基于最大平均均衡电流的电池均衡控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于最大平均均衡电流的电池均衡控制方法及系统，其中系统包括：电池组；检测电路，实时检测每个单体电池的电压值；均衡电路，与电池组连接，包括与单体电池对应的功率开关管和电感，各个电感的电感值不相同；均衡控制电路，用于比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制各个单体电池的均衡电流；当电池组中的各个单体电池的电压趋于一致时，停止均衡控制。本发明预先通过理论推导，优化电路参数，使处于不同位置的单体电池有能力达到相同的最大平均均衡电流，通过调频调节均衡电流大小，使所有单体电池几乎同时趋于均衡，提高了均衡效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电池均衡控制，尤其涉及一种基于最大平均均衡电流的电池均衡控制方法及系统。

背景技术

锂电池具有容量大、非记忆性、工作电压高、能量密度高、自放电率低、无污染等优点，在电动汽车领域应用越来越广泛。由于单节电池工作电压低，为了满足电压需求，通常将多节电池串联使用。由于电池单体之间存在不一致性，而且随着充放电次数的增加，电池组的不一致性逐渐增大。电池组的不一致性将直接导致电池组寿命缩短、不安全性增加。因此，必须对串联电池组进行均衡控制。

目前，电动汽车锂电池均衡方法有两种：主动均衡和被动均衡。被动均衡通过并联电阻，将能量高的电池单体的能量以热量形式消耗掉；而主动均衡通过能量转移方式，将能量从较高能量的单体转移到较低能量的单体中。被动均衡控制策略简单，成本低，主要问题是热量管理和能量浪费，因此，能量利用率高的主动均衡成为电池管理系统均衡的发展方向。主动均衡分为：集中控制型和分散控制型。现有技术中有采用集中控制型，所有的电池单体共用一个均衡器，某一时刻只能对一个电池转移能量，均衡速度慢，并且所需开关多，不易控制。分散控制型中每个电池对应一个DC/DC变换器，所有的单体电池可以同时开启均衡，相对集中控制型均衡速度快。但是，目前的均衡电路中，DC/DC变换器的参数完全相同，而电池位置不同将导致各节单体电池的最大平均均衡电流大小不同，因此整个电池组的均衡速度不是最优的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中电池组的最大平均均衡电流不相同导致均衡速度慢、能量利用率不高的缺陷，提供一种均衡速度快、能量利用率高的基于最大平均均衡电流的电池均衡控制方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于最大平均均衡电流的电池均衡控制系统，包括：

电池组，包括多个串联的单体电池；

检测电路，与电池组连接，实时检测每个单体电池的电压值；

均衡电路，与电池组连接，用于单体电池间的能量转移，包括与单体电池对应的功率开关管和电感，各个电感的电感值不相同，使处于不同位置的单体电池有能力达到相同的最大平均均衡电流，以提高均衡速度；

均衡控制电路，与检测电路和均衡电路连接，用于比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制各个单体电池的均衡电流，使所有单体电池电压趋于一致；当电池组中的各个单体电池的电压趋于一致时，停止均衡控制。

本发明所述的系统中，所述均衡控制电路包括微处理器和驱动电路，微处理器与检测电路连接，驱动电路与均衡电路的功率开关管连接，驱动电路将微处理器电路发出的驱动脉冲信号经隔离、放大和滤波后，发送给均衡电路以控制功率开关管的开通和断开。

本发明所述的系统中，该均衡控制电路还包括FPGA模块，连接在微处理器和驱动电路之间，微处理器通过该FPGA模块向驱动电路发送驱动脉冲信号。

本发明所述的系统中，该系统包括多个所述电池组，电池组之间串联，若有多个电池组，则分别对每个电池组中的单体电池进行均衡调节，控制各个单体电池的电压趋于一致，并同时对多个电池组进行均衡调节。

本发明所述的系统中，所述均衡电路中每个电感对应一个单体电池，各个电感的电感值之间的关系为预先设定，具体根据每个单体电池所能达到的平均均衡电流相同推导出来。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

提供一种基于平均均衡电流快速均衡的均衡控制方法，包括以下步骤：

S1、实时检测电池组中单体电池的电压值，单体电池之间串接；

S2、比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制各个单体电池的电压趋于一致；

S3、当电池组中的各个单体电池的电压趋于一致时，停止均衡控制。

本发明所述的方法中，步骤S2中，若一单体电池电压值与电池组中电压最低值之差越大，则控制该单体电池的功率开关管的频率越低；若一单体电池电压值与电压最低值之差越小，则控制该单体电池的功率开关管的频率越高，使所有单体电池电压几乎同时趋于一致，以提高均衡效率。

本发明所述的方法中，若有多个电池组，则分别对每个电池组中的单体电池进行均衡调节，控制各个单体电池的电压趋于一致，并同时对多个电池组进行均衡调节。

本发明产生的有益效果是：本发明通过比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制各个单体电池的均衡电流，使所有单体电池电压几乎同时趋于一致。本发明可以预先通过理论推导，优化电路参数，使处于不同位置的单体电池有能力达到相同的最大平均均衡电流，以提高均衡速度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于最大平均均衡电流的电池均衡控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例均衡电路结构示意图；

图3A是本发明实施例均衡电流流向示意图一；

图3B是本发明实施例均衡电流流向示意图二；

图4是本发明实施例基于平均均衡电流快速均衡的均衡控制方法流程图；

图5是本发明实施例均衡控制电路的控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例基于最大平均均衡电流的电池均衡控制系统包括电池组10、检测电路20、均衡电路30和均衡控制电路40。本发明实施例的电池组10以包括四个串联的锂电池为例。本发明实施例的构思是：以四节串联锂电池作为一个电池组，分散控制型DC/DC变换器作为锂电池组的均衡电路，通过理论推导，优化电路参数。通过检测电路检测各节单体电池的电压，将检测信号传递给均衡控制电路，均衡控制电路通过一定的控制算法，发出相应的驱动脉冲，控制开关管的开通或关断，从而实现锂电池之间的均衡。

本发明实施例中：

电池组10，包括多个串联的单体电池；如图2所示，电池组10包括多个串联的单体电池B1、B2、B3和B4；

检测电路20，与电池组10连接，高精度实时检测检测每个单体电池的电压值；

均衡电路30，与电池组10连接，用于单体电池间的能量转移，包括与单体电池对应的功率开关管和电感，各个电感的电感值不相同，使处于不同位置的单体电池有能力达到相同的最大平均均衡电流；如图2所示，包括与单体电池对应的功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电感L1、L2、L3、L4；电池组单体电池数与所需功率开关管、储能电感数量的比例为1:1:1。为了防止电感磁滞饱和，DC/DC变换器（即均衡电路30）工作于断续电流模式下。

如图3A和3B所示，当开关管Q1开通时，B1、Q1、L1构成闭合回路，电池B1中的部分能量储存于电感L1中；当开关管关断时，L1、B2、B3、B4、D1构成闭合回路，电感L1中的能量转移到电池B2、B3、B4中。同理，电池B2的能量也可以转移到电池B1中，电池B3的能量也可以转移到B1、B2中，电池B4的能量也可以转移到B1、B2、B3中。从而实现锂电池之间能量的转移，最终实现均衡。

本发明的实施例中，所述均衡电路30中每个电感对应一个单体电池，各个电感的电感值之间的关系为预先设定，具体根据每个单体电池所能达到的平均均衡电流相同推导出来。均衡电路30中电感的电感值可通过预先理论推导，以均衡电路30中包含n个电感L_n为例，电感电流表达式如下：

$>{i_L}_n=\left(\begin{array}{c}\frac{{V_B}_n}{L_n}t,0\le t<{\mathrm{DT}}_n\\ \frac{{V_B}_n}{L_n}{\mathrm{DT}}_n-\frac{V_{\mathrm{off}}}{L_n}(t-{\mathrm{DT}}_n),{\mathrm{DT}}_n\le t<T_{\mathrm{er}}\\ {0,T}_{\mathrm{er}}\le t\le T_n\end{array}\right)$>

其中，表示开关管开通时，电感L_n两端的电压；V_off表示开关管断开时，电感L_n两端的电压；T_cr表示在一个周期内电感电流降为零的时刻。开关管开通时，电感平均电流记为I_n，on；开关管关断时，电感平均电流记为I_n，off；一个周期内电感电流的平均值记为I_n，avg。

$>I_{n,\mathrm{on}}=\frac{1}{T_n}{\int }_0^{{\mathrm{DT}}_n}\frac{{V_B}_n}{L_n}\mathrm{tdt}=\frac{1}{T_n}*\frac{{V_B}_n}{2\mathrm{Ln}}*[{\left({\mathrm{DT}}_n\right)}^2-0]=\frac{{V_B}_n{D}^2{T}_n}{2\mathrm{Ln}}$>

$>I_{n,\mathrm{off}}=\frac{1}{T_n}{\int }_{{\mathrm{DT}}_n}^{T^{\prime }n}[\frac{{V_B}_n}{L_N}{\mathrm{DT}}_n-\frac{V_{\mathrm{off}}}{L_n}(t-{\mathrm{DT}}_n\left]\right)\mathrm{dt}=\frac{{V_B}_n{D}^2{T}_n}{{2L}_n}\left(\frac{{V_B}_n}{V_{\mathrm{off}}}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{{V_B}_n{D}^2{T}_n}{{2L}_n*(N-1)},n=1\\ \frac{{V_B}_n{D}^2{T}_n}{{2L}_n*(n-1)},n\ne 1\end{array}\right)$>

$>I_{n,\mathrm{avg}}=I_{n,\mathrm{on}}+I_{n,\mathrm{off}}=\left(\begin{array}{c}\frac{{V_B}_n{D}^2{T}_n}{2\mathrm{Ln}}*(1+\frac{1}{N+1}),n=1\\ \frac{{V_B}_n{D}^2{T}_n}{2\mathrm{Ln}}*(1+\frac{1}{n-1}),n\ne 1\end{array}\right)$>

假定平均均衡电流I_n，arg=3A，占空比D=0.37，f_n=10kHz,N=4，则四个电感的数值计算如下：

$>\left(\begin{array}{c}{L}_1=11.1\mathrm{uH}\\ L_2=16.7\mathrm{uH}\\ L_3=12.5\mathrm{uH}\\ L_4=11.1\mathrm{uH}\end{array}\right)$>

均衡控制电路40，与检测电路20和均衡电路30连接，用于比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制各个单体电池的均衡电流，使所有单体电池电压几乎同时趋于一致；当电池组中的各个单体电池的电压趋于一致时，停止均衡控制。

所述均衡控制电路包括微处理器41（MCU）和驱动电路42，微处理器41与检测电路20连接，驱动电路42与均衡电路的功率开关管连接，驱动电路将微处理器电路发出的驱动脉冲信号经隔离、放大和滤波后，发送给均衡电路30以控制功率开关管的开通和断开，实现均衡。

本发明实施例中，当需要对大量的串联电池组进行均衡控制时，需对上百路驱动电路发送控制信号，实现大量串联电池组的均衡控制。本发明的另一实施例中，利用FPGA输出接口多、运行速度快的优势，在均衡控制电路40中增加FPGA模块，连接在微处理器41和驱动电路42之间，微处理器41通过该FPGA模块向驱动电路发送驱动脉冲信号。MCU负责AD转化，简单计算，与FPGA通信；FPGA接收来自MCU的数据，发出相应的驱动脉冲。在由大量锂电池串联组成的电池组均衡系统中，通过FPGA模块可以发出相同数目的驱动脉冲，而MCU单独控制的系统是不能实现的。本发明实施例中微处理器41通过该FPGA模块向驱动电路发送PFM（脉冲频率调制Pulse FrequencyModulation）控制信号。该PFM控制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。

本发明的控制算法由均衡控制电路40完成，以如图3A和3B的电路图为例，如图5所示，根据从检测电路20得到的电压信息，比较电池电压，找出最小值。计算每个电池电压与最小电压的电压差，根据电压差值的大小，查频率表（见下表1，可以理解的是，针对不同的均衡电路，其所预先设置的频率表是不相同的），得到相应的频率值，发出相应的脉冲信号。微处理器41（即单片机部分）控制策略可采用C语言编制，由JTAG接口烧入控制器存储器或片内FLASH；FPGA部分控制策略可采用硬件描述语言Verilog编制，由JTAG接口烧入控制器存储器或片内FLASH。

表1频率表

△V(v)F(kHz)0.01～0.20300.20～0.40250.40～0.60200.60～0.8015>0.8010

若一单体电池电压值与电池组中电压最低值之差越大，则控制该单体电池的功率开关管的频率越低；若一单体电池电压值与电压最低值之差越小，则控制该单体电池的功率开关管的频率越高，使所有单体电池电压几乎同时趋于一致，以提高均衡效率。

本发明的一个实施例中，若该系统包括多个所述电池组，电池组之间串联，则均衡电路30先分别调节每个电池组中的单体电池电压，同时针对多个电池组进行电压均衡。在本发明的一个较佳实施例中每个电池组对应一个均衡电路，多个电池组间也连接均衡电路，用于电池组间的电压均衡。可以理解的是，当有多个均衡电路时，这些均衡电路可以集成在一个模块中。

本发明实施例基于平均均衡电流快速均衡的均衡控制方法，通过上述均衡控制系统实现，如图4所示，包括以下步骤：

S401、实时检测电池组中单体电池的电压值，单体电池之间串接；

S402、比较各个单体电池的电压值；

S403、判断不同单体电池的电压差是否超过预设阀值；

S404、当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制各个单体电池的均衡电流，使所有单体电池电压几乎同时趋于一致；当电池组中的各个单体电池的电压趋于一致时，停止均衡控制。

步骤S402中，若一单体电池电压值与电池组中电压最低值之差越大，则控制该单体电池的功率开关管的频率越低；若一单体电池电压值与电压最低值之差越小，则控制该单体电池的功率开关管的频率越高，使所有单体电池电压几乎同时趋于一致，以提高均衡效率。

若有多个电池组，则在对每个电池组中的单体电池进行均衡调节的过程中，也同时对多个电池组进行均衡调节。

本发明实施例的基于平均均衡电流的电池均衡控制方法通过高精度电压检测电路实时检测电池组中单体电池的电压值，当某节电池电压值与单体电池电压最低值的差超过阀值时开启均衡调节，控制电路根据所述电压差值的大小调节相应功率开关管的频率，使差值较大的单体电池获得较大的平均均衡电流，可使电池组中所有电池单体几乎同时达到均衡，提高了均衡速度及效率，防止了单体电池的不一致性带来的过充过放危害，延长了电池组的使用寿命。

本发明可以实现大量串联电池组快速、同时趋于均衡，可以应用于电动摩托车、电动汽车、混合动力汽车储能电池快速均衡的场合。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。