CN103606999A - 一种新型电池均衡充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型电池均衡充电方法，每个电池单体均并联一个均衡单元，充电机给电池组充电，在电池充电过程中，在各个电池单体电压都在正常范围内时，检测电池组电池组总电压与各单体电池电压，送给相应的均衡单元；对单体电池电压小于平均单体电压的单体电池，相应的均衡单元工作，向各相应的单体补充充电；对单体电池电压大于平均单体电压的单体电池，依旧由充电机充电；随着补充充电的进行，各单体电压越来越接近，直至最后一个均衡单元补充充电完成；各个均衡单元的输出电压是完全相等的，可以在整个充电过程中精确进行均衡补充充电，均衡效果较好。

Description

一种新型电池均衡充电方法

技术领域

本发明涉及蓄电池领域，具体涉及蓄电池中各个单体电池的充电均衡方法。

背景技术

蓄电池由多个单体电池串联组成，蓄电池组由多个蓄电池串联组成，已广泛地应用在交通、电力、通信等领域的电子设备中。实践表明，蓄电池组的寿命远远低于单体电池的寿命，最根本的原因就是在充电设备对蓄电池组充电式时，流过各个单体电池的电流大小相同，然而由于单体电池的容量存在差异，在以相同的充电电流充电时，会造成有的单体电池未充满，而有的单体电池过冲的现象，也就是造成单体电池充电不均衡，严重降低了蓄电池组的寿命。

 现有的充电均衡器能够有效弥补在充电过程中不一致性，最大限度地发挥电池的效用，延长电池的使用寿命。常见的充电均衡器有如下几种：

（1）被动放电式充电均衡器。这种充电均衡器利用电池管理***（BMS）检测充电机在充电过程中的单体电池电压，检测到端电压较高的单体电池，则闭合相应的开关，将负载接入为单体电池放电，直到其两端电压与其余单体电池电压接近为止。这种充电均衡器，优点是结构简单，容易实现；缺点是比较耗能，充电机的输出能量不能充分得到利用，有一部分被消耗在无用的负载上，相当于部分单体电池多充后能量再被放出来损耗掉。

（2）高放低充式充电均衡器。这种充电均衡器由放电装置和充电装置共同组成，利用BMS检测充电过程中的单体电池电压，检测到端电压较高的单体电池则闭合相应的开关，同时为端电压低的单体电池补充充电直到与其他单体电压接近为止。这种充电均衡器，优点是单体电池有充有放，相对减少了部分能量损耗；缺点是控制比较复杂，同时也有不必要的能量损耗，同样有部分单体电池多充后能量再被放出来损耗掉。

（3）电容切换式充电均衡器。这种充电均衡器，利用电容在蓄电池组问来回切换实现电压均衡充放电，通过单刀双掷的双向开关进行切换。每个电容都与相邻的两个蓄电池相连。切换过程中，电压发生转化，向蓄电池释放或者吸收能量，最终达到相邻两个单体蓄电池的容量一致的目的。这种方法优点是不用消耗能量，效率较高；缺点是这种方法由于引进电容，所以均衡频率受到一定限制。另外，单刀双掷开关的实现比较复杂。同样存在部分电池单体多充后再被放出来转移到欠充的电池单体，转移过程中同样会再次造成能量损耗。

（4）放电平衡式均衡充电机。以最低单体电压为基准，高于这个基准的单体电池则闭合相应的开关，为其放电，直至电压等于最低的单体电池电压，这时，所有闭合的开关都打开，充电机为串联电池组以相同的电流充电，单体电池的电压自动平衡。这种方法的优点是简单易行，缺点是电压检测电路较复杂，电池能量得不到充分利用。同样存在部分电池单体多充后再被放出来损耗掉了。

（5）高放低充均衡充电机。每两个相邻的单体电池之间都有一个双向充电器，当检测到某一单体电池低压低于相邻的单体电池电压时，双向充电器开始工作，由单体电压高的单体电池提供能量，为电压较低的单体电池补充充电，由于相邻的单体电池间都有一个双向充电器，所以当电压不均衡时，双向充电器自动开始工作，电压高的为电压低的补充充电，最终达到单体电池电压均衡的效果。这种方式的优点显而易见，充电效率较高，能量损耗小；缺点是双向充电器的控制很复杂，成本较高。

（6）其他常见的均衡充电机。其他的均衡充电器还包括分体充电，分时分序充电，MCU控制的均衡充电等等。这些均衡方法或设备均存在着部分电池单体多充后再被放出损耗掉或转移到欠充的部分单体中，存在二次转移时的能量损耗，同时每次充电时或充电后多充的电池单体先被充入再放出也会影响电池充电循环寿命。另外，这些均衡充电器都是以一个均衡范围作为单体电池电压偏高或偏低的依据，但在电池充电过程中单体电压变化范围是较大的，这种固定均衡范围作为均衡依据的方法只能在充电后期或充电完成后进行，会增加整体充电均衡的时间，或导致均衡时间较短，影响均衡效果。

发明内容

本发明的目的是为解决目前电池均衡方法中存在的部分电池单体多充后再被放出损耗掉或转移到欠充的部分单体中存在二次转移时的能量损耗，同时每次充电时或充电后多充的电池单体先被充入再放出也会影响电池充电循环寿命的问题，同时能解决以一个均衡范围作为单体电池电压偏高或偏低的依据，但在电池充电过程中单体电压变化范围是较大的，这种固定均衡范围作为均衡依据的方法只能在充电后期或充电完成后进行，影响均衡效果问题，从而提出一种新型的电池均衡充电方法。 

本发明采用的技术方案是包括以下步骤：（1） 每个电池单体均并联一个均衡单元，充电机给电池组充电，在电池充电过程中，在各个电池单体电压都在正常范围内时，检测电池组电池组总电压与各单体电池电压，送给相应的均衡单元；（2）对单体电池电压小于平均单体电压的单体电池，相应的均衡单元工作，向各相应的单体补充充电；对单体电池电压大于平均单体电压的单体电池，依旧由充电机充电；（3）随着补充充电的进行，各单体电压越来越接近，直至最后一个均衡单元补充充电完成，完成均衡充电。

均衡充电完成后，充电机继续充电，各均衡单元持续工作，直至充电完成。

当某个电池单体电压达到单体最高保护电压时，充电机停止充电，均衡单元继续给各个电池单体充电，直到最后一个均衡单元停止补充充电

本发明采用上述技术后，与常见的电池充电均衡器的充电均衡方法相比，具有以下优点：

1、本发明在整个充电过程中任何单体都不会存在过充现象，因此也不会产生过充或多充后再放出来消耗掉或转移到其它单体的问题。

2、本发明由于采用电池平均单体电压这一动态的基准电压给各个均衡单元，各个均衡单元的输出电压是完全相等的，因此均衡效果较好。

3、本发明由于采用电池平均单体电压这一动态的基准电压给各个均衡单元，因此可以在整个充电过程中精确进行均衡补充充电，均衡时间长，均衡单元模块的功率可以比较小。

附图说明

  图1是本发明所述电池分流均衡方法所采用的电路结构框图；

 图2是本发明所述电池分流均衡方法的流程图。

具体实施方式

参见图1所示，BT1，BT2，……，BTn是串联电池组中的电池单体，充电机并接串联电池组，对串联电池组充电。每个电池单体BT1，BT2，……，BTn均并联一个均衡单元模块，所有的均衡单元均连接检测电路，检测电路和所有的均衡单元分别连接于控制电路（图1中省略掉检测电路和控制电路）。充电机的功率大于均衡单元的功率。

再参见图2，整个充电均衡过程如下：开始时充电机正常给电池组充电，在电池充电过程中，在各个电池单体电压都在正常范围内时，对电池组的充电电压进行取样，检测电路检测电池组总电压Vb与各单体电池电压Vi。当电池单体电压Vi达到单体最高保护电压Vo1时，给整个电池组充电的充电回路断开，充电机停止给整个电池组充电，但均衡充电继续。当电池组总电压Vb达到电池组保护电压Vo2时，充电机停止给整个电池组充电，但均衡充电继续。

由控制电路计算出电池组在充电过程中相同时间内的平均单体电压Va，送给相应的均衡单元；平均单体电压Va为电池组总电压Vb除去单体总数。各均衡单元根据送来的取样电压形成一个统一的动态基准，即平均单体电压Va。对各单体电池电压Vi小于平均单体电压Va的单体电池，均衡单元开始工作，向各相应的单体进行补充充电，随着补充充电的进行，各单体电压越来越接近。补充充电的单体数越来越多，补充充电的电量越来越少。由于各均衡单元的输出电压相等（在一定的测量精度和控制精度内），当最后一个均衡单元开始补充充电时，说明各电池单体电压已接近一致，说明各单体容量接近一致，均衡充电基本完成。充电机按正常工作充电曲线继续充电，各均衡单元持续工作，防止出现新的不均衡，直至充电完成。而对各单体电池电压Vi大于平均单体电压Va的单体电池，依旧由大功率的充电机充电，得不到均衡单元这一小功率充电机的补充充电，

在充电后期，当出现某个电池单体电压Vi达到单体最高保护电压Vo1时，给整个电池组充电的充电回路断开，充电机停止给整个电池组充电，但给各个单体补充充电的均衡单元继续给各个电池单体进行充电，除单体电压Vi达到最高的那个单体以外；当各个单体电压逐步到达这个最高单体电压时，各个单体的均衡单元也相应停止补充充电，直到最后一个均衡单元停止补充充电时，均衡充电完成。

在均衡过程中，各个均衡单元的输出电压是以平均单体电压作为输出电压的基准，而平均单体电压Va会随着充电机给电池组充电整体电压变化而变化，因此各均衡单元的输出电压也是变化的，但各均衡单元工作时的电压相等的，这样在整个充电过程中都可以实现精确均衡。

这样，根据这个单体电池电压与电池组在充电过程中相同时间内的平均单体电压（同时作为各个单体补充充电模块的动态基准电压）进行比较，对于单体实际电压比平均单体电压低的单体进行补充充电，各个均衡单元的输出电压是相等的，直到本单体实际电压达到平均单体电压时，给本单体进行的补充充电停止。在补充充电过程中，平均单体电压会随着充电机给电池组充电整体电压变化而变化。当充电过程中出现某单体电压达到单体保护电压点时，充电机停止给电池组充电，但均衡单元则可以继续给需要的单体补充充电，直到所有单体电压均达到单体保护电压点或各个单体电压达到均衡要求。

每个单体电池都会在单体电压低于设定的动态的平均单体电压这一电压基准时得到补充充电，而那些电压高于动态电压基准的单体电池依旧由大功率充电机充电，而得不到均衡充电机的补充充电，这样每个单体电池的电压与动态电压基准的压差逐渐缩小，直至压差为零，这样也就完成了串联电池组的均衡。

整个均衡充电过程可能用模拟数字电路进行控制外，也可以利用单片机或相关的MCU通过软件进行控制。 

本发明中的均衡单元是含有DC/DC电路的均衡单元模块，可以是各种正激式、反激式、BUCK-BOOST(升降压转换器)等不同拓扑形式的转换电路，但又不仅限于这几种拓扑形式。

Claims (10)

1.一种新型电池均衡充电方法，充电机并接串联电池组，其特征是包括以下步骤：

（1） 每个电池单体均并联一个均衡单元，充电机给电池组充电，在电池充电过程中，在各个电池单体电压都在正常范围内时，检测电池组电池组总电压与各单体电池电压，送给相应的均衡单元；

（2）对单体电池电压小于平均单体电压的单体电池，相应的均衡单元工作，向各相应的单体补充充电；对单体电池电压大于平均单体电压的单体电池，依旧由充电机充电；

（3）随着补充充电的进行，各单体电压越来越接近，直至最后一个均衡单元补充充电完成，完成均衡充电。

2.根据权利要求1所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是：均衡充电完成后，充电机继续充电，各均衡单元持续工作，直至充电完成。

3.根据权利要求1所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是：当某个电池单体电压达到单体最高保护电压时，充电机停止充电，均衡单元继续给各个电池单体充电，直到最后一个均衡单元停止补充充电。

4.根据权利要求1所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是：各均衡单元工作电压相等，各个均衡单元的工作电压是以平均单体电压作为输出电压。

5.根据权利要求1所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是：平均单体电压随着充电机给电池组充电整体电压变化而变化。

6.根据权利要求1所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是：平均单体电压为电池组总电压除去单体总数。

7.根据权利要求1所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是：所有的均衡单元均连接检测电路，检测电路和所有的均衡单元分别连接于控制电路。

8.根据权利要求1所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是： 整个均衡充电过程可用模拟数字电路控制，或用单片机、MCU控制。

9.根据权利要求1所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是：均衡单元是含有DC/DC电路的均衡单元模块。

10.根据权利要求9所述的一种新型电池均衡充电方法，其特征是：DC/DC电路是各种正激式、反激式、BUCK-BOOST的转换电路。

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