一種單電池電芯補償多電芯的電量均衡系統及均衡方法
【專利摘要】本發明公開一種多電池電芯電量均衡系統及均衡方法，包括多個串聯的單體電池，該系統包括補償電池，用于對電池回路中的單體電池進行充放電；開關選擇通道電路，選擇對補償電池進行充電或者對單體電池放電；第一電池電壓采樣電路，與所述補償電池連接，用于采集補償電池的電量信息；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；電池短路保護電路，與所述第二電池電壓采樣電路連接，用于保證補償電池在一段時間內與一個單體電池并聯。本發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】一種單電池電芯補償多電芯的電量均衡系統及均衡方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋰電池，更具體地涉及一種單電池電芯補償多電芯的電量電量均衡系統及均衡方法。
【背景技術】
[0002]鋰離子電池在應用過程中供電電源通常由多個單體電池串聯組成，以滿足設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到最弱的電池的容量。在串聯電池組中，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致的電池組性能降低的現象稱為電池匹配失衡。大多數情況下，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屬性變化。即使在生產出電池后進行檢測分類再進行組合，也會出現電池匹配失衡的現象。比如:各單體的自放電量不同導致電池組在擱置過程中的容量失衡、單體之間電阻不同導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在兩個方面:電池荷電狀態失衡(即:所有單體的容量相同，但在電池組制作或擱置過程中，單體的荷電狀態不同)和電池容量或能量的失衡。采用電池均衡處理技術便可解決以上兩種失衡問題，從而改進串聯電池組的電性能。電池荷電態失衡需在電池組初次充、放電時進行均衡調整電池，此后只需在充電期間進行均衡即可，而容量或能量失衡則必須在充、放電過程都進行均衡。
[0005]在理想狀態下，鋰離子電池組中的單體電池滿足以下條件，便認為實現了均衡保護管理:電池組中所有單體電池的容量和荷電狀態都相同；電池組中所有單體的容量不同，但單體電池的荷電狀態相同。其中電池的荷電狀態是指電池的現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相同。為了改進串聯電池組的電性能，使不匹配的單體電池達到同樣的荷電狀態，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，現有的技術采用幾個串聯電池電芯進行相互之間的補償對串聯單體進行均衡管理。這種均衡是通過對電壓最高的單體電池分流來實現的。通過數據采集電路，檢測每只串聯電池的電壓，進而判斷其在整個電池組中所處的狀態，當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的分流電路導通，對其進行分流。但此種均衡方法實現上無法安全可靠的運行，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及均衡方法。
【發明內容】
[0007]針對以上現有技術的不足，本發明提供一種基于補償電池方式的電池電芯電量均衡系統及均衡方法。
[0008]本發明的技術方案如下:
[0009]—種多電池電芯電量均衡系統包括:
[0010]補償電池，用于對電池回路中的單體電池進行充放電；
[0011]開關選擇通道電路，一端與所述補償電池連接，一端分別與所述單體單池連接，根據單體電池的電量，選擇對補償電池進行充電或者對單體電池放電；
[0012]第一電池電壓采樣電路，與所述補償電池連接，用于采集補償電池的電量信息；
[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]電池短路保護電路，與所述第二電池電壓采樣電路連接，用于保證補償電池在一段時間內與一個單體電池并聯。
[0015]進一步，所述開關選擇通道電路包括依次連接的單片機、驅動保護電路、驅動光耦和雙向開關，所述單片機通過驅動保護電路輸出驅動信號至光耦驅動，經光耦驅動進行放大和增強驅動能力，光耦輸出信號驅動雙向開關，使雙向開估對應的電流支路導通。
[0016]進一步，所述電池短路保護電路采用四個輸入非門和四個四輸入與門實現。
[0017]一種單電池電芯補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行判斷，確定是否對其充電或者放電。
[0020]進一步，所述步驟2中對單體電池的電量進行判斷時，
[0021]采用輪流檢測串聯電池電芯方式，并對所有電芯電壓進行電量大小排序，當被測某個單體電池的電量低于設定值時，開關選擇通道電路選擇一個補償電池對單體電池充電；如果有多個單體電池電量低于設定值，則選取電量最小的進行充電。
[0022]采用輪流檢測串聯電池電芯方式，并對所有電芯電壓進行電量大小排序，當被測某個單體電池的電量高于設定值時，開關選擇通道電路選擇一個補償電池與該超過設定值的電池進行并聯，由單體電池對補償電池進行放電；如果有多個單體電池電量高于設定值，則選取電量最高的進行充電。
[0023]如果同時有高于設定值和低于設定值得電池，則先處理高于設定值的電池。
[0024]進一步，所述對單體電池進行充電或放電的時間設定為N分鐘，當N分鐘達到時，不管充放電是否完成，都進入重新輪流檢測串聯電池電芯的電量。本發明的有益效果如下:
[0025]本發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]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0027]圖1:多電池電芯電量均衡系統結構原理圖；
[0028]圖2:電池電壓采樣電路結構原理圖；
[0029]圖3:開關選擇通道電路結構原理圖；[0030]圖4:雙向開關電路原理圖；
[0031]圖5:驅動保護電路原理圖；
[0032]圖6:電池短路保護電路結構原理圖。
【具體實施方式】
[0033]為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護范圍。
[0034]本發明的一個目的是提供一種電池電芯電量均衡系統就，如圖1所示為多電池電芯電量均衡系統結構原理圖。所述均衡系統包括補償電池，電池電壓采樣電路，開關選擇通道電路，電池電壓采樣電路和電池短路保護電路。本發明主要采用一個補償電池Bx分別與系統中串聯的電池B1，B2……Bn并聯，當某個單體電池電壓高于設定值Vmax時，通過開關選擇通道電路切換，則該單體電池與補償電池并聯，單體電池向補償電池放電。當某個單體電池電壓低于設定值Vmin時，通過開關選擇通道電路切換，該單體電池與補償電池并聯，補償電池向該單體電池充電，從而實現均衡功能。并通過電池短路保護方案對電池管理系統進行保護。下面以四節電池串聯為例，詳細說明該系統各部分組成。
[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算放大器LM324，將BI電池的正極和負極分另Ij功過IOK電阻連接到LM324的3腳正端和2腳，BI電池的正極與運算放大器的11腳之間接一個電容10nF。同時，運算放大器的11腳與電路的模擬地VP-相連，BI電池的負極與VP-之間接一個電容10nF，運算放大器的I腳與2腳之間接一個IOK的電阻。運算放大器的輸出I腳與VP-之間接一個穩壓二極管，運算放大器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.開關選擇通道電路
[0038]對于均衡電路，需要實現補償電池給單體充電，同時也需要實現單體電池給補償電池放電，因此需要雙向電子開關。
[0039]如圖2，3，4所示，開關選擇通道電路包括雙向開關、驅動光耦、驅動保護電路及單片機MCU采用的是STM8系列或類似型號。其中雙向開關采用兩個MOS管串聯，一端連在補償電池的正極，一端連接在單體電池的正極，通過光耦信號驅動MOS管的開通和關斷，此處光耦驅動信號為B1_M0S_1和B1_M0S_2。
[0040]所述單片機通過驅動保護電路輸出驅動信號，再通過驅動光耦進行放大和增強驅動能力，以其中B1_M0S_1為例:
[0041]驅動保護電路輸出的B1_M0S_D信號,經過一個330歐電阻給光稱的輸入,輸入和地之間并聯IOK電阻,光I禹輸出信號串聯一個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可以驅動MOS管。
[0042]3.驅動短路保護電路
[0043]如圖5 -6所示，此部分的目的為了保證補償電池在一段時間只與一個單體電池并聯，即從硬件上實現互鎖功能，使得同一時間開關驅動信號B1_M0S_D，B2_M0S_D，B3_M0S_D，B4_M0S_D，只有一個能輸出高電平。具體實現電路如下:[0044]驅動保護電路采用四輸入非門SN74LS04和四個四輸入與門74LS21構成，避免了補償電池電芯由于驅動邏輯的錯誤同時與兩個或多個串聯電池并聯的狀態，保證補償電池同一時刻只能與一個串聯的電池發生并聯。避免了短路現象發生。
[0045]具體實現方式為，以4節電池串聯為例，單片機輸出B1_4D，B2_4D, B3_4D, B4_4D,
四路驅動信號，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，驅動該組MOS管導通，使得補償電芯與BI電池并聯。而當由于單片機信號發出錯誤或者由于外部干擾等原因發生B1_4D，B2_4D, B3_4D, B4_4D中的兩個或多個驅動信號為高，則由于信號經過四輸入非門SN74LS04和四個四輸入與門74LS21則驅動四路光耦的信號全部輸出為低，不會出現同時兩組MOS管開通的現象。[0047]本發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行判斷時，
[0051]采用輪流檢測串聯電池電芯方式，并對所有電芯電壓進行電量大小排序，當被測某個單體電池的電量低于設定值時，開關選擇通道電路選擇一個補償電池對單體電池充電；如果有多個單體電池電量低于設定值，則選取電量最小的進行充電。
[0052]采用輪流檢測串聯電池電芯方式，并對所有電芯電壓進行電量大小排序，當被測某個單體電池的電量高于設定值時，開關選擇通道電路選擇一個補償電池與該超過設定值的電池進行并聯，由單體電池對補償電池進行放電；如果有多個單體電池電量高于設定值，則選取電量最高的進行充電。
[0053]如果有某一個電池的電量高于設定值和某一個電池的電量低于設定值時，則先處理高于設定值的電池。
[0054]對單體電池進行充電或放電的時間設定為N分鐘，當N分鐘達到時，不管充放電是否完成，都進入重新輪流檢測串聯電池電芯的電量。
[0055]如果出現單片機發出錯誤的驅動信號情況，例如補償電池要求同時并聯兩個或多個電池，則由驅動保護電路起作用，斷開所有并聯支路。
[0056]顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎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，凡是屬于本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。
【權利要求】
1.一種多電池電芯電量均衡系統，包括多個串聯的單體電池，其特征在于，該系統包括: 補償電池，用于對電池回路中的單體電池進行充放電； 開關選擇通道電路，一端與所述補償電池連接，一端分別與所述單體單池連接，根據單體電池的電量，選擇對補償電池進行充電或者對單體電池放電； 第一電池電壓采樣電路，與所述補償電池連接，用于采集補償電池的電量信息； 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； 電池短路保護電路，與所述第二電池電壓采樣電路連接，用于保證補償電池在一段時間內與一個單體電池并聯。
2.根據權利要求1所述的一種多電池電芯電量均衡系統，其特征在于，所述開關選擇通道電路包括依次連接的單片機、驅動保護電路、驅動光耦和雙向開關，所述單片機通過驅動保護電路輸出驅動信號至光耦驅動，經光耦驅動進行放大和增強驅動能力，光耦輸出信號驅動雙向開關，使雙向開估對應的電流支路導通。
3.根據權利要求1所述的一種多電池電芯電量均衡系統，其特征在于，所述電池短路保護電路采用四個輸入非門和四個四輸入與門實現。
4.一種單電池電芯補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行判斷，確定是否對其充電或者放電。
5.根據權利要求4所述的一種單電池電芯補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行判斷時， 采用輪流檢測串聯電池電芯方式，并對所有電芯電壓進行電量大小排序，當被測某個單體電池的電量低于設定值時，開關選擇通道電路選擇一個補償電池對單體電池充電；如果有多個單體電池電量低于設定值，則選取電量最小的進行充電； 采用輪流檢測串聯電池電芯方式，并對所有電芯電壓進行電量大小排序，當被測某個單體電池的電量高于設定值時，開關選擇通道電路選擇一個補償電池與該超過設定值的電池進行并聯，由單體電池對補償電池進行放電；如果有多個單體電池電量高于設定值，則選取電量最高的進行充電； 如果同時有高于設定值和低于設定值得電池，則先處理高于設定值的電池。
6.根據權利要求5所述的一種單電池電芯補償多電芯的電量均衡方法,其特征在于，所述對單體電池進行充電或放電的時間設定為N分鐘，當N分鐘達到時，不管充放電是否完成，都進入重新輪流檢測串聯電池電芯的電量。
【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 優先權日:2014年4月17日
【發明者】高強, 張岳 申請人:北京九高科技有限公司