一种动态调整型电池组主动均衡方法
【专利摘要】一种动态调整型电池组主动均衡方法，电池组放电并构建单体电池放电d％-Vdkx曲线；电池组充电并构建单体电池充电c％-Vckx曲线；当某单体电池容量放电到设定容量时开始均衡；对空载电压最低的m个单体电池进行充电，直到空载电压达到平均值；判断单体电池空载电压极差是否小于设定值，是则放电完毕；电池组开始充电；测量去除内阻分压的单体电池电压，并计算空载电压；当某单体电池容量充电到设定容量，开始均衡；对空载电压最低的m个单体电池进行充电，直到空载电压达到平均值；判断单体电池空载电压极差是否小于设定值，是则充电完毕。能动态地分析各个单体的特性，电池组放电时，精准高效地将高容量的电芯的能量补充给低容的电芯。
【专利说明】一种动态调整型电池组主动均衡方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池组均衡技术，尤其是一种动态调整型电池组主动均衡方法。
【背景技术】
[0002]目前市面上多数采用被动耗散型的均衡策略来提高锂电池的一致性。但是这种技术发热量大、均衡电流小以及浪费电池能量，不能起到取长补短的作用，使得电池组中高电量的单体电芯不能充分发挥容量，整个电池组的容量取决于最小容量的单体电芯。部分主动均衡技术也不成熟，不能很及时很准确地将富余的能量充分利用。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种动态调整型电池组主动均衡方法，能动态地分析各个单体的特性，电池组放电时，精准高效地将高容量的单体电芯的能量补充给低容的单体电芯；电池组充电时，精准高效地将低容先充满的电芯的能量搬移给高容后充满的电芯，使得电池组各节电芯做到同时耗尽以及同时充满，从而实现高效率搬移及损耗极小的取长补短效果，提升电池组整体容量。
[0004]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种动态调整型电池组主动均衡方法，其基于实现的电路包括变压器，所述变压器包括一个主线圈和η个次级线圈，η > 3 ;每个次级线圈对应与一个单体电池连接，所述单体电池串联组成电池组，利用电池组的电能对其中m个单体电池进行补充电的方法包括以下步骤，m ( n/3，其中m为整数；
[0005](I)电池组开始初始标定:
[0006](2)充满单体电池并检测记录单体电池的空载电压；
[0007](3)电池组恒流放电，检测电流并计算放电容量；
[0008](4)记录单体电池放电瞬间带载电压；
[0009](5)计算并记录单体电池内阻DCR ；
[0010](6)每隔一段时间记录单体电池电压及容量直到放电完毕；
[0011](7)构建单体电池放电d% -Vdkx曲线；
[0012](8)电池组开始充电；
[0013](9)每隔一段时间记录单体电池的电压及容量直到充电完毕；
[0014](10)构建单体电池充电c% -Vckx曲线；
[0015](11)电池组初始数据标定完毕；
[0016](12)正常使用并记录单体电池空载电压；
[0017](13)电池组放电，测量计算单体电池内阻DCR及放电容量；
[0018](14)测量单体电池电压，并去除内阻分压来计算空载电压；
[0019](15)当电池组放电到设定容量、空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡；
[0020](16)对空载电压最低的m个单体电池进行充电，直到空载电压达到平均值；[0021](17)判断单体电池空载电压极差是否小于设定值，否则继续均衡，是则停止均衡，直到放电完毕；
[0022](18)电池组开始充电并测量计算充电电容量；
[0023](19)测量单体电池电压，并去除内阻分压来计算空载电压；
[0024](20)当电池组充电到设定容量、空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡；
[0025](21)对空载电压最低的m个单体电池进行充电，直到空载电压达到平均值；
[0026](22)判断单体电池空载电压极差是否小于设定值，否则继续均衡，是则停止均衡，直到充电完毕；
[0027]作为改进，每次放电瞬间且电流大于等于0.1C时，根据单体电池放电前电压和放电后瞬间电压之差AV/电流I =单体电池内阻DCR。
[0028]作为改进，根据恒流放电模式检测初次放电特征电压Vdx与“实时电流1-时间At”数据，再积分/ Idt计算已放容量Cd，直到放电结束，测得初次最低单体电池放电容量CdOmin,已放电百分比d%= Cd/CdOmin,对应存储时刻的检测的电压Vdx补偿内阻分压I*DCR后，得到单体电池放电空载电压Vdkx，并在存储器中与已放电百分比d%构建“已放电百分比d% -空载特征电压Vdkx”曲线数据库，此时放电数据库初始化完毕。
[0029]作为改进，放电使用时，根据检测数据积分计算实际已放电容量Cd及查询放电数据库空载电压Vdkx对应已放容量百分比d%,计算出各单体电池实际剩余容量SOC = Cd/d% -Cd，从而得知某几节单体电池SOC最低，当达到均衡开启条件时，对其进行补充电均衡。
[0030]作为改进，根据恒流充电模式检测初次充电特征电压Vcx与“实时电流1-时间At”数据，再积分/ Idt计算已充容量Ce，直到充电结束，测得初次最低单体充电容量CcOmin,已充电百分比c% = Cc/CcOmin,对应存储时刻的检测的电压Vcx补偿内阻分压I*DCR后，得到单体充电空载电压Vckx，并在存储器中与已充电百分比构建“已充电百分比-空载特征电压Vckx”曲线数据库，此时充电数据库初始化完毕。
[0031]作为改进，充电使用时，根据检测数据积分计算实际已充电容量Ce及查询充电数据库空载电压Vckx对应已充容量百分比c%，计算出各节单体电池实际待充容量SOB =Cc/c% -Ce，从而得知某几节单体电池SOB最低，当达到均衡开启条件时，对其进行补充电均衡。
[0032]作为改进，Lz为主线圈圈数,次级线圈圈数Lx = 1.3Lz/n,单体充电线圈空载电压Vxmax = 1.3VDD/n，使得每节单体电池能达到足够的充电电压和充电电流，确保均衡效率及电压可控。
[0033] 作为改进，主线圈电流Iz通过检流电阻R2、比例放大电路和电阻R1、电容Cl组成的RC滤波电路共同测得，次级线圈电流为Ιχ，电压为Vx，同时均衡的单体个数为m，根据能
量守恒原理,忽略回路的耗散损耗,均衡能量VDD*Ig=I^={) Vx * Ix，均衡充电时Vx
等于单体电芯两端电压VcelI，从而可以求出各单体平均电压Vavg和平均电流Iavg。
[0034]作为改进，根据各单体电池SOC和SOB及其极差大小动态调整CtrZ的PWM占空比，从而调整了单体均衡充电电流Iz和Iavg，如果极差较大则会按照设定比例提高均衡电流，由于均衡各个单体电池SOC或SOB逐渐接近，通过调整占空比逐渐减小均衡电流的方式，达到高效和精准地控制单体一致性的效果。
[0035]作为改进，均衡启动策略，充电时最高(放电时最低)单体空载电压Vdkx达到设定电压时，空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡，充电、放电、静止状态均可开启，最小SOC或SOB的m节单体电池可同时开启。
[0036]本发明与现有技术相比所带来的有益效果是:
[0037]能动态地分析各个单体的特性，电池组放电时，精准高效地将高容量的单体电芯的能量补充给低容的单体电芯；电池组充电时，精准高效地将低容先充满的电芯的能量搬移给高容后充满的电芯，使得电池组各节电芯做到同时耗尽以及同时充满，从而实现高效率搬移及损耗极小的取长补短效果，提升电池组整体容量。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为本发明电路原理图。
[0039]图2为本发明流程图。
[0040]图3为已充、放电百分比空载特征电压模型示意图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
[0042]如图1所示，一种动态调整型电池组主动均衡方法，其基于实现的电路包括变压器，所述变压器包括一个主线圈和η个次级线圈，η > 3 ;每个次级线圈对应与一个单体电池连接，所述单体电池串联组成电池组，如图2所示，利用电池组的电能对其中m个单体电池进行补充电的方法包括以下步骤，m ( n/3，其中m为整数；
[0043](I)电池组开始初始标定:
[0044](2)充满单体电池并检测记录单体电池的空载电压；
[0045](3)电池组恒流放电，检测电流并计算放电容量；
[0046](4)记录单体电池放电瞬间带载电压；
[0047](5)计算并记录单体电池内阻DCR ；
[0048](6)每隔一段时间记录单体电池电压及容量直到放电完毕；
[0049](7)构建单体电池放电d% -Vdkx曲线；
[0050](8)电池组开始充电；
[0051](9)每隔一段时间记录单体电池的电压及容量直到充电完毕；
[0052](10)构建单体电池充电c% -Vckx曲线；
[0053](11)电池组初始数据标定完毕；
[0054](12)正常使用并记录单体电池空载电压；
[0055](13)电池组放电，测量计算单体电池内阻DCR及放电容量；
[0056](14)测量单体电池电压，并去除内阻分压来计算空载电压；
[0057](15)当电池组放电到设定容量、空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡；
[0058](16)对空载电压最低的m个单体电池进行充电，直到空载电压达到平均值；[0059](17)判断单体电池空载电压极差是否小于设定值，否则继续均衡，是则停止均衡，直到放电完毕；
[0060](18)电池组开始充电并测量计算充电电容量；
[0061](19)测量单体电池电压，并去除内阻分压来计算空载电压；
[0062](20)当电池组充电到设定容量、空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡；
[0063](21)对空载电压最低的m个单体电池进行充电，直到空载电压达到平均值；
[0064](22)判断单体电池空载电压极差是否小于设定值，否则继续均衡，是则停止均衡，直到充电完毕；
[0065]每次放电瞬间且电流大于等于0.1C时，根据单体电池放电前电压和放电后瞬间电压之差AV/电流I =单体电池内阻DCR。
[0066]根据恒流放电模式检测初次放电特征电压Vdx (每隔15秒检测和存储一次)与“实时电流1-时间At”数据，再积分/ Idt计算已放容量Cd，直到放电结束，测得初次最低单体电池放电容量CdOmin,已放电百分比d%= (M/CdOmin,对应存储时刻的检测的电压Vdx补偿内阻分压I*DCR后，得到单体电池放电空载电压Vdkx，并在存储器中与已放电百分比d%构建“已放电百分比d% -空载特征电压Vdkx”曲线数据库，此时放电数据库初始化完毕。
[0067]放电使用时，根据检测数据积分计算实际已放电容量Cd及查询放电数据库空载电压Vdkx对应已放容量百分比d%,计算出各单体电池实际剩余容量SOCx = Cd/d% -Cd,从而得知某几节单体电池SOC最低，当达到均衡开启条件时，对其进行补充电均衡。
[0068]根据恒流充电模式检测初次充电特征电压Vcx (每隔15秒检测和存储一次)与“实时电流1-时间At”数据，再积分/ Idt计算已充容量Ce，直到充电结束，测得初次最低单体充电容量CcOmin,已充电百分比c% = Cc/CcOmin,对应存储时刻的检测的电压Vcx补偿内阻分压I*DCR后，得到单体充电空载电压Vckx，并在存储器中与已充电百分比构建“已充电百分比-空载特征电压Vckx”曲线数据库，此时充电数据库初始化完毕。
[0069]如图3所示，充电使用时，根据检测数据积分计算实际已充电容量Ce及查询充电数据库空载电压Vckx对应已充容量百分比c %，计算出各节单体电池实际待充容量SOBx =Cc/c% -Ce，从而得知某几节单体电池SOB最低，当达到均衡开启条件时，对其进行补充电均衡。由于电池材料本身决定了电池充放电曲线模型，即使电池实际容量会随着使用逐渐减少，但是曲线模型变化是非常微小的，可忽略不计，所以本发明利用锂电池已放电或已充电百分比曲线模型这一特性来合理地推算出电池实际容量Cr = AVG(Cc/c%，Cd/d% )，即充放电容量的平均值，当此Cr与初始标称容量C的比值出现连续小于70%三次，系统将提示用户需更换电池组。
[0070]Lz为主线圈圈数,次级线圈圈数Lx = 1.3Lz/n,单体充电线圈空载电压Vxmax =
1.3VDD/n，使得每节单体电池能达到足够的充电电压和充电电流，确保均衡效率及电压可控。
[0071]主线圈电流Iz通过检流电阻R2、比例放大电路和电阻R1、电容Cl组成的RC滤波电路共同测得，次级线圈电流为Ix，电压为Vx，同时均衡的单体个数为m，根据能量守恒原
理，忽略回路的耗散损耗，均衡能量VDD*Iz=Eto Vx * Ix，均衡充电时Vx等于单体电芯两端电压Vcell,从而可以求出各单体平均电压Vavg和平均电流Iavg。
[0072]根据各单体电池SOC和SOB及其极差大小动态调整CtrZ的PWM占空比，从而调整了单体均衡充电电流Iz和Iavg，如果极差较大则会按照设定比例提高均衡电流，由于均衡各个单体电池SOC或SOB逐渐接近，通过调整占空比逐渐减小均衡电流的方式，达到高效和精准地控制单体一致性的效果。
[0073]均衡启动策略，充电时最高(放电时最低)单体空载电压Vdkx达到设定电压时，空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡，充电、放电、静止状态均可开启，最小SOC或SOB的m节单体电池可同时开启。
[0074]均衡停止策略，当每节电池都未达到均衡开启电压、温度保护、电池故障失效、空载电压Vdkx达到平均值且极差小于10mV、关机、休眠时关闭均衡。
[0075]上述SOC代表电池的剩余容量；S0B代表电池的待充容量，还有多少空间可充。
[0076]上述步骤(14)和(19)中，单体电池的电压是利用高精度测量装置测量的，其包括第一电压测量模块和第二电压测量模块，所述第一电压测量模块和第二电压测量模块均设有若干根电压采集线。所述电池组由若干单体电池串联而成，假设电池组由八节单体电池BI?B8串联而成。所述第一电压测量模块的第一根电压采集线连接在电池组的正极；第二根电压采集线连接在第二节单体电池B2的正极，第三根电压采集线连接在第二节单体电池B2的负极；第四根电压采集线连接在第四节单体电池B4的正极，第五根电压采集线连接在第四节单体电池B4的负极；第六根电压采集线连接在第六节单体电池B6的正极，第七根电压采集线连接在第六节单体电池B6的负极；第八根电压采集线连接在第八节单体电池B8的正极，第九根电压采集线连接在第八节单体电池B8的负极。第一电压采集模块的第一根电压采集线连接连在第一节单体电池BI的正极，第二根电压采集线连接在第一节单体电池BI的负极；第三根电压采集线连接连在第三节单体电池B3的正极，第四根电压采集线连接在第三节单体电池B3的负极；第五根电压采集线连接连在第五节单体电池B5的正极，第六根电压采集线连接在第五节单体电池B5的负极；第七根电压采集线连接连在第七节单体电池B7的正极，第八根电压采集线连接在第七节单体电池B7的负极；最后一根电压采集线连接在电池组的负极。第一电压测量模块的第一、第二根电压采集线测出来的电压为第一节单体电池BI电压VBl加上串接的线电阻与接触电阻的分压VRl ;第二电压测量模块的第一、第二根电压采集线测出来的电压就是第一节单体电池BI电压VBl ;第一电压测量模块的第二、第三根电压采集线测出来的电压就是第二节单体电池B2电压VB2 ;第二电压测量模块的第二、第三根电压采集线测出来的电压为第二节单体电池B2电压VB2加上串接的线电阻与接触电阻的分压VR2 ;偶数编号的单体电池电压可由第一电压测量模块得至IJ，奇数编号的单体电池电压可由第二电压测量模块得到；依此类推，可得出BI?B8所有单体电池的电压及Rl?R7所有电阻上的分压。
【权利要求】
1.一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:其基于实现的电路包括变压器，所述变压器包括一个主线圈和η个次级线圈，η > 3 ;每个次级线圈对应与一个单体电池连接，所述单体电池串联组成电池组，利用电池组的电能对其中m个单体电池进行补充电的方法包括以下步骤，m ( n/3，其中m为整数； (1)电池组开始初始标定: (2)充满单体电池并检测记录单体电池的空载电压； (3)电池组恒流放电，检测电流并计算放电容量； (4)记录单体电池放电瞬间带载电压； (5)计算并记录单体电池内阻DCR; (6)每隔一段时间记录单体电池电压及容量直到放电完毕； (7)构建单体电池放电d%-Vdkx曲线； (8)电池组开始充电； (9)每隔一段时间记录单体电池的电压及容量直到充电完毕； (10)构建单体电池充电c%-Vckx曲线； (11)电池组初始数 据标定完毕； (12)正常使用并记录单体电池空载电压； (13)电池组放电，测量计算单体电池内阻DCR及放电容量； (14)测量单体电池电压，并去除内阻分压来计算空载电压； (15)当电池组放电到设定容量、空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡； (16)对空载电压最低的m个单体电池进行充电，直到空载电压达到平均值； (17)判断单体电池空载电压极差是否小于设定值，否则继续均衡，是则停止均衡，直到放电完毕； (18)电池组开始充电并测量计算充电电容量； (19)测量单体电池电压，并去除内阻分压来计算空载电压； (20)当电池组充电到设定容量、空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡； (21)对空载电压最低的m个单体电池进行充电，直到空载电压达到平均值； (22)判断单体电池空载电压极差是否小于设定值，否则继续均衡，是则停止均衡，直到充电完毕。
2.根据权利要求1所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:每次放电瞬间且电流大于等于0.1C时，根据单体电池放电前电压和放电后瞬间电压之差AV/电流I =单体电池内阻DCR。
3.根据权利要求2所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:根据恒流放电模式检测初次放电特征电压Vdx与“实时电流1-时间At”数据，再积分/ Idt计算已放容量Cd，直到放电结束，测得初次最低单体电池放电容量CdOmin，已放电百分比d% =Cd/CdOmin，对应存储时刻的检测的电压Vdx补偿内阻分压I*DCR后，得到单体电池放电空载电压Vdkx，并在存储器中与已放电百分比d%构建“已放电百分比d% -空载特征电压Vdkx”曲线数据库，此时放电数据库初始化完毕。
4.根据权利要求3所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:放电使用时，根据检测数据积分计算实际已放电容量Cd及查询放电数据库空载电压Vdkx对应已放容量百分比d%,计算出各单体电池实际剩余容量SOC = Cd/d% -Cd,从而得知某几节单体电池SOC最低，当达到均衡开启条件时，对其进行补充电均衡。
5.根据权利要求4所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:根据恒流充电模式检测初次充电特征电压Vcx与“实时电流1-时间At”数据，再积分/ Idt计算已充容量Ce，直到充电结束，测得初次最低单体充电容量CcOmin，已充电百分比c%= Ce/CcOmin,对应存储时刻的检测的电压Vcx补偿内阻分压I*DCR后，得到单体充电空载电压Vckx，并在存储器中与已充电百分比构建“已充电百分比c%-空载特征电压Vckx”曲线数据库，此时充电数据库初始化完毕。
6.根据权利要求5所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:充电使用时，根据检测数据积分计算实际已充电容量Ce及查询充电数据库空载电压Vckx对应已充容量百分比c%，计算出各节单体电池实际待充容量SOB = Cc/c% -Ce，从而得知某几节单体电池SOB最低，当达到均衡开启条件时，对其进行补充电均衡。
7.根据权利要求6所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:Lz为主线圈圈数,次级线圈圈数Lx = 1.3Lz/n,单体充电线圈空载电压Vxmax= 1.3VDD/n,使得每节单体电池能达到足够的充电电压和充电电流，确保均衡效率及电压可控。
8.根据权利要求7所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:主线圈电流Iz通过检流电阻R2、比例放大电路和电阻R1、电容Cl组成的RC滤波电路共同测得，次级线圈电流为Ix，电压为Vx，同时均衡的单体个数为m，根据能量守恒原理，忽略回路的耗散损耗，均衡能
9.根据权利要求8所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:根据各单体电池SOC和SOB及其极差大小动态调整CtrZ的PWM占空比，从而调整了单体均衡充电电流Iz和Iavg，如果极差较大则会按照设定比例提高均衡电流，由于均衡各个单体电池SOC或SOB逐渐接近，通过调整占空比逐渐减小均衡电流的方式，达到高效和精准地控制单体一致性的效果。
10.根据权利要求9所述的一种动态调整型电池组主动均衡方法，其特征在于:均衡启动策略，充电时最高单体空载电压Vdkx达到设定电压时，空载电压Vdkx极差大于20mV且系统未出现故障失效状态的情况下开启均衡，充电、放电、静止状态均可开启，最小SOC或SOB的m节单体电池可同时开启。
【文档编号】H02J7/00GK103972965SQ201410203044
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】夏斌 申请人:广东国光电子有限公司, 国光电器股份有限公司