CN113872278B - 一种电池能够单体独立充电的电池模组及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池能够单体独立充电的电池模组及其充电方法，电池模组包含n个单体电池、两个继电器、i个限流电阻、控制模块、以及i+3n个MOS管；n个单体电池和一个继电器串联的模组组成主电路，另一个继电器和i个限流电阻、控制模块、i+3n个MOS管形成副电路。充电时，先对整个模组进行充电，直至其中一个单体电池充满，此时关闭主电路充电，然后开启副电路充电，有选择的对个单体电池充电。本发明保证了串联模组在满电的单体电池一致性，消除充电深度差异对电池组的不利影响，进而提高电池组的整体能量利用率，延长电池循环寿命。

Description

一种电池能够单体独立充电的电池模组及其充电方法

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种电池能够单体独立充电的电池模组及其充电方法。

背景技术

目前电池模组充电是用一个充电设备对整个串联电池组进行充电，在充电过程中，只要有其中一个单体电池达到充电电压截止目标值就停止充电，对整个串联模组的充电也随即结束，这样就造成整个模组中实质上只有一个单体电池充满，其余单体电池都没有充满，导致的结果就是电池模组满电时产生单体电池的不一致性。

电池模组的使用寿命会受到电池不一致性的严重影响，依据“木桶效应”，电池模组在循环寿命和容量利用率等方面明显劣于单体性能。随着电池模组的循环使用，单体电池不一致性将加剧，进一步恶化锂离子电池的成组特性，极易发生少数单体过充过放情况，从而导致电池组性能大幅衰减，极端情况下甚至可能燃烧、***等恶性事故，给锂离子电池的应用推广造成极大的阻碍。

因此对电池模组中单体电池充电量进行控制，即在充电过程中，让每个单电池都能充满，以保证串联模组在满电的单体电池电量一致性，可消除充电深度差异对电池组的不利影响，进而提高电池模组的整体能量利用率，延长电池模组整体循环寿命。

目前对电池的不一致性的解决方法是做电池均衡。电池均衡管理是指通过旁路电阻直接消耗产生热量或利用储能元件转移单体电池间相差的电量等方式，使电池间的容量达到近似一致水平。良好的均衡管理可以提高电池组的转化效率，延长电池组的使用寿命，改善电池组的可用容量，在一定程度上可避免电池组处于不安全状态。

现有的电池充电方式和电池均衡管理方式都不能单独控制串联模组中单体电池的电量，充电只能对整串模组进行同时充电开始和截止，而均衡也只是对电池模组中的已有电量进行在模组中各个单体电池之间的重新分配，并没有从本质上让每一个单体电池都能充满电或者控制其充电量，而达到模组的能量最大化利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中电池模组电池无法单体充电和不一致性的问题，提供一种电池能够单体独立充电的电池模组及其充电方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种电池能够单体独立充电的电池模组，包含n个单体电池B₁～B_n、第一继电器K₁、第二继电器K₂、i个限流电阻R₁～R_i、控制模块、以及第一至第三MOS管组，i、n均为大于等于2的自然数；

所述第一MOS管组包含n个MOS管Q_1-1～Q_1-n，第二MOS管组包含n个MOS管Q_2-1～Q_2-n，第三MOS管组包含i个MOS管Q₁～Q_i；

所述单体电池B_j的正极分别和MOS管Q_1-j的源极、MOS管Q_2-（j+1）的漏极、单体电池B_j+1的负极电气相连，j为大于等于1小于等于n-1的自然数；

所述单体电池B₁的负极分别和MOS管Q_2-1的漏极、MOS管Q_2-1的源极电气相连；

所述B_n的正极分别和MOS管Q_1-n的源极、第一继电器K₁的一端电气相连；

所述MOS管Q_2-1～Q_2-n的源极均电气相连，MOS管Q_1-1～Q_1-n的漏极均电气相连；

所述MOS管Q_1-n的漏极还分别和所述限流电阻R₁～R_i的一端电气相连，所述限流电阻R₁～R_i的阻值各不相同且依次增大；

所述限流电阻R_m的另一端和所述MOS管Q_m的源极电气相连，MOS管Q_m的漏极均和所述第二继电器K₂的一端电气相连,m为大于等于1小于等于i的自然数；

所述第一继电器K₁、第二继电器K₂的另一端电气相连，用于和所述单体电池B₁的负极相配合接入外部电源；

所述控制模块分别和所述i+2n个MOS管Q₁～Q_i、Q_1-1～Q_1-n 、Q_2-1～Q_2-n的栅极电气相连。

本发明还公开了一种电池能够单体独立充电的电池模组的充电方法，包含以下步骤：

步骤1），预先设置各个电池单体的充电截止电压阈值，闭合第一继电器K₁，对n个单体电池B₁～B_n形成的串联模组进行充电，直至任意一个单体电池的电压大于等于其对应的充电截止电压阈值，断开第一继电器K₁，停止对串联模组充电；

步骤2），对串联模组中的未充满的电池单体进行充电：

对于每一个单体电池B_q，q为大于等于1小于等于n的自然数，判断其电压是否小于其对应的充电截止电压阈值，如果其电压小于其对应的充电截止电压阈值，则闭合第二继电器K₂，控制第一MOS管组中除了MOS管Q_1-q导通外全部断开、第二MOS管组中除了MOS管Q_2-q导通外全部断开，并通过调节第三MOS管组中各个MOS管的通断来调节充电电流对单体电池B_q进行充电，直至其电压大于等于其对应的充电截止电压阈值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.与现有模组充电方案相比，本发明可对整个串联模组中的单体电池进行有选择的单独充电控制；

2.与现有模组充电方案相比，本发明可对整个串联模组中的单体电池进行单独充电电流大小的控制，充电电流大小的控制是通过副电路中限流电阻R₁～R_i的任意组合和通断来实现的；

3.与现有模组充电方案相比，本发明可对整个串联模组中的每个单体电池都能充到任意目标电压值，保证了串联模组在满电的单体电池一致性，消除充电深度差异对电池组的不利影响，进而提高电池组的整体能量利用率，延长电池循环寿命；

4.与现有模组充电方案相比，本发明从本质上让每一个单体电池充满电，而达到模组的能量最大化利用。

附图说明

图1是本发明一种电池能够单体独立充电的电池模组的电路示意图；

图2是本发明中主电路充电时电流方向的示意图；

图3是本发明中副电路充电时电流方向的示意图；

图4是本发明中副电路对单体电池B_n-1充电时电流方向的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种电池能够单体独立充电的电池模组，包含n个单体电池B₁～B_n、第一继电器K₁、第二继电器K₂、i个限流电阻R₁～R_i、控制模块、以及第一至第三MOS管组，i、n均为大于等于2的自然数；

所述第一MOS管组包含n个MOS管Q_1-1～Q_1-n，第二MOS管组包含n个MOS管Q_2-1～Q_2-n，第三MOS管组包含i个MOS管Q₁～Q_i；

所述单体电池B_j的正极分别和MOS管Q_1-j的源极、MOS管Q_2-（j+1）的漏极、单体电池B_j+1的负极电气相连，j为大于等于1小于等于n-1的自然数；

所述单体电池B₁的负极分别和MOS管Q_2-1的漏极、MOS管Q_2-1的源极电气相连；

所述B_n的正极分别和MOS管Q_1-n的源极、第一继电器K₁的一端电气相连；

所述MOS管Q_2-1～Q_2-n的源极均电气相连，MOS管Q_1-1～Q_1-n的漏极均电气相连；

所述MOS管Q_1-n的漏极还分别和所述限流电阻R₁～R_i的一端电气相连，所述限流电阻R₁～R_i的阻值各不相同且依次增大；

所述限流电阻R_m的另一端和所述MOS管Q_m的源极电气相连，MOS管Q_m的漏极均和所述第二继电器K₂的一端电气相连,m为大于等于1小于等于i的自然数；

所述第一继电器K₁、第二继电器K₂的另一端电气相连，用于和所述单体电池B₁的负极相配合接入外部电源；

所述控制模块分别和所述i+2n个MOS管Q₁～Q_i、Q_1-1～Q_1-n 、Q_2-1～Q_2-n的栅极电气相连。

本发明中，n个单体电池串联的模组组成主电路，而副电路可对串联模组中的每个单体电池进行充电电量控制和充电电流大小的控制。

副电路中，Q₁～Q_i、Q_1-1～Q_1-n 、Q_2-1～Q_2-n为单向MOS管，R₁～R_i为副电路中用于控制充电电流的限流电阻；K₁～K₂为继电器，分别用于主副电路的充电工作状态控制。

本发明电路的工作原理为，首先利用电池串联模组主电路对整个模组进行充电，当充电进行到其中一个单体电池达到预先设定的充电截止电压阈值时，关闭主电路充电，然后开启副电路充电，有选择的对个单体电池充电。

现就整个串联模组的充电过程为例详细说明本发明的具体充电实施过程。具体充电实施步骤如下：

步骤1），闭合主电路中继电器K₁，导通主电路，对n个单体电池B₁～B_n形成的串联模组充电，充电电流大小由给模组充电的充电设备控制。主电路充电电流方向如图2所示。

充电模组的充电控制电路会预先设置各个单体电池的充电截止电压阈值，其中任意一个值达到设定值，充电控制电路就会断开主电路中的继电器K₁，停止主电路充电。

步骤2），对串联模组中的未充满的单体电池进行充电。

在步骤1）中主电路充电截止时，整个串联模组中只有一个单体电池达到充电截止电压阈值，假设此达到充电截止电压阈值的单体电池为B₁，接下来就是要把剩余的其它单体电池充到截止目标电压值。

其中副电路的R₁～R_i为控制单体电池充电的限流电阻，其电阻值从R₁～R_i的阻值各不相同且逐步增大，可根据电池控制电路的要求组合成不同的电阻值来对充电电流的大小进行控制；Q₁～Q_i、Q_1-1～Q_1-n 、Q_2-1～Q_2-n为MOS管，为单向开关，工作状态有导通和关闭两种，但是导通后只能让电流单向流动，这样就能保证充电电流只能由正极流向负极，反向电流不能流通。

由本发明电路的原理图可知，采用副电路对单体电池进行单独控制充电时，不能对相邻的2个单体同时充电，必须间隔单体电池充电，比如把MOS管Q_1-1、Q_2-2同时导通，并不能对模组中的任一单体电池进行充电，只能导致副电路的充电电流不经过任何单体电池而直接流到模组负极回路。而当相邻的2个单体同时都需要充电时，需由电池副电路的充电控制电路做统筹安排，先将其中一个单体电池充满电后，再将另外一个单体电池充满电。

对串联模组中的未充满的电池单体进行充电的具体的充电过程如下：

对于每一个单体电池B_q，q为大于等于1小于等于n的自然数，判断其电压是否小于其对应的充电截止电压阈值，如果其电压小于其对应的充电截止电压阈值，则闭合第二继电器K₂，控制第一MOS管组中除了MOS管Q_1-q导通外全部断开、第二MOS管组中除了MOS管Q_2-q导通外全部断开，并通过调节第三MOS管组中各个MOS管的通断来调节充电电流对单体电池B_q进行充电，直至其电压大于等于其对应的充电截止电压阈值。

本发明中的步骤2）能够在此基础上进一步优化，譬如假设步骤1）中B₁先充满电，则在主电路充电截止后，闭合副电路中继电器K₂，导通副电路，先对串联模组中的单体电池除已充满电的单体电池为B₁之外的所有单体进行间隔单体电池充电。此时因充电电流较大，限流电阻R₁～R_i中只让前几个阻值很小的电阻通过电流，例如导通MOS管Q₁和Q₂，让限流电阻R₁和R₂通过电流；导通MOS管Q_1-n 、Q_2-n和Q_1-2 、Q_2-2等。这样使得单体电池B₂和B_n等开始充电。副电路充电电流方向如图3所示。

随着以上单体电池充电的进行，有的单体会先被充满电，而停止充电，有的单体电池因还未充满电而继续充电，此时经过充电控制电路做统筹安排，开始选择性对每一个未充满的单体电池充电。比如对单体电池B_n-1充电，而此时副电路充电电路中充电电流较小，限流电阻R₁～R_i中大部分电阻不通过电流，只有少数电阻通过电流，假设只有阻值较大的电阻R_i通过电流，导通MOS管Q_i、Q_1-(n-1)和Q_2-(n-1)。此时副电路充电电流方向如图4所示。

对每一个未充满电的单体电池单独充电后，可以让串联模组中的每个单体电池都充满或者充电到目标电压值。最后完成所有目标充电值，充电完成，关闭副电路中继电器K₂，断开副电路充电电路。

总的充电策略为，首先利用主电路充电完成整个模组的充电截止，然后再利用副电路充电完成各个单体电池的充电目标电量。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电池能够单体独立充电的电池模组，其特征在于，包含n个单体电池B₁～B_n、第一继电器K₁、第二继电器K₂、i个限流电阻R₁～R_i、控制模块、以及第一至第三MOS管组，i、n均为大于等于2的自然数；

所述第一MOS管组包含n个MOS管Q_1-1～Q_1-n，第二MOS管组包含n个MOS管Q_2-1～Q_2-n，第三MOS管组包含i个MOS管Q₁～Q_i；

所述单体电池B_j的正极分别和MOS管Q_1-j的源极、MOS管Q_2-（j+1）的漏极、单体电池B_j+1的负极电气相连，j为大于等于1小于等于n-1的自然数；

所述单体电池B₁的负极分别和MOS管Q_2-1的漏极、MOS管Q_2-1的源极电气相连；

所述B_n的正极分别和MOS管Q_1-n的源极、第一继电器K₁的一端电气相连；

所述MOS管Q_2-1～Q_2-n的源极均电气相连，MOS管Q_1-1～Q_1-n的漏极均电气相连；

所述MOS管Q_1-n的漏极还分别和所述限流电阻R₁～R_i的一端电气相连，所述限流电阻R₁～R_i的阻值各不相同且依次增大；

所述限流电阻R_m的另一端和所述MOS管Q_m的源极电气相连，MOS管Q_m的漏极均和所述第二继电器K₂的一端电气相连,m为大于等于1小于等于i的自然数；

所述第一继电器K₁、第二继电器K₂的另一端电气相连，用于和所述单体电池B₁的负极相配合接入外部电源；

所述控制模块分别和所述i+2n个MOS管Q₁～Q_i、Q_1-1～Q_1-n 、Q_2-1～Q_2-n的栅极电气相连。

2.基于权利要求1所述的电池能够单体独立充电的电池模组的充电方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），预先设置各个电池单体的充电截止电压阈值，闭合第一继电器K₁，对n个单体电池B₁～B_n形成的串联模组进行充电，直至任意一个单体电池的电压大于等于其对应的充电截止电压阈值，断开第一继电器K₁，停止对串联模组充电；

步骤2），对串联模组中的未充满的电池单体进行充电：

对于每一个单体电池B_q，q为大于等于1小于等于n的自然数，判断其电压是否小于其对应的充电截止电压阈值，如果其电压小于其对应的充电截止电压阈值，则闭合第二继电器K₂，控制第一MOS管组中除了MOS管Q_1-q导通外全部断开、第二MOS管组中除了MOS管Q_2-q导通外全部断开，并通过调节第三MOS管组中各个MOS管的通断来调节充电电流对单体电池B_q进行充电，直至其电压大于等于其对应的充电截止电压阈值。