CN1181593C - 基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电方法与装置，用充放电电流、时间、电池温度、电池端电压、充放电次数来计算单体电池充放电过程中的动态电量和最高电量的大小，以动态电量为依据，来实现电池在充电时自动均衡的方法，其装置包括充放电的串联电池组(1)、电池电压信号采集与隔离电路(2)、主控板(3)、逆变式充电电源(4)、电量显示电路(6)、温度传感器(7)、隔离驱动电路(8)、DC/DC变换器模块(11)、充放电母线(12)；在主控板(3)内设有电量计算单元(15)和非易失性存储器(16)，在非易失性存储器(16)内储存了计算公式、数据表、充放电过程控制程序和电量计算方法等。

Description

基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电装置

技术领域

本发明涉及到如电动车等各个领域中串联电池组的一种电池动态电量计算方法用的装置，具体地说，是指一种基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充电和均匀放电装置。

背量技术

蓄电池广泛应用于各个领域，特别是近年来在电动车中，动力电池如锂离子电池、镍氢电池等被视为关键部件之一。对以串联方式工作的这些电池组进行充电时，如何保证充电过程中电池组的快速高效的自动均衡充电，是保证锂离子电池、镍氢电池安全性和可靠性以及充分发挥其效能的一项关键技术。

近年来对串联电池组进行充放电的装置和方法不断改进，以图对串联电池组充电更加快速、高效、节能和自动均衡。例如专利申请号02100307.6的专利说明书公开了一种串联电池组自动均衡充电装置。在该装置中，采用由MOS管和功率电阻构成的放电网络，对充电时端电压较高的单体电池进行适量放电，使电池组中的各个单体电池的电压同步升高，同时充足，安全可靠，达到串联电池组的自动均衡。但采用功率电阻放电，发热量大，充电器能量利用率不太高。

充好电的电池组(蓄电池)目的是为设备做动力，如做电动车的动力能源。传统的放电方法，是在其中某一个电池达到最小端电压时，整个蓄电池组停止放电，这时其它的电池中还有剩余电量没有释放出来，极大地影响电池组的使用效率。

在已知传统的电池组放电方法，是对串联电池组的整体电压进行监测，不监测各个单体电池的端电压。这种方法简单易行，但由于使用过程中各个单体电池的电量不均匀，长期循环使用，差异会更大，于是电量较小的单体电池的过放电使寿命大大缩短，影响整个电池组的使用。这种放电方法往往设定一个放电终止电压，当监测到串联电池组的电压低于这个设定值时，终止放电。终止电压不能反映电池组中单体电池的电压，所以终止放电时，有些电池出现‘过放电’，有些电池可能还有剩余电量没有使用，电池使用率低。

传统的放电方法均是以电池电压为衡量依据，当电池电压达到一定值时，就停止放电，在不同的使用环境下，如环境温度较高时，电池中可能还有剩余电量没有释放出来，而当温度较低时，就会出现电池‘过放电’现象。对电池造成损害。最新的一项名为《可充蓄电池组输出平衡器》的专利，专利号为00240952.6。当电池组放电时，如单体电池电压低于电压保护点时，该平衡器工作，使电池电压持续稳定在电压保护点上，而其余电池照常放电直至所有电池电压均达到保护点电压。该平衡器认为各个单体电池的电压达到一致，电池组就达到平衡状态是不精确的，事实上电池的电量还要受电池温度、充放电次数、电池本身的化学特性等因素的影响。

在不同的温度、充放电循环次数下，电池组充满电时能储存并放出的电量是不同的，充满电时的端电压也是不同的，如低温下电池组能储存的电量较小，充满电时的端电压较高。要最大限度地利用电池，就需要充放电装置能在不同的环境下，将电池电量充满，并能将电池中储存的电量全部释放出来供给负载。另外，电池组各个单体电池由于制造工艺等原因，串联充电时，其电量存在一定的差异，而这种差异会在使用过程中逐渐增大，影响整个电池组的正常工作，这就要求充放电装置能消除这种差异。使电池组在充放电过程中始终保持均衡状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种与现有技术相比更科学、更充分地利用电池组能量的装置，是以各个单体电池的电量为衡量依据，在充电过程中，当发现电池组中的单体之间电量差异较大，就对电量值较高的单体电池进行适量放电，放出的电量回馈到充放电母线，为电池组辅助充电，实现充电过程的自动均衡；同样在接通负载放电使用过程中，电量多的单体电池通过充放电母线为放电供负载使用或为整个电池组辅助充电，实现放电过程的自动均衡，最终达到真正的电池组高效、安全的自动均衡充放电。

本发明是一种新型的基于电池动态电量差异补偿的串联电池组自动均衡充放电的装置，该装置对电池电量计算的方法是，用充放电电流和时间来计算单体电池充放电过程中的动态电量的大小，当单体电池之间的动态电量差异较大时，就进行电量均衡，并且始终控制单体电池动态电量值在充电时不大于最大电量值，在放电时不小于零。

在使用电池前，由大量实验得到电池在不同的使用温度、充放电循环次数、端电压下的初始电量SOC_O和最大电量SOC_M，可以得到一个初始电量SOC_O和最大电量SOC_M的数据表，并将其数据表存储在非易失性存储器16中。值得注意的是，这种数据表中的数据因电池的不同而不同。

充放电开始后，非易失性存储器16中存储的数据表、充放电过程控制程序和电量计算方法调入电量计算单元15。首先由电量计算单元15计算当前使用环境下的最大电量SOC_M和充放电前的电池初始电量值SOC_O，计算方法可以采用查表法。

然后再根据充放电流I和时间计算各个单体电池的动态电量SOC，计算公式如下所示，

       SOC＝SOC₀+K₁∫I_充dt-K₂∫(I_放+ΔI)dt式中，SOC₀是该单体电池初始电量值；I_充是充电电流的大小，K₁为小于1的充电系数，K₂为大于1的放电系数，K₁、K₂与电池的种类、工作温度、电池端电压、充放电电流等因素有关，可根据试验确定；I_放是放电电流的大小；∫I_充dt是充电电流对时间的积分，∫I_放dt是放电电流对时间的积分；ΔI是通过相应的DC/DC模块放出的电流，∫ΔIdt是该电流对时间的积分。

本发明的基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电装置，包括待充电的串联电池组1、电池电压信号实时采集与隔离电路2、主控板3、逆变式充电电源4、电池电量显示电路6、温度传感器7、电流传感器17、隔离驱动电路8、充放电母线12、终止放电保护管13。所述的主控板3中设置有非易失性存储器16和电量计算单元15，在非易失性存储器16内存储有包含初始电量SOC_O和最大电量SOC_M的数据表、根据充放电流I和时间计算各个单体电池的动态电量SOC的计算公式和单体电池动态电量的计算方法、以及充放电过程控制程序。由多个DC/DC变换器模块11构成并联的放电网络，每个DC/DC变换器模块11中都有一个主功率开关管VT和一个控制端，每一个DC/DC变换器模块11的输入端与串联电池组1中的相应单体电池并联，而每一个DC/DC变换器模块11的输出端连接在充放电母线12上，每一个DC/DC变换器模块11的控制端11与隔离驱动电路8的输出端连接。电量计算方法和一些参数是存储在非易失性存储器16中，电量计算单元根据电池的温度、充放电循环次数、端电压来计算电池的最大电量、充电前的初始电量，并且，根据充放电电流和时间来计算充放电过程中的动态电量值。

在本发明中，待充电的串联电池组1可以是锂离子充电电池组，也可以是镍氢电池组等。每个单体电池的容量可以是几百毫安时或几百安时，串联电池组1中单体电池个数数量不限。

电池电压信号实时采集与隔离电路2通过导线采集每一个单体电池的端电压，经放大处理，光电隔离后送至主控板3。

主控板3由非易失性存储器16和电量计算单元15及其它逻辑控制电路和接口电路构成。非易失性存储器16中存有充放电次数、电池电量计算方法及需要用到的图表和数据；接口电路接收电池电压信号实时采集与隔离电路2传来的每一个单体电池的端电压信号、温度传感器7传来的电池组的温度信号。电量计算单元15执行计算功能，根据上述数据计算电池的最大电量、初始电量和电池的动态电量，逻辑控制电路根据电量计算结果控制充电电源的输出电流和输出电压，并控制充放电过程的自动均衡过程。

充电电源是一种逆变式充电电源4，主功率器件采用了IGBT(绝缘门栅极晶体管)模块，主电路由IGBT逆变电路组成，通过对输出电流、电压反馈，可实现对充电电源的输出外特性控制，从而实现对充电电流和充电电压的控制。充电电源的输出电流、电压视电池组的状态决定。

并联的放电回路由DC/DC变换器模块11构成。该变换器由逆变电路和脉宽调制电路(PWM)构成，具有较宽的电压输入范围，其输出电流的大小受主控板隔离控制，主控板3根据这个单体电池的电量，控制DC/DC变换器模块11的输出，并把其输出并联在整个电池组上，该节电池放电能量经由DC/DC变换后对整体电池组实现辅助充电，可实现能量回收。DC/DC模块的回馈电流的大小及时间由主控板控制。主控制板的输出信号通过隔离驱动电路8送至脉宽调制电路，脉宽调制电路根据信号的大小调节主功率开关VT的占空比，调节回馈电流的大小。

DC/DC变换器的逆变电路可以采用单端反激逆变电路或单端正激逆变电路。以单端反激逆变电路为例，是由主功率开关管VT、中频变压器T、整流二极管VD、滤波电容C等组成(如图2所示)。与其他逆变电路如半桥式或全桥式相比，这种电路具有体积小、元器件少等特点。

脉宽调制电路(PWM)是在工作频率不变的情况下，通过改变功率开关器件的导通时间或截止时间来改变占空比，从而调节DC/DC变换器模块11回馈电流的大小。

电池电量显示电路6，显示各个单体电池的电量，可以用数码管或液晶显示器显示。

具体充电程序如下：

充电过程开始后，根据温度传感器7传送的温度信号和存储在非易失性存储器16中的该串联电池组1充放电循环次数，由电量计算单元15计算串联电池组1中各单体电池在当前环境下使用的最大电量SOC_M，然后通过电池电压信号采集与隔离电路2采集各个单体电池的端电压信号，计算各个单体电池在充放电前的初始电量值SOC_O，在充电过程中，电池电压信号采集与隔离电路2采集充放电电流信号，并输出至主控板3中进行计算各个单体电池的动态电量SOC值，比较动态电量SOC与最大电量SOC_M的大小。当动态电量SOC小于最大电量SOC_M的情况下，就可以进行充电操作，所有单体电池的动态电量SOC都等于最大电量SOC_M时，停止充电操作。

在充电的整个过程中，当发现单体电池之间的电量差异大于设定值，就进行电量均衡化过程。电量均衡化过程如下所述，主控板3控制相应的DC/DC变换器模块11对电量较高的单体电池的进行微量放电，所放出的电流经充放电母线12回馈至串联电池组1，为串联电池组1实现辅助充电。保证串联电池组1中的单体电池的电量同步上升，最终同时充电到最大电量SOC_M，从而实现串联电池组1均衡充电。

本发明充电过程中，串联电池组1的各个单体电池电量同步上升，实现了电池组的均衡化，同时充电过程始终保持较高的充电电流，充电速度高。充电过程实现了智能化和自动化。

均匀放电过程如下所述，

当接通负载14，串联电池组1通过充放电母线12将电流输出至负载14，根据电量计算单元15计算得到的各个单体电池电量的大小，当发现电池中单体电池间的动态电量差异较大时，就控制相应的DC/DC变换器模块11使电量较高的单体电池放电，放电电流通过充放电母线12回馈至串联电池组1或供给负载14使用，使电量较多的单体电池多放电，达到电池组放电过程中的自动均匀化。当检测到电串联池组1所有单体电池的电量均为零，或出现单体电池端电压低于保护电压时，主控板3控制终止放电保护管13断开，停止放电。

该发明的特点：(1)由电量计算单元根据非易失性存储器中的公式和图表以及采集电路得到的温度、充放电循环次数、电池端电压等计算电池的最大电量、充放电前的初始电量，再根据电池的充放电电流和时间计算电池的动态电量。(2)充电过程中采用DC/DC变换器模块对动态电量值较高的单体电池进行适量放电，使电池组中的各个单体电池的电量同步升高，同时充足，达到串联电池组的自动均衡。(3)充电过程中，对高于平均电量的单体电池放电的同时，充电过程继续进行。(4)对单体电池进行放电时，利用DC/DC变换器，将放电能量回收利用给其他电池的充电，能源利用率高。(5)接通负载放电的过程中也采用同一DC/DC变换器模块对电量较多的单体电池通过充放电母线放电供负载使用或为整个电池组充电，对电量较少的电池进行补偿。实现动态过程中电池组电量的均衡。这既可防止个别电池“过放电”，又可充分利用电池组的能量。

附图说明

图1是现有技术中带有由MOS管和功率电阻构成的放电网络的串联电池组自动均衡充电装置的电路框图；

图2是图3中DC/DC变换器模块11的具体电路图。是由单端反激逆变电路和脉宽调制电路组成。图中T为中频变压器，C为滤波电容，VD为二极管，VT为功率开关器件。

图3是本发明一种基于电池动态电量差异补偿的串联电池组自动均衡充放电方法与装置的电路框图；

图4是某种锂离子电池均衡充电过程流程图。

图5是某种锂离子电池均匀放电过程流程图。

具体实施方式

在表示现有技术串联电池组自动均衡充电装置电路框图的图1中，由逆变式充电电源4直接对串联电池组1进行充电，电池电压信号实时采集与隔离电路2接收每一个单体电池的端电压信号，并把这些信号传给主控板3，主控板3还接收温度传感器7传来的串联电池组1的温度信号，控制逆变式充电电源4的输出电流和输出电压，并通过隔离驱动电路8控制由MOS管和功率电组构成的放电网络5对端电压值较高的单体电池进行适量放电，同时还通过电池电压巡检与显示电路6显示各个单体电池的端电压。

1、待充电的电动车用锂离子动力串联电池组共有84支单体电池模块组成，每支单体电池模块容量为3.6V/100Ah。电池组每个单体两端通过导线连接至电压隔离放大电路2和DC/DC变换器模块11，串联电池组1连接在充放电母线12上。

开机后，非易失性存储器16中存储的数据表、充放电过程控制程序和电量计算方法调入电量计算单元15。如温度传感器7得到当前温度为25摄氏度，该电池充放电池次数为85次，某单体电池的端电压为3.3V，首先由电量计算单元1 5查表得到这支电池在当前工作状态下最大电量SOC_M＝96安时，充放电前的初始电量值SOC_O＝10安时。

充放电开始后，根据充放电电流传感器17传来的充放电流I信号和时间计算电池的动态电量SOC。

充电过程为：开始时，电池的动态电量SOC就等于初始电量10安时，小于该单体电池的最大电量(96安时)，开始阶段可以采用较大的充电电流，可以为30安时。充电过程中由主控板3对每一节电池的电压、电流和温度进行监测，并由电量计算单元15根据上述公式计算每个电池的动态电量SOC值。例如，充电1小时后，计算得到动态电量SOC值最大的一支单体电池等于38安时，而动态电量最小的一支单体电池的电量为34安时，电池组中单体电池电量之间的差异大于设定值时(如设为3安时)，就由主控板3通过隔离驱动电路8驱动相应的DC/DC变换器模块11对电量较高的单体电池进行微量放电，使其接近于平均电量，充电电流的大小根据动态电量SOC值的大小实时控制，在保证每个单体电池的端电压不高于最高单体电池安全端电压(例如4.2V)的前提下，尽可能采用较大的充电电流，以便获得较大的充电速度，对电池组继续充电，保证串联电池组1中的电池电量同步上升，最终同时充电到最高电量值SOC_M＝96安时，停止充电，实现电池组均衡充电。DC/DC变换器模块11输出的放电电流回馈至充放电母线12上，为串联电池组1辅助充电，实现能量回收。

最终充电结果为：

在不同的环境温度下，以及电池组中出现单体电池性能明显差异的情况下，可以实现每一个单体电池的电量充满。不发生‘过充电’现象。

充电过程稳定可靠。

2、该串联电池组1电量差异补偿均匀充放电系统作为放电装置时，串联电池组1每个单体电池两端通过导线连接至电池电压信号采集与隔离电路2和DC/DC变换器模块11，电池电压信号采集与隔离电路2将电压信号经光电隔离后送至主控板3。主控板3中的电量计算单元15计算各个单体电池的电量，当单体电池的电量大于零时，电池组的放电电流通过充放电母线12输出至负载14。

本实施例中负载(14)为一种电动车的马达，在放电过程中，负载是变化的。正常行驶时负载电流是10～40安培，电池组通过充放电母线串联输出电流约10～40安培，各单体电池经过DC/DC变换器模块的输出根据其电量由主控制板确定，约0～0.6安培不等。加速行驶或启动时，负载电流为160～240安培，串联输出的电流为130～240安培，各个单体电池经DC/DC模块的输出为0～1.5安培。无论电动车正常行驶、下坡或停车时，只要电量计算单元发现电池组中单体电池的电量差异超过设定值，如设定为3安时。电池组中的电量较高的几个单体电池通过DC/DC变换器模块11输出，为负载14辅助供电，或将电压反向加在串联电池组1的两端，为蓄电池组充电，该电流为0～1安培，使电量较多的单体电池多放电。实现动态过程中电池组电量的均衡。

随着放电过程的继续，当检测到某一个单体电池的电量为零时，停止相应DC/DC变换器模块11的输出，而其他电量不为零的单体电池可以继续通过相应的DC/DC变换器模块11放电，并进行放电过程的均匀化过程。直至串联电池组1中所有的单体电池电量均为零。停止电池组放电，电池组的能量得到充分了利用。

本系统放电的结果是：

放电过程平稳可靠，电池组的电量得到充分利用，并且没有电池发生‘过放电’现象。

本发明充放电过程中对电池电压、电流、电池的温度等因素进行监测，由主控板3的电量计算单元15计算电池的动态电量，并以动态电量为依据控制充放电过程的进行。在不损害电池的情况下可以充分利用电池的能量。

充电过程中采用DC/DC变换器模块11对电量值较高的单体电池进行适量放电，使电池组中的各个单体电池的电量同步升高，同时充足，达到串联电池组1的自动均衡，安全可靠，提高了电池组的使用效率和寿命。充电过程可以使用较高的充电电流，充电效率高。DC/DC变换器模块11的输出电流回馈至充放电母线12为串联电池组1辅助充电，实现能量回收。

本发明在接通负载1 4放电过程中对每个单体电池的电压、温度、电流行监测，根据电量计算单元15计算得到的各个单体电池动态电量的大小，通过DC/DC变换器模块11使电量高的电池多放电，减小单体电池间动态电量的差异，使电池组的电量在放电过程中达到动态地均匀化。既防止了个别电池的‘过放电’，延长了电池使用寿命，又使电池组的能量得到充分利用，效率高。因此，本发明具有很高的应用价值。

Claims (5)

1、一种基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电装置，它包括待充放电的串联电池组(1)、电池电压信号采集与隔离电路(2)、主控板(3)、逆变式充电电源(4)、电量显示电路(6)、温度传感器(7)、隔离驱动电路(8)和充放电母线(12)，所述的主控板(3)设置有非易失性存储器(16)和电量计算单元(15)，在非易失性存储器(16)内存储有包含初始电量SOC_O和最大电量SOC_M的数据表、根据充放电流I和时间计算各个单体电池的动态电量SOC的计算公式和单体电池动态电量的计算方法、以及充放电过程控制程序，其特征在于：串联电池组(1)和放电网络并联在充放电母线(12)上，串联电池组(1)中的每一个单体电池与放电网络中的每一个DC/DC变换器模块(11)并联，每个DC/DC变换器模块(11)中都有一个主功率开关管VT和一个控制端，每个DC/DC变换器模块(11)的输入端与串联电池组(1)中相应的单体电池输出端连接，每个DC/DC变换器模块(11)的控制端与隔离驱动电路(8)的输出端连接，每个DC/DC变换器模块(11)的输出端连接在充放电母线(12)上。

2、根据权利要求1所述的一种基于电池动态电量差异补偿自动均衡充放电装置，其特征在于：该装置对串联电池组(1)中的电池动态电量的计算方法是根据非易失性存储器(16)内存储的数据表、计算公式和电量计算方法，用充放电电流、时间、电池端电压、电池温度、充放电次数计算串联电池组(1)中的每一个单体电池在充放电过程中的动态电量的大小，当串联电池组(1)中的单体电池之间的动态电量差异大于非易失性存储器(16)内存储的设定值时，DC/DC变换器模块(11)启动并对串联电池组(1)中的单体电池进行充放电的均衡控制。

3、根据权利要求1所述的一种基于电池动态电量差异补偿自动均衡充放电装置，其特征在于：所述的DC/DC变换器模块(11)始终控制串联电池组(1)中的单体电池动态电量值在充电时不大于最大电量值，放电时不小于零。

4、根据权利要求1所述的一种基于电池动态电量差异补偿自动均衡充放电装置，其特征在于：所述的DC/DC变换器模块(11)由逆变电路和脉宽调制电路构成。

5、根据权利要求4所述的一种基于电池动态电量差异补偿自动均衡充放电装置，其特征在于：所述的DC/DC变换器模块(11)中的逆变电路采用单端反激逆变电路或单端正激逆变电路。

Images