一種單電池電芯補(bǔ)償多電芯的電量均衡系統(tǒng)及均衡方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種多電池電芯電量均衡系統(tǒng)及均衡方法，包括多個串聯(lián)的單體電池，該系統(tǒng)包括補(bǔ)償電池，用于對電池回路中的單體電池進(jìn)行充放電；開關(guān)選擇通道電路，選擇對補(bǔ)償電池進(jìn)行充電或者對單體電池放電；第一電池電壓采樣電路，與所述補(bǔ)償電池連接，用于采集補(bǔ)償電池的電量信息；第二電池電壓采樣電路，與所述單體電池連接，用于采集每個單體電池的電量信息；電池短路保護(hù)電路，與所述第二電池電壓采樣電路連接，用于保證補(bǔ)償電池在一段時間內(nèi)與一個單體電池并聯(lián)。本發(fā)明能夠使電池組獲得的總電能相對于均衡前會增加，且各單體電池不會過充、過放，從而延長了電池組的使用壽命。
【專利說明】一種單電池電芯補(bǔ)償多電芯的電量均衡系統(tǒng)及均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰電池，更具體地涉及一種單電池電芯補(bǔ)償多電芯的電量電量均衡系統(tǒng)及均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池在應(yīng)用過程中供電電源通常由多個單體電池串聯(lián)組成，以滿足設(shè)備所需電壓和功率要求。在實際使用中，由于單體電池之間的差異，電池組的容量只能達(dá)到最弱的電池的容量。在串聯(lián)電池組中，雖然通過單體電池的電流相同，但是由于其容量不同，電池的放電深度也會不同，容量大的總會欠充欠放，而容量小的總會過充過放，這就造成容量大的衰減緩慢、壽命延長；容量小的衰減加快、壽命縮短，兩者之間的差異會越來越大，最終小容量電池的失效會導(dǎo)致電池組的提前失效。
[0003]通常我們把因單體電池的性能差異而導(dǎo)致的電池組性能降低的現(xiàn)象稱為電池匹配失衡。大多數(shù)情況下，引起匹配失衡的原因是電池的制作工藝和檢測手段的不完善，而不是鋰離子電池本身的化學(xué)屬性變化。即使在生產(chǎn)出電池后進(jìn)行檢測分類再進(jìn)行組合，也會出現(xiàn)電池匹配失衡的現(xiàn)象。比如:各單體的自放電量不同導(dǎo)致電池組在擱置過程中的容量失衡、單體之間電阻不同導(dǎo)致個別單體在電池組充電過程中過充等。
[0004]電池匹配失衡主要表現(xiàn)在兩個方面:電池荷電狀態(tài)失衡(即:所有單體的容量相同，但在電池組制作或擱置過程中，單體的荷電狀態(tài)不同)和電池容量或能量的失衡。采用電池均衡處理技術(shù)便可解決以上兩種失衡問題，從而改進(jìn)串聯(lián)電池組的電性能。電池荷電態(tài)失衡需在電池組初次充、放電時進(jìn)行均衡調(diào)整電池，此后只需在充電期間進(jìn)行均衡即可，而容量或能量失衡則必須在充、放電過程都進(jìn)行均衡。
[0005]在理想狀態(tài)下，鋰離子電池組中的單體電池滿足以下條件，便認(rèn)為實現(xiàn)了均衡保護(hù)管理:電池組中所有單體電池的容量和荷電狀態(tài)都相同；電池組中所有單體的容量不同，但單體電池的荷電狀態(tài)相同。其中電池的荷電狀態(tài)是指電池的現(xiàn)有容量與電池的實際容量之比。
[0006]從上可以看出:電池組均衡是指在電池組的使用過程中，保證各單體電池的荷電狀態(tài)相同。為了改進(jìn)串聯(lián)電池組的電性能，使不匹配的單體電池達(dá)到同樣的荷電狀態(tài)，要求一些電池的充電或放電量比其它電池多，所以要給電池組增加額外的元件和電路，現(xiàn)有的技術(shù)采用幾個串聯(lián)電池電芯進(jìn)行相互之間的補(bǔ)償對串聯(lián)單體進(jìn)行均衡管理。這種均衡是通過對電壓最高的單體電池分流來實現(xiàn)的。通過數(shù)據(jù)采集電路，檢測每只串聯(lián)電池的電壓，進(jìn)而判斷其在整個電池組中所處的狀態(tài)，當(dāng)它的電壓超出總平均電壓一定幅度后，控制與該只電池并聯(lián)的分流電路導(dǎo)通，對其進(jìn)行分流。但此種均衡方法實現(xiàn)上無法安全可靠的運(yùn)行，同時也會影響電池的使用壽命，因此需要一種新的電池電量均衡系統(tǒng)及均衡方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于補(bǔ)償電池方式的電池電芯電量均衡系統(tǒng)及均衡方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種多電池電芯電量均衡系統(tǒng)包括:
[0010]補(bǔ)償電池，用于對電池回路中的單體電池進(jìn)行充放電；
[0011]開關(guān)選擇通道電路，一端與所述補(bǔ)償電池連接，一端分別與所述單體單池連接，根據(jù)單體電池的電量，選擇對補(bǔ)償電池進(jìn)行充電或者對單體電池放電；
[0012]第一電池電壓采樣電路，與所述補(bǔ)償電池連接，用于采集補(bǔ)償電池的電量信息；
[0013]第二電池電壓采樣電路，與所述單體電池連接，用于采集每個單體電池的電量信息；
[0014]電池短路保護(hù)電路，與所述第二電池電壓采樣電路連接，用于保證補(bǔ)償電池在一段時間內(nèi)與一個單體電池并聯(lián)。
[0015]進(jìn)一步，所述開關(guān)選擇通道電路包括依次連接的單片機(jī)、驅(qū)動保護(hù)電路、驅(qū)動光耦和雙向開關(guān)，所述單片機(jī)通過驅(qū)動保護(hù)電路輸出驅(qū)動信號至光耦驅(qū)動，經(jīng)光耦驅(qū)動進(jìn)行放大和增強(qiáng)驅(qū)動能力，光耦輸出信號驅(qū)動雙向開關(guān)，使雙向開估對應(yīng)的電流支路導(dǎo)通。
[0016]進(jìn)一步，所述電池短路保護(hù)電路采用四個輸入非門和四個四輸入與門實現(xiàn)。
[0017]一種單電池電芯補(bǔ)償多電芯的電量均衡方法包括如下步驟:
[0018]I)第一和第二電池電壓采樣電路分別采集補(bǔ)償電池和每個單體電池的電量信息；
[0019]2)對單體電池的電量進(jìn)行判斷，確定是否對其充電或者放電。
[0020]進(jìn)一步，所述步驟2中對單體電池的電量進(jìn)行判斷時，
[0021]采用輪流檢測串聯(lián)電池電芯方式，并對所有電芯電壓進(jìn)行電量大小排序，當(dāng)被測某個單體電池的電量低于設(shè)定值時，開關(guān)選擇通道電路選擇一個補(bǔ)償電池對單體電池充電；如果有多個單體電池電量低于設(shè)定值，則選取電量最小的進(jìn)行充電。
[0022]采用輪流檢測串聯(lián)電池電芯方式，并對所有電芯電壓進(jìn)行電量大小排序，當(dāng)被測某個單體電池的電量高于設(shè)定值時，開關(guān)選擇通道電路選擇一個補(bǔ)償電池與該超過設(shè)定值的電池進(jìn)行并聯(lián)，由單體電池對補(bǔ)償電池進(jìn)行放電；如果有多個單體電池電量高于設(shè)定值，則選取電量最高的進(jìn)行充電。
[0023]如果同時有高于設(shè)定值和低于設(shè)定值得電池，則先處理高于設(shè)定值的電池。
[0024]進(jìn)一步，所述對單體電池進(jìn)行充電或放電的時間設(shè)定為N分鐘，當(dāng)N分鐘達(dá)到時，不管充放電是否完成，都進(jìn)入重新輪流檢測串聯(lián)電池電芯的電量。本發(fā)明的有益效果如下:
[0025]本發(fā)明能夠使電池組獲得的總電能相對于均衡前會增加，且各單體電池不會過充、過放，從而延長了電池組的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027]圖1:多電池電芯電量均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；
[0028]圖2:電池電壓采樣電路結(jié)構(gòu)原理圖；
[0029]圖3:開關(guān)選擇通道電路結(jié)構(gòu)原理圖；[0030]圖4:雙向開關(guān)電路原理圖；
[0031]圖5:驅(qū)動保護(hù)電路原理圖；
[0032]圖6:電池短路保護(hù)電路結(jié)構(gòu)原理圖。
【具體實施方式】
[0033]為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0034]本發(fā)明的一個目的是提供一種電池電芯電量均衡系統(tǒng)就，如圖1所示為多電池電芯電量均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。所述均衡系統(tǒng)包括補(bǔ)償電池，電池電壓采樣電路，開關(guān)選擇通道電路，電池電壓采樣電路和電池短路保護(hù)電路。本發(fā)明主要采用一個補(bǔ)償電池Bx分別與系統(tǒng)中串聯(lián)的電池B1，B2……Bn并聯(lián)，當(dāng)某個單體電池電壓高于設(shè)定值Vmax時，通過開關(guān)選擇通道電路切換，則該單體電池與補(bǔ)償電池并聯(lián)，單體電池向補(bǔ)償電池放電。當(dāng)某個單體電池電壓低于設(shè)定值Vmin時，通過開關(guān)選擇通道電路切換，該單體電池與補(bǔ)償電池并聯(lián)，補(bǔ)償電池向該單體電池充電，從而實現(xiàn)均衡功能。并通過電池短路保護(hù)方案對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。下面以四節(jié)電池串聯(lián)為例，詳細(xì)說明該系統(tǒng)各部分組成。
[0035]1.電池電壓采樣電路
[0036]以BI電池為例，采樣電路采用差分運(yùn)算放大器LM324，將BI電池的正極和負(fù)極分另Ij功過IOK電阻連接到LM324的3腳正端和2腳，BI電池的正極與運(yùn)算放大器的11腳之間接一個電容10nF。同時，運(yùn)算放大器的11腳與電路的模擬地VP-相連，BI電池的負(fù)極與VP-之間接一個電容10nF，運(yùn)算放大器的I腳與2腳之間接一個IOK的電阻。運(yùn)算放大器的輸出I腳與VP-之間接一個穩(wěn)壓二極管，運(yùn)算放大器I腳輸出為被測電池兩端電壓。其它電池兩端電壓采樣與此相同。
[0037]2.開關(guān)選擇通道電路
[0038]對于均衡電路，需要實現(xiàn)補(bǔ)償電池給單體充電，同時也需要實現(xiàn)單體電池給補(bǔ)償電池放電，因此需要雙向電子開關(guān)。
[0039]如圖2，3，4所示，開關(guān)選擇通道電路包括雙向開關(guān)、驅(qū)動光耦、驅(qū)動保護(hù)電路及單片機(jī)MCU采用的是STM8系列或類似型號。其中雙向開關(guān)采用兩個MOS管串聯(lián)，一端連在補(bǔ)償電池的正極，一端連接在單體電池的正極，通過光耦信號驅(qū)動MOS管的開通和關(guān)斷，此處光耦驅(qū)動信號為B1_M0S_1和B1_M0S_2。
[0040]所述單片機(jī)通過驅(qū)動保護(hù)電路輸出驅(qū)動信號，再通過驅(qū)動光耦進(jìn)行放大和增強(qiáng)驅(qū)動能力，以其中B1_M0S_1為例:
[0041]驅(qū)動保護(hù)電路輸出的B1_M0S_D信號,經(jīng)過一個330歐電阻給光稱的輸入,輸入和地之間并聯(lián)IOK電阻,光I禹輸出信號串聯(lián)一個330歐電阻，同時用一個IOK電阻與電池正極PACK+連接，輸出的B1_M0S_1可以驅(qū)動MOS管。
[0042]3.驅(qū)動短路保護(hù)電路
[0043]如圖5 -6所示，此部分的目的為了保證補(bǔ)償電池在一段時間只與一個單體電池并聯(lián)，即從硬件上實現(xiàn)互鎖功能，使得同一時間開關(guān)驅(qū)動信號B1_M0S_D，B2_M0S_D，B3_M0S_D，B4_M0S_D，只有一個能輸出高電平。具體實現(xiàn)電路如下:[0044]驅(qū)動保護(hù)電路采用四輸入非門SN74LS04和四個四輸入與門74LS21構(gòu)成，避免了補(bǔ)償電池電芯由于驅(qū)動邏輯的錯誤同時與兩個或多個串聯(lián)電池并聯(lián)的狀態(tài)，保證補(bǔ)償電池同一時刻只能與一個串聯(lián)的電池發(fā)生并聯(lián)。避免了短路現(xiàn)象發(fā)生。
[0045]具體實現(xiàn)方式為，以4節(jié)電池串聯(lián)為例，單片機(jī)輸出B1_4D，B2_4D, B3_4D, B4_4D,
四路驅(qū)動信號，分別通過非門74LS04變成“ ^iD, ? ，然后BI—4D與Β2—B3_4D, B4—4D輸入74LS21的四輸入與門的輸入端,輸出信號為B1_M0S_D既可以驅(qū)動光耦。BI—4D, B2—4D，B3_4D, B4_4D輸入74LS21的四輸入與門的輸入端,輸出信號為B2_皿05_0可以驅(qū)動光耦。H B3—40,?π輸入74LS21的四輸入與門的輸入端，輸出信號為B3_M0S_D可以驅(qū)動光耦。H，B2Jd, mJd, B4—4D輸入74LS21的四輸入與門的輸入端，輸出信號為B4_M0S_D可以驅(qū)動光耦。
[0046]此時，如果如果B1_4D輸出為高，B2_4D, B3_4D, B4_4D輸出為低時，最后B1_M0S_D信號為高，驅(qū)動該組MOS管導(dǎo)通，使得補(bǔ)償電芯與BI電池并聯(lián)。而當(dāng)由于單片機(jī)信號發(fā)出錯誤或者由于外部干擾等原因發(fā)生B1_4D，B2_4D, B3_4D, B4_4D中的兩個或多個驅(qū)動信號為高，則由于信號經(jīng)過四輸入非門SN74LS04和四個四輸入與門74LS21則驅(qū)動四路光耦的信號全部輸出為低，不會出現(xiàn)同時兩組MOS管開通的現(xiàn)象。[0047]本發(fā)明的另一個目的是提供一種多電池電芯電量均衡方法，該均衡方法包括如下步驟:
[0048]I)第一和第二電池電壓采樣電路分別采集補(bǔ)償電池和每個單體電池的電量信息；
[0049]2)對單體電池的電量進(jìn)行判斷，確定是否對其充電或者放電。
[0050]所述步驟2中對單體電池的電量進(jìn)行判斷時，
[0051]采用輪流檢測串聯(lián)電池電芯方式，并對所有電芯電壓進(jìn)行電量大小排序，當(dāng)被測某個單體電池的電量低于設(shè)定值時，開關(guān)選擇通道電路選擇一個補(bǔ)償電池對單體電池充電；如果有多個單體電池電量低于設(shè)定值，則選取電量最小的進(jìn)行充電。
[0052]采用輪流檢測串聯(lián)電池電芯方式，并對所有電芯電壓進(jìn)行電量大小排序，當(dāng)被測某個單體電池的電量高于設(shè)定值時，開關(guān)選擇通道電路選擇一個補(bǔ)償電池與該超過設(shè)定值的電池進(jìn)行并聯(lián)，由單體電池對補(bǔ)償電池進(jìn)行放電；如果有多個單體電池電量高于設(shè)定值，則選取電量最高的進(jìn)行充電。
[0053]如果有某一個電池的電量高于設(shè)定值和某一個電池的電量低于設(shè)定值時，則先處理高于設(shè)定值的電池。
[0054]對單體電池進(jìn)行充電或放電的時間設(shè)定為N分鐘，當(dāng)N分鐘達(dá)到時，不管充放電是否完成，都進(jìn)入重新輪流檢測串聯(lián)電池電芯的電量。
[0055]如果出現(xiàn)單片機(jī)發(fā)出錯誤的驅(qū)動信號情況，例如補(bǔ)償電池要求同時并聯(lián)兩個或多個電池，則由驅(qū)動保護(hù)電路起作用，斷開所有并聯(lián)支路。
[0056]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
【權(quán)利要求】
1.一種多電池電芯電量均衡系統(tǒng)，包括多個串聯(lián)的單體電池，其特征在于，該系統(tǒng)包括: 補(bǔ)償電池，用于對電池回路中的單體電池進(jìn)行充放電； 開關(guān)選擇通道電路，一端與所述補(bǔ)償電池連接，一端分別與所述單體單池連接，根據(jù)單體電池的電量，選擇對補(bǔ)償電池進(jìn)行充電或者對單體電池放電； 第一電池電壓采樣電路，與所述補(bǔ)償電池連接，用于采集補(bǔ)償電池的電量信息； 第二電池電壓采樣電路，與所述單體電池連接，用于采集每個單體電池的電量信息； 電池短路保護(hù)電路，與所述第二電池電壓采樣電路連接，用于保證補(bǔ)償電池在一段時間內(nèi)與一個單體電池并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電池電芯電量均衡系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)選擇通道電路包括依次連接的單片機(jī)、驅(qū)動保護(hù)電路、驅(qū)動光耦和雙向開關(guān)，所述單片機(jī)通過驅(qū)動保護(hù)電路輸出驅(qū)動信號至光耦驅(qū)動，經(jīng)光耦驅(qū)動進(jìn)行放大和增強(qiáng)驅(qū)動能力，光耦輸出信號驅(qū)動雙向開關(guān)，使雙向開估對應(yīng)的電流支路導(dǎo)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電池電芯電量均衡系統(tǒng)，其特征在于，所述電池短路保護(hù)電路采用四個輸入非門和四個四輸入與門實現(xiàn)。
4.一種單電池電芯補(bǔ)償多電芯的電量均衡方法，其特征在于， 該均衡方法包括如下步驟: 1)第一和第二電池電壓采樣電路分別采集補(bǔ)償電池和每個單體電池的電量信息； 2)對單體電池的電量進(jìn)行判斷，確定是否對其充電或者放電。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種單電池電芯補(bǔ)償多電芯的電量均衡方法,其特征在于，所述步驟2中對單體電池的電量進(jìn)行判斷時， 采用輪流檢測串聯(lián)電池電芯方式，并對所有電芯電壓進(jìn)行電量大小排序，當(dāng)被測某個單體電池的電量低于設(shè)定值時，開關(guān)選擇通道電路選擇一個補(bǔ)償電池對單體電池充電；如果有多個單體電池電量低于設(shè)定值，則選取電量最小的進(jìn)行充電； 采用輪流檢測串聯(lián)電池電芯方式，并對所有電芯電壓進(jìn)行電量大小排序，當(dāng)被測某個單體電池的電量高于設(shè)定值時，開關(guān)選擇通道電路選擇一個補(bǔ)償電池與該超過設(shè)定值的電池進(jìn)行并聯(lián)，由單體電池對補(bǔ)償電池進(jìn)行放電；如果有多個單體電池電量高于設(shè)定值，則選取電量最高的進(jìn)行充電； 如果同時有高于設(shè)定值和低于設(shè)定值得電池，則先處理高于設(shè)定值的電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種單電池電芯補(bǔ)償多電芯的電量均衡方法,其特征在于，所述對單體電池進(jìn)行充電或放電的時間設(shè)定為N分鐘，當(dāng)N分鐘達(dá)到時，不管充放電是否完成，都進(jìn)入重新輪流檢測串聯(lián)電池電芯的電量。
【文檔編號】H01M10/42GK103944226SQ201410155851
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】高強(qiáng), 張岳 申請人:北京九高科技有限公司