一種串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)及其控制方法，包括充電變換器、串聯(lián)蓄電池組、放電變換器和控制電路；充電變換器給串聯(lián)蓄電池組充電，串聯(lián)蓄電池組通過放電變換器給負(fù)載供電；控制電路獲取串聯(lián)蓄電池組中每個(gè)蓄電池單元的電壓值，找出電壓上線超值和電壓下限超值蓄電池單元；控制電路控制每個(gè)蓄電池單元的旁路開關(guān)和斷路開關(guān)，使蓄電池單元工作于第一工作狀態(tài)或第二工作狀態(tài)。控制電路根據(jù)串聯(lián)蓄電池組中蓄電池單元的狀態(tài)數(shù)，控制充電變換器的充電電壓和充電電流，使串聯(lián)蓄電池組實(shí)現(xiàn)均衡充電和均衡放電。本發(fā)明的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)及其控制方法耗能少；蓄電池單元可以使用很大容量；電路簡單。
【專利說明】一種串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于串聯(lián)蓄電池均衡控制【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]蓄電池按其使用的電化學(xué)材料可分為鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池、鎳鎘電池。依據(jù)其電化學(xué)特性，各種蓄電池單體的電壓各不相同，如鉛酸蓄電池單體電壓額定值為2V，鋰電池單體電壓額定值3.7V。
[0003]蓄電池可以由一個(gè)蓄電池單體組成；也可以由多個(gè)單體并聯(lián)以增加蓄電池的安時(shí)容量；也可以由多個(gè)單體串聯(lián)而成，以提高蓄電池的電壓；或者多個(gè)蓄電池單體串聯(lián)和并聯(lián)混合增加蓄電池的安時(shí)容量且提高蓄電池的電壓。
[0004]將多個(gè)蓄電池單元串聯(lián)連接可以滿足更高電壓應(yīng)用的要求，稱為串聯(lián)蓄電池組。如內(nèi)燃機(jī)汽車使用的串聯(lián)蓄電池組電壓是12伏或24伏，電動(dòng)自行車使用的串聯(lián)蓄電池組電壓是24伏或36伏或48伏，電動(dòng)汽車使用的串聯(lián)蓄電池組的電壓甚至高于300伏。
[0005]串聯(lián)蓄電池組中的每個(gè)蓄電池單體并非完全相同，即使是嚴(yán)格篩選的蓄電池，蓄電池組中各個(gè)蓄電池單體的溫度、內(nèi)部阻抗和放電狀態(tài)均不相同。隨著充放電吃數(shù)的增加和使用時(shí)間的延長，這些差異會(huì)越來越明顯，若不加以均衡管理，某個(gè)蓄電池單元會(huì)首先發(fā)生故障導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)蓄電池組不能提供電能。
[0006]對(duì)串聯(lián)蓄電池組進(jìn)行充電和放電時(shí)，如何保證充放電過程中蓄電池單元的均衡，是保證蓄電池的安全性和可靠性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)串聯(lián)蓄電池組中，某個(gè)蓄電池單元損壞時(shí)，能讓串聯(lián)蓄電池組繼續(xù)工作，是充分發(fā)揮蓄電池效能的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供了一種串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)及其控制方法，旨在解決串聯(lián)蓄電池組在充放電過程中存在均衡的問題。
[0008]本發(fā)明提供了一種串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)，包括充電變換器、串聯(lián)蓄電池組、放電變換器和控制電路；所述充電變換器的充電輸出端與串聯(lián)蓄電池組的輸入端連接，所述放電變換器的輸入端連接至所述串聯(lián)蓄電池組的輸出端，所述放電變換器的輸出端用于連接負(fù)載；所述充電變換器用于給所述串聯(lián)蓄電池組充電，所述串聯(lián)蓄電池組通過所述放電變換器給負(fù)載供電；所述控制電路的控制端連接至所述串聯(lián)蓄電池組的反饋端，用于從所述串聯(lián)蓄電池組的反饋端獲取所述串聯(lián)蓄電池組中每個(gè)蓄電池單元的電壓值參數(shù)、所述串聯(lián)蓄電池組的整體電壓值以及充電電流值；所述控制電路的第一輸出端連接所述充電變換器的充電控制端，用于控制所述充電變換器的充電電壓；所述控制電路的第二輸出端連接所述放電變換器的放電控制端，用于控制所述放電變換器的放電電壓。
[0009]其中，所述串聯(lián)蓄電池組包括多個(gè)串聯(lián)連接的蓄電池單元，每一個(gè)蓄電池單元包括單元開關(guān)控制器、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路、斷路開關(guān)K1、旁路開關(guān)K2以及蓄電池；所述蓄電池與所述斷路開關(guān)Kl串聯(lián)后再與所述旁路開關(guān)K2并聯(lián)；所述單元開關(guān)控制器的控制輸入端用于與所述控制電路連接，所述單元開關(guān)控制器的信號(hào)輸入端連接至所述數(shù)據(jù)采集電路的輸出端，所述數(shù)據(jù)采集電路的輸入端與所述蓄電池連接；所述驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接至所述單元開關(guān)控制器的輸出端，所述驅(qū)動(dòng)電路的第一輸出端連接至所述斷路開關(guān)Kl的控制端，所述驅(qū)動(dòng)電路的第二輸出端連接至所述旁路開關(guān)K2的控制端。
[0010]其中，每一個(gè)蓄電池單元還包括與所述斷路開關(guān)并聯(lián)連接的第一二極管D1，以及與所述旁路開關(guān)并聯(lián)連接的第二二極管D2。
[0011]其中，所述蓄電池由多個(gè)單體蓄電池串、并聯(lián)而成。
[0012]本發(fā)明還提供了一種基于上述的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)的充電控制方法，包括一個(gè)或多個(gè)恒流充電子過程或恒壓充電子過程。
[0013]其中，恒流充電子過程包括下述步驟:
[0014]獲取串聯(lián)蓄電池組的電壓V和電流I ;
[0015]判斷所述電壓V是否小于0-101^1，若是，則置恒流充電標(biāo)志并以!1111恒流充電；若否，則結(jié)束#為單體蓄電池的總數(shù)，k為N個(gè)單體蓄電池中被旁路的個(gè)數(shù)，η為蓄電池單元中串聯(lián)的單體蓄電池的個(gè)數(shù)，nVl為恒流轉(zhuǎn)換為恒壓充電的轉(zhuǎn)換電壓。
[0016]其中，恒壓充電子過程包括下述步驟:
[0017]獲取串聯(lián)蓄電池組的電壓V、電流I和蓄電池組狀態(tài)數(shù)(Ν-k)；
[0018]根據(jù)所述蓄電池組狀態(tài)數(shù)(N-k)獲得充電電壓(N_k)nV2 ；
[0019]判斷所述電流I是否小于mil，若是，則置恒壓充電標(biāo)志并恒壓充電，若否，則結(jié)束仰為蓄電池單元中并聯(lián)的單體蓄電池的個(gè)數(shù)，mil為恒流充電電流，nV2為恒壓充電電壓，N為單體蓄電池的總數(shù)，k為N個(gè)單體蓄電池中被旁路的個(gè)數(shù)。
[0020]本發(fā)明還提供了一種基于上述的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)的控制方法，包括下述步驟:
[0021]S200:獲取各個(gè)蓄電池單元的電壓值、電池單元的電壓平均值以及各個(gè)蓄電池單元的電壓值與平均值之間的差值；
[0022]S201:判斷差值的絕對(duì)值與平均值的比值是否大于設(shè)定的第一閾值；若是，則轉(zhuǎn)入步驟S202，若否，則令蓄電池單元的上限超值數(shù)k = O并轉(zhuǎn)入步驟S210 ；
[0023]S202:判斷所述差值是否大于零，若是，則轉(zhuǎn)入步驟S203，若否，則轉(zhuǎn)入步驟S204 ；
[0024]S203:標(biāo)記該蓄電池單元為上限超值；
[0025]S204:標(biāo)記該蓄電池單元為下限超值；
[0026]S205:判斷該蓄電池是否放電，若是，則轉(zhuǎn)入步驟S207，若否，則轉(zhuǎn)入步驟S209 ；
[0027]S206:判斷該蓄電池是否充電，若是，則轉(zhuǎn)入步驟S208，若否，則轉(zhuǎn)入步驟S209 ；
[0028]S207:傳遞控制信號(hào)使得下限超值的蓄電池單元工作在第二工作狀態(tài)；
[0029]S208:傳遞控制信號(hào)使得上限超值的蓄電池單元工作在第二工作狀態(tài)；
[0030]S209:獲得蓄電池單元的上限超值數(shù)k ;該1^值也是需要工作于第二工作狀態(tài)的蓄電池單元的數(shù)值。
[0031]S210:傳遞N-k的值至充電控制器并返回至步驟S200。
[0032]其中，所述第一閾值為0.5%?％ 10。
[0033]其中，所述第二工作狀態(tài)是指斷路開關(guān)Kl斷開且旁路開關(guān)K2接通，該狀態(tài)下該蓄電池單元所包含的蓄電池不能充電且不能放電，但電流可以通過旁路開關(guān)流過該蓄電池單
J Li ο
[0034]本發(fā)明的串聯(lián)蓄電池組均衡方法具有以下優(yōu)勢:(I)沒有電阻耗能，所以該方法耗能少；(2)所能使用的開關(guān)可以很大電流，因此蓄電池單元可以使用很大容量；(3)不用加入電感電容等儲(chǔ)能元件，電路簡單。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)的原理框圖；
[0036]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)中串聯(lián)蓄電池組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)中充電變換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖4是本發(fā)明提供的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)的充電控制方法中恒流充電子流程的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0039]圖5是本發(fā)明提供的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)的充電控制方法中恒壓充電子流程的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0040]圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的串聯(lián)鋰電池組均衡系統(tǒng)的充電控制方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0041]圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)控制方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0043]如圖1所示，本發(fā)明串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)，包括充電變換器11、串聯(lián)蓄電池組12、放電變換器13和控制電路14 ;充電變換器11連接串聯(lián)蓄電池組12給蓄電池充電，串聯(lián)蓄電池組12連接放電變換器13給負(fù)載供電，控制電路14連接串聯(lián)蓄電池組12，從串聯(lián)蓄電池組12獲取串聯(lián)蓄電池組中每個(gè)蓄電池單元的電壓值參數(shù)，控制電路14也采樣串聯(lián)蓄電池組12整體電壓值和充電電流值?？刂齐娐?4連接充電變換器11，用于控制充電變換器11的充電電壓。
[0044]如圖2所示，本發(fā)明的串聯(lián)蓄電池組12由多個(gè)蓄電池單元串聯(lián)而成，每個(gè)蓄電池單元包括蓄電池124、斷路開關(guān)K1、旁路開關(guān)K2、驅(qū)動(dòng)電路122、單元開關(guān)控制器121和數(shù)據(jù)采集電路123。斷路開關(guān)Kl和旁路開關(guān)K2，與蓄電池連接方式是，蓄電池124與斷路開關(guān)Kl串聯(lián)，然后一起再與旁路開關(guān)K2并聯(lián)。單元開關(guān)控制器121給驅(qū)動(dòng)電路122控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路122驅(qū)動(dòng)斷路開關(guān)Kl和旁路開關(guān)K2，使其導(dǎo)通或關(guān)斷；數(shù)據(jù)采集電路123采樣蓄電池124的電流和電壓，這些數(shù)據(jù)傳給單元開關(guān)控制器121，單元開關(guān)控制器121再將數(shù)據(jù)傳送給串聯(lián)蓄電池組的系統(tǒng)控制電路14或系統(tǒng)總線控制單元。
[0045]在本發(fā)明實(shí)施例中，斷路開關(guān)Kl和旁路開關(guān)K2可以是電磁開關(guān)器件比如繼電器或接觸器，也可以是雙極型晶體管、功率MOS、IGBT、GTO等電子開關(guān)器件。
[0046]在本發(fā)明實(shí)施例中，包括斷路開關(guān)Kl和旁路開關(guān)K2的蓄電池單元，有以下兩種工作狀態(tài):第一種工作狀態(tài)是斷路開關(guān)Kl接通且旁路開關(guān)K2斷開，該狀態(tài)下該蓄電池單元所包含的蓄電池能夠充電和放電；當(dāng)串聯(lián)蓄電池組中所有的蓄電池單元電壓和容量均衡時(shí)，蓄電池單元工作在這種狀態(tài)下，蓄電池單元主要時(shí)間工作在這種狀態(tài)。第二種工作狀態(tài)是斷路開關(guān)Kl斷開且旁路開關(guān)Κ2接通，該狀態(tài)下該蓄電池單元所包含的蓄電池不能充電且不能放電，但電流可以通過旁路開關(guān)Κ2流過該蓄電池單元。
[0047]斷路開關(guān)Kl和旁路開關(guān)Κ2不能同時(shí)導(dǎo)通，稱為死區(qū)。為使本發(fā)明的蓄電池單元正常工作，必須解決蓄電池兩個(gè)工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，流經(jīng)蓄電池的電流的續(xù)流問題，為此斷路開關(guān)Kl和旁路開關(guān)Κ2各自反向并聯(lián)了二極管。在充電過程中，當(dāng)蓄電池單元由第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換為第二工作狀態(tài)時(shí)，斷路開關(guān)Kl的反并聯(lián)二極管為充電電流提供通道；在放電過程中，當(dāng)蓄電池單元由第一工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為第二工作狀態(tài)時(shí)，旁路開關(guān)Κ2的反并聯(lián)二極管為放電電流提供通道。
[0048]在進(jìn)行充電均衡和放電均衡控制時(shí)，首先需要判斷蓄電池單元是否存在“不均衡上限超值”和“不均衡下限超值”，標(biāo)記該蓄電池“不均衡上限超值”和“不均衡下限超值”狀態(tài)，以待在均衡充電和均衡放電時(shí)使用。判斷方法是計(jì)算各個(gè)蓄電池單元的與所有蓄電池單元電壓平均值的電壓差值，當(dāng)某個(gè)蓄電池單元電壓值比平均值高0.5%—% 10時(shí)，則該蓄電池單元不均衡上限超值；當(dāng)某個(gè)蓄電池單元電壓值比平均值低0.5% — % 10時(shí)，則該蓄電池單元不均衡下限超值。
[0049]串聯(lián)蓄電池組均衡充電方法是:在充電階段，周期性的采樣每個(gè)蓄電池單元的電壓值，當(dāng)串聯(lián)蓄電池組中某個(gè)蓄電池單元出現(xiàn)不均衡上線超值時(shí)，使該蓄電池單元工作在第二工作狀態(tài)，該蓄電池單元將不再充電，而其余蓄電池單元仍工作于第一工作狀態(tài)進(jìn)行充電；隨著串聯(lián)蓄電池組整體充電過程的繼續(xù)，當(dāng)該蓄電池單元不再出現(xiàn)不均衡上限超值時(shí)，串聯(lián)蓄電池組電能達(dá)到均衡，該蓄電池單元工作于第一工作狀態(tài)。用這種方法使串聯(lián)蓄電池組充電均衡。
[0050]串聯(lián)蓄電池組均衡放電方法是:在放電階段，周期性的采樣每個(gè)蓄電池單元的電壓值，當(dāng)串聯(lián)蓄電池組中某個(gè)蓄電池單元出現(xiàn)不均衡下限超值時(shí)，使該蓄電池單元工作在第二工作狀態(tài)，該蓄電池單元將不再放電，而其余蓄電池單元仍工作于第一工作狀態(tài)進(jìn)行放電；隨著串聯(lián)蓄電池組整體放電過程的繼續(xù)，當(dāng)該蓄電池單元不再出現(xiàn)不均衡下限超值時(shí)，串聯(lián)蓄電池組電能達(dá)到均衡，該蓄電池單元工作于第一工作狀態(tài)。用這種方法使串聯(lián)蓄電池組放電均衡。
[0051]串聯(lián)蓄電池均衡系統(tǒng)還包括系統(tǒng)控制電路，該控制電路采樣每個(gè)蓄電池單元的電壓參數(shù)，經(jīng)過處理判斷，據(jù)需要驅(qū)動(dòng)每個(gè)蓄電池單元的斷路開關(guān)或旁路開關(guān)，控制對(duì)應(yīng)的斷路開關(guān)和旁路開關(guān)接通和斷開。
[0052]系統(tǒng)控制電路還要控制充電變換器，根據(jù)串聯(lián)蓄電池組中蓄電池單元個(gè)數(shù)不同進(jìn)行不同的充電控制。
[0053]目前串聯(lián)蓄電池組的均衡管理可以通過電壓轉(zhuǎn)移的方式來調(diào)節(jié)蓄電池單元的電壓，將電壓多的蓄電池單元能量可以在電阻上消耗；或者存儲(chǔ)于電感電容中，向電壓少的蓄電池放電。通過電阻的分流將蓄電池單元能量釋放會(huì)造成電阻的發(fā)熱量大，均衡電流受到限制，只適合容量小、串聯(lián)的蓄電池單元數(shù)量少的蓄電池組。而通過電感電容將電能轉(zhuǎn)移到低容量的蓄電池單元上，思路復(fù)雜，元器件多，控制復(fù)雜程度很高。
[0054]串聯(lián)蓄電池組的另一個(gè)問題是，當(dāng)某一個(gè)電池單元損壞時(shí)，整個(gè)串聯(lián)蓄電池組就不能提供電流也就是串聯(lián)蓄電池不能工作。如果強(qiáng)行工作可能會(huì)導(dǎo)致故障蓄電池單元過熱。目前，當(dāng)串聯(lián)蓄電池組中的某一個(gè)蓄電池單元發(fā)生故障時(shí)，整體串聯(lián)蓄電池組將停止工作。
[0055]本發(fā)明的串聯(lián)蓄電池組的另一個(gè)優(yōu)勢是:當(dāng)串聯(lián)電池組中一個(gè)蓄電池單元損壞時(shí)，將其旁路掉，只要其他的蓄電池單元能正常充放電，整體串聯(lián)蓄電池單元仍然可以繼續(xù)工作。
[0056]如圖1所示串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)，包括充電變換器11、串聯(lián)蓄電池組12、放電變換器13、控制電路14。充電變換器連接串聯(lián)蓄電池組給蓄電池充電，串聯(lián)蓄電池組12連接放電變換器13給負(fù)載供電，系統(tǒng)控制電路14連接串聯(lián)蓄電池組12，從串聯(lián)蓄電池組獲取串聯(lián)蓄電池組中每個(gè)蓄電池單元的電壓值參數(shù)，系統(tǒng)控制電路14也采樣串聯(lián)蓄電池組整體電壓值和充電電流值。系統(tǒng)控制電路14連接充電變換器11，控制充電變換器的充電電壓。
[0057]串聯(lián)蓄電池組12有多個(gè)蓄電池單元串聯(lián)而成，蓄電池單元如圖2所示:包括蓄電池124、斷路開關(guān)K1、二極管D1、旁路開關(guān)K2、二極管D2、驅(qū)動(dòng)電路122、數(shù)據(jù)采集電路123、單元開關(guān)控制器121。斷路開關(guān)Kl與二極管Dl并聯(lián)再與蓄電池124串聯(lián)，然后整體與旁路開關(guān)K2并聯(lián)，旁路開關(guān)K2又與二極管D2并聯(lián)。數(shù)據(jù)采集電路123與蓄電池124連接，采集蓄電池電壓電流數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集電路123連接單元開關(guān)控制器121，將采集到的電池電壓電流數(shù)據(jù)，通過單元開關(guān)控制器121傳送給系統(tǒng)控制電路14。系統(tǒng)控制電路14給出控制信號(hào)給單元開關(guān)控制器121，單元開關(guān)控制器121通過驅(qū)動(dòng)電路122控制旁路開關(guān)K2和斷路開關(guān)Kl的通斷。
[0058]在本發(fā)明實(shí)施例中，串聯(lián)蓄電池組12有兩種工作狀態(tài):第一種工作狀態(tài)是斷路開關(guān)Kl接通且旁路開關(guān)K2斷開，該狀態(tài)下該蓄電池單元所包含的蓄電池124能夠充電和放電，屬于蓄電池單元的工作常態(tài)，蓄電池單元主要時(shí)間工作在這種狀態(tài)。第二種工作狀態(tài)是斷路開關(guān)Kl斷開且旁路開關(guān)K2接通，該狀態(tài)下該蓄電池單元所包含的蓄電池124不能充電且不能放電，但電流可以通過旁路開關(guān)流過該蓄電池單元。
[0059]由這種蓄電池單元多個(gè)串聯(lián)起來組成蓄電池組，該蓄電池組均衡方法分為充電均衡方法和放電均衡方法。
[0060]充電均衡方法是:充電階段，當(dāng)某個(gè)蓄電池單元與其它蓄電池單元相比出現(xiàn)電壓過高時(shí)，該蓄電池單元由第一工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙ぷ鳡顟B(tài)；此時(shí)，該工作在第二階段的蓄電池不再充電，其余工作于第一階段的蓄電池繼續(xù)充電。充電階段這種方法能防止串聯(lián)蓄電池組中某一個(gè)蓄電池單元過充電導(dǎo)致電壓過高。
[0061]放電均衡方法是:放電階段，當(dāng)某個(gè)蓄電池單元與其他蓄電池單元相比出現(xiàn)電壓過低時(shí)，該蓄電池單元由第一工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為第二工作狀態(tài)；此時(shí)，該工作在第二階段的蓄電池不再放電，其余工作于第一階段的蓄電池繼續(xù)放電。放電階段，這種方法能防止串聯(lián)蓄電池組中某一個(gè)蓄電池單元過放電導(dǎo)致電壓過低。
[0062]為使本發(fā)明的蓄電池單元正常工作，必須解決蓄電池兩個(gè)工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，流經(jīng)蓄電池的電流的續(xù)流問題。如圖1所示，在蓄電池單元中，斷路開關(guān)Kl和旁路開關(guān)K2若同時(shí)導(dǎo)通時(shí)會(huì)導(dǎo)致蓄電池短路，為了防止這兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，在一個(gè)開關(guān)關(guān)斷過渡到另一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通期間，設(shè)定兩個(gè)開關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)時(shí)間，稱為死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間里，若電流沒有通道則會(huì)在斷路開關(guān)Kl和旁路開關(guān)K2上產(chǎn)生大的電壓尖峰，使開關(guān)器件損壞。充電階段和放電階段都存在死區(qū)時(shí)間。在蓄電池單元處于充電階段的死區(qū)時(shí)間里，二極管Dl導(dǎo)通，為充電電流提供通道；在蓄電池單元處于放電階段的死區(qū)時(shí)間里，二極管D2導(dǎo)通，為放電電流提供通道。
[0063]本發(fā)明中的斷路開關(guān)和旁路開關(guān)，可以采用繼電器、接觸器等機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)，也可以采用MOS、IGBT等電子開關(guān)。
[0064]蓄電池的充電過程包括恒流充電過程、恒壓充電過程，或者充電過程包含多個(gè)恒流充電、恒壓充電過程。也就是說，蓄電池的充電過程可分為恒流充電和恒壓充電兩種子過程，每種蓄電池的充電過程包含有一個(gè)或者多個(gè)這樣的子過程。如鉛酸蓄電池充電過程包含一個(gè)恒流充電子過程和一個(gè)恒壓充電子過程，鋰電池充電包含兩個(gè)恒流充電子過程和一個(gè)恒壓充電子過程。本發(fā)明對(duì)串聯(lián)蓄電池組充電過程的改變，可以從恒流充電和恒壓充電這兩個(gè)子過程的改變來加以說明。
[0065]如圖4所示，每個(gè)恒流充電子過程都有一個(gè)進(jìn)入條件，那就是判斷串聯(lián)蓄電池組中每一個(gè)蓄電池單體的電壓是否小于VI，若小于Vl則進(jìn)入恒流充電過程，給出恒流充電電流Ii;恒流充電子過程的結(jié)束條件是判斷單體電壓是否大于VI，當(dāng)電壓大于Vl時(shí)恒流充電結(jié)束。對(duì)于某種蓄電池單體的充電過程，I1、Vi有確定的數(shù)值范圍。有的串聯(lián)蓄電池組充電過程中有多個(gè)恒流充電子過程，也就是有不同的I1、Vl值。本發(fā)明中的串聯(lián)蓄電池組有多個(gè)蓄電池單元串聯(lián)，每個(gè)蓄電池單元又可能由多個(gè)單體串聯(lián)并聯(lián)而成。設(shè)蓄電池單元中單體的并聯(lián)個(gè)數(shù)為m串聯(lián)個(gè)數(shù)為n，然后再N個(gè)這樣的蓄電池單元串聯(lián)，則該串聯(lián)蓄電池組恒流充電電流為ml I，充電過程中需要判斷的這個(gè)電壓值是NnVI。本發(fā)明對(duì)串聯(lián)蓄電池恒流充電過程的改變是:當(dāng)串聯(lián)的N個(gè)蓄電池單體中有k個(gè)蓄電池單體被旁路，不影響恒流充電過程的充電電流值mil，但恒流充電過程中需要判斷的串聯(lián)蓄電池組電壓值變成(N-k)nVl。
[0066]如圖5所示，對(duì)于串聯(lián)蓄電池組中的每個(gè)蓄電池單體，其恒壓充電子過程首先是給出恒壓充電電壓V2，然后需要判斷單體電流是否小于12，當(dāng)電流小于12時(shí)該恒壓充電子過程結(jié)束。對(duì)于某種蓄電池單體的充電過程，V2、12有確定的數(shù)值范圍。有的蓄電池單體的充電過程包括兩個(gè)或多個(gè)恒壓充電子過程，每個(gè)恒壓充電子過程有不同的V2、12取值。本發(fā)明中的蓄電池單元可能由多個(gè)單體串聯(lián)并聯(lián)而成，設(shè)蓄電池單元中單體的并聯(lián)個(gè)數(shù)為m，串聯(lián)個(gè)數(shù)為n，然后再N個(gè)這樣的蓄電池單元串聯(lián)，則該串聯(lián)蓄電池組恒壓充電電壓為NnV2，充電過程中需要判斷的電流值是mI2。本發(fā)明對(duì)串聯(lián)蓄電池恒流充電過程的改變是:當(dāng)串聯(lián)的N個(gè)蓄電池單體中有k個(gè)蓄電池單元被旁路，該串聯(lián)蓄電池組恒壓充電電壓為(N-k)nV2，充電過程中需要判斷的電流值是mI2，當(dāng)充電電流小于mI2時(shí)，充電過程結(jié)束。
[0067]下面以充電過程比較復(fù)雜的鋰電池為例來具體說明。實(shí)際過程中鋰電池的充電過程可能與此實(shí)例略有不同，但不同的充電過程中，本發(fā)明對(duì)鋰電池充電過程的改變都是相同的。除此之外，鉛酸電池、鎳氫電池等其它蓄電池的充電過程雖然有不同，但同樣分為恒流充電恒壓充電等過程，本發(fā)明對(duì)它們充電過程的改變和對(duì)鋰電池恒流充電恒壓充電等充電過程的改變是相同的。
[0068]對(duì)于鋰電池一個(gè)單體而言，充電過程分為三個(gè)階段，第一階段和第二階段是屬于兩個(gè)不同的恒流充電階段，第三階段是恒壓充電階段。
[0069]如圖6所示，先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進(jìn)入第一階段進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為ι/1C恒流充電。C是電池容量的安時(shí)數(shù)值，若100maH鋰電池充電電流1/10C為100mA。電壓升到3V后，進(jìn)入第二階段標(biāo)準(zhǔn)充電階段，其充電過程為:以設(shè)定電流0.2C至1.0C之間進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20V時(shí)，進(jìn)入充電第三階段恒壓充電，保持充電電壓為4.20V。此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10C時(shí)，充電結(jié)束。本發(fā)明中的蓄電池單元可能由多個(gè)單體串聯(lián)并聯(lián)而成，設(shè)鋰電池單元中單體的并聯(lián)個(gè)數(shù)為m串聯(lián)個(gè)數(shù)為n，然后再N個(gè)這樣的鋰電池單元串聯(lián)，其中有k個(gè)蓄電池單元被芳路。
[0070]以串聯(lián)蓄電池組中的蓄電池為鋰電池為典型實(shí)施實(shí)例，本發(fā)明的串聯(lián)蓄電池組充電過程如下:流程圖如圖6所示，先檢測待充電串聯(lián)蓄電池組的電壓，如果電壓低于3(N-k)n，要先進(jìn)入第一階段進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為l/10mC恒流充電，C是電池的安時(shí)數(shù)值。串聯(lián)蓄電池組電壓升到3(N-k)n后，進(jìn)入第二階段標(biāo)準(zhǔn)充電階段，其充電過程為:以設(shè)定電流0.2mC至1.0mC之間進(jìn)行恒流充電，串聯(lián)蓄電池組電壓升到4.20 (N_k)η時(shí)，進(jìn)入充電第三階段恒壓充電，保持串聯(lián)蓄電池組充電電壓為4.20(N-k)n。此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的l/10mC時(shí)，充電結(jié)束。
[0071]充電變換器11的特點(diǎn)是，當(dāng)串聯(lián)蓄電池組12中有蓄電池單元工作于第二工作狀態(tài)時(shí)，充電變換器11充電的蓄電池單元個(gè)數(shù)會(huì)變少。當(dāng)串聯(lián)蓄電池組處于恒流充電時(shí)，若有蓄電池單元工作于第二工作狀態(tài)，恒流充電的電流值和所有蓄電池單元均工作于第一工作狀態(tài)時(shí)的恒流充電電流值相同。當(dāng)串聯(lián)蓄電池組處于恒壓充電時(shí)，整體的充電電壓值等于所有處于第一工作狀態(tài)的蓄電池單元恒壓充電電壓值之和；也就是，若有蓄電池單元工作于第二工作狀態(tài)，串聯(lián)蓄電池組恒壓充電的電壓值會(huì)降低。當(dāng)串聯(lián)蓄電池組處于浮充充電時(shí)，整體的充電電壓值等于所有處于第一工作狀態(tài)的蓄電池單元浮充充電電壓值之和；也就是，若有蓄電池單元工作于第二工作狀態(tài)，串聯(lián)蓄電池組浮充充電的電壓值會(huì)降低。因此，系統(tǒng)控制電路32通過綜合判斷控制各個(gè)蓄電池單元的參數(shù)和工作狀態(tài)，給出控制信號(hào)控制充電變換器33的電壓，適應(yīng)不同個(gè)數(shù)的蓄電池單元的充電過程。上述各類電壓的改變可以通過改變給定值以調(diào)整占空比來完成。
[0072]圖3是充電變換器原理示意圖。充電變換器11包括充電控制器111、充電主電路112，充電控制器111采樣串聯(lián)蓄電池組12的充電電流和充電電壓，由系統(tǒng)控制器14給充電控制器111傳送電池工作狀態(tài)數(shù)N-k值，N是串聯(lián)蓄電池組12中蓄電池單元的個(gè)數(shù)，k是串聯(lián)蓄電池組中工作于第二工作狀態(tài)的蓄電池單元的個(gè)數(shù)。充電控制器111輸出PWM控制信號(hào)給充電主電路112，以控制充電電壓值和充電電流值。充電主電路112由DC/DC變換器完成，充電控制器111由微控制器或模擬電路來完成。
[0073]充電主電路112，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況可以是降壓DC/DC變換器、升壓DC/DC變換器、對(duì)于橋式非隔離變換器、單端反激變換器、單端正激變換器、半橋或全橋隔離變換器。這些變換器都能通過PWM方式控制為穩(wěn)壓工作方式和穩(wěn)流工作方式。穩(wěn)壓方式還是問柳方式的選擇、穩(wěn)壓工作方式的電壓值以及溫流工作方式的電流值，都是由充電控制器111給出。
[0074]圖6是以鋰電池為例的充電控制器功能流程圖。首先充電控制器采樣電池充電電壓、電池充電電流，并從系統(tǒng)控制電路獲得電池狀態(tài)數(shù)N-k，然后判斷電池電壓是否小于3 (N-k) n，若是，則給出恒流電流值l/10mC通過PWM輸出控制充電主電路進(jìn)行恒流充電，直到電池電壓大于等于3 (N-k) η,給出充電電流為0.2mC—1.0mC,直到電池電壓不小于4.20 (N-k) η時(shí)，充電控制器給出4.20 (N-k) η電壓值對(duì)串聯(lián)蓄電池組進(jìn)行恒壓充電，直到充電電流小于l/10mC后充電結(jié)束，其中C是單體蓄電池容量的安時(shí)值。
[0075]圖7是系統(tǒng)控制器進(jìn)行均衡充電控制和均衡放電控制的流程圖。系統(tǒng)控制器首先采樣各個(gè)蓄電池單元的電壓值，求出平均電壓值，將各個(gè)蓄電池單元電壓值與平均電壓值求差，當(dāng)某個(gè)蓄電池單元電壓值比平均值高0.5% — % 10時(shí)，則該蓄電池單元不均衡上限超值；當(dāng)某個(gè)蓄電池單元電壓值比平均值低0.5%—% 10時(shí)，則該蓄電池單元不均衡下限超值。標(biāo)記該蓄電池“不均衡上限超值”和“不均衡下限超值”狀態(tài)，控制各個(gè)蓄電池單元控制器，通過電池單元控制器控制各個(gè)蓄電池單元的工作狀態(tài)。系統(tǒng)控制器計(jì)算蓄電池單元不均衡上限超值數(shù)k，然后達(dá)到電池工作狀態(tài)數(shù)N-k，將N-k傳送至充電控制器，有充電控制器控制串聯(lián)蓄電池組充電。這一過程反復(fù)進(jìn)行，就會(huì)使電壓高的蓄電池單元放電時(shí)間比其它蓄電池單元時(shí)間長，電壓低的蓄電池單元充電時(shí)間比其它蓄電池單元長，使他們的電壓達(dá)到均衡。
[0076]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)，其特征在于，包括充電變換器(11)、串聯(lián)蓄電池組(12)、放電變換器(13)和控制電路(14)； 所述充電變換器(11)的充電輸出端與串聯(lián)蓄電池組(12)的輸入端連接，所述放電變換器(13)的輸入端連接至所述串聯(lián)蓄電池組(12)的輸出端，所述放電變換器(13)的輸出端用于連接負(fù)載；所述充電變換器(11)用于給所述串聯(lián)蓄電池組(12)充電，所述串聯(lián)蓄電池組(12)通過所述放電變換器(13)給負(fù)載供電； 所述控制電路(14)的控制端連接至所述串聯(lián)蓄電池組(12)的反饋端，用于從所述串聯(lián)蓄電池組(12)的反饋端獲取所述串聯(lián)蓄電池組中每個(gè)蓄電池單元的電壓值參數(shù)、所述串聯(lián)蓄電池組(12)的整體電壓值以及充電電流值； 所述控制電路(14)的第一輸出端連接所述充電變換器(11)的充電控制端，用于控制所述充電變換器(11)的充電電壓； 所述控制電路(14)的第二輸出端連接所述放電變換器(13)的放電控制端，用于控制所述放電變換器(13)的放電電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)，其特征在于，所述串聯(lián)蓄電池組(12)包括多個(gè)串聯(lián)連接的蓄電池單元，每一個(gè)蓄電池單元包括單元開關(guān)控制器(121)、驅(qū)動(dòng)電路(122)、數(shù)據(jù)采集電路(123)、斷路開關(guān)K1、旁路開關(guān)K2以及蓄電池(124)； 所述蓄電池(124)與所述斷路開關(guān)Kl串聯(lián)后再與所述旁路開關(guān)K2并聯(lián)； 所述單元開關(guān)控制器(121)的控制輸入端用于與所述控制電路(14)連接，所述單元開關(guān)控制器(121)的信號(hào)輸入端連接至所述數(shù)據(jù)采集電路(123)的輸出端，所述數(shù)據(jù)采集電路(123)的輸入端與所述蓄電池(124)連接； 所述驅(qū)動(dòng)電路(122)的輸入端連接至所述單元開關(guān)控制器(121)的輸出端，所述驅(qū)動(dòng)電路(122)的第一輸出端連接至所述斷路開關(guān)Kl的控制端，所述驅(qū)動(dòng)電路(122)的第二輸出端連接至所述旁路開關(guān)K2的控制端。
3.如權(quán)利要求2所述的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)，其特征在于，每一個(gè)蓄電池單元還包括與所述斷路開關(guān)并聯(lián)連接的第一二極管D1，以及與所述旁路開關(guān)并聯(lián)連接的第二二極管D2。
4.如權(quán)利要求2所述的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄電池(124)由多個(gè)單體蓄電池串、并聯(lián)而成。
5.一種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)的充電控制方法,其特征在于，包括一個(gè)或多個(gè)恒流充電子過程或恒壓充電子過程。
6.如權(quán)利要求5所述的充電控制方法，其特征在于，所述恒流充電子過程包括下述步驟: 獲取串聯(lián)蓄電池組的電壓V和電流I ; 判斷所述電壓V是否小于(N-k)nVl，若是，則置恒流充電標(biāo)志并以軋恒流充電；若否，則結(jié)束； 其中，N為單體蓄電池的總數(shù)，k為N個(gè)單體蓄電池中被旁路的個(gè)數(shù)，η為蓄電池單元中串聯(lián)的單體蓄電池的個(gè)數(shù)，nVl為恒流轉(zhuǎn)換為恒壓充電的轉(zhuǎn)換電壓。
7.如權(quán)利要求5所述的充電控制方法，其特征在于，所述恒壓充電子過程包括下述步驟: 獲取串聯(lián)蓄電池組的電壓V、電流I和蓄電池組狀態(tài)數(shù)(N-k)； 根據(jù)所述蓄電池組狀態(tài)數(shù)(N-k)獲得充電電壓(N-k)nV2 ； 判斷所述電流I是否小于HiI1，若是，則置恒壓充電標(biāo)志并恒壓充電，若否，則結(jié)束； 其中，m為蓄電池單元中并聯(lián)的單體蓄電池的個(gè)數(shù)，HiI1為恒流充電電流，nV2為恒壓充電電壓，N為單體蓄電池的總數(shù)，k為N個(gè)單體蓄電池中被旁路的個(gè)數(shù)。
8.一種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的串聯(lián)蓄電池組均衡系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括下述步驟: 5200:獲取各個(gè)蓄電池單元的電壓值、電池單元的電壓平均值以及各個(gè)蓄電池單元的電壓值與平均值之間的差值； 5201:判斷差值的絕對(duì)值與平均值的比值是否大于設(shè)定的第一閾值；若是，則轉(zhuǎn)入步驟S202，若否，則令蓄電池單元的上限超值數(shù)k = O并轉(zhuǎn)入步驟S210 ； 5202:判斷所述差值是否大于零，若是，則轉(zhuǎn)入步驟S203，若否，則轉(zhuǎn)入步驟S204 ； 5203:標(biāo)記該蓄電池單元為上限超值； 5204:標(biāo)記該蓄電池單元為下限超值； 5205:判斷該蓄電池是否放電，若是，則轉(zhuǎn)入步驟S207，若否，則轉(zhuǎn)入步驟S209 ； 5206:判斷該蓄電池是否充電，若是，則轉(zhuǎn)入步驟S208，若否，則轉(zhuǎn)入步驟S209 ； 5207:傳遞控制信號(hào)使得下限超值的蓄電池單元工作在第二工作狀態(tài)； 5208:傳遞控制信號(hào)使得上限超值的蓄電池單元工作在第二工作狀態(tài)； 5209:獲得蓄電池單元的上限超值數(shù)k ; 5210:傳遞N-k的值至充電控制器并返回至步驟S200。
9.如權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第一閾值為0.5%?10%。
10.如權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第二工作狀態(tài)是指斷路開關(guān)Kl斷開且旁路開關(guān)K2接通，該狀態(tài)下該蓄電池單元所包含的蓄電池不能充電且不能放電，但電流可以通過旁路開關(guān)流過該蓄電池單元。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK104362695SQ201410627674
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】危立輝 申請人:中南民族大學(xué)