CN102255114B - 电池均衡充放电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池均衡充放电方法和装置。所述方法包括：S1.采样各个串联电池组的单组电池电压，并基于所述单组电池电压计算所有串联电池组的平均电池组电压；S2.基于所述平均电池组电压和所述单组电池电压，计算所述各个串联电池组的单组电压差；S3.基于所述单组电压差和预设电压差，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数；S4.基于所述单位均衡AH数控制对各个串联电池组的均衡充电时间。实施本发明的电池均衡充放电方法和装置，采用牛顿迭代算法控制对各个串联电池组的均衡充电时间，可以使得所有串联的电池组充放电状态均一致，从而提高电池的利用率并延长电池寿命。

Description

电池均衡充放电方法及装置

技术领域

本发明涉及电池控制领域，更具体地说，涉及一种电池均衡充放电方法及装置。

背景技术

目前大部分电池的应用场合需要将电池串联起来使用。因此，希望所有串联的电池能够同时充满电和放空电，这种工况下电池的使用寿命最长，利用效率也最高。但是由于制造工艺的限制，每组电池的特性会不一致，如果不对电池充放电进行有效控制，则很难达到所有电池同时充满和放空。因此，在电池应用领域，常常使用均衡充放电策略来解决这个问题。

目前比较先进电池均衡充放电的策略为主动平衡电量方法，具体原理为，采样每组电池电压，根据电压差值大小决定开通对应电池的均衡充电器对该组电池进行电量补偿。图1示出了现有技术的电池均衡充放电装置的原理框图。如图1所示，K为主路开关控制主路充电，每个串联电池组batt1-battn有对应一个均衡充电器(双向DC/DC模块)。其中各个串联电池组之间相互并联，且每个串联电池组中分别包括多个串联的电池。电池管理***(BATTERYMONITOR SYSTEM，BMS)可以检测电池电压，充放电电流等。当某组电池电压高于或低于平均电压的值超过预定范围时，则启动对应的均衡充电器，电压高的电池组通过DC/DC模块向其他电池提供能量，电压低的电池通过DC/DC模块吸收电量，从而达到所有电池的均衡充放电。

图2示出了锂电池充电特性曲线。图3示出了锂电池放电特性曲线。如图2和图3所示，3.6V为锂电池满充点，2.2V为锂电池放空点。如果只是根据电压差值来进行均衡的话，总体效果不是非常好，因为锂电池有一个平台电压，在这个平台电压左右，所有的电池电压基本一致，如果只是根据电压差值来均衡，在时间持续最长的平台电压附近不会有均衡动作，只是在充放电的初期和后期进行均衡动作，势必会导致均衡电量不够，不能完全补偿相差的电量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的电池均衡充放电装置只能在充放电的初期和后期进行均衡动作，势必会导致均衡电量不够，不能完全补偿相差的电量，提供一种能够使得所有串联的电池组充放电状态都能较为一致的电池均衡充放电方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电池均衡充放电方法，包括。

S1.采样各个串联电池组的单组电池电压，并基于所述单组电池电压计算所有串联电池组的平均电池组电压；

S2.基于所述平均电池组电压和所述单组电池电压，计算所述各个串联电池组的单组电压差；

S3.基于所述单组电压差和预设电压差，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数；

S4.基于所述单位均衡AH数控制对各个串联电池组的均衡充电时间。

在本发明所述的电池均衡充放电方法中，所述步骤S3进一步包括：

S31.判定所述单组电压差是否大于所述预设电压差，如果是执行步骤S33，否则执行步骤S32；

S32.判定所述单组电压差是否小于所述预设电压差，如果是执行步骤S34，否则执行步骤S4；

S33.判定是否持续第一设定时间，如果是选择第一牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数并执行步骤S4，否则继续执行所述步骤S33；

S34.判定是否持续第二设定时间，如果是选择第二牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数并执行步骤S4，否则继续执行所述步骤S34。

在本发明所述的电池均衡充放电方法中，所述第一牛顿迭代公式为：更新的单位均衡AH数＝(当前单位均衡AH数+牛顿迭代值)/2。

在本发明所述的电池均衡充放电方法中，所述牛顿迭代值为0Ah-1Ah。

在本发明所述的电池均衡充放电方法中，所述第二牛顿迭代公式为：更新的单位均衡AH数＝当前单位均衡AH数/2。

在本发明所述的电池均衡充放电方法中，所述第一设定时间大于所述第二设定时间。

在本发明所述的电池均衡充放电方法中，所述步骤S4进一步包括：

S41.判定是否各节电池的单位均衡AH数均大于0，如果是执行步骤S42，否则执行步骤S43；

S42.遍历所述各节电池的单位均衡AH数以查找最小单位均衡AH数，将所述各节电池的单位均衡AH数均减去所述最小单位均衡AH数；

S43.基于所述单位均衡AH数控制对各个串联电池组的均衡充电时间。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种电池均衡充放电装置，包括多个串联电池组，主充电电路，所述主充电电路和每个所述串联电池组之间的连接一个均衡模块，以及用于检测电池充放电流的电池监控模块，其特征在于，所述电池均衡充放电装置进一步包括：采样模块，用于采样各个串联电池组的单组电池电压；

第一计算模块，用于基于所述单组电池电压计算所有串联电池组的平均电池组电压；

第二计算模块，用于基于所述平均电池组电压和所述单组电池电压，计算所述各个串联电池组的单组电压差；

迭代更新模块，用于基于所述单组电压差和预设电压差，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数；

控制模块，用于基于所述单位均衡AH数和所述电池充放电流控制主充电电路经所述均衡模块对各个串联电池组的均衡充电时间。

在本发明所述的电池均衡充放电装置中，所述均衡模块为单向DC/DC模块或双向DC/DC模块。

在本发明所述的电池均衡充放电装置中，所述迭代更新模块进一步包括：

第一判定单元，用于判定所述单组电压差是否大于所述预设电压差且持续第一设定时间，输出第一判定结果；

第二判定单元用于判定所述单组电压差是否小于所述预设电压差且持续第二设定时间，输出第二判定结果；

迭代公式选择单元，基于所述第一判定结果和第二判定结果选择第一牛顿迭代公式或第二牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数。

实施本发明的电池均衡充放电方法及装置，通过采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数，从而控制对各个串联电池组的均衡充电时间，可以使得所有串联的电池组充放电状态均一致，从而提高电池的利用率并延长电池寿命。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1示出了现有技术的电池均衡充放电装置的原理框图；

图2示出了锂电池充电特性曲线；

图3示出了锂电池放电特性曲线；

图4示出了根据本发明的第一实施例的本发明的电池均衡充放电方法的流程图；

图5示出了根据本发明的第二实施例的本发明的电池均衡充放电方法的流程图；

图6示出了根据本发明的第三实施例的本发明的电池均衡充放电方法的流程图；

图7示出了根据本发明的第一实施例的本发明的电池均衡充放电装置的原理框图；

图8示出了根据本发明的第二实施例的本发明的电池均衡充放电装置的原理框图；

图9示出了采用本发明的电池均衡充放电方法对电池充满电后，最高电压与平均电压的差值图；

图10示出了采用本发明的电池均衡充放电方法在电池到达放空点时，最小电压与平均电压的差值图；

图11示出了每次充放电周期中，串联电池组实际利用的AH数。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案，首先介绍本领域的一个技术术语。单位均衡AH数是指主路每充放电1Ah，电池所充入的电能值。

图4示出了根据本发明的第一实施例的本发明的电池均衡充放电方法的流程图。

如图4所示，在步骤S1中，采样各个串联电池组的单组电池电压V1，V2，V3…Vn。对单组电池电压V1，V2，V3…Vn求和，可得总电池电压Vsum。随后可计算出所有串联电池组的平均电池组电压Vave＝Vsum/n。

在步骤S2中，基于所述平均电池组电压Vave和所述单组电池电压V1，V2，V3…Vn，计算所述各个串联电池组的单组电压差Ve1，Ve2，Ve3…Ven。

在步骤S3中基于所述单组电压差Ve1，Ve2，Ve3…Ven和预设电压差Vref，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数。其中该各节电池的单位均衡AH数可以是充电单位均衡AH数Ac，也可以是放电单位均衡AH数Ad。在此，单位均衡AH数是指主路每充放电1Ah，电池所充入的电能值。

在步骤S4中，基于所述单位均衡AH数，可控制对各个串联电池组的均衡充电时间。本领域技术人员知悉，单组电池电压V1，V2，V3…Vn，充电单位均衡AH数Ac，放电单位均衡AH数Ad可通过电池监控***来进行检测，也可以是预先设定的。所述预设电压差Vref可以基于实际情况进行设定，本领域技术人员可以根据电池组中各个电池的特性，以及电池组的构成来进行设定。

实施本发明的电池均衡充放电方法，通过采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数，从而控制对各个串联电池组的均衡充电时间，可以使得所有串联的电池组充放电状态均一致，从而提高电池的利用率并延长电池寿命。

图5示出了根据本发明的第二实施例的本发明的电池均衡充放电方法的流程图。

如图5所示，在步骤S501中，采样各个串联电池组的单组电池电压V1，V2，V3…Vn。对单组电池电压V1，V2，V3…Vn求和，可得总电池电压Vsum。随后可计算出所有串联电池组的平均电池组电压Vave＝Vsum/n。

在步骤S502中，基于所述平均电池组电压Vave和所述单组电池电压V1，V2，V3…Vn，计算所述各个串联电池组的单组电压差Ve1，Ve2，Ve3…Ven。

在步骤S503中，分别判定所述单组电压差Ve1，Ve2，Ve3…Ven是否大于所述预设电压差Vref。如果是执行步骤S504，否则执行步骤S507。

在步骤S504中，判定是否持续第一设定时间，如果还没有到达所述第一设定时间，则持续执行步骤S504进行判断。如果达到该第一设定时间，则执行步骤S505，选择第一牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数。

在本实施例中，该各节电池的单位均衡AH数可以是充电单位均衡AH数Ac，也可以是放电单位均衡AH数Ad。

当处于电池充电过程时，该更新的充电单位均衡AH数Ac’＝(当前充电单位均衡AH数Ac+牛顿迭代值B)/2。

当处于电池放电过程中时，更新的放电单位均衡AH数Ad’＝当前放电单位均衡AH数Ad/2。

在步骤S505之后，执行步骤S506，基于上述计算获得的各个串联电池组的所述单位均衡AH数，可控制对各个串联电池组的均衡充电时间。

例如，在步骤S506中，首先可以检测主充电电路是否已经增加1AH的电量。如果检测到主充电电路已经增加1AH的电量，则开启电池组所对应的均衡器，对电池组进行充电，直至为电池组充电电量增加到充电单位均衡AH数(充电过程中，充电单位均衡AH数为Ac AH)，或者是放电单位均衡AH数Ad AH(放电过程中，充电单位均衡AH数为Ad AH)。

当在步骤S503中，判定所述单组电压差Ve1，Ve2，Ve3…Ven并非大于所述预设电压差Vref时，执行步骤S507，分别判定所述单组电压差Ve1，Ve2，Ve3…Ven是否小于所述预设电压差Vref。如果是则执行步骤S508，否则执行步骤506，直接基于当前的单位均衡AH数控制对电池组的均衡充电时间。

在步骤S508中，判定是否持续第二设定时间。如果还没有到达所述第二设定时间，则持续执行步骤S508进行判断。如果达到该第二设定时间，则执行步骤S509，选择第二牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数。

在本实施例中，该各节电池的单位均衡AH数可以是充电单位均衡AH数Ac，也可以是放电单位均衡AH数Ad。

当处于电池充电过程时，该更新的充电单位均衡AH数Ac”＝当前充电单位均衡AH数Ac/2。

当处于电池放电过程中时，更新的放电单位均衡AH数Ad”＝(当前放电单位均衡AH数Ad+牛顿迭代值B)/2。

随后，执行步骤S506，基于上述计算获得的各个串联电池组的所述单位均衡AH数，可控制对各个串联电池组的均衡充电时间。在本实施例中，所述牛顿迭代值为0Ah-1Ah。当然本领域技术人员也可以根据实际需要选择其他的值作为牛顿迭代值。

通过实施本发明的实施例，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数，从而控制对各个串联电池组的均衡充电时间，可以使得所有串联的电池组充放电状态均一致，从而提高电池的利用率并延长电池寿命。

由于实际应用过程中，所有串联电池组都会出现充电单位均衡AH数Ac或放电单位均衡AH数Ad大于0的情况，这样会导致所有的均衡器都开通。而一般将这种情况认为是不合理的，所以如果检测发现所有充电单位均衡AH数Ac或放电单位均衡AH数Ad大于0时，需要找出最小的单位均衡AH数，并将其作为静态误差值。图6示出了这样一个实施例。图6中的步骤S601-603可以参照图4或5中所示出的实施例，在此不再累述。下面仅对步骤S604-607进行详细描述。

步骤S604：判定各节电池的单位均衡AH数是否均大于0。在此，单位均衡AH数为充电单位均衡AH数Ac或放电单位均衡AH数Ad。如果是，则执行步骤S605，遍历所述各节电池的单位均衡AH数以找出最小单位均衡AH数。

步骤S606：将所述各节电池的单位均衡AH数均减去所述最小单位均衡AH数；

步骤S607：基于步骤S606中获得的所述单位均衡AH数控制对各个串联电池组的均衡充电时间。当在步骤S604中检测到并非所有电池的单位均衡AH数均大于0时，直接执行步骤S607，基于各节电池原本的单位均衡AH数控制对各个串联电池组的均衡充电时间。

图7示出了根据本发明的第一实施例的本发明的电池均衡充放电装置的原理框图。

如图7所示，本发明电池均衡充放电装置100，包括多个串联电池组batt1，batt2…，battn，主充电电路120，连接到所述主充电电路120和所述多个串联电池组batt1，batt2…，battn之间的多个均衡模块101，102，…10n，以及用于检测电池充放电流的电池监控模块(BMS)130。其中，所述电池均衡充放电装置进一步包括采样模块410、第一计算模块420、第二计算模块430、迭代更新模块440和控制模块450。

其中，所述采样模块410用于采样各个串联电池组batt1，batt2…，battn的单组电池电压。所述第一计算模块420，用于基于所述单组电池电压V1，V2，V3…Vn计算所有串联电池组batt1，batt2…，battn的平均电池组电压Vave。例如对单组电池电压V1，V2，V3…Vn求和，可得总电池电压Vsum。随后可计算出所有串联电池组的平均电池组电压Vave＝Vsum/n。所述第二计算模块430，用于基于所述平均电池组电压Vave和所述单组电池电压V1，V2，V3…Vn，计算所述各个串联电池组batt1，batt2…，battn的单组电压差Ve1，Ve2，Ve3…Ven。所述迭代更新模块440用于基于所述单组电压差Ve1，Ve2，Ve3…Ven和预设电压差Vref，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组batt1，batt2...，battn中的各节电池更新单位均衡AH数。所述控制模块450，用于基于所述单位均衡AH数和所述电池充放电流控制主充电电路经所述均衡模块对各个串联电池组batt1，batt2...，battn的均衡充电时间。

本领域技术人员知悉，所述多个均衡模块101，102，…10n可以是单向DC/DC模块，也可以是双向DC/DC模块，或者其中部分均衡模块是单向DC/DC模块，而另一部分均衡模块是双向DC/DC模块。

图8出根据本发明的第二实施例的本发明的电池均衡充放电装置的原理框图。如图8所示，所述迭代更新模块440进一步包括第一判定单元441、第二判定单元442和迭代公式选择单元443。所述第一判定单元441，用于判定所述单组电压差是否大于所述预设电压差且持续第一设定时间，输出第一判定结果。第二判定单元442用于判定所述单组电压差是否小于所述预设电压差且持续第二设定时间，输出第二判定结果。迭代公式选择单元443，基于所述第一判定结果和第二判定结果选择第一牛顿迭代公式或第二牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数。其中第一判定单元441、第二判定单元442和迭代公式选择单元443的构造和实现可以参照图5中示出的方法来实现。

所述控制模块450进一步包括AH数判定单元451、最小AH数查找单元452和控制单元453。其中所述AH数判定单元451用于判定是否各节电池的单位均衡AH数均大于0。当所述AH数判定单元451判定各节电池的单位均衡AH数均大于0时，所述最小AH数查找单元452遍历所述各节电池的单位均衡AH数以查找最小单位均衡AH数，并将所述各节电池的单位均衡AH数均减去所述最小单位均衡AH数。所述控制单元453基于所述单位均衡AH数控制对各个串联电池组的均衡充电时间。其中AH数判定单元451、最小AH数查找单元452和控制单元453的构造和实现可以参照图6中示出的方法来实现。

为了验证本发明上述电池均衡充放电方法和装置的效果，建立实验平台，对其进行了验证。

在该实验中，采用的控制电池充放电时间的均衡模块为48V输入，3.6V输出的DC/DC变换器，最大输出电流为7.9A，其中48V来自电池。锂电池13节并联为一组，15组串联，每节电池的初始单位均衡AH数为4.5Ah。此外，选取的锂电池为随机组合，开始即存在充电单位均衡AH数Ac和放电单位均衡AH数Ad都各不相同的现象，并且电池组中存在一组电池特性很差的情况，接近于损坏，其达到锂电池满充点和锂电池放空点的速度都与其他正常电池与很大区别。对于这样组合的电池，在开始充电放电的时候，每个电池的电压以及充电单位均衡AH数Ac和放电单位均衡AH数Ad都是很不一致的，选取这样比较差的验证环境主要为了证明该方法的适用性强的特定。

在本实施例中，对于参数选择，预设电压差Vref为30mV，牛顿迭代值B为0.36Ah，第一设定时间Toc为600s，第二设定时间Tcc为300s。

使用本发明的图4对应的实施例的方法和图8对应的实施例的装置来进行实验，获得了图9-11的实验结果。该实验结果显示采用了牛顿迭代法均衡充电的效果显著。

图9示出充满电后(任何一组电池达到3.6V)，最高电压与平均电压的差值图，这个差值越小说明所有电池离同时充满点的理想目标越近。如图9所示，在经历9次牛顿迭代以后，最高电压与平均电压的差值从0.27V减小到0.09V。

图10示出采用本发明的电池均衡充放电方法在电池到达放空点时，最小电压与平均电压的差值图。在该例子中，任何一组电池达到2.7V，选取放空点为2.7V。图10示出的是最小电压与平均电压的差值图，这个差值越小说明所有电池离同时放空的理想目标越近。如图10所示，在经历9次牛顿迭代以后，最小电压与平均电压的差值从0.44V减小到0.04V。

图11示出了每次充放电周期中，串联电池组实际利用的AH数，这个值越大说明电池的利用率更高。如图11所示，在经历9次牛顿迭代以后，每次充放电周期中，串联电池组实际利用的AH数从0.67AH增大到40AH。

因此，实施本发明的电池均衡充放电方法，通过，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数，从而控制对各个串联电池组的均衡充电时间，可以使得所有串联的电池组充放电状态均一致，从而提高电池的利用率并延长电池寿命。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (5)

1.一种电池均衡充放电方法，其特征在于，所述方法包括：

S1.采样各个串联电池组的单组电池电压，并基于所述单组电池电压计算所有串联电池组的平均电池组电压；

S2.基于所述平均电池组电压和所述单组电池电压，计算所述各个串联电池组的单组电压差；

S3.基于所述单组电压差和预设电压差，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数；

S4.基于所述单位均衡AH数控制对各个串联电池组的均衡充电时间；

其中所述步骤S3进一步包括：

S31.判定所述单组电压差是否大于所述预设电压差，如果是执行步骤S33，否则执行步骤S32；

S32.判定所述单组电压差是否小于所述预设电压差，如果是执行步骤S34，否则执行步骤S4；

S33.判定是否持续第一设定时间，如果是选择第一牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数并执行步骤S4，否则继续执行所述步骤S33；

S34.判定是否持续第二设定时间，如果是选择第二牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数并执行步骤S4，否则继续执行所述步骤S34；

其中所述第一牛顿迭代公式为：更新的单位均衡AH数=（当前单位均衡AH数+牛顿迭代值）/2，所述牛顿迭代值为0Ah-1Ah，所述第二牛顿迭代公式为：更新的单位均衡AH数=当前单位均衡AH数/2。

2.根据权利要求1所述的电池均衡充放电方法，其特征在于，所述第一设定时间大于所述第二设定时间。

3.根据权利要求1所述的电池均衡充放电方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

S41.判定是否各节电池的单位均衡AH数均大于0，如果是执行步骤S42，否则执行步骤S43；

S42.遍历所述各节电池的单位均衡AH数以查找最小单位均衡AH数，将所述各节电池的单位均衡AH数均减去所述最小单位均衡AH数；

S43.基于所述单位均衡AH数控制对各个串联电池组的均衡充电时间。

4.一种电池均衡充放电装置，包括多个串联电池组，主充电电路，所述主充电电路和每个所述串联电池组之间的连接一个均衡模块，以及用于检测电池充放电流的电池监控模块，其特征在于，所述电池均衡充放电装置进一步包括：

采样模块，用于采样各个串联电池组的单组电池电压；

第一计算模块，用于基于所述单组电池电压计算所有串联电池组的平均电池组电压；

第二计算模块，用于基于所述平均电池组电压和所述单组电池电压，计算所述各个串联电池组的单组电压差；

迭代更新模块，用于基于所述单组电压差和预设电压差，采用牛顿迭代算法为各个串联电池组中的各节电池更新单位均衡AH数；

控制模块，用于基于所述单位均衡AH数和所述电池充放电流控制主充电电路经所述均衡模块对各个串联电池组的均衡充电时间；

其中所述迭代更新模块进一步包括：

第一判定单元，用于判定所述单组电压差是否大于所述预设电压差且持续第一设定时间，输出第一判定结果；

第二判定单元，用于判定所述单组电压差是否小于所述预设电压差且持续第二设定时间，输出第二判定结果；

迭代公式选择单元，基于所述第一判定结果和第二判定结果选择第一牛顿迭代公式或第二牛顿迭代公式更新所述单位均衡AH数；

其中所述第一牛顿迭代公式为：更新的单位均衡AH数=（当前单位均衡AH数+牛顿迭代值）/2，所述牛顿迭代值为0Ah-1Ah，所述第二牛顿迭代公式为：更新的单位均衡AH数=当前单位均衡AH数/2。

5.根据权利要求4所述的电池均衡充放电装置，其特征在于，所述均衡模块为单向DC/DC模块或双向DC/DC模块。

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