專利名稱：一種高精度鋰電池模組電壓均衡方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋰電池模組的充放電技術，具體是一種高精度鋰電池模組電壓均衡方法。
背景技術：
鋰電池安全充電問題是鋰電池應用領域的主要挑戰(zhàn)之一，因為鋰電池的特性決定其不能被過充，當電池兩端電壓超過一定的上限就會產(chǎn)生安全隱患，充電不足又會降低電池的實際容量。實際應用中人們常常需要把多節(jié)鋰電池串聯(lián)起來使用，以提高電池模組工作電壓。在對鋰電池模組充電時，會通過電源管理系統(tǒng)(BMS)監(jiān)測每一個鋰電池電壓，當檢測到任何一個鋰電池電壓達到滿充條件時，BMS系統(tǒng)會立即切斷充電電流。為了確保電池模組中全部鋰電池在充電過程中能夠同時達到滿充電壓狀態(tài)，需要在充電過程中，對電池模組中鋰電池電壓進行均衡處理，使鋰電池之間的充電狀態(tài)保持一致。目前大部分鋰電池模組采用的均衡的方法是比較電池模組中BMS系統(tǒng)測量到的各個鋰電池之間的電壓，當鋰電池之間的電壓差超過一個預定值的時候，BMS系統(tǒng)會發(fā)出指令，指示電壓較高的鋰電池將多余的電量通過旁路電阻以熱的形式釋放掉(被動式均衡)，或者將電壓較高的鋰電池的電量，轉(zhuǎn)移到電池模組中其它電壓比較低的鋰電池中(主動均衡)。主動式均衡不僅可以在充電過程中實施，同樣可以在放電過程中實施電壓均衡動作。在放電過程中，同樣可以通過鋰電池之間的電量轉(zhuǎn)移的方法，保持各鋰電池之間的電壓一致。這種全程均衡技術，有可能成為未來鋰電池模組發(fā)展的主流技術。在上述鋰電池電壓均衡技術中，是否能夠精確測量鋰電池模組中每個鋰電池的電壓非常關鍵。目前實際使用的BMS系統(tǒng)中，大部分采用N+1的方法測量鋰電池電壓，所謂N+1方法就是N個鋰電池串接在一起的時候，連接N+1根測量線就可以測量全部鋰電池的電壓。圖 I為N個鋰電池串接起來組成的鋰電池模組，并采用N+1的電壓測量方法進行電壓測量信號線的連接，N個電池共使用N+1根信號測量線。用這種方法測量到的每個鋰電池電壓實際上是鋰電池電壓E與降落在串聯(lián)電阻R上的電壓IR的疊加效果，其中I為流經(jīng)鋰電池模組的電流。在鋰電池模組的容量比較小的時候，電池之間的連接也比較簡單，串聯(lián)電阻R也因此比較小，充電電流也不高，串聯(lián)電阻壓降IR可以忽略不計。但隨著鋰電池模組在動力系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)的應用越來越多，電池模組的容量也在不斷提高，電池之間的連接電阻也在改變，充放電電流也在快速增加，因此在鋰電池模組電壓均衡過程中，串聯(lián)電阻對鋰電池電壓測量的影響必須加以考慮。在“鋰電池組節(jié)拍測控型均衡充電方法”發(fā)明專利(專利號 CN 10188799A)中，提出在對充電的電壓均衡過程中每次測量鋰電池電壓時，用斷開充電電流(I = O)的方法來消除串聯(lián)電阻的影響。上述這種電壓測量方法，雖然可以消除串聯(lián)電阻對電壓測量的影響，但因為在每次測量時，都需要將通過鋰電池的電流降為0，因此在放電過程無法實施，無法應用在全程主動式均衡技術上；而且在容量比較大的鋰電池模組應用中，充電電流比較大，如果每次測量都需要切斷充電電流，在具體實施上也比較困難。因此發(fā)明一種新的能夠消除串聯(lián)電阻影響的鋰電池電壓測量方法對實施鋰電池的電壓均衡至關重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種高精度鋰電池模組電壓均衡方法，消除鋰電池模組回路中串聯(lián)電阻對均衡電壓判斷的影響。按照本發(fā)明提供的技術方案，所述高精度鋰電池模組電壓均衡方法如下首先在輸入恒定電流為I1時測量串聯(lián)回路中每個鋰電池的電壓vn，i = I N，然后將輸入的恒定電流改變?yōu)镮2，以同樣的方法測量電流改變后每個鋰電池的電壓Vi2，測量到的第i個鋰電池的電壓Vil和Vi2實際上是第i個鋰電池電壓Eil和Ei2與串聯(lián)電阻Ri上壓降的疊加效果，即Vil = EiJI1Ri, Vi2 = EiJI2Ri(I)兩次測量的電壓差為Vil-Vi2 = Eil-Ei2+(I1-I2) Ri(2)上述兩次測量的時間間隔短到能夠近似認為電池的電壓在兩次測量之間沒有變化，即Eil = Ei2，那么公式⑵簡化為Vil-Vi2 = (I1-I2)Ri(3)由(3)式得到串聯(lián)電阻Ri Ri= (Vil-Vi2) / (I1-I2)(4)利用上述方法得到全部N個鋰電池相關的串聯(lián)電阻；串聯(lián)電阻測量完成以后，將電流回復到I1，繼續(xù)正常的充電過程；在后續(xù)的鋰電池電壓均衡過程中，利用測量到的串聯(lián)電阻Ri對第i個鋰電池的電壓進行校準，在充電過程中校準公式為Ei = Vi-IRi ；(5)在放電過程中校準公式為Ei = VJIRp(6)其中測量串聯(lián)電阻的流程可以在充電或放電的階段來實施，甚至可以在電池模組停止工作的時候進行，只要能夠在鋰電池模組串聯(lián)回路中輸入所述的兩種不同的恒定電流 I1和I2，并對全部鋰電池的電壓進行測量即可。在鋰電池電壓測量的校準過程中使用到的串聯(lián)電阻值，可以在每個充放電循環(huán)過程中都進行I次或多次測量，也可以多次充放電循環(huán)以后才進行測量。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明除了簡單實用的特點以外，它不僅可以應用于鋰電池充電電壓均衡過程，也可以應用在主動式電壓均衡的放電均衡過程中，實現(xiàn)充放電全過程的電壓均衡。另外，測量到的鋰電池模組中串聯(lián)電阻本身也是監(jiān)控電池模組性能變化的一個重要指標參數(shù)。


圖I :現(xiàn)有技術中鋰電池模組與電壓測量電路示意圖。圖2 :本發(fā)明鋰電池模組中串聯(lián)電阻測量流程圖。圖3 :鋰電池模組中串聯(lián)電阻測量的電流曲線。
圖4(a):常規(guī)鋰電池模組充電電流與電壓曲線。
圖4(b):本發(fā)明帶串聯(lián)電阻校準功能的鋰電池模組中的鋰電池充電電流與電壓曲線。
圖5:鋰電池電源管理系統(tǒng)(BMS)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6:智能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7:鋰電池模組充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。我們只要在兩種不同的流經(jīng)鋰電池模組電流下，測量每個鋰電池的電壓，通過每個鋰電池在高低電流下的電壓差，就可以計算得到鋰電池模組回路中影響電池電壓測量值的串聯(lián)電阻大小。利用該串聯(lián)電阻，可以計算出任何電流下串聯(lián)電阻對鋰電池電壓測量的影響，然后通過校準的方法，消除串聯(lián)電阻對鋰電池電壓測量的影響，正確判斷鋰電池均衡電壓。圖I為鋰電池模組I示意圖，電流回路從正極輸出端口 2至負極輸出端口 7，在電流回路中除了串接的N個鋰電池4以外，還存在由連接導線引起的串聯(lián)電阻3。外接的電壓測量電路通過電壓測量信號線輸出端5與電壓信號采集線6測量鋰電池4電壓。圖2為本發(fā)明中測量串聯(lián)電阻3的操作流程，圖3為對應的電流曲線。只要在電池模組的電流回路中先輸入恒定電流I1，在電流I1下測量每個鋰電池4的電壓Vil (i = I至 N);然后將恒定電流改變?yōu)镮2，在電流I2下測量每個鋰電池4的電壓Vi2(i = I至N)。通過上述測量到參數(shù)，就可以計算出鋰電池模組I電流回路中影響鋰電池4電壓測量的全部串聯(lián)電阻3，并利用該串聯(lián)電阻3，可以在后續(xù)的電壓均衡過程中對測量到的鋰電池電壓進行校準，消除串聯(lián)電阻3對鋰電池4電壓測量的影響。圖2所示的測量串聯(lián)電阻3的流程可以在充電或放電的階段來實施，甚至可以在電池模組停止工作的時候進行，只要能夠在鋰電池模組串聯(lián)回路中輸入如圖3所示的兩種不同的恒定電流，并對全部鋰電池4電壓進行測量即可。下面我們就以在常規(guī)鋰電池恒流充電階段進行串聯(lián)電阻3測量為例，介紹本發(fā)明的理論基礎。常規(guī)鋰電池4充電一般分為恒流-恒壓兩個不同的階段，先用恒定電流的方式對鋰電池模組I進行充電，恒流充電過程中鋰電池4的電壓會持續(xù)上升；在鋰電池4的電壓達到允許的最大電壓Vmax后，改為用恒定電壓方式繼續(xù)充電，恒壓充電過程中鋰電池4的充電電流會持續(xù)下降。當充電電流下降至一個預先設定的截止電流Is的時候，表示鋰電池模組 I已經(jīng)充電完畢，停止充電過程。圖4(a)為常規(guī)恒流-恒壓鋰電池充電過程中單個鋰電池的電流與電壓變化曲線。圖4(b)為本發(fā)明中帶串聯(lián)電阻3測量校準功能的鋰電池模組I中單個鋰電池的電壓與電流的變化曲線。一般我們會選擇在鋰電池模組進行恒流充電一段時間以后，鋰電池電壓隨充電時間的變化相對比較緩慢的區(qū)域進行串聯(lián)電阻測量。在進行串聯(lián)電阻測量時，首先會在電池恒定充電電流I1下測量電池模組中全部N個鋰電池的電壓Vn(i = I至N)，然后將恒定充電電流改變?yōu)?2，以同樣的方法測量電流改變后全部N個鋰電池的電壓Vi2(i = I至N)。由圖I可以發(fā)現(xiàn)，此時測量到的電池i的電壓Vil和Vi2實際上是第i個鋰電池電壓Eil和Ei2 與串聯(lián)電阻Ri上壓降的疊加效果。Vil = EiJI1Ri, Vi2 = EiJI2Ri(I)兩次測量的電壓差為Vil-Vi2 = Eil-Ei2+(I1-I2) Ri(2)由于上述兩次測量的時間間隔非常短，一般為幾十毫秒之幾百毫秒之間，可以近似認為鋰電池4的電壓在兩次測量之間沒有變化，即Eil = Ei2，那么公式⑵可以簡化為Vil-Vi2 = (I1-I2)Ri(3)由⑶式可以得到串聯(lián)電阻Ri Ri=(Vil-Vi2)Z(I1-I2)(4)利用上述方法可以得到全部N個鋰電池相關的串聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻3測量完成以后，就可以將電流回復到I1，如圖4(b)中所顯示的那樣，繼續(xù)正常的充電過程。在后續(xù)的鋰電池電壓均衡過程中，就可以利用測量到的串聯(lián)電阻Ri對第i個鋰電池4的電壓進行校準，在充電過程中校準公式為Ei = Vi-IRi(5)在放電過程中校準公式為Ei = VJIRi(6)在實際應用中，鋰電池本身還有一定的內(nèi)阻，我們實際測量到的串聯(lián)電阻應該是電流回路中測量該鋰電池電壓的兩根信號線之間的全部串聯(lián)電阻，其中包括了鋰電池內(nèi)阻。上述鋰電池電壓測量的校準過程中使用到的串聯(lián)電阻值，可以在每個充放電循環(huán)過程中都進行I次或多次測量，也可以多次充放電循環(huán)以后才進行測量。也就是說，串聯(lián)電阻的測量頻率可以根據(jù)需要來選擇，并非每個充放電循環(huán)都必須要進行校準，可以根據(jù)實際要求來定。本發(fā)明的具體實施方法是在兩種不同電流下測量全部鋰電池4的電壓，并通過公式⑷計算出相應的串聯(lián)電阻3，在均衡過程中可以利用這些串聯(lián)電阻3對測量到的鋰電池 4電壓值進行修正，消除串聯(lián)電阻3對鋰電池4電壓測量的影響，達到精確控制鋰電池4之間電壓均衡的目的。下面是具體實施本發(fā)明的一種方案，該方案在充電過程中進行串聯(lián)電阻測量，并在電壓均衡過程中對鋰電池電壓進行校準。本方案實施例包括3個主要部分鋰電池模組、鋰電池電源管理系統(tǒng)(BMS)與智能充電系統(tǒng)。圖5為鋰電池電源管理系統(tǒng)(BMS)8示意圖。充電時BMS系統(tǒng)8通過充電器正極接口 11及負極接口 12與充電器連接。BMS系統(tǒng)8的電流測量電路19通過電流檢測電阻 20測量充電電流，并將測量到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以后轉(zhuǎn)送給微處理器16。微處理器會根據(jù)預先設定的標準判斷電流是否正常，如果發(fā)現(xiàn)電流異常，微處理器會指示電池保護控制電路14關斷充放電保護開關13，切斷充電電流，保護鋰電池4安全。BMS系統(tǒng)8的信號輸入端17也會與鋰電池模組I中的鋰電池4的電壓信號采集線6連接，通過其電壓測量電路18測量全部鋰電池4的電壓，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以后傳送給微處理器16。微處理器 16會比較全部鋰電池4之間的電壓差，如果電壓差超過一個預先設定的值，微處理器16將會指示均衡控制電路15啟動均衡電路18，對鋰電池模組I進行電壓均衡，確保電池模組中各個鋰電池4之間保持電壓均衡。此外BMS系統(tǒng)微處理器16還可以通過通訊接口 21向外部設備發(fā)送指令或接受外部設備的指令。圖6為智能充電系統(tǒng)示意圖，外部交流電由AC電源輸入端23接入，經(jīng)整流與變壓電路24將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，調(diào)節(jié)及開關電路25可定量調(diào)節(jié)直流電的電壓大小。在恒流充電階段，調(diào)節(jié)及開關電路25將調(diào)整后的直流電送到恒流源26，恒流源會以恒定電流的方式將直流電輸送到轉(zhuǎn)換及檢測電路30，最后經(jīng)由充電器的輸出端27輸出。在恒壓充電階段，調(diào)節(jié)及開關電路25將調(diào)整后的直流電直接輸送到轉(zhuǎn)換及檢測電路30，經(jīng)由充電器的輸出端27輸出。檢測電路30會測量輸出電源的電壓與電流，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以后傳送到充電系統(tǒng)的微處理器31中，微處理器31可以通過調(diào)節(jié)及開關電路來調(diào)整輸出直流電源的電壓或電流大小。另外，充電器微處理器31可以通過通訊接口 32向外部設備發(fā)送或接受指令。圖7為鋰電池模組I充電系統(tǒng)示意圖。外部交流電源33輸入至智能充電系統(tǒng)22 的AC電源輸入端，充電系統(tǒng)22將交流電轉(zhuǎn)換成所需要的直流電源，經(jīng)由充電系統(tǒng)22的輸出端27轉(zhuǎn)送至BMS系統(tǒng)8連接充電器的正極接口 11與負極接口 12。BMS系統(tǒng)通過連接電池模組的正極接口 9與負極接口 10將充電直流電源傳送至鋰電池模組I，對鋰電池4進行充電。充電過程中BMS系統(tǒng)8會通過電流測量電路19監(jiān)測充電電流，通過電壓測量電路18 監(jiān)測充電電源的總電壓與鋰電池模組I中每個鋰電池4的電壓，并會在出現(xiàn)過電流或者過電壓的時候通過充放電保護開關13切斷充電電源,保護鋰電池模組I中的鋰電池4。鋰電池的充電過程大部分都采用如上所述的恒流-恒壓模式。為了確保鋰電池模組I中全部鋰電池4在充電過程中能夠同時達到滿充狀態(tài)，一般需要在充電過程中，對電池模組I中鋰電池4進行電壓均衡處理，使鋰電池4之間的充電狀態(tài)保持一致。在多數(shù)BMS 系統(tǒng)中，會設定一個均衡啟動電壓，該電壓小于鋰電池模組I允許的最大電壓Vmax。當鋰電池模組I的總電壓達到Vtt 時，BMS系統(tǒng)8中的微處理器16就會開始比較通過電壓測量電路18測量出的全部鋰電池4電壓，并計算出鋰電池4電壓的最大值與最小值之間的差差異如果Λ V 超過一個預先設定值Λ Vffia的時候，BMS系統(tǒng)8就會指示均衡控制電路15，開啟均衡電路18，使得電壓較高的鋰電池4將多余的電量通過旁路電阻以熱的形式釋放掉(被動式均衡)，或者轉(zhuǎn)移到鋰電池模組I中其它電壓比較低的鋰電池4中(主動均衡)。在上述均衡過程中，正確測量各個鋰電池4電壓至關重要。但是由圖I可以發(fā)現(xiàn)， 實際測量到的第i個鋰電池4的電壓是鋰電池4本身的電壓Ei與串聯(lián)電阻3上電壓降IRi 的疊加結(jié)果。在串聯(lián)電阻3 (Ri)與充電電流I比較大的時候，串聯(lián)電阻3的影響尤為突出。為了消除串聯(lián)電阻3( )對均衡電壓測量的影響，我們會在恒流充電并且總電壓小于均衡啟動電壓Vtt 的時候，利用圖2中的流程測量出每個鋰電池4對應的串聯(lián)電阻 3 (Ri),然后在測量均衡電壓的時候利用公式(5)對串聯(lián)電阻3的影響進行校準。首先，會在BMS系統(tǒng)8中預設一個校準啟動電壓V，該電壓小于均衡啟動電壓V im。在恒流充電過程中，當BMS系統(tǒng)8微處理器16檢測到的鋰電池模組I總電壓達到乂8 |的時候，BMS系統(tǒng)8微處理器16就會記錄該時刻電流測量電路19測量到的充電電流(I1)與電壓檢測電路18測量到的全部鋰電池4電壓Vil (i = I至N)。數(shù)據(jù)記錄完畢以后，BMS系統(tǒng)8微處理器16會通過通訊端口 21發(fā)送指令至智能充電系統(tǒng)22的微處理器31，將充電系統(tǒng)輸出的恒定電流調(diào)整至I2。在充電系統(tǒng)22電流調(diào)整完畢以后，BMS系統(tǒng)8會記錄通過電流測量電路 19測量到的充電電流(I2)，與通過電壓測量電路18測量到的全部鋰電池4電壓Vi2(i = I 至N)。BMS系統(tǒng)8中的微處理器16會根據(jù)上述測量得到的參數(shù)Ip I2、Vn與Vi2，利用公式
(4)計算出全部N個鋰電池4所對應的串聯(lián)電阻3Ri(i = I至N)，并將該組數(shù)據(jù)存儲在微處理系統(tǒng)16中。串聯(lián)電阻3測量完畢以后，BMS系統(tǒng)8微處理器16會發(fā)送指令至充電系統(tǒng)22微處理器31，將充電系統(tǒng)的恒定充電電流調(diào)節(jié)回正常的恒定充電電流I1，繼續(xù)正常的恒定充電過程。當充電電壓到達均衡開啟電壓乂_的時候，BMS系統(tǒng)接收到電壓測量電路18測量到的鋰電池4電壓以后，首先會利用公式(5)對每個鋰電池4的電壓進行校準，在消除串聯(lián)電阻3對測量電壓的影響以后，再計算鋰電池4之間的電壓差值AVw,根據(jù)AVw值的大小判斷是否需要進行放電或電量轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)對鋰電池模組I均衡電壓的精確測量。如果BMS系統(tǒng)8采用全程均衡方式，在充電的時候，還是使用公式(5)對鋰電池4 測量電壓進行校準；但是在放電過程中，需要使用公式(6)對鋰電池4測量電壓進行校準， 以消除串聯(lián)電阻的影響。
權(quán)利要求
1.一種高精度鋰電池模組電壓均衡方法，其特征是首先在輸入恒定電流為I1時測量串聯(lián)回路中每個鋰電池的電壓vn，i = I N，然后將輸入的恒定電流改變?yōu)镮2，以同樣的方法測量電流改變后每個鋰電池的電壓Vi2，測量到的第i個鋰電池的電壓Vil和Vi2實際上是第i個鋰電池電壓Eil和Ei2與串聯(lián)電阻Ri上壓降的疊加效果，即Vil = Ei^I1Ri, Vi2 = Ei^I2Ri(I)兩次測量的電壓差為Vil-Vi2 = Eil-E^(IrI2)Ri(2)上述兩次測量的時間間隔短到能夠近似認為電池的電壓在兩次測量之間沒有變化，即 Eil = Ei2，那么公式⑵簡化為Vil-Vi2 = (I1-I2)Ri(3)由(3)式得到串聯(lián)電阻Ri:Ri = (Vil-Vi2)Z(I1-I2)(4)利用上述方法得到全部N個鋰電池相關的串聯(lián)電阻；串聯(lián)電阻測量完成以后，將電流回復到I1，繼續(xù)正常的充電過程；在后續(xù)的鋰電池電壓均衡過程中，利用測量到的串聯(lián)電阻Ri對第i個鋰電池的電壓進行校準，在充電過程中校準公式為Ei = Vi-IRi ；(5)在放電過程中校準公式為Ei = VfIRp(6)
2.如權(quán)利要求I所述的高精度鋰電池模組電壓均衡方法，其特征是，其中測量串聯(lián)電阻的流程能夠在充電或放電的階段來實施，也能在電池模組停止工作的時候進行，只要能夠在鋰電池模組串聯(lián)回路中輸入所述的兩種不同的恒定電流I1和I2，并對全部鋰電池的電壓進行測量即可。
3.如權(quán)利要求I所述的高精度鋰電池模組電壓均衡方法，其特征是，在鋰電池電壓測量的校準過程中使用到的串聯(lián)電阻值，能在每個充放電循環(huán)過程中都進行I次或多次測量，也能在多次充放電循環(huán)以后才進行測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度鋰電池模組電壓均衡方法，在兩種不同電流下測量全部鋰電池的電壓，并通過公式Ri＝(Vi1-Vi2)/(I1-I2)計算出相應的串聯(lián)電阻，在均衡過程中可以利用這些串聯(lián)電阻對測量到的鋰電池電壓值進行修正，消除串聯(lián)電阻3對鋰電池4電壓測量的影響，達到精確控制鋰電池4之間均衡的目的。其優(yōu)點是本發(fā)明除了簡單實用外，它不僅可以應用于鋰電池充電電壓均衡過程，也可以應用在主動式電壓均衡的放電均衡過程中，實現(xiàn)充放電全過程的電壓均衡。另外，測量到的鋰電池模組中串聯(lián)電阻本身也是監(jiān)控電池模組性能變化的一個重要指標參數(shù)。
文檔編號H02J7/00GK102593917SQ20121006260
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者郭寶誠, 金鷹 申請人:無錫新緯電池有限公司