CN109768589A - 一种电池电压均衡设备 - Google Patents
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Abstract
一种电池电压均衡设备，用于对一电池组中的电池进行电压均衡，每一电池的充电截止电压U相等，其包括：N+1个开关、一隔离双向DCDC变换器和一电池管理***，隔离双向DCDC变换器具有一储能单元，隔离双向DCDC变换器的输入/输出电压分别为N×U以及U，电池管理***实时监测每一电池的电压，当监测到存在电压不均衡的电池时，进一步判断是否每一电池的电压均高于“U‑0.03V”，如果是，电池管理***则停止工作，如果不是，则计算每一个电压不均衡的电池的电压U′与N个电池的平均电压二者之差的绝对值按照由大至小的顺序将所有存在电压不均衡的电池排入一序列S，对序列S中的待均衡电池，根据其欠压还是过压，分别通过电池管理***向其充电或放电。
Description
技术领域
本发明涉及电池电压均衡领域，具体而言，涉及一种电池电压均衡设备。
背景技术
目前，常用的电池电压均衡方法有以下两种：
(一)电池电阻耗能的静态均衡方法
如图1所示为一采用电池电阻耗能的静态均衡方法的电路图，该方法采用每个电池并联一个电阻和一个开关。充电时，如果BMS(Battery Management System，电池管理***)检测到某个电池电压过高，则开启对应的开关。通过给电压高的电池放电，来给其余的电池争取充电时间，直到所有电池全部都充满。可见，该方法无法补充低压电池的消耗，只能通过给电压高的电池放电来延长充电时间，直至低压电池充到满为止。如图1所示，当检测到电池B1达到充电电压最大值时，则开启开关K1，通过电阻R1开始消耗电池B1的能量，从而为其他电池争取充电的时间。
这种方法存在以下缺点：
(1)只能进行充电矫正。由于该方法是在电池使用过程中进行矫正，不但浪费电能，还缩短了电池续航时间。所以这种方法只能在充电快结束的时候使用，此时放电对电池损害最小。
(2)矫正电流最大几百mA。由于完全是靠电阻耗能，在完成一次充电的过程中，可能90％的电池都需要放电，以等待低电压电池完成充电，因此，电池的整体放热量非常大。为了避免电池短时间内放电量过大而导致的后续问题，矫正电流通常只做到100mA。
(二)电池能量相互间转移的动态均衡方法
如图2所示为一采用电池能量相互间转移的动态均衡方法的电路图，该方法采用电感、电容、变压器做为储能元件，先通过切换将高电压电池的能量转移到储能元件中，再通过切换将储能元件的能量转换到低电压电池中。可见，该方法不补充低电池的能量消耗。图2中，先假设电池B1′的电压高，电池B2′的电压低，则先闭合开关S1、开关S2，由电池B1′给电感L1充电；然后再断开开关S1，闭合开关S5，由电感L1给电池B2′充电。经过反复的充放电，将电池B1′的能量转化到电池B2中。
这种方法存在以下缺点：
(1)开关2次对应的电感等储能元件携带电能才能转化一次，导致开关次数频繁，对开关器件要求非常高。另外，电压差没有那么大，转移的能量也并不是很多。需要很多次切换才可以将能量均衡掉，均衡效果不明显。
(2)由于加入电感、电容、变压器等储能元件，体积增大不少。
(3)器件多、更换不方便，故障点非常多。
综上可知，上述两种方法均会消耗高电压电池的能量，增加高电压电池的损耗，以及可能会导致电池充放电的消耗。
发明内容
本发明提供一种电池电压均衡设备，用以对一电池组中的电池进行电压均衡。
为达到上述目的，本发明提供了一种电池电压均衡设备，用于对一电池组中的电池进行电压均衡，该电池组包含N个串联连接的电池，每一电池的充电截止电压U相等，其包括：N+1个开关、一隔离双向DCDC变换器和一电池管理***，其中，
N+1个开关分别连接在第1～N个电池的第一侧以及第N个电池的第二侧，
隔离双向DCDC变换器具有一储能单元，隔离双向DCDC变换器与N+1个开关连接，以及与第1个电池的第一侧、第N个电池的第二侧连接，
电池管理***与N个电池、隔离双向DCDC变换器以及N+1个开关分别连接，
隔离双向DCDC变换器的输入/输出电压分别为N×U以及U，
电池管理***实时监测每一电池的电压，当监测到存在电压不均衡的电池时，进一步判断是否每一电池的电压均高于“U-0.03V”，如果是，电池管理***则停止工作，如果不是，则计算每一个电压不均衡的电池的电压U′与N个电池的平均电压二者之差的绝对值按照由大至小的顺序将所有存在电压不均衡的电池排入一序列S，对序列S中的待均衡电池依次进行以下处理：
当一待均衡电池的电压时，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关闭合以及其余开关均断开，隔离双向DCDC变换器将该待均衡电池的电压转换为电流，以向其余电池充电以及将电能储存在储能单元中，直至达到后，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关断开；
当一待均衡电池的电压时，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关闭合以及其余开关均断开，隔离双向DCDC变换器利用储能单元中储存的电能产生大小为U的电压，以向该待均衡电池充电，直至达到后，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关断开，
当电池管理***监测到不存在不均衡的电池时，电池管理***暂停工作。
在本发明的一实施例中，隔离双向DCDC变换器的输入/输出电压分别介于40V～60V之间和介于3.0V-3.5V之间。
在本发明的一实施例中，当电压不均衡的电池的电压U′与N个电池的平均电压二者之差的绝对值小于一预设阈值时，该电池不排入序列S。
本发明提供的电池电压均衡设备具有以下优点：
(1)结构简单，主要应用了隔离双向DCDC变换器和数个开关，故障点少；
(2)可以按照不均衡程度优先对不均衡程度较高的电池进行均衡，提高均衡效率；
(3)能够最大化保证每个电池均满充、满放；
(4)能够保证电池不会过压、欠压等极端情况；
(5)减少开关使用次数，延长电池管理***的使用寿命；
(6)可以实现较大的均衡电流，提高均衡效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一采用电池电阻耗能的静态均衡方法的电路图；
图2为一采用电池能量相互间转移的动态均衡方法的电路图；
图3为本发明提供的电池电压均衡设备的电路示意图。
附图标记说明：B1、B2、B3、Bn、B1′、B2′、B3′-电池；K1、K2、K3、Kn、S1～S6-开关；R1、R2、R3、Rn-电阻；L1-电感；D1～D6-二极管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种电池电压均衡设备，用于对一电池组中的电池进行电压均衡，如图3所示为本发明提供的电池电压均衡设备的电路示意图，该电池组包含N个串联连接的电池，每一电池的充电截止电压U(充电截止电压是指在规定的恒流充电期间，电池达到完全充电状态时的电压)相等，电池电压均衡设备包括：N+1个开关(K1～K(N+1))、一隔离双向DCDC变换器和一电池管理***，其中，
N+1个开关分别连接在第1～N个电池的第一侧(本实施例中，第一侧为电池的正极)以及第N个电池的第二侧(本实施例中，第二侧为电池的负极)，
隔离双向DCDC变换器具有一储能单元，隔离双向DCDC变换器与N+1个开关连接，以及与第1个电池的第一侧、第N个电池的第二侧连接，
电池管理***与N个电池(为避免图中线条过于繁琐，于图3中未绘示相应线条)、隔离双向DCDC变换器以及N+1个开关分别连接(为避免图中线条过于繁琐，于图3中未绘示相应线条)，
隔离双向DCDC变换器的输入/输出电压分别为N×U以及U，
电池管理***实时监测每一电池的电压，当监测到存在电压不均衡的电池时，进一步判断是否每一电池的电压均高于“U-0.03V”，如果是，电池管理***则停止工作，如果不是，则计算每一个电压不均衡的电池的电压U′与N个电池的平均电压二者之差的绝对值按照由大至小的顺序将所有存在电压不均衡的电池排入一序列S，对序列S中的待均衡电池依次进行以下处理：
当一待均衡电池的电压时，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关闭合以及其余开关均断开，隔离双向DCDC变换器将该待均衡电池的电压转换为电流，以向其余电池充电以及将电能储存在储能单元中，直至达到后，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关断开；
当一待均衡电池的电压时，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关闭合以及其余开关均断开，隔离双向DCDC变换器利用储能单元中储存的电能产生大小为U的电压，以向该待均衡电池充电，直至达到后，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关断开，
当电池管理***监测到不存在不均衡的电池时，电池管理***暂停工作。
本实施例中，隔离双向DCDC变换器的输入/输出电压分别介于40V～60V之间和介于3.0V-3.5V之间。具体的，隔离双向DCDC变换器对应的高压应为N×U，对应的低压应为电池的充电截止电压U，如图3所示，图3中的两个端子视具体工作状态为输出或输入，这也是隔离双向DCDC变换器的特性。
本实施例中，当电压不均衡的电池的电压U′与N个电池的平均电压二者之差的绝对值小于一预设阈值时，该电池不排入序列S，也即，当一电池的电压U′与N个电池的平均电压之间的差别处于一可以接受的小范围内时，视该电池已经处于平衡状态，不对其进行均衡。
本发明充分利用了隔离双向DCDC变换器的特性，针对电池过压、欠压情况，均可以对其进行均衡，并且视不均衡程度优先对不均衡程度较高的电池进行均衡，在对一个电池进行均衡的过程中，仅需要切换一次开关即可。在其他实施例中，为了提高均衡速度，可以增加隔离双向DCDC变换器的个数，也即，当检测出存在多个不均衡的电池时，使用多个隔离双向DCDC变换器分别对多个不均衡的电池进行均衡，进而提高均衡效率，具体哪一个隔离双向DCDC变换器对哪一个不均衡的电池进行均衡，由电池管理***根据预设的均衡策略来执行。
本发明提供的电池电压均衡设备具有以下优点：
(1)结构简单，主要应用了隔离双向DCDC变换器和数个开关，故障点少；
(2)可以按照不均衡程度优先对不均衡程度较高的电池进行均衡，提高均衡效率；
(3)能够最大化保证每个电池均满充、满放；
(4)能够保证电池不会过压、欠压等极端情况；
(5)减少开关使用次数，延长电池管理***的使用寿命；
(6)可以实现较大的均衡电流，提高均衡效率。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种电池电压均衡设备，用于对一电池组中的电池进行电压均衡，该电池组包含N个串联连接的电池，每一电池的充电截止电压U相等，其特征在于，包括：N+1个开关、一隔离双向DCDC变换器和一电池管理***，其中，
N+1个开关分别连接在第1～N个电池的第一侧以及第N个电池的第二侧，
隔离双向DCDC变换器具有一储能单元，隔离双向DCDC变换器与N+1个开关连接，以及与第1个电池的第一侧、第N个电池的第二侧连接，
电池管理***与N个电池、隔离双向DCDC变换器以及N+1个开关分别连接，
隔离双向DCDC变换器的输入/输出电压分别为N×U以及U，
电池管理***实时监测每一电池的电压，当监测到存在电压不均衡的电池时，进一步判断是否每一电池的电压均高于“U-0.03V”，如果是，电池管理***则停止工作，如果不是，则计算每一个电压不均衡的电池的电压U′与N个电池的平均电压二者之差的绝对值按照由大至小的顺序将所有存在电压不均衡的电池排入一序列S，对序列S中的待均衡电池依次进行以下处理：
当一待均衡电池的电压时，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关闭合以及其余开关均断开，隔离双向DCDC变换器将该待均衡电池的电压转换为电流，以向其余电池充电以及将电能储存在储能单元中，直至达到后，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关断开；
当一待均衡电池的电压时，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关闭合以及其余开关均断开，隔离双向DCDC变换器利用储能单元中储存的电能产生大小为U的电压，以向该待均衡电池充电，直至达到后，电池管理***控制该待均衡电池两端的开关断开，
当电池管理***监测到不存在不均衡的电池时，电池管理***暂停工作。
2.根据权利要求1所述的电池电压均衡设备，其特征在于，隔离双向DCDC变换器的输入/输出电压分别介于40V～60V之间和介于3.0V-3.5V之间。
3.根据权利要求1所述的电池电压均衡设备，其特征在于，当电压不均衡的电池的电压U′与N个电池的平均电压二者之差的绝对值小于一预设阈值时，该电池不排入序列S。
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