CN115549264A - 一种电池管理***及充电均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池管理***及充电均衡控制方法，包括电池监测与保护单元、充放电控制开关与驱动单元、被动均衡单元以及涓流充电单元。所述电池监测与保护单元通过电池状态参数实时检测与判断，输出电池保护信号，所述电池保护包括过充、过放与过流保护。所述充放电控制开关与驱动单元收到电池保护信号后及时关断电池组充放电，所述被动均衡单元使得电池满足一定条件后进行独立放电。充电过程中，当因电池保护而断开充电控制开关时，所述涓流充电单元产生一个数值较小的充电电流，使得未充满电的电池可以继续小电流充电，已充满电的电池通过所述被动均衡单元旁路充电电流。

Description

一种电池管理***及充电均衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种电池管理***及充电均衡控制方法，具体地涉及，结合涓流充电与被动均衡技术实现电池长时段均衡，提高电池组循环寿命，并能有效控制成本，尤其适用于电动轻型车等成本敏感领域。

背景技术

电池管理***(BMS)通过监测电池的各种状态参数，确保电池各项参数处于安全范围以内，避免电池过充、过放或过热等安全风险。通常，串联电池组中各个电池的容量与内阻等参数会略有不同，或者因为自放电原因导致其荷电状态(SOC)存在差异。目前已有的大部分BMS方案，当电池组中某个电池放电耗尽时，整个电池组就要停止放电，尽管其它电池可能仍未完全放电；或电池组中某个电池充电充满时，整个电池组就要停止充电，尽管其它电池可能仍未完全充满。因此，存在明显的“木桶效应”，降低了电池组的实际可用容量。

为了降低电池不一致的影响，可以使用主动均衡或者被动均衡技术。主动均衡速度快、性能强，但是要使用大容量电容、电感或者变压器等功率器件，电路复杂，控制难度大，可靠性较差，而且成本高。被动均衡只需一个小型电子开关与负载电阻，电路简单，成本低廉，是当前大批量运用的主流均衡方式。由于散热限制，被动均衡电流小，均衡速度慢，需要较长时间。然而，目前大部分已有方案都无法满足上述条件。充电过程中，当某个电池电压达到均衡电压时开启该电池对应的被动均衡电路。当某个电池电压达到过充电压时，必须关断整个电池组充电过程(此时即使开启被动均衡也毫无意义，因为充电已停止)。对于充电速度较快或者电压曲线平坦的磷酸铁锂电池来说，电池由均衡电压到过充电压时间很短(有时只有几分钟)，从而导致被动均衡的时间非常短暂。另一方面，由于材料特性与工艺局限，磷酸铁锂电池一致性较差，自放电偏高，长期使用后电池之间压差大，显著降低电池组有效容量。因此，在保持被动均衡电路简单、技术可靠与成本优势的同时，急需进一步提升其使用效能。

一种已有硬件BMS方案，基本原理如图1所示。电池组每串电池使用一个单节保护IC实现该单体电池的过充、过放与过流保护，并且运用一个专门的单节均衡IC实现该单体电池的被动均衡控制。每串电池的过充、过放与过流保护信号通过三极管级联构成逻辑或门，输出至充放电控制开关的驱动电路。这个方案避免了共模高压问题，单节保护与均衡控制IC设计相对简单，已在消费电子领域长期大量运用，因此具有显著的成本优势。此外，该方案扩展便利，已有产品还能高串改低串，非常灵活。另一种已有BMS方案，基本原理如图2所示。一个多串集成保护IC可以管理2-20串电池，具有电池过充、过放、过流、过热与采样线掉线检测以及被动均衡控制等功能。该方案集成度高，省去了大量电阻、电容与三极管，但是扩展性较差，灵活性不足，电池组串数受限于共模高压问题。上述两个方案都没有克服被动均衡时间太短的缺陷，运用于快充或磷酸铁锂电池时均衡性能聊胜于无。

为了解决被动均衡时间太短的问题，专利CN216819469U提供了一种串联电池组涓流均衡装置，通过增加延时控制单元，由外部均衡管理器决定均衡时间。理论上，该方案可以无限制均衡。其主要缺陷是外部均衡管理器实施难度大，成本高。对于磷酸铁锂电池来说，在电池平台电压范围内，无法通过电压来简单识别电量，进而计算出具体均衡时间。在何时开始均衡，需要均衡多长时间？只能依靠电流积分与容量估算间接计算SOC，这往往超出了消费电子与两轮电动车等运用领域的价格承受范围。

与上述已有技术方案相比，本发明主要具有以下三个优势。首先，被动均衡时间长，均衡性能强。只要充电器相连并有输出电压，即可持续进行均衡充电(BMS充电控制开关断开后也不受影响)。对于老旧电池维护，可持续多日进行均衡充电，累积后能克服电池数十AH的电量差异。其次，电路简洁，有利于控制成本。涓流充电单元可用常见的二极管实现，被动均衡控制与过充保护信号复用，省去了专用的均衡控制IC。因此本发明不仅不用增加额外成本，而且可以降低总体费用。最后，结合充电涓流与被动均衡的设计思路，适用范围广，可扩展空间大。不仅适用于由单节保护IC级联或多串集成保护IC构成的硬件BMS方案，亦可拓展至软件智能BMS，甚至电动汽车等复杂BMS。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池管理***，包括电池监测与保护单元、充放电控制开关与驱动单元、被动均衡单元以及涓流充电单元。所述电池监测与保护单元通过电池状态参数实时检测与判断，输出电池保护信号。所述电池保护包括过充、过放与过流保护，所述充放电控制开关与驱动单元收到电池保护信号后及时关断电池组充放电。所述被动均衡单元使得电池满足一定条件后进行独立放电。充电过程中，当因电池保护而断开充电控制开关时，所述涓流充电单元产生一个数值较小的充电电流，使得未充满电的电池可以继续小电流充电，已充满电的电池通过所述被动均衡单元旁路充电电流。

所述电池可以是锂离子电池、钠离子电池、固态电池、锂金属电池、镍氢电池与镍镉电池等各类可充电蓄电池。

所述充放电控制开关可以使用继电器、三极管、MOSFET与IGBT等开关装置，为了满足电流、电压参数或者可靠性要求，可进一步采用多个开关器件串联或者并联实施。

在一个优选实施方案中，所述涓流充电单元包括一个可控开关SW2和涓流电路，当电池需要进行涓流充电时，使得开关SW2导通，反之则关断。

所述可控开关SW2可以使用三极管、小功率MOSFET或者IGBT等器件，并受电池管理***控制，所述涓流电路可以在较大电压范围内产生跟被动均衡电流相匹配的毫安或安培级电流。

在一个优选实施方案中，所述涓流充电单元包括一个二极管D1和与之串联的电阻RL，所述二极管D1的负极与充电器负极接口相连。

所述二极管D1可使用通用二极管，用以避免放电控制开关断开时开启涓流电路。所述电阻RL需要选择阻值合适的功率电阻。

在一个优选实施方案中，所述涓流充电单元包括一个二极管D1和与之串联的恒流源，所述二极管D1的负极与充电器负极接口相连。

所述恒流源可以使用一个恒流二极管或者恒流三极管，也可运用多个恒流二极管或者恒流三极管进行串并联实现扩流或增压。

在一个优选实施方案中，所述充放电控制开关采用继电器，所述涓流充电单元与所述继电器并联。

当所述充放电控制开关包括主正、主负两个继电器时，所述涓流充电单元只需与其中一个继电器并联即可。

在一个优选实施方案中，所述电池监测与保护单元包括级联单节保护IC，电池过充保护与被动均衡开启由所述单节保护IC的同一个输出信号控制。

在一个优选实施方案中，所述充放电控制开关包括两个串联的N型MOSFET，采用充放电同口接法。所述涓流充电单元一端与充电器负极接口相连，另一端与充电开关SWC的漏极或者放电开关SWD的源极或者电池组负极B-相连。

在一个优选实施方案中，所述充放电控制开关包括两个并联的N型MOSFET，采用充放电异口接法。所述涓流充电单元一端与充电器负极接口相连，另一端与充电开关SWC的漏极或者电池组负极B-相连。

在一个优选实施方案中，所述电池监测与保护单元包括多串集成保护IC，具有过热保护或采样线掉线检测功能。

本发明的另一目的是提供一种电池管理***的充电均衡控制方法，包括以下步骤：

所述电池监测与保护单元实时检测电池组每串电池的状态信息；

当电池电压大于均衡电压或者过充电压时，开启该电池的被动均衡功能；

当电池组中任意一个电池进入保护状态时，关断电池组充电控制开关，并开启涓流充电单元；

持续运行直至外部充电器撤除，或者当所有电池充电充满后关断涓流充电单元。

附图说明

图1示出了一种单节保护IC级联的电池管理***。

图2示出了一种多串集成保护IC的电池管理***。

图3示出了本发明提供的电池管理***功能框图。

图4示出了本发明提供的一种运用可控开关实现充电涓流单元的示意图。

图5示出了本发明提供的一种运用二极管与电阻实现充电涓流单元的示意图。

图6示出了本发明提供的一种运用二极管与恒流源实现充电涓流单元的示意图。

图7示出了本发明提供的一种基于MOSFET器件与充放电同口接法的电池管理***。

图8示出了本发明提供的一种基于MOSFET器件与充放电异口接法的电池管理***。

图9示出了本发明提供的另一种基于MOSFET器件与充放电同口接法的电池管理***。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明提供一种电池管理***，包括电池监测与保护单元301、充放电控制开关与驱动单元302、被动均衡单元303以及涓流充电单元304。电池监测与保护单元301实时检测各个电池的电压、电流或者温度等状态信息，当发现电池出现过充、过放、过流或者过热等情形时，输出电池保护信号至充放电控制开关与驱动单元302，及时关断电池组充放电功能。被动均衡单元303使得电池电压满足一定条件后通过负载电阻进行小电流放电。当充电过程中因某串单体电池达到过充保护电压而断开充电控制开关时，充电涓流单元304可以在较大电压范围内产生一个数值较小的充电电流，使得未充满的其它电池可以继续进行小电流充电，而已充满电的电池通过被动均衡单元303旁路掉充电电流，避免过充。

电池监测与保护电路301通过电压采样线与电池组的每串单体电池正负极相连。电池被动均衡电路通过电池均衡线与电池组的每串单体电池正负极相连。当被动均衡电流较小时，电池均衡线与电压采样线可以复用。此外，电池监测与保护电路301可以由纯硬件电路实现，例如单节电池保护IC或者多串集成保护IC，亦可通过ADC采样转换后使用嵌入式软件或者高性能计算***等上位机软件实现。相应地，电池被动均衡与涓流充电的开启方式，既可以纯硬件方式，例如电压比较器或者二极管等，又可结合软件实现。需要注意的是，涓流充电的电流数值必须小于被动均衡的电流数值。这样才能使得已经进入过充保护状态的电池，可以通过被动均衡电路完全旁路涓流充电电流，避免电池因过充而损坏。

涓流充电单元304相当于电池组充放电控制开关的第二电流支路。充电过程中，当主回路的充电控制开关断开时，涓流充电单元304会形成一个小电流，使得电池组可以继续涓流充电。被动均衡单元303相当于电池的第二电流支路，当电池充电达到一定条件时开启被动均衡，把多余的充电电流旁路。确保自身不过充，同时又不影响其它电池充电。因此，本发明只要外部充电器相连并有输出电压，被动均衡就可一直持续进行。结合涓流充电与被动均衡的策略，大大延长了均衡时间，克服了传统被动均衡因电流小、时间短而效果差的问题。

磷酸铁锂电池的电压平台平坦，大部分容量集中于3.2V左右，充电曲线的低压与高压部分非常陡峭。如果电池以0.5C倍率充电，电池从3.45V均衡电压至3.65V过充电压，持续时间可能只有几分钟。由于散热限制，被动均衡一般电流较小，往往不到一安培，甚至只有几十毫安。此时，即使开启被动均衡，按照100mA均衡电流计算，也只有几十mAH容量，均衡效果捉襟见肘。尤其是对于容量较大的电池组，更是几乎可以忽略。本发明提供的电池管理***，结合涓流充电与被动均衡策略，电池均衡时间由外部充电器决定，效果大为改观。例如，常见的电动自行车领域，按照0.2C充电，5-6小时电池即可充满。一般用户都习惯整夜充电，这就意味着还有6-7个小时的均衡时间，是传统被动均衡方案的几十倍。对于基站类UPS电池，长期处于浮充状态，充电器绝大部分时间都在线相连。本发明提供的涓流均衡充电可以持续不断进行，效果更佳。

如图4所示，充电涓流单元由一个可控开关SW2和涓流电路构成。当电池需要进行涓流充电时，使得开关SW2导通，反之则关断。此处可控开关SW2可以使用三极管或者小功率MOSFET，高压场景亦可选用IGBT等器件。为了最大限度降低成本，充电涓流电路可由一个二极管D1和一个负载电阻RL构成，如图5。通用二极管型号丰富，价格低廉。负载电阻RL起到限流作用，也具有低成本优势。考虑到极限情况，不过电阻RL两端电压变化范围非常大，RL取值较难。一方面，当RL两端电压较大时，为了确保涓流充电的数值不超过被动均衡的电流数值，必须令RL阻值较大；另一方面，当RL两端电压较小时，为了避免涓流充电的数值太小影响均衡效果，又不得不令RL阻值较小。两者难以兼容，限制了该方案的实际运用场景。

如图6所示，充电涓流单元包括一个二极管D1和一个恒流源CD1。恒流源可以使用一个恒流二极管或者恒流三极管，也可以运用多个恒流二极管或者恒流三极管进行串并联进行扩流与增压。运用恒流源，没有负载电阻的取值问题。此外，数十毫安电流级别的恒流二极管价格也不高，在整个电池管理***成本中占比很低。

如图7所示，本发明提供一种基于MOSFET器件与充放电同口接法的电池管理***，运用单节保护IC级联方式实现电池的过充、过放与过流保护。以电池BC1为例，单节保护ICBH1通过电池BC1经电阻R11、C11滤波后供电。BH1的1脚输出过放电保护信号，经电阻R12与PNP三极管Q11构成逻辑或门输出至放电控制开关SWD的驱动电路。BH1的3脚输出过充电保护信号，经电阻R13与PNP三极管Q12构成逻辑或门输出至充电控制开关SWC的驱动电路。检流电阻RC与滤波电路R1、C1构成电流采样电路，通过BH1的2脚输入，继而产生过流保护信号控制充放电开关。负载电阻R15与PNP三极管Q13构成被动均衡放电回路，由BH1的3脚过充保护信号控制。即当电池过充保护后，才开始被动均衡。由于本发明的均衡时间非常充裕，充电时不提前开启被动均衡，对均衡性能也无影响。与图1已有方案相比，该方案无需使用专门的均衡控制IC，有利于进一步降低成本。

如图7所示，充电涓流单元可以看成一个两端电路模块，其中一端与电池模组负极Pack-相连，另一端与充电开关SWC的漏极或者放电开关SWD的源极或者电池组负极B-相连。从本质上来看，三者电气性能类似。因为充电的时候，放电开关SWD一般处于导通状态，所以其源极与漏极之间短路。哪怕放电开关SWD不导通，其寄生二极管也使得充电电流可以顺利通过。检流电阻RC一般都是毫欧级别，对于涓流充电等小电流来说，其影响也几乎可以忽略不计。

如图8所示，由于电池的充电接口与放电接口分开，此时充电涓流单元的一端与电池充电器负极接口相连，另一端与充电开关SWC的漏极或者电池组负极B-相连。一般电池的充电电流远小于放电电流，充放电异口接法可以根据电池所需不同的充放电过流性能来分别设计充电开关与放电开关，进一步控制成本。

如图9所示，本发明提供一种基于多串集成保护IC的电池管理***。多串集成保护IC集成度高，功能丰富，适用于2-20串的电池组，具有过充、过放、过流、过热与采样线掉线检测保护以及被动均衡控制等功能。对于电池串数更多的大型电池组，还可通过多个多串集成保护IC级联进一步拓展。

本发明还提供了一种电池管理***的充电均衡控制方法，具体步骤包括：

(1)充电过程中，电池监测与保护单元实时检测电池组每串电池的状态信息，例如电池电压、电流、温度与采样线状态等。

(2)当其中某个电池满足一定条件时，开启该电池的被动均衡功能。此条件可以设定为大于均衡电压或电池进入过充保护。

(3)当其中某个电池进入保护状态时，关断充电控制开关，并开启涓流充电单元。例如，当电池达到过充保护电压或者进入过热保护状态时，必须关断电池组主回路充电开关。

(4)持续运行直至外部充电器撤除，或者当所有电池充电充满后关断涓流充电单元。由于涓流充电的电流数值较小，发热量不大，所以可以长期运行。当外部充电器撤除时，涓流充电即可自然停止。如果条件允许，也可在所有电池充电充满后停止涓流充电，节约些许电能。

综上可知，本发明结合涓流充电与被动均衡的设计思路可以极大延长电池均衡时间，改善均衡性能。而且，涓流充电单元实施简单，不影响电池管理***中其它电路，方便运用拓展，包括但不限于硬件保护板、智能软件保护板、电动汽车以及储能***等领域的复杂BMS。本发明提供的电池管理***，无需改变已有的配套充电器，也不会增加额外成本，却可显著解决磷酸铁锂电池自放电与快速充电均衡维护等行业难点，具有突出的运用价值。

Claims (10)

1.一种电池管理***，其特征在于，所述电池管理***包括电池监测与保护单元、充放电控制开关与驱动单元、被动均衡单元以及涓流充电单元；所述电池监测与保护单元通过电池状态参数实时检测与判断，输出电池保护信号，所述电池保护包括过充、过放与过流保护，所述充放电控制开关与驱动单元收到电池保护信号后及时关断电池组充放电；所述被动均衡单元使得电池满足一定条件后进行独立放电，充电过程中，当因电池保护而断开充电控制开关时，所述涓流充电单元产生一个数值较小的充电电流，使得未充满电的电池可以继续小电流充电，已充满电的电池通过所述被动均衡单元旁路充电电流。

2.根据权利要求1所述的一种电池管理***，其特征在于，所述涓流充电单元包括一个可控开关SW2和涓流电路；当电池需要进行涓流充电时，使得开关SW2导通，反之则关断。

3.根据权利要求1所述的一种电池管理***，其特征在于，所述涓流充电单元包括一个二极管D1和与之串联的电阻RL，所述二极管D1的负极与充电器负极接口相连。

4.根据权利要求1所述的一种电池管理***，其特征在于，所述涓流充电单元包括一个二极管D1和与之串联的恒流源，所述二极管D1的负极与充电器负极接口相连。

5.根据权利要求1所述的一种电池管理***，其特征在于，所述充放电控制开关采用继电器，所述涓流充电单元与所述继电器并联。

6.根据权利要求1所述的一种电池管理***，其特征在于，所述电池监测与保护单元包括级联单节保护IC，电池过充保护与被动均衡开启由所述单节保护IC的同一个输出信号控制。

7.根据权利要求6所述的一种电池管理***，其特征在于，所述充放电控制开关包括两个串联的N型MOSFET，采用充放电同口接法；所述涓流充电单元一端与充电器负极接口相连，另一端与充电开关SWC的漏极或者放电开关SWD的源极或者电池组负极B-相连。

8.根据权利要求6所述的一种电池管理***，其特征在于，所述充放电控制开关包括两个并联的N型MOSFET，采用充放电异口接法；所述涓流充电单元一端与充电器负极接口相连，另一端与充电开关SWC的漏极或者电池组负极B-相连。

9.根据权利要求1所述的一种电池管理***，其特征在于，所述电池监测与保护单元包括多串集成保护IC，具有过热保护或采样线掉线检测功能。

10.一种电池管理***的充电均衡控制方法，用于实现上述权利要求1至9任意一项所述的电池管理***，其特征在于，包括：

所述电池监测与保护单元实时检测电池组每串电池的状态信息；

当电池电压大于均衡电压或者过充电压时，开启该电池的被动均衡功能；

当电池组中任意一个电池进入保护状态时，关断充电控制开关，并开启所述涓流充电单元；

持续运行直至外部充电器撤除，或者当所有电池充电充满后关断涓流充电单元。

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