一种电池均衡控制装置及方法与流程

本发明涉及电气设备及电气工程领域，具体说涉及一种电池均衡控制装置及方法。

背景技术：

动力锂离子电池在使用过程中，为提高其电压平台和增大容量，多使用串并联的方法将多个电池单体组成电池模组。经过一定次数的充放电循环后，电池模组中的电池单体会出现电压不一致的情况，从而导致充放电异常。例如在充电时某个电池单体过早达到截止电压导致整组电池无法再继续充电。最终影响电池模组容量和使用寿命。

在现有技术中，通常采用电池均衡技术来解决上述电池单体的电压不一致的情况。目前锂离子电池均衡技术主要分两种，主动均衡和被动均衡。主动均衡大多使用能量转移的方法，将单体电压较高的电池电量转移到单体电压较低的电池中。这种方法结构较为复杂，效率较低，成本较高，不易实现。被动均衡则为查找单体电压较高的单体，对其放电，达到单体电压一致的目的。这种方法结构简单，成本较低，容易实现，且可靠性也较高。

然而现有技术中的被动均衡控制策略较为简单，仅仅将电压高于某一阀值的电池单体放电，不仅在阀值的选取上没有充分考虑电池单体的实际情况而且在均衡过程中也未考虑到某些特殊情况的发生，比如过温、通信丢失等。

因此，针对现有技术中的被动均衡控制策略较为简单的问题，需要一种新的电池均衡控制装置及方法以达到更为理想的电池均衡控制效果。

技术实现要素：

针对现有技术中的被动均衡控制策略较为简单的问题，本发明提供了一种电池均衡控制装置，所述装置包含主控板以及从控板，其中：

所述从控板包含电压采集单元，所述电压采集单元与电池单体相连，用以获 取并输出所述电池单体的单体电压；

所述主控板包含主均衡控制单元，所述主均衡控制单元与所述装置内所有从控板上的电压采集单元相连，以接收所述单体电压并基于所述单体电压输出系统均衡命令；

所述从控板还包含从均衡控制单元，所述从均衡控制单元与位于同一从控板上的所述电压采集单元以及所述主均衡控制单元相连，用于在所述主控板与所述从控板通信错误时基于所述单体电压输出单板均衡命令；

所述从控板还包含放电单元，所述放电单元与位于同一从控板上的所述电压采集单元、所述从均衡控制单元以及相应的所述电池单体相连，用于基于所述系统均衡命令或所述单板均衡命令对所述电池单体进行放电操作。

在一实施例中，所述系统/单板均衡命令包含均衡电压，所述主/从均衡控制单元包含均衡电压计算器，所述均衡电压计算器用于根据所述主/从均衡控制单元接收到的单体电压按照特定规则计算并输出所述均衡电压。

在一实施例中，所述主/从均衡电压计算器包含：

第一电压筛选器，用于从所述主/从均衡控制单元接收到的所有单体电压中筛选出处于正常采集电压范围内的单体电压；

第二电压筛选器，其与所述第一电压筛选器相连，用于对所述第一电压筛选器的输出做二次筛选，当所述处于正常采集电压范围内的单体电压的电压个数大于特定值时，从所述处于正常采集电压范围内的单体电压中去掉数值最高的单体电压以及数值最低的单体电压并输出剩下的所述单体电压；

平均计算器，其与所述第二电压筛选器相连，用于计算并输出所述第二电压筛选器输出的单体电压的平均值，所述平均值为所述均衡电压。

在一实施例中，所述装置还包含温度采集单元，所述温度采集单元用于获取并输出所述电池单体的单体温度和/或所述装置内特定组件的温度。

在一实施例中，所述装置还包含电池状态判断单元，其用于判断并输出所述电池单体的充放电状态。

在一实施例中，所述装置还包含交互模块，所述交互模块包含操作单元，所述操作单元与所述主控板和/或所述从控板相连，用于根据用户操作输出相应的均衡控制命令从而控制所述主控板和/或所述从控板的详细工作模式。

在一实施例中，所述交互模块还包含显示单元，所述显示单元用于收集并显 示所述装置的相关信息。

本发明还提供了一种电池均衡控制方法，所述方法包含以下步骤：

电池信息采集步骤，获取连接到电池均衡控制装置的电池单体的电池信息，所述电池信息包含所述电池单体的单体电压；

系统均衡命令生成步骤，基于获取到的所述单体电压生成并输出系统均衡命令；

单板均衡命令生成步骤，当所述电池均衡控制装置中主控板与从控板之间的通信发生错误时，基于连接到相应从控板上的电池单体的单体电压生成并输出单板均衡命令；

均衡命令执行步骤，基于所述系统均衡命令或所述单板均衡命令对相应的电池单体执行放电操作。

在一实施例中，所述电池信息还包含电池温度和/或电池充放电状态，在所述系统均衡命令生成步骤或所述单板均衡命令生成步骤中，基于相应的电池温度和/或电池充放电状态生成并输出所述系统均衡命令或单板均衡命令。

在一实施例中，所述方法还包含均衡模式设定步骤，根据使用者的具体需求设定所述电池均衡控制装置的工作模式，从而在所述系统均衡命令生成步骤或单板均衡命令生成步骤中基于具体的所述工作模式生成相应的所述系统均衡命令或所述单板均衡命令。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的电池均衡控制装置以及方法在进行电池均衡的过程中不仅更加全面的考虑到了电池单体的实际情况，还基于多种意外情况构建了应对措施，从而实现了更为安全有效的电池均衡控制，达到了更为理想的电池均衡控制效果。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的系统结构简图；

图2是根据本发明一实施例的执行流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

为了获得更为理想的电池均衡控制效果。本发明公开了一种电池均衡控制装置，本发明的电池均衡控制装置使用被动均衡策略(对电压较高的单体进行放电，使整组电池电压趋于一致，从而降低电池容量衰减速度，延长使用寿命)并采用了主从分布式结构。

本发明的电池均衡控制装置包含主控板以及从控板。从控板收集连接到其上的电池单体的信息并输出给主控板，主控板基于从控板收集到的信息生成并发送相应的均衡命令给从控板，从而对相应的电池单体执行放电操作，达到电池均衡控制的目的。

如图1所示，本实施例的装置包含主控板120以及连接到主控板120的2个从控板130和140。从控板130连接到电池单体101、102以及103，从控板140连接到电池单体104、105以及106。

这里需要说明的是，在本实施例中，装置包含2个从控板，每个从控板连接3个电池单体。但本发明的装置中的从控板以及电池单体的数目不限于此。在同一装置中，主控板可以连接到一个或多个从控板，每个从控板可以连接到一个或多个电池单体。主控板连接的从控板的数目以及从控板连接的电池单体的数目由用户实际需要以及具体的硬件环境决定。

本实施例的装置的工作原理是对电池单体中电压超过特定阈值的电池单体进行放电，从而达到均衡控制的目的。为达到上述目的，从控板130(140)包含电压采集单元134(144)。电压采集单元134(144)与电池单体101、102以及103(104、105以及106)相连，用于获取电池单体的单体电压。

主控板120包含主均衡控制单元122，电压采集单元134以及144连接到主 均衡控制单元122并将获取到的电池单体的单体电压输出到主均衡控制单元122。主均衡控制单元122根据接收到的所有电池单体的单体电压生成并输出系统均衡命令。在本实施例中，系统均衡命令包含均衡开关命令以及均衡电压。

从控板130(140)包含放电单元133(143)。放电单元133(143)连接到电压采集单元134(144)以及相应的电池单体101、102、103(104、105、106)上。放电单元133(143)基于来自主均衡控制单元122的系统均衡命令对相应的电池单体进行放电操作。

在本实施例中，在从控板130(140)上的放电单元133(143)基于开关控制器以及放电电阻构建。放电电阻通过采集线和控制开关与电池单体串联。控制开关可由开关控制器控制通断。控制开关接通时电池单体通过放电电阻放电，控制开关断开时不放电。为防止放电电阻发热量过大，当同一块从控板上同时均衡放电的电池单体数大于某一特定数值时(本实施例中设定为6)，则对需要均衡的单体电压按高低排序，取单体电压最高的特定数目的(本实施例中设定为6)电池单体进行放电均衡。

在本实施例中，主均衡控制单元122生成的系统均衡命令是针对系统中所有从控板发出的。主控板120以一定时间周期(本实施例中为500毫秒)向从控板130以及140发送系统均衡命令。在实际使用中，主控板120与从控板130(140)之间存在发生通信错误的情况。此时相应的从控板(130或140)就不能正常的执行电池均衡操作，从而造成电池电压不均衡。

在本实施例中，通信错误主要考虑以下几种状况：

1)系统均衡命令丢失，即一个或多个从控板接收不到系统均衡命令；

2)系统均衡命令错误，即从控板接收到的系统均衡命令是错误的(格式不完全以致无法执行)

针对上述情况，为了尽量减小通信错误对电池均衡控制的影响。本实施例的装置设定了两种均衡模式，系统均衡模式以及单板均衡模式。当装置正常运行时，装置处于系统均衡模式，即所有的从控板接受系统均衡命令并执行相应的放电操作。当发生系统均衡命令丢失或系统均衡命令错误时，相应的从控板(接收不到系统均衡命令或接收到错误系统均衡命令的从控板)进入单板均衡模式，对连接到其上的电池单体自主的进行放电操作。

在本实施例中，当从控板超过特定时长(本实施例中设定为5秒)没有接收 到系统均衡命令时视为系统均衡命令丢失。当从控板在特定时长内(本实施例中设定为5秒)一直接收到错误的系统均衡命令使视为系统均衡命令错误。

这里需要指出的是，当从控板发送到主控板的单体电池信息发生错误或者无法将单体电池信息发送到主控板时。本实施例的主控板即不会发送系统均衡命令到相应的从控板，此时视为系统均衡命令丢失的情况。

为了实现单板均衡模式，本实施例的从控板130(140)包含从均衡控制单元132(142)，从均衡控制单元132(142)与主均衡控制单元122、放电单元133(143)以及电压采集单元134(144)相连。当发生系统均衡命令没有丢失且系统均衡命令没有错误时，从控板上的从均衡控制单元将接收到的系统均衡命令转发给相应的放电单元。当发生系统均衡命令丢失或系统均衡命令错误时，相应的从控板上的从均衡控制单元基于同一从控板上的电压采集单元获取的单体电压生成单板均衡命令。

类似系统均衡命令，单板均衡命令也包含均衡开关命令以及均衡电压。放电单元133(143)接收到单板均衡命令后，当单板均衡命令中的均衡开关命令为开时，放电单元基于同一块从控板上电压采集单元134(144)采集到的所有连接到该从控板的电池单体101、102以及103(104、105以及106)的单体电压，对所有超过单板均衡命令中的均衡电压的电池单体进行放电直到其达到均衡电压。

在电池的正常使用中(充放电过程)以及电池的均衡过程中，电池单体会发热。不难理解，电池单体过热会造成整个电池系统的故障。为了尽量避免电池单体过热，本实施例的装置构建了温度监控。在电池单体的温度超过某一特定阈值(在本实施例中设定为50摄氏度)时不执行放电操作。

为了实现温度监控，本实施例的装置包含温度采集单元160。温度采集单元160连接到主均衡控制单元122，其监控所有与装置连接的电池单体的温度并将温度数据发送给主均衡控制单元122。主均衡控制单元122基于获取的温度数据根据具体的均衡策略生成相应的系统均衡命令。具体到本实施例即是，当电池单体的温度超过特定阈值时，主均衡控制单元122生成的系统均衡命令中的均衡开关命令被设置为关。

为了在单板均衡模式中也可以实现温度监控，本实施例的温度采集单元160还连接到每块从控板(130以及140)的从均衡控制单元(132以及142)上。从而使得任一从控板(130或140)进入单板均衡模式时可以获取到相应的电池单 体温度。当电池单体的温度超过某一特定阈值时，从均衡控制单元132或142生成的从均衡命令中的均衡开关命令被设置为关。

在本实施例中，为了简化系统内部结构布局，将温度采集单元160分为多个部分，每个从控板上构造温度采集单元160的一部分。每个从控板上的温度采集单元监控连接到该从控板的电池单体的温度。

在本实施例中，从控板上的电压采集单元、温度采集单元以及放电单元的开关控制器均利用电源管理芯片构造。即每块从控板上包含一电源管理芯片，在电源管理芯片内构造从控板上的电压采集单元、温度采集单元以及放电单元的开关控制器。

考虑到在实际使用中，从控板上的电源管理芯片也会发热。为了尽可能的避免电源管理芯片过热，在本实施例中，每个从控板上的电源管理芯片所构造的温度采集单元还监控自身的电源管理芯片的温度。当电源管理芯片的温度超过某一特定阈值(在本实施例中设定为85摄氏度)时，主/从均衡控制单元生成的主/从均衡命令中的均衡开关命令被设置为关。

充电、放电以及空置，正常工作的电池一般为上述三个状态中的一个，在某些具体应用情况中，在执行均衡操作时需要考虑电池的状态。例如在电池处于放电状态时，是无需执行电池均衡(放电)操作的。

考虑到上述情况，本实施例的装置还包含电池状态判断单元150，其用于判断并输出电池单体的充放电状态。在本实施例中，电池状态判断单元150连接到主均衡控制单元122以及每一个从均衡控制单元(132或142)。主均衡控制单元122以及从均衡控制单元(132或142)基于来自电池状态判断单元150的电池状态输出相应的主/从均衡命令(将均衡开关命令设置为开或关)。

本实施例中的电池状态判断单元150基于霍尔电流传感器构建，其通过电流采集来判断当前电池充放电状态，当同一状态持续时间大于特定时间(本实施例中为10秒)时才确认为该状态，否则认为是原状态不变。

在本实施例中，放电单元133(143)在主/从均衡命令中的均衡开关命令设置为开时，基于主/从均衡命令中的均衡电压进行放电操作。具体为，放电单元133(143)基于电压采集单元134以及144采集到的所有电池单体(101、102、103、104、105以及106)的单体电压，对所有超过均衡电压特定数值(本实施例中设定为100毫伏)的电池单体进行放电直到其单体电压达到均衡电压。

放电操作是目的是将超过均衡电压的电池单体的电压降到均衡电压从而实现电池电压的均衡操作。因此均衡电压的取值直接影响到最终的电池均衡效果。为了达到理想的均衡效果，本发明采用了特殊的均衡电压计算方法，其具体包含以下步骤：

从用于生成系统/单板均衡命令的对应的电池单体的单体电压中筛选出处于正常采集电压范围(0-5伏)内的单体电压；

当处于正常采集电压范围内的单体电压的电压个数大于特定值(本实施例中取5)时，从处于正常采集电压范围内的单体电压中去掉数值最高的单体电压以及数值最低的单体电压并计算剩下的单体电压的平均值，最终定义获取到的平均值为均衡电压。

为了实现上述均衡电压的获取，本实施例的主(122)/从(132、142)均衡控制单元包含均衡电压计算器。均衡电压计算器用于根据主(122)/从(132、142)均衡控制单元接收到的单体电压按照上述特定规则计算并输出均衡电压。

在本实施例中，均衡电压计算器包含：

第一电压筛选器，用于从主(122)/从(132、142)均衡控制单元接收到的所有单体电压中筛选出处于正常采集电压范围内的单体电压；

第二电压筛选器，其与第一电压筛选器相连，用于对第一电压筛选器的输出做二次筛选，当处于正常采集电压范围内的单体电压的电压个数大于特定值时，从处于正常采集电压范围内的单体电压中去掉数值最高的单体电压以及数值最低的单体电压并输出剩下的单体电压；

平均计算器，其与第二电压筛选器相连，用于计算并输出第二电压筛选器输出的单体电压的平均值，此平均值即为均衡电压。

为了适应用户的不同需要，本实施例的装置被构造为可以基于用户需要调整自身的均衡模式。为实现这一功能，本实施例的装置包含交互模块110。交互模块110包含操作单元112，操作单元112与主控板120(主均衡控制单元122)和从控板130以及140(从均衡控制单元132以及142)相连，用于根据用户操作输出相应的均衡控制命令从而控制主控板120和从控板130以及140的详细工作模式。在本实施例中，详细工作模式包含：与电池单体温度对应的阈值；与电源管理芯片温度对应的阈值；以及与电池充放电状态对应的均衡状态设定(在电池处于充电/放电/空置状态下是否可以进行均衡操作)。

操作单元112也可以直接控制主控板120和从控板130以及140的均衡模式的开关。例如直接设定系统均衡模式关闭，那么此时主/从均衡控制单元生成的系统/单板均衡命令中的均衡开关命令被设置为关。

在本实施例中，主控板120和从控板130以及140之间、主控板120和交互模块110之间、从控板130以及140和交互模块110之间均为控制器局域网总线(Controller Area Network，CAN)通信。当然的，在本发明其他实施例中，为简化系统结构，操作单元112也可只连接到主控板120或采取间接方式连接到从控板130以及140。

这里需要指出的是，在本实施例中系统/单板均衡命令中的均衡开关命令是可以即时更新的。即系统可以根据实际情况及时改变均衡开关命令从而立即控制放电模块。例如当放电模块正在执行放电操作时，如果电源管理芯片或者电池单体过热则可以通过改变均衡开关命令来立刻终止放电模块的放电操作。

为了实现本发明的装置的多种详细工作模式。在本实施例的主控板120、从控板130以及140中构造有用于保存工作模式的存储器121、131以及141。存储器121、131以及141分别与主均衡控制单元122、从均衡控制单元132以及142相连，从而存储来自操作单元112的均衡控制命令。主均衡控制单元122、从均衡控制单元132以及142正常工作时从存储器121、131以及141中读取相应的均衡控制命令。

当需要改变系统工作模式时，可通过操作单元112对存储器121、131以及141存储的均衡控制命令进行修改。操作单元112发送均衡控制命令给主均衡控制单元122、从均衡控制单元132以及142。主均衡控制单元122、从均衡控制单元132以及142收到均衡控制命令后将均衡控制命令写入存储器121、131以及141。

为防止写入过程出错，当写入完成后将重新读取该参数，与收到信息比较，若相同则写入成功，否则写入失败。当写入失败时，主/从均衡控制单元尝试进行第二次写入，若还未写入成功，则停止写入动作。主均衡控制单元122、从均衡控制单元132以及142将最终结果上报给交互模块110。同时若写入成功，则按照新的工作模式工作，若写入失败，则继续按原工作模式运行。

当装置的工作模式被设定好后即可进入自主运行状态，此时交互模块110可以关闭。在本发明的其他实施例中，系统中的从控板以及主控板可以在构造装置 时设定固定的工作模式，从而在装置中可以不构建交互模块。

为了便于用户操作，交互模块110还包含显示单元111。在本实施例中显示单元111与主控板120中的主均衡控制单元122相连。其收集并显示装置的相关信息。在本实施例中，上述相关信息包含连接到装置的所有电池单体的信息(单体电压、电池单体/电源管理芯片温度或电池状态)、主/从控板的均衡模式状态(均衡模式开/关状态、均衡电压或温度阈值)。

综上，本发明的电池均衡控制装置在进行电池均衡的过程中不仅更加全面的考虑到了电池单体的实际情况，还基于多种意外情况构建了应对措施，从而实现了更为安全有效的电池均衡控制，达到了更为理想的电池均衡控制效果。

基于本发明的装置，本发明还提出了一种电池均衡控制方法。下面结合本实施例的系统来详细描述本发明的方法的执行流程。以下的描述将涉及具体的流程图，附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图2所示，不难理解，执行本发明的电池均衡控制方法首先要执行步骤S200，均衡模式设定步骤，根据使用者的具体需求设定电池均衡控制装置的工作模式。具体到本实施例，即是与电池单体温度对应的阈值；与电源管理芯片温度对应的阈值；以及与电池充放电状态对应的工作设定(在电池处于充电/放电/空置状态下是否可以进行均衡操作)。更进一步的，在本实施例中，与电池单体温度对应的阈值为50摄氏度，电源管理芯片温度对应的阈值为85摄氏度。

接下来就可以执行电池信息采集步骤，获取连接到电池均衡控制装置中的从控板上的电池单体的电池信息。在本实施例中，电池信息包含电池单体的单体电压、电池单体温度、电源管理芯片温度以及电池充放电状态。即步骤S211(温度采集步骤)、步骤S212(电压采集步骤)以及步骤S213(充放电状态判断步骤)。

然后就可以执行步骤S220，系统均衡命令生成步骤。在本实施例的步骤S220中，按照步骤S200中获取的工作模式基于连接到电池均衡控制装置中所有的电池单体的单体电压、电池温度以及电池充放电状态生成并输出系统均衡命令。

系统均衡命令被发送到从控板后，从控板执行步骤S230，通信错误判断步骤，判断是否发生通信错误。

当步骤S230中判断发生通信错误时，相应的从控板即执行步骤S240，单板 均衡命令生成步骤，按照步骤S200中获取的工作模式基于连接到相应的从控板的电池单体的单体电压、电池温度以及电池充放电状态生成并输出单板均衡命令。

最后就可以执行步骤S250，均衡命令执行步骤，基于系统均衡命令或单板均衡命令对相应的电池单体执行放电操作。

综上，本发明的电池均衡控制装置以及方法在进行电池均衡的过程中不仅更加全面的考虑到了电池单体的实际情况，还基于多种意外情况构建了应对措施，从而实现了更为安全有效的电池均衡控制，达到了更为理想的电池均衡控制效果。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。