CN116760143A - 一种电均衡方法及电池包 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种由电池单元(1)、充电模块(2)、控制器(3)、若干温度传感器(4)、电压传感器(5)、电子开关(6)和电阻器(7)构成的电池包，用于满足电池包在充电过程中能够安全稳定、尽可能充满和快速充电。本发明还提供一种应用于上述电池包的充电方法：充电启动时，在时间间隔Δt测得每个电池单元(1)的温度值和供电电压值并与相应最大值进行比较来判断是否结束充电；若测量值不满足结束充电条件，则比较t与FΔt的大小来采集数据，并将测得数据与其对应阈值进行比较并进行对应操作来实现电池包充电过程中的安全稳定。本发明结构较为简单且同时具有安全稳定、尽可能充满和快速充电的优点。

Description

一种电均衡方法及电池包
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种电均衡方法及电池包。
背景技术
以锂离子电池为代表的各种电池广泛应用于交通、储能和数码电子产品领域。由于单个电池单体电压和能量较低，通常将多个电池单体串并联构成电池包使用。为了保证电池包的容量和循环寿命，需要尽可能地保证所有电池单体尽可能地保持一致。在电池包服役过程，最常见地需求是让各电池单体的电压一致；若各电池单体的电压差距较大，则需要将对电压较高的电池单体进行放电操作以降低其电压，从而避免短板效应。
当前公知的技术方案中，可以通过外接电阻的方式对电压过高的电池单体放电至某个电压值以达到电均衡目的。但是当前的技术方案并不足够精细，不能达到精确的均衡效果，其主要障碍在于并不精准地确认均衡过程所需要的放电程度，亦即难以确认应该将电池单体放电到什么电压值时，才恰好达到了其均衡效果。
这是因为电池单体的电压主要分为开路电压和端电压两种，前者是指电池单体经过充分搁置、内部近似处于电化学平衡状态时的电压值；后者是电池单体处于充放电时电压值，其大小受到当前电池自身内部状态以及充放电电流大小等多种因素的影响。对某个电池单体进行电均衡时，若是简单地将其放电至某个端电压值，则难以保证足够的精度。
举个例子，某电池包由多个锂离子电池单体构成。该电池包处于搁置状态时，某一个电池单体(假设为1号)的电压为3.35V而其他电池单体的电压均为3.30V。按照常规思维，对1号电池单体放电至3.30V即完成了电均衡。事实上，当1号电池单体放电至3.30V时，由于该电池单体并未处于平衡态(正在放电)，其真实的开路电压值并不是3.30V而是大于3.30V。因此，按照这种方式结束电均衡并搁置一段时间后，1号电池单体电压会略有上升并大于3.30V，而其他电池单体电压还是3.30V，那么该电池包并未达到很好的电均衡效果。当然，可以让电池单体均衡过程的放电电流尽可能小，使其尽可能地接近平衡态，从而减少上述差异，但这样也意味着较长的均衡时间，效率较低。
综上所述，当前亟待开发用于电池包的、新的电均衡方法，达到高效、高精度均衡目的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种依赖的电路结构较为简单且同时具有高效、高精度特点的电均衡方法，并提供相应的电池包。
根据本发明的一个方面，提供一种电池包电均衡方法，对构成电池包的所有电池单元依次编号为1#至N#，其中N为电池单元的总数目，不断地以固定的时间间隔Δt采集并存储每个电池单元的电压值，当需要对电池包进行电均衡时，执行以下步骤：
步骤S1、电池包搁置一段时间；
步骤S2、读取搁置结束时刻各电池单元的电压值，统计得到其最小值Um，并找出电压值高于最小值Um的电池单元；
步骤S3、对步骤S2中找出的每一个电池单元分别进行放电操作，以编号为I#的电池单元为例，其放电操作按以下子步骤进行：
子步骤S3.1、记录I#电池单元搁置结束时刻的电压值UI1；
子步骤S3.2、对I#电池单元以电流值I0启动恒流放电，记录放电启动瞬间的电压值UI2；
子步骤S3.3、估算I#电池单元的内阻Rc：
Rc＝(UI1-UI2)/I0(1)
子步骤S3.4、当I#电池单元的电压值降至Um-I0Rc时，结束对其的恒流放电。
上述电池包电均衡方法，所述固定的时间间隔Δt的取值处于1毫秒至1秒之间。
上述电池包电均衡方法，对电池包进行电均衡的必要条件为，所有电池单元电压值中的最大值和最小值之差大于电池单元额定电压值的k倍，其中k处于0.001至0.01之间。
上述电池包电均衡方法，步骤S1中的搁置时长处于1分钟至2小时之间。
上述电池包电均衡方法，步骤S3中对某个电池单元的恒流放电的电流值I0，为该电池单元以1C倍率放电所对应电流值的0.1％至5％之间。
上述电池包电均衡方法，步骤S3中对某个电池单元的恒流放电，采用的方法是将该电池单元通过常开式电子开关与可变电阻器串联，通过闭合常开式电子开关并动态调整可变电阻器的电阻值来实现其恒流放电。
上述电池包电均衡方法，用于实现某个电池单元恒流放电的方法中，电池单元、常开式电子开关和可变电阻器所构成电路中还包括电流传感器和控制器，其中电流传感器用于测量电池单元的放电电流值；控制器分别与常开式电子开关、电流传感器和可变电阻器电性连接，用于控制常开式电子开关的通断、实时获得放电电流值并动态调整可变电阻器的阻值以达到恒流放电目的。
根据本发明的另一个方面，提供一种电池包，应用了上述电均衡方法。
本发明通过结构较为简单的均衡电路来实现电均衡，除了原本正常电能传输的电路连接之外，对需进行电均衡的电池单元单独连通带可变电阻器的电路来使其恒流放电。为了提高电均衡的精度，记录均衡的电池单元接通瞬间的电压降，并将这一电压降除以均衡电流估算电池单元当前状态的内阻。相应地，基于估算的内阻对恒流放电结束态的电压值进行修正，而不是简单地直接选取其他正常电池单元的开路电压作为需均衡电池放电结束态的判据，这样就在很大程度上提升了电均衡精度。由于上述修正量与电池内阻和均衡电流都有关，故即使均衡过程使用了相对较大的均衡电流，也不会导致过大的偏差，能够使电均衡较为快速、高效。
本发明中，电池单元由1个电池单体或多个互相并联的电池单体构成，多个电池单元再串联构成电池包。
附图说明
图1为本发明实施例中电池单元及其均衡电路的构成示意图，图中1为电池单元，2为常开式电子开关，3为电流传感器，4为可变电阻器，5为控制器，11和12分别为电池单元1的正极柱和负极柱。
图2为本发明实施例中电均衡方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1-2和实施例对本发明作进一步的说明。
如图2所示，一种电池包电均衡方法，对构成电池包的所有电池单元依次编号为1#至N#，其中N为电池单元的总数目，不断地以固定的时间间隔Δt采集并存储每个电池单元的电压值，当需要对电池包进行电均衡时，执行以下步骤：
步骤S1、电池包搁置一段时间；
步骤S2、读取搁置结束时刻各电池单元的电压值，统计得到其最小值Um，并找出电压值高于最小值Um的电池单元；
步骤S3、对步骤S2中找出的每一个电池单元分别进行放电操作，以编号为I#的电池单元为例，其放电操作按以下子步骤进行：
子步骤S3.1、记录I#电池单元搁置结束时刻的电压值UI1；
子步骤S3.2、对I#电池单元以电流值I0启动恒流放电，记录放电启动瞬间的电压值UI2；
子步骤S3.3、估算I#电池单元的内阻Rc：
Rc＝(UI1-UI2)/I0(1)
子步骤S3.4、当I#电池单元的电压值降至Um-I0Rc时，结束对其的恒流放电。
上述电池包电均衡方法，所述固定的时间间隔Δt的取值处于1毫秒至1秒之间。
上述电池包电均衡方法，对电池包进行电均衡的必要条件为，所有电池单元电压值中的最大值和最小值之差大于电池单元额定电压值的k倍，其中k处于0.001至0.01之间。
上述电池包电均衡方法，步骤S1中的搁置时长处于1分钟至2小时之间。
上述电池包电均衡方法，步骤S3中对某个电池单元1的恒流放电的电流值I0，为该电池单元1以1C倍率放电所对应电流值的0.1％至5％之间。
上述电池包电均衡方法，步骤S3中对某个电池单元1的恒流放电，采用的方法是将该电池单元1通过常开式电子开关2与可变电阻器4串联，通过闭合常开式电子开关2并动态调整可变电阻器4的电阻值来实现其恒流放电。
上述电池包电均衡方法，用于实现某个电池单元1恒流放电的方法中，电池单元1、常开式电子开关2和可变电阻器4所构成电路中还包括电流传感器3和控制器5，其中电流传感器3用于测量电池单元1的放电电流值；控制器5分别与常开式电子开关2、电流传感3器和可变电阻器4电性连接，用于控制常开式电子开关2的通断、实时获得放电电流值并动态调整可变电阻器4的组织以达到恒流放电目的。如图1所示，电池单元1设有正极柱11和负极柱12，正极柱11依次通过常开式电子开关2、电流传感器3和可变电阻器4与负极柱12构成串联回路，控制器5分别与常开式电子开关2、电流传感器3和可变电阻器4电性连接。当该电池单元1需要电均衡时，控制器5发出指令使常开式电子开关2闭合，导通均衡电路，同时实时读取电流传感器3测得的回路电流值并调节可变电阻器4的电阻值以实现恒流放电功能。
根据本发明的另一个方面，提供一种电池包，应用了上述电均衡方法。
实施例
请参照图1至图2理解本实施例。
某电池包由10只三元锂离子电池单体串联而成，1只电池单体构成1个电池单元，各电池单元分别记为1#至10#，各电池单元的额定容量为100Ah、额定电压为3.7V。
本实施例中，时间间隔Δt＝0.1秒，k取0.002，恒流放电的电流值I0＝1A。
某日，该电池包结束当天的充放电工作，处于搁置状态，不断地以固定的时间间隔Δt＝0.1s采集并存储每个电池单元的电压值，某时刻测得2#电池单元的电压值为3.823V，而其他9个电池单元的电压值均为3.815V，故电池单元电压值中的最大值和最小值之差为0.008V，大于电池单元额定电压值3.7V的k倍，可进行电均衡。
电均衡的步骤如下：
步骤S1、电池包搁置5分钟；
步骤S2、读取搁置结束时刻各电池单元的电压值，发现仍然是2#电池单元的电压值为3.823V，而其他9个电池单元的电压值均为3.815V，故统计得到各电池单元电压值的最小值Um＝3.815V，并找出电压值高于最小值Um的电池单元为2#电池单元；
步骤S3、对2#电池单元按以下子步骤进行放电操作：
子步骤S3.1、记录2#电池单元搁置结束时刻的电压值UI1＝3.823V；
子步骤S3.2、对2#电池单元以电流值I0＝1A启动恒流放电，记录放电启动瞬间的电压值UI2＝3.817V；
子步骤S3.3、估算I#电池单元的内阻Rc：
Rc＝(UI1-UI2)/I0＝(3.823-3.817)/1＝0.006Ω(1)
子步骤S3.4、当2#电池单元的电压值降至Um-I0Rc＝3.815-1*0.006＝3.809V时，结束对其的恒流放电。
为了验证电均衡效果，2#电池单元恒流放电结束后，电池包再搁置1小时，然后测量各电池单元的电压值，发现所有电池单元的电压均为3.815V，这说明具有很好的电均衡精度。
本实施例中，不光是2#电池单元，所有电池单元均设有如图1所示的电均衡电路，故10个电池单元对应了10套电均衡电路。作为本实施例的改进，某些电池包产品中可以让多个电池单元共用一套电均衡电路，通过电子开关的切换，使得同一时刻可变电阻器和电流传感器只与一个电池单元的正负极柱接通和进行电均衡。
需要指出的是，本发明中，所有电池单元电压值中的最大值和最小值之差大于电池单元额定电压值的k倍，只是对电池包进行电均衡的必要条件，实际是否能够启动电均衡，还要看电池包当前是否在执行工作任务。若电池包在执行的工作任务不可中断，则一般应等其工作任务结束后才能启动电均衡操作。
本实施例中，通过结构较为简单的均衡电路来实现电均衡，除了原本正常电能传输的电路连接之外，对需进行电均衡的电池单元单独连通带有可变电阻器的电路来使其恒流放电。为了提高电均衡的精度，记录均衡的电池单元接通瞬间的电压降，并将这一电压降除以均衡电流估算电池单元当前状态的内阻。相应地，基于估算的内阻对恒流放电结束态的电压值进行修正，而不是简单地直接选取其他正常电池单元的开路电压作为需均衡电池放电结束态的判据，这样就在很大程度上提升了电均衡精度。由于上述修正量与电池内阻和均衡电流都有关，故即使均衡过程使用了相对较大的均衡电流，也不会导致过大的偏差，能够使电均衡较为快速、高效。

Claims (8)

1.一种电池包电均衡方法，其特征在于，对构成电池包的所有电池单元依次编号为1#至N#，其中N为电池单元的总数目，不断地以固定的时间间隔Δt采集并存储每个电池单元的电压值，当需要对电池包进行电均衡时，执行以下步骤：
步骤S1、电池包搁置一段时间；
步骤S2、读取搁置结束时刻各电池单元的电压值，统计得到其最小值Um，并找出电压值高于最小值Um的电池单元；
步骤S3、对步骤S2中找出的每一个电池单元分别进行放电操作，以编号为I#的电池单元为例，其放电操作按以下子步骤进行：
子步骤S3.1、记录I#电池单元搁置结束时刻的电压值UI1；
子步骤S3.2、对I#电池单元以电流值I0启动恒流放电，记录放电启动瞬间的电压值UI2；
子步骤S3.3、估算I#电池单元的内阻Rc：
Rc＝(UI1-UI2)/I0(1)
子步骤S3.4、当I#电池单元的电压值降至Um-I0Rc时，结束对其的恒流放电。
2.权利要求1所述的电池包电均衡方法，其特征在于，所述固定的时间间隔Δt的取值处于1毫秒至1秒之间。
3.权利要求1所述的电池包电均衡方法，其特征在于，对电池包进行电均衡的必要条件为，所有电池单元电压值中的最大值和最小值之差大于电池单元额定电压值的k倍，其中k处于0.001至0.01之间。
4.权利要求1所述的电池包电均衡方法，其特征在于，步骤S1中的搁置时长处于1分钟至2小时之间。
5.权利要求1所述的电池包电均衡方法，其特征在于，步骤S3中对某个电池单元的恒流放电的电流值I0，为该电池单元以1C倍率放电所对应电流值的0.1％至5％之间。
6.权利要求1所述的电池包电均衡方法，其特征在于，步骤S3中对某个电池单元的恒流放电，采用的方法是将该电池单元通过常开式电子开关与可变电阻器串联，通过闭合常开式电子开关并动态调整可变电阻器的电阻值来实现其恒流放电。
7.权利要求6所述的电池包电均衡方法，其特征在于，用于实现某个电池单元恒流放电的方法中，电池单元、常开式电子开关和可变电阻器所构成电路中还包括电流传感器和控制器，其中电流传感器用于测量电池单元的放电电流值；控制器分别与常开式电子开关、电流传感器和可变电阻器电性连接，用于控制常开式电子开关的通断、实时获得放电电流值并动态调整可变电阻器的阻值以达到恒流放电目的。
8.一种电池包，其特征在于，应用了权利要求1-7任意一项所述的电均衡方法。
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