CN108847696B - 一种电池充电均衡装置及均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池充电均衡装置及均衡方法，其中均衡装置包括BMS、充电机、DC/DC单元、多路控制开关，所述BMS通过充电控制接口与充电机连接，用于控制充电机的工作，所述充电机通过DC/DC单元与多路控制开关连接，所述多路控制开关分别连接电池组内的每一节单体电池；所述BMS分别连接DC/DC单元、多路控制开关，用于分别控制DC/DC单元、多路控制开关的工作。本发明均衡装置中的电路相对简单，均衡效果好，而且避免了能量损耗型均衡的热管理问题；BMS内置了压差—占空比—满充时间表，可以根据单体与充电截止电压的压差灵活的设置均衡充电电压，使得同时进行均衡充电的单体能达到基本一致的均衡时间。

Description

一种电池充电均衡装置及均衡方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电池充电均衡装置及均衡方法。
背景技术
锂电池由于体积小、重量轻、无记忆效应、绿色环保等优势而得到了广泛应用：从最低电压的单体锂电池，到高压的多串锂电池组，从各种独立使用的小容量单体电芯，到多只并联使用的大容量锂电池组，可以说凡是需要使用移动、储能等电源的场合都有锂电的身影。由于单体锂电池的标称电压只有3.2-3.7V，为了适用于不同场合的多种负载，就必须用单体进行串并联组合，通过串联提高输出电压、并联提高电池组容量来组成达到负载要求的电池组。由于各单体电池之间必然存在的差异性，导致电池组的各项性能指标呈下滑趋势，如串联电池组组容量等于单体容量最小的那一节的容量，电池组的内阻大于所有单体电池内阻之和，循环次数(即使用寿命)比单体使用时明显减少等。为了保证电池组在使用时不至于因为单体的差异性而出现过充电或过放电，锂电管理***(BMS)应针对各应用领域的特点制定合理的均衡方案，使得各锂电单体的差异在合理范围内波动，充电时单体能同时充满，放电时能同时放完，从而保证整个电池组安全高效的工作与较长的使用寿命。
充电均衡的目的是使得充电结束时所有的单体电池都能充满，是达到放电均衡的前提。具体实现方法依据能量处理方式可分为能量损耗型与非损耗型，耗散型均衡通过在电池两端并联旁路分流电阻消耗多余能量来实现均衡，即给每节电池都连接旁路分流电阻，一旦某单体电压超过门限值，则对应的分流电路开启进行放电，将其电压拉低以达到平衡。这种方法具有实现简单，成本低廉的优点，但同时存在热管理问题；而且由于各种条件限制，旁路电流一般相对于充电电流显得很小，故而充电均衡效果不理想。
能量非耗散型均衡是指能量在电池组各单体之间转移来达到均衡，这种均衡方式存在多种电路拓扑结构。一种常用的均衡方式是利用开关和电容组合实现能量在电池单体之间的传递，即将电压高的电池能量先转移到电容上，再从电容转移到电压低的电池上，最终实现所有电池的电压趋于一致。该方案不需要复杂的控制策略，能量转移速度快，效率高；缺点是单刀双掷开关较多，电路实现复杂，不适用于大容量串数多的电池组。
另一种均衡方案的基本原理是采用多输出变压器组成均衡拓扑结构，变压器原边接电池组的两侧，副边的每个输出线圈接对应的一节单体电池。这种方案可以实现电池组双向均衡，动态响应速度较快，均衡的效率较高；然而电池组的单体电池节数较多时，往往不采用这种均衡方式，因为这种情况下***中变压器的体积和重量都比较大，成本也较高。
综上所述，现有的锂电池组充电均衡方法都存在一定的缺陷；设计均衡电流可控，发热较小以及电路稳定可靠的充电均衡方案具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电池充电均衡装置及均衡方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电池充电均衡装置，包括BMS、充电机、DC/DC单元、多路控制开关，所述BMS通过充电控制接口与充电机连接，用于控制充电的工作；所述充电机通过DC/DC单元与多路控制开关连接，所述多路控制开关分别连接电池组内的每一节单体电池；所述BMS分别连接DC/DC单元、多路控制开关，用于分别控制DC/DC单元、多路控制开关的工作。
所述DC/DC单元包括多个DC/DC充电模块，每个DC/DC模块分别通过多路控制开关对应的与一个单体电池连接。
所述的BMS通过采集单元分别采集电池组中每一个单体电池的电压信息，并根据单体电池的电压信息发出PWM控制信号控制DC/DC单元输出与单体电池电压信息对应的充电电压。
所述BMS内预先存储压差—占空比—满充时间表，所述BMS根据获取的单体电池电压与单体电池充电截止电压计算出压差后，根据压差—占空比—充满时间表计算出多个DC/DC充电模块同时将电池单体充满时分别对应的占空比，然后输出相对应的占空比脉冲控制DC/DC模块的输出电压。
一种电池充电均衡装置的均衡方法，包括如下步骤，
通过充电机对电池组中的每节单体电池充电，直至达到均衡充电启动条件后，转入到均衡充电模式；
在均衡充电模式下，由多个DC/DC模块组成的DC/DC单元为单体电池进行充电，将电池组内的电池单体按照与DC/DC模块数量相同的方式分成小组，DC/DC单元依次对每一个电池小组进行补充充电；在电池小组内的电池单体达到充电保护电压则通过多路控制开关关闭当前开关通路，开启下一电池小组的充电，直到所有电池小组均充电完成。
充电机首先对所有电池进行恒流充电，当锂电池管理***检测到任一单体电池达到门限值Vmax1时，发出指令通知充电机转入恒压充电，所有单体的电压继续上升，直到任一单体达到门限值Vmax2；此时充电机停止整体充电，转入均衡充电模式。
电池管理***BMS在控制DC/DC单元中的每一个DC/DC模块时，根据DC/DC模块对应的电池单体的电压输出相应的PWM控制信号，以控制DC/DC模块的输出，使得电池小组中的每一节电池单体均衡充电完成时间相同。
预先标定出电池单体与充电截止电压间的压差—占空比—充满时间表，电池管理***根据采集到的电池小组内每一电池单体的端电压与截止电压间的压差，由压差—占空比—充满时间表查表获知使得电池小组内所有电池同时充满时各单体对应的占空比，然后输出对应占空比波形分别控制DC/DC模块为单体电池充电。
本发明的优点在于：均衡装置中的电路相对简单，均衡电流效率高，而且避免了能量损耗型均衡的热管理问题；BMS内置了压差—占空比—满充时间表，可以根据单体与充电截止电压的压差灵活的设置均衡充电电压，使得同时进行均衡充电的单体能达到基本一致的均衡时间。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明均衡装置的结构原理图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示的一种电池充电均衡装置，包括BMS、充电机、DC/DC单元、多路控制开关，BMS通过充电控制接口与充电机连接，用于控制充电的工作，充电通过DC/DC单元与多路控制开关连接，多路控制开关分别连接电池组内的每一节单体电池，从而实现充电机与每一节单体电池的充电连接；BMS分别连接DC/DC单元、多路控制开关，用于分别控制DC/DC单元、多路控制开关的工作。
其中DC/DC单元包括多个DC/DC充电模块，每个DC/DC模块分别通过多路控制开关对应的与一个单体电池连接。多路控制开关也是由多个开关模块组成，每个开关模块对应控制连接一个单体电池；开关模块均接受BMS的控制而进行打开关闭操作，通过控制开关模块的开启闭合从而实现一个DC/DC模块与对应单体电池的接通充电或断开。
电池管理***BMS通过采集单元分别采集电池组中每一个单体电池的电压信息，并根据单体电池的电压信息发出PWM控制信号控制DC/DC单元输出与单体电池电压信息对应的充电电压。具体的，BMS内预先存储压差—占空比—满充时间表，BMS根据获取的单体电池的电压与单体电池对应的充电截至电压计算出压差后，根据压差—占空比—充满时间表计算出多个DC/DC充电模块同时将电池单体充满电时分别对应的占空比，然后输出相应占空比的脉冲控制各个DC/DC模块的输出电压，从而达到将单体电池同时充满电的目的。
均衡装置的均衡方法包括：
充电机首先对所有电池进行恒流充电，当锂电管理***(BMS)检测到某一单体电池达到门限值Vmax1时，发出指令通知充电机转入恒压充电，所有单体的电压继续上升，直到某一单体达到门限值Vmax2；此时充电机停止整体充电，转入均衡充电模式。其中Vmax2>Vmax1，具体的设置数字可以根据锂电池的具体型号参数设定。
在均衡充电模式下，多个DC-DC(此处以3个为例)通过多路控制开关，依次与第1-3,4-6,7-9……节电池单体接通进行补充充电；若当前的3节电池单体达到充电保护电压则关闭当前开关通路，开启下一组3个开关通路与下一组3个单体接通，直至完成所有单体的均衡充电。
考虑到同时进行均衡充电的3个电池单体的电压与电量一般情况下均不相同，所以如果采用同样的均衡电流就行充电就会造成充电时间的不等。为了使所有单体的充电时间尽可能相等，有必要根据单体的电压大小灵活设置充电电流或电压，电压低的充电电流或电压大，电压高的充电电流或电压小，从而使得均衡充电时间尽可能的一致。
为了能够方便的根据单体电压获得相应的充电电压，本设计基于查表法来获得不同的均衡充电电压。通过实验获得不同端电压的单体在不同的充电电压下，达到充电截止电压(三元锂电池一般为4.2V)所需要的时间；并利用DC-DC的输出电压与控制脉冲占空比之间的对应关系，得到单体端电压与充电截止电压间的压差—占空比—满充时间表。
BMS精确的检测每个单体电池的端电压，根据各单体电池与充电截止电压(三元锂电池一般为4.2V)之间的电压差值来查询预设的压差—占空比—满充时间表。BMS根据查得的占空比，产生对应的PWM波形，控制DC-DC的输出电压，使得端电压较高的单体电池获得较低的均衡充电电压，而端电压较低的单体电池获得较高的均衡充电电压；这样就使得同时进行均衡充电的各单体电池能够同时达到满充状态。
本发明通过上述方法可以将每一个单体电池均充满电，在单体电池没有出现严重故障时，满充后各单体可以达到电量与端电压的基本一致，这也就是本发明要求达到的均衡结果；所以通过本发明可以将电池组内的电池充满电并达到均衡的效果。
本充电均衡方法的优点为：利用DC-DC对单体进行均衡充电，避免了能量损耗型均衡的热管理问题；相比于能量非损耗型均衡，本方法电路相对简单，均衡电流大效率高；BMS内置了压差—占空比—满充时间表，可以根据单体与充电截止电压的压差灵活的设置均衡充电电压，使得同时进行均衡充电的单体能达到基本一致的均衡时间。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电池充电均衡装置，其特征在于：包括BMS、充电机、DC/DC单元、多路控制开关，所述BMS通过充电控制接口与充电机连接，用于控制充电的工作，所述充电机通过DC/DC单元与多路控制开关连接，所述多路控制开关分别连接电池组内的每一节单体电池；所述BMS分别连接DC/DC单元、多路控制开关，用于分别控制DC/DC单元、多路控制开关的工作；
所述DC/DC单元包括多个DC/DC充电模块，每个DC/DC模块分别通过多路控制开关对应的与一个单体电池连接；
所述的BMS通过采集单元分别采集电池组中每一个单体电池的电压信息，并根据单体电池的电压信息发出PWM控制信号控制DC/DC单元输出与单体电池电压信息对应的充电电压；
所述BMS内预先存储压差—占空比—满充时间表，所述BMS根据获取的单体电池的电压与单体电池对应的充电截止电压计算出压差后，根据压差—占空比—充满时间表计算出多个DC/DC充电模块同时将电池单体充满电时分别对应的占空比，然后输出相对应的占空比脉冲控制DC/DC模块的输出电压。
2.如权利要求1所述的一种电池充电均衡装置的均衡方法，其特征在于：包括如下步骤，
通过充电机对电池组中的每节单体电池充电，直至达到均衡充电启动条件后，转入到均衡充电模式；
在均衡充电模式下，由多个DC/DC模块组成的DC/DC单元为单体电池进行充电，将电池组内的电池单体按照与DC/DC模块数量相同的方式分成小组，DC/DC单元依次对每一个电池小组进行补充充电；在电池小组内的电池单体达到充电保护电压则通过多路控制开关关闭当前开关通路，开启下一电池小组的充电，直到所有电池小组均充电完成。
3.如权利要求2所述的一种电池充电均衡装置的均衡方法，其特征在于：充电机首先对所有电池进行恒流充电，当锂电池管理***检测到任一单体电池达到门限值Vmax1时，发出指令通知充电机转入恒压充电，所有单体的电压继续上升，直到任一单体达到门限值Vmax2；此时充电机停止整体充电，转入均衡充电模式。
4.如权利要求3所述的一种电池充电均衡装置的均衡方法，其特征在于：电池管理***BMS在控制DC/DC单元中的每一个DC/DC模块时，根据DC/DC模块对应的电池单体的电压输出相应的PWM控制信号，以控制DC/DC模块的输出，使得电池小组中的每一节电池单体均衡充电完成时间相同。
5.如权利要求2所述的一种电池充电均衡装置的均衡方法，其特征在于：预先标定出电池单体与充电截止电压间的压差—占空比—充满时间表，电池管理***根据采集得到的电池小组内的每一电池单体的端电压，然后根据对应的截止电压获得实际的压差，然后根据压差—占空比—充满时间表查表获知使得电池小组内的电池单体同时充满时各单体对应的占空比，然后输出对应占空比的脉冲分别控制DC/DC模块为单体电池充电。
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