CN114696425A - 一种磷酸铁锂电池组的均衡方法及电池均衡充电系统 - Google Patents

Abstract

一种磷酸铁锂电池组的均衡方法，电池组在充电器插入时进行电池均衡。电池均衡包括均衡进行和均衡计算两个交替运行的状态。一种电池均衡充电系统，包括锂磷酸铁锂电池组、输入输出接口、MCU模块、模拟前端模块、均衡电路、数据通讯模块、充放电MOS管，其特征在于电池组在有特定报文通讯充电时，电池组内MCU模块可以判断电池已在安全状态充电，并根据从模拟前端获取的各个电芯的电压值确定对电池是否进行均衡，长期均衡可消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性，逐渐减小消除电池单体之间的压差，保证电池充电量以长时间稳定使用。

Description

一种磷酸铁锂电池组的均衡方法及电池均衡充电系统

技术领域

本发明专利属于磷酸铁锂电池管理技术领域，特别是涉及磷酸铁锂电池在使用过程中的均衡方法及电池均衡充电系统。

背景技术

锂电池使用时必须要BMS系统保护电芯，以防止电池在充电过程或放电过程出现过充过放对电芯造成损坏，该系统具有过压、欠压等保护功能。

锂电池组是由多个电芯串并联组成的，由于各串电芯自放电率不同，以及使用过程电池的电化学特性会使各串电芯内阻变化导致各电芯容量不相同，导致在长期使用过程中串联起来的各串电芯出现较大的压差，使电池使用充放电容量减少，在电池处于充电器插入时，可进行识别判断，使电池可以长时间进行均衡，以逐渐消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性，逐渐减小消除电池单体之间的压差，使电池能保证长期正常使用。

行业通用做法在电池充电的过程中当电芯电压达到一定高压阈值时，再判断开启BMS系统的均衡功能，但是由于磷酸铁锂电池的特性决定了在空闲情况下，电池的充放电曲线不像三元锂电池那么平缓均匀，这会导致电池在充电到高压端时电压增长速率变快，无法使电池长时间处于均衡状态，每一次充电BMS系统的均衡功能开启时间短，不利于压差大电池组降低压差。因此采用普遍的锂电池均衡算法，很难触发均衡或者是均衡的时间很短，并不能真正的达到电池均衡的效果。

特别是在换电领域，磷酸铁锂电池是重度使用，每天都有大功率的放电和快速充电，因此在使用半年后，电池不均衡的问题就会异常明显，因此需要专门针对磷酸铁锂电池特性，设计一种算法，来解决磷酸铁锂电池均衡问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种磷酸铁锂电池组的均衡方法及电池均衡充电系统，让磷酸铁锂电池处于充电器插入时能持续长时间做均衡，增加磷酸铁锂电池的均衡效率，提高磷酸铁锂电池寿命。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种磷酸铁锂电池组的均衡方法，其特征在于：所述磷酸铁锂电池组在充电器插入时进行电池均衡。

其进一步特征在于：所述电池均衡包括均衡进行和均衡计算两个交替运行的状态；

在所述均衡计算状态时进行电压和电流的采样及计算，配置均衡时间；并算出需均衡的单元电芯，配置所需均衡单元电芯，并启动定时器；在定时器到期后，切换到均衡进行状态；

在所述均衡进行状态时均衡电路根据配置的均衡时间和策略对单元电芯进行电池均衡；同时配置均衡计算时间，在电池均衡时间到期后进入均衡计算状态。

进一步的：所述电池均衡开启需要同时满足以下四个条件；

a.电池组处于非故障正常状态；

b.电池组最低单元电芯电压大于Vbmin且最高单元电芯电压小于Vbmax，持续t1时间；其中Vbmin为电池组最低电芯电压值阈值，Vbmax为电池组最高电芯电压值阈值；

c.电池组电芯最大压差大于Vdiff ，持续t2时间；其中Vdiff为电池组进入均衡状态电芯压差阈值，t2为压差稳定时间；

d.电池组与通讯接口通讯持续t3时间，t3为通讯持续时间。

进一步的：所述电池均衡退出任意满足以下条件：

（1）通讯接口通讯失联超过设定时间t4；

（2）电池组最大单元电芯压差小于Vdiff2，Vdiff2为电池组退出均衡状态电芯压差阈值；

（3）检测到有放电电流或检测到负载接入；

（4）检测到充电过流、过压、过温等异常保护；

（5）检查到最低单元电芯电压小于Vbmin 或最高单元电芯电压大于Vbmax，持续t1时间；

（6）检查到电池均衡持续t5时间；t5为电池均衡持续时间。

一种基于上述磷酸铁锂电池组的均衡方法的电池均衡充电系统，其特征在于：包括磷酸铁锂电池组、MCU模块、模拟前端模块、均衡电路、数据通讯模块、充放电MOS管、输入输出接口；

所述磷酸铁锂电池组由多个磷酸铁锂单元电芯组成；

所述模拟前端模块与所述输入输出接口连接，检测连接负载类型，传输给所述MCU模块；采集电池组的状态参数信息，传输给所述MCU模块；并根据所述MCU模块的指令发出控制信号，控制所述充放电MOS管工作；根据所述MCU模块的指令发出控制信号，控制所述均衡电路工作；

所述输入输出接口用于连接负载，与所述数据通讯模块通讯；

所述充放电MOS管用于控制所述磷酸铁锂电池组充放电；

所述数据通讯模块用于与负载通讯，并将充放电信息传输给所述MCU模块；

所述均衡电路用于根据控制信号对多个磷酸铁锂单元电芯进行电池均衡；

所述MCU模块用于根据接收电池组的连接负载信息，判断充放电状态，发出电池组充放电指令；根据电池组的单元电芯压差、充放电状态、数据通讯模块状态综合判定电池组的均衡开启或关闭。

其进一步特征在于：所述负载包括用电负载和充电负载；所述充放电状态包括充电状态、放电状态、空载状态。

上述电池均衡充电系统进入均衡判断包括以下步骤：

步骤1：模拟前端模块采集电池组实时状态参数信息，反馈给MCU模块，MCU模块判断电池组正在充电且无故障装状态，则继续执行步骤2；若电池组处于故障或在非充电状态则结束此次判断；

步骤2：MCU模块通过数据通讯模块判断电池组在可均衡环境充电，若判断电池组处于可均衡环境状态，则继续执行以下步骤3；若判断电池组不处于可做均衡的环境，则结束此次判断；

步骤3：MCU模块按照模拟前端模块反馈的电池组的各单元电芯的电压值判定电池组电压状态是否满足均衡进入条件，当判断电池组电压满足均衡进入条件，则继续执行步骤4；若所处电池组各单元电芯电压不满足均衡条件则结束此次判断；

步骤4：MCU模块按照模拟前端模块反馈的电池组的最大压差值判断压差是否满足均衡进入条件，当判断单元电芯压差满足条件，则继续执行以下步骤5；当单元电芯压差不满足均衡进入条件则结束此次判断；

步骤5：MCU模块判定电池组进入均衡状态，并对模拟前端模块命令操作开启需要均衡的单元电芯的均衡开关。

进一步的：判断均衡进入后先置电池组为均衡计算状态，达到均衡计算状态持续时间后转化为均衡进行状态；电池组在均衡进行状态时，进行对应均衡进行状态判读，不退出均衡情况下持续到达设定的均衡进行状态时间之后，再次进入均衡计算状态。

均衡计算状态包括以下步骤：

MCU模块实时处理计算模拟前端模块采集的电池组状态参数信息，结合数据通讯模块是否在线，判断电池组是否达到均衡退出条件；

未达到均衡退出条件，则进行电压采样；

计算需要均衡的单元电芯；

配置需均衡的单元电芯；

配置均衡进行状态时间。

均衡进行状态包括以下步骤：

MCU模块根据采集故障信息、数据通讯模块信息判断电池组是否达到均衡退出条件；

未达到均衡退出条件，配置均衡计算状态时间，正常进行电池均衡。

上述数据通讯模块包括但不限于RS485通讯模块、CAN通讯模块、UART通讯模块、一线通通讯模块等，优选为RS485通讯模块。

本发明的优点：

1、电池组处于换电柜中时在整个充电过程都可以持续做均衡，提高均衡效率。

2、有效减小单元电芯之间的压差。

3、以特定的数据通讯指令为进入均衡的判断，可有效防止均衡功能被误开启。

4、电池均衡是可主动自由配置均衡的时间比，控制均衡速率。

5、有效提高的电池组的使用寿命。

附图说明

图 1 为本发明电池均衡充电系统原理框图。

图 2 为本发明进入均衡判断流程图。

图 3 为本发明电池均衡中判断流程图。

图 4 为本发明均衡计算状态判断流程图。

图 5 位本发明均衡进行状态判断流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种电池均衡充电系统，包括磷酸铁锂电池组、MCU模块、模拟前端模块、均衡电路、RS485通讯模块、充放电MOS管、输入输出接口。

磷酸铁锂电池组由多个磷酸铁锂单元电芯组成。

模拟前端模块与输入输出接口连接，电池组接外部负载时，模拟前端模块输出高低电位至输入输出接口的一端，并将反馈电位信号传输给MCU模块；MCU模块根据电位信号判断电池组处于放电状态或充电状态。采集电池组的状态参数信息，传输给MCU模块；并根据MCU模块的指令发出控制信号，控制充放电MOS管工作；根据MCU模块的指令发出控制信号，控制均衡电路工作。

输入输出接口用于连接用电负载或充电负载，与RS485通讯模块通讯。

充放电MOS管用于控制磷酸铁锂电池组充放电。

RS485通讯模块用于与负载通讯，并将充放电信息传输给MCU模块。

均衡电路用于根据控制信号对多个磷酸铁锂单元电芯进行电池均衡。

MCU模块用于根据接收电池组的连接负载信息，判断电池组处于充电状态、放电状态还是空载状态，发出电池组充放电指令。根据电池组的单元电芯压差、充放电状态、RS485通讯模块状态综合判定电池组的均衡开启或关闭。

一种磷酸铁锂电池组的均衡方法，磷酸铁锂电池组在充电器插入时进行电池均衡。

电池均衡开启需要同时满足以下四个条件；

a.电池组处于非故障正常状态；

b.电池组最低单元电芯电压大于Vbmin且最高单元电芯电压小于Vbmax，持续t1时间；其中Vbmin为电池组最低电芯电压值阈值，Vbmax为电池组最高电芯电压值阈值；

c.电池组电芯最大压差大于Vdiff ，持续t2时间；其中Vdiff为电池组进入均衡状态电芯压差阈值，t2为压差稳定时间；

d.电池组与通讯接口通讯持续t3时间，t3为通讯持续时间。

电池均衡退出任意满足以下条件：

（1）通讯接口通讯失联超过设定时间t4；

（2）电池组最大单元电芯压差小于Vdiff2，Vdiff2为电池组退出均衡状态电芯压差阈值；

（3）检测到有放电电流或检测到负载接入；

（4）检测到充电过流、过压、过温等异常保护；

（5）检查到最低单元电芯电压小于Vbmin或最高单元电芯电压大于Vbmax，持续t1时间；

（6）检查到电池均衡持续t5时间；t5为电池均衡持续时间 。

如图2所示，电池均衡充电系统进入均衡判断包括以下步骤：

步骤1：模拟前端模块采集电池组实时状态参数信息，反馈给MCU模块，MCU模块判断电池组正在充电且无故障装状态，则继续执行步骤2；若电池组处于故障或在非充电状态则结束此次判断。

步骤2：MCU模块通过RS485通讯模块判断电池组在可均衡环境充电，若判断电池组处于可均衡环境状态，则继续执行以下步骤3；若判断电池组不处于可做均衡的环境，则结束此次判断。

步骤3：MCU模块按照模拟前端模块反馈的电池组的各单元电芯的电压值判定电池组电压状态是否满足均衡进入条件，当判断电池组电压满足均衡进入条件，则继续执行步骤4；若所处电池组各单元电芯电压不满足均衡条件则结束此次判断。

步骤4：MCU模块按照模拟前端模块反馈的电池组的最大压差值判断压差是否满足均衡进入条件，当判断单元电芯压差满足条件，则继续执行以下步骤5；当单元电芯压差不满足均衡进入条件则结束此次判断。

步骤5：MCU模块判定电池组进入均衡状态，并对模拟前端模块命令操作开启需要均衡的单元电芯的均衡开关。

如图3所示，电池均衡包括均衡进行状态S1和均衡计算状态S2两个交替运行的状态。在电池均衡充电系统判断进入电池均衡状态后，首先进入均衡计算状态S2.

在均衡计算状态S2时进行电压和电流的采样及计算，配置均衡时间；并算出需均衡的单元电芯，配置所需均衡单元电芯，并启动定时器；在定时器到期后，切换到均衡进行状态S1。

在均衡进行状态S1时均衡电路根据配置的均衡时间和策略对单元电芯进行电池均衡；同时配置均衡计算时间，在电池均衡时间到期后进入均衡计算状态。

如图4所示，均衡计算状态S2包括以下步骤：

MCU模块实时处理计算模拟前端模块采集的电池组状态参数信息，结合RS485通讯模块是否在线，判断电池组是否达到均衡退出条件；

未达到均衡退出条件，则进行电压采样；

计算需要均衡的单元电芯；

配置需均衡的单元电芯；

配置均衡进行状态时间ts1。

如图5所示，均衡进行状态S1包括以下步骤：

MCU模块根据采集故障信息、RS485通讯模块信息判断电池组是否达到均衡退出条件；

未达到均衡退出条件，配置均衡计算状态时间ts2，正常进行电池均衡。

Claims (10)

1.一种磷酸铁锂电池组的均衡方法，其特征在于：所述磷酸铁锂电池组在充电器插入时进行电池均衡。

2.如权利要求1所述的磷酸铁锂电池组的均衡方法，其特征在于：所述电池均衡包括均衡进行和均衡计算两个交替运行的状态；

在所述均衡计算状态时进行电压和电流的采样及计算，配置均衡时间；并算出需均衡的单元电芯，配置所需均衡单元电芯，并启动定时器；在定时器到期后，切换到均衡进行状态；

在所述均衡进行状态时均衡电路根据配置的均衡时间和策略对单元电芯进行电池均衡；同时配置均衡计算时间，在电池均衡时间到期后进入均衡计算状态。

3.如权利要求2所述的磷酸铁锂电池组的均衡方法，其特征在于：所述电池均衡开启需要同时满足以下四个条件；

a. 电池组处于非故障正常状态；

b. 电池组最低单元电芯电压大于Vbmin且最高单元电芯电压小于Vbmax，持续t1时间；其中Vbmin为电池组最低电芯电压值阈值，Vbmax为电池组最高电芯电压值阈值，t1为电压稳定时间；

c. 电池组电芯最大压差大于Vdiff ，持续t2时间；其中Vdiff为电池组进入均衡状态电芯压差阈值，t2为压差稳定时间；

d. 电池组与通讯接口通讯持续t3时间，t3为通讯持续时间。

4.如权利要求2所述的磷酸铁锂电池组的均衡方法，其特征在于：所述电池均衡退出任意满足以下条件：

（1）通讯接口通讯失联超过设定时间t4；

（2）电池组最大单元电芯压差小于Vdiff2，Vdiff2为电池组退出均衡状态电芯压差阈值；

（3）检测到有放电电流或检测到负载接入；

（4）检测到充电过流、过压、过温等异常保护；

（5）检查到最低单元电芯电压小于Vbmin或最高单元电芯电压大于Vbmax，持续t1时间；

（6）检查到电池均衡持续t5时间；t5为电池均衡持续时间。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述磷酸铁锂电池组的均衡方法的电池均衡充电系统，其特征在于：包括磷酸铁锂电池组、MCU模块、模拟前端模块、均衡电路、数据通讯模块、充放电MOS管、输入输出接口；

所述磷酸铁锂电池组由多个磷酸铁锂单元电芯组成；

所述模拟前端模块与所述输入输出接口连接，检测连接负载类型，传输给所述MCU模块；采集电池组的状态参数信息，传输给所述MCU模块；并根据所述MCU模块的指令发出控制信号，控制所述充放电MOS管工作；根据所述MCU模块的指令发出控制信号，控制所述均衡电路工作；

所述输入输出接口用于连接负载，与所述数据通讯模块通讯；

所述充放电MOS管用于控制所述磷酸铁锂电池组充放电；

所述数据通讯模块用于与负载通讯，并将充放电信息传输给所述MCU模块；

所述均衡电路用于根据控制信号对多个磷酸铁锂单元电芯进行电池均衡；

所述MCU模块用于根据接收电池组的连接负载信息，判断充放电状态，发出电池组充放电指令；根据电池组的单元电芯压差、充放电状态、数据通讯模块状态综合判定电池组的均衡开启或关闭。

6.如权利要求5所述的电池均衡充电系统，其特征在于：所述负载包括用电负载和充电负载；所述充放电状态包括充电状态、放电状态、空载状态。

7.如权利要求5或6所述的电池均衡充电系统，其特征在于进入均衡判断包括以下步骤：

步骤1：模拟前端模块采集电池组实时状态参数信息，反馈给MCU模块，MCU模块判断电池组正在充电且无故障装状态，则继续执行步骤2；若电池组处于故障或在非充电状态则结束此次判断；

步骤2：MCU模块通过数据通讯模块判断电池组在可均衡环境充电，若判断电池组处于可均衡环境状态，则继续执行以下步骤3；若判断电池组不处于可做均衡的环境，则结束此次判断；

步骤3：MCU模块按照模拟前端模块反馈的电池组的各单元电芯的电压值判定电池组电压状态是否满足均衡进入条件，当判断电池组电压满足均衡进入条件，则继续执行步骤4；若所处电池组各单元电芯电压不满足均衡条件则结束此次判断；

步骤4：MCU模块按照模拟前端模块反馈的电池组的最大压差值判断压差是否满足均衡进入条件，当判断单元电芯压差满足条件，则继续执行以下步骤5；当单元电芯压差不满足均衡进入条件则结束此次判断；

步骤5：MCU模块判定电池组进入均衡状态，并对模拟前端模块命令操作开启需要均衡的单元电芯的均衡开关。

8.如权利要求7所述的电池均衡充电系统，其特征在于：判断均衡进入后先置电池组为均衡计算状态，达到均衡计算状态持续时间后转化为均衡进行状态；电池组在均衡进行状态时，进行对应均衡进行状态判读，不退出均衡情况下持续到达设定的均衡进行状态时间之后，再次进入均衡计算状态。

9.如权利要求8所述的电池均衡充电系统，其特征在于均衡计算状态包括以下步骤：

MCU模块实时处理计算模拟前端模块采集的电池组状态参数信息，结合数据通讯模块是否在线，判断电池组是否达到均衡退出条件；

未达到均衡退出条件，则进行电压采样；

计算需要均衡的单元电芯；

配置需均衡的单元电芯；

配置均衡进行状态时间。

10.如权利要求8所述的电池均衡充电系统，其特征在于均衡进行状态包括以下步骤：

MCU模块根据采集故障信息、数据通讯模块信息判断电池组是否达到均衡退出条件；

未达到均衡退出条件，配置均衡计算状态时间，正常进行电池均衡。

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