CN101976866B - 一种能量转移式电池组均衡判断及补充方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量转移式电池组均衡判断及补充方法，主要用于工业中使用众多电池串联使用的场合。装置包括依次连接的均衡模块,它与各个单体电池相连接，利用电池组的能量或外部电源的能量为单体电池进行充电；还有测控模块,它与电池组及其中的各个单体电池相连接的，测量并比较单体电池；方法步骤包括：测控串联电池组总电压及每个单体电池电压、计算串联电池组电池的平均电压、发送起动/停止信号、使单体电池电压趋近于电池组平均电压等步骤。本发明优点在于：具有保障串联电池组在使用过程中单体电池电压均衡的功能，并且均衡采用能量转移的方式进行，损耗小，有利于应用于中等或大容量的电池组。

Description

一种能量转移式电池组均衡判断及补充方法

技术领域

本发明涉及一种能量转移式电池组均衡判断及补充方法，属于电池技术领域。

背景技术

工业应用中对重要的供电设备，都需要一套电池作为备用电源，而单个电池电压都不高，无法直接使用，一般都为几十个甚至几百个电池串联起来提高总电压进行使用。由于电池在制造和使用过程中难免会出现性能不一致，因此在对串联电池组进行充放电时，采用一定的方法均衡各个单体电池的电压，会提高电池的使用度，延长电池的使用寿命。当前有一些对串联电池组充放电均衡的方法，大多采用电阻耗能的方法，即对电池组内电压过高的单体电池，通过电阻进行释放，以保证电池组内电池一致，这种方式的均衡方法缺点在于能耗高，损耗大，特别不利于在大容量串联电池组充放电的情况下进行均衡。

发明内容

本发明目的是，解决现有技术所存在的对串联电池组充放电不利于在大容量串联电池组充放电的情况下进行均衡等的技术问题；提供了一种采用恒电流控制模式，能够与串联电池组原有充放电设备共同使用互不影响的、具有保障串联电池组在使用过程中单体电池电压均衡的功能、并且均衡采用能量转移的方式进行、损耗小、有利于应用于中等或大容量的电池组的一种能量转移式电池组均衡判断及补充方法。

本发明的上述技术问题通过下述技术方案得以解决：

一种利用能量转移式电池组均衡判断及补充方法，其能量转移式电池组均衡判断及补充装置包括：

依次连接的均衡模块和测控模块；所述均衡模块与各个单体电池相连接，利用电池组的能量或外部电源的能量为单体电池进行充电；测控模块：与电池组及其中的各个单体电池相连接的，测量并比较单体电池，判断该单体电池是否需要补充能量并向所述均衡模块发送起动/停止信号；

所述的均衡模块包括：

用于对单体电池进行充电的PWM开关式直流－直流变换器；测量电阻或传感器；对所述PWM开关式直流－直流变换器的输出进行恒电流控制的恒流控制单元；驱动PWM开关式直流－直流变换器中的开关器件的驱动单元；接收上述测控模块发送起动/停止信号的隔离控制单元；

所述 PWM开关式直流－直流变换器与驱动单元、及测量电阻或传感器连接：恒流控制单元与测量电阻、驱动单元、及隔离控制单元7连接；

均衡判断及补充方法包括以下步骤：

步骤5.1、由测控模块中的差分运放单元测量该差分运方单元输出的串联电池组总电压及每个单体电池电压；

步骤5.2、由测控模块中的差分运放单元根据步骤5.1中所测量的串联电池组总电压及每个单体电池电压计算串联电池组电池的平均电压；

步骤5.3、由测控模块中的比较单元比较单体电池电压与电池组平均电压的大小，并根据其比较结果，向上述隔离控制单元发送起动/停止信号，即选择执行步骤5.4或步骤5.5；

步骤5.4、单体电池电压低于电池组平均电压时，则通过I/O启动均衡模块，从而补充单体电池能量，使单体电池电压趋近于电池组平均电压，并返回执行步骤5.3；

步骤5.5、单体电池电压高于或等于电池组平均电压，则通过I/O停止均衡模块，不再对单体电池补充能量并返回执行步骤5.3。

上述方法其步骤5.4中，补充单体电池能量即对单体电池进行充电的具体步骤如下：

步骤6.1、如均衡模块中的隔离控制单元收到了测控模块中的比较单元发出的起动信号，即选择执行步骤6.2，如接受到停止信号，即选择执行步骤6.3；

步骤6.2、均衡模块中：隔离控制单元将起动信号转化为均衡模块识别的电信号，输入到恒流控制单元，恒流控制单元控制PWM开关式直流－直流变换器进行充电；

步骤6.3、均衡模块中：隔离控制单元将停止信号转化为均衡模块识别的电信号，输入到恒流控制单元，恒流控制单元控制PWM开关式直流－直流变换器停止充电。

上述方法,其PWM开关式直流－直流变换器对单体电池充电电流大小是串联电池组额定充电电流大小的10％～50％。

上述方法，其测控模块包括依次连接的差分运放单元，它与上述电池组两端及单体电池连接，用于测量电池组和单体电池电压；还有比较单元，由比较器及运放或可编程逻辑控制器件构成的，并具有I/O输出。

上述方法，其PWM开关式直流－直流变换器采用隔离型，为反激型或正激型或半桥型或全桥型，所述的PWM开关式直流－直流变换器输入为串联电池组的部分或全部电池电压或外部电源，输出为对应的单体电池。

因此，本发明具有如下优点：1. 采用了隔离型的PWM开关式直流－直流变换器，将串联电池组中一部分或全部电池电压（也可接外部电源）来对低于平均电压的电池进行辅助充电，一方面消耗了其余电池的能量，一方面补充了低于平均电压的电池的能量，能起到均衡电池组各个单体电池电压的作用，同时损耗很低，有利于该装置在中、大容量电池组的场合进行应用；2. 采用隔离型的PWM开关式直流－直流变换器，并且其恒流控制单元采用恒电流控制模式，能够与串联电池组原有充电设备共同对电池进行充电互不影响。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是实施例的均衡模块的电路原理图；

图3是图2中将测量电阻4用传感器10替代的电路原理图；

图4是实施例的测控模块的电路原理图。

图中相应图号和名称为：均衡模块1、测控模块2、PWM开关式直流－直流变换器3、测量电阻4、恒流控制单元5、驱动单元6、隔离控制单元7、差分运放单元8、比较单元9、传感器10。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明一种能量转移式电池组均衡判断及补充装置如图1所示，它依次连接的是：其中均衡模块1：与各个单体电池相连接，利用电池组的能量或外部电源的能量为单体电池进行充电；测控模块2：与电池组及其中的各个单体电池相连接的，测量并比较单体电池，判断该单体电池是否需要补充能量并向所述均衡模块1发送起动/停止信号。所述的均衡模块1有：其一、PWM开关式直流－直流变换器3：用于对单体电池进行充电；其二、测量电阻4或传感器10:用于测量输出电流的；其三、恒流控制单元5:对所述PWM开关式直流－直流变换器的输出进行恒电流控制；其四、驱动单元6：驱动PWM开关式直流－直流变换器中的开关器件；其五、隔离控制单元7：接收上述测控模块2发送起动/停止信号的。所述的测控模块2依次连接的有：其一、差分运放单元8：与上述电池组两端及单体电池连接，用于测量电池组和单体电池电压；其二、比较单元9：由比较器及运放或可编程逻辑控制器件构成的，并具有I/O输出。所述的PWM开关式直流－直流变换器3采用隔离型，如反激型或正激型或半桥型或全桥型，所述的PWM开关式直流－直流变换器3输入为串联电池组的部分或全部电池电压或外部电源，输出为对应的单体电池。

对应用实例进一步说明如下：本装置包括与一个或更多（与单体电池数目相关）的，由隔离型的PWM开关是直流－直流变换器3、测量电阻4或传感器10、恒流控制单元5、驱动单元6和隔离控制单元7构成的均衡模块1；一个由差分运放单元8和比较单元9构成的测控模块2。以上组件之间的连接方式是：本发明的均衡装置由8个均衡模块1和一个测控模块2构成，其中的测控模块2用导线连接到电池组以及各个电池两端；均衡模块2的接法是：均衡模块的输入接电池组的一部分或全部电压或外部其他电源，输出接至单体电池两端；测控模块2的每个比较单元9的I/O输出到对应电池所连接的均衡模块1的隔离控制单元7。

该实施例中均衡模块1的工作原理：

如图2所示，本实施例以一个正激电路为例，作为隔离型的PWM开关式直流－直流变换器3，串联电池组的正负极接至正激电路的输入侧，对应的单体电池的正负极接至正激电路的输出侧，从而实现对所接的单体电池补充能量；输出部分连接有一个低阻值的电阻作为测量电阻4或传感器10，它用于测量输出的电流大小，并将之转换为电压值，一般考虑到损耗的因素，测量电阻4或传感器10的阻值选择应使得流过的电流产生的功率不超过电阻所能承受的上限，一般选择测量电阻的阻值在0.005Ω～1Ω之间；恒流控制单元5为一个PWM调制器，工作原理是：由运放将测量电阻4或传感器10输入的电压值放大与电流给定值一起输入至误差放大器，误差放大器的输出接至比较器，与三角波进行比较，得到驱动的矩形脉冲。当测量电阻4或传感器10的电压值升高时即电流实际输出值高于设定值，其与三角波的比较点升高，从而驱动的矩形脉冲占空比减小，从而减小电流的实际输出值，反之亦然。故此恒流控制单元5保证隔离型的PWM开关式直流－直流变换器3恒电流输出；驱动单元6采用了一个隔离脉冲变压器，其输入端接比较器输出的驱动的矩形脉冲，输出接正激电路的开关元件，使变压器原副边隔离；隔离控制单元7输入端接测控模块的比较单元9对应的I/O端口，使一个连接到恒流控制单元5的误差放大器输出端的MOS管受控，当接收到测控模块2给出的高电平时，使恒流控制单元5的误差放大器输出端电位为低，即可停止隔离型的PWM开关式直流－直流变换器3输出，当接收到测控模块2给出的低电平时，则开启隔离型的PWM开关式直流－直流变换器3输出。

该实施例中测控模块2的工作原理：

如图3所示，本实施例是以模拟电路来实现判断单体电池电压是否需要补充的功能的。差分运放单元8用了多个（数目为单体电池个数+1）个运算放大器，接成如图3中的形式，实现对单体电池和电池组电压的转换。而比较单元9的每个比较器将差分运放9的输出和差分运放1~8的输出进行比较，每个比较器的输出接到对应电池连接的均衡模块1的隔离控制单元7，对各个均衡模块1的启动和停止进行控制。如图3，差分运放1~8的参数是一致的，下面以单体电池B1所连接的差分运放1和比较器1的参数及电路功能进行分析，差分运放2~8和比较器2~8的参数及功能与差分运放1是一致的，判断单体电池B1电压是否需要补充的方法如下：

假设单体电池电压为Vx，电池组电池电压为Vs，电池组共有电池n个（本例n=8），R2/R1=K1，R4/R3=K2。差分运方单元8中，差分运方1的输出Vo1=K1*Vx，差分运放9的输出Vo9＝K2*Vs。

设计Vo1的范围在运算放大器输出能力以内，本实施例取Vo1等于运算放大器输出上限的一半，假设为a，即Vo1＝a，即取值K1＝a/Vx；

设计Vo9等于或略高于Vo1，本实施例以Vo9＝Vo1＝a为例分析。取值K2＝K1/n，则Vo9＝K1*Vs/n。

比较单元9比较Vo1和Vo9，当Vo1<Vo9，即Vx<Vs/n，即单体电池B1电压小于电池组平均电压，比较器输出高电平，从而启动均衡，由B1所连接的均衡模块3开始对单体电池补充能量。

当Vo1≥Vo9，即单体电池电压不低于电池组平均电压，比较器输出低电平，从而停止对单体电池补充能量。

此外，在设置Vo9时，也可取值Vo9略大于a，使得单体电池电压低于电池组平均值一定量之后，再开始对单体电池进行补充。

同样的，差分运放2~8和比较器2~8所实现的功能与上述差分运放1和比较器1所实现的功能完全相同。判断单体电池电压是否需要补充的方法与上述完全相同。

需要注意的是：

在本实施例中，与单体电池电压比较的预设值不限于上述所说的电池组平均电压，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

另外，均衡模块1的输入可以为串联电池组的一部分或全部电池电压，也可以是外部的电源，均衡模块1的输出供给电压低于预设值的单体电池，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，只要适合均衡模块1输入的电源都可以采用，也不会影响本发明装置的使用，因此所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

最后，本发明装置功能高度集成，可自行判断单体电池电压是否低于预设值，并根据判断结果对落后单体电池进行能量补充。本发明装置功能的另一个特点是补充的能量可以选择来自与整组的电池组，一方面消耗整组电池组的能量，另一方面对落后电池补充，能迅速的均衡整组电池组的现有电量，有利于提高电池组使用寿命和效率。本发明的装置采用的是能量转移的方式，效率高、损耗小，特别适用于中、大容量的电池构成的电池组。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了均衡模块1、测控模块2、PWM开关式直流－直流变换器3、测量电阻4、恒流控制单元5、驱动单元6、隔离控制单元7、差分运放单元8、比较单元9、传感器10等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本发明能量转移式电池组均衡判断及补充方法，其步骤为：步骤5.1、由测控模块2中的差分运放单元8测量该差分运方单元8输出的串联电池组总电压及每个单体电池电压；步骤5.2、由测控模块2中的差分运放单元8根据步骤5.1中所测量的串联电池组总电压及每个单体电池电压计算串联电池组电池的平均电压；步骤5.3、由测控模块2中的比较单元9比较单体电池电压与电池组平均电压的大小，并根据其比较结果，向上述隔离控制单元7发送起动/停止信号，即选择执行步骤5.4或步骤5.5；步骤5.4、单体电池电压低于电池组平均电压后，则通过I/O启动均衡模块1，从而补充单体电池能量，使单体电池电压趋近于电池组平均电压，并返回执行步骤5.3；步骤5.5、单体电池电压高于或等于电池组平均电压，则通过I/O停止均衡模块1，不再对单体电池补充能量并返回执行步骤5.3。所述的步骤5.4中，补充单体电池能量即对单体电池进行充电的具体步骤如下：步骤6.1、如均衡模块1中的隔离控制单元7收到了测控模块2中的比较单元9发出的起动信号，即选择执行步骤6.2，如接受到停止信号，即选择执行步骤6.3；步骤6.2、均衡模块1中：隔离控制单元7将起动信号转化为均衡模块1识别的电信号，输入到恒流控制单元5，恒流控制单元5控制PWM开关式直流－直流变换器3进行充电；步骤6.3、均衡模块1中：隔离控制单元7将停止信号转化为均衡模块1别的电信号，输入到恒流控制单元5，恒流控制单元5控制PWM开关式直流－直流变换器3停止充电。所述的PWM开关式直流－直流变换器3对单体电池充电电流大小是串联电池组额定充电电流大小的10％～50％  。

本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (5)

1.一种能量转移式电池组均衡判断及补充方法,其特征在于，其能量转移式电池组均衡判断及补充装置包括：

依次连接的均衡模块（1）和测控模块（2）；所述均衡模块（1）与各个单体电池相连接，利用串联电池组的能量或外部电源的能量为单体电池进行充电；测控模块（2）与串联电池组及其中的各个单体电池相连接，测量并比较单体电池，判断该单体电池是否需要补充能量并向所述均衡模块（1）发送起动/停止信号；

所述的均衡模块（1）包括：用于对单体电池进行充电的PWM开关式直流－直流变换器（3）；测量电阻（4）或传感器（10）；对所述PWM开关式直流－直流变换器的输出进行恒电流控制的恒流控制单元（5）；驱动PWM开关式直流－直流变换器中的开关器件的驱动单元（6）；接收上述测控模块（2）发送的起动/停止信号的隔离控制单元（7）；

所述 PWM开关式直流－直流变换器（3）与驱动单元（6）、及测量电阻（4）或传感器（10）连接；恒流控制单元（5）与测量电阻（4）或传感器（10）、驱动单元（6）、及隔离控制单元（7）连接；

在所述能量转移式电池组均衡判断及补充装置上应用的均衡判断及补充方法包括以下步骤：

步骤5.1、由测控模块（2）中的差分运放单元（8）测量该差分运放单元（8）输出的串联电池组总电压及每个单体电池电压；

步骤5.2、由测控模块（2）中的差分运放单元（8）根据步骤5.1中所测量的串联电池组总电压及每个单体电池电压计算串联电池组电池的平均电压；

步骤5.3、由测控模块（2）中的比较单元（9）比较单体电池电压与串联电池组平均电压的大小，并根据其比较结果，向上述隔离控制单元（7）发送起动/停止信号，即选择执行步骤5.4或步骤5.5；

步骤5.4、单体电池电压低于串联电池组平均电压时，则通过I/O启动均衡模块（1），从而补充单体电池能量，使单体电池电压趋近于串联电池组平均电压，并返回执行步骤5.3；

步骤5.5、单体电池电压高于或等于串联电池组平均电压，则通过I/O停止均衡模块（1），不再对单体电池补充能量并返回执行步骤5.3 。

2.根据权利要求1所述的方法, 其特征在于，所述的步骤5.4中，补充单体电池能量即对单体电池进行充电的具体步骤如下：

步骤6.1、如均衡模块（1）中的隔离控制单元（7）收到了测控模块（2）中的比较单元（9）发出的起动信号，即选择执行步骤6.2，如接受到停止信号，即选择执行步骤6.3；

步骤6.2、均衡模块（1）中：隔离控制单元（7）将起动信号转化为均衡模块（1）识别的电信号，输入到恒流控制单元（5），恒流控制单元（5）控制PWM开关式直流－直流变换器（3）进行充电；

步骤6.3、均衡模块（1）中：隔离控制单元（7）将停止信号转化为均衡模块（1）识别的电信号，输入到恒流控制单元（5），恒流控制单元（5）控制PWM开关式直流－直流变换器（3）停止充电。

3.根据权利要求1所述的方法, 其特征在于，所述的PWM开关式直流－直流变换器（3）对单体电池充电电流大小是串联电池组额定充电电流大小的10％～50％。

4.根据权利要求1所述的方法, 其特征在于，所述的测控模块（2）包括依次连接的：

差分运放单元（8）：与上述串联电池组两端及单体电池连接，用于测量串联电池组和单体电池电压；

比较单元（9）：由比较器及运放或可编程逻辑控制器件构成的，并具有I/O输出。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的PWM开关式直流－直流变换器（3）采用隔离型，为反激型或正激型或半桥型或全桥型，所述的PWM开关式直流－直流变换器（3）输入为串联电池组的部分或全部电池电压或外部电源，输出为对应的单体电池。

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