CN112968484A - 锂电池的能量均衡方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种锂电池的能量均衡装置及方法，应用于包括多个电池串的锂电池组中，每一所述电池串包括多个单体电池，所述锂电池的能量均衡装置包括：主控模块和与所述主控模块电连接的多个均衡模块；其中，多个所述均衡模块分别与多个所述电池串一一对应，每一所述均衡模块与对应的所述电池串电连接，用于监测对应的所述电池串的状态信息以供所述主控模块读取；所述主控模块用于根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令，以使所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。该装置能够同时兼顾灵活性、可靠性、均衡效率和成本。

Description

锂电池的能量均衡方法及装置
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种锂电池的能量均衡方法及装置。
背景技术
近年来，锂电池由于使用寿命长和运行安全等优点，在储能行业得到了广泛的应用。但锂电池组内的单体电池之间的不一致性普遍存在，主要表现为单体电池的内阻、容量和开路电压等不一致，随着单体电池使用次数的增多、长时间自放电和温差影响，单体电池之间的性能差异将会越来越大，从而缩短锂电池的使用寿命并降低其运行的安全性。
现阶段，通常采用均衡方法提高单体电池之间的一致性，现有技术中的主动均衡方法通常包括电感储能式、电容储能式、反击电源式和变压器互联式等均衡方法，但无论采用哪种均衡方法，均不可能兼顾高灵活性、高可靠性、高均衡效率和低成本等关键指标，特别是在灵活性上，由于锂电池组中单体电池的数量不断变化，目前市面上还没有相关均衡方法能适应单体电池数量大范围变化的情况。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种锂电池的能量均衡方法及装置。
第一方面，本发明实施例提供一种锂电池的能量均衡装置，应用于锂电池组中，所述锂电池组包括多个电池串，每一所述电池串包括多个单体电池，所述锂电池的能量均衡装置包括：
主控模块和与所述主控模块电连接的多个均衡模块；其中，
多个所述均衡模块分别与多个所述电池串一一对应，每一所述均衡模块与对应的所述电池串电连接，用于监测对应的所述电池串的状态信息以供所述主控模块读取；
所述主控模块用于根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令，以使所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。
进一步地，所述锂电池的能量均衡装置还包括：
与所述主控模块电连接的开关模块，所述开关模块包括多个并联的开关，所述开关模块用于在所述主控模块的控制下闭合或断开，以控制所述锂电池组启用或停用。
进一步地，所述主控模块包括单片机、开关驱动电路、电源管理电路、通讯电路、人机交互电路、电流检测电路和保护电路。
进一步地，所述主控模块分别与多个所述均衡模块通过RS485通讯总线电连接。
进一步地，所述均衡模块包括全桥DC/DC单元、通讯单元和监测单元。
第二方面，本发明实施例提供一种锂电池的能量均衡方法，应用于如上所述的锂电池的能量均衡装置中，所述锂电池的能量均衡方法包括：
每一均衡模块监测对应的所述电池串的状态信息，并将所述状态信息以供主控模块读取；
所述主控模块根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令；
接收到所述均衡指令的每一所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。
进一步地，所述状态信息包括所述电池串的电压值，所述主控模块根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，包括：
所述主控模块根据读取的所有所述电池串的电压值，从所有所述电压值中确定最小的电压值，并将与所述最小的电压值的差值大于预设阈值的所有所述电压值对应的电池串确定为需要进行能量均衡的电池串。
进一步地，所述均衡指令包括所述最小的电压值，接收到所述均衡指令的每一所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡，包括：
对于每一所述均衡模块，所述均衡模块将对应的电池组的电压值与所述最小的电压值进行大小比较；
若对应的电池组的电压值大于所述最小的电压值，则所述均衡模块增大均衡电流直至所述均衡电流达到最大值；
若对应的电池组的电压值小于所述最小的电压值，则所述均衡模块减小均衡电流直至所述均衡电流达到最小值。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第二方面所提供的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所提供的方法的步骤。
本发明实施例提供的锂电池的能量均衡装置及方法，其中的均衡模块通过全新的思路设计，集成了过流、过压和过温等各种保护电路于一体，实现高可靠均衡动作，采用超低功耗单片机作为主控模块，不仅完成主动均衡管理，还可以监测电池电压和温度，均衡模块可以串联起来实现任意串数的电池均衡。由于智能化管理，模块采用恒流控制，均衡电流不会随着误差电压减小而减小，达到极高的均衡效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的锂电池的能量均衡装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的单片机的功能框图；
图3为本发明实施例提供的均衡模块中各单元的原理图；
图4为本发明实施例提供的锂电池的能量均衡方法流程图；
图5为本发明实施例提供的均衡模块的三种均衡方式示意图；
图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的锂电池的能量均衡装置的结构示意图，请参阅图1，该装置包括：
主控模块和与所述主控模块电连接的多个均衡模块；其中，
多个所述均衡模块分别与多个所述电池串一一对应，每一所述均衡模块与对应的所述电池串电连接，用于监测对应的所述电池串的状态信息以供所述主控模块读取；
所述主控模块用于根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令，以使所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。
具体地，图1所示的装置包括N个均衡模块，N个均衡模块分别与N个电池串一一对应，每一均衡模块与对应的电池串电连接。其中，每一电池串包括多个并联的单体电池，例如磷酸铁锂电池，N个电池串联组成锂电池组。N个均衡模块彼此完全独立自主工作，每一均衡模块还与主控模块通过RS485通讯总线电性连接，每一均衡模块能够监测对应的电池串的状态信息，例如温度值或电压值等，供主控模块读取。需要说明的是，主控模块包括以单片机为核心的，集成了开关驱动电路，低功耗电源管理电路，通讯电路，人机交互电路，电流检测电路和保护电路。
主控模块能够根据读取的所有均衡模块发送的状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向需要进行能量均衡的电池串对应的均衡模块发送均衡指令。需要说明的是，均衡指令为使均衡模块对电池串进行能量均衡的指令，本发明实施例对其携带的具体内容不作具体限定。
接收到均衡指令的均衡模块能够根据接收到的均衡指令，对对应的电池串进行能量均衡，以提高锂电池组中的所有电池串的一致性。
基于上述任一实施例，请继续参阅图1，所述锂电池的能量均衡装置还包括：
与所述主控模块电连接的开关模块，所述开关模块包括多个并联的开关，所述开关模块用于在所述主控模块的控制下闭合或断开，以控制所述锂电池组启用或停用。
具体地，图1所示的装置还包括开关模块，开关模块包括N个并联的开关，用于控制锂电池组启用或停用。需要说明的是，N个开关并联使用，可以扩大开关模块的过电流能力。
基于上述任一实施例，所述主控模块为单片机，所述主控模块分别与多个所述均衡模块通过RS485通讯总线电连接，所述均衡模块包括全桥DC/DC单元、通讯单元和监测单元。
具体地，以下分别对主流模块和均衡模块进行详细说明。
请参阅图2，主控模块包括单片机、开关驱动电路、电源管理电路、通讯电路、人机交互电路、电流检测电路和保护电路，其至少具有如下功能：
宽电压，、低静态功耗电源；蓝牙，Wi-Fi，人机交互；监控，上位机通讯；电流检测接口；输出开关MOS驱动；均衡模块通讯接口。在本发明实施例中，单片机主要通过改变占空比，实现将电池能量回馈到整个电池串的目的，并实时进行恒电流控制。
请参阅图3，均衡模块至少包括全桥DC/DC单元U5、通讯单元U1、U2和监测单元U3、U4、U6。其中，U5为集成有全桥和各种保护的功率芯片。U1、U2为隔离通讯芯片，可以让均衡模块全部接入RS485通讯总线，均衡模块可以通过该总线进行上传数据，主控模块可以通过该总线进行下发指令。U3、U4、U6用于进行电流检测和控制，保证均衡模块正常运行。
基于上述任一实施例，图4为本发明实施例提供的锂电池的能量均衡方法流程图，该方法应用于上述任一实施例所提供的锂电池的能量均衡装置中，请参阅图4，该方法包括：
步骤S1，每一均衡模块监测对应的所述电池串的状态信息，并将所述状态信息以供主控模块读取；
步骤S2，所述主控模块根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令；
步骤S3，接收到所述均衡指令的每一所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。
基于上述任一实施例，所述状态信息包括所述电池串的电压值，所述主控模块根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，包括：
所述主控模块根据读取的所有所述电池串的电压值，从所有所述电压值中确定最小的电压值，并将与所述最小的电压值的差值大于预设阈值的所有所述电压值对应的电池串确定为需要进行能量均衡的电池串。
基于上述任一实施例，所述均衡指令包括所述最小的电压值，接收到所述均衡指令的每一所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡，包括：
对于每一所述均衡模块，所述均衡模块将对应的电池组的电压值与所述最小的电压值进行大小比较；
若对应的电池组的电压值大于所述最小的电压值，则所述均衡模块增大均衡电流直至所述均衡电流达到最大值；
若对应的电池组的电压值小于所述最小的电压值，则所述均衡模块减小均衡电流直至所述均衡电流达到最小值。
作为一个优选的实施例，本发明实施例结合锂电池的能量均衡装置对锂电池的能量均衡方法进行详细说明：
首先，每一均衡模块测量对应的电池串的状态信息以供主控模块读取。主控模块读取均衡模块测量的每一电池串的状态信息，其中，状态信息优选为电池串的电压值。
然后，主控模块根据读取的所有电池串的电压值，判断需要进行能量均衡的电池串，例如，确定所有电压值中的最小的电压值，然后将与最小的电压值的差值大于预设阈值的电压值对应的电池串作为需要进行能量均衡的电池串，并向需要进行能量均衡的电池串对应的均衡模块发送开启指令，以开启对应的均衡模块。
随后，主控模块在RS485总线上广播上述最小的电压值。
最后，接到开启指令的均衡模块根据接收到的最小的电压值，决定自己工作状态。具体而言，当最小的电压值比自身对应的电池串的电压值低，均衡模块会增大均衡电流直到电流达到最大值，进入恒流状态；当最小的电压值比自身对应的电池串的电压值高，均衡模块会减小均衡电流直到电流达到最小值，进而恒压状态，当电流达到最小值后，均衡模块关闭，进入低功耗状态。
由于本发明实施例采用了全桥DC/DC单元，其内部具有过流、过压和过温等一系列独立保护功能，在均衡模块的内部管理MCU失效时候，任何错误的操作只会触发全桥DC/DC单元的内部集成保护，但不会导致全桥DC/DC单元损坏，甚至在主控模块失效的情况下，发出任何错误的指令操作都不会导致均衡模块损坏，因此本发明实施例中的均衡模块能够实现多重保护来确保锂电池组运行的可靠性。
图5提供了均衡模块的三种均衡方式，分别如(a)、(b)和(c)部分所示，由于均衡模块采用恒流恒压控制，在误差电压(锂电池组中最大电压与最小电压的差值)大于0的时候，均衡电流并不会减小，一直到误差电压为0，进入恒压模式，均衡思路如图5中的(a)部分所示，这是所有的均衡方式中均衡效率最高，均衡性能最好的一种，不会导致误差电压来回波动，频繁起停均衡电路的现象。
综上所述，本发明实施例提供的锂电池的能量均衡装置，其中的均衡模块通过全新的思路设计，集成了过流、过压和过温等各种保护电路于一体，实现高可靠均衡动作，采用超低功耗单片机作为主控模块，不仅完成主动均衡管理，还可以监测电池电压和温度，均衡模块可以串联起来实现任意串数的电池均衡。由于智能化管理，模块采用恒流控制，均衡电流不会随着误差电压减小而减小，达到极高的均衡效率。
图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)601、通信接口(Communications Interface)602、存储器(memory)603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信。处理器601可以调用存储在存储器603上并可在处理器601上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的方法，例如包括：每一均衡模块监测对应的所述电池串的状态信息，并将所述状态信息以供主控模块读取；所述主控模块根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令；接收到所述均衡指令的每一所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。
此外，上述的存储器603中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的方法，例如包括：每一均衡模块监测对应的所述电池串的状态信息，并将所述状态信息以供主控模块读取；所述主控模块根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令；接收到所述均衡指令的每一所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。
以上所描述的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可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部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的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种锂电池的能量均衡装置，应用于锂电池组中，所述锂电池组包括多个电池串，每一所述电池串包括多个单体电池，其特征在于，所述锂电池的能量均衡装置包括：
主控模块和与所述主控模块电连接的多个均衡模块；其中，
多个所述均衡模块分别与多个所述电池串一一对应，每一所述均衡模块与对应的所述电池串电连接，用于监测对应的所述电池串的状态信息以供所述主控模块读取；
所述主控模块用于根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令，以使所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。
2.根据权利要求1所述的锂电池的能量均衡装置，其特征在于，所述锂电池的能量均衡装置还包括：
与所述主控模块电连接的开关模块，所述开关模块包括多个并联的开关，所述开关模块用于在所述主控模块的控制下闭合或断开，以控制所述锂电池组启用或停用。
3.根据权利要求1所述的锂电池的能量均衡装置，其特征在于，所述主控模块包括单片机、开关驱动电路、电源管理电路、通讯电路、人机交互电路、电流检测电路和保护电路。
4.根据权利要求1所述的锂电池的能量均衡装置，其特征在于，所述主控模块分别与多个所述均衡模块通过RS485通讯总线电连接。
5.根据权利要求1所述的锂电池的能量均衡装置，其特征在于，所述均衡模块包括全桥DC/DC单元、通讯单元和监测单元。
6.一种锂电池的能量均衡方法，应用于如权利要求1-5中任一项所述的锂电池的能量均衡装置中，其特征在于，所述锂电池的能量均衡方法包括：
每一均衡模块监测对应的所述电池串的状态信息，并将所述状态信息以供主控模块读取；
所述主控模块根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，并向所述电池串对应的所述均衡模块发送均衡指令；
接收到所述均衡指令的每一所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡。
7.根据权利要求6所述的锂电池的能量均衡方法，其特征在于，所述状态信息包括所述电池串的电压值，所述主控模块根据读取的所有所述状态信息，判断需要进行能量均衡的电池串，包括：
所述主控模块根据读取的所有所述电池串的电压值，从所有所述电压值中确定最小的电压值，并将与所述最小的电压值的差值大于预设阈值的所有所述电压值对应的电池串确定为需要进行能量均衡的电池串。
8.根据权利要求7所述的锂电池的能量均衡方法，其特征在于，所述均衡指令包括所述最小的电压值，接收到所述均衡指令的每一所述均衡模块根据所述均衡指令对对应的所述电池串进行能量均衡，包括：
对于每一所述均衡模块，所述均衡模块将对应的电池组的电压值与所述最小的电压值进行大小比较；
若对应的电池组的电压值大于所述最小的电压值，则所述均衡模块增大均衡电流直至所述均衡电流达到最大值；
若对应的电池组的电压值小于所述最小的电压值，则所述均衡模块减小均衡电流直至所述均衡电流达到最小值。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求6-8中任一项所述方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6-8中任一项所述方法的步骤。
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