一种电池均衡系统的制作方法

本发明涉及电池管理技术，特别是涉及电池组中多个电池单元的均衡装置。

背景技术：

电动车辆和混合动力汽车都需要电池组作为储能系统。电池组通常由多节电池串联连接组成。由于在电池制造过程以及使用过程中的多种因素，可能出现串联电池之间的剩余电量不一致的情况。尤其是当电池老化后，情况更加严重。此时某些电池单元剩余电量比较多，充电时首先充满，导致剩余电量低的电池无法充满；放电时，剩余电量低的电池首先放完，电量多的电池无法放完。这种电池之间的不均衡会降低整个电池组的可用容量。所以电池组通常需要配备一套均衡系统，用来调整电池单元的剩余电量，使电池之间的剩余电量趋于一致，从而能够最大限度地利用电池组的储电容量，并且避免电池单元过充过放。

目前电动车上的电池均衡系统，大多给每一个串联的电池单元匹配一套均衡电路。如果均衡电路设计的功能比较复杂，则通常每个电池单元的均衡电路需要4～6个电子开关，以及电容、电阻、电感等器件。一辆纯电动汽车通常有大约100节左右串联电池单元，这样整个电池组的均衡系统过于复杂，体积大，成本高，过多的元器件导致系统可靠性下降。所以目前量产车型的电池均衡电路大多比较简单，例如每节电池仅配备均衡放电电路。

目前电池均衡系统还存在以下缺陷：

1.每个电池单元配备一套均衡电路，成本高、体积大、可靠性差。

2.均衡电路，通常没有电流传感器，从而无法精确计量电池均衡过程到底充放了多少电量。因为配备几十个甚至上百个电流传感器成本太高，系统过于复杂。

3.目前均衡电路大多采用Mos管或三极管等电子开关控制电池单元与均衡电路的连接，而这些电子开关器件即便在关闭状态，仍然有漏电流存在。所以当电动车长时间静置时，均衡电路因漏电流产生的电池放电，成为均衡电路带来的副作用。甚至这种漏电流可能也是导致电池不均衡的原因之一。

所以目前电池组均衡电路仍然是电动车产业中一个有待改进的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种电池均衡系统用多路选择器，多路选择器用于实现均衡电路与任一电池单元之间的电气连接。

优选的，多路选择器包括：位置伺服电机、导轨、滑块、位置传感器和滑块上的移动连接触点。

优选的，位置伺服电机用于驱动滑块沿导轨运动，使滑块的移动连接触点与目标电池单元的连接触点对齐。

优选的，还包括接触执行器，其用于控制移动连接触点与目标电池单元上触点之间的连接与断开。

优选的，滑块一端连接了均衡电路的正负极，滑块上配备有位置传感器，以反馈滑块的具体位置。

优选的，接触执行器是继电器或电机。

本申请还提供了一种电池均衡系统，所述系统包括：电池信号采集系统、主控系统、权利要求1-6中任一项的多路选择器以及均衡电路，其中电池信号采集系统，用于采集每个电池单元的电压、温度和电流；多路选择器用于实现均衡电路与任一电池单元之间的电气连接；均衡电路可以实现对电池单元充电、放电或利用电容进行电池单元之间的电量转移。

优选的，均衡电路为选自均衡放电系统、均衡充电系统、均衡电容系统中的任意一个系统或其组合。

优选的，所述均衡放电系统包括放电开关和放电电阻。

优选的，所述均衡充电系统包括低压蓄电池、电压调节系统、充电开关和限流电阻。

采用上述多路选择器及电池均衡系统，本发明至少具有以下优点：

1.多个电池共用一套均衡电路，成本低、体积小，元器件数量大大降低，可靠性好。

2.多个电池共用一套均衡电路，所以均衡电路的功能可以做的更加完善，同时具备均衡放电系统和均衡充电系统，并且配备电流传感器，可以精确计量每个电池单元的充放电容量。

3.电池多路选择器，可以使用机械触点进行电池单元与均衡电路的连接。这样当电池不执行均衡的时候，机械触点断开，电池与均衡电路没有任何电气连接，从而不会产生漏电流。并且降低了因为撞击、挤压或高温引起的系统失效时，发生短路的概率，增加了系统安全性。

4.电池与均衡单元采用机械触点连接，允许通过的均衡电流大。充放电均衡电路可以使用PWM占空比控制充放电均衡电流大小，并且有精确的电流传感器记录充放电容量，从而可以快速、准确地完成电池单元的均衡操作。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为电池均衡系统示意图；

图2为本发明一较佳实施例示意图；

具体实施方式

本申请的电池均衡系统，多个电池单元共用一套均衡电路，并且使用电池多路选择器实现不同电池单元与均衡电路的耦合连接。

其中，电池信号采集系统，用于采集每个电池单元的电压、温度和电流，为制定均衡策略以及判断均衡结果提供依据；主控系统，根据每个电池的电压以及温度等信息，判断电池组是否需要均衡；如果需要均衡，计算每个电池单元各需要充放多少电量；主控系统还需要控制电池多路选择器，实现电池选择和连接；控制均衡电路中的开关器件，实现电池的充电或放电操作；并同时根据电流传感器的数据，记录每个电池单体累计的均衡充放电容量。电池多路选择器，用于实现电池单元的选择，以及与均衡电路的连接。

上述电池多路选择器包括位置伺服电机，用于驱动滑块沿导轨运动，使滑块的移动连接触点与目标电池单元的连接触点对齐；滑块：在位置伺服电机的驱动下，可以沿导轨运动，以选择不同的电池单元。滑块一端连接了均衡电路的正负极，另一端具有可移动触点，在接触执行器113的作用下，可以实现与电池单元正负极的连接与断开。滑块上配备有位置传感器，以反馈滑块的具体位置；导轨，用于引导滑块运动；接触执行器用于控制滑块触点与电池触点之间的连接与断开。

接触执行器113(M2)可以是继电器，也可以为电机。

均衡电路，用于电池单元的充电或放电操作。

包括：电流传感器，用于采集均衡电流大小，并由主控芯片计算和记录累计充放电容量；均衡放电系统，包括放电开关和放电电阻，用于对电池实施放电；均衡充电系统，包括车辆低压蓄电池、电压调节模块以及充电开关和限流电阻，用于对电池实施充电；均衡电容系统，与电池多路选择器配合使用，可以实现均衡电容先后与不同的电池单元进行并联，从而实现把电能从电压高的电池单元转移到均衡电容，再由均衡电容转移到电压低的电池单元，最终使电池组的单体电压趋于一致。

均衡电路可以包含均衡充电系统、均衡放电系统、均衡电容系统三者中的一个或者多个子系统。

利用所述电池均衡系统，主控单元可以根据电池单元的电压以及温度等信息，制定均衡策略，决定每个电池单体的充放电均衡容量，然后由电池多路选择器以及均衡充电系统和均衡放电系统执行每个电池单元的均衡。也可以选择使用电池均衡电容对电池进行均衡操作。

图1为本发明电池均衡系统示意图。电池均衡系统包括电池组103、电池信号采集系统102、主控系统101、电池多路选择器104以及均衡电路105。

其中电池组103包含若干串联连接的电池单元：103#1、103#2、103#3、103#4......。电池信号采集系统102可以采集每一个电池单元的电压、温度和电流，并把数据发送给主控芯片。

主控系统负责监控整个电池组的信号，包括从电压采集系统102获得的电池单元电压、电池温度等，并根据电池单元电压判断电池组是否需要均衡。如果电池电压一致性较差，则根据电池单元的具体电压值，并结合电池的OCV-Ah曲线，计算每个电池单元需要均衡的充放电安时容量。然后通过控制电池多路选择器104，把需要均衡的电池单元逐个连接到均衡电路，执行均衡。并根据均衡电路的电流传感器121计算实际均衡的充放电容量。当一个电池单元的均衡充放电容量达到预设值时，均衡完成，通过电池多路选择器连接下一个电池单元，进行均衡操作。直至所有电池单元都完成均衡。

电池多路选择器104负责把一个电池单元的正负极连接到均衡电路105中。多路选择器104包括位置伺服电机111、滑块112、接触执行器113、导轨114、滑块位置传感器以及触点S1。当主控系统101需要把一个电池单元连接到均衡电路105时，位置伺服电机111驱动滑块112沿着导轨114运动，根据位置传感器的反馈，把滑块112移动到目标电池单元对应的位置。然后接触执行器113驱动触点S1运动，使S1的两个触点与目标电池的正负极实现电气连接。S1触点的另一端通过导线连接到了均衡电路105中。

当一个电池单元的均衡完成后，接触执行器113驱动触点S1从电池单元正负极引线上分离，从而电池单元与均衡电路105断开连接。

均衡电路105负责执行对电池单元的均衡充电或者均衡放电，均衡电路105包含电流传感器121、均衡放电系统132、均衡充电系统133以及均衡电容系统131。电流传感器121为串联在均衡电路中的一个采样电阻，通过采集电阻两端的电压，就能计算出通过电阻的电流。所述电压信号由主控系统实时采集，并计算电流值，进行均衡充放电安时容量积分。

均衡放电系统132由电子开关器件S3和负载电阻123组成。当开关S3接通，则电流从电池正极流出，通过多路选择器104的触点S1进入电池均衡电路，通过开关器件S3和负载电阻123，回到电池负极。这个过程可以消耗电池电量，降低电池电压，电能通过负载电阻123发热耗散。

如果某一个电池单元电压偏高，需要进行放电均衡，由多路选择器104选择目标电池单元，并接通S1，然后在开关器件S3上施加导通脉冲，从而实现电池均衡放电，放电电流大小可以通过调整开关器件S3的导通脉冲占空比来调整。放电均衡过程中开关器件S2和S4保持断开状态。

均衡充电系统133包含车辆低压蓄电池124，这个低压蓄电池通常为12V或24V蓄电池，用来给车辆控制器、仪表、灯光等低压系统提供电源，也可以作为均衡充电系统的电源；电压调节模块125，用来把低压蓄电池的电压转换为可供电池单元充电的电压，通常为一个DCDC转换器；电容126，用来作为转换后电压的缓冲器，保证充电均衡电源的稳定；电子开关S4，用于控制充电电流的开关；限流电阻127，用来防止充电电流过大。

如果某一个电池单元电压偏低，需要进行充电均衡，则多路选择器104连接目标电池单元，然后在开关器件S4上施加导通脉冲，由车辆低压蓄电池系统124向目标电池单元充电。充电电流大小可以通过调整S4的导通占空比来实现。充电均衡过程开关器件S2和S3保持断开状态。

均衡电容系统131包括开关器件S2和电容122。均衡电容系统131与多路选择器104配合使用，可以实现不同电池单元之间的电量转移。当开关器件S2接通后，通过多路选择器104在不同的电池单元之间切换，就可以使均衡电容122先后与不同的电池单元实现并联。这样电压高的电池单元会给均衡电容122充电，电压低的电池单元会从均衡电容122吸取电量，从而实现电池单元之间的电压趋于一致。

均衡电容系统131可以脱离均衡放电系统132和均衡充电系统133单独使用。均衡电容系统131的优点是：不需要计算每个电池单元的充放电安时容量，只需要简单地切换不同的并联电池单元即可实现电池均衡。缺点是：均衡效率比较低，每次只能转移有限的电量。

利用所述的电池均衡系统，既可以实现可控的电池单元放电均衡、充电均衡，也可以实现简单的电容均衡。主控系统可以根据具体需要灵活选择均衡电路。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。