CN113452095B - 一种电池均衡管理***及其均衡管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电池均衡管理***及其均衡管理方法。本发明利用状态监测模块监测电池状态，控制模块根据电池状态控制单体均衡模块和组均衡模块实现充放电电路中电量的均衡，通过重构模块实现电池的替换。从而，不断可以准确的对充放电电路进行电量均衡，还可以实现对故障电池的替换，大大延长了充放电单路的工作寿命。

Description

一种电池均衡管理***及其均衡管理方法

技术领域

本发明涉及车辆零配件的技术领域，尤其涉及一种电池均衡管理***及其均衡管理方法。

背景技术

在动力电池的生产制造和使用过程中的差异性，造成了动力电池单体天然就存在着不一致性。不一致性主要表现在单体容量、内阻、自放电率、充放电效率等方面。单体的不一致，必然的带来了动力电池包容量的损失，进而造成寿命的下降。同时，电池单体的不一致，会随着时间的推移，在温度以及振动条件等随机因素的影响下进一步恶化，使得参数向着离散化方向发展。目前，解决这个问题的方法之一就是通过电池管理***对电池组实施均衡。

当前的车辆中，大多数电池均衡管理***是基于电池端电压进行均衡控制。这种***中，当电池使用次数过多，电池电解液浓度、内阻等其他内部形状发生改变时，再通过电压判断均衡，容易造成较大的误差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种电池均衡管理***及其均衡管理方法及其均衡管理方法。本发明利用状态监测模块监测电池状态，控制模块根据电池状态控制单体均衡模块和组均衡模块实现充放电电路中电量的均衡或者电池的替换。从而，不断可以准确的对充放电电路进行电量均衡，还可以实现对故障电池的替换，大大延长了充放电单路的工作寿命。

具体地，本发明一方面在于，提供一种电池均衡管理***，包括，充放电电路、状态监测模块和控制模块，其还包括：至少一个单体均衡模块、至少一个组均衡模块和至少一个重构模块，其中，所述充放电电路中包括至少一个电池组，所述电池组之间相互串联，所述电池组中包括至少一个单体电池，所述单体电池之间相互串联，所述状态监测模块，连接到充放电电路，用于监测充放电电路中的单体电池的电池状态；所述控制模块，与所述状态监测模块连接，用于根据所述电池状态生产均衡指令或者重构指令；所述单体均衡模块，连接于单体电池两端，用于接收并根据所述均衡指令控制单体电池与单体电池之间的均衡管理，组均衡模块，连接于电池组的两端，用于接收并根据所述均衡指令控制组电池与组电池组之间的均衡管理，所述单体均衡模块与组均衡模块协同控制单体电池与电池组之间的均衡管理，重构模块，连接于单体电池两端，用于接收并根据所述重构指令控制所述单体电池的工作状态。

优选的，上述电池均衡管理***中，所述单体均衡模块包括单体均衡电路，所述单体均衡电路中包括第一开关、第二开关及单体变压器，其中所述单体变压器的第一侧连接于所述单体电池的两端，且在所述单体变压器的第一侧与所述单体电池之间设置有第一开关，所述单体变压器的第二侧与其他所述单体均衡模块中单体变压器的第二侧并联，所述单体变压器的第二侧与其他所述单体均衡模块中单体变压器的第二侧之间设置有第一开关，所述单体变压器的第一侧的输入端与所述单体变压器的第二侧的输出端之间以及所述单体变压器的第二侧的输出端与所述单体变压器的第一侧的输入端之间分别设置有第二开关。

优选的，上述电池均衡管理***中，所述组均衡模块包括组均衡电路，所述组均衡电路中包括第一开关、第二开关及组变压器，所述组变压器的第一侧连接于所述电池组的两端，且在所述组变压器的第一侧与所述电池组之间设置有第一开关，所述组变压器的第二侧与其他所述组均衡模块中组变压器的第二侧并联，所述组变压器的第二侧与其他所述组均衡模块中组变压器的第二侧之间设置有第一开关，所述组变压器的第一侧的输入端与所述组变压器的第二侧的输出端之间以及所述组变压器的第二侧的输出端与所述组变压器的第一侧的输入端之间分别设置有第二开关。

优选的，上述电池均衡管理***中，所述第一开关为三级管及二极管并联形成的开关电路、MOSFET开关或单控开关；所述第二开关为三级管及二极管并联形成的开关电路或MOSFET开关。

优选的，上述电池均衡管理***中，所述重构模块包括重构电路，所述重构电路中包括第三开关，所述重构电路连接于所述单体电池两端。

优选的，上述电池均衡管理***中，所述第三开关为三级管及二极管并联形成的开关电路或MOSFET开关。

优选的，上述电池均衡管理***中，所述状态监测模块包括电池荷电状态监测单元、电池健康状态监测单元及电池剩余寿命预测单元。

本发明的另一方面，还在于提供一种电池均衡管理方法，其包括以下步骤：状态监测模块实时获取充放电电路中单体电池的电池状态，发送至控制模块；所述控制模块根据所述电池状态生产均衡指令或者重构指令；单体均衡模块根据所述均衡指令，控制所述单体电池与所述单体电池之间的均衡管理；组均衡模块根据所述均衡指令控制电池组与电池组之间的均衡管理；所述单体均衡模块与组均衡模块根据所述均衡指令，协同控制单体电池与电池组之间的均衡管理；重构模块根据所述重构指令控制所述单体电池的工作状态。

优选的，上述电池均衡管理方法中，所述电池状态包括荷电状态，所述电池均衡管理方法包括以下步骤：当所述充放电电电路中存在平均荷电状态数值大于第一阈值的第一电池组，和平均荷电状态数值小于所述第一阈值的第二电池组时，所述控制模块生成第一均衡指令，所述组均衡模块接收所述第一均衡指令，在所述第一电池组与所述第二电池组之间进行均衡管理；或者当所述充放电电路中存在荷电状态数值大于第二阈值的第一单体电池，和荷电状态数值小于所述第二阈值的第二单体电池时，所述控制模块生成第二均衡指令，所述单体均衡模块接收所述第二均衡指令，在所述第一单体电池与所述第二单体电池之间进行均衡管理。

优选的，上述电池均衡管理***中，所述电池状态包括健康状态和/或剩余寿命，所述电池均衡管理方法包括以下步骤：所述控制模块根据所述健康状态和/或剩余寿命生成重构指令，所述重构模块根据所述重构指令控制健康状态数值低和/或剩余寿命数值低的受损单体电池停止工作，并使用处于空闲状态的空闲单体电池开始工作。

与现有技术相比较，本发明的优势在于：

1)利用电池状态作为电池均衡或者重构的触发条件，大大提高电池均衡的准确性；

2)构建新型的电池均衡电路，大大减少电池均衡过程的能量损耗；

3)利用重构电路，可以及时替换损坏或者故障单体电池，提高充放电电路的整体寿命。

附图说明

图1为符合本发明一优选实施例的电池均衡管理***的结构示意图；

图2为符合本发明一优选实施例的单体均衡电路的电路图；

图3为包含3个图2中的单体均衡电路的电池组的电路图；

图4为符合本发明一优选实施例的重构电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，详细阐述本发明的优势。

参阅图1，其为一符合本发明一优选实施例的电池均衡管理***的结构示意图。从图中可以看出，本实施例所提供的电池均衡管理***包括：充放电电路、状态监测模块、控制模块、至少一个单体均衡模块、至少一个组均衡模块和至少一个重构模块。

其中，该充放电电路中包括至少一个电池组，如果设置多个电池组，这些电池组相互串联；而每个电池组中又至少包含一个单体电池，如果设置多个单体电池，那么这些单体电池也相互串联。

本实施例中在每个单体电池的两端接入单体均衡模块和重构模块，在电池组两端接入组均衡模块。其中，单体均衡模块、组均衡模块和重构模块还分别与控制模块连接，控制模块又与状态监测模块连接。其中，状态监测模块连接到充放电电路中，可以实时地或者间隔合适的预设时间地监测充放电电路中单体电池的电池状态，并将监测获得的电池状态发送至控制模块，控制模块分析这些电池状态的数据，并根据这些数据生成均衡指令或者重构指令或者均衡指令和重构指令，并分别将均衡指令发送至单体均衡模块和组均衡模块，而将重构指令发送至重构模块，从而，单体均衡模块可以接收并根据上述的均衡指令控制单体电池与单体电池之间进行均衡管理；组均衡模块可以接收并根据上述的均衡指令控制组电池与组电池组之间的均衡管理；而单体均衡模块与组均衡模块协同工作，又可以控制单体电池与电池组之间的均衡管理；那么，接收到重构指令的重构模块可以根据该重构指令控制单体单体的工作状态。优选的，这里的工作状态指的是，启动工作或者停止工作。从而，鉴于上述的电池均衡管理***，本实施例可以监测电池状态，并根据电池状态对电池组及其中的单体电池进行均衡处理，使得电池组内及电池组之间的电量达到均衡，从而，延长电池***的使用寿命；同时本实施例中还通过设置重构模块，实现及时替换存在损坏或者寿命低的电池，更进一步延长了电池***的使用寿命。

基于上述实施例的，符合本发明的另一优选实施例，其中的单体均衡模块包括单体均衡电路。参阅图2，其为一符合本发明一优选实施例的单体均衡电路的电路图，从图中可以看出，在本实施例中，该单体均衡电路中包括第一开关、第二开关及单体变压器。

其中，单体变压器的第一侧连接于单体电池的两端，且在该单体变压器的第一侧与单体电池之间设置有第一开关，从而，可以通过该第一开关控制是否将单体变压器接入单体均衡电路中，以实现对单体电池两端的电压大小进行调节。

而，单体变压器的第二侧与其他单体均衡模块中单体变压器的第二侧并联，该单体变压器的第二侧与其他单体均衡模块中单体变压器的第二侧之间也设置有第一开关，从而，通过该第一开关控制接入单体均衡电路的单体变压器或者单体电池，实现选择性地对目标单体电池的输出或者输入电压进行控制，从而，实现对单体电池的均衡管理。

进一步地，在单体变压器的第一侧的输入端与所述单体变压器的第二侧的输出端之间，以及单体变压器的第二侧的输出端与单体变压器的第一侧的输入端之间分别设置有第二开关，从而，可以通过该第二开关控制该单体电池是否接入均衡电路，从而，可以针对性地、直接地对存在均衡管理需求的单体电池与单体电池之间地均衡管理，减少均衡管理的能耗。

此处，还借助图3详细说明本实施例中单体均衡电路的工作原理。图3为包含至少3个图2中的单体均衡电路的电池组的电路图，该电池组中，每个单体电池与单体变压器、第一开关及第二开关均按照上述实施例的单体均衡电路中的方式组成单体均衡电路，然后多个单体电池之间相互串联、多个单体变压器的第二侧之间相互并联，两两单体变压器的第二侧之间设置有第一开关，所形成的电路如图3所述。参阅图3，当闭合第一开关M1、M1’、M1+、M2+、M2-、Mm-，闭合第二开关Sm、Sm’，同时断开第一开关M1-、M2、M2’、Mm、Mm’、Mm+，和断开第二开关S1、S1、S2、S2后，从单体电池C1输入的电压经过该单体电池C1两端连接的单体变压器后发生电压变化，从而，使得单体电池Cm两端的电压发生变化，而不影响单体电池C2两端的电压。从而，实现了针对性的电池均衡管理的效果。

综上所述，本实施例所提供的均衡电路，可以对充放电电路进行针对性地、高效地均衡管理，以延长充电电路的使用寿命，同时降低均衡管理自身的能耗。

基于上述实施例的，符合本发明的另一优选实施例，其中的组均衡模块包括组均衡电路。该组均衡电路中包括第一开关、第二开关及组变压器，且上述第一开关、第二开关及组变压器与电池组的连接方式，与上述实施例中单体均衡电路中的第一开关、第二开关及单体变压器与单体电池的连接方式相同。即，组变压器的第一侧连接于电池组的两端，且在组变压器的第一侧与电池组之间设置有第一开关；组变压器的第二侧与其他组均衡电路中组变压器的第二侧并联，组变压器的第二侧与其他组均衡电路中组变压器的第二侧之间设置有第一开关；组变压器的第一侧的输入端与组变压器的第二侧的输出端之间以及组变压器的第二侧的输出端与组变压器的第一侧的输入端之间分别设置有第二开关。从而，可以通过多个第一开关及第二开关的选择性闭合或者断开，针对性地对存在均衡管理的一组或者多组电池组进行整体的均衡管理，提高电池均衡管理的效率。

基于上述实施例，当电池***中包括多个电池组而每个电池组两端接入上述的组均衡模块，每个电池组中包括多个单体电池，而每个单体电池两端又接入上述的单体均衡模块，则通过组均衡模块和单体均衡模块的协同配合，也即，通过管理组均衡电路中的第一开关和第二开关的闭合和断开，以及单体均衡电路中的第一开关和第二开关的闭合和断开，可以选择性地对需要进行均衡的电池组及单体电池进行均衡管理，快捷、高效地实现整个充放电电路中的单体电池的均衡管理，大大延长充放电电路的整体使用寿命，且减少均衡管理本身的能耗。

基于上述实施例的，符合本发明的另一优选实施例中，其中重构模块包括重构电路，该重构电路中包括第三开关。参阅图4，优选地，每个重构电路可以包括两个第三开关，同一电池组中的多个重构电路相互并联。从而，通过管理该第三开关的闭合或者断开，直接可以选择接入充放电电路的单体电池，实现了便捷地替换单体电池。

基于上述实施例的，符合本发明的另一优选实施例中，其中优选的，可以采用包括三级管及二极管并联形成的开关电路作为第一开关和/或第二开关和/或第三开关，其中并联于开关电路中的三级管实现开关电路的闭合或者断开，而二极管实现对三级管的保护，防止三级管被反峰电压击穿，提高电路安全和使用寿命；还可以采用MOSFET开关作为第一开关和/或第二开关和/或第三开关，其灵敏性可以提高电路安全性；还可以采用单控开关作为第一开关，其操控简单，可以降低电路成本。

基于上述实施例的，符合本发明的另一优选实施例中，其中状态监测模块包括电池荷电状态监测单元、电池健康状态监测单元及电池剩余寿命预测单元。

优选的，本实施例中，将电池荷电状态作为电池均衡管理的衡量标准，例如，设定一第一阈值，在平均荷电状态数值高于该第一阈值的电池组与平均荷电状态数值低于该第一阈值的电池组之间进行均衡管理；优选的，还可以同时设置一第二阈值，同一电池组内在荷电状态数值高于该第二阈值的单体电池与荷电状态值低于该第二阈值的单体电池之间也进行均衡管理；优选的，也可以设定一第三阈值，在整个充放电电路中，不受电池组的限制，直接在荷电状态数值高于该第三阈值的单体电池与荷电状态值低于该第三阈值的单体电池之间进行均衡管理。

优选的，本实施例中，将电池健康状态和/或剩余寿命作为进行重构管理的衡量标准，例如，设定一第四阈值，当获得某一单体单体电池的电池健康状态和/或剩余寿命小于该第四阈值时，将该单体电池视为受损单体电池，启动重构模块，利用处于空闲状态的空闲单体电池替换该受损单体电池。

本发明的另一方面，在于还提供一种点出均衡管理方法，该方法基于上述各实施例中所提供的电池均衡管理***，具体包括以下步骤：

-状态监测模块实时获取充放电电路中单体电池的电池状态，发送至控制模块；

该实时可以是保持监测状态，并在监测到发生变化时进行反馈；或者每隔预设时间进行监测并进行反馈；或者每隔预设时间进行监测并在监测到发生变化时进行反馈等。状态监测模块的具体监测和反馈模式可以根据具体情况进行设计和调整。

-所述控制模块根据电池状态生成均衡指令或者重构指令；

-单体均衡模块根据所述均衡指令，控制单体电池与单体电池之间的均衡管理，组均衡模块根据所述均衡指令控制电池组与电池组之间的均衡管理，所述单体均衡模块与组均衡模块根据所述均衡指令，协同控制单体电池与电池组之间的均衡管理；

-重构模块根据所述重构指令控制单体电池的工作状态。

优选的，该工作状态包括启动工作或者停止工作等。

基于上述实施例的，符合本发明的另一优选实施例中，所述电池状态包括荷电状态，则，所述电池均衡管理方法包括以下步骤：

-当所述充放电电电路中存在平均荷电状态数值大于第一阈值的第一电池组，和平均荷电状态数值小于所述第一阈值的第二电池组时，所述控制模块生成第一均衡指令；

-所述组均衡模块接收所述第一均衡指令，在所述第一电池组与所述第二电池组之间进行均衡管理；或者

-当所述充放电电路中存在荷电状态数值大于第二阈值的第一单体电池，和荷电状态数值小于所述第二阈值的第二单体电池时，所述控制模块生成第二均衡指令；

-所述单体均衡模块接收所述第二均衡指令，在所述第一单体电池与所述第二单体电池之间进行均衡管理。

优选的，所述均衡管理的方式包括，采用包括变压器和开关的均衡电路，利用开关的闭合及断开选择待均衡管理的单体电池或者电池组，利用变压器实现均衡管理单体电池或者电池组两端的电压。

基于上述实施例的，符合本发明的另一优选实施例中，所述电池状态包括健康状态和/或剩余寿命，所述电池均衡管理方法包括以下步骤：

-所述控制模块根据所述健康状态和/或剩余寿命生成重构指令，

-所述重构模块根据所述重构指令控制健康状态数值低和/或剩余寿命数值低的受损单体电池停止工作，并使用处于空闲状态的空闲单体电池开始工作。

优选的，所述重构方法包括，采用包括开关的重构电路，利用开关的闭合及断开，停止受损单体电池的工作，同时启动空闲单体电池的工作。

综上所述，本发明所提供的电池均衡管理***及方法，利用电池状态作为电池均衡或者重构的触发条件，大大提高电池均衡的准确性；构建新型的电池均衡电路，大大减少电池均衡过程的能量损耗；同时，利用重构电路，可以及时替换损坏或者故障单体电池，提高充放电电路的整体寿命。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种电池均衡管理***，包括，充放电电路、状态监测模块和控制模块，其特征在于，还包括

至少一个单体均衡模块、至少一个组均衡模块和至少一个重构模块，其中，所述充放电电路中包括至少一个电池组，所述电池组之间相互串联，

所述电池组中包括至少一个单体电池，所述单体电池之间相互串联，

所述状态监测模块，连接到充放电电路，用于监测充放电电路中的单体电池的电池状态；

所述控制模块，与所述状态监测模块连接，用于根据所述电池状态生产均衡指令或者重构指令；

所述单体均衡模块，连接于单体电池两端，用于接收并根据所述均衡指令控制单体电池与单体电池之间的均衡管理，

组均衡模块，连接于电池组的两端，用于接收并根据所述均衡指令控制组电池与组电池组之间的均衡管理，

所述单体均衡模块与组均衡模块协同控制单体电池与电池组之间的均衡管理，重构模块，连接于单体电池两端，用于接收并根据所述重构指令控制所述单体电池的工作状态；

所述单体均衡模块包括单体均衡电路，所述单体均衡电路中包括第一开关、第二开关及单体变压器，其中

所述单体变压器的第一侧连接于所述单体电池的两端，且在所述单体变压器的第一侧与所述单体电池之间设置有第一开关，

所述单体变压器的第二侧与其他所述单体均衡模块中单体变压器的第二侧并联，所述单体变压器的第二侧与其他所述单体均衡模块中单体变压器的第二侧之间设置有第一开关，

所述单体变压器的第一侧的输入端与所述单体变压器的第二侧的输出端之间以及所述单体变压器的第二侧的输出端与所述单体变压器的第一侧的输入端之间分别设置有第二开关。

2.如权利要求1所述的电池均衡管理***，其特征在于，

所述组均衡模块包括组均衡电路，所述组均衡电路中包括第一开关、第二开关及组变压器，

所述组变压器的第一侧连接于所述电池组的两端，且在所述组变压器的第一侧与所述电池组之间设置有第一开关，

所述组变压器的第二侧与其他所述组均衡模块中组变压器的第二侧并联，

所述组变压器的第二侧与其他所述组均衡模块中组变压器的第二侧之间设置有第一开关，

所述组变压器的第一侧的输入端与所述组变压器的第二侧的输出端之间以及所述组变压器的第二侧的输出端与所述组变压器的第一侧的输入端之间分别设置有第二开关。

3.如权利要求2所述的电池均衡管理***，其特征在于，

所述第一开关为三级管及二极管并联形成的开关电路、MOSFET开关或单控开关；

所述第二开关为三级管及二极管并联形成的开关电路或MOSFET开关。

4.如权利要求1所述的电池均衡管理***，其特征在于，

所述重构模块包括重构电路，所述重构电路中包括第三开关，所述重构电路连接于所述单体电池两端。

5.如权利要求4所述的电池均衡管理***，其特征在于，

所述第三开关为三级管及二极管并联形成的开关电路或MOSFET开关。

6.如权利要求1-5任一所述的电池均衡管理***，其特征在于，

所述状态监测模块包括电池荷电状态监测单元、电池健康状态监测单元及电池剩余寿命预测单元。

7.一种电池均衡管理方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的电池均衡管理***，包括以下步骤：

状态监测模块实时获取充放电电路中单体电池的电池状态，发送至控制模块，所述控制模块根据所述电池状态生产均衡指令或者重构指令，

单体均衡模块根据所述均衡指令，控制所述单体电池与所述单体电池之间的均衡管理，组均衡模块根据所述均衡指令控制电池组与电池组之间的均衡管理，

所述单体均衡模块与组均衡模块根据所述均衡指令，协同控制单体电池与电池组之间的均衡管理，

重构模块根据所述重构指令控制所述单体电池的工作状态。

8.如权利要求7所述的电池均衡管理方法，其特征在于，

所述电池状态包括荷电状态，

所述电池均衡管理方法包括以下步骤：

当所述充放电电路中存在平均荷电状态数值大于第一阈值的第一电池组，和平均荷电状态数值小于所述第一阈值的第二电池组时，

所述控制模块生成第一均衡指令，

所述组均衡模块接收所述第一均衡指令，在所述第一电池组与所述第二电池组之间进行均衡管理；或者

当所述充放电电路中存在荷电状态数值大于第二阈值的第一单体电池，和荷电状态数值小于所述第二阈值的第二单体电池时，所述控制模块生成第二均衡指令，所述单体均衡模块接收所述第二均衡指令，在所述第一单体电池与所述第二单体电池之间进行均衡管理。

9.如权利要求7或8所述的电池均衡管理方法，其特征在于，

所述电池状态包括健康状态和/或剩余寿命，

所述电池均衡管理方法包括以下步骤：

所述控制模块根据所述健康状态和/或剩余寿命生成重构指令，

所述重构模块根据所述重构指令控制健康状态数值低和/或剩余寿命数值低的受损单体电池停止工作，并使用处于空闲状态的空闲单体电池开始工作。