基于有效均衡信号的全均衡充电方法与电池集成系统与流程

专利2022-05-09  90



1.本发明涉及电池充电管理技术领域。


背景技术:

2.电池作为用电设备的电源时,通常将大量单体电池串联成串,组成电池组满足用电设备功率与电压需求。由于电池在制造过程中的材料或者工艺的差异,生产出的电池不可能完全一致,在多次循环充放电之后,单体电池之间会出现电压与电荷不平衡,导致电池在充放电过程中会面临过充过放问题。致使电池组安全性下降,电池组的容量下降,电池寿命缩短等问题,因此必须对电池组进行均衡与管理。
3.目前电池组的均衡充电方案主要分为能量耗散式和能量转移式。能量耗散式是通过对需要均衡的电池并联电阻的方式,通过电阻支路的分流作用,流入并联电池的电流减小,开启均衡的电池流入能量减少。然而此种方式还是有电流持续流入开启均衡的电池中,开启均衡的电池造成其电压继续升高,存在电池过充的安全隐患。能量转移式则是通过变换器将电池多余的能量转移出去。不论何种均衡方案,均需要检测电池是否达到均衡条件,在达到均衡条件后才能开启均衡模式进行充电。
4.现有技术中主要是通过检测电池的实时电压或者实时电量来判断是否达到均衡条件,以对电压高或电量多的电池进行放电来维持充电过程中各电池的电压一致(达到平均电压),那么一旦任意一个单体电池充满电后,为了防止过充,就被认为所有电池均充满电而停止充电,但是由于电池的不均一性,其他电池很可能并未充满电,无法真正的实现所有电池均充满电,不能最大限度使用电池组可用容量。另外,实时电压和实时电量的检测对检测芯片的要求较高,需要用较昂贵的芯片,造成成本高昂。


技术实现要素:

5.针对上述现有技术的不足,本发明提供一种基于有效均衡信号的全均衡充电方法,解决如何既能避免单体电池过充又能保证电池组中所有电池均充满电的技术问题。
6.为了解决上述技术问题,本发明采用了如下的技术方案:一种基于有效均衡信号的全均衡充电方法,包括以下步骤:
7.step1:实时判断电池组中是否有单体电池达到均衡开启条件;所述均衡开启条件为单体电池的端电压大于等于预设电压;若是,达到均衡开启条件的单体电池进入step2;若否,则进入step4;
8.step2:开启与单体电池并联的均衡模块对充电电流进行分流,流入均衡模块的电流为均衡电流,并同时产生表示处于均衡开启状态的均衡信号;
9.step3:根据当前均衡信号是否稳定来判断当前均衡信号是否为有效均衡信号,以稳定的均衡信号作为有效均衡信号;若为有效均衡信号,则记录当前有效均衡信号所对应的单体电池,并逐渐降低充电主回路中的充电电流,直到充电主回路中的充电电流小于所述均衡电流而导致均衡模块关闭,之后进入step4;若否,则回到step1;
10.step4:逐渐增大充电主回路中的充电电流,直到检测到有效均衡信号,并记录当前有效均衡信号所对应的单体电池;
11.step5:判断记录中是否所有单体电池都已经发出过有效均衡信号;若是,则停止充电;若否,则回到step1。
12.本发明还提供一种电池集成系统,包括电池组,所述电池组包括若干串联连接的单体电池,每个单体电池均并联有独立的均衡模块,所述均衡模块在满足均衡开启条件时开启以对充电电流进行分流;所述均衡开启条件为单体电池的端电压大于等于预设电压;所述均衡模块能够在均衡开启状态下发送均衡信号给控制系统,所述控制系统能够将稳定的均衡信号识别为有效均衡信号;
13.所述电池组的充电主回路上串联总开关模块;所述总开关模块用于接收控制系统的pwm波形控制;
14.所述控制系统中配置有全均衡充电管理程序,用于根据电池组的有效均衡信号情况来调节pwm波形的占空比,从而通过调节总开关模块的开关频率来调节充电电流的平均值:若当前识别到有效均衡信号,则记录当前有效均衡信号所对应的电池,并逐渐减小占空比直到有效均衡信号消失;若当前未识别到有效均衡信号,则逐渐增大占空比直到检测到有效均衡信号,并记录当前有效均衡信号所对应的电池;若记录中所有电池都已经发出过有效均衡信号,则停止充电。
15.进一步的,所述均衡模块包括用于并联在单体电池两端以检测端电压的电源管理ic,电源管理ic串联开关管与耗散电阻形成均衡回路,电源管理ic根据电池端电压控制开关管开闭;通过电源管理ic识别开关管的开启状态并发送均衡信号给控制系统,或者通过串接在均衡回路上的均衡信号发送模块发送均衡信号给控制系统。
16.进一步的,所述均衡信号发送模块为光耦受控三极管,所述光耦受控三极管在均衡回路接通时产生高电平信号作为均衡信号发送给控制系统。
17.进一步的,所述充电主回路上设置电流采样模块以实时采集充电电流发送给控制系统。
18.进一步的,当识别到稳定均衡信号时,控制系统按如下方式调节pwm波形的占空比:
19.首先根据预估均衡电流与充电电流的比例来调节pwm波形的占空比,即将占空比d调节到d=i/i,其中,i表示实时采集的充电电流,i表示预估均衡电流,i=v/r,v表示均衡开启电压,即单体电池的预设电压,r表示耗散电阻的阻值;
20.然后,再按照固定比例降低占空比,直到有效均衡信号消失。
21.与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
22.1、现有技术是通过检测端电压来判断单体电池是否充满电,一旦某个单体电池的端电压达到预设电压,则停止对整个电池组的进行充电,虽然能够防止过充,但是由于电池的不均一性,电池组中有的单体电池充满快,有的充满慢,并不能保证电池组中的每个单体电池充满电,长期充电不足会导致电池组的容量下降、安全性下降和电池寿命缩短。本发明同时从三方面入手来化解了单体电池过充与电池组整体充满之间的矛盾:1)采用有效均衡信号作为判断单体电池是否充满的指标,并且是在每个单体电池的均衡模块都发出过有效均衡信号后,才停止充电,从而保证电池组中每个单体电池充满(基本等于预设电压)。2)本
发明采用单体电池的预设电压作为均衡开启电压,一旦单体电池的端电压大于等于预设电压,便开启均衡,同时减小充电电流,既能避免开启均衡的单体电池继续充电而发生过充,又能让未开启均衡的单体电池继续充电。3)当电池组中没有有效均衡信号时,增大充电电流进行充电,既能加快充电速度,又能使单体电池充满电后更加接近预设电压。
23.2、由于本发明采用预设电压作为均衡开启电压,那么只需检测单体电池的端电压是否达到预设电压,而无需采用昂贵的芯片检测实时端电压的具体数值,能够大大降低硬件成本。
24.3、本发明的电池集成系统采用pwm脉冲宽调制来实现充电电流的调节,采用模拟芯片(单体电池的电源管理ic)与数字处理器(控制系统的mcu)相结合的技术手段,可剔除充放电过程中的瞬间过、欠压干扰信号,提高系统容错性和抗干扰能力。
25.4、所述均衡信号发送模块为光耦受控三极管,只要均衡回路接通状态发生改变,就能产生相应电平变化,从而能够准确反应出均衡开启状态。
26.5、增加电流采样模块,并根据预估均衡电流与充电电流的比例来调节pwm波形的占空比,比直接按照固定比例逐渐将低占空比,更能缩短调调节时间,提高充电效率。
附图说明
27.图1是本具体实施方式中电池集成系统的结构框图;
28.图2是本具体实施方式中的均衡模块的结构示意图;
具体实施方式
29.下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
30.为了便于更好的说明本发明的技术方案,首先对本发明基本原理进行说明:预设电压为单体电池充满电时的电压,大于额定电压,根据单体电池自身性能确定预设电压,例如磷酸铁锂类单体电池的预设电压3.6v,额定电压3.2v;单体电池开启均衡后则表示该电池已经充满电,均衡模块发送均衡信号给控制系统,若该均衡信号为有效均衡信号则控制系统标记该单体电池已经充满。通过逐步减小充电电流,使充电电流能够略小于或等于均衡回路的均衡电流,那么已经充满电的电池,其充电电流被均衡电路旁路,该节电池不再进行充电,其他未均衡电池则继续进行充充电。实现对未充满电的电池继续充电,已经充满的单体电池的充电电流被旁路,该单体电池的电压不会继续上升,避免电池过充电,过充电压并非指预设电压,标称3.2v的电池,充满电时电压可认定为3.6v,但是通常认为3.7v的时候该种类型(磷酸铁锂类)的电池存在过充的风险,充电结束后全部单体电池的电量趋于一致(基本等于预设电压),因此真正实现了全均衡。
31.本发明提供了一种基于有效均衡信号的全均衡充电方法,包括以下步骤:
32.step1:实时判断电池组中是否有单体电池达到均衡开启条件;所述均衡开启条件为单体电池的端电压大于等于预设电压;若是,达到均衡开启条件的单体电池进入step2;若否,则进入step4;
33.step2:开启与单体电池并联的均衡模块对充电电流进行分流,流入均衡模块的电流为均衡电流,并同时产生表示处于均衡开启状态的均衡信号;
34.step3:根据当前均衡信号是否稳定来判断当前均衡信号是否为有效均衡信号,以
稳定的均衡信号作为有效均衡信号;若为有效均衡信号,则记录当前有效均衡信号所对应的单体电池,并逐渐降低充电主回路中的充电电流,直到充电主回路中的充电电流小于所述均衡电流而导致均衡模块关闭,之后进入step4;若否,则回到step1;
35.step4:逐渐增大充电主回路中的充电电流,直到检测到有效均衡信号,并记录当前有效均衡信号所对应的单体电池;
36.step5:判断记录中是否所有单体电池都已经发出过有效均衡信号;若是,则停止充电;若否,则回到step1。
37.本具体实施方式中,通过对均衡信号进行消抖处理来判断当前均衡信号是否稳定,从而判断当前均衡信号是否为有效均衡信号。更具体的,通过延时等待当前均衡信号是否持续存在来判断当前均衡信号是否为有效均衡信号;或者通过在单位时间内数次检测当前均衡信号是否存在,检测次数不少于3次。
38.本具体实时方式中,通过调节充电主回路中的总开关模块的控制波形的脉冲宽度来调节充电主回路中的充电电流。当然,还可以采用别的方式来改变充电电流大小,例如充电主回路中串联可变电阻。
39.为了实现本发明的均衡充电方法,本发明还提供一种电池集成系统,参考图1所示,包括电池组,所述电池组包括若干串联连接的单体电池,每个单体电池均并联有独立的均衡模块,所述均衡模块在满足均衡开启条件时开启以对充电电流进行分流;所述均衡开启条件为单体电池的端电压大于等于预设电压;所述均衡模块能够在均衡开启状态下发送均衡信号给控制系统,所述控制系统能够将稳定的均衡信号识别为有效均衡信号;
40.所述电池组的充电主回路上串联总开关模块;所述总开关模块用于接受控制系统的pwm波形控制;
41.所述控制系统中配置有全均衡充电管理程序,用于根据电池组的有效均衡信号情况来调节pwm波形的占空比,从而通过调节总开关模块的开关频率来调节充电电流的平均值:若当前识别到有效均衡信号,则记录当前有效均衡信号所对应的电池,并逐渐减小占空比直到有效均衡信号消失;若当前未识别到有效均衡信号,则逐渐增大占空比直到检测到有效均衡信号,并记录当前有效均衡信号所对应的电池;若记录中所有电池都已经发出过有效均衡信号,则停止充电。
42.参考图2所示,所述均衡模块包括用于并联在单体电池两端以检测端电压的电源管理ic,电源管理ic串联开关管与耗散电阻形成均衡回路,电源管理ic根据电池端电压控制开关管开闭;通过串接在均衡回路上的均衡信号发送模块发送均衡信号给控制系统。所述均衡信号发送模块为光耦受控三极管,所述光耦受控三极管在均衡回路接通时产生高电平信号作为均衡信号发送给控制系统。另外,还可以通过电源管理ic识别开关管的开启状态并发送均衡信号给控制系统。
43.本具体实施方式中,当识别到稳定均衡信号时,按照固定比例逐渐降低占空比,直到有效均衡信号消失;当未识别到稳定均衡信号时,按照固定比例逐渐增加占空比,直到检测到有效均衡信号。
44.本具体实施方式中,所述充电主回路上设置电流采样模块以实时采集充电电流发送给控制系统;那么当识别到稳定均衡信号时,控制系统按如下方式调节pwm波形的占空比:
45.首先根据预估均衡电流与充电电流的比例来调节一个周期的pwm波形的占空比,即将占空比d调节到d=i/i,其中,i表示实时采集的充电电流,i表示预估均衡电流,i=v/r,v表示均衡开启电压,即单体电池的预设电压,r表示耗散电阻的阻值(本具体实施方式中两个电阻并联形成耗散电阻);由于均衡状态下,单体电池即在放电又在充电,电池电压不断发生变化,均衡电流随着电池电压的变化而变化,难以精确计算均衡电流的大小,故而对均衡电流进行预估。然后,再按照固定比例降低占空比,直到有效均衡信号消失。
46.另外,根据实时采集到的充电电流,控制系统还能实现对电池组电量的估计(采用现有技术中的电量估计算法即可),以及对电池组进行电流监测。

技术特征:
1.一种基于有效均衡信号的全均衡充电方法,其特征在于,包括以下步骤:step1:实时判断电池组中是否有单体电池达到均衡开启条件;所述均衡开启条件为单体电池的端电压大于等于预设电压,预设电压为单体电池充满电时的电压,根据单体电池自身性能确定;若是,达到均衡开启条件的单体电池进入step2;若否,则进入step4;step2:开启与单体电池并联的均衡模块对充电电流进行分流,流入均衡模块的电流为均衡电流,并同时产生表示处于均衡开启状态的均衡信号;step3:根据当前均衡信号是否稳定来判断当前均衡信号是否为有效均衡信号,以稳定的均衡信号作为有效均衡信号;若为有效均衡信号,则记录当前有效均衡信号所对应的单体电池,并逐渐降低充电主回路中的充电电流,直到充电主回路中的充电电流小于所述均衡电流而导致均衡模块关闭,之后进入step4;若否,则回到step1;step4:逐渐增大充电主回路中的充电电流,直到检测到有效均衡信号,并记录当前有效均衡信号所对应的单体电池;step5:判断记录中是否所有单体电池都已经发出过有效均衡信号;若是,则停止充电;若否,则回到step1。2.根据权利要求1所述的基于有效均衡信号的全均衡充电方法,其特征在于,通过对均衡信号进行消抖处理来判断当前均衡信号是否稳定,从而判断当前均衡信号是否为有效均衡信号。3.根据权利要求2所述的基于有效均衡信号的全均衡充电方法,其特征在于,通过延时等待当前均衡信号是否持续存在来判断当前均衡信号是否为有效均衡信号;或者通过在单位时间内数次检测当前均衡信号是否存在,检测次数不少于3次。4.根据权利要求1所述的基于有效均衡信号的全均衡充电方法,其特征在于,通过调节充电主回路中的总开关模块的控制波形的脉冲宽度来调节充电主回路中的充电电流。5.一种电池集成系统,包括电池组,所述电池组包括若干串联连接的单体电池,每个单体电池均并联有独立的均衡模块,所述均衡模块在满足均衡开启条件时开启以对充电电流进行分流;其特征在于,所述均衡开启条件为单体电池的端电压大于等于预设电压;所述均衡模块能够在均衡开启状态下发送均衡信号给控制系统,所述控制系统能够将稳定的均衡信号识别为有效均衡信号;所述电池组的充电主回路上串联总开关模块;所述总开关模块用于接受控制系统的pwm波形控制;所述控制系统中配置有全均衡充电管理程序,用于根据电池组的有效均衡信号情况来调节pwm波形的占空比,从而通过调节总开关模块周期内的开通时长来调节充电电流的平均值:若当前识别到有效均衡信号,则记录当前有效均衡信号所对应的电池,并逐渐减小占空比直到有效均衡信号消失;若当前未识别到有效均衡信号,则逐渐增大占空比直到检测到有效均衡信号,并记录当前有效均衡信号所对应的电池;若记录中所有电池都已经发出过有效均衡信号,则停止充电。6.根据权利要求5所述的电池集成系统,其特征在于:所述均衡模块包括用于并联在单体电池两端以检测端电压的电源管理ic,电源管理ic串联开关管与耗散电阻形成均衡回路,电源管理ic根据电池端电压控制开关管开闭;通过电源管理ic识别开关管的开启状态并发送均衡信号给控制系统,或者通过串接在均衡回路上的均衡信号发送模块发送均衡信
号给控制系统。7.根据权利要求5所述的电池集成系统,其特征在于:所述均衡信号发送模块为光耦受控三极管,所述光耦受控三极管在均衡回路接通时产生高电平信号作为均衡信号发送给控制系统。8.根据权利要求5所述的电池集成系统,其特征在于:当识别到稳定均衡信号时,按照固定比例逐渐降低占空比,直到有效均衡信号消失;当未识别到稳定均衡信号时,按照固定比例逐渐增加占空比,直到检测到有效均衡信号。9.根据权利要求6所述的电池集成系统,其特征在于:所述充电主回路上设置电流采样模块以实时采集充电电流发送给控制系统,控制系统能够根据实时充电电流对电池组电量进行估计,以及对电池组进行电流监测。10.根据权利要求6所述的电池集成系统,其特征在于:所述充电主回路上设置电流采样模块以实时采集充电电流发送给控制系统,当识别到稳定均衡信号时,控制系统按如下方式调节pwm波形的占空比:首先根据预估均衡电流与充电电流的比例来调节pwm波形的占空比,即将占空比d调节到d=i/i,其中,i表示实时采集的充电电流,i表示预估均衡电流,i=v/r,v表示均衡开启电压,即单体电池的预设电压,r表示耗散电阻的阻值;然后,再按照固定比例降低占空比,直到有效均衡信号消失。
技术总结
本发明公开了一种基于有效均衡信号的全均衡充电方法与电池集成系统,实时判断电池组中是否有单体电池达到均衡开启条件,均衡开启条件为单体电池的端电压大于等于预设电压,开启均衡后产生均衡信号;以稳定的均衡信号作为有效均衡信号,当存在有效均衡信号时,则逐渐减小充电电流,直到有效均衡信号消失;采用有效均衡信号作为判断单体电池是否充满的指标,并且是在每个单体电池的均衡模块都发出过有效均衡信号后,才停止充电;当没有有效均衡信号时,增大充电电流进行充电。电池集成系统采用脉冲宽度调制来实现充电电流的调节。本发明解决了如何既能避免单体电池过充又能保证电池组中所有电池均充满电的技术问题,单体电池的电量趋于一致。的电量趋于一致。的电量趋于一致。


技术研发人员:章治国 杜吉祥 李禹 柏科 唐艳 章巧敏
受保护的技术使用者:重庆宏一电气有限公司
技术研发日:2021.03.26
技术公布日:2021/6/29

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