专利名称：串联电池组充电平衡系统及其充电平衡方法
技术领域：
本发明涉及串联电池组充电技术，尤其涉及串联电池组充电平衡系统及其充电平 衡方法，适用于纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车、电动船舶、后备式通信 电源、NB电池和电动工具等所使用的多电池串联的电池组。
背景技术：
对于包含有多节电池串联的电池组，由于单体电池老化程度以及受温度影响不 同，每节单体电池的状态就不一致；随着充放电次数的增加，电池间的电压差会逐渐增加， 形成电池间的不平衡，从而造成电池组寿命缩短。当电池组用较大电流进行一段时间的放 电，如果电池之间的不平衡达到一定程度，容量最小的单体电池上产生的极化反应会对该 电池组造成永久性的损坏，因此单体电池之间平衡是否对于电池组的使用寿命及效果起着 至关重要的作用。目前市场上对于串联电池组的充电平衡管理，普遍采用以下方式1.采用末端平衡管理方式当电池组中任意一节单体电池电压达到电芯要求的恒压充电电压Uch时，对达到 Uch的电池两端并入小电流放电支路，当电池组中任意一节单体电池电压达到电芯要求的 过充保护电压Uov时，需立即切断充电回路，防止电池由于过充而引起安全问题。由于电池 间的不平衡，电池整组电压未达到相应的充电电压，这造成充电电流远大于并入的放电支 路电流，在大电流的作用下，电池从Uov到电芯要求的过充保护电压Uov的时间t很短(见 图1)，这表明了电池所能平衡的容量很少，在实际应用中这很难解决电池之间的容量差异 问题。2.采用中期平衡管理方式这种管理方式是在单体电池达到某一值W^al⑴bal为平衡启动点⑴bal《Uch)就 开始进行小电流放电，延长了电池平衡时间，但电池的充电曲线是不一致的。图2所示为电 池组里A、B电池的充电曲线，正常充电情况下，电池A的电压比电池B的电压先到达W^al 点，因此系统将对A电池进行小电流放电，而从充电曲线可以看出，本来A电池的充电时间 就要比B电池的充电时间长(t2 > tl)，但由于A电池先进行小电流放电，减少了实际流入 A电池的电流，延长了 A电池充满所需要的充电时间，最终造成A、B电池容量差异比平衡前 A、B电池的容量差异还要大。通过这种方案，不但没有拉近电池之间的电压差，反而加剧了 电池之间的电压差，从而造成容量上的进一步差异。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种串联电池组充电平衡系统及其充电平衡方法，以在 串联电池组的充电过程中解决电池组中的单体电池之间的容量差异问题。本发明提供的串联电池组充电平衡系统包括串联电池组和充电电源，串联电池组 包括多个串联的电池，该系统还包括电池电压监测模块，其包括与电池数量相等的电池电压监测子模块，每个电池电压检测子模块单独与一个电池连接，用于监测与其连接的电池 的电压；能量溢出模块，其包括数量与电池数量相等的能量溢出子模块，每个能量溢出子模 块单独与一个电池连接，能量溢出子模块包括串联连接的电子开关一(SW)和分流负载；充 电能量限入控制模块，其与串联电池组的一端和充电电源接连，用于对充电回路的电流进 行控制；主控模块，其分别与电池电压监测模块、能量溢出模块和充电能量限入控制模块电 连接，根据电池电压监测子模块检测到的电压情况来控制能量溢出子模块和充电能量限入 控制模块。本发明提供的充电平衡方法，包括在主控模块中设定平衡启动电压；单个电池 电压检测子模块一对一地对串联电池组中的单个电池电压进行检测，若单个电池电压低于 平衡启动电压，充电能量限入控制模块把串联电池组和充电电源接通，充电电源对串联电 池组进行正常充电，一旦电池电压检测子模块检测到单个电池电压达到平衡启动电压，串 联电池组进入限流充电状态，主控模块将与该电池连接的能量溢出子模块中的电子开关一 闭合，主控模块同时启动充电能量限入控制模块对充电电流进行控制。相对现有的技术，本发明具有如下技术效果1.可平衡度大，可以实现最恶劣平衡状态下的电池组平衡(即电池组中至少有一 节充满电池和一节放空电池)；2.由于平衡启动后，回路对电池组进行小电流充电，保证了所有的单体电池完全 充满，提高了电池利用效率；3.通过对充电电流的控制和对达到预定的充电电压的单体电池充电电流进行旁 路分流来实现电池间的平衡，极大地方便了电路的实现，提高了系统的稳定性，降低了电路 成本；4.由于采用末端平衡控制，避免了充电曲线不一致状态下造成的影响，有利于电 池分容配阻，使电池组的生产成本大幅度下降。
图1为现有的末端平衡管理方式的充电曲线图；图2为现有的中期平衡管理方式的充电曲线图；图3为本发明实施例一的方框电路图；图4为本发明实施例二的方框电路图；下面结合附图对本发明作详细描述。
具体实施例方式实施例一参见图3，串联电池组包括四个串联连接的电池，电池优选采用锂电池，每个电池 充电后的电压为4. 2V(伏)，因此电池组提供了 16. 8V的总电压。当然，本实施例中所采用 的4个锂电池不应该被视为是限制性，本发明可以使用任何数量、类型或容量的电池。本领 域技术人员认识到，每个电池实际上可以是并联连接并在相同电压下工作的若干个物理的 电池，以提高串联连接的多个电池的整体容量。串联电池组可向电气装置——例如(但不 限于)电动工具或NB电池——提供电源。
电池电压监测模块包括多个电池电压监测子模块，电池电压监测子模块的数量不 少于串联电池组中的电池数量，每个电池电压检测子模块通过电缆单独与一个电池连接， 电池电压检测子模块与单体电池建立起一对一的连接关系，时时在线监测与其连接的单个 电池的电压情况。每个电池电压监测子模块可以是由比较器、基准电压以及相关逻辑电路 组成的电池电压监测电路。当然，电池电压监测子模块还可以是任何电压相符的电压监测 类电子芯片，也可以是使用纯微处理器、微控制器、计算机、专用集成电路(ASIC)或本领域 技术人员所知的其他类似的装置与A/D构成的电压监测电路。能量溢出模块包括多个能量溢出子模块，能量溢出子模块的数量等于串联电池组 中的电池数量，每个能量溢出子模块单独与一个电池连接，能量溢出子模块与单体电池建 立起一对一的连接关系，每个能量溢出子模块包括串联连接的电子开关一 SW和分流负载。 当能量溢出子模块有效时，电子开关一 SW闭合，分流负载进行分流；相反，当能量溢出子模 块禁止时，电子开关一 SW断开，分流负载终止分流。当某一单体电池达到电芯要求的恒压 充电电压时，相应的电池能量溢出子模块中的电子开关一 SW就闭合，通过分流负载对电池 两端进行分流，实现多余电能溢出；一旦该单体电池电压低于电池自身要求的恒压充电电 压时，相应的能量溢出子模块中的电子开关一 SW就断开，中止电池能量溢出。电子开关一 SW的实现不限于由不同类型的晶体管、不同类型的场效应晶体管、继电器或其他合适的开 关器件来实施，也包括会对分流负载进行通断的逻辑意义上的开关信号。分流负载的实现 不限于耗电的电阻、电子模拟电阻，也包括会对整个电池馈电的DC/DC装置。此外，此处电 子开关一 SW(和其他开关)的操作在本申请中可以被称为“断开”、“闭合”、“通”、“断”等， 正如用于机械式开关的习惯那样。然而，这样做是为了方便表述，而不应将电子开关一 SW 理解为物理开关。充电能量限入控制模块与串联电池组的正极端和充电电源连接，用于实现整个充 电回路的电流控制，从而达到充电能量限制进入的目的。本发明提供了两种实施方式，但不 限于此。在本实施例中，充电能量限入控制模块包括电子开关二 KCH、电子开关三KOC和限 流电路，限流电路先与电子开关三KOC串联连接，之后再与电子开关二 KCH并联连接。当电 子开关二 KCH有效时，开关两端电路将被连通，即电池充电电源(或适配器)与电池组直接 连通。相反，当电子开关二 KCH被禁止时，开关两端电路将被断开。优选地，利用晶体管实 现电子开关二 KCH，从而可以实现由电子开关二 KCH执行的电切换而无需可移动部件(即 “固态”实现)。更优选地，电子开关二 KCH被实现为金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。 使用MOSFET而不是机械式或继电器式开关，大大降低了系统的实施成本。然而，电子开关 二 KCH也可以采用不同类型的晶体管、不同类型的场效应晶体管、继电器、或其他合适的开 关器件来实施。电子开关三KOC的实现与电子开关二 KCH相同。限流电路不限于电阻、电 子模拟电阻，也包括带限流功能的低压差电源电路。优先地，限流电路为低压差恒流源。在 本实施例中，系统通过断开电子开关二 KCH和闭合电子开关三KOC以及启动限流电路来实 现对充电能量管控。主控模块分别与电池电压监测模块、能量溢出模块和充电能量限入控制模块电连 接，主控模块可以是微处理器、微控制器、计算机、专用集成电路(ASIC)或本领域技术人员 所知的其他类似的装置，也可以是逻辑电路。主控模块用于对系统中各个部件的操作进行 控制，其从电池电压监测子模块得到各个单体电池的电压信息，对这些信息进行处理，并对能量溢出模块和充电能量限入控制模块进行控制。本发明由串联电池组充电平衡系统实现的充电平衡方法首先在主控模块中设定 平衡启动电压。由于所有的电池充电都有充电电压限制，当电芯达到充电电压，而且充电电 流小于某一值时，就认为该电芯充满，当电池组中所有电池都充满了，电池组中所有电池也 就达到平衡了。选择电池的充电限制电压作为平衡启动电压，可消除电芯充电曲线的影响。充电时，首先单个电池电压检测子模块一对一地对串联电池组中的单个电池电压 进行检测，若电池组中所有的单个电池电压低于平衡启动电压，主控模块将电子开关二 KCH 闭合而将电子开关三KOC断开，电子开关二 KCH把串联电池组和充电电源接通，充电电源 对串联电池组进行正常充电；一旦某电池电压检测子模块检测到单个电池电压达到平衡启 动电压，串联电池组进入限流充电状态，主控模块将与该电池连接的能量溢出子模块中的 电子开关一 SW闭合，该能量溢出子模块中的分流电阻对该电池进行分流，实现多余电能溢 出，主控模块同时将电子开关三KOC闭合而将电子开关二 KCH断开，启动充电能量限入控制 模块对充电电流进行控制，并保证能量溢出子模块的可分流能量值大于充电能量限入控制 模块所限制的充电进入能量值。在限流充电状态下，充电能量限入控制模块将充电电流控 制小于正常充电电流，电池充电源以小于正常充电电流的电流对未达到平衡启动电压的单 体电池继续充电，而对于已经达到平衡启动电压的单体电池，由于相应的能量溢出子模块 对其进行了分流，将多余电能溢出，该单体电池的电压保持不变。串联电池组在限流充电状 态下继续充电，直至电池组中的所有单体电池充满，最终实现平衡。实施例二本实施例的大部分结构与实施例一相同，其区别仅在于充电能量限入控制模块， 在该实施例中，充电能量限入控制模块为电子开关二(KCH)，当正常充电时，主控模块将电 子开关二(KCH)闭合，而在限流充电时，主控模块通过对电子开关二(KCH)的通断时间控制 来实现对单位时间内充电回路提供的电荷数进行管控。
权利要求
1.串联电池组充电平衡系统，包括串联电池组和充电电源，串联电池组包括多个串联 的电池，其特征在于，所述系统还包括电池电压监测模块，其包括与电池数量相等的电池电压监测子模块，每个电池电压检 测子模块单独与一个电池连接，用于监测与其连接的电池的电压；能量溢出模块，其包括数量与电池数量相等的能量溢出子模块，每个能量溢出子模块 单独与一个电池连接，能量溢出子模块包括串联连接的电子开关一(SW)和分流负载；充电能量限入控制模块，其与串联电池组的一端和充电电源接连，用于对充电回路的 电流进行控制；主控模块，其分别与电池电压监测模块、能量溢出模块和充电能量限入控制模块电连 接，根据电池电压监测子模块检测到的电压情况来控制能量溢出子模块和充电能量限入控 制模块。
2.根据权利要求1所述的串联电池组充电平衡系统，其特征在于，所述充电能量限入 控制模块包括电子开关二(KCH)、电子开关三(KOC)和限流电路，限流电路先与电子开关三 串联连接之后再与电子开关二并联连接。
3.根据权利要求2所述的串联电池组充电平衡系统，其特征在于，所述电子开关一 (SW)、电子开关二(KCH)和电子开关三(KOC)为晶体管或继电器。
4.根据权利要求3所述的串联电池组充电平衡系统，其特征在于，所述电子开关二 (KCH)为金属氧化物硅场效应晶体管。
5.根据权利要求3所述的串联电池组充电平衡系统，其特征在于，所述电池电压监测 子模块为由比较器、基准电压以及逻辑电路组成的电池电压监测电路。
6.根据权利要求3所述的串联电池组充电平衡系统，其特征在于，所述限流电路为电 阻、电子模拟电阻或包括带限流功能的低压差电源电路。
7.根据权利要求1所述的串联电池组充电平衡系统，其特征在于，所述充电能量限入 控制模块为电子开关二(KCH)。
8.串联电池组充电平衡方法，其特征在于，所述方法包括在主控模块中设定平衡启动电压；单个电池电压检测子模块一对一地对串联电池组中的单个电池电压进行检测，若单个 电池电压低于平衡启动电压，充电能量限入控制模块把串联电池组和充电电源接通，充电 电源对串联电池组进行正常充电，一旦电池电压检测子模块检测到单个电池电压达到平衡 启动电压，串联电池组进入限流充电状态，主控模块将与该电池连接的能量溢出子模块中 的电子开关一(SW)闭合，主控模块同时启动充电能量限入控制模块对充电电流进行控制。
9.根据权利要求8所述的串联电池组充电平衡方法，其特征在于，所述充电能量限入 控制模块包括电子开关二(KCH)、电子开关三(KOC)和限流电路，限流电路先与电子开关三 串联连接之后再与电子开关二并联连接，当正常充电时，主控模块将电子开关二(KCH)闭 合而将电子开关三(KOC)断开，当限流充电时，主控模块将电子开关三(KOC)闭合而将电子 开关二(KCH)断开。
10.根据权利要求8所述的串联电池组充电平衡方法，其特征在于，所述充电能量限入 控制模块为电子开关二(KCH)，主控模块通过对电子开关二(KCH)的通断时间控制来实现 对单位时间内充电回路提供的电荷数进行管控。
全文摘要
本发明涉及串联电池组充电平衡系统及其充电平衡方法，该系统包括串联电池组、充电电源、电池电压监测模块、能量溢出模块、充电能量限入控制模块和主控模块，当电池电压监测模块检测到某个电池的电压达到平衡启动电压时，能量溢出模块对该电池进行分流，使该电池保持平衡启动电压，同时充电能量限入控制模块对充电电流进行控制，对未达到平衡启动电压的单体电池进行继续充电，直到电池组中的所有电池充满。本发明具有可平衡度大、电池利用效率高、电路成本低和电池组寿命长等优点。
文档编号H01M10/42GK102064580SQ20101059783
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者童文贤 申请人:宁波飞驰达电子科技发展有限公司