CN102569926B - 汽车锂电池充电平衡方法以及平衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于动力电池管理技术领域，具体公开了一种汽车锂电池充电平衡方法以及平衡系统。本发明是针对电池组充电状态时，提供的一种实现平衡的方法以及系统，在充电过程中，在每个单体电池上加载两个直流电源进行充电，其一是加载于所述电池组两端的外接直流电源，其二是加载于每个单体电池两端的补偿直流电源；开始充电时，所有所述直流补偿电源全负荷开启，输出相同大小的补偿电流对各个单体电池进出补偿充电；在充电过程中，降低电压相对较高的单体电池两端的所述的补偿电流，直至电池组达到平衡状态，进而使得本发明在平衡各个单体电池之间的差异时，能耗更低、效率更高、效果更好。

Description

汽车锂电池充电平衡方法以及平衡系统

技术领域

本发明属于动力电池管理技术领域，具体涉及一种汽车锂电池充电平衡方法以及平衡系统。

背景技术

为达到电动汽车等大功率设备运行时电压、功率及能量的要求，电池组多由大量动力电池串接组成使用。虽然随着技术工艺的提高，电池之间的差异逐渐减小，但是，在当前制作工艺水平下，仍难保证每节电池特性完全一致。尤其是在工况运行条件下，频繁地进行不规则的充电、放电，电池组工作一段时间后电池之间的差异会恶化，从而，使得电池组的使用效率降低，寿命减小。

电池之间的不一致性不可能完全消除，尤其这种不一致性是在其生产之初便已存在。为了保障电池组的应用寿命，电池管理系统就应运而生，它主要工作就是发现电池之间的差异并缩小，也就是通常所称的电池均衡技术。

电池组的平衡状态，通常是指各个单体电池的平均电压与各个单体电池的电压绝对差值在一定的范围内，根据均衡系统的精度要求不同，可能是0.1V，也可能为其他人为设定的数值，如0.08V、0.12V等。

目前，解决充电过程中的不一致性的主要方法如下：

(1)通过旁路电阻对电压相对较高的单体电池进行放电，使电池组达到平衡状态；此种平衡方式，将产生电能消耗；而且，放电电阻大小固定，其放电电流不可调节，可能导致部分放的太少或部分过放的情况发生，最终导致电池平衡更差。

(2)通过外加一固定电流源对电压相对较低的单体电池进行补偿充电，使电池组达到平衡状态；此种平衡方式，随着充电容量的增加一些容量略小的单体电池就会提前进入电压平顶期，在这个价段，如不加以控制，再过一段时间电池就会因过压耐保护，使得电池组结束充电。那么，各个单体电池之间的差异仍然存在。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种耗能更少、平衡效果更好的汽车锂电池充电平衡方法，本发明的第二目的在于提供一种与所述汽车锂电池充电平衡方法相对应的平衡系统。

为实现本发明的第一目的，本发明所采用技术方案如下：

一种汽车锂电池充电平衡方法，用于平衡汽车锂电池组处于充电状态时各单体电池之间的差异，所述电池组包括多个串联在一起的单体电池；

在每个单体电池两端还加载一直流补偿电源，所述直流补偿电源的电流大小可按照预定程序调节；

充电过程中，在每个单体电池上加载两个直流电源进行充电，其一是加载于所述电池组两端的外接直流电源，其二是加载于每个单体电池两端的补偿直流电源；

开始充电时，所有所述直流补偿电源全负荷开启，输出相同大小的补偿电流对各个单体电池进出补偿充电；

在充电过程中，包括始终运行的如下平衡步骤：

采集各个单体电池的电压信号；

根据各个单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态；

如电池组处于非平衡状态，则按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池；

降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的所述补偿直流电源的补偿电流，直至电池组达到平衡状态。

所述汽车锂电池充电平衡方法中，所述根据各个单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态，具体是：

根据所述各个单体电池的所述电压信号计算出各个单体电池的平均电压；

将每个单体电池的电压信号与所述平均电压进行比较，得出电压值高于所述平均电压的各个高电压单体电池，并计算出各个所述高电压单体电池的电压与所述平均电压之间的电压差值；

将所述各个高电压单体电池的电压差值与预设的电压阈值进行比较，如存在电压差值大于所述电压阈值的高电压单体电池，则电池组处于非平衡状态，如不存在电压差值大于所述电压阈值的高电压单体电池，则电池组处于平衡状态。

所述汽车锂电池充电平衡方法中，所述按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池，具体是：

根据所述各个单体电池的所述电压信号计算出各个单体电池的平均电压；

将每个单体电池的电压信号与所述平均电压进行比较，得出电压值高于所述平均电压的各个高电压单体电池，并计算出各个所述高电压单体电池的电压与所述平均电压之间的电压差值；

将所述各个高电压单体电池的电压差值与预设的电压阈值进行比较，其电压差值大于所述电压阈值的单体电池即为需减缓充电的高电压单体电池。

所述汽车锂电池充电平衡方法中，所述再降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的所述补偿直流电源的补偿电流，直至电池组达到平衡状态，具体按照如下步骤执行：

(1)将所述需减缓充电的高电压单体电池两端的直流补偿电源的补偿电流降低预定的数值；

(2)经过预设时间段后，再次读取电池组的状态，如所述电池组的状态变为平衡状态，则停止降低所述直流补偿电源的补偿电流，如所述电池组的状态仍为非平衡状态，则回到第(1)步循环运行第(1)与(2)步。

为实现本发明的第二目的，本发明所采用技术方案如下：

一种汽车锂电池充电平衡系统，用于平衡汽车锂电池组处于充电状态时各单体电池之间的差异，所述电池组包括多个串联在一起的单体电池，在所述电池组两端外加一外接直流电源进行充电；该平衡系统包含：下位机、上位机、开关电路、以及DC-DC直流变换电路；所述DC-DC直流变换电路的输入端与所述外接直流电源电连接，其输出端通过一所述开关电路与每个单体电池连接，对各个单体电池进行补偿充电；所述下位机与各个所述单体电池的两端连接，采集的各个所述单体电池的电压信号并传递给所述上位机；所述上位机根据各个所述单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态；如所述电池组处于非平衡状态，则所述上位机按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池，并控制所述开关电路与所述补偿直流电源降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的补偿电流，直至电池组达到平衡状态。

所述汽车锂电池充电平衡系统，在所述上位机上还连接有一温度传感器。

所述汽车锂电池充电平衡系统，在所述上位机上还设置有一显示模块。

所述汽车锂电池充电平衡系统，所述下位机为PLC或单片机。

所述汽车锂电池充电平衡系统，所述上位机为一包含有CPU的主控模块。

所述汽车锂电池充电平衡系统，所述开关电路为一场效应管。

本发明充电过程中的均衡方法，在每个单体电池上加载两个直流电源进行充电，其一是加载于所述电池组两端的外接直流电源，其二是加载于每个单体电池两端的补偿直流电源；开始充电时，在每个单体电池两端叠加的补偿直流电源的电流大小相同，即是一开始补偿电路全负荷介入；在充电过程中，不断采集各个单体电池的电压信号，根据各个单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态，如电池组处于非平衡状态，则按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池，再降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的所述补偿直流电源的充电电流(即是：降低该单体电池的充电电流)，直至电池组达到平衡状态。本发明通过降低高电压单体电池的充电电流，即是减缓高电压电池的充电速度来等待低电压单体电池，从而达到充电平衡。

采用本发明方法，在电池进入电压平顶期之前，可提前判断、提前降低电压相对较高的单体电池两端的补偿直流电源的补电电流，使对应的单体电池延迟进入平顶期，等待其他单体电池一起进入充电饱和状态，从而达到更好的充电平衡的效果。

本发明通过减小电压相对较高的单体电池的充电电流以达到均衡目的，避免了旁路电阻均衡方式的电能浪费，因此，本发明更加环保节能。

本发明充电平衡系统中的下位机、上位机、开关电路、以及DC-DC直流变换电路都是配合本发明方法的硬件装置。

本发明充电平衡系统，通过上位机的精确计算，可准确控制各个单体电池的充电电流，进而实现电池均衡目的，因此，本发明控制更加精确灵活，效率更高。

综上所述，本发明相对于现有的汽车理电池组充电平衡方法与装置，在平衡各个单体电池之间的差异同时，能耗更低、效率更高、效果更好。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明的电路原理框图。

1、电池组                    11、单体电池

2、下位机                    3、上位机

31、显示模块                 4、DC-DC直流变换电路

5、开关电路                  6、温度传感器

7、外接直流电源

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本实施例公开了一种汽车锂电池充电平衡方法，用于平衡汽车锂电池组处于充电状态时各单体电池之间的差异，所述电池组包括多个串联在一起的单体电池；

充电过程中，在每个单体电池上加载两个直流电源进行充电：其一是加载于所述电池组两端的外接直流电源，比如：用一个42V/10A的直流电源直接连接电池组两端；其二是加载于每个单体电池两端的补偿直流电源，该补偿直流电源的电流大小可以按照要求调节；

开始充电时，所有所述直流补偿电源全负荷开启，输出相同大小的补偿电流对各个单体电池进出补偿充电，比如：所有直流补偿电源都输出一个3A的补偿电流给各个单体电池补偿充电，3A为各个直流补偿电源的全负荷开启的输出电流值，需要说明的是，本发明不限于3A这个具体的数值，可设为3A以上或3A以下；

在充电过程中，包括始终运行的如下平衡步骤：

Step1：采集各个单体电池的电压信号；具体的采集方式可以采用单片机、或者PLC等连接各个单体电池的两端，实时采集各个单体电池两端的电压信号，然后将所采集到的模拟电压信号通过放大、数模转换等一些常规的手段转换为计算机可以识别的数字信号；

Step2：根据各个单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态；具体可以是：根据所述各个单体电池的所述电压信号计算出各个单体电池的平均电压；将每个单体电池的电压信号与所述平均电压进行比较，得出电压值高于所述平均电压的各个高电压单体电池，并计算出各个所述高电压单体电池的电压与所述平均电压之间的电压差值；将所述各个高电压单体电池的电压差值与预设的电压阈值进行比较，如存在电压差值大于所述电压阈值的高电压单体电池，则电池组处于非平衡状态，反之，电池组处于平衡状态；其中电压差值大于所述电压阈值的高电压单体电池，即为需减缓充电的高电压单体电池；

Step3：如电池组处于非平衡状态，则降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的所述补偿直流电源的补偿电流，直至电池组达到平衡状态；具体按照如下步骤执行：

(1)将所述需减缓充电的高电压单体电池两端的直流补偿电源的补偿电流降低预定的数值；此步骤中，预定的数值可以为0.5A，也可以为0.4A等等人为定义的数值；比如，开始充电时直流补偿电源的补偿电流为3A，降低预定的数值为0.5A，即是将直流补偿电源的补偿电流降至2.5A；

(2)经过预设时间段后，再次读取电池组的状态，如所述电池组的状态变为平衡状态，则停止降低所述直流补偿电源的充电电流，如所述电池组的状态仍为非平衡状态，则回到第(1)步循环运行第(1)与(2)步；此步骤中，预设的时间段，可以是1秒，也可以是1.5秒等，这是一个与降低预定的数值相关的参数，降低得越快，则时间越短，反之亦然，但是为了能够实现缓慢降低的目的，则需要根据实际均衡系统的情况设定一个比较合理的数值。

实施例2：

如图1所示，本实施例公开了一种汽车锂电池充电平衡系统，用于平衡汽车锂电池组处于充电状态时各单体电池之间的差异，所述电池组1包括多个串联在一起的单体电池11，在所述电池组1两端外加一外接直流电源7进行充电；该平衡系统包含：下位机2、上位机3、开关电路5、以及DC-DC直流变换电路4，下位机2为PLC或单片机，上位机3为一包含有CPU的主控模块，开关电路可为场效应管；所述DC-DC直流变换电路4的输入端与所述外接直流电源7电连接，其输出端通过一所述开关电路5与每个单体电池11连接，对各个单体电池11进行补偿充电；所述下位机2与各个所述单体电池11的两端连接，采集的各个所述单体电池11的电压信号并传递给所述上位机3；所述上位机3根据各个所述单体电池11的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组1处于平衡状态或非平衡状态；如所述电池组1处于非平衡状态，则所述上位机3按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池，并控制所述开关电路5与所述补偿直流电源降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的补偿电流，直至电池组达到平衡状态。

需要说明的是，本发明图中仅仅示意性画出了一个下位机、一个DC-DC直流变换电路、两个开关电路的情况，它们的数量根据实际单体电池是数量、以及实际所采用的元器件确定，因此，本发明不限于此，只要包含下位机、开关电路、DC-DC直流变换电路，以及等同于这些装置的电路单元或原件，都是本发明的保护范围。

如图1所示，为了进一步管控电池组的温度，在所述上位机3上还连接有一温度传感器6以监测管理电池组的温度。

如图1所示，为了方便上位机监控管理，在所述上位机3上还设置有一显示模块31。

在图1中charge+、charge-是充电器端口，外接直流电源7接入以后从两端对电池组1进行充电，同时DC-DC直流转换电路4经过降压以后也参与充电工作对各个单体电池11进行补偿充电；开始充电时，DC-DC直流转换电路4加载在各个单体电池11上的电流相同，即全负荷工作；如充电过程中发现电池组中出现不平衡状态时，上位机3会发出指令，控制DC-DC直流转换电路4与开关电路5组成各个补偿充电支路去控制每个电池充电电流的大小，以过到充电平衡状态。

本发明，采用多组隔离输出的DC-DC的方式将充电电流进行适当的降低，再经由控制开关电路中的场效应管(MOS管)进行脉宽调变，进行精确降压和电流控制，所有的补偿充电电路在开始充电时是全负荷工作的，随着充电容量的增加，和上位机对每个单体电池的检测，提前降低电压较高的电池充电电流，以延迟这些电池充电的速度，等待其他单体电池，从而达到更好的充电平衡的效果。。

以往技术在补电时会发热，且将能量通过电阻消耗掉，电阻是固定的，电流不可调，所以不能精确对电池放电，有放的太少或放的太多过放的情况发生，最终会导致电池的平衡更差。其它现在兴起的少量应用的能量转移补电，因电路复杂及电路隔离的问题，也只能固定电压固定电流进行补电。不能达到如本发明可能达到的精确补电的效果。本发明不消耗能源，绿色环保，效率高，效果好，控制灵活，可通过软件遍程应对不同情况的补电模式。要整个充电过程中都可以应用，补电方式灵活多变，能符合电池补电的各种要求。

本发明是在充电一开始所有的补偿电路全负荷介入，随着充电容量的增加一些容量略小的电池就会提前进入电压平顶期，在这个阶段，如不加以控制，再过一段时间电池就会因过压耐保护，本发明就是在电池进入电压平顶期之前，提前判断，提前降低补电电流，使电池延迟进入平顶期，等待其他单体电池全负荷充电，从而达到更好的充电平衡效果。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种汽车锂电池充电平衡方法，用于平衡汽车锂电池组处于充电状态时各单体电池之间的差异，所述电池组包括多个串联在一起的单体电池，在所述电池组两端外加一外接直流电源进行充电，其特征在于：在每个单体电池两端还加载一直流补偿电源，所述直流补偿电源的电流大小可按照预定程序调节；开始充电时，所有所述直流补偿电源全负荷开启，输出相同大小的补偿电流对各个单体电池进行补偿充电；在充电过程中，包括始终运行的如下平衡步骤：采集各个单体电池的电压信号；根据各个单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态；如电池组处于非平衡状态，则按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池；降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的所述补偿电流，直至电池组达到平衡状态；

所述根据各个单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态，具体是：根据所述各个单体电池的所述电压信号计算出各个单体电池的平均电压；将每个单体电池的电压信号与所述平均电压进行比较，得出电压值高于所述平均电压的各个高电压单体电池，并计算出各个所述高电压单体电池的电压与所述平均电压之间的电压差值；将所述各个高电压单体电池的电压差值与预设的电压阈值进行比较，如存在电压差值大于所述电压阈值的高电压单体电池，则电池组处于非平衡状态，如不存在电压差值大于所述电压阈值的高电压单体电池，则电池组处于平衡状态；

所述按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池，具体是：根据所述各个单体电池的所述电压信号计算出各个单体电池的平均电压；将每个单体电池的电压信号与所述平均电压进行比较，得出电压值高于所述平均电压的各个高电压单体电池，并计算出各个所述高电压单体电池的电压与所述平均电压之间的电压差值；将所述各个高电压单体电池的电压差值与预设的电压阈值进行比较，其电压差值大于所述电压阈值的单体电池即为需减缓充电的高电压单体电池；

所述降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的所述补偿直流电源的补偿电流，直至电池组达到平衡状态，具体按照如下步骤执行：

(1)将所述需减缓充电的高电压单体电池两端的直流补偿电源的补偿电流降低预定的数值；

(2)经过预设时间段后，再次读取电池组的状态，如所述电池组的状态变为平衡状态，则停止降低所述直流补偿电源的补偿电流，如所述电池组的状态仍为非平衡状态，则回到第(1)步循环运行第(1)与(2)步。

2.一种汽车锂电池充电平衡系统，用于平衡汽车锂电池组处于充电状态时各单体电池之间的差异，所述电池组包括多个串联在一起的单体电池，在所述电池组两端外加一外接直流电源进行充电，其特征在于：该平衡系统包含：下位机、上位机、开关电路、以及DC-DC直流变换电路；所述DC-DC直流变换电路的输入端与所述外接直流电源电连接，其输出端通过一所述开关电路与每个单体电池连接，对各个单体电池进行补偿充电；所述下位机与各个所述单体电池的两端连接，采集各个所述单体电池的电压信号并传递给所述上位机；所述上位机根据各个所述单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态；如所述电池组处于非平衡状态，则所述上位机按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池，并控制所述开关电路与所述DC-DC直流变换电路降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的补偿电流，直至电池组达到平衡状态；

在所述上位机上还连接有一温度传感器；在所述上位机上还设置有一显示模块；所述下位机为PLC或单片机；所述上位机为一包含有CPU的主控模块；所述开关电路为一场效应管；

上述汽车锂电池充电平衡方法，用于平衡汽车锂电池组处于充电状态时各单体电池之间的差异，所述电池组包括多个串联在一起的单体电池，在所述电池组两端外加一外接直流电源进行充电，在每个单体电池两端还加载一直流补偿电源，所述直流补偿电源的电流大小可按照预定程序调节；开始充电时，所有所述直流补偿电源全负荷开启，输出相同大小的补偿电流对各个单体电池进行补偿充电；在充电过程中，包括始终运行的如下平衡步骤：采集各个单体电池的电压信号；根据各个单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态；如电池组处于非平衡状态，则按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池；降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的所述补偿电流，直至电池组达到平衡状态；

所述根据各个单体电池的所述电压信号，按照预定的程序计算确定电池组处于平衡状态或非平衡状态，具体是：根据所述各个单体电池的所述电压信号计算出各个单体电池的平均电压；将每个单体电池的电压信号与所述平均电压进行比较，得出电压值高于所述平均电压的各个高电压单体电池，并计算出各个所述高电压单体电池的电压与所述平均电压之间的电压差值；将所述各个高电压单体电池的电压差值与预设的电压阈值进行比较，如存在电压差值大于所述电压阈值的高电压单体电池，则电池组处于非平衡状态，如不存在电压差值大于所述电压阈值的高电压单体电池，则电池组处于平衡状态；

所述按照预定的程序计算确定需减缓充电的高电压单体电池，具体是：根据所述各个单体电池的所述电压信号计算出各个单体电池的平均电压；将每个单体电池的电压信号与所述平均电压进行比较，得出电压值高于所述平均电压的各个高电压单体电池，并计算出各个所述高电压单体电池的电压与所述平均电压之间的电压差值；将所述各个高电压单体电池的电压差值与预设的电压阈值进行比较，其电压差值大于所述电压阈值的单体电池即为需减缓充电的高电压单体电池；

所述降低所述需减缓充电的高电压单体电池两端的所述补偿直流电源的补偿电流，直至电池组达到平衡状态，具体按照如下步骤执行：

(1)将所述需减缓充电的高电压单体电池两端的直流补偿电源的补偿电流降低预定的数值；

(2)经过预设时间段后，再次读取电池组的状态，如所述电池组的状态变为平衡状态，则停止降低所述直流补偿电源的补偿电流，如所述电池组的状态仍为非平衡状态，则回到第(1)步循环运行第(1)与(2)步。