CN115276194A - 动力电池组均衡维护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池组均衡维护系统及方法，该系统包括：均衡控制单元、开关控制器、开关阵列、充放电端口、充电器和放电器；所述充放电端口分为两路，一路与所述充电器连接，另一路与所述放电器连接；所述均衡控制单元，用于采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息并传送至所述开关控制器；所述开关控制器，用于根据接收的各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池，根据判断结果控制所述开关阵列，以将所述动力电池组中的待充电和待放电的单体电池与所述充放电端口连通，为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。利用本发明方案，可以简单、高效地实现对动力电池组的均衡维护。

Description

动力电池组均衡维护系统及方法
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，具体涉及一种动力电池组均衡维护系统及方法。
背景技术
用于电动汽车的动力电池组通常由多个单体电池串联而成，由于制造工艺和使用过程中的连接电阻、温度不均匀等原因，会导致个别单体电池电压出现不一致的情况，这种情况会导致整个动力电池组的充放电能力下降，进而使电动汽车续驶里程下降。在实际使用中，动力电池组内各单体电池的电压偏差程度应控制在一定范围内，否则单体电池极易发生过充或过放，严重影响其安全性。对个别出现问题的单体电池进行均衡充电或放电维护，使各单体电池保持电压一致是解决上述问题的重要途径，这样既可以更好地发挥电池性能，又可以延长动力电池组的整体使用寿命。
目前对电池组进行均衡维护的方法主要有两种技术路线：一种是被动均衡电路，也称为能耗型均衡电路，通常采用在单体电池两端并联电阻等负载的方式，通过负载放电将电压高的单体电池的电能转换成热能，以此来达到电压平衡，但是这种电路既消耗了单体电池的能量，又增加了单体电池热管理的困难。另一种是主动均衡电路，即非能耗性均衡电路，利用电感或电容等储能元件，将动力电池组中容量高的单体电池的能量转移到容量偏低的电池，这种电路通过切换电容开关，由电容传递相邻单体电池的能量，或通过电感储能的方式，在相邻单体电池之间进行双向能量传递。虽然这种电路的能量损耗很小，但是达到均衡需要经过多次传输，因此均衡速度较慢，不适于串联单体电池数量较多的动力电池组。另外，这两种方法都受限于电池包的体积、重量和散热要求，均衡电流都不能太大，所以均衡维护的效率很低。
发明内容
本发明提供一种动力电池组均衡维护系统及方法，可以简单、高效地实现对动力电池组的均衡维护。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种动力电池组均衡维护系统，所述系统包括：均衡控制单元、开关控制器、开关阵列、充放电端口、充电器和放电器；所述充放电端口分为两路，一路与所述充电器连接，另一路与所述放电器连接；
所述均衡控制单元，用于采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息并传送至所述开关控制器；
所述开关控制器，用于根据接收的各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池，根据判断结果控制所述开关阵列，以将所述动力电池组中的待充电和待放电的单体电池与所述充放电端口连通，使所述充电器为待充电的单体电池进行均衡充电、使所述放电器为待放电的单体电池进行均衡放电。
可选地，所述开关控制器，具体用于计算动力电池组中各单体电池两端电压值的均值，并根据所述均值计算单体电池的电压偏差值，根据所述单体电池的电压偏差值判断需要充放电均衡的单体电池。
可选地，所述开关控制器根据以下判断原则确定需要充放电均衡的单体电池：
若单体电池的电压偏差值小于 0 且绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电；若单体电池的电压偏差值大于 0 且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电；其中，所述单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去所述动力电池组中各单体电池两端电压值的均值。
可选地，在所述充放电端口与所述充电器连接的线路上设有第一开关KA，在所述充放电端口与所述放电器连接的线路上设有第二开关KB；
当存在待充电的单体电池时，所述开关控制器控制所述第一开关KA闭合，待充电的单体电池经由所述开关阵列、所述充放电端口、所述第一开关KA与所述充电器连通；当存在待放电的单体电池时，所述开关控制器控制所述第二开关KB闭合，待放电的单体电池经由所述开关阵列、所述充放电端口、所述第二开关KB与所述放电器连通。
可选地，所述开关控制器，还用于在所述单体电池均衡充电或均衡放电至所述单体电池的电压偏差值回归到按电池厂家或者用电设备规定的一致性区间后，控制所述开关阵列，使所述单体电池与所述充放电端口断开，停止为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。
可选地，所述开关控制器为单片机或者其它嵌入式系统。
可选地，所述开关阵列包括多个多选一电子开关或者继电器阵列。
一种动力电池组均衡维护方法，所述方法包括：
采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息；
根据各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池；
将需要充放电均衡的单体电池与充放电端口中连通，为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。
可选地，所述根据各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池包括：
计算动力电池组中各单体电池两端电压值的均值；
根据所述均值计算单体电池的电压偏差值；
根据所述单体电池的电压偏差值判断需要充放电均衡的单体电池。
可选地，所述根据所述单体电池的电压偏差值判断需要充放电均衡的单体电池包括：
若单体电池的电压偏差值小于 0 且绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电；
若单体电池的电压偏差值大于 0 且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电；
其中，所述单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去所述动力电池组中各单体电池两端电压值的均值。
可选地，所述方法还包括：在所述单体电池均衡充电或均衡放电至所述单体电池的电压偏差值回归到正常区间后，将所述单体电池与所述充放电端口断开，停止为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。
本发明实施例提供的动力电池组均衡维护系统及方法，通过采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息，根据各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池，将需要充放电均衡的单体电池与充放电端口中连通，从而为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。利用本发明方案，可以简单、高效地实现对动力电池组的均衡维护，提高电池组性能，延长动力电池组的整体使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例动力电池组均衡维护系统的一种原理框图；
图2是本发明实施例动力电池组均衡维护系统的一种具体结构示意图；
图3是本发明实施例动力电池组均衡维护方法的一种流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对现有的对电池组进行均衡维护的方法存在的问题，本发明实施例提供一种动力电池组均衡维护系统及方法，通过采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息，根据各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池，将需要充放电均衡的单体电池与充放电端口中连通，为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电，从而简单、高效地实现对动力电池组的均衡维护。
如图1所示，是本发明实施例动力电池组均衡维护系统的一种原理框图。
该动力电池组均衡维护系统包括：均衡控制单元20、开关控制器40、开关阵列30、充放电端口50、充电器60和放电器70。所述充放电端口50分为两路，一路与充电器60连接，另一路与放电器70连接。这样，需要均衡充电的单体电池可以通过相应的通路与充电器60相连，使充电器60为所述单体电池充电，需要均衡放电的单体电池可以通过相应的通路与放电器70相连，使放电器70为所述单体电池放电。
在该实施例中，均衡控制单元20用于采集动力电池组10中串联连接的各单体电池的电压信息并将所述电压信息传送至开关控制器40。
相应地，开关控制器40根据接收的各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池，根据判断结果控制开关阵列30，以将动力电池组10中的待充电和待放电的单体电池与充放电端口连通，从而使充电器60为待充电的单体电池进行均衡充电、使放电器70为待放电的单体电池进行均衡放电。具体地，开关控制器40根据判断结果控制开关阵列30，使动力电池组10中的待充电和待放电的单体电池逐一经由开关阵列30与充放电端口50接通。
在实际应用中，开关控制器40可以计算动力电池组中各单体电池两端电压值的均值，并根据所述均值计算单体电池的电压偏差值，根据所述单体电池的电压偏差值判断需要充放电均衡的单体电池。具体地，若单体电池的电压偏差值小于 0 且绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电；若单体电池的电压偏差值大于 0 且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电；其中，所述单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去所述动力电池组中各单体电池两端电压值的均值。
需要说明的是，所述偏差控制阈值可以根据测量统计值或者经验值来确定，对此本发明实施例不做限定。
为了进一步方便地实现对单体电池充放电的控制，如图1所示，在充放电端口50与充电器60连接的线路上还可设有第一开关KA，在充放电端口50与放电器70连接的线路上还可设有第二开关KB。
第一开关KA和第二开关KB的打开与闭合受开关控制器40的控制。具体地，当存在待充电的单体电池时，开关控制器40控制第一开关KA闭合，待充电的单体电池经由开关阵列30、充放电端口50、第一开关KA与充电器60连通，充电器60对该单体电池进行充电。当存在待放电的单体电池时，开关控制器40控制第二开关KB闭合，待放电的单体电池经由开关阵列30、充放电端口50、第二开关KB与放电器70连通，放电器70对该单体电池进行放电。
进一步地，开关控制器40还用于在所述单体电池均衡充电或均衡放电至所述单体电池的电压偏差值回归到电池厂家或者用电设备规定的一致性区间后，控制开关阵列30，使所述单体电池与充放电端口50断开，从而停止为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。当然，在所述单体电池均衡充电或均衡放电至所述单体电池的电压偏差值回归到正常区间后，开关控制器40还需要控制第一开关KA或第二开关KB断开。
需要说明的是，本发明实施例中所述的单体电池可以是串联结构的电池组中的单个电池，也可以是先并后串结构的电池组中并联的电池，由于无论是几个电池并联，这些并联后的电池的电压是一样的，因此可以将并联的多个电池看作是一个单体电池。
本发明实施例动力电池组均衡维护系统，通过均衡控制单元20与开关控制器40相互配合，由开关阵列30实现对动力电池组中需要均衡的单体电池进行一对一的均衡充放电，充放电过程中的电流可以根据需要调节大小，可操作性强，均衡充放电效率高。
需要说明的是，在具体应用中，所述开关控制器40可以采用单片机来实现，所述开关阵列30可以采用多个多选一电子开关来实现。
下面举例进一步说明本发明动力电池组均衡维护系统。如图2所示，是本发明实施例动力电池组均衡维护系统的一种具体结构示意图。
图2以一个48只单体电池串联的电池组为例进行说明。
参照图2，针对由48只单体电池10-1 至10-48串联连接组成的动力电池组10，本发明实施例提供的动力电池组均衡维护系统设计如下：
开关控制器40选用单片机U1，单片机 U1 连接有报警灯LED，单片机U1控制报警灯LED的点亮、熄灭。
开关阵列30由12个八选一电子开关 30A至30L构成，每个八选一电子开关的控制端 A、B、C 和使能端EN与单片机U1 的相应控制引脚连接。如图2所示，每8只单体电池对应设有两个八选一电子开关。对于每个单体电池相应配设的两个八选一电子开关而言，以单体电池10-1 为例说明，八选一电子开关 30A 的输入端 K1+与单体电池10-1 的正极连接，单体电池 10-1 的负极与八选一电子开关30B的输入端K1-连接，八选一电子开关 30A 的输出端 OUT+ 与充放电端口50的内侧正端连接，八选一电子开关 30B的输出端 OUT- 与充放电端口 50 的内侧负端连接。
单片机U1通过内置3-8译码器控制八选一电子开关，当其被使能时，根据3-8译码器的地址线A、B、C的逻辑电平，八选一电子开关中只有一路开关导通，其真值表如下表 1所示。
表1 八选一电子开关真值表
Figure 145881DEST_PATH_IMAGE001
正常情况下，单片机 U1 控制向 12 个八选一电子开关 30A 至 30L 的使能端EN 输入高电平，使 12 个八选一电子开关 30A 至 30L 中的开关均不导通，且单片机 U1的引脚 14 输出低电平，报警灯 LED 处于熄灭状态。
均衡控制单元 20 检测各个单体电池 10-1 至 10-48 的两端电压并将电压信息传递给单片机 U1。例如当单片机 U1 检测到单体电池 10-1 的电压偏差值小于 0 且绝对值大于偏差控制阈值时，单片机 U1 控制引脚 14 输出高电平，点亮报警灯 LED，同时控制引脚 39、38、37、36 分别输出低、低、低、低电平，使八选一电子开关 30A、30B 的 开关K1闭合，单体电池10-1 的正、负极与充放电端口 50 的正负端导通。此时由单片机 U1 控制第一开关 KA 闭合，于是单体电池 10-1 与充电器 60 形成充电回路，对单体电池 10-1 进行均衡充电。在充电过程中，均衡控制单元 20采集单体电池 10-1两端的电压，当单体电池10-1两端的电压上升到电池厂家或者用电设备规定的一致性区间时，均衡控制单元 20 通知单片机 U1，于是单片机 U1 控制引脚 36 变为高电平，关断八选一电子开关使能控制位，八选一电子开关 30A 的开关 K1打开，单体电池 10-1的正、负极与充放电端口 50 的内侧正、负端断开，停止充电，同时单片机 U1 控制报警灯 LED 熄灭。
同样，当动力电池组 10 中某只单体电池的电压偏差值大于 0 且大于偏差控制阈值时，通过与上述充电控制过程类似的过程使该单体电池与充放电端口 50 连通，且控制第二开关 KB 闭合，从而该单体电池与放电器 70 之间形成放电回路，由放电器70对该单体电池进行均衡放电。
相应地，本发明实施例还提供一种动力电池组均衡维护方法，如图3所示，是该方法的一种流程图，包括以下步骤：
步骤301，采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息。
步骤302，根据各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池。
具体地，计算动力电池组中各单体电池两端电压值的均值；根据所述均值计算单体电池的电压偏差值；根据所述单体电池的电压偏差值判断需要充放电均衡的单体电池。
在确定每个单体电池是否需要充放电，可以根据以下判断原则进行判断，即：
若单体电池的电压偏差值小于 0 且绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电；
若单体电池的电压偏差值大于 0 且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电；
其中，所述单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去所述动力电池组中各单体电池两端电压值的均值。
步骤303，将需要充放电均衡的单体电池与充放电端口中连通，为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。
进一步地，在本发明方法另一实施例中，还可包括以下步骤：在所述单体电池均衡充电或均衡放电至所述单体电池的电压偏差值回归到正常区间后，将所述单体电池与所述充放电端口断开，停止为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。
本发明实施例提供的动力电池组均衡维护系统及方法，通过采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息，根据各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池，将需要充放电均衡的单体电池与充放电端口中连通，从而为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。利用本发明方案，可以简单、高效地实现对动力电池组的均衡维护，提高电池组性能，延长动力电池组的整体使用寿命。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。而且，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块和单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个网络单元上，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劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，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 (11)

1.一种动力电池组均衡维护系统，其特征在于，所述系统包括：均衡控制单元、开关控制器、开关阵列、充放电端口、充电器和放电器；所述充放电端口分为两路，一路与所述充电器连接，另一路与所述放电器连接；
所述均衡控制单元，用于采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息并传送至所述开关控制器；
所述开关控制器，用于根据接收的各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池，根据判断结果控制所述开关阵列，以将所述动力电池组中的待充电和待放电的单体电池与所述充放电端口连通，使所述充电器为待充电的单体电池进行均衡充电、使所述放电器为待放电的单体电池进行均衡放电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述开关控制器，具体用于计算动力电池组中各单体电池两端电压值的均值，并根据所述均值计算单体电池的电压偏差值，根据所述单体电池的电压偏差值判断需要充放电均衡的单体电池。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述开关控制器根据以下判断原则确定需要充放电均衡的单体电池：
若单体电池的电压偏差值小于 0 且绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电；若单体电池的电压偏差值大于 0 且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电；其中，所述单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去所述动力电池组中各单体电池两端电压值的均值。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述充放电端口与所述充电器连接的线路上设有第一开关KA，在所述充放电端口与所述放电器连接的线路上设有第二开关KB；
当存在待充电的单体电池时，所述开关控制器控制所述第一开关KA闭合，待充电的单体电池经由所述开关阵列、所述充放电端口、所述第一开关KA与所述充电器连通；当存在待放电的单体电池时，所述开关控制器控制所述第二开关KB闭合，待放电的单体电池经由所述开关阵列、所述充放电端口、所述第二开关KB与所述放电器连通。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述开关控制器，还用于在所述单体电池均衡充电或均衡放电至所述单体电池的电压偏差值回归到按电池厂家或者用电设备规定的一致性区间后，控制所述开关阵列，使所述单体电池与所述充放电端口断开，停止为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。
6.根据权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述开关控制器为单片机或者其它嵌入式系统。
7.根据权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述开关阵列包括多个多选一电子开关或者继电器阵列。
8.一种动力电池组均衡维护方法，其特征在于，所述方法包括：
采集动力电池组中串联连接的各单体电池的电压信息；
根据各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池；
将需要充放电均衡的单体电池与充放电端口中连通，为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据各单体电池的电压信息，判断需要充放电均衡的单体电池包括：
计算动力电池组中各单体电池两端电压值的均值；
根据所述均值计算单体电池的电压偏差值；
根据所述单体电池的电压偏差值判断需要充放电均衡的单体电池。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述单体电池的电压偏差值判断需要充放电均衡的单体电池包括：
若单体电池的电压偏差值小于 0 且绝对值大于偏差控制阈值，则该单体电池需要充电；
若单体电池的电压偏差值大于 0 且大于偏差控制阈值，则该单体电池需要放电；
其中，所述单体电池的电压偏差值等于单体电池两端电压值减去所述动力电池组中各单体电池两端电压值的均值。
11.根据权利要求8至10任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述单体电池均衡充电或均衡放电至所述单体电池的电压偏差值回归到正常区间后，将所述单体电池与所述充放电端口断开，停止为所述单体电池进行均衡充电或均衡放电。
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