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CN101777784A - 均衡充电装置及均衡充电方法 - Google Patents

均衡充电装置及均衡充电方法 Download PDF

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杨重科
邓小明
李德伟
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Abstract

本发明提供的用于串联电池组的均衡充电装置包括多个充电支路，每个充电支路用于分别对串联电池组中的对应的单体电池充电，该均衡充电装置还包括控制器(4)，控制器(4)用于实时获取每个单体电池的SOC值并根据所述SOC值实时计算并更新串联电池组的SOC平均值，将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与所述SOC平均值进行比较，当最小SOC值与SOC平均值的差值大于第一阈值时控制对该最小SOC值所对应的单体电池充电的充电支路闭合，直至该单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时控制对该单体电池充电的充电支路断开。采用本发明提供的均衡充电装置及均衡充电方法解决了串联电池组充电不均衡的问题。

Description

均衡充电装置及均衡充电方法
技术领域
本发明涉及充电装置，尤其涉及一种用于串联电池组的均衡充电装置及均衡充电方法。
背景技术
可充电动力电池因其较好的利用率而被广泛地应用于各类电子产品，尤其是电动汽车或混合动力汽车中。对于电动汽车或混合动力汽车，设有由多个单体电池串联连接而成的作为电源装置的动力电池组。由于可充电动力电池制造和使用环境的差异性，导致动力电池在经过多次充、放电循环之后，电池单体差异性表现出逐渐增大的趋势，由此在充电过程中容易导致串联电池组单体充电不均衡，直接影响电池组的使用寿命和性能，这对于电动汽车和混合动力汽车来说是不容忽视的问题。
现有的动力电池单体均衡方法包括电阻放电均衡法、电容能量转移法和电感能量转移法。电阻放电均衡法是一种能量消耗的被动放电法，只能对电量高的单体电池放电，而不能对电量低的单体电池充电；电容能量转移法和电感能量转移法均是能量转移的主动均衡方法，可以实现对单体电池的充高放低，但该方法成本很高，并且由于电感、电容器件技术的不够成熟，导致可靠性较差，因此很难大规模地应用在电动汽车和混合动力汽车上。
发明内容
本发明的目的是为了解决串联电池组充电不均衡导致电池组有效容量小、使用性能差的问题，提供一种成本低、可靠性高的用于串联电池组的均衡充电装置及均衡充电方法。
本发明提供的用于串联电池组的均衡充电装置，该均衡充电装置包括多个充电支路，每个充电支路用于分别对串联电池组中的对应的单体电池充电，该均衡充电装置还包括控制器，所述控制器用于实时获取每个单体电池的SOC值并根据所述SOC值实时计算并更新串联电池组的SOC平均值，将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与所述SOC平均值进行比较，当最小SOC值与SOC平均值的差值大于第一阈值时控制对该最小SOC值所对应的单体电池充电的充电支路闭合，直至该单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时控制对该单体电池充电的充电支路断开。
本发明提供的用于串联电池组的均衡充电方法包括以下步骤：实时获取每个单体电池的SOC值，并根据所述SOC值实时计算并更新串联电池组的SOC平均值；将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与所述SOC平均值进行比较；以及当最小SOC值与SOC平均值的差值大于第一阈值时开始对该最小SOC值所对应的单体电池充电，直至该单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时停止对该单体电池充电。
本发明提供的用于串联电池组的均衡充电装置及均衡充电方法通过实时获取串联电池组中的每个单体电池的SOC值来计算并更新该串联电池组的SOC平均值，采用该串联电池组的实时更新的SOC平均值作为串联电池组是否充电均衡的判断条件，通过将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与SOC平均值进行比较来判断需要进行均衡充电的单体电池，进而将该单体电池与充电电源连接，实现对电量最低的单体电池补充电量，直至该单体电池的SOC值满足均衡充电条件才断开该单体电池与充电电源的连接，由此实现串联电池组的充电均衡。采用本发明提供的用于串联电池组的均衡充电装置及均衡充电方法可以正确选择需要均衡充电的电池单体，且成本低、可靠性高，解决了串联电池组充电不均衡的问题，完全实现了串联电池组的电压均衡，有效地提高了电池组的使用性能。
附图说明
图1为本发明提供的用于串联电池组的均衡充电装置的结构示意图；
图2为本发明提供的用于串联电池组的均衡充电方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的用于串联电池组的均衡充电装置及均衡充电方法做进一步的详细描述。
图1为本发明提供的用于串联电池组的均衡充电装置的结构示意图。如图1所示，本发明提供的用于串联电池组的均衡充电装置包括多个充电支路，每个充电支路用于分别对串联电池组中的对应的单体电池充电，其中，该均衡充电装置还包括控制器4，所述控制器4用于实时获取每个单体电池的SOC值并根据所述SOC值实时计算并更新串联电池组的SOC平均值，将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与所述SOC平均值进行比较，当最小SOC值与SOC平均值的差值大于第一阈值时控制对该最小SOC值所对应的单体电池充电的充电支路闭合，直至该单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时控制对该单体电池充电的充电支路断开。
电池荷电状态SOC(State Of Charge)用于表示电池的剩余电量，是描述电池充放电性能的重要参数，为本领域技术人员所公知。在动力电池使用过程中，单体电池SOC值的不同体现了电池单体差异性。
如图1所示，所述均衡充电装置优选还包括多个可控开关2，每个可控开关2分别位于每个充电支路中，所述控制器4具有多个输出端，每个输出端分别与每个可控开关2的控制端连接，所述控制器4通过控制可控开关2闭合或断开来控制充电支路的闭合或断开。
所述可控开关2为任意一种具有控制端的开关元件，其开闭可以由电信号进行控制，例如二极管、三极管或继电器。所述可控开关2在未接收到控制器4发出的控制其闭合或断开的控制信号时处于常开状态。优选情况下，所述可控开关2为MOSFET。MOSFET可以承受大于5A的电流，具有高电压隔离功能，可以实现对单体电池最高5A的均衡充电。采用MOSFET作为可控开关2，可以降低均衡充电装置的成本且减少均衡充电装置的体积，增加了系统可靠性。
如图1所示，串联电池组由多节单体电池串联连接而成，每节单体电池正负极两端都连接一个充电支路，如果单体电池的个数为N，则充电支路的个数为N+1，由此可以实现每次只允许一个单体电池与充电电源连接，实现同一时刻只对一个单体电池进行均衡充电，因此不需要考虑均衡过程中均衡充电装置内部的电压隔离问题，减少了系统复杂性，降低了隔离电路的成本。所述控制器4的输入端通过CAN总线与每个单体电池连接，用于采集每个单体电池的电压并计算每个单体电池的SOC值。对单体电池SOC值的计算过程为本领域技术人员所公知。操作者在保证对串联电池组中每个单体电池都进行电压采集以获取每个单体电池的SOC值的前提下可任意设置电压采集顺序。优选情况下，将电压采集顺序设定为从串联连接的第一节单体电池开始依次对每一节单体电池进行电压采集直至最后一节单体电池。
所述控制器4通过实时获取到的每个单体电池的SOC值来实时计算并更新串联电池组的SOC平均值，该SOC平均值通过以所有串联连接的单体电池的SOC值之和除以单体电池的个数得到，该计算过程为本领域技术人员所公知。所述控制器4中预先设定有第一阈值和第二阈值，控制器4还将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与串联电池组的SOC平均值进行比较，当最小SOC值与SOC平均值的差值大于预先设定的第一阈值时，控制对最小SOC值所对应的单体电池充电的充电支路闭合，由此对该单体电池充电，直至该单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时，控制器4控制对该单体电池充电的充电支路断开，由此完成对该单体电池的充电过程。为了持续地维持串联电池组的充电均衡，控制器4在完成对该单体电池的充电过程之后，继续执行上述的各项步骤，即实时地更新串联电池组的SOC平均值并继续最小SOC值与SOC平均值的比较步骤，以持续地确定需要充电的单体电池并对其充电，以实现串联电池组持续的充电均衡。所述第一阈值和第二阈值可由操作者在控制器4中进行预先设置，优选情况下，所述第一阈值为4％-10％中的任意一个值，所述第二阈值为0-3％中的任意一个值。更加优选的情况下，所述第一阈值为5％，所述第二阈值为2％，以使得各个单体电池之间的均衡性更佳。
所述控制器4为任意可以根据程序的指示实时获取串联电池组中的每个单体电池的SOC值并实时计算和更新串联电池组的SOC平均值，并根据程序的指示控制可控开关2的开闭的控制器，例如可以为PLC或单片机。
为了防止对单体电池的过充情况的发生，如图1所示，所述均衡充电装置还包括电压转换装置3，该电压转换装置3的输入端用于输入充电电压，输出端与多个充电支路相连，该电压转换装置3用于将所输入的充电电压转换成单体电池额定电压范围内的电压，并将转换后的电压输出到每个充电支路。
可以通过连接外部电源对单体电池进行充电，所述外部电源可以为交流电源或直流电源。由于需要在直流电压下对单体电池进行充电，当外部电源为交流电源时，所述电压转换装置为AC/DC转换器，用于将电源提供的交流电压转换为单体电池额定电压范围内的直流电压；当外部电源为直流电源时，所述电压转换装置为DC/DC转换器，用于将电源提供的直流电压转换为单体电池额定电压范围内的直流电压。
所述电压转换装置3为任意一种可以将交流电压转换为所需范围内的直流电压的AC/DC转换器或任意一种可以将直流电压转换为所需范围内的直流电压的DC/DC转换器，例如隔离式降压型AC/DC转换器、隔离式降压型DC/DC转换器。
为了节省能源，优选情况下，所述电压转换装置3为DC/DC转换器，所输入的充电电压可以来自任意电池，优选来自于车载12V铅酸电池，由此可以通过DC/DC转换器将来自于车载12V铅酸电池的12V直流电压转换为满足单体电池充电要求的直流低电压。
图2为本发明提供的用于串联电池组的均衡充电方法的流程图。本发明提供的串联电池组的均衡充电方法包括以下步骤：实时获取每个单体电池的SOC值，并根据所述SOC值实时计算并更新串联电池组的SOC平均值；将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与所述SOC平均值进行比较；以及当最小SOC值与SOC平均值的差值大于第一阈值时开始对该最小SOC值所对应的单体电池充电，直至该单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时停止对该单体电池充电。
为了防止对单体电池的过充情况的发生，该方法还包括以下步骤：将对所述单体电池充电的充电电压转换成单体电池额定电压范围内的电压后，再利用转换后的电压对所述单体电池充电。
可以通过连接外部电源对单体电池进行充电，例如对单体电池进行充电的充电电压可以来自任意电池，优选情况下，所输入的对所述单体电池充电的充电电压来自于车载12V铅酸电池。
根据本发明提供的方法，如图2所示，首先实时获取串联电池组中每个单体电池的SOC值，从串联连接的第一节单体电池开始，依次获取每节单体电池的SOC值直至最后一节单体电池；然后实时地通过所获取的单体电池的SOC值来计算并更新串联电池组的SOC平均值；之后，将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与所述SOC平均值进行比较；当比较结果为最小SOC值与SOC平均值的差值大于第一阈值时，确定该最小SOC值对应的单体电池需要充电，由此控制与该最小SOC值所对应的单体电池相连的一对可控开关2闭合，对该单体电池进行充电的充电电压经由电压转换后由所闭合的可控开关2引入到该单体电池中以对其进行充电；当该被充电的单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时，将该单体电池所连接的一对可控开关2断开，停止对该单体电池充电。

Claims (10)

1.一种用于串联电池组的均衡充电装置，该均衡充电装置包括多个充电支路，每个充电支路用于分别对串联电池组中的对应的单体电池充电，其中，该均衡充电装置还包括控制器(4)，所述控制器(4)用于实时获取每个单体电池的SOC值并根据所述SOC值实时计算并更新串联电池组的SOC平均值，将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与所述SOC平均值进行比较，当最小SOC值与SOC平均值的差值大于第一阈值时控制对该最小SOC值所对应的单体电池充电的充电支路闭合，直至该单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时控制对该单体电池充电的充电支路断开。
2.根据权利要求1所述的均衡充电装置，其中，所述第一阈值为4％-10％中的任意一个值，所述第二阈值为0-3％中的任意一个值。
3.根据权利要求1所述的均衡充电装置，其中，所述均衡充电装置还包括电压转换装置(3)，该电压转换装置(3)的输入端用于输入充电电压，输出端与所述多个充电支路相连，该电压转换装置(3)用于将所输入的充电电压转换成单体电池额定电压范围内的电压，并将转换后的电压输出到每个充电支路。
4.根据权利要求3所述的均衡充电装置，其中，所述电压转换装置(3)为DC/DC转换器，所输入的充电电压来自于车载12V铅酸电池。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的均衡充电装置，其中，所述均衡充电装置还包括多个可控开关(2)，每个可控开关(2)分别位于每个充电支路中，所述控制器(4)具有多个输出端，每个输出端分别与每个可控开关(2)的控制端连接，所述控制器(4)通过控制可控开关(2)闭合或断开来控制充电支路的闭合或断开。
6.根据权利要求5所述的均衡充电装置，其中，所述可控开关(2)为MOSFET。
7.一种用于串联电池组的均衡充电方法，其中，该方法包括以下步骤：
实时获取每个单体电池的SOC值，并根据所述SOC值实时计算并更新串联电池组的SOC平均值；
将所获取的单体电池的SOC值中的最小SOC值与所述SOC平均值进行比较；以及
当最小SOC值与SOC平均值的差值大于第一阈值时开始对该最小SOC值所对应的单体电池充电，直至该单体电池的SOC值与实时更新的所述SOC平均值的差值小于第二阈值时停止对该单体电池充电。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一阈值为4％-10％中的任意一个值，所述第二阈值为0-3％中的任意一个值。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，该方法还包括：将对所述单体电池充电的充电电压转换成单体电池额定电压范围内的电压后，再利用转换后的电压对所述单体电池充电。
10.根据权利要求9所述的均衡充电方法，其中，所输入的充电电压来自于车载12V铅酸电池。
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