CN117791823A - 电池组电芯电压均衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池组电芯电压均衡系统及方法，其系统包括：多路开关切换单元、开关误开启保护单元、失衡电芯检测单元、均衡控制单元和SOC校正单元。本发明通过双闭环均衡方式，实现能量在电池组内部的双向，高效流动，同时结合开关误开启保护单元的多路开关切换单元，实现大电流均衡和硬件的高可靠性与低成本，通过失衡电芯检测单元和SOC校正单元，提升均衡的效率以及电池组SOC的精度。本发明有效解决了目前电池组在使用过程中因种种原因产生的内部电芯电压不均衡现象，对比现有的电池组均衡技术，能够实现能量在电池组内部的双向，高效流动，并实现了大电流均衡和硬件的高可靠性与低成本，提升了均衡的效率和电池组SOC的精度。

Description

电池组电芯电压均衡系统及方法

技术领域

本发明属于电池技术领域，特别涉及一种电池组电芯电压均衡系统，可以有效减少电池组内部的电芯电压偏差。

背景技术

随着锂电池应用的不断普及，其使用过程中暴露的问题也越来越突出。主要表现在：1、电池组在进行大电流充放电后，内部电芯会存在较明显的电压偏差，如果不及时修正，会严重影响锂电池的循环寿命。2、由于内部电芯不均衡的原因，导致对电池组SOC（State of Charge，电池充电状态）的估计出现较明显的偏差，甚至出现“虚电”现象，影响用户的使用体验。因此，为了避免上述问题的发生，需要及时对电池组内部的电芯电压进行均衡处理。

目前，行业内对电池组内部电芯电压的均衡主要有两种手段：一种为被动均衡，一种为主动均衡。其中，被动均衡主要采用电阻消耗的方式维持电池组电芯电压的均衡，其缺点为均衡电流小，并会消耗电池组的真实电量，从而限制其使用场景。而主动均衡按照电路拓扑结构的不同，分为C2C和C2P两种，其中，C2C主要实现电池组内部电芯到电芯之间的能量转移，而C2P则实现电芯到电池组之间的能量转移。相比于被动均衡，主动均衡不存在电池组的能量消耗，因此均衡电流可以做的更大，效果更好，但缺点为电路结构复杂，成本更高，且由于采用MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）等半导体元器件作为均衡的开关元件，存在器件失效的风险更大，有可能导致电池组内部短路甚至起火爆炸的故障现象发生。

发明内容

针对上述现有技术中电池组内部电芯电压的主动均衡存在的问题，提出一种全新的电池组电芯电压均衡系统及方法，能够实现锂电池组能量在电池组内部更高效和安全的转移，并实现电池组均衡过程中SOC参数的准确评估。

本发明的技术方案是：一种电池组电芯电压均衡系统，包括：多路开关切换单元、开关误开启保护单元、失衡电芯检测单元、均衡控制单元和SOC校正单元；所述多路开关切换单元将电池组内不同电芯的输出能量进行汇集，并接收来自均衡控制单元的指令信号，以开关切换的方式完成输出能量的电芯通道选择，实现电能在电池组内每个电芯到均衡控制单元之间的双向流动；所述开关误开启保护单元接收来自多路开关切换单元的反馈信号和来自均衡控制单元的指令信号，并输出控制多路开关切换单元的开关信号，多路开关切换单元收到该开关信号后，控制对应的均衡通道开启，并选通对应的电芯作为开关切换单元的输出，以实现多路开关切换单元在不同开关切换的过程中不发生误开启和误关闭现象；所述失衡电芯检测单元用于对电池组内每个电芯进行不均衡程度检测；所述失衡电芯检测单元接收来自电池组中每个电芯的电压反馈信号和电池组的电流反馈信号，并分别向均衡控制单元和SOC校正单元输出每个电芯的电芯不平衡度参数；所述均衡控制单元选择各电芯的电芯不平衡度参数中最大电芯不平衡度参数所对应的电芯作为要被均衡的不均衡电芯，选择将电池组的能量转移到不均衡电芯或将不均衡电芯的能量转移到电池组，从而实现电池组内不均衡电芯的能量转换功能；所述SOC校正单元通过检测来自均衡控制单元反馈的当前被均衡电芯的均衡电流值、均衡开启时间，以及检测来自失衡电芯检测单元反馈的当前被均衡电芯的通道号、电压值和电芯不平衡度参数，并结合基于模型的SOC校正算法，实现均衡后的电池组SOC校正功能。

上述多路开关切换单元包括多个并联的电磁开关元器件，每个电磁开关元器件均为双刀双置结构，各双刀双置结构的双刀的输出端分别一一对应的与电池组中每一个电芯的正负极相连接，双刀双置结构的输入端并联后与均衡控制单元相连接。

上述均衡控制单元包括内环电压均衡单元和外环电压均衡单元，其中内环电压均衡单元通过多路开关切换单元实现电池组能量向电芯不平衡度参数最高的电芯转移，外环电压均衡单元通过多路开关切换单元实现电芯不平衡度参数最高的电芯能量向电池组转移；所述内环电压均衡单元调节在实现电池组能量向电芯不平衡度参数最高的电芯转移的过程中，根据该电芯的电芯不平衡度参数变化情况，自动调节能量转移速度；所述外环电压均衡单元在实现电芯不平衡度参数最高的电芯能量向电池组转移的过程中，根据该电芯的电芯不平衡度参数变化情况，自动调节能量转移速度。

上述开关误开启保护单元，通过接收来自均衡控制单元的所述指令信号，结合来自多路开关切换单元提供的所述反馈信号，形成控制多路开关切换单元中每一个开关通道开通关断的控制信号，在该控制信号的作用下，避免多路开关切换单元在开关切换过程中发生短路或失效现象发生，并及时发现每一个开关的故障状态，并将故障状态反馈给均衡控制单元。

上述失衡电芯检测单元，通过电池组中每个电芯的电压变化值和电流变化值，得到衡量电池组中每个电芯不均衡性指标的电芯不平衡度参数，该电芯不平衡度参数数值越大，表示该电芯不均衡性越严重；通过比较，选出电池组中不平衡度参数最大的电芯，将其作为当前的被均衡电芯，并完成电池组电芯均衡通道的选择。

一种电池组电芯电压均衡方法，包括如下步骤：

1）检测电池组中每个电芯的电压、电流变化情况，并在此基础上计算电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数；

2）结合电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数，判断是否满足设定的均衡开启的条件；如满足，计算出待均衡的电芯通道，并进入步骤3），否则重复步骤1）；

3）根据待均衡的电芯通道号生成相应的多路开关切换控制逻辑，并进行多路开关进行误开启保护，形成对应的均衡开关控制信号，完成均衡电芯通道的选择；

4）根据当前均衡电芯通道不平衡度参数和电压电流变化情况，生成均衡控制指令，动态调整当前均衡电芯通道的能量转移方向和速度，使均衡效率达到最优；

5）根据当前均衡电芯通道不平衡度参数和电池组电压、电流变化情况，结合来自电池组BMS（Battery Management System，即电池管理系统）的校正前SOC参数值，通过预先建立的模型算法，生成校正后的SOC参数值，并重复步骤1）。

上述步骤1）的具体步骤如下：

获取电池组中每个电芯在当前状态下的电压值；

获取电池组电流变化情况，并根据变化幅值确定加入外部激励信号的幅度值；

根据电池组在外部激励变化过程中，电池组电流的增量变化数据以及电池组中每个电芯的电压增量变化数据，计算电池组中每个电芯的能量保持率参数；

根据每个电芯的能量保持率参数和当前电压值，计算出每个电芯的电芯不平衡度参数。

上述步骤2）的具体步骤如下：

根据电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数判断当前电池组是否满足均衡开启的条件，其中开启条件为：存在一个或多个电芯的电芯不平衡度参数大于预先设置的开启门限值；

如果满足均衡开启条件，则在当前电池组所有电芯的电芯不平衡度参数中选出最大值，并将其所对应电芯通道作为待均衡的电芯通道，并反馈对应的通道号，否则，关闭均衡功能。

上述步骤3）的具体步骤如下：

根据反馈的通道号，生成相应的多路开关切换逻辑，输出对应的开关量信号；

基于所述开关量信号，结合当前开关通道的电压反馈值和电流值，判断是否发生误开启动作，如果是，则产生相应的故障告警，并关闭故障通道的开关量信号，否则，保持对应均衡通道的开关量信号开启。

上述步骤4）的具体步骤如下：

结合当前均衡电芯通道的电芯不平衡度参数反馈值，电压值和电流值变化情况，生成均衡控制指令；

根据生成的均衡控制指令值产生当前均衡电芯通道的均衡电流指令值，电流指令值为正时，能量从当前均衡电芯中流出，电流指令为负时，能量从当前均衡电芯通道中流出，电流指令为正时，能量流入当前均衡电芯通道，且电流指令的绝对值越大，能量转移的速度越快；

采集当前均衡电芯通道的电流反馈值，并将其与电流指令值做闭环控制，生成均衡电流控制指令，并将该指令值进行电流调整加载，完成当前均衡通道均衡速度闭环控制；

结合当前均衡通道的电芯不平衡度参数变化情况和环境参数的变化情况，动态调整均衡电流指令值，动态调整均衡电流指令值的输入变量为当前电芯通道的电芯不平衡度参数、电压值、电流值以及温度值，输出为电流指令修正值。

本发明的有益效果：本发明提供了一种电池组电芯电压均衡系统及方法，其多路开关切换单元采用继电器等开关元件取代了MOSFET，并通过全新的开关误开启保护单元，有效避免多路开关同时开启而造成电池组内部短路现象的发生，从而提升了均衡系统的可靠性和安全性。通过失衡电芯检测单元准确判断和选择电池组内部需要被均衡的电芯，并通过电压均衡完成电池组内部能量的有效转移。采用全新的双闭环均衡方式，实现能量在电池组内部的双向，高效流动，在不显著增加硬件成本的同时，大幅提升电池组的均衡效率和均衡效果。通过SOC校正单元实现均衡过程中电池组SOC参数的准确估计。本发明通过双闭环均衡方式，实现能量在电池组内部的双向，高效流动。结合开关误开启保护单元的多路开关切换单元，实现了大电流均衡和硬件的高可靠性与低成本效果。通过失衡电芯检测单元和SOC校正单元，提升了均衡的效率以及电池组SOC的精度。基于上述三方面结合，理想地解决目前均衡电路中存在的痛点问题，提升产品的实用性和市场价值。

采用本发明提出的技术方案，可有效解决目前电池组在使用过程中因为种种原因产生的内部电芯电压不均衡现象，对比现有的电池组均衡技术，本发明能够实现能量在电池组内部的双向，高效流动，并实现了大电流均衡和硬件的高可靠性与低成本，提升了均衡的效率和电池组SOC的精度。

附图说明

图1为本发明电池组电芯电压均衡系统结构框图。

图2为本发明电池组电芯电压均衡系统的开关误开启保护算法工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明可以许多不同形式实现，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求，而不应被解释为限于所阐述的实施例。基于本发明中的工程实施，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，都属于本发明保护的范围。

为实现锂电池组能量在电池组内部更高效和安全的转移，实现电池组均衡过程中SOC参数的准确评估，本发明公开一种电池组电芯电压均衡系统，其中SOC（全称State ofCharge）即电池的充电状态（剩余电量），参见图1所示，本发明包括电池组电芯电压均衡系统多路开关切换单元、开关误开启保护单元、失衡电芯检测单元、均衡控制单元和SOC校正单元。

所述多路开关切换单元将电池组内不同电芯的输出能量进行汇集，即所有电芯的输出连接到多路开关切换单元的输入上，而多路开关切换单元的输出为所有电芯中的其中一路电芯，多路开关切换单元同时接收来自均衡控制单元的指令信号，其中该指令包括选通当前均衡的电芯通道和均衡电流指令，多路开关切换单元以开关切换的方式完成输出能量的电芯通道选择，实现电能在电池组内每个电芯到均衡控制单元之间的双向流动。所述多路开关切换单元可以由多个电磁开关元器件并联组成，每个开关为双刀双置结构。其双刀的输出端分别与电池组中每一个电芯的正负极相连接，双刀的输入端与内环电压均衡单元相连接。电池组中每个电芯的能量通过该单元完成自由转移过程。所述多路开关切换单元的功率接口来自内外环电压均衡单元和电池组，其控制信号来自于误开启保护单元。

所述开关误开启保护单元接收来自多路开关切换单元的反馈信号和来自均衡控制单元的指令信号，并输出控制多路开关切换单元的开关信号，多路开关切换单元收到该开关信号后，控制对应的均衡通道开启，并选通对应的电芯作为开关切换单元的输出，以实现多路开关切换单元在不同开关切换的过程中不发生误开启和误关闭现象，从而提升多路开关切换单元的可靠性和使用安全性，实现开关误开启的功能保护，其中所述反馈信号包括多路开关切换单元反馈的当前选通的电芯输出的电压信号和当前选通的电芯输出的电流信号，所述指令信号包括选通的当前被均衡的电芯的通道号和均衡电流指令。所述开关误开启保护单元，包含了多路开关驱动模组，开关状态检测模组和误开启保护逻辑模组。其中，误开启保护逻辑模组接收来自均衡控制单元的控制指令，结合开关状态检测模组的反馈信号、开关误开启保护，控制多路开关驱动模组，正确打开对应的多路开关。本发明的开关误开启保护单元的开关误开启保护方法，其工作流程如图2所示。其中，V1~V4为预设的电压判断门限，其依据不同的电池类型取不同的值。L1~L2为预设的电流判断门限，其依据不同的硬件电路结构取不同值。如果开关成功，则返回成功标志并打开，否则关闭所有开关通道，并返回对应故障代码。

所述失衡电芯检测单元用于对电池组内每个电芯进行不均衡程度检测，具体地，不均衡程度为一量化指标，用于判断当前电池组中每个电芯的容量和电池组容量偏差的严重程度，该值越大，则偏差越大，表明该电芯越需要优先均衡。所述失衡电芯检测单元接收来自电池组中每个电芯的电压反馈信号和电池组的电流反馈信号，并分别向均衡控制单元和SOC校正单元输出每个电芯的电芯不平衡度参数，其中失衡电芯检测单元通过记录一定时间内电池组中每个电芯的电压在电池组电流变化情况下的累计变化值，通过先验模型算法，得出每个电芯的电芯不平衡度参数，其数值大小反映了每个电芯的不均衡情况，数值越大，则不均衡越严重。

所述失衡电芯检测单元，其电池组中每个电芯失衡度的计算方法，具体的失衡度计算经历了如下的步骤：

获取电池组中每个电芯在当前状态下的电压值；

获取电池组电流变化情况，并根据变化幅值确定加入外部激励信号的幅度值；

根据电池组在外部激励变化过程中，电池组电流的增量变化数据以及电池组中每个电芯的电压增量变化数据，计算电池组中每个电芯的能量保持率；

根据每个电芯的能量保持率和电压值，计算出每个电芯的失衡度，并反馈给均衡控制单元。

所述均衡控制单元选择各电芯的电芯不平衡度参数中最大电芯不平衡度参数所对应的电芯作为要被均衡的不均衡电芯，选择将电池组的能量转移到不均衡电芯或将不均衡电芯的能量转移到电池组，从而实现电池组内不均衡电芯的能量转换功能，具体地，当不均衡电芯的容量值低于电池组容量值，且偏差大于预设的门限值时，电池组能量转移到不均衡电芯，而当不均衡电芯的容量值高于电池组容量值，且偏差大于预设的门限值时，不均衡电芯的能量转移到电池组。

所述SOC校正单元通过检测来自均衡控制单元反馈的当前被均衡电芯的均衡电流值、均衡开启时间，以及检测来自失衡电芯检测单元反馈的当前被均衡电芯的通道号、电压值和电芯不平衡度参数，并结合基于模型的SOC校正算法，实现均衡后的电池组SOC校正功能，其中所述基于模型的SOC校正算法即基于不同的电池类型和容量会有不同的电压、电流和容量模型，生成SOC的校正表达式。

所述SOC校正单元接收来自失衡电芯检测单元的电池组每个电芯电压值，失衡度值以及均衡电流值，并结合电池组BMS反馈的初始SOC值，进行基于模型的电池组SOC的校正计算，使校正后的SOC值更接近真实SOC值。该模型的输入为每个电芯的电压值，失衡度值，均衡电流值和电池组初始SOC值，模型的输出为校正后的SOC值。

进一步地，所述多路开关切换单元包括多个并联的电磁开关元器件，每个电磁开关元器件均为双刀双置结构，各双刀双置结构的双刀的输出端分别一一对应的与电池组中每一个电芯的正负极相连接，双刀双置结构的输入端并联后与均衡控制单元相连接。该双刀双置的输入端和输出端统一调换位置后，该多路开关切换单元依然可用，不失一般性，除了电磁开关元器件外，还可采用功率半导体器件或模块，如MOSFET、IGBT（Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、SCR（Silicon Controlled Rectifier，可控硅整流器）等来实现上述并联开关功能。上述切换开关的控制信号为数字开关量，由开关误开启保护单元提供。

进一步地，所述均衡控制单元包括内环电压均衡单元和外环电压均衡单元，其中内环电压均衡单元通过多路开关切换单元实现电池组能量向电芯不平衡度参数最高的电芯转移，外环电压均衡单元通过多路开关切换单元实现电芯不平衡度参数最高的电芯能量向电池组转移。内环电压均衡单元和外环电压均衡单元均依据来自失衡电芯检测单元的每个电芯电芯不平衡度参数反馈，生成均衡控制信号，控制电磁开关元器件（电磁转换器件）或电源变换模块实现能量的双向转换，所述电磁转换器件，以及电源变换器件均可以作为多路开关转换单元内部的开关切换器件具体实现类型。均衡控制单元选择将电池组的能量转移到不均衡电芯或将不均衡电芯的能量转移到电池组的同时根据不均衡电芯的均衡度变化情况，还用于自动调节能量转移速度，其中内环电压均衡单元调节在实现电池组能量向电芯不平衡度参数最高的电芯转移的过程中，根据该电芯的电芯不平衡度参数变化情况，即根据该电芯的均衡度变化情况，自动调节能量转移速度；所述外环电压均衡单元在实现电芯不平衡度参数最高的电芯能量向电池组转移的过程中，根据该电芯的电芯不平衡度参数变化情况，即根据该电芯的均衡度变化情况，自动调节能量转移速度。所述内环电压均衡单元和外环电压均衡单元均通过调整均衡电流等手段动态调整能量的转移速度，实现均衡过程和效率的最优。

所述均衡控制单元根据电池组中每个电芯的失衡度，生成内环电压均衡单元和外环电压均衡单元的控制指令，使内环电压均衡单元和外环电压均衡单元协同工作，通过控制多路开关切换单元的时序，达到电池组内部所有电芯电压均衡的效果。内环电压均衡单元接收来自于均衡控制单元的控制指令，完成电池组中单芯电池的能量向电池组能量的转换工作，并通过多路开关切换单元实现能量的转移，达到电池组电芯电压均衡的效果。外环电压均衡单元接收来自于均衡控制单元的控制指令，完成电池组中电池组能量向单芯电池的能量转换工作，并通过多路开关切换单元实现能量的转移，达到电池组电芯电压均衡的效果。

进一步地，所述开关误开启保护单元，通过接收来自均衡控制单元的所述指令信号，结合来自多路开关切换单元提供的所述反馈信号，形成控制多路开关切换单元中每一个开关通道开通关断的控制信号，所述指令信号以及反馈信号包括且不限于开关量信号，电压和电流模拟信号等，在所述控制信号的作用下，可以有效避免多路开关切换单元在开关切换过程中发生短路或失效等现象发生，并可以及时发现每一个开关的故障状态，并将故障状态反馈给均衡控制单元。

进一步地，所述SOC校正单元，内部集成了基于模型的SOC校正算法。该基于模型的SOC校正算法的输入为校正前的电池组SOC值，其一般由BMS模块提供；由均衡控制单元提供的当前均衡电流大小和方向；由失衡电芯检测单元提供的电池组每个电芯的电芯不平衡度参数。模型的输出为校正后的电池组SOC值，该校正后的电池组SOC值与电池组的SOC真实值偏差不大于1%。

进一步地，所述失衡电芯检测单元，通过电池组中每个电芯的电压变化值和电流变化值，得到可以全面衡量电池组中每个电芯不均衡性指标的电芯不平衡度参数，该电芯不平衡度参数数值越大，表示该电芯不均衡性越严重；通过比较，选出电池组中不平衡度参数最大的电芯，将其作为当前的被均衡电芯，并完成电池组电芯均衡通道的选择，并将其输出给均衡控制单元。考虑到电池组中每个电芯的状态会动态变化，该均衡通道也会动态调整。

本发明系统相对于现有技术主要优点为：通过双闭环均衡方式，实现能量在电池组内部的双向，高效流动，同时结合开关误开启保护单元的多路开关切换单元，实现大电流均衡和硬件的高可靠性与低成本，通过失衡电芯检测单元和SOC校正单元，提升均衡的效率以及电池组SOC的精度。以上三个方面结合，较理想地解决了目前均衡电路中存在的痛点问题，提升产品的实用性和市场价值。

本发明系统的一个具体实施例如下：

本实施例中，电池组电池组电芯电压均衡系统由7个单元构成，分别为多路开关切换单元，开关误开启保护单元，失衡电芯检测单元，均衡控制单元，内环电压均衡单元，外环电压均衡单元和SOC校正单元。

本实施例中，多路开关切换单元采用双刀双置直流继电器作为开关电磁元件，其数目与电池组中电芯数一致，其双刀的输出端分别与电池组中每一个电芯的正极和负极相连接，双刀的输入端与内环电压均衡单元相连接。电池组中每个电芯的电量通过多路开关切换单元与内环电压均衡单元进行交换。

本实施例中，开关误开启保护单元的多路开关驱动模组采用基于达林顿管的驱动电路驱动直流继电器。开关状态检测模组包括电压检测电路、电流检测电路和继电器开启检测电路，上述电路将流过当前选通的继电器的电压电流值送至处理器的ADC（Analog toDigital Converter，模数转换器）模块，并通过处理器的I/O管脚检测多路开关切换单元中每一个继电器的开启关闭状态。误开启保护逻辑模组则主要由处理器通过比较电压，电流值和每个继电器都开启状态，来判断当前继电器是否正确开启和关闭，为多路开关切换单元正常工作提供了保证。

本实施例中，电池组的电芯数目为20，采样得到电池组每个电芯的开路电压值Vci1~Vci20，随后进入到电池组外部激励加载流程，该流程中，根据检测到的电池组电流变化幅值确定所加激励的PWM（Pulse-width modulation，脉冲宽度调制）频率，并通过PWM开关电路控制电池总的脉冲电流为50A放电（或充电），期间，电池组电压电流采集流程同步工作，以1KHz的采样速率对电池组的电压和电流进行采样，共得到3000组电流增量变化数据Ib和3000×20组电芯电压增量变化数据Vco，根据上述数据，可以算出每个电芯的能量保持率K1。最后，查表K1和Vci数据，可以得到每个电芯的电芯失衡度参数，并将该参数反馈给均衡控制单元。

本实施例中，均衡控制单元集成在处理器中，其根据失衡电芯检测单元传来的电芯失衡度参数，找出电池组中失衡度最大的电芯，并根据该路电芯的电压参数，查表生成内环电压均衡单元和外环电压均衡单元的控制指令。并将控制指令发送至内环电压均衡单元和外环电压均衡单元，同时控制多路开关切换单元的开通和关断时序，使能量在电池组和该路电芯之间传递转移，实现电池组的电压均衡功能。

本实施例中，内环电压均衡单元由高频变压器，斩波控制电路，PWM驱动电路，输出整流电路和信号检测电路组成。其中，斩波控制电路接收来自均衡控制单元的控制指令，并通过信号检测电路检测变压器的初级和次级电压、电流值，经过内部电压电流双环路闭环算法，生成PWM驱动信号，经过PWM驱动电路加入变压器初级，变压器次级输出经过输出整流电路形成电池组的充电电压，从而实现电池组中单芯电池的能量向电池组能量的转换。

本实施例中，外环电压均衡单元由高频变压器，斩波控制电路，PWM驱动电路，输出整流电路和信号检测电路组成。其中，斩波控制电路接收来自均衡控制单元的控制指令，并通过信号检测电路检测变压器的初级和次级电压、电流值，经过内部电压电流双环路闭环算法，生成PWM驱动信号，经过PWM驱动电路加入变压器初级，变压器次级输出经过输出整流电路形成当前电芯的充电电压，从而实现电池组的能量向电池组中单芯电池的能量转换。

本发明实施例中，SOC校正单元采用基于模型的SOC校正算法，该模型依赖于当前电池组所用电芯的类型和容量大小。模型的输入为每个电芯的当前电压值，电池组均衡开始前的SOC值，电池组每个电芯的电芯失衡度参数，均衡电流值和均衡时间参数；模型的输出为校正后SOC值。该值与电池组的真实SOC值偏差小于3%。

本发明还提供了一种电池组电芯电压均衡方法，包括如下步骤：

1）检测电池组中每个电芯的电压、电流变化情况，并在此基础上计算电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数；

2）结合电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数，判断是否满足设定的均衡开启的条件；如满足，计算出待均衡的电芯通道，并进入步骤3），否则重复步骤1）；

3）根据待均衡的电芯通道号生成相应的多路开关切换控制逻辑，并进行多路开关进行误开启保护，即结合多路开关误开启保护算法（参加图2所示），形成对应的均衡开关控制信号，完成均衡电芯通道的选择；

4）根据当前均衡电芯通道不平衡度参数和电压电流变化情况，生成均衡控制指令，动态调整当前均衡电芯通道的能量转移方向和速度，使均衡效率达到最优；

5）根据当前均衡电芯通道不平衡度参数和电池组电压、电流变化情况，结合来自电池组BMS的校正前SOC参数值，通过预先建立的模型算法，生成校正后的SOC参数值，并重复步骤1）。

进一步地，步骤1）的具体步骤如下：

获取电池组中每个电芯在当前状态下的电压值；

获取电池组电流变化情况，并根据变化幅值确定加入外部激励信号的幅度值；

根据电池组在外部激励变化过程中，电池组电流的增量变化数据以及电池组中每个电芯的电压增量变化数据，计算电池组中每个电芯的能量保持率参数；

根据每个电芯的能量保持率参数和当前电压值，计算出每个电芯的电芯不平衡度参数；该电芯不平衡度参数的计算方法不唯一，其基于数据模型得出，该数据模型会依据不同的电池类型和当前电池使用环境而有所不同。

进一步地，步骤2）的具体步骤如下：

根据电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数判断当前电池组是否满足均衡开启的条件，其中开启条件为：存在一个或多个电芯的电芯不平衡度参数大于预先设置的开启门限值；

如果满足均衡开启条件，则在当前电池组所有电芯的电芯不平衡度参数中选出最大值，并将其所对应电芯通道作为待均衡的电芯通道，并反馈对应的通道号，否则，关闭均衡功能。

进一步地，步骤3）的具体步骤如下：

根据反馈的通道号，生成相应的多路开关切换逻辑，输出对应的开关量信号；

基于所述开关量信号，结合当前开关通道的电压反馈值和电流值，判断是否发生误开启动作，如果是，则产生相应的故障告警，并关闭故障通道的开关量信号，否则，保持对应均衡通道的开关量信号开启。

进一步地，步骤4）的具体步骤如下：

结合当前均衡电芯通道的电芯不平衡度参数反馈值，电压值和电流值变化情况，生成均衡控制指令，具体的生成会依据采用模型的不同而不同，而该模型依赖于电池的类型和环境参数值。

根据生成的均衡控制指令值产生当前均衡电芯通道的均衡电流指令值，电流指令值为正时，能量从当前均衡电芯中流出，电流指令为负时，能量从当前均衡电芯通道中流出，电流指令为正时，能量流入当前均衡电芯通道，且电流指令的绝对值越大，能量转移的速度越快；

采集当前均衡电芯通道的电流反馈值，并将其与电流指令值做闭环控制，生成均衡电流控制指令，并将该指令值进行电流调整加载，完成当前均衡通道均衡速度闭环控制；

结合当前均衡通道的电芯不平衡度参数变化情况和环境参数的变化情况，动态调整均衡电流指令值，具体的算法不唯一，其表达式依赖电池模型，算法的动态调整均衡电流指令值的输入变量为当前电芯通道的电芯不平衡度参数、电压值、电流值以及温度值，输出为电流指令修正值，通过该电流指令修正值使当前电芯均衡通道的均衡效率始终保持最优。

进一步地，步骤5的具体步骤如下：

获取当前均衡电芯通道的不平衡度参数值、电压值和电流值；

从电池组BMS获取电池组的SOC值；

将上述各参数值作为SOC校正算法的输入变量，该校正算法不唯一，其基于模型生成，该模型会依据不同的电池类型而有所不同。算法的输出值即为校正后的SOC值。

综上，本发明通过双闭环均衡方式，实现能量在电池组内部的双向，高效流动，同时结合开关误开启保护单元的多路开关切换单元，实现大电流均衡和硬件的高可靠性与低成本，通过失衡电芯检测单元和SOC校正单元，提升均衡的效率以及电池组SOC的精度。本发明有效解决了目前电池组在使用过程中因种种原因产生的内部电芯电压不均衡现象，对比现有的电池组均衡技术，能够实现能量在电池组内部的双向，高效流动，并实现了大电流均衡和硬件的高可靠性与低成本，提升了均衡的效率和电池组SOC的精度。本发明理想地解决了目前电池组均衡电路中存在的痛点问题，提升电池产品的实用性和市场价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电池组电芯电压均衡系统，其特征在于，包括：多路开关切换单元、开关误开启保护单元、失衡电芯检测单元、均衡控制单元和SOC校正单元；

所述多路开关切换单元将电池组内不同电芯的输出能量进行汇集，并接收来自均衡控制单元的指令信号，以开关切换的方式完成输出能量的电芯通道选择，实现电能在电池组内每个电芯到均衡控制单元之间的双向流动；

所述开关误开启保护单元接收来自多路开关切换单元的反馈信号和来自均衡控制单元的指令信号，并输出控制多路开关切换单元的开关信号，多路开关切换单元收到该开关信号后，控制对应的均衡通道开启，并选通对应的电芯作为开关切换单元的输出，以实现多路开关切换单元在不同开关切换的过程中不发生误开启和误关闭现象；

所述失衡电芯检测单元用于对电池组内每个电芯进行不均衡程度检测；所述失衡电芯检测单元接收来自电池组中每个电芯的电压反馈信号和电池组的电流反馈信号，并分别向均衡控制单元和SOC校正单元输出每个电芯的电芯不平衡度参数；

所述均衡控制单元选择各电芯的电芯不平衡度参数中最大电芯不平衡度参数所对应的电芯作为要被均衡的不均衡电芯，选择将电池组的能量转移到不均衡电芯或将不均衡电芯的能量转移到电池组，从而实现电池组内不均衡电芯的能量转换功能；

所述SOC校正单元通过检测来自均衡控制单元反馈的当前被均衡电芯的均衡电流值、均衡开启时间，以及检测来自失衡电芯检测单元反馈的当前被均衡电芯的通道号、电压值和电芯不平衡度参数，并结合基于模型的SOC校正算法，实现均衡后的电池组SOC校正功能。

2.如权利要求1所述的电池组电芯电压均衡系统，其特征在于，所述多路开关切换单元包括多个并联的电磁开关元器件，每个电磁开关元器件均为双刀双置结构，各双刀双置结构的双刀的输出端分别一一对应的与电池组中每一个电芯的正负极相连接，双刀双置结构的输入端并联后与均衡控制单元相连接。

3.如权利要求1所述的电池组电芯电压均衡系统，其特征在于，所述均衡控制单元包括内环电压均衡单元和外环电压均衡单元，其中内环电压均衡单元通过多路开关切换单元实现电池组能量向电芯不平衡度参数最高的电芯转移，外环电压均衡单元通过多路开关切换单元实现电芯不平衡度参数最高的电芯能量向电池组转移；所述内环电压均衡单元调节在实现电池组能量向电芯不平衡度参数最高的电芯转移的过程中，根据该电芯的电芯不平衡度参数变化情况，自动调节能量转移速度；所述外环电压均衡单元在实现电芯不平衡度参数最高的电芯能量向电池组转移的过程中，根据该电芯的电芯不平衡度参数变化情况，自动调节能量转移速度。

4.如权利要求1所述的电池组电芯电压均衡系统，其特征在于，所述开关误开启保护单元，通过接收来自均衡控制单元的所述指令信号，结合来自多路开关切换单元提供的所述反馈信号，形成控制多路开关切换单元中每一个开关通道开通关断的控制信号，在该控制信号的作用下，避免多路开关切换单元在开关切换过程中发生短路或失效现象发生，并及时发现每一个开关的故障状态，并将故障状态反馈给均衡控制单元。

5.如权利要求1所述的电池组电芯电压均衡系统，其特征在于，所述失衡电芯检测单元，通过电池组中每个电芯的电压变化值和电流变化值，得到衡量电池组中每个电芯不均衡性指标的电芯不平衡度参数，该电芯不平衡度参数数值越大，表示该电芯不均衡性越严重；通过比较，选出电池组中不平衡度参数最大的电芯，将其作为当前的被均衡电芯，并完成电池组电芯均衡通道的选择。

6.一种电池组电芯电压均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）检测电池组中每个电芯的电压、电流变化情况，并在此基础上计算电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数；

2）结合电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数，判断是否满足设定的均衡开启的条件；如满足，计算出待均衡的电芯通道，并进入步骤3），否则重复步骤1）；

3）根据待均衡的电芯通道号生成相应的多路开关切换控制逻辑，并进行多路开关进行误开启保护，形成对应的均衡开关控制信号，完成均衡电芯通道的选择；

4）根据当前均衡电芯通道不平衡度参数和电压电流变化情况，生成均衡控制指令，动态调整当前均衡电芯通道的能量转移方向和速度，使均衡效率达到最优；

5）根据当前均衡电芯通道不平衡度参数和电池组电压、电流变化情况，结合来自电池组BMS的校正前SOC参数值，通过预先建立的模型算法，生成校正后的SOC参数值，并重复步骤1）。

7.如权利要求6所述的一种电池组电芯电压均衡方法，其特征在于，步骤1）的具体步骤如下：

获取电池组中每个电芯在当前状态下的电压值；

获取电池组电流变化情况，并根据变化幅值确定加入外部激励信号的幅度值；

根据电池组在外部激励变化过程中，电池组电流的增量变化数据以及电池组中每个电芯的电压增量变化数据，计算电池组中每个电芯的能量保持率参数；

根据每个电芯的能量保持率参数和当前电压值，计算出每个电芯的电芯不平衡度参数。

8.如权利要求6所述的一种电池组电芯电压均衡方法，其特征在于，步骤2）的具体步骤如下：

根据电池组中每个电芯的电芯不平衡度参数判断当前电池组是否满足均衡开启的条件，其中开启条件为：存在一个或多个电芯的电芯不平衡度参数大于预先设置的开启门限值；

如果满足均衡开启条件，则在当前电池组所有电芯的电芯不平衡度参数中选出最大值，并将其所对应电芯通道作为待均衡的电芯通道，并反馈对应的通道号，否则，关闭均衡功能。

9.如权利要求6所述的一种电池组电芯电压均衡方法，其特征在于，步骤3）的具体步骤如下：

根据反馈的通道号，生成相应的多路开关切换逻辑，输出对应的开关量信号；

基于所述开关量信号，结合当前开关通道的电压反馈值和电流值，判断是否发生误开启动作，如果是，则产生相应的故障告警，并关闭故障通道的开关量信号，否则，保持对应均衡通道的开关量信号开启。

10.如权利要求6所述的一种电池组电芯电压均衡方法，其特征在于，步骤4）的具体步骤如下：

结合当前均衡电芯通道的电芯不平衡度参数反馈值，电压值和电流值变化情况，生成均衡控制指令；

根据生成的均衡控制指令值产生当前均衡电芯通道的均衡电流指令值，电流指令值为正时，能量从当前均衡电芯中流出，电流指令为负时，能量从当前均衡电芯通道中流出，电流指令为正时，能量流入当前均衡电芯通道，且电流指令的绝对值越大，能量转移的速度越快；

采集当前均衡电芯通道的电流反馈值，并将其与电流指令值做闭环控制，生成均衡电流控制指令，并将该指令值进行电流调整加载，完成当前均衡通道均衡速度闭环控制；

结合当前均衡通道的电芯不平衡度参数变化情况和环境参数的变化情况，动态调整均衡电流指令值，动态调整均衡电流指令值的输入变量为当前电芯通道的电芯不平衡度参数、电压值、电流值以及温度值，输出为电流指令修正值。