一種電池組主動均衡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種電池組主動均衡系統(tǒng)，包括電池狀態(tài)監(jiān)測單元（07）、通道切換單元（06）、DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元（02），以及均衡控制單元（05）。電池狀態(tài)監(jiān)測單元（07）實時測量電池組的各電池單體（b1、b2……bn）的電壓；均衡控制單元（05）實時接收電池監(jiān)測數(shù)據(jù)，并分別向通道切換單元（06）和DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元（02）發(fā)送邏輯選通信號和均衡控制信號；通道切換單元（06）接收均衡控制單元（05）的輸出邏輯選通信號，控制各電池單體均衡回路的開通與關(guān)斷；DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元（02）通過接收均衡控制單元（05）的均衡控制信號，對各電池單體（b1、b2……bn）進(jìn)行均衡。本發(fā)明能夠?qū)﹄姵亟M中任意一節(jié)單體電池進(jìn)行均衡，且均衡效率高。
【專利說明】—種電池組主動均衡系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電池組主動均衡系統(tǒng)，特別涉及一種電動汽車用串聯(lián)鋰離子電池組主動均衡系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于電池固有的電化學(xué)特性，單體電池的額定工作電壓通常很低。在一些高能量需求的應(yīng)用場合如電動汽車動力電源，電網(wǎng)電池儲能等【技術(shù)領(lǐng)域】，為了達(dá)到系統(tǒng)的能量需求，通常采用的方法是將大量的電池單體進(jìn)行串聯(lián)成組使用。電池串聯(lián)數(shù)量從幾十串到幾百串，電池容量從幾Ah到數(shù)百Ah不等。由于電池制造工藝的限制，每節(jié)電池單體的特性都會有微小的差異，在大量電池單體成組使用的情況下，就會存在電池組的不均衡問題。并且由于容量小、內(nèi)阻大、自放電率高的電池在充放電過程中容易發(fā)生過充電、過放電和過熱，導(dǎo)致電池性能下降速度加快，呈現(xiàn)“正反饋”效應(yīng)，這將導(dǎo)致電池組的不一致性加劇惡化。因此如何高效地對電池組的一致性進(jìn)行實時修正，以延長其使用壽命，增大其可用容量，是電池單體成組使用亟待解決的問題。
[0003]傳統(tǒng)的電池組均衡方式主要可以分為兩大類，分別是能量消耗型和非能量消耗型。能量消耗型均衡方式通常在每只單體電池上并聯(lián)一個可控分流電阻。當(dāng)電池電壓達(dá)到或超過限制電壓時，導(dǎo)通分流電阻回路，使流過單體電池的充電電流減小，從而使單體電池的電壓維持限制值以內(nèi)。由于流過電阻的電能最終以熱能的形式得到了釋放，因此稱作能量消耗型均衡方式。目前，有多種基于能量消耗型原理的電池組均衡系統(tǒng)，如中國專利201210321456.9和美國專利S6806686B1等?？偟膩碚f，能量消耗型均衡系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在早期的低容量、低電壓的電池組系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，對于目前的大容量、高電壓等級的電池組系統(tǒng)，這種方法的能耗太大，顯然是不可取的。非能量消耗型均衡系統(tǒng)，一般需要一個電壓轉(zhuǎn)換器，在主控制器檢測到某單體電壓偏高時，將電壓偏高單體的能量通過變換器反饋到電壓偏低的單體，均衡過程中能量被重新利用，從而達(dá)到電壓和能量的均衡。
[0004]此外，傳統(tǒng)的均衡方式大多數(shù)為過分依賴充電過程的被動均衡方式。即電池組在使用電池過程中若長時間不充電，單體電池之間便得不到均衡，電池單體間的不均衡差異便會越來越大，從而給下一次充電均衡造成很大負(fù)擔(dān)，甚至數(shù)次充電仍達(dá)不到平衡效果。雖然現(xiàn)在一些新型的電池組均衡系統(tǒng)，如中國專利201110190190.4和201210277359.4，它們對傳統(tǒng)的能量消耗型被動均衡方式進(jìn)行了一些改進(jìn)，可以在充電、放電以及靜態(tài)情況下進(jìn)行均衡。但是傳統(tǒng)均衡方法中存在的均衡效率低、均衡時間長、能耗高等問題依然沒有得到解決。與被動均衡相對應(yīng)，主動均衡不需借助充電過程，可以在任意狀態(tài)下對電池組進(jìn)行均衡控制，從理論上講是低能耗，高效率的均衡方式。但是從目前主動均衡技術(shù)研究的現(xiàn)狀分析，主動均衡方案由于涉及的元器件過多，實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的安全運(yùn)行穩(wěn)定性等問題依然很多，大多數(shù)均衡方案還處在理論研究階段，并未得到實際應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電池組均衡技術(shù)中存在的問題，提出一種非能耗型電池組主動均衡系統(tǒng)。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)簡單、易于擴(kuò)展的前提下，進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率，以適用于高能量串聯(lián)電池組均衡的應(yīng)用場合。
[0006]本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]本發(fā)明通過監(jiān)測電池狀態(tài)，包括電壓、電流、溫度等，并對所有電池單體狀態(tài)進(jìn)行分析，當(dāng)電池組中的某個電池達(dá)到均衡要求時，開通相應(yīng)均衡回路，通過電池組自供電的形式向需要均衡的電池單體進(jìn)行充電，從而實現(xiàn)電池組的主動均衡。
[0008]本發(fā)明包含電池狀態(tài)監(jiān)測單元、通道切換單元、DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元以及均衡控制單元。電池狀態(tài)監(jiān)測單元實時測量串聯(lián)組成電池組的各電池單體的電壓，并將電池數(shù)據(jù)傳送至均衡控制單元；均衡控制單元根據(jù)電池狀態(tài)監(jiān)測單元實時采集得到的各電池單體電壓數(shù)據(jù)，計算各電池單體之間的電壓差和最大能量差，并根據(jù)最大的電壓差判斷需要均衡的電池單體，根據(jù)最大能量差和具體的均衡需求確定均衡電流大小和均衡時間，所述的最大電壓差、最大能量差為兩兩電池單體之間電壓差、能量差的最大值；通道切換單元接收均衡控制單元發(fā)送的邏輯選通信號，控制相應(yīng)均衡回路的開通或關(guān)斷。DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元是本發(fā)明的主要能量轉(zhuǎn)換器件，它的輸入端直接跨接在電池組的總正和總負(fù)之間，通過接收來自均衡控制單元發(fā)送的均衡電流和均衡時間命令信號，將輸入端的電池組的能量饋送至需要被均衡的電池單體，實現(xiàn)電池組中各單體能量的主動均衡。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于:
[0010]1、有效地解決了能量消耗型均衡方式的功耗問題，在本發(fā)明的均衡過程中，除了能量傳輸引起的能量損失之外，并無電阻耗能環(huán)節(jié)，大大減小了系統(tǒng)的功耗。
[0011]2、有效地解決了被動均衡方`式在放電和靜置階段不能進(jìn)行均衡的問題，在本發(fā)明的均衡過程中，能量通過DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元直接流向需要均衡的電池單體，并不需要外界提供均衡電流。因此，本發(fā)明的使用范圍并不受到電池組的工作狀態(tài)限制，可以在電池組充電、放電和靜置過程中對電池組的不均衡性進(jìn)行實時調(diào)整。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明原理圖；
[0013]圖2為通道切換單元原理圖；
[0014]圖3為均衡過程中能量最低電池單體電流流向圖；
[0015]圖4為均衡控制策略框圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0017]如圖1所示，均衡控制系統(tǒng)01包含電池狀態(tài)監(jiān)測單元07、均衡控制單元03、DC/DC
直流電壓轉(zhuǎn)換單元02、通道切換單元06。電池組08由電池單體bl、b2、......、bn串聯(lián)組
成，電池監(jiān)測單元07用于實時監(jiān)測各電池單體bl、b2、……、bn的電壓、電流及溫度信號；均衡控制單元05接收電池狀態(tài)監(jiān)測單元07發(fā)送來的信號，依據(jù)均衡控制策略發(fā)送均衡控制命令和均衡通道選通命令；通道切換單元06接收均衡控制單元05發(fā)送的均衡通道邏輯選通命令，控制均衡回路的開通與關(guān)斷；DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元02接收均衡控制單元05發(fā)送的均衡控制命令，將電池組整組的能量通過通道切換單元06饋送至需要均衡的電池單體，實現(xiàn)電池組的主動均衡。
[0018]電池監(jiān)測單元07的I/O 口分別與電池單體bl、電池單體b2、......、電池單體bn的
正負(fù)極直接相連，用于實時監(jiān)測各個電池單體的電壓、電流、溫度信號，電池監(jiān)測單元07將
測得的電池單體bl、電池單體b2、......、電池單體bn電壓值累加，計算電池組總電壓。電
池監(jiān)測單元07將監(jiān)測得到的電池數(shù)據(jù)發(fā)送至均衡控制單元05。
[0019]均衡控制單元05包含兩個控制子單元，分別為通道邏輯選通子單元03和充電控制子單元04。均衡控制單元05根據(jù)接收到的各電池單體電壓值，分別逐一計算某一電池單體bl與其余電池單體b2、b3、……、bn的電壓差。均衡控制單元05通過線性插值算法分別逐一計算某一電池單體bl與其余電池單體b2、b3、……、bn的能量差。通過冒泡排序算法，確定最大能量差，以及能量最高電池單體序號，能量最低電池單體序號。均衡控制單元05通過冒泡排序算法，確定最大電壓差、最大能量差，以及能量最高電池單體序號，能量最低電池單體序號，所述的最大電壓差、最大能量差為兩兩電池單體之間電壓差、能量差的最大值；當(dāng)最大電壓差大于均衡閾值電壓，均衡控制單元05的通道邏輯選通單元03對能量最低單體電池進(jìn)行通道選通操作；均衡控制單元05根據(jù)最大能量差和均衡電流設(shè)定均衡時間，均衡控制單元05中的充電控制子單元04控制DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元02進(jìn)行均衡充電。
[0020]DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元02的輸入端口直接與電池組08的總正al和總負(fù)a2相連，輸出端與通道切換單元06相連。DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元02依據(jù)均衡控制單元發(fā)送的充電控制信號，通過通道切換單元06構(gòu)成的均衡回路，將電池組的能量直接饋送至需要均衡的單體中，從而實現(xiàn)電池組`的主動均衡。
[0021]圖2具體描述了通道切換單元06的原理。如圖2所示,通道切換單元06由雙刀繼電器jl、雙刀繼電器j2、……、雙刀繼電器jn構(gòu)成。雙刀繼電器的jl、j2、……、jn的控制端與均衡控制單元05的通道邏輯選通子單元03相連，用于接收均衡通道選通信號。雙刀繼電器jl、j2、……、jn的輸入端均并聯(lián)連接至DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元02的輸出端口 ；雙刀繼電器jl的輸出端口分別與電池單體bl的正負(fù)端相連，用于控制電池單體bl均衡回路的開通與關(guān)斷；雙刀繼電器j2的輸出端口分別與電池單體b2的正負(fù)端相連，用于控制電池單體b2均衡回路的開通與關(guān)斷，以此類推，雙刀繼電器jn的輸出端口分別與電池單體bn的正負(fù)端相連，用于控制電池單體bn均衡回路的開通與關(guān)斷。
[0022]圖3具體描述了均衡過程中能量最低的電池單體的電流流向。圖3中I。為均衡充電電流，Ital為總充電電流。由于均衡過程中是DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元02自供電，整個電池組是在放電的，令放電電流大小為Id，那么在能量最低的電池單體上疊加電流為Is=Ita1-1d+Ic°同理，能量最高的電池單體上疊加電流為Ii=Ital-V在t時間內(nèi)，能量最低
的電池單體補(bǔ)充的能量為八(^，且/\(?=_[//力；能量最高的電池單體補(bǔ)充的能量為ADt,ΔΑ - ￡ IJi。當(dāng)達(dá)到均衡時應(yīng)有等式Emax+ Δ Dt=Emin+ Δ Qt,即:
[0023]Eimx + ￡ Iddt = Eimn + ￡ IsdtU )[0024]最終可以得到有:
[0025]AE = J I dl — J I ,di = j I dl\ 2.)
[0026]因此只需要知道能量差ΛΕ和充電電流I。，即可計算出均衡時間t。其中Emax為能量最高的單體能量值，其中Emin為能量最低的單體能量值。
[0027]圖4具體描述了本發(fā)明的均衡控制策略。首先通過電池監(jiān)測單元07對電池各電池單體的溫度、電壓、電流信號進(jìn)行采集；其次，均衡控制單元05依據(jù)采集到的電池數(shù)據(jù)，計算各電池單體之間的電壓差；再其次，均衡控制單元05計算各電池單體之間的能量差，根據(jù)最大能量差和設(shè)定的均衡電流大小計算均衡時間；最后，均衡控制單元05控制DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元02對能量最低單體電池進(jìn)行均衡操作。
[0028]所述的電池間的能量差計算方法是，首先依據(jù)電池特性實驗，制定各電池單體在不同溫度下電壓與電池能量的關(guān)系數(shù)據(jù)表。然后在電池工作過程中實時檢測各電池單體電壓值，根據(jù)各電池單體電壓值進(jìn)行電池單體能量的插值查表計算，同時確定能量最低的電池單體，最后將查表所得各電池單體電壓能量值進(jìn)行兩兩相減，即可得到各電池單體間的
能量差。`
【權(quán)利要求】
1.一種電池組主動均衡系統(tǒng)，其特征在于所述的均衡系統(tǒng)(Ol)包括電池狀態(tài)監(jiān)測單元(07)、通道切換單元(06)、DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)，以及均衡控制單元(05);電池組(08)由多個電池單體(bl、b2、……，bn)串聯(lián)組成；電池狀態(tài)監(jiān)測單元(07)實時測量電池組各電池單體(bl、b2……，bn)的電壓；均衡控制單元(05)實時接收電池監(jiān)測數(shù)據(jù)，并分別向通道切換單元(06)和DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)發(fā)送邏輯選通信號和均衡控制信號；通道切換單元(06 )接收均衡控制單元(05 )輸出的邏輯選通信號，控制各電池單體均衡回路的開通與關(guān)斷；DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)通過接收均衡控制單元(05)的均衡控制信號，對各電池單體(b 1、b2……bn )進(jìn)行均衡。
2.按照權(quán)利要求1所述的電池組主動均衡系統(tǒng)，其特征在于所述的電池狀態(tài)監(jiān)測單元(07)與電池組(08)的各個電池單體(bl、b2……bn)的正、負(fù)端連接，實時監(jiān)測電池組(08)中各電池單體(bl、b2......bn)的電壓；電池狀態(tài)監(jiān)測單元(07)通過I/O 口與均衡控制單元(05)的輸入口連接，將監(jiān)測得到的電池電壓值實時傳送至均衡控制單元(05)。
3.按照權(quán)利要求1所述的電池組主動均衡系統(tǒng)，其特征在于所述的通道切換單元包括雙刀繼電器(jl)、第二繼電器(j2)、……第η繼電器(jn);所述DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)的輸出端分別接雙刀繼電器(jl)、第二繼電器(j2)、……第η繼電器n(jn)的輸入端，雙刀繼電器(jl)的輸出端分別跨接在第一電池單體(bl)、第二電池單體(b2)、……第η電池單體(bn)的正負(fù)極兩端。
4.按照權(quán)利要求1所述的電池組主動均衡系統(tǒng)，其特征在于所述的DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)的輸入端跨接在電池組的總正(al)和總負(fù)(a2)上，即DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)由電池組(08)自供電，DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)的輸出端連接至通道切換單元(06)的輸入端，通道切換單元(06)的輸出端分別跨接在電池組(08)中單體電池(bl、b2......bn)的正極和負(fù)極兩端`。
5.按照權(quán)利要求1所述的電池組主動均衡系統(tǒng)，其特征在于所述的均衡控制單元(05)的輸入端與電池狀態(tài)監(jiān)測單元(07)的I/O輸出端相連，均衡控制單元(05)的輸出端充電控制單元(04)接DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)，均衡控制單元(05)的輸出端通道邏輯選通單元(03 )接通道切換單元(06 )，均衡控制單元(05 )在接收到電池狀態(tài)監(jiān)測單元(07 )發(fā)送的通道邏輯選通命令和充電控制命令后，控制DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)工作和通道切換單元(06)通道選通。
6.按照權(quán)利要求1所述的電池組主動均衡系統(tǒng)，其特征在于所述的均衡控制單元(05)通過電池狀態(tài)監(jiān)測單元(07)實時檢測得到的電池組各電池單體(bl、b2……bn)電壓值，均衡控制單元(05)根據(jù)接收到的各電池單體電壓值，分別逐一計算某一電池單體(bl)與其余電池單體(b2、b3、……、bn)的電壓差；均衡控制單元(05)通過線性插值算法分別逐一計算某一電池單體(bl)與其余電池單體(b2、b3、......、bn)的能量差；均衡控制單元(05)通過冒泡排序算法，確定最大電壓差、最大能量差，以及能量最高電池單體序號，能量最低電池單體序號；當(dāng)最大電壓差大于均衡閾值電壓，均衡控制單元(05)的通道邏輯選通單元(03)對能量最低單體電池進(jìn)行通道選通操作；均衡控制單元(05)根據(jù)最大能量差和均衡電流設(shè)定均衡時間，均衡控制單元(05)中的充電控制子單元(04)控制DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)進(jìn)行均衡充電。
7.按照權(quán)利要求6所述的電池組主動均衡系統(tǒng)，其特征在于電池間的能量差計算方法是，首先依據(jù)電池特性實驗，制定各電池單體在不同溫度下電壓與電池能量的關(guān)系數(shù)據(jù)表，然后在電池工作過程中實時檢測各電池單體的電壓值，根據(jù)各電池單體電壓值進(jìn)行電池單體能量的插值查表計算，同時確定能量最低的電池單體，最后將查表所得各電池單體電壓能量值進(jìn)行兩兩相減，即可得到各電池單體間的能量差。
8.按照權(quán)利要求1所述的電池組主動均衡系統(tǒng)，其特征在于所述的通道切換單元(06)由雙刀繼電器jl、雙刀繼電器j2、……、雙刀繼電器jn構(gòu)成；雙刀繼電器的jl、j2、……、jn的控制端與均衡控制單元(05)的通道邏輯選通子單元(03)相連，用于接收均衡通道選通信號；雙刀繼電器jl、j2、……、jn的輸入端均連接至DC/DC直流電壓轉(zhuǎn)換單元(02)的輸出端口 ；雙刀繼電器jl的輸出端口分別與電池單體bl的正負(fù)端相連，用于控制電池單體bl均衡回路的開通與關(guān)斷；雙刀繼電器j2的輸出端口分別與電池單體b2的正負(fù)端相連，用于控制電池單體b2均衡回路的開通與關(guān)斷，以此類推，雙刀繼電器jn的輸出端口分別與電池單體bn的正負(fù)端相連，用于控制電池單體bn均衡回路的開通與關(guān)斷。
【文檔編號】H02J7/00GK103501025SQ201310415672
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】王立業(yè), 王麗芳, 李勇, 徐冬平, 張志剛 申請人:中國科學(xué)院電工研究所