CN115296357A - 一种锂电池主动均衡系统及方法 - Google Patents

一种锂电池主动均衡系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂电池主动均衡系统及方法，属于锂电池领域，涉及主动均衡技术，设置有电压检测模块以及均衡模块，电压检测模块用于检测电池组的电压，并在电池组充电或者放电的过程中，周期性的检测单体电池的电压值，分别计算单体电压的放电系数Fxi或者充电系数Cxi，及时发现单体电池的问题，且设置有均衡模块，均衡模块包括n级均衡单元，每个等级的均衡单元包括M个均衡子单元，本发明在同一均衡子单元中实现电池单一的充放电均衡，避免了电池单体间的复杂电路连接，同时也能达到让所有的电池单体电压均衡到一个合格的范围，让整个电池组使用寿命大大地延长，提升了动力锂电池续航里程。

Description

一种锂电池主动均衡系统及方法
技术领域
本发明属于锂电池领域，涉及主动均衡技术，具体是一种锂电池主动均衡系统及方法。
背景技术
近年来，新能源汽车呈现快速增长，导致动力锂电池的需求量和报废量不断增长。电动汽车的动力电池性能会随着充电次数的增加而衰减，当电池一致性不好的情况下，电动汽车续航里程就会大幅度衰减。
现有的电池能量均衡系统将电量高的电芯的能量转移到能量低的电芯上，实现了对电压过低的电芯充电，并且对单压过高的电芯放电，快速的将所有的电芯能量均衡到一个平均的范围内，让整个储能电池包使用寿命延长，提升了动力锂电池续航里程。
但是现有的电池能量均衡系统是在充电过程或者放电结束后才分析判断出电量高的电芯或者电压过低的电芯，在问题电芯(电量高或者电压过低)的判断上存在滞后的现象，不能再充电或者放电过程中及时发现问题电芯，存在问题发现不及时的现象。
为此，本发明指出一种锂电池主动均衡系统及方法，用于及时发现问题电芯并及时做出调整。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种锂电池主动均衡系统，包括电池组、电压检测模块、均衡模块以及控制器；
所述电池组由若干个单体电池组成，所述电压检测模块包括若干检测单元，检测单元的数量与单体电池的数量一致；
所述均衡模块包括n级均衡单元，其中n表示均衡单元的等级，每个等级的均衡单元包括M个均衡子单元；
所述控制器用于接收电压检测模块发送的电压值并进行均衡处理；控制器判定电池组状态，并计算电池组状态系数，控制器给定电池组状态系数阈值范围；将电池组状态系数与电池组状态系数阈值范围进行比较，生成均衡信号；
所述均衡模块用于接收控制器发送的均衡信号，并针对不同的均衡信号执行不同的动作。
优选的，所述电压检测模块在进行电池组的电压检测时采用周期检测的方式，检测周期由控制器进行设定。
优选的，每个等级的均衡单元具有的均衡子单元的数量不一致。
优选的，电池组状态包括充电状态以及放电状态。
优选的，当控制器判定电池组进行放电时，控制器计算放电系数Fxi，其中放电系数的计算方式为：
Figure BDA0003730668070000021
控制器设定放电系数阈值范围，即(Fx0，Fx1)；当计算出的放电系数Fxi在放电系数阈值范围(Fx0，Fx1)内时，表示单体电池放电正常，控制器发送正常信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Fxi小于等于放电系数阈值下限值Fx0时，表示单体电池放电过慢，控制器发送放慢信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Fxi大于等于放电系数阈值上限值Fx1时，表示单体电池放电过快，控制器发送放快信号至均衡模块。
优选的，均衡模块获取所有放电过慢的单体电池以及所有放电过快的单体电池；
当存在同一均衡子单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；
当存在同一等级均衡单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；
当只存在放电过慢的单体电池时，均衡模块不做处理；
当只存在放电过快的单体电池时，均衡模块获取放电过快的单体电池的编号，并发送报警信号至控制器。
优选的，当控制器判定电池组进行充电时，控制器计算充电系数Cxi，其中充电系数的计算方式为：
Figure BDA0003730668070000031
控制器设定充电系数阈值范围，即(Cx0，Cx1)；
当计算出的充电系数Cxi在充电系数阈值范围(Cx0，Cx1)内时，表示单体电池充电正常，控制器发送正常信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Cxi小于等于放电系数阈值下限值Cx0时，表示单体电池充电过慢，控制器发送充慢信号至均衡模块；
当计算出的充电系数Cxi大于等于放电系数阈值上限值Cx1时，表示单体电池充电过快，控制器发送充快信号至均衡模块。
优选的，均衡模块获取所有充电过慢的单体电池以及所有充电过快的单体电池；
当存在同一均衡子单元内包含充电过慢的单体电池和充电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路；
加大充电过慢的单体电池的充电电压；并减小充电过快的单体电池的充电电压；
当存在同一等级均衡单元内包含充电过慢的单体电池和充电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路；加大充电过慢的单体电池的充电电压；并减小充电过快的单体电池的充电电压；
当只存在充电过慢的单体电池时，均衡模块获取充电过慢的单体电池的编号，并发送报警信号至控制器；
当只存在充电过快的单体电池时，均衡模块不做处理。
优选的，所述均衡信号包括正常信号、充慢信号、充快信号、放慢信号以及放快信号。
根据本发明的第二方面的实施例提出一种锂电池主动均衡方法，包括以下步骤：
电压检测模块内的若干检测单元周期检测电池组内若干个单体电池的电压值并发送至控制器；
控制器接收电压检测模块发送的电压值并进行均衡处理；控制器判定电池组状态，并计算电池组状态系数，控制器给定电池组状态系数阈值范围；将电池组状态系数与电池组状态系数阈值范围进行比较，生成均衡信号；
所述均衡模块用于接收控制器发送的均衡信号，并针对不同的均衡信号执行不同的动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设置有电压检测模块以及均衡模块，电压检测模块用于检测电池组的电压，并在电池组充电或者放电的过程中，周期性的检测单体电池的电压值，分别计算单体电压的放电系数Fxi或者充电系数Cxi，及时发现单体电池的问题，且设置有均衡模块，均衡模块包括n级均衡单元，每个等级的均衡单元包括M个均衡子单元，且每个等级的均衡单元具有的均衡子单元的数量不一致；每个均衡子单元并联在相互串联的两个单体电池的两侧；当存在同一均衡子单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；当存在同一等级均衡单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；本发明在同一均衡子单元中实现电池单一的充放电均衡，避免了电池单体间的复杂电路连接，同时也能达到让所有的电池单体电压均衡到一个合格的范围，让整个电池组使用寿命大大地延长，提升了动力锂电池续航里程。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明的原理图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种锂电池主动均衡系统，包括电池组、电压检测模块、均衡模块以及控制器；
在本申请中，所述电池组由若干个单体电池组成，其中，若干个单体电池都具备一定的电压，且若干个单体电池都具备一定的电压，且若干个单体电池为串联的方式进行连接，组成一个电池组为电动车提供电压；
需要进行说明的是，所述电压检测模块用于检测电池组的电压，其中，所述电压检测模块在进行电池组的电压检测时是周期检测的方式，其中的检测周期由控制器进行设定，且所述电压检测模块包括若干检测单元，检测单元的数量与单体电池的数量一致；
所述均衡模块包括n级均衡单元，其中n表示均衡单元的等级，每个等级的均衡单元包括M个均衡子单元，且每个等级的均衡单元具有的均衡子单元的数量不一致；
在本申请中，每个均衡子单元并联在相互串联的两个单体电池的两侧；需要进行说明的是，所述电压检测模块将检测到的单体电池的电压值发送至控制器，需要进行说明的是，因为所述电压检测模块在进行电池组的电压检测时是周期检测的方式，故在电压检测模块将检测到的单体电池的电压值分为放电电压值以及充电电压值，即在对电动车进行充电时，所述电压检测模块检测到的单体电池的电压值为充电电压值，在电动车进行工作时，所述电压检测模块检测到的单体电池的电压值为放电电压值；
所述控制器用于接收电压检测模块发送的电压值并进行均衡处理，具体的所述控制器对电压值进行处理的过程为：
步骤一：控制器接收电压检测模块发送的电压值，并分别标记为Vti，其中i表示单体电池的编号，i为正整数，且i＝1,2……p；p表示单体电池的总个数；t表示当前的检测周期编号；
步骤二：当控制器判定电池组进行放电时，控制器计算放电系数Fxi，其中放电系数的计算方式为：
Figure BDA0003730668070000061
需要进行说明的是，放电系数Fxi指的是两个检测周期内单体电池i的放电水平；
步骤三：控制器设定放电系数阈值范围，即(Fx0，Fx1)；
当计算出的放电系数Fxi在放电系数阈值范围(Fx0，Fx1)内时，表示单体电池放电正常，控制器发送正常信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Fxi小于等于放电系数阈值下限值Fx0时，表示单体电池放电过慢，控制器发送放慢信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Fxi大于等于放电系数阈值上限值Fx1时，表示单体电池放电过快，控制器发送放快信号至均衡模块；
步骤四：均衡模块接收控制器发送的均衡信号，并针对不同的均衡信号执行不同的动作；
其中，所述均衡信号包括正常信号、放慢信号以及放快信号。
在本申请中，当控制器判定电池组进行充电时，控制器计算充电系数Cxi，其中充电系数的计算方式为：
Figure BDA0003730668070000071
需要进行说明的是，充电系数Cxi指的是两个检测周期内单体电池i的充电水平；
步骤三：控制器设定充电系数阈值范围，即(Cx0，Cx1)；
当计算出的充电系数Cxi在充电系数阈值范围(Cx0，Cx1)内时，表示单体电池充电正常，控制器发送正常信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Cxi小于等于放电系数阈值下限值Cx0时，表示单体电池充电过慢，控制器发送充慢信号至均衡模块；
当计算出的充电系数Cxi大于等于放电系数阈值上限值Cx1时，表示单体电池充电过快，控制器发送充快信号至均衡模块；
其中，所述均衡信号包括正常信号、充慢信号以及充快信号。
所述均衡模块用于对单体电池进行均衡控制，具体的包括以下；
当处于放电时，均衡模块获取所有放电过慢的单体电池以及所有放电过快的单体电池；
当存在同一均衡子单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；
当存在同一等级均衡单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；
当只存在放电过慢的单体电池时，均衡模块不做处理；
当只存在放电过快的单体电池时，均衡模块获取放电过快的单体电池的编号，并发送报警信号至控制器。
当处于充电时，均衡模块获取所有充电过慢的单体电池以及所有充电过快的单体电池；
当存在同一均衡子单元内包含充电过慢的单体电池和充电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路；
加大充电过慢的单体电池的充电电压；并减小充电过快的单体电池的充电电压；
当存在同一等级均衡单元内包含充电过慢的单体电池和充电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路；
加大充电过慢的单体电池的充电电压；并减小充电过快的单体电池的充电电压；
当只存在充电过慢的单体电池时，均衡模块获取充电过慢的单体电池的编号，并发送报警信号至控制器。
当只存在充电过快的单体电池时，均衡模块不做处理。
需要进行说明的是，所述控制器还包括停止模块，当电池组进行充电时，每个单体电池均具有一个满充电压，当检测单元监测到单体电池的电压值达到满充电压时，断开电路，该单体电池不再进行充电。
一种锂电池主动均衡方法，具体包括以下步骤：
电压检测模块内的若干检测单元周期检测电池组内若干个单体电池的电压值并发送至控制器；
控制器接收电压检测模块发送的电压，并分别标记为Vti；判定电池组的状态类型，当控制器判定电池组进行放电时，控制器计算放电系数Fxi，设定放电系数阈值范围，即(Fx0，Fx1)；
当计算出的放电系数Fxi在放电系数阈值范围(Fx0，Fx1)内时，表示单体电池放电正常，控制器发送正常信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Fxi小于等于放电系数阈值下限值Fx0时，表示单体电池放电过慢，控制器发送放慢信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Fxi大于等于放电系数阈值上限值Fx1时，表示单体电池放电过快，控制器发送放快信号至均衡模块；
当处于放电时，均衡模块获取所有放电过慢的单体电池以及所有放电过快的单体电池；
当存在同一均衡子单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；
当存在同一等级均衡单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；
当只存在放电过慢的单体电池时，均衡模块不做处理；
当只存在放电过快的单体电池时，均衡模块获取放电过快的单体电池的编号，并发送报警信号至控制器。
当控制器判定电池组进行充电时，执行下一步：
控制器计算充电系数Cxi，控制器设定充电系数阈值范围，即(Cx0，Cx1)；
当计算出的充电系数Cxi在充电系数阈值范围(Cx0，Cx1)内时，表示单体电池充电正常，控制器发送正常信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Cxi小于等于放电系数阈值下限值Cx0时，表示单体电池充电过慢，控制器发送充慢信号至均衡模块；
当计算出的充电系数Cxi大于等于放电系数阈值上限值Cx1时，表示单体电池充电过快，控制器发送充快信号至均衡模块；
当处于充电时，均衡模块获取所有充电过慢的单体电池以及所有充电过快的单体电池；
当存在同一均衡子单元内包含充电过慢的单体电池和充电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路；
加大充电过慢的单体电池的充电电压；并减小充电过快的单体电池的充电电压；
当存在同一等级均衡单元内包含充电过慢的单体电池和充电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路；
加大充电过慢的单体电池的充电电压；并减小充电过快的单体电池的充电电压；
当只存在充电过慢的单体电池时，均衡模块获取充电过慢的单体电池的编号，并发送报警信号至控制器。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (10)

1.一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，包括电池组、电压检测模块、均衡模块以及控制器；
所述电池组由若干个单体电池组成，所述电压检测模块包括若干检测单元，检测单元的数量与单体电池的数量一致；
所述均衡模块包括n级均衡单元，其中n表示均衡单元的等级，每个等级的均衡单元包括M个均衡子单元；
所述控制器用于接收电压检测模块发送的电压值并进行均衡处理；控制器判定电池组状态，并计算电池组状态系数，控制器给定电池组状态系数阈值范围；将电池组状态系数与电池组状态系数阈值范围进行比较，生成均衡信号；
所述均衡模块用于接收控制器发送的均衡信号，并针对不同的均衡信号执行不同的动作。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，所述电压检测模块在进行电池组的电压检测时采用周期检测的方式，检测周期由控制器进行设定。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，每个等级的均衡单元具有的均衡子单元的数量不一致。
4.根据权利要求3所述的一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，电池组状态包括充电状态以及放电状态。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，当控制器判定电池组进行放电时，控制器计算放电系数Fxi，其中放电系数的计算方式为：
Figure FDA0003730668060000011
控制器设定放电系数阈值范围，即(Fx0，Fx1)；当计算出的放电系数Fxi在放电系数阈值范围(Fx0，Fx1)内时，表示单体电池放电正常，控制器发送正常信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Fxi小于等于放电系数阈值下限值Fx0时，表示单体电池放电过慢，控制器发送放慢信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Fxi大于等于放电系数阈值上限值Fx1时，表示单体电池放电过快，控制器发送放快信号至均衡模块。
6.根据权利要求5所述的一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，均衡模块获取所有放电过慢的单体电池以及所有放电过快的单体电池；
当存在同一均衡子单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；
当存在同一等级均衡单元内包含放电过慢的单体电池和放电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路，将放电过慢的单体电池的电量输入至放电过快的单体电池内，使得同一均衡子单元内的单体电池放电一致；
当只存在放电过慢的单体电池时，均衡模块不做处理；
当只存在放电过快的单体电池时，均衡模块获取放电过快的单体电池的编号，并发送报警信号至控制器。
7.根据权利要求6所述的一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，当控制器判定电池组进行充电时，控制器计算充电系数Cxi，其中充电系数的计算方式为：
Figure FDA0003730668060000021
控制器设定充电系数阈值范围，即(Cx0，Cx1)；
当计算出的充电系数Cxi在充电系数阈值范围(Cx0，Cx1)内时，表示单体电池充电正常，控制器发送正常信号至均衡模块；
当计算出的放电系数Cxi小于等于放电系数阈值下限值Cx0时，表示单体电池充电过慢，控制器发送充慢信号至均衡模块；
当计算出的充电系数Cxi大于等于放电系数阈值上限值Cx1时，表示单体电池充电过快，控制器发送充快信号至均衡模块。
8.根据权利要求7所述的一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，均衡模块获取所有充电过慢的单体电池以及所有充电过快的单体电池；
当存在同一均衡子单元内包含充电过慢的单体电池和充电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路；
加大充电过慢的单体电池的充电电压；并减小充电过快的单体电池的充电电压；
当存在同一等级均衡单元内包含充电过慢的单体电池和充电过快的单体电池时，均衡模块调节电池电路；加大充电过慢的单体电池的充电电压；并减小充电过快的单体电池的充电电压；
当只存在充电过慢的单体电池时，均衡模块获取充电过慢的单体电池的编号，并发送报警信号至控制器；
当只存在充电过快的单体电池时，均衡模块不做处理。
9.根据权利要求8所述的一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，所述均衡信号包括正常信号、充慢信号、充快信号、放慢信号以及放快信号。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种锂电池主动均衡系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
电压检测模块内的若干检测单元周期检测电池组内若干个单体电池的电压值并发送至控制器；
控制器接收电压检测模块发送的电压值并进行均衡处理；控制器判定电池组状态，并计算电池组状态系数，控制器给定电池组状态系数阈值范围；将电池组状态系数与电池组状态系数阈值范围进行比较，生成均衡信号；
所述均衡模块用于接收控制器发送的均衡信号，并针对不同的均衡信号执行不同的动作。
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杨会州: "升降压电路在动力电池组均衡技术中的应用研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）工程科技Ⅱ辑》 *

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