CN114123416A - 电池模组中串联电池单体的充放电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，该方法包括：在串联的多个电池单体中为每个电池单体对应串联一个可控的第一开关模块；为串联后的电池单体与第一开关模块共同并联一个可控的第二开关模块；控制第二开关模块处于常开状态，当电池单体的充电电压达到充电截止电压或者放电电压低于放电截止电压时，控制导通所述第二开关模块。上述电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，减小了电池单体不一致性对电池模组造成的负面影响，提高了电池模组的性能，延长了电池模组的使用寿命，避免了事故的发生。

Description

电池模组中串联电池单体的充放电控制方法
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，特别是涉及一种电池模组中串联电池单体的充放电控制方法。
背景技术
传统的电池模组充放电电路方案，是通过充放电设备对整个串联电池模组进行充放电，在充放电过程中，只要有其中任意一个电池单体达到充放电电压截止值，就停止充放电，整个串联电池模组的充放电即结束。电池模组充放电电流的通断和大小均由充放电设备来进行统一控制和协调。传统的电池模组的整充整放充放电方式造成整个电池模组中实质上只有少数电池单体能达到充放电截止目标电压值，导致电池模组工作时产生电池单体的不一致性，使得电池模组的能量不能得到充分利用。
电池模组的使用寿命会受到电池不一致性的严重影响，依据“木桶效应”，电池模组在循环寿命和容量利用率等方面明显劣于单体性能。随着电池模组的循环使用，电池单体不一致性将加剧，进一步恶化锂离子电池的成组特性，极易发生少数单体过充过放情况，从而导致电池组性能大幅衰减，极端情况下甚至可能燃烧、爆炸等恶性事故，给锂离子电池的应用推广造成极大的阻碍。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可降低电池单体不一致性对电池模组产生的负面影响的电池模组中串联电池单体的充放电控制方法。
一种电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，所述方法包括：
在串联的多个电池单体中为每个电池单体对应串联一个可控的第一开关模块；
为串联后的电池单体与第一开关模块共同并联一个可控的第二开关模块；
控制所述第二开关模块处于常开状态，当电池单体的充电电压达到充电截止电压或者放电电压低于放电截止电压时，控制导通所述第二开关模块。
进一步的，所述第一开关模块包括两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接，当电池单体充电时的电压小于充电截止电压，或者电池单体放电时的电压大于放电截止电压时，导通方向与电流方向相同的单向MOS管导通，另一MOS管关断。
进一步的，所述第二开关模块包括另外两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接，当电池单体充电时的电压高于充电截止电压，或者电池单体放电时的电压低于放电截止电压时，导通方向与电流方向相同的单向MOS管导通，另一MOS管关断。
进一步的，所述方法还包括：
将多个可控的开关单元分别串联不同电阻后进行并联，形成调组模块；
将所述调组模块与所述多个串联电池单体串联；
分别控制所述开关单元的导通或者关断，调节并联的电阻的阻值和个数，进而调充放电电流大小。
进一步的，所述开关单元包括再两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接。
进一步的，所述不同电阻的阻值依次增大。
上述电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，在充放电过程中可对每个电池单体进行独立充放电控制，在电池单体充电时的电压达到充电电压阈值时，或者放电时的电压小于放电阈值电压时，或者电池单体出现异常时，及时旁路电池单体，减小了电池单体不一致性对电池模组造成的负面影响，提高了电池模组的性能，延长了电池模组的使用寿命，避免了事故的发生。
附图说明
图1为一个实施例的电池模组中串联电池单体的充放电控制方法流程图；
图2为一个实施例的电池模组中串联电池单体的充放电控制电路原理图；
图3为图2中电池模组大电流充电电路电流方向图；
图4为图2中电池模组小电流充电电路电流方向图；
图5为图2中电池模组较大电流放电电路电流方向图；
图6为图2中电池单体B1充电旁路电路电流方向图；
图7为图2中电池单体B2放电旁路电路电流方向图。
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、完整地说明，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。
如图1所示，在一个实施例中，一种电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，包括以下步骤：
步骤S110，在串联的多个电池单体中为每个电池单体对应串联一个可控的第一开关模块。第一开关模块包括两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接，当电池单体充电时的电压小于充电截止电压，或者电池单体放电时的电压大于放电截止电压时，导通方向与电流方向相同的单向MOS管导通，另一MOS管关断。
步骤S120，为串联后的电池单体与第一开关模块共同并联一个可控的第二开关模块。第二开关模块包括另外两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接，当电池单体充电时的电压高于充电截止电压，或者电池单体放电时的电压低于放电截止电压时，导通方向与电流方向相同的单向MOS管导通，另一MOS管关断。
步骤S130，控制第二开关模块处于常开状态，当电池单体的充电电压达到充电截止电压或者放电电压低于放电截止电压时，控制导通第二开关模块。
此外，电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，还包括以下步骤：
首先，将多个可控的开关单元分别串联不同电阻后进行并联，形成调组模块。其次，将该调组模块与多个串联电池单体串联。接下来，分别控制开关单元的导通或者关断，调节并联的电阻的阻值和个数，进而调充放电电流大小。开关单元包括再两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接。不同电阻的阻值依次增大。
如图2所示，以一个由n个电池单体B1～Bn串联模组为例，按本发明电路方案n个电池单体串联组成模组，由限流电阻、单向MOS管开关、控制电路等组成的电路集成方案可实现对串联电池模组中的每个电池单体进行单独充放电开启与关闭、充放电电流大小的控制。
其中S0～Si、Q0～Qi、W1～Wn、X1～Xn、Y1～Yn、V1～Vn均为单向MOS管开关，由控制电路控制通断。R0～Ri为电路中用于控制充放电电流大小的限流电阻，电阻R0为零电阻值，R1～Ri的电阻值依次增大，通过对R0～Ri这一系列电阻的组合和通断来控制电路中的充放电电流通断和大小。
限流电阻R0～Ri系列电阻的组合和通断是通过S0～Si、Q0～Qi这2个系列的单向MOS管开关来进行控制的，例如单向MOS管开关S1和Q1共同控制限流电阻R1的通断，当电池模组放电时，单向MOS管开关S1导通而Q1关闭，当电池模组充电时，单向MOS管开关Q1导通而S1关闭；当对电池模组充放电电流要求较大时，可让限流电阻的前几个与较小电阻串联的单向MOS管开关导通，让其电流可通过小电阻的限流作用，而让电池模组的充放电电流较大，比如此时可让R0和R1通过电流；当对电池模组充放电电流要求较小时，可让限流电阻的最后几个与较大电阻串联的单向MOS管开关导通，让其电流可通过大电阻的限流作用，而让电池模组的充放电电流较小，比如此时可让Ri-1和Ri通过电流。
单向MOS管开关W1～Wn、X1～Xn、Y1～Yn、V1～Vn可通过控制电路的控制作用来实现对每个电池单体的工作状态控制。单向MOS管开关W1～Wn、X1～Xn用于控制每个电池单体的充放电，例如单向MOS管开关W1与X1共同控制电池单体B1充放电，当电池单体B1放电时，单向MOS管开关X1导通而W1关闭；当电池单体B1充电时，单向MOS管开关W1导通而X1关闭。单向MOS管开关Y1～Yn、V1～Vn用于控制每个电池单体的旁路功能，例如单向MOS管开关Y2和V2共同控制电池单体B2的旁路功能，当电池单体B2停止放电而退出放电工作状态，但同时能让电池模组中其它电池单体继续放电时，可让单向MOS管开关V2导通而Y2关闭；当电池单体B2停止充电而退出充电工作状态，但同时能让电池模组中其它电池单体继续充电时，可让单向MOS管开关Y2导通而V2关闭。
电路集成方案中的所有单向MOS管开关的工作状态由控制电路统一指挥统筹控制，它的工作过程是：控制电路可以控制单向MOS管开关S0～Si、Q0～Qi、W1～Wn、X1～Xn、Y1～Yn、V1～Vn的任意组合和通断，以及统筹他们之间的工作逻辑，并能接收和监控整个电路集成的工作状态信息，并对所接收到信息做出处理和判断，最后制定出在什么情形下，应该是哪些MOS管开关需导通，哪些MOS管开关需关闭。所有单向MOS管开关的工作状态逻辑关系，均可通过控制电路根据具体使用需求进行设置。
本发明电路的工作原理为，限流电阻R0～Ri系列与S0～Si、Q0～Qi这2个系列的单向MOS管开关组成串并联组合后再与电池模组串联，单向MOS管开关W1～Wn、X1～Xn、Y1～Yn、V1～Vn可通过控制电路的控制作用来实现对每个电池单体的工作状态控制，进而对整个电池模组的工作状态进行控制。
现就整个电池模组及电池单体的充放电过程为例详细说明本发明的具体实施过程。具体实施步骤如下：
第一种情况，电池模组充电过程。
电池模组充电电流的大小可以通过限流电阻R0～Ri系列与Q0～Qi系列的单向MOS管开关组合和通断来控制。
第一步，假设最开始电池模组需大电流进行充电，可让限流电阻的前几个与较小电阻串联的单向MOS管开关导通，让其电流可通过小电阻的限流作用，而让电池模组的充放电电流较大，比如此时可让R0、R1通过电流，前2个限流电阻并联的总电阻较小，因而此时电池模组的充电电流较大。
单向MOS管开关Q0、Q1、W1～Wn导通，其余单向MOS管开关全部关闭。电池模组大电流充电电路电流方向参见图3所示。
第二步，随着充电的进行，电池模组电量逐渐增多，而此时只需小电流继续充电。假设此时电池模组小电流进行充电，可让限流电阻的后几个与较大电阻串联的单向MOS管开关导通，让其电流可通过大电阻的限流作用，而让电池模组的充放电电流较小，比如此时可让Ri-1和Ri通过电流，最后2个限流电阻并联的总电阻较大，因而此时电池模组的充电电流较小。
单向MOS管开关Qi-1、Qi、W1～Wn导通，其余单向MOS管开关全部关闭。电池模组小电流充电电路电流方向参见图4所示。
第二种情况，电池模组放电过程。
电池模组放电电流的大小可以通过限流电阻R0～Ri系列与S0～Si系列的单向MOS管开关组合和通断来控制。
假设电池模组需较大电流进行放电，可让限流电阻的前面与较小电阻串联的单向MOS管开关导通，让其电流可通过小电阻的限流作用，而让电池模组的充放电电流较大，比如此时可让较小电阻R1通过电流，因而此时电池模组的放电电流较大。
单向MOS管开关S1、X1～Xn导通，其余单向MOS管开关全部关闭。电池模组较大电流放电电路电流方向参见图5所示。
第三种情况，电池单体充电旁路功能。
电池模组的控制电路会设置整个模组的充电截止电压值和电池单体的充电截止电压值，当其中任意一个值达到设定阀值时，电池控制电路就会下达电路切换命令，通过单向MOS管开关的组合和通断来改变充电电路的电流路径和电流大小。
例如假设电池单体B1达到了充电电压的设定上限值，其余电池单体也即将达到充电电压的设定上限值，故而此时充电电流需变小，可通过控制限流电阻的单向MOS管开关Q0～Qi来对限流电阻进行任意组合及通断来实现。
此时让电池单体B1停止充电，而其它电池单体继续保持充电，充电电流较小，假设让限流电阻Ri通过充电电流，单向MOS管开关Qi、Y1、W2～Wn导通，其余单向MOS管开关全部关闭，让充电电流绕过电池单体B1从其旁路通过。电池单体B1充电旁路电路电流方向图参见图6所示。
电池模组中其它电池单体的充电旁路工作逻辑与此类似。
第四种情况，电池单体放电旁路功能。
电池模组的控制电路会设置整个模组的放电截止电压值和电池单体的放电截止电压值，当其中任意一个值达到设定阀值时，电池控制电路就会下达电路切换命令，通过单向MOS管开关的组合和通断来改变放电电路的电流路径和电流大小。
例如假设电池单体B2达到了放电电压的设定下限值，其余电池单体也即将达到放电电压的设定下限值，故而此时放电电流需变小，可通过控制限流电阻的单向MOS管开关S0～Si来对限流电阻进行任意组合及通断来实现。
此时让电池单体B2停止放电，而其它电池单体继续保持放电，充电电流较小，假设让限流电阻Ri-1通过放电电流，单向MOS管开关Si-1、V2、X1、X3～Xn导通，其余单向MOS管开关全部关闭，让放电电流绕过电池单体B2从其旁路通过。电池单体B2放电旁路电路电流方向图参见图7所示。
电池模组中其它电池单体的放电旁路工作逻辑与此类似。
第五种情况，电池模组中某一或者某几个电池单体损坏而不能使用，充放电旁路功能。
假如电池模组中的某一电池单体如电池单体B2损坏而不能使用，也可以采用以上第四种和第五种情况的类似工作逻辑方式，让充放电电流绕过电池单体B2，不让其处于工作状态，而让其它电池单体投入到工作中。
本发明可对电池模组自身的工作电压和电流进行控制，即便有少数电池单体因各种原因不能继续使用，而其它电池单体组成的电池模组仍然能继续投入使用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，其特征在于，所述方法包括：
在串联的多个电池单体中为每个电池单体对应串联一个可控的第一开关模块；
为串联后的电池单体与第一开关模块共同并联一个可控的第二开关模块；
控制所述第二开关模块处于常开状态，当电池单体的充电电压达到充电截止电压或者放电电压低于放电截止电压时，控制导通所述第二开关模块。
2.根据权利要求1所述的电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，其特征在于，所述第一开关模块包括两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接，当电池单体充电时的电压小于充电截止电压，或者电池单体放电时的电压大于放电截止电压时，导通方向与电流方向相同的单向MOS管导通，另一MOS管关断。
3.根据权利要求1所述的电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，其特征在于，所述第二开关模块包括另外两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接，当电池单体充电时的电压高于充电截止电压，或者电池单体放电时的电压低于放电截止电压时，导通方向与电流方向相同的单向MOS管导通，另一MOS管关断。
4.根据权利要求1所述的电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
将多个可控的开关单元分别串联不同电阻后进行并联，形成调组模块；
将所述调组模块与所述多个串联电池单体串联；
分别控制所述开关单元的导通或者关断，调节并联的电阻的阻值和个数，进而调充放电电流大小。
5.根据权利要求1所述的电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，其特征在于，所述开关单元包括再两个并联的单向MOS管，其中一个单向MOS管的源极与另一个单向MOS管的漏极电连接。
6.根据权利要求1所述的电池模组中串联电池单体的充放电控制方法，其特征在于，所述不同电阻的阻值依次增大。
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