CN101917036A

CN101917036A - 一种电池管理***的动态均衡充放电实现方法

Info

Publication number: CN101917036A
Application number: CN 201010244377
Authority: CN
Inventors: 张育华; 孙金虎; 曾洁
Original assignee: Hengchi Science & Technology Co Ltd Zhenjiang
Current assignee: Hengchi Science & Technology Co Ltd Zhenjiang
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2010-12-15

Abstract

本发明提出一种电池管理***的动态均衡充放电实现方法，属于汽车动力电池管理***领域。在总电池组使用的充电、放电全过程中对单体电池或电池分组进行均衡充放电，无需外接电源，通过实时检测总电池组电池分组电压并反馈至微控制器MCU，由MCU控制总电池组电压回馈到欠压电池分组进行智能均衡的电池管理***，通过对总电池组各单体电池或电池分组进行实时的能量分配，改善电池组的一致性，延长电池组的使用寿命，改变当前电池管理***BMS只对电池组进行检测和报警而并不对电池组中出现的不一致性进行实时改善操作的现状。适用于所有类型动力电池。

Description

一种电池管理***的动态均衡充放电实现方法

技术领域

本发明涉及到汽车动力电池管理***领域，具体涉及到一种动态均衡充放电的实现方法。

背景技术

由于化石能源的不可再生及环境污染，绿色新能源得到越来越多的大力推广。汽车需要消耗大量的石油，正在面临着向绿色高效方面的发展的趋势，纯电动汽车和混合动力汽车是目前阶段最有效的解决方案。纯电动汽车和混合动力汽车的主要难点及成本之一是在动力电池***上，电池的高效和安全耐用性是一个重要的考量因素。

长期以来，电动车辆所配置的动力电池缺乏必要的管理，处于自由工作状况中，时常处于过度充放电状态中。一组动力电池中往往某一单体动力电池的状况恶化，影响同组其他动力电池的工作状况，由于动力电池组的串联作用，该单体动力电池将成为同组动力电池中负荷最大的，从而加速该动力电池的恶化，最后致使整个动力电池组状态恶化，严重影响使用寿命。单体动力电池出现早期性能恶化时，如果能及时检测到并加以充放电环节的控制，会使其性能得到修复或减缓恶化的速度，延长整个动力电池组的寿命。电池管理***的主要作用就是监测电池组的工作状态和保障电池组工作的安全性和耐久性。

目前国内的动力电池管理***大多仅限于对动力电池组各节(组)电池进行实时监控和报警，很多动力电池管理***应用某一类型的动力电池时有效果，但却难以应用到其它类型的动力电池上，鲜有采用充放电补偿和对电池剩余容量SOC精确估算的动力电池管理***成熟产品。

比亚迪公司的动力电池管理***(申请号：200310111783.3)，功能全面，***的稳健性很好，各个模块可以进行独立的控制，其存在的问题是电路过于复杂，每个电池模块对应着一个独立的控制电路，该电路有完整的保护电路，MCU控制器等，其成本会非常高，也不适合进行小型化的集成，而且其并未提到关于均衡充放电的概念，只是对单个模块进行控制，报警和隔离等，并不能动态改善电池的性能。

奇瑞汽车的混合动力汽车电池故障管理***及其管理方法(申请号：200910039962.7)，其特点是和整车的控制相结合，突出对故障的报警和保护，也未见动态均衡充放电功能。

亿能电子的适合混合动力汽车的新型电池管理***(申请号：200910193839.5)的主要突出的功能是诊断和监测。

万向电动汽车的一种电动汽车电池管理***构成方法及其***(申请号：200510050287.X)主要包含监控模块和均衡充电模块，然其均衡充电模块主要是在停车充电时使用，并不能在汽车的使用中对电池进行动态均衡。

综合对检索到的专利资料的查询，发现各种电池管理***的主要问题在于缺乏合理的主动均衡控制，对电池组所进行的主要是检测和报警，并不能改善电池组电池模块之间一致性的破坏或恶化，对电池组的使用寿命并无实质性的延长或改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过实时检测总电池组电池分组电压并反馈至微控制器MCU，由MCU控制总电池组电压回馈到欠压电池分组进行智能均衡的电池管理***，通过对总电池组各单体电池或电池分组进行实时的能量分配，改善电池组的一致性，延长电池组的使用寿命，改变当前电池管理***BMS只对电池组进行检测和报警而并不对电池组中出现的不一致性进行实时改善操作的现状。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动力电池管理***，它主要包括微控制器MCU，均衡充电电源，均衡充放电电子开关组件，电压检测电路模块。

微控制器MCU根据电压检测电路模块检测到的电池分组电压值，通过预设的算法确定均衡电路是否需要工作，以及需均衡充电的欠压电池分组，并发送指令选通对应均衡充放电电子开关组件、开启均衡充电电源；MCU可通过控制均衡充电电源的输出电压设定均衡电流大小。

均衡充电电源输入电源直接来自于总电池组，不需要外加均衡电源来提供能量。总电池组经过均衡充电电源降压隔离后提供均衡电路用于均衡充电，总电池组对所适配的车辆处于放电和充电状态时，均衡充电电源都可以对任一电池分组进行均衡充放电补偿，该电源由MCU控制，可依据需要调节均衡电流。输出端有电流检测单元与MCU连接，用于MCU调节电流的参考。

均衡充放电电子开关组件：

a.MCU对电池分组均衡充放电补偿的选通方式为分时分组选通，MCU选通一个电池分组支路，同时打开该支路的高位(正极)和低位(负极)开关，对该电池分组进行均衡充电。

b.均衡充放电电子开关组件与每个电池分组分别用一个高位(k+，正极)开关和一个低位开关(k-，负极)连接，每一对高低位开关组成一个支路，所有电池分组电子开关的高位与DC-DC充电电源的正极相连，而电子开关的低位与DC-DC充电电源的负极相连，形成一个电子开关的均衡充放电路网络；

c.受微控制器MCU控制，某组电子开关组件选通则可由均衡充电电源对该电池分组进行均衡充放电补偿，其余的电池分组由于有电子开关隔离而不受均衡电源的影响；

电压检测电路模块：检测每个电池分组的电压值，向微控制器MCU进行实时的反馈，MCU通过算法计算电池分组的电量，以此作为MCU发出均衡操作指令的判断依据。

对于总电池组电池数过多或分布式放置的电池组模块可以采用下述两种方式：

1.增加每个分组的电池数，更改MCU关于电压保护上下限值的参数；

2.对于分布式，可以在每个电池组模块中设置一个均衡充放电路电子开关组件、MCU、均衡充电电源及电压检测电路模块，各模块MCU通过CAN或LIN总线通信。

本方案中均衡充电电量的计算：

均衡充电电源次级的电压与电池组地隔离没有共模电压影响，在开关选通后相当于均衡电压地与被均衡电池的负极同电位，均衡电压高于被均衡电池电压即可产生均衡电流，对该电池进行均衡；其它部分由于有开关断开的隔离不受均衡电路的影响。

均衡电量的确定，附图2中，均衡充电电源DC-DC从总电池组取电流I，经过变压后到次级Io＝I*5U/Uc，在节点A处，Io＝I+Ic，即Ic＝Io-I＝(5U/Uc-1)*I，均衡t时间后被均衡电池分组电量的变化ΔQ＝Ic*t，相对于其它电池分组的电量变化ΔQ1＝Io*t，这样即可以达到对该电池分组电量的补充。从电流的流向可以看出：均衡充放电是对电池组进行实时的能量分配。

结合附图2及上述分析可知，当动力电池组处于放电过程中，被选通的被补偿单体电池或电池分组处于放电补偿的均衡状态，其输出的电流小于其它非补偿的电池分组；当动力电池组处于充电过程中，被选通的被补偿单体电池或电池分组处于充电补偿的均衡状态，其输入充电电流大于其它非补偿的电池分组。因此，实现了动态均衡充放电补偿。

主要工作方式：

MCU根据电压检测电路的信息，确定需要进行均衡充电的电池分组，选通对应支路，并通过调节均衡充电电源的输出电压的方式调整均衡充电电流的大小，根据电压检测电路采集的电压数据判断均衡充电的执行时间，当达到预计效果时，关闭均衡充电电源电源和支路的开关。

本发明的优点是：

1、电路的能量转换效率高，主要的损耗是开关电源的转换率和控制开关器件开关过程的微小能量损失上；

2、电路的通用性强，对MCU的控制软件中关于电池组电压控制的变量参考值等进行更改后可适应不同的动力电池类型；

3、电路的扩展性强，对于电池分组数过多或分布式模块的电池组，可以增加每个电池分组的电池数或对每个模块配备一个专门的电池管理***，通过CAN通信进行控制；

4、本电路可在电池使用的全部充电或放电过程中对其进行均衡，不受时间、空间限制，具有良好的动态性。

附图说明

图1为本发明的整体实现逻辑图。图中：1-均衡充放电电子开关组件(图中每个k代表一路开关，k+为高位(正极)开关，k-为低位(负极)开关，K₁为第1电池分组电子开关，Kn为第n电池分组电子开关)，2-MCU对电子开关的选通连接，3-微控制器MCU，4-均衡充电电源，5-单体电池，6-电压检测电路模块。

图2为均衡电流分析图。图中：7-均衡充电电源(DC-DC)等效电路，r-各等效电源内阻，R-DC-DC原边等效内阻，IR-DC-DC电源供电电源，I0-DC-DC均衡补偿电流，Ic被补偿电池组对总电池组电流的贡献，I-总电池组充放电电流。

图3.放电补偿的均衡充电示意图。图中：8-第三路均衡支路示意，9-MCU对电子开关的选通连接中对应第三路的选通连接，10-负载电机，b1…b5-电池分组编号。

图4.充电补偿的均衡充电示意图。图中11-充电设备。

具体实施方式

以下结合附图3、4对本发明做进一步说明：

放电补偿的均衡充电：附图3中，电池组的负载为电动机，总电池组分为5组，依次为b1、b2、b3、b4、b5，均衡电路只画出工作的第三路均衡支路。

***上电后，MCU实时查询电压检测模块所测得的电压数据，并进行记录和分析，假定在某一时刻，MCU分析确定第三组电池b3的剩余电量低于其余各组电池的平均电量，需要对其进行均衡，则MCU给b3所对应的第三路均衡支路选通信号，同时给均衡充电电源信号，对b3进行均衡充电，均衡电流的流向为：从电池组至均衡充电电源变压后经第三路均衡支路的高位开关至b3正极，然后从b3负极经第三组均衡支路的低位开关回到均衡充电电源。均衡充电电流的调节是通过电流反馈MCU调整均衡充电电源输出电压，使电流大小为设定值。可以看出，在均衡放电补偿时b3所输出的电流相对与其余分组要少，起到了对其进行补偿的效果。

在均衡充电进行时，MCU查询电压检测模块的反馈值，并根据设定的条件决定停止均衡的时间。

充电补偿的均衡充电：附图4中，用充电设备为总电池组充电，均衡充电电源的输入电源来自总电池组两端(充电设备的输出端)。

***上电后，MCU实时查询电压检测模块所测得的电压数据，并进行记录和分析，假定在某一时刻，MCU分析确定第三组电池b3所获得的电量低于其余各组电池的平均电量，需要对其进行均衡，则MCU给b3所对应的第三路均衡支路选通信号，同时给均衡充电电源信号，对b3进行均衡充电，均衡电流的流向为：从电池组(充电器)至均衡充电电源变压后经第三路均衡支路的高位开关至b3正极，然后从b3负极经第三组均衡支路的低位开关回到均衡充电电源。均衡充电电流的调节是通过电流反馈MCU调整均衡充电电源的输出电压，使电流大小为设定值。此处，均衡充电补偿时，b3所获得的充电电流较其余分组要大，达到了均衡充电补偿的效果。

本发明的上述特征可以看出，均衡充放电过程不受总电池总工作状态(充电或放电)的变换影响，可对被补偿电池分组进行动态实时的均衡充放电补偿，特别适合混合电动车辆动力电池管理***。

本发明不限于具体实施方式所阐述的实施例。本发明适用于一切需要进行电池动态均衡充放电管理的电池管理***。

Claims

1.一种电池管理***的动态均衡充放电实现方法，其特征在于：由微控制器MCU电路，均衡充电电源，均衡充放电电子开关组件，电压检测电路模块组成，其实现执行如下步骤：

a、微控制器MCU根据电压检测电路模块检测到的电池分组电压值，确定需要进行均衡充放电补偿的电池分组，选通对应的均衡充放电电子开关组件；

b、被选通的电子开关组件将均衡充电电源接通到需要进行均衡充放电补偿的电池分组，由均衡充电电源对该电池分组进行充放电补偿；

c、MCU实时监测被补偿电池分组的电量状态，据此调整均衡充电电源对被补偿电池分组的充电电流。

2.如权利要求1所述一种电池管理***的动态均衡充放电实现方法，其特征在于：均衡充电电源的输入电源直接源于总电池组，总电池组对所适配的车辆处于放电和充电状态时，均衡充电电源都可以对任一电池分组进行均衡充放电补偿，其中：

a、当总电池组处于充电状态时，均衡充电电源对电池分组的充电表现为充电补偿；

b、当总电池组处于放电状态时，均衡充电电源对电池分组的充电表现为放电补偿。

3.如权利要求1所述一种电池管理***的动态均衡充放电实现方法，其特征在于：MCU对电池分组均衡充放电补偿的选通方式为分时分组选通，MCU选通一个电池分组支路，同时打开该支路的高低位开关，对该支路进行均衡充电。

4.如权利要求3所述一种电池管理***的动态均衡充放电实现方法，其特征在于：均衡充放电电子开关组件与每个电池分组分别用一个高位开关和一个低位开关连接，所有电池分组电子开关的高位与均衡充电电源的正极相连，而电子开关的低位与均衡充电电源的负极相连。