CN102545328A - 电池平衡方法及实行该类方法的电池管理*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池管理***(13)，其包括实施借助串联互连的可充电元件(12)以模块化方式组成的蓄电池组(10)的平衡方法用的装置。当所述可充电元件呈现的不平衡不严重时，所述***能够通过使与每个可充电元件并联安装的单个分流支路(14)形成回路，激活无源平衡电路(11)。另外，它同样能够借助切换电路(18)的切换，激活个体有源平衡电路，该切换电路用来把电池组的可充电元件之一连接至供电装置(20)，该供电装置的能量用来实现呈现严重的荷电不平衡的所述可充电元件的个体平衡。

Description

电池平衡方法及实行该类方法的电池管理***

技术领域

本发明的目标是借助串联状互连的可充电元件模块化构成的蓄电池组用的平衡方法。

本发明还涉及电池管理***，该电池管理***用于包含在电池再充电和平衡的布置中，以允许利用所提出的方法。

背景技术

蓄电池组被应用于许多的电气设备和电子设备中，特别是用于电动车辆中，用来向车辆的一个或多个推进电动机或牵引电动机供电。

电池组是集成一些单体储存电池的机械组件。这些电池串联地装配，以便获得所希望的电压和电容。

目前，电池组由电子卡控制，电子卡更为所知地名为BMS，即指英语术语Battery Monitoring System(电池监测***)。考虑到电池是其能量源的电器设备如电动车辆的运行约束，该电子卡可以根据由电流传感器、电压传感器、电绝缘传感器和温度传感器进行的测量来控制电池组的每个电池的所有参数，以使电池保持在可能的最佳运行状态。

电池组的串联元件最通常地由同一充电或放电电流通过。但是电池平衡要求在某些时刻流过其不同元件的电流能够是不同的。

已知的是，当电池组的一电池处于过充电时，为平衡目的，通过与该电池并联连接的个体分流装置使电池组的该电池放电。该分流装置包括例如一个为能量耗散目的而使用的电阻。这样，一分流电流或“旁路”电流流通过该装置并可以减少、甚至完全分流在该电池中流通的电流。

对于一个电池的平衡电容量Q与分流电流I及在其期间实现该分流的持续时间是成比例的。因而，可以通过在一长时间期间保持弱分流电流或者通过在一相对短的时间期间建立的大的分流电流，在电池处获得同样的平衡。

通常使用的这种技术允许所有电池的准同时平衡，通常使用的这种技术因为只使用无源组件所以成本低。

但是，所述分流装置的缺点在于：耗散能量，因而加热电池组。这种无源平衡技术不适宜于电池之间严重的荷电不平衡。事实上，在这种情况下，所述平衡仅能在一段非常长的平衡持续时间之后或者仅通过一个非常大的分流电流才能获得，由此增大电池组的发热，而发热可能导致电池组的破坏。

当要平衡的电池数量不大时，这种类型的无源平衡技术同样不适用。

已知一种有源平衡技术，其通过在相对短时间期间建立的大的分流电流，产生较少的发热。这种技术在于向电池组的每个较少荷电的电池提供能量。但是，在电池的同时平衡的情况下，这种技术被证实成本非常高。事实上，将需要与要控制的电池一样多的有源电气组件。另外，将需要处理单元来管理这些有源组件的运行和启动电池的同时平衡。

由于要求严格的规范，这样一种有源平衡技术的实现因而需要实施成本高昂的技术。这种成本高昂的技术增加了电池组的总成本。

于是，目前存在这样一种需求：发现一种经济、可靠而简单的利用有源平衡技术同时允许电池同时平衡的方法。

发明内容

本发明恰好目的在于回应这个需求，同时弥补前述技术的缺陷。为此，本发明提出一种同时平衡的解决方案，当电池之一呈现较小的不平衡时，通过无源平衡电路实施同时平衡。该同时平衡电路包括与电池组每个电池并联连接的个体分流支路。这些分流支路受BMS控制。由该解决方案产生的电池组的发热可以忽略不计，因为仅针对需要例如约几分钟的相对短的平衡持续时间的小的不平衡，分流支路才通过BMS形成回路。

本发明还提出一种个体平衡的解决方案，当电池中的荷电较少的一电池相对于其他电池呈现严重的不平衡时实施该个体平衡，以作为无源平衡解决方案的补充。

该个体平衡的解决方案通过有源平衡电路实现。通过将第一直流电流变换为第二直流电流(DC/DC)的变流器，该平衡电路连接至其能量用来实现有源平衡的一电池。该变流器还能够保证电池组的电池之间对由该电池组供电的电气设备的质量体(masse)的电流绝缘。该平衡电路包括一个可换矩阵，其用来把该变流器连接至电池组的一个电池。该平衡电路的运行受BMS控制。

这个解决方案允许能够利用非常大的分流电流平衡一个电池，因而允许更快速的平衡，同时产生较少的发热。

更准确的说，本发明旨在提出一种电池管理***，其用于控制向电器设备供电的电池组，所述电池组包括一组串联安装的电池，每个电池包括至少一个可充电元件，所述电池由供电电源供电。

按照本发明，该电池管理***包括：

-无源平衡电路的激活装置，当可充电元件中的一个的端子上的测量电压不同于预定的平衡电压时，无源平衡电路的激活装置通过使与每个可充电元件并联安装的个体分流支路形成电路激活无源平衡电路，

-有源平衡电路的激活装置，其通过切换电路的切换来激活有源平衡电路，切换电路用来使电池组的可充电元件中的一个与一个不同于所述供电电源而且其能量用来实现所述可充电元件个体平衡的供电装置互连，所述可充电元件的对应的电池仍与所述电池组的其它电池串联安装，使得该电力电路不被切断，当所述可充电元件端子上的电压没有达到确定的最小阈值V1时，所述切换电路被激活。

本发明的目的还在于提出一种电池平衡方法，其中：

-在电池组的每个可充电元件的端子处测量电压，这些可充电元件是串联安装的，

-把测量电压与预定的平衡电压比较，

-当可充电元件中的一个的端子处的测量电压不同于所述平衡电压时，则通过激活与每个可充电元件并联安装的个体分流支路，启动电池组所有元件的同时平衡，所述分流支路能够分流在所述可充电元件上流动的至少一部分电流，

-若预定的持续时间结束时，在所述可充电元件端子处测得的电压没有达到确定的最小阈值V1，则通过激活切换电路，启动这个可充电元件的个体有源平衡，所述切换电路用于使所述可充电元件与一个其能量用来实现所述可充电元件的个体有源平衡的供电装置互连，所述可充电元件仍与电池组的其他可充电元件串联安装，使得该电力电路不被切断。

附图说明

通过阅读以下的描述并参照其附图将更好地理解本发明。以本发明的示意性地和完全非限制性的方式示出附图。

图1示出按照本发明的一实施方式由BMS控制的电池组的示意图。

图2示出实施本发明平衡方法的一个实施方式的部件的示意性表示。

具体实施方式

图1上呈现的示意图示出一种允许电池组10平衡的布置。电池组10是例如装备在具有电气设备和必要时具有推进电动机的机动车辆上的供电蓄电池组。电池组10还可以向电话网络、信息网络或任何其他以电为其能源的设备供电。

电池组10以模块化方式被组成并构成一个集中一系列串联安装的电池的组件。每个电池由至少一个可充电元件12构成。为了陈述简化的原因，在本专利申请的余下部分中只描述每个电池只有单一可充电元件的情况，当然必要时本发明能以每个电池具有多个元件的一些电池进行实施。

图1所示的电池组10包括四个串联设置的可充电元件12，这些可充电元件是例如锂离子型元件。

电池组10由电池管理***13监控和管理，以其英语术语BMS更为所知的这种类型的***13其本身为本领域技术人员所熟知的。

提出每个元件12都配有一个与之并联安装的无源平衡电路11。当在该元件的端子上测得的电压升高到平衡激活的确定的最大阈值V2之上时，每个无源平衡电路11允许分流由电源(未示出)向电池组10提供的、并在相应的元件12中流通的电流的至少一部分。

向电池组10供电的电源可以是配电电网或者独立的发电机。该发电机必要时是安装在车辆中的发电机。

每个无源平衡电路11由BMS 13控制。为此，经由联接到元件负极端子的测量电阻，电压测量线路15被配属给每个元件12，电压测量线路与每个元件的端子连接。该线路15向BMS 13提供测量结果。根据所述测量，BMS 13控制使无源平衡电路11的分流支路14形成回路。该分流支路14包括电阻16和晶体管17。该分流支路14与测量电阻串联地安装在元件12的配属有线路15的端子之间。

电池组10联接至有源平衡电路21。该有源平衡电路21包括切换电路18和变流器19。该切换电路18保证变流器19和可充电元件12之间的互连。切换电路18的运行受BMS 13控制。当在一个元件的端子测得的电压没有达到确定的最小阈值V1和未升高到确定的最大阈值V2以上时，该有源平衡电路21允许通过供电装置20向呈现强烈不平衡的该元件12充电。

阈值电压V1和V2的数值及给定电池组的平衡电压的数值取决于实现所述电池组的技术。在一个实例中，对于LiFePO4型电池技术，阈值电压V1约为3.4伏以及阈值电压V2约为3.7伏。

变流器19是DC/DC直流电压变流器，其允许基于由供电装置20提供的恒定直流电压向可充电元件12供电。供电装置20不同于供电给电池组10的电源。供电装置20可以是布置在车辆上的附属电池。

变流器19与车辆质量体是电流绝缘的，以产生与其输入端上的电压绝缘的输出电压。因此，该变流器19能够避免元件12与车辆质量体的连接。变流器19的尺寸确定取决于提供给可充电元件12的最大电流。变流器19在输出端提供与元件12的电压几乎相同的电压。

一方面为了控制分流支路14的运行，另一方面为了控制切换电路18的运行，BMS 13尤其包括程序存储器22，程序存储器通过通信总线24连接至微处理器23。BMS 13包括输入接口，输入接口把由测量线路15提供的测量模拟值转变为由所述微处理器可以处理的数字值。BMS 13还包括输出接口，输出接口用来把所述微处理器提供的数字数据转变为对分流支路14和切换电路18的控制电信号。

BMS 13进行的行动由微处理器23操控。作为对记录在程序存储器22中的指令代码的响应，微处理器23产生一些用于分流装置14和切换电路18的指令。为此，程序存储器包括几个程序区30至34，它们分别对应于一系列步骤。

图2是本发明的方法的一实施方式的功能图的实例。包括所有子程序30至35的一总程序按照下述方式组织这些步骤的接续。该图示出预备步骤30，在该步骤中，BMS 13接收对于每个可充电元件12的测量电压v。

BMS 13在步骤31评估测量电压v并将其与一预定的平衡阈值比较。只要测量电压v等于电池组的平衡电压，BMS 13便不启动任何平衡程序。

当在该元件12端子上的测量电压v不同于平衡电压时，BMS便执行控制所有电池的无源同时平衡阶段的控制步骤33。在这个同时平衡阶段过程中，通过控制分流支路14的晶体管17形成回路，BMS 13激活无源平衡电路11，以便无源平衡电路分流相应元件12的一部分电流。

同时平衡阶段一被激活，BMS 13就在步骤33启动反向计数器，其持续时间例如约为几分钟的时间，在该时间期间反向计数器检验测量电压v是否等于平衡电压。

反向计数器的持续时间确定成使得最小化无源平衡的副作用，所述副作用主要是在电池组中的热量耗散。在一实施方式中，该持续时间约为30分钟。

若在反向计数器结束时，测量电压v小于最小阈值V1和没有升高到确定的最大阈值V2之上，则BMS 13对呈现该严重不平衡的相应的可充电元件启动个体平衡阶段。该个体平衡阶段作为同时平衡阶段的补充被激活。在该个体平衡阶段的过程中，通过控制切换电路18的切换，BMS 13激活有源平衡电路21，以便把变流器19连接至所述的呈现不平衡的元件12。用来实现该有源平衡阶段的能量来源于供电装置20，而不是像无源同时平衡的情况中那样来自元件12本身。

因此利用本发明，当元件12端子上的测量电压v不同于预定的平衡电压时，则有步骤地进行无源平衡。若在预定的持续时间后，测量电压v始终不达到平衡电压，则BMS检查电池组10的元件12之一是否呈现严重的荷电不平衡。若元件12之一呈现严重的不平衡(例如v＜V1)，则BMS13利用比无源状态下强得多的电流(例如个体平衡电流是同时分流电流的5至10倍)执行该元件的平衡。

变流器19和切换电路18被选择为使供电装置20提供的差不多所有能量被用来进行平衡。因而存在较少的热损耗。因而，若少量电池要进行大的平衡，这个解决方案是非常适用的。无论串联在电池组中的电池数目是多少，因而无论电池组的总电压是多少，这个平衡同样是适宜的。所使用的DC/DC型变流器19保持不变，因为它的输入特性是相同的。

因此，本发明允许同时进行：

-借助于无源组件对电池组的所有可充电元件同时平衡，和

-在一个可充电元件严重不平衡的情况下，对该可充电元件进行个体平衡。

本发明的电池管理***由常见的和便宜的组件构成，这使其制造简单和成本低廉。另外，在该设备的结构中，所述组件可以用对应的组件代替。同样地，在这些装置的被描述组件之间可以加入其他组件。

Claims (6)

1.电池管理***(13)，其用于控制给电气设备供电的电池组(10)，所述电池组包括一组串联安装的电池，每个电池包括至少一个可充电元件(12)，所述电池由供电电源供电，

所述电池管理***的特征在于，其包括：

-无源平衡电路的激活装置(33)，当所述可充电元件中的一个可充电元件的端子处的测量电压不同于预定的平衡电压时，所述无源平衡电路的激活装置通过使与每个可充电元件并联安装的个体分流支路(14)形成回路来激活所述无源平衡电路，

-有源平衡电路的激活装置(35)，其通过切换电路的切换来激活所述有源平衡电路，所述切换电路用于使所述电池组的可充电元件中的一个可充电元件与不同于所述供电电源而且其能量用来实现所述可充电元件的个体平衡的供电装置(20)互连，所述可充电元件的对应电池保持与所述电池组的其它电池串联安装，使得该电力电路不被切断，当所述可充电元件端子处的电压没有达到确定的最小阈值V1时，所述切换电路被激活。

2.按照权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述供电装置通过直流/直流变流器(19)连接到所述切换电路。

3.按照权利要求2所述的电池管理***，其特征在于，所述变流器与由所述电池组供电的电气设备的质量体是电流绝缘的，以产生与其输入端上的电压隔绝的输出电压。

4.按照上述权利要求中任一项所述的电池管理***，其特征在于，所述分流支路包括电阻(16)和晶体管(17)，所述晶体管串联安装在所述可充电元件的端子处。

5.按照权利要求4所述的电池管理***，其特征在于，所述分流支路与电压测量电阻(15)串联安装，所述电压测量电阻连接至相应的可充电元件的负极端子。

6.按照上述权利要求中任一项所述的电池用的平衡方法，所述平衡方法的特征在于：

-在电池组的每个可充电元件的端子处测量(30)电压，这些可充电元件是串联安装的，

-把所述测量电压与预定的平衡电压比较(31)，

-当所述可充电元件中的一个可充电元件的端子处的所述测量电压不同于所述平衡电压时，则通过激活与每个可充电元件并联安装的所述个体分流支路，启动所述电池组的所有可充电元件的同时平衡(32)，所述分流支路适于分流在所述可充电元件上流通的电流的至少一部分，

-若预定的持续时间结束时，所述可充电元件的端子处的所述测量电压没有达到确定的最小阈值V1，则通过激活切换电路来启动所述可充电元件的个体有源平衡，所述切换电路用于使所述可充电元件与其能量用来实现所述可充电元件的所述个体有源平衡的供电装置互连，所述可充电元件保持与所述电池组的其它可充电元件串联安装，使得电力电路不被切断。

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