单体电池被动均衡电路对相应的单体电池放电，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，电池组进入充电末期或者静置状态；
步骤二，温度传感器检测单体电池的温度，电池检测部件检测单体电池的电压；
步骤三，判断单体电池的温度值是否超出预设值，超出预设值，转至步骤九；未超出预设值，转至步骤四；
步骤四，计算所有单体电池的电压中位数，设置启动均衡电路的电压差门限值；
步骤五，检测所有单体电池中是否存在故障单体电池，存在故障单体电池，转至步骤六；不存在故障单体电池，转至步骤七；
步骤六，报告故障单体电池，转至步骤九；
步骤七，筛选并标记与电压中位数的电压差大于启动均衡电路的电压差门限值的单体电池；
步骤八，以优先突出原则、分组分散原则开启单体电池被动均衡电路，对电压过高的单体电池进行均衡，同时监测单体电池的温度值；其中，优先突出原则包括在奇数组和偶数组两组单体电池组中，优先启动与电压中位数偏差较大的一组；分组分散原则包括在奇数组和偶数组两组单体电池组中，开启均衡电路的单体电池必须属于同一个电池组，既避免相邻单体电池同时开启均衡而导致均衡电流相互干扰，也避免均衡放电时产生的热量过于集中；
步骤九，关闭所有均衡电路。
5.如权利要求4所述的电池组被动均衡控制方法，其特征在于，步骤六中的优先突出原则、分组分散原则开启均衡电路，包括如下步骤：
步骤1，将所有单体电池按照编码序号分为两组电池组：奇数组和偶数组；
步骤2，两组被标记的单体电池中，电压最高的单体电池是否同时出现在两个电池组中，否，转至步骤3；是，转至步骤4；
步骤3，启动电压最高的单体电池所在的电池组的均衡电路，开始该组单体电池的被动均衡，转至步骤6；
步骤4，分别计算两组单体电池的平均电压值；
步骤5，启动平均电压值高的电池组的均衡电路，开始该组单体电池的被动均衡；
步骤6，一个电池组均衡结束后，启动另一组电池组的均衡电路；
步骤7，所有单体电池均衡结束后，关闭所有均衡电路。
6.如权利要求4所述的电池组被动均衡控制方法，其特征在于，步骤八中的所述监测单体电池的温度值，包括如下步骤：
步骤i，温度传感器检测每个单体电池的温度值，单体电池的温度值是否超出预设值，否，转至步骤i；是，转至步骤ii；
步骤ii，上报单体电池温度值，并关闭所有均衡电路。
7.如权利要求4所述的电池组被动均衡控制方法，其特征在于，步骤四中的所述启动均衡电路的电压差门限值为50mV。
8.如权利要求4所述的电池组被动均衡控制方法，其特征在于，步骤五中的所述检测所有单体电池中是否存在故障单体电池，包括如下步骤：
步骤I，设置故障单体电池的判断门限值；
步骤II，计算单体电池的电压值与所述所有单体电池的电压中位数之间的差值，所得差值是否为负数，且大于所述故障单体电池的判断门限值，是，转至步骤III；否，转至步骤IIII；
步骤III，将该单体电池标注为所述故障单体电池；
步骤IIII，将该单体电池标注为正常单体电池。
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