动力锂离子电池组的主动均衡系统及均衡方法

摘要

本发明涉及主动均衡系统及均衡方法，尤其涉及动力锂离子电池组的主动均衡系统及均衡方法，包括：电池模块（1）、矩阵控制电路（4）、DC/DC单元（6）、PWM控制单元(5)、主控单元(3)、电压温度采样单元(2)；通过对DC/DC单元（6）及矩阵控制电路（4）的控制，改变变压器T1充放电的方向，实现了对电池模块（1）内单体电池电量的上限均衡、下限均衡及能量补偿功能。本发明具有以下优点：(l)低损耗均衡技术，延长使用寿命；(2)大电流均衡技术，均衡电流能力达lOA以上；(3)双向均衡技术，可以实现电池组内任意单体电池与电池模块间直接双向能量转移；(4)集散式设计，结构简单实用，可扩展性极好。

说明书

技术领域

本发明涉及主动均衡系统及均衡方法，尤其涉及动力锂离子电池组的 主动均衡系统及均衡方法。

背景技术

动力锂离子电池组一般采用串联方式连接，由于各单体锂离子电池因 制造工艺造成初始容量、电压、内阻等不完全相同，导致在使用过程 中造成单体锂离子电池的过充电和过放电现象，严重时会导致个别单 体锂离子电池提前老化、失效，动力锂离子电池组的电容量下降、工 作寿命缩短。

在放电过程中，电量低的单体锂离子电池在放电过程中首先放完电， 为了对串联后的动力锂离子电池组进行保护，整个动力锂离子电池组 停止放电，电量高的单体锂离子电池仍有未放完的电，致使整个动力 锂离子电池组使用时间和容量实际是由容量最小的那块单体锂离子电 池决定，即该单体锂离子电池容量告终时，其它单体锂离子电池也无 法继续工作。动力锂离子电池组的充电过程也是如此。在充电过程中 ，容量最小的那块单体锂离子电池又会首先被充满，为了保护动力锂 离子电池组，整个动力锂离子电池组停止充电，使得整个动力锂离子 电池组其它单体锂离子电池未被充满电，电容量严重减小。由此可见 ，动力锂离子电池组在工作过程中，动力锂离子电池间的不均衡是影 响动力锂离子电池组正常工作的主要因素，对动力锂离子电池 组进行均衡控制是十分必要。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供动力锂离子电池组的主 动均衡系统及均衡方法，系统构架简单、操作方便，具有均衡能量传 输直接、均衡电流大、损耗功耗小的特点，延长电池组的工作寿命， 适应性好，可靠性高。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：动力锂离子电池组的主动 均衡系统，包括：电池模块、矩阵控制电路、DC/DC单元、PWM控制单 元、主控单元、电压温度采样单元；所述电池模块由若干个单体电池 串联组成，电池模块内的所有单体电池两端均与电压温度采样单元相 连；所述矩阵控制电路包括若干个可控开关，电池模块内任意单体电 池两端的可控开关与DC/DC单元相连，DC/DC单元与PWM控制单元相连， PWM控制单元与主控单元相连，主控单元还与矩阵控制电路、电压温度 采样单元连接。

所述DC/DC单元包括：变压器T1、开关管 Q1、开关Sa、开关管Q2、开 关Sb；所述变压器T1的初级线圈接有开关管Q1、整流二极管R1及与整 流二极管R1并联的可控开关Sa；所述变压器T1的次级线圈接有开关管 Q2、整流二极管R2及与整流二极管R2并联的可控开关Sb；电池模块内 任意单体电池的正极端、负极端均设有可控开关，开关Sa与任意单体 电池正极端的可控开关连接，开关管Q1与任意单体电池负极端的可控 开关连接；开关Sb与电池模块的正极连接，开关管Q2与电池模块的负 极连接，电池模块的负极接地；主控单元控 制可控开关、开关Sa、开关Sb的开合；主控单元通过PWM控制单元控制 开关管Q1、开关管Q2的断通。

所述的DC/DC单元内的开关Sa、开关Sb、开关管Q1、开关管Q2是场效应 管或三极管或IGBT。

所述的矩阵控制单元内的可控开关为场效应管、三极管、IGBT。

动力锂离子电池组的主动均衡方法，包括以下步骤：

1）将n节单体电池依次串联组成电池模块，电池模块的负极接地，电 压温度采样单元对电池模块中各个单体电池两端的电压进行采样，记 单体电池的电压为Ui（i≤n），将采样结果输至主控单元；

2）主控单元接收采样结果，并根据采样结果得到电池模块内单体电池 的平均电压值U，根据U_△i=Ui-U，得到单体电池的电压偏差值U_△i ，比较 U_△i 大小得到电压偏差最大值U_△imax；

3）主控单元对步骤3）得到的U_△imax 进行判断，判断是否符合预设定的 均衡策略，对电量高的单体电池进行上限均衡，电量低的单体电池进 行下限均衡；主控单元在电池模块使用过程中对单体电池进行电池健 康评估，判断出某个单体电池容量不足并进行能量补偿；

4）根据步骤3）对所有单体电池进行均衡判断后，主控单元3

判断没有需要均衡或补偿的单体电池，则跳回到步骤1）,电压温度采 样单元进行新一轮电压温度采样；

5）当电压温度采样单元轮回采样数量达到要求，主控单元3未发现需 要均衡或补偿的单体电池后，系统进入休眠。

所述上限均衡包括以下步骤：主控单元获得需要进行电量均衡的 单体电池的电压偏差值U_△i后，控制矩阵控制单元中相应的可控开关闭 合，把该单体电池连接到DC/DC单元；主控单元控制开关Sa、开关管Q 2导通，开关Sb断开，PWM控制单元控制开关管Q1工作在开关状态；该 单体电池通过DC/DC单元向电池模块放电，直到该单体电池的U_△i符合预 设定的均衡策略。

所述下限均衡包括以下步骤：主控单元获得需要进行电量均衡的单体 电池的电压偏差值U_△i后，控制矩阵控制单元中相应的可控开关闭合， 把该单体电池连接到DC/DC单元；主控单元控制开关Sb、开关管Q1导通 ，开关Sa断开，PWM控制单元控制开关管Q2工作在开关状态；该单体电 池通过DC/DC单元向电池模块充电，直到该单体电池的U_△i符合预设定的 均衡策略。

所述能量补偿包括以下步骤：主控单元在电池模块使用过程中对单体 电池进行电池健康评估，判断出某个单体电池容量不足并获取该单体 电池的电压偏差值U_△i；主控单元控制矩阵控制单元中相应的可控开关 闭合，把该单体电池连接到DC/DC单元；主控单元控制开关Sb、开关管 Q1导通，开关Sa断开，PWM控制单元控制开关管Q1工作在开关状态；该 单体电池通过DC/DC单元向电池模块充电，直到该单体电池的U_△i符合预 设定的补偿策略。

本发明的有益效果在于：通过对DC/DC单元及矩阵控制电路的控制，改 变变压器T1充放电的方向，实现了对电池模块内单体电池电量的上限 均衡、下限均衡及能量补偿功能；上限均衡适合在充电过程中实施， 以防止个别电池单体过充；下限均衡可以避免过放；能量补 偿功能则保证了个别单体电池提前老化、失效时，电池模块仍能正常 工作。与现有技术比较，本发明具有以下优点：

(l) 低损耗均衡技术，均衡时能量损失很小，尤其是在能量补偿时， 能量转移效率高，确保电池模块保持容量，延长使用寿命；

(2)大电流均衡技术，均衡电流能力达lOA以上；

(3)双向均衡技术，可以实现电池组内任意单体电池与电池模块间直接 双向能量转移，并且用于控制的开关不需要高频切换，可靠性及稳定 性高；

(4)集散式设计，结构简单实用，连接方便，可扩展性极好。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图中：1、电池模块；2、电压温度采样单元；3、主控单元；4、矩阵 控制电路；5、PWM控制单元；6、DC/DC单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围 并不仅限于此：

如图1所示，动力锂离子电池组的主动均衡系统，包括：电池模块1、 矩阵控制电路4、DC/DC单元6、PWM控制单元5、主控单元3、电压温度 采样单元2；所述电池模块1由n个单体电池串联组成，电池模块1内的 所有单体电池两端均与电压温度采样单元2相连；所述矩阵控制电路4 包括2n个可控开关，电池模块1内任意单体电池两端的可控开关与DC/ DC单元6相连，DC/DC单元6与PWM控制单元5 相连，PWM控制单元5与主控单元3相连，主控单元3还与矩阵控制电路 4、电压温度采样单元2连接。

所述DC/DC单元6包括：变压器T1、开关管 Q1、开关Sa、开关管Q2、 开关Sb；所述变压器T1的初级线圈接有开关管Q1、整流二极管R1及与 整流二极管R1并联的可控开关Sa；所述变压器T1的次级线圈接有开关 管Q2、整流二极管R2及与整流二极管R2并联的可控开关Sb；电池模块 1内任意单体电池的正极端、负极端均设有可控开关，开关Sa与任意单 体电池正极端的可控开关连接，开关管Q1与任意单体电池负极端的可 控开关连接；开关Sb与电池模块1的正极连接，开关管Q2与电池模块1 的负极连接，电池模块1的负极接地；主控单元3控制可控开关、开关 Sa、开关Sb的开合；主控单元3通过PWM控制单元5控制开关管Q1、开关 管Q2的断通。

电池模块1中各单体电池正极端连接的可控开关与正极总线A连接，正 极总线A与DC/DC单元6中开关Sa连接；电池模块1中各单体电池负极端 连接的可控开关与负极总线B连接，负极总线B与DC/DC单元6中开关管 Q1连接。电池模块1的正极端与开关Sb连接，电池模块1的负极端与开 关管Q2连接。

同时，主控单元3与正极总线A、负极总线B连接，主控单元3可以控制 矩阵控制电路4中的可控开关、及开关Sa、开关Sb的开合；PWM控制单 元5与开关管Q1、开关管Q2的断通，主控单元3通过PWM控制单元5控制 开关管Q1、开关管Q2工作。

电池模块1由n个单体电池串联而成，电压温度采样单元2对各 单体电池的电压采样，得到U1、U2…Un，电压温度采样单元2将采集到 的电压值输至主控单元3，主控单元3计算得到单体电池的平均电压值 U，即U=（U1+U2+…+Un）/n。主控单元3根据上述得到的Ui（i≤n）和 U，计算各单体电池的电压偏差值U_△i ，即U_△i=Ui-U。主控单元3内预设定 均衡策略和补偿策略，设定了单体电池的U_△i及单体电池的平均电压值 U的相互关系。当单体电池的电压偏差U_△i与单体电池的平均电压U满足 设定关系时，主控单元3采取规定动作，通过DC/DC单元6对相应的单体 电池电量进行均衡或进行能量补偿，使均衡补偿后的每一个单体电池 的能量,符合预先在主控单元3内设定的要求。

为了对上述动力锂离子电池进行主动均衡，所述动力锂离子电池组的 主动均衡方法包括以下步骤：

1）将n节单体电池依次串联组成电池模块1，电池模块1的负极接地， 电压温度采样单元2对电池模块1中任意单体电池两端的电压进行采样 ，记单体电池的电压为Ui（i≤n），将采样结果输至主控单元3；

2）主控单元3接收采样结果，并根据采样结果得到电池模块1内单体电 池的平均电压值U，根据U_△i=Ui-U，得到单体电池的电压偏差值U_△i ，比 较U_△i 大小得到电压偏差最大值U_△imax；

3）主控单元3对步骤3）得到的U_△imax 进行判断，判断是否符合预设定的 均衡策略，对电量高的单体电池进行上限均衡，电量低的单体电池进 行下限均衡；主控单元3在电池模块1使用过程中对单体电 池进行电池健康评估，判断出某个单体电池容量不足并进行能量补偿 ；

上限均衡：主控单元3获得需要进行电量均衡的单体电池的电压偏差值 U_△i后，控制矩阵控制单元4中相应的可控开关闭合，把该单体电池连接 到DC/DC单元6；主控单元3控制开关Sa、开关管Q2导通，开关Sb断开， PWM控制单元5控制开关管Q1工作在开关状态；该单体电池通过DC/DC单 元6向电池模块1放电，直到该单体电池的U_△i符合预设定的均衡策略；

下限均衡：主控单元3获得需要进行电量均衡的单体电池的电压偏差值 U_△i后，控制矩阵控制单元4中相应的可控开关闭合，把该单体电池连接 到DC/DC单元6；主控单元3控制开关Sb、开关管Q1导通，开关Sa断开， PWM控制单元5控制开关管Q2工作在开关状态；该单体电池通过DC/DC单 元6向电池模块1充电，直到该单体电池的U_△i符合预设定的均衡策略；

能量补偿：主控单元3在电池模块1使用过程中对单体电池进行电池健 康评估，判断出某个单体电池容量不足并获取该单体电池的电压偏差 值U_△i；主控单元3控制矩阵控制单元4中相应的可控开关闭合，把该单 体电池连接到DC/DC单元6；主控单元3控制开关Sb、开关管Q1导通，开 关Sa断开，PWM控制单元5控制开关管Q1工作在开关状态；该单体电池 通过DC/DC单元6向电池模块1充电，直到该单体电池的U_△i符合预设定的 补偿策略；

4）根据步骤3）对所有单体电池进行均衡判断后，主控单元3 判断没有需要均衡或补偿的单体电池，则跳回到步骤1）,电压温度采 样单元2进行新一轮电压温度采样；

5）当电压温度采样单元2轮回采样数量达到要求，主控单元3未发现需 要均衡或补偿的单体电池后，系统进入休眠状态。

本发明通过对电池模块1内的单体电池两端电压进行采样，将采样结果 输入到主控单元3内，主控单元3根据预设的均衡策略输出结果。主控 单元3通过对DC/DC单元6及矩阵控制电路4的控制，改变变压器T1的充 放电方向，对高电量的单体电池进行上限均衡、对低电量的单体电池 进行下限均衡、对正在使用中的电池模块1进行能量补偿。上限均衡可 以防止单体电池过充；下限均衡可以防止单体电池过放；能量补充能 够保证个别单体电池提前老化失效时，电池模块1仍能正常工作。本发 明采样变压器T1双向充放的主动均衡方式，能够同时实现对不同单体 电池的上限均衡、下限均衡，具有损失功耗小、均衡能量大、能量转 移直接的特点，还可以延长电池组的使用寿命，保证个别单体电池失 效时电池模块1还能正常工作。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发 明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所 涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。