CN101888106A

CN101888106A - 串联电池组均衡管理***及其均衡管理方法

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Publication number: CN101888106A
Application number: CN2010102010673A
Authority: CN
Inventors: 李小平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2010-11-17

Abstract

本发明提供一种串联电池组均衡管理***，包括电源，电源与串联电池组相连，其特征在于，还包括与电源相连的控制器，依次相连的电机、台架运动机构、移动台架，移动台架上安装触点运动机构，触点运动机构由电机驱动，触点运动机构上设有至少两个均衡触点，串联电池组每节电池均连接两个电池触点，电源1分别与触点运动机构上的均衡触点、电源、主控制器相连。本发明还提供一种串联电池组均衡管理***的管理方法，串联电池组开始工作的同时，控制器同时检测电池组中每节电池电压、温度，当任意一节电池电压低于或高于标准值时，控制器通过控制电机驱动移动台架移动，直至均衡触点与电池触点相接，同时控制电源1减小或增加电流均衡该电池达到标准值。

Description

串联电池组均衡管理***及其均衡管理方法

技术领域

本发明涉及一种电池组管理***，尤其是一种基于辅助电池的串联电池组均衡管理***及其均衡管理方法。

背景技术

术语定义：

单电池：非串联的基本电池单元。

单电压：单电池的电压。

串联数：电池组中串联方式连接的单电池的个数或用N表示。

均衡电流：调节单电池电量时的电流。

单节电池的使用，电池管理***最简单，串联使用时情况则不同。电池的一致性决定了电池的性能，寿命和安全性，即只要有一个电池的性能变差，整个电池组的性能都将变差。

1、其中有一个电池的容量偏低，结果是充电时这个电池首先达到充电上限截止电压，而放电时首先达到放电下限截止电压。那么这个电池的容量决定这个电池组的容量。

2、如果初始状态有一个电池的电压偏低，充电时这个电池达不到截止电压而不能充满。放电时这个电池首先到达放电截止。电池没充满电又提前把电放完，实际可用的电量由这个电池的容量决定。

3、如果一个电池的极化阻抗和内阻偏高，充电时电池电压上升快，放电时电池电压下降快。就某一次测试的表现来看就是这个电池的容量不足，负载能力下降。充放电时的温度偏高。

电池制造过程中提高电池的一致性还有相当大的难度且需要较大投入并将大幅度提高电池的制造费用导致电池价格高而不利于电动汽车产业的快速发展。目前电池制造商或电池组合工厂采用严格的筛选方法进行电池匹配来提高电池的一致性。但即使是严格匹配后的电池，在循环的初期就表现出可见的差别。放电的中值电压在一开始就有较大差别。采用电池匹配的有效性不尽人意。尤其需要强调的是随电池循环次数的增加，电池一致性改变程度的不可检测性。电池的工作条件和环境也会对一致性产生影响。总之，复杂多样的影响因素使得决定论的普遍和精确的规律难以获得。

除了在电池本身的一致性方面下功夫外，另一种解决方案——电池均衡管理愈来愈显示出重要性。均衡管理通过电量转移的方式调节每节电池的电量。原则上均衡管理不仅能解决电池一致性的问题，而且能够使串联电池组中性能最差的那个电池的寿命得到延长，同时电池性能的改进也将使得电池安全性得到改善，因为电池性能变差后，安全性也随之降低。电池的续航里程和使用期限及电池成本决定了电动汽车的命运。均衡管理正是涉及到电动汽车性能攸关的重要一环。采用均衡管理，电池的一致性要求明显降低，制造过程简单化，成本也会大幅下降，只要单电池的性能满足要求，电池组的性能就能满足要求。中国电池企业众多，层次参差不齐。均衡管理技术的应用不单能提高中国电池的地位，而且能使更多企业有能力加入到电动汽车及其相关行业的竞争中，让整个行业更加繁荣兴旺。有效可靠的均衡管理***将极大促进电动汽车的发展。其本身有将成为随电动汽车，电动公交，包括电动自行车，电动摩托车，大型蓄能装置，电动工具，通讯基站备用电源，军事电源等电池应用领域的发展而壮大的新兴产业。

但是目前均衡管理的问题尚未得到有效解决。电池均衡的实现大多基于两个基本物理概念：电流分流与电量转移。

电流分流是将电压高的电池的电量经由电阻放掉。这个方法的电路结构和控制都比较复杂，电阻发热量大，均衡电流受限制，很难超过1A，只适合小容量，串联电池数少的场合。而且只用于充电时的均衡，放电时无实际意义。目前在电池容量1-3Ah，串联电池数2-5的电动工具产品中广泛应用。MAXIM，Intersil，O2等美国公司都有专用的产品，也可由MCU技术实现。电量转移方法的典型电路结构是美国TI公司提义，并在业界被普遍推崇的双向无损概念。但这个思路更复杂，分立元器件多，控制的复杂程度也更高。要求每个电池配备一个均衡回路，(每个电池配备一个均衡电路的设计很多，包括每个电池配备一个DC-DC转换器)，可靠性下降，成本上升，几乎无法维护。如果要求较大的均衡电流则各种问题将会更加突出。每节电池需要两个功率MOS，一旦有一路器件损坏，产生短路的风险极高。这对电池和整车的安全性是极为不利的。

双向无损概念的诱人之处是把电压高的电池的电量转移到电压低的电池上去，但是要通过邻接的电池逐个传递电量，这种多次能量传递回导致更大的能量损失，这对放电过程的均衡不利。这个方法同样难以实现大电流均衡的问题。电动汽车电池容量常都在100Ah左右，电动公交达到200Ah。过小的均衡电流将失去均衡的意义，特别是要求快速充电时，更是要求大电流均衡。大电流均衡的各种原理并不复杂。困难在于可实现性差，可靠性低，安全风险大，成本高。因此目前的电动汽车电池管理***多为数据检测采集为主，少有管理的功能。本发明提出能够实现充电和放电都能进行大电流均衡，简单可靠易于实现的电池管理***的设计方案和装置，能够有效解决目前大容量多节电池串量电池组管理***存在的问题。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供一种串联电池组均衡管理***，包括电源，电源与串联电池组相连，其特征在于，还包括与电源相连的控制器，依次相连的电机、台架运动机构、移动台架，移动台架上安装触点运动机构，触点运动机构由电机驱动，触点运动机构上设有至少两个均衡触点，串联电池组每节电池均连接两个电池触点，电源1分别与触点运动机构上的均衡触点、电源、主控制器相连。

优选的，所述控制器为单片机、PLC控制电路、DSP中的任意一种。

优选的，所述触点运动机构上设有触点开关。

优选的，所述控制器连接上位机。

优选的，所述控制器连接有充电开关。

优选的，所述控制器连接有放电开关。

优选的，所述充电开关为晶体管、MOSFET、IGBT、电磁接触器、继电器或其他电子或机械开关中的任意一种。

优选的，所述放电开关为晶体管、MOSFET、IGBT、电磁接触器、继电器或其他电子或机械开关中的任意一种。

优选的，所述控制器与电源之间连接有电源2。

本发明还提供一种串联电池组均衡管理***的管理方法，其特征在于，串联电池组开始工作的同时，控制器同时检测电池组中每节电池电压、温度，当任意一节电池电压低于或高于标准值时，控制器通过控制电机驱动移动台架移动，直至均衡触点与电池触点相接，同时控制电源1减小或增加电流均衡该电池达到标准值。例如，一节电池电压偏低时，控制器按照预先设定和存储的各个电池触点的位置，控制电机驱动移动台架移动，找到该电池的正、负触点位置，然后控制移动触点与之相接，对该电池进行均衡。根据电池的各种状态或工作条件，控制器可以调节电源1的输出电流，从而改变均衡电流。例如，均衡开始用小电流，然后大电流，后期再用小电流的工作方式可以减少对触点的大电流冲击，延长触点的寿命，并使均衡控制更加精确等。在电池充电时，控制器可根据电池组的状态控制充电电流，例如，电池组或某个电池接近充满电时，控制充电开关(包括PWM方法)减小充电电流或停止充电，待适当均衡后，再开始充电或加大充电电流。

触点开关由控制器控制，可以起到安全保护作用，例如触点粘连或DC-DC转换器故障，则开关关闭隔离电池组与均衡***电的联系。采用触点接触后再打开触点开关进行均衡，触点分离前关闭触电开关切断均衡电流的工作方式，可以防止接触电火花的产生，达到保护触点的目的。这对大电流均衡是必要的。

电源2不是实现本专利原理必须的，但它可以提供一个标准的12V直流电源，对于电动汽车这是必须的。再将12V电源经电源2变为适合均衡的电源会更容易一些。

电源1也可有旁路放电控制装置，即通过开关，电阻，风扇，泵或其他类型的负载进行放电。例如在充电时，如果某个电池的电压偏高，为保证快速均衡充电充电的最佳方法是将电压高的电池的电压调低，把电压低的电池的电压调高。这个过程为，对高电压电池，停止电源1的逆变，打开旁路放电。对于低电压电池，过程相反。如果采用多组触点的装置这两个过程可同时进行。如图2，一对触点连接电源1给低压电池充电增压，另一对触点连接旁路放电装置给高压电池放电降压。这要求***要有两套独立的移动台架和驱动装置。

如图3，两套独立的移动台架和驱动装置。两套运动机构分别找到电压最高的电池和电压最低的电池，通过升压器(DC-DC)将高电压电池的电量转移到低电压的电池中去。升压器的电压和电流由控制器根据电池组的状态和控制策略进行调节。这一方法均衡消耗的能量少，并且有最高的均衡效率。

附图说明：

图1为本发明一种具体实施例的控制***框图；

图2为本发明另一种具体实施例的控制***框图；

图3为本发明区别于图1和图2的一种具体实施例的控制***框图。

具体实施方式：

结合附图，下面对本发明作进一步描述。

一种串联电池组均衡管理***，包括电源，电源与串联电池组相连，还包括与电源相连的控制器，依次相连的电机、台架运动机构、移动台架，移动台架上安装触点运动机构，触点运动机构由电机驱动，触点运动机构上设有至少两个均衡触点，串联电池组每节电池均连接两个电池触点，电源1分别与触点运动机构上的均衡触点、电源、控制器相连。所述控制器为单片机。所述触点运动机构上设有触点开关。所述控制器连接上位机。所述控制器与串联电池组之间连接有充电开关。所述控制器与串联电池组之间连接有放电开关。优选的，所述充电开关为MOS开关。所述放电开关为MOS开关。所述控制器与电源之间连接有电源2。

本发明还提供一种串联电池组均衡管理***的管理方法，串联电池组开始工作的同时，控制器同时检测电池组中每节电池电压、电流、温度，当任意一节电池电压低于或高于标准值时，控制器通过控制电机驱动移动台架移动，直至均衡触点与电池正、负相接，同时控制电源1减小或增加电流均衡该电池达到标准值。

触点运动机构上的均衡触点与电池节点上的电池触点采用接触式连接，电机带动台架运动机构控制移动台架移动，从一节电池的电池触点上移动到待均衡的电池的电池触点上进行均衡管理。

上述描述仅为本发明的一种具体实施例，其中串联电池组的触点整体布局可为环形结构或多环形式、直线结构、矩阵结构、层叠结构中的任意一种。相应的运动方式也可以为环形循环运动、直线形往复循环均衡、矩阵循环方式。管理触电与电池触点还可以采用其他方式连接，例如采用滑动接触方式。当串联电池组的电池触点排列为环形或多环，移动台架单向连续旋转的工作方式时，电源和上位机的信号线可以通过安装在旋转轴上的导电滑环引到检测单元和控制器。信号或数据的发送与接受也可用无线或红外方式实现，以减少滑环的数量。也可正反两个方向非整圈旋转，这样就可使用导线而不用滑环。

触点运动机构可以省略，固定在移动台架上的均衡触点与电池节点上的电池触点还可以采用其他方式连接，例如可以采用滑动接触方式，减少运动部件。

还可以设置多个相互独立的触点运动机构，可用于同时均衡多个电池，提高效率；

在触点运动机构上还可以设置开关，单片机控制触点运动机构的开关；

当串联电池组为环形时，触点运动机构可通过滑环安装在移动台架上转动检测电压，也可以通过单圈往复检测；

控制器向计算机或其他类型的上位机发送数据或者接收指令。

在串联电池组电量接近充满时，控制器控制充电开关间歇式开、关，以提高电池均衡管理的安全性，并在串联电池组电量充满后关闭充电开关。

本发明可通过检测电池电压、电流、温度等相关数据，进行分析判断，根据数据的具体情况进行相应的均衡管理，由于仅用一路或少数几路均衡电路就可实现对整个电池组进行均衡，因此容易实现大电流均衡管理同时简化了设计。本发明原理直观简单，容易实现，可靠性高成本低。维修维护更换方便。检测到的数据可以通过总线或无线或红外方式传送。

本发明的应用适合于任何类型电池构成的串联电池组，串联电容器组或超级电容器组等类似电能存储装置中的每个储能元件的均衡管理同时进行电压，温度，内阻，变形等电池参数的检测和数据处理与发送。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子，显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种串联电池组均衡管理***，包括电源，电源与串联电池组相连，其特征在于，还包括与电源相连的控制器，依次相连的电机、台架运动机构、移动台架，移动台架上安装触点运动机构，触点运动机构由电机驱动，触点运动机构上设有至少两个均衡触点，串联电池组每节电池均连接两个电池触点，电源1分别与触点运动机构上的触点、电源、主控制器相连。

2.根据权利要求1所述的串联电池组均衡管理***，其特征在于，所述控制器为单片机、PLC控制电路、DSP中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的串联电池组均衡管理***，其特征在于，所述触点运动机构与触点之间设有触点开关。

4.根据权利要求1所述的串联电池组均衡管理***，其特征在于，所述控制器连接上位机。

5.根据权利要求1所述的串联电池组均衡管理***，其特征在于，所述控制器连接有充电开关。

6.根据权利要求1所述的串联电池组均衡管理***，其特征在于，所述控制器连接有放电开关。

7.根据权利要求1所述的串联电池组均衡管理***，其特征在于，所述充电开关为晶体管、MOSFET、IGBT、电磁接触器、继电器或其他电子或机械开关中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的串联电池组均衡管理***，其特征在于，所述放电开关为晶体管、MOSFET、IGBT、电磁接触器、继电器或其他电子或机械开关中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的串联电池组均衡管理***，其特征在于，所述控制器与电源之间连接有电源2。

10.一种如权利要求1所述的串联电池组均衡管理***的均衡管理方法，其特征在于，串联电池组开始工作的同时，控制器同时检测电池组中每节电池电压、电流、温度，当任意一节电池电压低于或高于标准值时，控制器通过控制电机驱动移动台架移动，直至均衡触点与电池触点相接，同时控制电源1减小或增加电流均衡该电池达到标准值；例如，一节电池电压偏低时，控制器按照预先设定和存储的各个电池触点的位置，控制电机驱动移动台架移动，找到该电池的正、负触点位置，然后控制移动触点与之相接，对该电池进行均衡。根据电池的各种状态或工作条件，控制器可以调节电源1的输出电流，从而改变均衡电流。例如，均衡开始用小电流，然后大电流，后期再用小电流的工作方式可以减少对触点的大电流冲击，延长触点的寿命，并使均衡控制更加精确等。在电池充电时，控制器可根据电池组的状态控制充电电流，例如，电池组或某个电池接近充满电时，控制充电开关(包括PWM方法)减小充电电流或停止充电，待适当均衡后，再开始充电或加大充电电流；

触点开关由控制器控制，可以起到安全保护作用，例如触点粘连或DC-DC转换器故障，则开关关闭隔离电池组与均衡***电的联系。采用触点接触后再打开触点开关进行均衡，触点分离前关闭触电开关切断均衡电流的工作方式，可以防止接触电火花的产生，达到保护触点的目的。这对大电流均衡是必要的；

电源2不是实现本专利原理必须的，但它可以提供一个标准的12V直流电源，对于电动汽车这是必须的。再将12V电源经电源2变为适合均衡的电源会更容易一些；

电源1也可有旁路放电控制装置，即通过开关，电阻，风扇，泵或其他类型的负载进行放电；例如在充电时，如果某个电池的电压偏高，为保证快速均衡充电充电的最佳方法是将电压高的电池的电压调低，把电压低的电池的电压调高。这个过程为，对高电压电池，停止电源1的逆变，打开旁路放电。对于低电压电池，过程相反；如果采用多组触点的装置这两个过程可同时进行；一对触点连接电源1给低压电池充电增压，另一对触点连接旁路放电装置给高压电池放电降压；这要求***要有两套独立的移动台架和驱动装置；

两套独立的移动台架和驱动装置；两套运动机构分别找到电压最高的电池和电压最低的电池，通过升压器(DC-DC)将高电压电池的电量转移到低电压的电池中去；升压器的电压和电流由控制器根据电池组的状态和控制策略进行调节；这一方法均衡消耗的能量少，并且有最高的均衡效率。