分流均衡充電方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種蓄電池中各個單體電池的分流均衡充電方法，將串聯(lián)電池組中的每個電池單體各并聯(lián)一個分流裝置，所有的分流裝置均連接檢測電路，檢測電路和所有的分流裝置均連接于控制電路，充電過程中，檢測電路檢測電池組總電壓與各電池單體電壓，將各電池單體電壓與平均單體電壓進行比較，確定出比平均單體電壓高的電池單體；控制電路啟動并聯(lián)于比平均單體電壓高的電池單體的分流裝置，給這部分電池單體的充電電流分流，直到這部分電池單體電壓與平均單體電壓相等；本發(fā)明在充電一開始時就對單體電壓偏高的單體進行減少充電電流的均衡動作，整個充電過程不會產生過充或多充后再放出來消耗掉或轉移到其它單體的問題，均衡速度快，均衡效果好。
【專利說明】分流均衡充電方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及蓄電池領域，具體涉及蓄電池中各個單體電池的均衡充電方法。
【背景技術】
[0002]蓄電池由多個單體電池串聯(lián)組成，蓄電池組由多個蓄電池串聯(lián)組成，已廣泛地應用在交通、電力、通信等領域的電子設備中。實踐表明，蓄電池組的壽命遠遠低于單體電池的壽命，最根本的原因就是在充電設備對蓄電池組充電式時，流過各個單體電池的電流大小相同，然而由于單體電池的容量存在差異，在以相同的充電電流充電時，會造成有的單體電池未充滿，而有的單體電池過沖的現(xiàn)象，也就是造成單體電池充電不均衡，嚴重降低了蓄電池組的壽命。
[0003]現(xiàn)有的充電均衡器能夠有效彌補在充電過程中不一致性，最大限度地發(fā)揮電池的效用，延長電池的使用壽命。常見的充電均衡器有如下幾種:
(I)被動放電式充電均衡器。這種充電均衡器利用電池管理系統(tǒng)(BMS)檢測充電機在充電過程中的單體電池電壓，檢測到端電壓較高的單體電池，則閉合相應的開關，將負載接入為單體電池放電，直到其兩端電壓與其余單體電池電壓接近為止。這種充電均衡器，優(yōu)點是結構簡單，容易實現(xiàn)；缺點是比較耗能，充電機的輸出能量不能充分得到利用，有一部分被消耗在無用的負載上，相當于部分單體電池多充后能量再被放出來損耗掉。
[0004](2)高放低充式充電均衡器。這種充電均衡器由放電裝置和充電裝置共同組成，利用BMS檢測充電過程中的單體電池電壓，檢測到端電壓較高的單體電池則閉合相應的開關，同時為端電壓低的單體電池補充充電直到與其他單體電壓接近為止。這種充電均衡器，優(yōu)點是單體電池有充有放，相對減少了部分能量損耗；缺點是控制比較復雜，同時也有不必要的能量損耗，同樣有部分單體電池多充后能量再被放出來損耗掉。
[0005](3)電容切換式充電均衡器。這種充電均衡器，利用電容在蓄電池組問來回切換實現(xiàn)電壓均衡充放電，通過單刀雙擲的雙向開關進行切換。每個電容都與相鄰的兩個蓄電池相連。切換過程中，電壓發(fā)生轉化，向蓄電池釋放或者吸收能量，最終達到相鄰兩個單體蓄電池的容量一致的目的。這種方法優(yōu)點是不用消耗能量，效率較高；缺點是這種方法由于引進電容，所以均衡頻率受到一定限制。另外，單刀雙擲開關的實現(xiàn)比較復雜。同樣存在部分電池單體多充后再被放出來轉移到欠充的電池單體，轉移過程中同樣會再次造成能量損耗。
[0006](4)放電平衡式均衡充電機。以最低單體電壓為基準，高于這個基準的單體電池則閉合相應的開關，為其放電，直至電壓等于最低的單體電池電壓，這時，所有閉合的開關都打開，充電機為串聯(lián)電池組以相同的電流充電，單體電池的電壓自動平衡。這種方法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是電壓檢測電路較復雜，電池能量得不到充分利用。同樣存在部分電池單體多充后再被放出來損耗掉了。
[0007](5)高放低充均衡充電機。每兩個相鄰的單體電池之間都有一個雙向充電器，當檢測到某一單體電池低壓低于相鄰的單體電池電壓時，雙向充電器開始工作，由單體電壓高的單體電池提供能量，為電壓較低的單體電池補充充電，由于相鄰的單體電池間都有一個雙向充電器，所以當電壓不均衡時，雙向充電器自動開始工作，電壓高的為電壓低的補充充電，最終達到單體電池電壓均衡的效果。這種方式的優(yōu)點顯而易見，充電效率較高，能量損耗?。蝗秉c是雙向充電器的控制很復雜，成本較高。
[0008](6)其他常見的均衡充電機。其他的均衡充電器還包括分體充電,分時分序充電，MCU控制的均衡充電等等。這些均衡方法或設備均存在著部分電池單體多充后再被放出損耗掉或轉移到欠充的部分單體中，存在二次轉移時的能量損耗，同時每次充電時或充電后多充的電池單體先被充入再放出也會影響電池充電循環(huán)壽命。另外，這些均衡充電器都是以一個均衡范圍作為單體電池電壓偏高或偏低的依據，但在電池充電過程中單體電壓變化范圍是較大的，這種固定均衡范圍作為均衡依據的方法只能在充電后期或充電完成后進行，會增加整體充電均衡的時間，或導致均衡時間較短，影響均衡效果。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的是為解決目前電池均衡方法中存在的部分電池單體多充后再被放出損耗掉或轉移到欠充的部分單體中存在二次轉移時的能量損耗，同時每次充電時或充電后多充的電池單體先被充入再放出也會影響電池充電循環(huán)壽命的問題，同時能解決以一個均衡范圍作為單體電池電壓偏高或偏低的依據，但在電池充電過程中單體電壓變化范圍是較大的，這種固定均衡范圍作為均衡依據的方法只能在充電后期或充電完成后進行，影響均衡效果問題，從而提出一種新型的分流均衡充電方法。
[0010]本發(fā)明的技術方案是采用如下步驟:
(I)將串聯(lián)電池組中的每個電池單體各并聯(lián)一個分流裝置，所有的分流裝置均連接檢測電路，檢測電路和所有的分流裝置均連接于控制電路，由充電機對串聯(lián)電池組充電。
[0011](2)充電過程中，檢測電路檢測電池組總電壓Vb與各電池單體電壓Vi，并將總電壓Vb與各電池單體電壓Vi輸入控制電路，以電池組總電壓Vb除以單體總數(shù)得到電池組在充電過程中相同時間內的平均單體電壓Va ;將各電池單體電壓Vi與平均單體電壓Va進行比較，確定出比平均單體電壓Va高的電池單體。
[0012](3)控制電路啟動并聯(lián)于所述比平均單體電壓Va高的電池單體的分流裝置，控制這些分流裝置減少與其并聯(lián)的電池單體的充電電流，給這部分電池單體的充電電流進行分流，直到這部分電池單體電壓Vi與平均單體電壓Va相等時，停止分流裝置。
[0013]本發(fā)明采用上述技術后，與常見的電池充電均衡器的充電均衡方法相比，具有以下優(yōu)點:
1、本發(fā)明的均衡過程是在整個充電過程中進行，在充電一開始時就對單體電壓偏高的單體進行減少充電電流的均衡動作，因此在整個充電過程中單體都不會存在過充現(xiàn)象，也不會產生過充或多充后再放出來消耗掉或轉移到其它單體的問題。
[0014]2、由于本發(fā)明采用電池平均單體電壓作為判斷基準，可同時對較多的單體進行分流均衡，分流均衡的電流與單體電壓和平均單體電壓的差值成正比，因此均衡速度快；同時由于各單體均衡的基準是相同的，因此均衡效果較好。
[0015]3、本發(fā)明由于采用動態(tài)的基準電壓(電池平均單體電壓)給各個均衡單元(分流裝置)，因此可以在整個充電過程中精確進行分流均衡，均衡時間長，均衡單元的功率可以比較小。
[0016]4、在本發(fā)明均衡方法中，由于不存在多充或過充，部分單體的被分流電流(或能量)可直接返回到電池組或其它電池單體中，提高充電效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明所述電池分流均衡方法所采用的電路結構框圖；
圖2是本發(fā)明所述電池分流均衡方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]參見圖1所示，BI，B2，......，BN是串聯(lián)電池組中的電池單體，充電機并接串聯(lián)電
池組，對串聯(lián)電池組充電。每個電池單體BI，B2，……，BN均并聯(lián)一個分流裝置，所有的分流裝置均連接檢測電路，檢測電路和所有的分流裝置分別連接于控制電路。每個分流裝置均由分流電路和與分流電路串接的開關組成，與電池單體B1，B2，……，BN并聯(lián)的分流裝置中的開關分別是開關SI，S2，……，SN。
[0019]分流裝置可以是恒流源、DC/DC轉換電路、電阻、其它類型的能量轉換裝置。DC/DC轉換電路可以是正激式、反激式、單橋、全橋、LLC、推挽、升壓、BUCK-B00ST等電路。
[0020]整個均衡充電過程可用模擬數(shù)字電路進行控制，也可利用包含有單片機或相關的MCU的電路通過軟件進行控制。
[0021]再參見圖2所示 ，整個分流均衡充電過程如下:
1、開始時，充電機正常給電池組充電。
[0022]2、在電池充電過程中，在各個電池單體電壓都在正常范圍內時，由檢測電路對電池組的充電電壓進行檢測取樣，檢測取樣到電池組總電壓Vb與各電池單體電壓Vi，并輸入控制電路，控制電路接受檢測電路輸來的電池組總電壓Vb與各電池單體電壓Vi，計算出電池組在充電過程中相同時間內的平均單體電壓Va，平均單體電壓Va為電池組總電壓Vb除以單體總數(shù)得到。以平均低單體電壓Va作為控制各開關SI，S2，……，SN的動態(tài)電壓基準。將各電池單體電壓Vi與平均單體電壓Va逐個地進行比較，確定出比平均單體電壓Va高的電池單體，控制電路啟動并聯(lián)于比平均單體電壓Va高的電池單體的分流裝置，控制這些分流裝置減少這部分電池單體的充電電流，給這部分電池單體的充電電流進行分流，直到它們的電壓與平均單體電壓Va相等時，并聯(lián)的分流裝置才停止工作。
[0023]各個已工作的分流裝置的工作電流與它們的單體電壓Vi和平均單體電壓Va之差成正比，差越大，與這個電池單體并聯(lián)的分流裝置所分流的電流也越大。
[0024]分流裝置所分流的能量可以通過DC/DC模塊回饋給電池組充電。
[0025]3、當分流的這部分電池單體中的某個電池單體的電壓經分流一段時間后與平均單體電壓Va相等時，控制電路再控制與所述某個電池單體并聯(lián)的分流裝置停止工作，此時充電機仍可能給電池組繼續(xù)充電，當有任一電池單體電壓Vi在充電過程中不斷上升，到達單體保護電壓Vol保護點時，均衡充電停止；當電池組總電壓Vb到達電池組保護電壓Vo2保護點時，均衡充電停止；由于在整個充電過程中通過分流裝置一直在維持各單體電壓Vi在整個充電過程中保持一致，則充電結束后，各單體電壓Vi就自然達到均衡目的。
[0026]在分流充電過程中，平均單體電壓Va并不是固定不變而是變化的，平均單體電壓Va會隨著充電機給電池組充電整體電壓變化而變化，被分流的電池單體不是固定的，當任何單體電壓高于平均單體電壓Va時，與之并聯(lián)的分流裝置都會啟動并對本單體的充電電流進行分流。當充電過程中出現(xiàn)各個單體電壓均達到平均單體電壓Va時，分流裝置停止工作，充電機仍給電池組繼續(xù)充電，
4、當電池組總電壓Vb到達電池組電壓上限保護點時，充電停止，分流均衡也停止，或者在充電后期，當平均單體電壓Va在充電過程中不斷上升，到達單體電壓保護點時，充電停止，分流均衡也停止。由于在整個充電過程中通過分流裝置一直在維持各單體電壓在整個充電過程中保持一致，則充電結束后，各單體電壓就自然達到均衡目的。
[0027]這樣，在電池充電過程中，每個電池單體都會在單體電壓Vi高于平均單體電壓Va時被分流小部分充電電流，使單體電壓Vi偏高(通常在充電情況下單體電壓偏高的電池單體它的容量也會偏高)的部分單體的充電電流被減少，單體電壓偏低(通常在充電情況下單體電壓偏低的電池單體它的容量也會偏低)的部分單體的充電電流因沒有被減少而獲得更多的充電容量；這樣每個單體電池的電壓與平均單體電壓的壓差逐漸縮小，直至壓差為零，這樣也就完成了串聯(lián)電池組的均衡。
[0028]在電池充電過程中，檢測電池組每個單體的電壓，根據這個單體電池電壓與電池組在充電過程中相同時間內的平均單體電壓(同時作為各個單體補充充電模塊的動態(tài)基準電壓)進行比較，平均單體電壓為電池組總電壓除去單體總數(shù)，對于單體實際電壓比平均單體電壓低的單體進行補充充電(均衡充電:通過含有DC/DC電路的補充充電單元模塊)，對于單體實際電壓比平均單體電壓高的單體進行分流充電(分流充電:通過含有分流裝置減少本單體的充電電流)，直到本單體實際電壓等于平均單體電壓時，給本單體進行的補充充電或分流充電停止。在補充充電或分流充電過程中，平均單體電壓會隨著充電機給電池組充電整體電壓變化而變化。當充電過程中出現(xiàn)某單體電壓達到單體保護電壓點時，充電機停止給電池組充電，而分流充電則也同時停止，但補充充電單元則可以繼續(xù)給需要的單體補充充電，直到所有單體電壓均達到單體保護電壓點或各個單體電壓達到均衡要求。
【權利要求】
1.一種分流均衡充電方法，其特征是采用如下步驟: (1)將串聯(lián)電池組中的每個電池單體各并聯(lián)一個分流裝置，所有的分流裝置均連接檢測電路，檢測電路和所有的分流裝置均連接于控制電路，由充電機對串聯(lián)電池組充電； (2)充電過程中，檢測電路檢測電池組總電壓Vb與各電池單體電壓Vi，并將總電壓Vb與各電池單體電壓Vi輸入控制電路，以電池組總電壓Vb除以單體總數(shù)得到電池組在充電過程中相同時間內的平均單體電壓Va;將各電池單體電壓Vi與平均單體電壓Va進行比較，確定出比平均單體電壓Va高的電池單體； (3 )控制電路啟動并聯(lián)于所述比平均單體電壓Va高的電池單體的分流裝置，控制這些分流裝置減少與其并聯(lián)的電池單體的充電電流，給這部分電池單體的充電電流進行分流，直到這部分電池單體電壓Vi與平均單體電壓Va相等時，停止分流裝置。
2.根據權利要求1所述分流均衡充電方法，其特征是:步驟(3)中，分流裝置停止后，充電機仍給電池組繼續(xù)充電，當有任一電池單體電壓Vi在充電過程中不斷上升，到達單體保護電壓的保護點時，均衡充電停止。
3.根據權利要求1所述分流均衡充電方法，其特征是:步驟(3)中，分流裝置停止后，充電機仍給電池組繼續(xù)充電，當電池組總電壓Vb到達電池組保護電壓的保護點時，均衡充電停止。
4.根據權利要求1所述分流均衡充電方法，其特征是:步驟(3)中，分流裝置停止后，充電機仍給電池組繼續(xù)充電，當各電池單體電壓Vi保持一致，充電結束。
5.根據權利要求1所述分流均衡充電方法，其特征是:步驟(3)中，各個已工作的分流裝置的工作電流與對應的單體電壓Vi和平均單體電壓Va之差成正比，差值越大，與這個電池單體并聯(lián)的分流裝置所分流的電流也越大。
6.根據權利要求1所述分流均衡充電方法，其特征是:分流裝置所分流的能量通過DC/DC模塊回饋給電池組充電。
7.根據權利要求1所述分流均衡充電方法，其特征是:步驟(2)中，充電過程中的平均單體電壓Va隨著電池組總電壓Vb變化而變化。
8.根據權利要求1所述分流均衡充電方法，其特征是:控制電路是包括有單片機或MCU的電路。
9.根據權利要求1所述分流均衡充電方法，其特征是:分流裝置是恒流源或DC/DC轉換電路或電阻或其它類型的能量轉換裝置。
10.根據權利要求9所述分流均衡充電方法，其特征是:DC/DC轉換電路是正激式、反激式、單橋、全橋、LLC、推挽、升壓或BUCK-BOOST轉換電路。
【文檔編號】H02J7/00GK103607000SQ201310532797
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權日:2013年11月4日
【發(fā)明者】吳連日 申請人:江蘇嘉鈺新能源技術有限公司