CN102148519A - 电池组自动均衡方法及电路 - Google Patents

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郑益
王浩
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Abstract

本发明涉及一种电池组自动均衡方法及电路，所述均衡方法为在电池组充放电过程中，将各电池单元电压与电池组平均电压进行比较，当电池单元电压大于电池组平均电压时，对该电池单元进行均衡；所述均衡电路由电池组平均电压采集电路、N个电池单元放电电路和N个执行器控制电路组成。本发明所提供的电池组自动均衡方法及电路可以应用于锂电池等各种电池组，该方法和电路可以对电压偏低的电池单元进行自动均衡，采用硬件实时控制；能有效的抑制串联电池组内电池单元的过充过放现象，使电池组在最短的时间内改善电池组的一致性，从而延长了电池组的使用寿命，具有控制方便、响应迅速、故障率低、成本低廉的特点。

Description

电池组自动均衡方法及电路
技术领域
本发明涉及一种串联电池组的自动均衡方法及电路，尤其涉及一种在充放电过程中自动对电池组中各电池单元进行均衡的方法及电路。
背景技术
单体电池由于生产工艺等原因导致各电池容量与性能的差异，在对电池组进行充放电的过程中，必然会扩大这种差异，充电时，容量小性能差的电池会出现过充现象；放电时，容量小性能差的电池又会有过放现象；电池组容量利用率会越来越低，长此以往，这种恶性循环过程将加速电池的损坏。因此，动力电池组需要采用均衡电路以延长电池组寿命是国内外学者和业界的共识。
现在的均衡方法一般可以分为有损均衡和无损均衡，下面对各种不同的均衡方式进行简要介绍：1、并联分流电阻均衡法：每个单体电池上并联一个可通断的电阻，它可以起到分流的作用。***采集各单体电池的电压，若发现其中有单体电池电压超过平均电压一定阈值后，导通该单体电池并接的电阻而进行分流。缺点是过大的能量损耗，显然不适合高容量、高电压的应用场合。2、电容穿梭充电均衡法，该方法包括级联电容穿梭均衡法和快速电容穿梭均衡法。级联电容穿梭均衡法利用串联电容在电池组间来回切换来实现电压均衡充放电，通过单刀双掷的双向开关切换，每个电容都可与两个相邻的电池相连。快速电容穿梭均衡法是电容能被高电量的单体充电以获得电量，然后选择低电量的单体进行充电以转送电量。电容穿梭充电均衡法由于引进电容使得电路的均衡频率受到限制，同时单刀双掷开关的寿命和可靠性是致命的问题，同时此方法需要电池测量监控***的支持，***会变得比较复杂。3、能量转换充电均衡法：用能量转换进行单体均衡是采用电感线圈或变压器来将能量从一节或一组电池转移到另一节或一组电池。该均衡方法耗时长，成本较高。
综上所述，在现有技术中，***比较复杂，成本较高，可靠性也大受影响，因此，上述各种均衡方法很难应用于电动自行车等要求成本低廉，***复杂度低的应用领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低廉、控制简便的电池组自动均衡方法及电路，在电池组充放电过程中都有均衡效果，有效的控制电池组的一致性，均衡速度快，同时整个均衡过程都通过硬件实现，不需要多余的控制，该方法满足了电动自行车等较低端***的需求，克服了现有均衡方法的不足。
为解决上述问题，本发明的技术方案是：
一种电池组自动均衡方法，所述电池组由N个电池单元构成，电池单元由一个或多个单体电池并联或串联而成，且每个电池单元属性一致；所述均衡方法为：在电池组充放电过程中，将各电池单元电压与电池组平均电压进行比较，当电池单元电压大于电池组平均电压时，对该电池单元进行均衡。
电池单元电压与电池组平均电压分别作为运放的输入信号，运放取出差值信号。每个电池单元电压与电池组平均电压实时进行比较，当电池单元电压大于电池组平均电压时，驱动器驱动对应的执行器导通；当电池单元电压小于等于电池组平均电压时，驱动器驱动对应的执行器断开。
优选地，所述电池单元电压通过减法器电路运算而得。
优选地，所述均衡为电池单元对耗能元件进行放电。
优选地，所述电池组平均电压为并联在电池组两端的电阻分压而得。
优选地，所述电池单元属性包括电池基本属性和电池串并联结构。电池基本属性包括电池类型、电池标称容量、电池标称电压；电池串并联结构包括电池并联数量及电池串联级数。
一种电池组自动均衡电路，所述电池组由N个电池单元构成，电池单元由一个或多个单体电池并联或串联而成，且每个电池单元属性一致；所述均衡电路由电池组平均电压采集电路、N个电池单元放电电路和N个执行器控制电路组成；所述电池组平均电压采集电路由电阻值比为(N-1)∶1的两个电阻串联而成，该串联电路并联在电池组两端；所述各电池单元放电电路分别并联在各电池单元的两端，电池单元放电电路由电阻和执行器串联而成；所述各执行器控制电路包括用于测量电池单元电压的减法器电路、用于将电池单元电压与电池组平均电压进行比较的运放和驱动器，减法器电路的两输入端并联在电池单元两端，减法器电路的输出端与运放输入端相连，运放另一输入端与电池组平均电压采集电路两电阻的连接处相连，运放输出端与驱动器相连，驱动器与执行器相连。
优选地，所述减法器电路包括差分放大器。
优选地，所述执行器为电子开关或继电器。
优选地，所述电池单元属性包括电池基本属性和电池串并联结构。电池基本属性包括电池类型、电池标称容量、电池标称电压；电池串并联结构包括电池并联数量及电池串联级数。
本发明所提供的电池组自动均衡方法及电路可以应用于锂电池等各种电池组，该方法和电路可以对电压偏低的电池单元进行自动均衡，采用硬件实时控制。本发明能有效的抑制串联电池组内电池单元的过充过放现象，使电池组在最短的时间内改善电池组的一致性，从而延长了电池组的使用寿命，具有控制方便、响应迅速、故障率低、成本低廉的特点。
附图说明
图1是本发明电池组自动均衡电路的电路连接图。
图2是本发明电池组自动均衡电路实施例的电路连接图。
图3是本发明实施例中均衡电路处于工作状态的电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。
参照图1、图2、图3，本发明的电池组自动均衡方法及电路，所述电池组由N个电池单元构成，电池单元由一个或多个单体电池并联或串联而成，且每个电池单元属性一致；所述电池基本属性包括电池类型、电池标称容量、电池标称电压；所述电池串并联结构包括电池并联数量及电池串联级数。本实施例中电池组由4个电池单元组成，所述电池单元为一节单体电池，下面以电池组充电过程中的某一时刻为基准，详细说明本发明。
本发明的电池组自动均衡电路，所述均衡电路由电池组平均电压采集电路、4个电池单元放电电路和4个执行器控制电路组成。
所述电池组平均电压采集电路由电阻值比为3∶1的两个电阻Ra和Rb串联而成，电阻Ra和Rb的连接处定义为平均电压点，此电池组平均电压采集电路并联在电池组两端。所述电池单元放电电路分别并联在各电池单元的两端，电池单元放电电路由电阻R和电子开关S串联而成，电阻R1和电子开关S1的串联电路并联在单体电池BT1的两端，电阻R2和电子开关S2的串联电路并联在单体电池BT2的两端，电阻R3和电子开关S3的串联电路并联在单体电池BT3的两端，电阻R4和电子开关S4的串联电路并联在单体电池BT4的两端。
所述各执行器控制电路包括用于测量电池单元电压的差分放大器、用于将电池单元电压与电池组平均电压进行比较的运放和驱动器。差分放大器U1的两输入端并联在单体电池BT1的两端，U1的输出端与运放U5的输入端相连，U5的另一输入端与电池组平均电压采集电路两电阻的连接处平均电压点相连，U5的输出端与相应的S1驱动器相连，S1驱动器与对应的电子开关S1相连；差分放大器U2的两输入端并联在单体电池BT2的两端，U2的输出端与运放U6的输入端相连，U6的另一输入端与平均电压点相连，U6的输出端与相应的S2驱动器相连，S2驱动器与对应的电子开关S2相连；差分放大器U3的两输入端并联在单体电池BT3的两端，U3的输出端与运放U7的输入端相连，U7的另一输入端与平均电压点相连，U7的输出端与相应的S3驱动器相连，S3驱动器与对应的电子开关S3相连；差分放大器U4的两输入端并联在单体电池BT4的两端，U4的输出端与运放U8的输入端相连，U8的另一输入端与平均电压点相连，U8的输出端与相应的S4驱动器相连，S4驱动器与对应的电子开关S4相连。
本发明的电池组自动均衡方法是基于本发明的电路实现的，该工作电路实时自动运行，工作过程中不含实时数据的采集和显示，根据该方法包括下述步骤：
假设某一时刻的各电池单元的电压值如表1所示，该电压值由并联在各电池单元的差分放大器U1、U2、U3、U4运算而得，通过计算可知总电压为13.328V。通过并联在电池组两端电阻分压原理计算得到的平均电压
Figure BDA0000053188650000055
运放U5比较单体电池BT1的电压值与平均电压的大小，可知单体电池BT1电压值大于平均电压
Figure BDA0000053188650000057
此时运放U5产生差值信号，S1驱动器驱动对应的电子开关S1闭合，单体电池BT1对并联电阻R1进行放电；运放U6比较单体电池BT2的电压值与平均电压的大小，可知单体电池BT2电压值小于平均电压
Figure BDA0000053188650000059
运放U6产生差值信号，S2驱动器驱动对应的电子开关S2断开；运放U7比较单体电池BT3的电压值与平均电压的大小，可知单体电池BT3电压值小于平均电压
Figure BDA00000531886500000511
运放U7产生差值信号，S3驱动器驱动对应的电子开关S3断开；运放U8比较单体电池BT4的电压值与平均电压的大小，可知单体电池BT4电压值大于平均电压
Figure BDA0000053188650000062
运放U8产生差值信号，S4驱动器驱动对应的电子开关S4闭合，单体电池BT4对并联电阻R4进行放电。
  电池号   电压值(V)   电池号   电压值(V)
  1   3.336   2   3.331
  3   3.328   4   3.333
表1
在单体电池BT1、BT4进行放电均衡的同时，差分放大器U1、U2、U3、U4实时地运算出各单体电池的电压值，运放U5、U6、U7、U8也实时的比较着这一时刻各单体电池电压值与平均电压的大小，从而控制驱动器驱动对应的电子开关闭合或断开。
综上所述，本专利采用了一种全新的均衡方式。能通过硬件设计对小于电压的各单体电池进行均衡，快速而有效的改善电池组的一致性。本发明可逐渐平衡各电池单元电压的电压值，并且适用于各种串联电池组，如应用于电动自行车等领域。

Claims (9)

1.一种电池组自动均衡方法，其特征在于，所述电池组由N个电池单元构成，电池单元由一个或多个单体电池并联或串联而成,且每个电池单元属性一致；所述均衡方法为：在电池组充放电过程中，将各电池单元电压与电池组平均电压进行比较，当电池单元电压大于电池组平均电压时，对该电池单元进行均衡。
2.根据权利要求1所述的电池组自动均衡方法，其特征在于，所述电池单元电压通过减法器电路运算而得。
3.根据权利要求1所述的电池组自动均衡方法，其特征在于，所述均衡为电池单元对耗能元件进行放电。
4.根据权利要求1所述的电池组自动均衡方法，其特征在于，所述电池组平均电压为并联在电池组两端的电阻分压而得。
5.根据权利要求1所述的电池组自动均衡方法，其特征在于，所述电池单元属性包括电池基本属性和电池串并联结构。
6.一种电池组自动均衡电路，其特征在于，所述电池组由N个电池单元构成，电池单元由一个或多个单体电池并联或串联而成,且每个电池单元属性一致；所述均衡电路由电池组平均电压采集电路、N个电池单元放电电路和N个执行器控制电路组成；
所述电池组平均电压采集电路由电阻值比为（N-1）:1的两个电阻串联而成，该串联电路并联在电池组两端；
所述各电池单元放电电路分别并联在各电池单元的两端，电池单元放电电路由电阻和执行器串联而成；
所述各执行器控制电路包括用于测量电池单元电压的减法器电路、用于将电池单元电压与电池组平均电压进行比较的运放和驱动器，减法器电路的两输入端并联在电池单元两端，减法器电路的输出端与运放输入端相连，运放另一输入端与电池组平均电压采集电路两电阻的连接处相连，运放输出端与驱动器相连，驱动器与执行器相连。
7.根据权利要求6所述的电池组自动均衡电路，其特征在于，所述减法器电路包括差分放大器。
8.根据权利要求6所述的电池组自动均衡电路，其特征在于，所述执行器为电子开关或继电器。
9.根据权利要求6所述的电池组自动均衡方法，其特征在于，所述电池单元属性包括电池基本属性和电池串并联结构。
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