CN116981592A - 电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
一种电池平衡方法和系统，用于利用单个电气充电器对在电气串联串中连接在一起的多个电池进行充电。例如，电池平衡方法和系统利用各个电池的电池管理系统(BMS)，用于在用单个电气充电器对串联串充电时，提供在电气串联串中连接在一起的多个电池的电池平衡。
Description
技术领域
本发明涉及电池平衡以电气串联方式连接的锂离子电池串的荷电状态(SoC)的方法及其系统。
背景技术
为了达到应用所需的更高的电压，通常使用电气串联布置的多个锂离子电芯(cell)来设计锂离子电池。
即使电池制造商在电池组装期间利用复杂的程序来对电芯进行分类和匹配，但是没有两个锂离子电池电芯是相同的。锂离子电池在SoC、容量、内阻、自放电率和温度特性方面总是存在小的差异。如果没有解决锂离子电芯中的这些小的差异，则结果将是电芯电压随时间出现差异。电芯电压的差异会导致电池性能差和潜在的安全问题。出于这个原因，许多电池将电芯平衡结合到它们的电池管理系统(BMS)中。
有两种常用于电气串联连接的锂离子电池进行电芯平衡的方法，包括被动平衡和主动电芯平衡。
被动电芯平衡是最常见的。其成本低、易于实现、效果好。在被动电芯平衡中，在充电期间，负载在电芯两端切换以旁路充电电流，以便使其与其它电池电芯均衡。电气串联中的电池电芯中的每个具有其自己的旁路电阻器。
主动电芯平衡使用更复杂的方法，该方法在电芯之间重新分配电荷以保持平衡。主动电芯平衡通常使用电容器或电感器来存储能量并且在电池电芯之间重新分配能量。这是一种低损耗过程，其消除了被动电芯平衡的电阻性负载中固有的功率损耗。
电芯平衡在保持单个电池组中的电芯之间的平衡方面可以是高度有效的。然而，当电池(例如可充电电池、锂离子可充电电池)在电气串联串中连接在一起时，也需要平衡电池。
许多应用需要两个或多个电池电气串联连接以达到更高的应用电压。这种电气串联连接的电池串通常作为单个单元充电和放电。这可以引起电池之间的不平衡，就像在电池内部的各个电芯之间产生不平衡一样。
在电池内部，在制造期间匹配各个电芯，然后密封电池。相比之下，电气串联串中的电池不必匹配，并且由于它们是分离的和可移除的，因此它们可能经受可能影响它们的SoC的不同条件。出于这些原因，希望实现一些方法以平衡电气串联连接的电池。下面描述一些常见的电池平衡方法。
(1)无平衡：
最常见的情况是不实施任何形式的电池平衡。在没有平衡的情况下，电池可能随着时间而变得足够不平衡，以使BMS在电池之一上引起过充电或过放电保护以触发。这打开了电池的电气串联串，导致应用故障。
(2)为各个电池充电：
平衡串联连接的电池的简单解决方案是分别对电气串联连接的串中的每个电池充电。例如，由四(4)个串联连接的12V电池组成的48V系统将使用四(4)个个别的12V充电器(即，用于每个电池的一个12V充电器)。这是一种有效的平衡策略，但是在许多应用中是成本和空间禁止的。大多数系统设计者更喜欢用于整个电气串联连接的电池串的单个充电器。
(3)定期检查和重新平衡：
用于平衡电气串联连接的电池的另一种策略是定期地检查平衡，并且如果需要，手动地重新平衡电池。在该方法中，电池与负载和/或充电器断开，并被测量。如果电池不平衡，则每个电池用充电器单独充电以恢复平衡。虽然有效，但是这种方法具有缺点，诸如需要中断电池使用以检查平衡，确定用于检查平衡的最佳时间间隔，以及必须安排和执行手动操作的事实。
(4)外部平衡：
电池充电平衡系统是可用的，其被设计成监测电气串联连接的串中的每个电池，并使用平衡技术来维持电池之间的平衡。这些系统在电池外部。它们是有效的，但是需要电池外部的附加硬件，以及到串联串中的每个电池的外部布线。
发明内容
本发明涉及在用单个充电器对多个电池进行充电时，电池平衡以电气串联串连接在一起的多个电池。本发明实现电连接在一起的多个电池之间的电池平衡，电连接在一起的多个电池是没有任何附加硬件或电池外部电缆的电气串联串。电池之间不需要通信。电池平衡发生在电气串联串的每个单独的电池内部。
本发明涉及在各个电池电平(例如，电池组电平)下实现被动平衡。每个单独的电池具有平衡电阻器，该平衡电阻器在充电结束附近旁路充电电流的部分。在电气串联连接的电池串中，这具有降低具有较高电压的电池上的充电电流的效果，而具有较低电压的电池接收全部充电电流。这导致具有较低电压的电池追赶到具有较高电压的电池。根据不平衡量，电池可能需要一个或多个充电周期来达到平衡状态。
当前描述的主题涉及电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及其中，单个电气充电器用于对在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池进行充电。
当前描述的主题涉及一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及其中，所述平衡电阻器开始旁路充电电流的电池电压阈值被设定为接近所使用的特定锂离子电池化学物质的完全充电电压的电压。
当前描述的主题涉及一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及其中，所述平衡电阻器开始旁路充电电流的电池电压阈值被设定为接近所使用的特定锂离子电池化学物质的完全充电电压的电压，以及其中，当对电池的所述电气串联串进行充电时，在每个电池达到平衡阈值时，将在每个电池中开启电芯平衡，并且最终所述电气串联串中的所有电池将开启电芯平衡。
当前描述的主题涉及一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及其中，仅在充电期间执行平衡。
当前描述的主题涉及一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，其中，仅在充电期间执行平衡，以及其中所述平衡要求平衡电路检测电池何时被充电。
当前描述的主题涉及一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，其中，仅在充电期间执行平衡，其中，所述平衡要求平衡电路检测电池何时被充电，以及其中，通过将用于平衡的电压阈值设定为接近完全充电电压来实现所述平衡，并且当所述电池正在充电并且达到所述阈值时，启用平衡。
当前描述的主题涉及一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，其中，仅在充电期间执行平衡，其中，所述平衡要求平衡电路检测电池何时被充电，其中，通过将用于平衡的电压阈值设定为接近完全充电电压来实现所述平衡，并且当所述电池正在充电并且达到所述阈值时，启用平衡，以及其中，在充电终止之后，所述电池电压将自然地松弛到低于所述阈值的电压，从而禁用平衡。
当前描述的主题涉及一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及其中，所述电池管理系统(BMS)中的控制电子装置能够向平衡电路提供指示电池是否正在被充电的信号。
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附图说明
图1是例如在电气串联串中连接在一起的四(4)个电池的示意图。所有四个(4)电池被一起充电和放电。
图2是示出了用四(4)个电池电芯实现的电池平衡方案的示意图。所示的所有组件都在电池内部。如图所示，控制方法使用比较器。可以使用其它类似或功能等效的控制方法。
图3是示出了在四(4)电芯电池中实现的平衡方案的示意图。所示的所有组件都在电池内部。给出了使用微控制器的控制方法。同样，可以使用其它类似或功能等效的控制方法。
具体实施方式
图1中示出了用于对以电气串联串连接在一起的四个电池2A、2B、2C、2D(电池1、电池2、电池3、电池4)进行充电的系统或电路1。系统或电路1包括四个电池2A、2B、2C、2D、单个电池充电器3和平衡电阻器4(即负载)。
图2中示出了用于平衡的系统或电路10。系统或电路10包括电池电芯12A、12B、12C、12D(电芯#1、电芯#2、电芯#3、电芯#4)、比较器16、MOSFET 22和平衡电阻器24(即负载)。比较器16用于检测电池电压何时接近充电结束，并且然后接通MOSFET 22。该顺序使得充电电流30的部分(即平衡电流32)分流通过平衡电阻器24，旁路电池电芯12A、12B、12C、12D，这具有减缓该特定电池的充电的效果。
根据本发明的电池平衡系统包括多个电池，每个电池具有系统或电路10，并且以电气串联串连接在一起。使用单个充电器对多个电池进行充电。
图3中示出了根据本发明的用于平衡的另一系统或电路110。系统或电路110包括电池电芯112A、112B、112C、112D(电芯#1、电芯#2、电芯#3、电芯#4)、模数转换器(ADC)118、微控制器120、MOSFET 122和平衡电阻器124(即负载)。微控制器120使用模数转换器(ADC)118读取电池电压，以检测电池电压何时接近充电结束，并且导通MOSFET 122。这使得充电电流132的部分(即平衡电流132)分流通过平衡电阻器124，旁路电芯，这具有减缓充电的效果。
根据本发明的另一个电池平衡系统包括多个电池，每个电池具有系统或电路110，并且以电气串联串连接在一起。
平衡电阻器开始旁路充电电流的电池电压阈值被设定为接近所使用的特定锂离子电池化学物质的完全充电电压的电压。例如，下面给出了例如电池的合理值。可以选择其它值以优化特定电池和化学物质的平衡。
示例：
1)(3.60V/电芯)×(4个电芯)＝14.4V具有完全充电电压为3.65V/电芯的4-电芯LiFePO4；以及
2)(4.18V/电芯)×(3个电芯)＝12.54V具有完全充电电压为4.20V/电芯的3-电芯钴基电池。
在根据本发明的系统和方法中，当对电池的电气串联串进行充电时，在每个电池达到以上描述的平衡阈值时，将在每个电池中开启电芯平衡。最终，电气串联串中的所有电池将开启电芯平衡。
仅在充电期间执行平衡。这要求平衡系统或电路检测电池何时被充电。通过将用于平衡的电压阈值设定为接近完全充电电压来实现平衡。当电池正在充电并且达到该阈值时，启用平衡。在充电终止之后，电池电压将自然地松弛到低于阈值的电压，从而禁用平衡。
可选地，电池管理系统(BMS)中的控制电子装置可以向平衡系统或电路提供指示电池是否正在被充电的信号。
设计中的考虑的是平衡电流的选择。平衡电流应足够高以有效地平衡电池，但是应足够低以不干扰在电池充电器中使用的充电终止方案。
当电流在充电周期的CV部分期间下降到某一水平以下时，利用恒定电流/恒定电压(CC/CV)的充电器将终止充电。
利用恒定电流/恒定电压(CC/CV)的充电器将在充电周期的CV部分期间当电流下降到某一水平以下时终止充电。充电器使用的典型阈值是体充电(bulk charge)电流的5％至10％。平衡电流应该低于该水平以确保适当的充电终止。
许多通用电池充电器仅使用恒定电流(CC)充电。当电池电压接近终止电压时，这些充电器将减小充电电流。平衡电流应该低于最低充电电流水平，以确保适当的充电终止。
用于平衡电流以提供适当平衡并且与大多数电池充电器一起工作的合理值在100mA和500mA之间。
以上描述的本发明利用被动平衡来实现电气串联连接的电池之间的平衡。可选地，可以以相同的方式使用主动平衡。
Claims (22)
1.一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：
提供在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，
使用所述比较器检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通所述锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET；
其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及
其中，单个电气充电器用于对在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池进行充电。
2.一种电池平衡锂离子电池的电气串联串的方法，所述方法包括：
提供电气串联连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括模数转换器(ADC)、微控制器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，
利用所述微控制器使用所述模数转换器(ADC)读取电池电压，以检测所述电池电压何时接近充电结束，并且然后导通所述MOSFET，
其中，该顺序使得充电电流的部分分流通过所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及
其中，单个电气充电器用于对在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池进行充电。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述平衡电阻器开始旁路充电电流的电池电压阈值被设定为接近所使用的特定锂离子电池化学物质的完全充电电压的电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，当对电池的所述电气串联串进行充电时，在每个电池达到平衡阈值时，将在每个电池中开启电芯平衡，并且最终所述电气串联串中的所有电池将开启电芯平衡。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，仅在充电期间执行平衡。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述平衡要求平衡电路检测电池何时被充电。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过将用于平衡的电压阈值设定为接近完全充电电压来实现所述平衡，并且当所述电池正在充电并且达到所述阈值时，启用平衡。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在充电终止之后，所述电池电压将自然地松弛到低于所述阈值的电压，从而禁用平衡。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电池管理系统(BMS)中的控制电子装置能够向平衡电路提供指示电池是否正在被充电的信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，平衡电流应足够高以有效地平衡电池，但是应足够低以不干扰在电池充电器中使用的充电终止方案。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，用于平衡电流以提供适当平衡并且与大多数电池充电器一起工作的值在100mA和500mA之间。
12.根据权利要求2所述的方法，其中，所述平衡电阻器开始旁路充电电流的电池电压阈值被设定为接近所使用的特定锂离子电池化学物质的完全充电电压的电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，当对电池的所述电气串联串进行充电时，在每个电池达到平衡阈值时，将在每个电池中开启电芯平衡，并且最终所述电气串联串中的所有电池将开启电芯平衡。
14.根据权利要求2所述的方法，其中，仅在充电期间执行平衡。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述平衡要求平衡电路检测电池何时被充电。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过将用于平衡的电压阈值设定为接近完全充电电压来实现所述平衡，并且当所述电池正在充电并且达到所述阈值时，启用平衡。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在充电终止之后，所述电池电压将自然地松弛到低于所述阈值的电压，从而禁用平衡。
18.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电池管理系统(BMS)中的控制电子装置能够向平衡电路提供指示电池是否正在被充电的信号。
19.根据权利要求2所述的方法，其中，平衡电流应足够高以有效地平衡电池，但是应足够低以不干扰在电池充电器中使用的充电终止方案。
20.根据权利要求2所述的方法，其中，用于平衡电流以提供适当平衡并且与大多数电池充电器一起工作的值在100mA和500mA之间。
21.一种用于对锂离子电池的电气串联串进行充电的电池平衡系统，所述系统包括：
在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括比较器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，所述比较器配置为检测锂离子电池中的每个的电池电压何时接近充电结束，并且然后导通锂离子电池中的每个的各自相应的MOSFET，
其中，该顺序使得充电电流的部分分流流经所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电池电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及
其中，单个电气充电器用于对在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池进行充电。
22.一种用于对锂离子电池的电气串联串进行充电的电池平衡系统，所述系统包括：
电气串联连接在一起的多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有包括模数转换器(ADC)、微控制器、MOSFET和平衡电阻器的电池管理系统(BMS)，所述微控制器配置为使用所述模数转换器(ADC)读取电池电压，以检测所述电池电压何时接近充电结束，并且然后导通所述MOSFET，
其中，该顺序使得充电电流的部分分流通过所述平衡电阻器，并且旁路所述多个锂离子电池中的每个的电芯，这具有减缓所述锂离子电池中的每个的充电的效果，以及
其中，单个电气充电器用于对在所述锂离子电池的所述电气串联串中连接在一起的多个锂离子电池进行充电。
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