一种蓄电池组补充电式主动均衡装置的制作方法

本发明涉及电池组均衡管理技术领域，更具体地说是一种补充电式蓄电池组主动均衡系统。

背景技术：

蓄电池往往都是通过串联提高电压的方式来使用，但是由于不同单体电池各种差异因素的影响，各单体电池特性存在着不一致的现象。这种不一致大大影响了整个蓄电池组的性能，呈现出的“木桶效应”导致整个电池组都受到影响。有的时候甚至会严重影响电池组整体的使用寿命和使用安全。均衡管理技术通过实时监测单体电池状态参量，动态调节电池组内各单体电池能量平衡，是解决不一致问题的根本途径。根据均衡能量转移方式，均衡管理技术可以分为被动均衡和主动均衡两大类。主动均衡具备精度高的特点，充电式主动均衡更避免了放电式均衡的能量浪费、发热的缺点，具有节能环保安全的优点。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种蓄电池补充电式主动均衡装置，通过对蓄电池组内电量低的电池进行主动充电式均衡，在安全、节能的前提下达到均衡的效果。

具体而言，本发明提供了一种蓄电池补充电式主动均衡装置，其特征在于，包括：至少一个均衡功能模块，所述至少一个均衡功能模块的所有串联被均衡电池组通过dc/dc变换器连接到主动均衡供电电池，所述主动均衡供电电池连接至mcu，所述mcu进一步连接至每个均衡功能模块的隔离测量模块和隔离充电模块，根据所述隔离测量模块对单体电池的测量结果控制所述隔离充电模块对相应的单体电池进行充电；所述每个均衡功能模块还包括双向隔离开关阵列，所述每个均衡功能模块的被均衡单体电池的正负极都连接至所述双向隔离开关阵列，所述隔离测量模块循环检测所述被均衡单体电池的电压，所述mcu保存所述隔离测量模块检测出的电量低的单体电池信息；所述隔离充电模块根据所述mcu提供的电量低的单体电池信息对该电量低的单体电池进行充电。

进一步的，所述每个均衡功能模块还包括仲裁单元，所述每个均衡功能模块还包括仲裁单元，所述仲裁单元硬件具备单独选通机制，使得双向隔离开关阵列作用于单体电池时，最多只有一个单体电池的正端选通，最多只有一个电池的负端选通；所述仲裁单元的一端连接至所述mcu，另一端分别连接至所述双向隔离开关阵列、所述隔离充电模块和隔离测量模块；所述仲裁单元在所述mcu未存储有电量低的单体电池信息时，仲裁双向隔离开关阵列，使得每次仅对一块单体电池进行检测，同时仲裁所述隔离充电模块不工作；所述仲裁单元在所述mcu存储有电量低的单体电池信息时，仲裁双向隔离开关阵列，使得每次仅对一块单体电池进行充电，同时仲裁所述隔离测量模块不工作。

进一步的，所述mcu为单片机、arm或dsp。

进一步的，所述主动均衡供电电池为能够实现储能的，常规电压为12v或者24v的可充电电池。

进一步的，通过选择某单体电池正负端的双向隔离开关，可以将此单体电池的正负端选通；

双向隔离开关阵列中开关的电流方向可以正向流也可以反向流。

进一步的，所述隔离充电模块输出恒定的电流；根据所述mcu的控制，当输出电压高于一定值后停止输出电流；所述隔离充电模块的输入与输出端电气隔离。

进一步的，隔离测量模块的模拟测量端和数字传输端电气隔离。

另一方面，本发明提供一种所述蓄电池补充电式主动均衡装置进行均衡控制的方法，所述蓄电池补充电式主动均衡装置包括用于测定电池电压和电流的测量装置，其特征在于，

所述方法包括：

记录所用被均衡电池组的选定数据，所述数据包括：

数据(a)，电池组的最大可用容量c0；

数据(b)，测试获取，该型号的单体电池在充电过程中，选定端电压随soc变化急剧区域ac，此区域soc均值为sac，该型号单体电池的开路电压值uoac，以恒流ih充电时，在soc为sac处该型号单体电池的端电压为uhc，在该区域中，端电压uhc的变化值与soc的变化值的固定比例值rhc；

数据(c)，测试获取，该型号的单体电池在放电过程中，选定端电压随soc变化急剧区域ad，此区域soc均值为sad，该型号单体电池的开路电压值uoad，以恒流ih放电时，在soc为sad处该型号单体电池的端电压为uhd，在该区域中，端电压uhd的变化值与soc的变化值的固定比例值rhd；

所述方法进一步包括以下步骤：

步骤(1)，在电池使用过程中，记录最近ts时间内平均电流ivs、单体电池的平均端电压uvn，以及所有单体电池平均端电压的平均值uvs，

等效认为以ivs恒流充电或者放电时，单体电池的电压为uvn，电池组中所有的单体电池电压的平均电压为uvs；

步骤(2)，判断电池组是否符合ac区域特征或者ad区域特征，将所有的单体电池电压的平均电压uvs等效为在以恒流ih充电或放电的条件下的所有的单体电池电压的平均等效电压为uvhs，所述是否符合的判断方法为，

判断方法(a)，ac区域特征判断方法为，uvhs大于uhc，并且uvhs

与uhc差值在一定范围内，则认为电池组符合ac区域特征，

判断方法(b)，ad区域特征判断方法为，uvhs小于uhd，并且uvhs与uhc差值在一定范围内，则认为电池组符合ad区域特征，

在恒流充电、恒流放电下，在某一特定soc值处，单体电池端电压与开路电压之差(u-ocv)与i成大致固定的比例，因此在soc值为sac时的端电压uvhs与开路电压uoac之差与恒流充电电流ih的比值(uvhs-uoac)/ih，与以ivs恒流充电时的端电压uvs与开路电压之差与ivs的比值(uvs-uoac)/ivs相等，即等效为ih恒流充电的端电压uvhs＝(uvs-uoac)*ih/ivs+uoac，同理，在soc值为sad时，ivs恒流放电等效为ih恒流放电的端电压关系为：uvhs＝(uvs-uoad)*ih/ivs+uoad；

步骤(3)，当电池在使用中的特性符合步骤(2)所述区域特征时，分别计算在所述区域时单体电池soc与电池组soc的差值，

在ivs恒流充电时，单体电压uvn等效为以ih充电下的等效电压uvhn，uvhn＝(uvn-uoac)*ih/ivs+uoac，则等效为恒流充电ih下uvhnuvhs之差uvhn-uvhs

＝(uvn-uoac)*ih/ivs+uoac–((uvs-uoac)*ih/ivs+uoac)＝(uvn-uvs)*ih/ivs，

同理，在ivs恒流放电时，uvhnuvhs之差uvhn-uvhs＝＝(uvn-uoad)*ih/ivs+uoad–((uvs-uoad)*ih/ivs+uoad)

＝(uvn-uvs)*ih/ivs，充电和放电uvhn-uvhs的计算公式相同，

将恒流ih充电或放电端电压曲线在某soc附近进行线性等效，则端电压变化值与soc变化值成比例关系，以ih恒流充电下，当soc为sac时，该比值为rhc，以ih恒流放电下，当soc为sad时，该比值为rhd，因此，由充电或放电下电压变化值比soc变化值等于rhc或rhd得到，单体电池soc与电池组soc的差值为：

单体电池在ac区域恒流充电时与电池组平均soc偏差值secn

＝(uvhn-uvhs)/rhc

＝(uvn-uvs)*ih/(ivs*rhc)，

单体电池在ad区域恒流放电时与电池组平均soc偏差值sedn

＝(uvhn-uvhs)/rhd

＝(uvn-uvs)*ih/(ivs*rhd)；

步骤(4)，在同时获取偏差值secn和偏差值sedn后，根据串联电池组中电流相等得知所有单体电池的电量的变化值也相等，得到单体最大可用容量的估算值cn与soc变化值的乘积与电池组最大可用容量c0与平均soc值的变化值乘积相等，则cn

＝(sac-sdc)*c0/((secn+sac)-(sedn+sad))，

然后计算单体偏离电池组中间值sm所需均衡电量qn

＝(secn+sac-sm)*cn-(sac-sm)*c0；

步骤(5)，根据均衡电量qn对该单体电池进行能量均衡。

本发明的有益效果体现在：充电的能量来源于电池组本身，无需备用电池或其他能量来源；仲裁单元使得只有一个单体电池选通，其余电池正负端的开关处于关断状态，排除了电池短路的风险；仲裁单元仲裁隔离充电和隔离测量模块时分复用，避免了相互影响；可扩展的功能模块带来了方便和灵活性。

附图说明

图1是本发明一种蓄电池组补充电式主动均衡装置原理框图。

图2是本发明均衡方法中非均衡状态和均衡目标状态示意图；

图3是本发明电池组均衡控制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

图1是本发明一种蓄电池组补充电式主动均衡装置的原理框图，其至少一个均衡功能模块，在一个实施例中，所述均衡功能模块为3个。所述至少一个均衡功能模块的所有串联被均衡电池组，在一个实施例中一个均衡功能模块串联电池为12个，所有串联被均衡电池组为12×3＝36个，通过dc/dc变换器连接到主动均衡供电电池，所述主动均衡供电电池连接至mcu，所述mcu进一步连接至每个均衡功能模块的隔离测量模块和隔离充电模块，根据所述隔离测量模块对相应均衡功能模块的单体电池的测量结果控制所述隔离充电模块对相应的单体电池进行充电；所述每个均衡功能模块还包括双向隔离开关阵列，所述每个均衡功能模块的被均衡单体电池的正负极都连接至所述双向隔离开关阵列，所述隔离测量模块循环检测所述被均衡单体电池的电压，所述mcu保存所述隔离测量模块检测出的电量低的单体电池信息；所述隔离充电模块根据所述mcu提供的电量低的单体电池信息对该电量低的单体电池进行充电。

蓄电池为锂电池；主动均衡供电电池为铅酸电池，在一个优选的实施例中其标准电压为24v；dc/dc可以输出24v直流电压；mcu为单片机、arm或dsp，在一个优选实施例中，mcu为arm微控制器。隔离充电模块使用隔离电源供电，可以输出200ma、400ma或者600ma的恒定电流，在一个优选的实施例中，输出400ma电流，并且输出电压在高于4.3v的时候会使得输出电流为0；隔离测量模块使用隔离电源供电，使用16位高精度模数转换器；双向隔离开关阵列可以将每个单体电池的正负端选通；仲裁单元保证同一时刻只有一个单体电池被选通，同时保证隔离采集和隔离测量模块时分复用，即同一时刻只有一个模块作用。更具体的，所述仲裁单元硬件具备单独选通机制，使得双向隔离开关阵列作用于单体电池时，最多只有一个单体电池的正端选通，最多只有一个电池的负端选通；所述仲裁单元的一端连接至所述mcu，另一端分别连接至所述双向隔离开关阵列、所述隔离充电模块和隔离测量模块；所述仲裁单元在所述mcu未存储有电量低的单体电池信息时，仲裁双向隔离开关阵列，使得每次仅对一块单体电池进行检测，同时仲裁所述隔离充电模块不工作；所述仲裁单元在所述mcu存储有电量低的单体电池信息时，仲裁双向隔离开关阵列，使得每次仅对一块单体电池进行充电，同时仲裁所述隔离测量模块不工作。

通过选择某单体电池正负端的双向隔离开关，可以将此单体电池的正负端选通，双向隔离开关阵列中开关的电流方向可以正向流也可以反向流。

3个均衡功能模块的所有串联被均衡电池组的电压在80v～160v之间之间，dc/dc给蓄电池充电，保证了蓄电池具备一定电量，同时蓄电池给mcu提供工作电压。

蓄电池补充电式主动均衡装置各个模块上电初始化后，隔离测量模块在仲裁单元的仲裁下，隔离测量模块对12个单体电池进行轮训采集，此时隔离充电模块不工作。所有12个单体电池的采集信息传给mcu。3个模块之间是并行同时执行，互不影响；隔离测量模块的模拟测量端和数字传输端电气隔离。

mcu判断3个功能模块中需要充电均衡的电池，在仲裁单元的仲裁下，保证充电模块发生作用，并且同一时刻只有一个电池充电。3个模块之间是并行同时执行，互不影响。所述隔离充电模块输出恒定的电流；根据所述mcu的控制，当输出电压高于一定值后停止输出电流；所述隔离充电模块的输入与输出端电气隔离。

这样，电量低的电池在不断的充电均衡下，会逐渐将低于其他电池的电量补充上来，该蓄电池组补充电式主动均衡装置是有效的。

实施例2

图2是利用图1中所述均衡装置进行均衡时的非均衡状态和均衡目标状态示意图。

如图所示，假设锂电池组由6个单体电池串联组成，6个单体电池分别以6个长方形代表，长方形的长度代表了电池的容量，6个电池容量有大有小，6个单体电池串联，因此电流相同，电量的变化相同，因此用蓝色虚线表示电池组的电量变化。

从非均衡状态(左图)可以看出，6个单体电池的容量和soc都存在一定差异，在电池组充电时，电池组剩余电量(蓝色虚线)上移，当到达5号电池的电量充满点，充电必须停止，因此此处为充电电量的截止线，在电池组放电时，电池组剩余电量(蓝色虚线)下移，当到达4号电池的电量放完点，放电必须停止，因此此处为放电电量的截止线。在非均衡状态下，电池组的容量有一定损失，容量的损失是由容量的差异和soc的差异共同决定的，如果不进行均衡，容量的损失将随着容量差异和soc差异的扩大而恶化。

从本发明所述的均衡控制所要达到目标状态(右图)可以看出，通过均衡装置对单体电池进行单独充电和放电调整，使电池组充电电量截止线与最小容量单体电池4号电池电量充满点一致，电池组放电电量截止线与最小容量单体电池4号电池电量放完点一致。具体的控制方法为，使所有单体电池在充电或者放电时，soc共同到达某一中间值。

从均衡目标状态和非均衡状态对比可以看出，达到均衡目标状态的电池组可用容量明显提升，并且，除4号电池外的另外5个单体电池在使用中电量充满点和电量放完点将最大程度的避开电池组的充电截止点和放电截止点，这为电池组的容量稳定留有了一定的保证裕量。

图2是本发明方法所述均衡控制的流程图。在执行流程之前，首先应获取如下数据：

数据(a)，电池组的最大可用容量c0，该数据可不更新；

数据(b)，测试获取，该型号的单体电池在充电过程中，选定端电压随soc变化急剧区域ac，此区域soc均值为sac，该型号单体电池的开路电压值uoac，以恒流ih充电时，在soc为sac处该型号单体电池的端电压为uhc，在该区域中，端电压uhc的变化值与soc的变化值的固定比例值rhc，数据(b)可不更新；

数据(c)，测试获取，该型号的单体电池在放电过程中，选定端电压随soc变化急剧区域ad，此区域soc均值为sad，该型号单体电池的开路电压值uoad，以恒流ih放电时，在soc为sad处该型号单体电池的端电压为uhd，在该区域中，端电压uhd的变化值与soc的变化值的固定比例值rhd，数据(c)可不更新。

数据(d)，在选区ac和ad区域时，使(sac+sad)/2＝sm。

在基于上述数据的基础上，均衡控制的程序分为两个部分，一部分为均衡计算，另一部分为均衡执行。

均衡的计算在定时每ts时间执行一次，步骤为：

(a1)采样和计算

首先计算ts时间内所有单体电压和电流的采样值的平均值，假设由k个单体电池，k为大于2的正整数，单体电池平均电压值为{uv1，uv2，…，uvk}，平均电流为ivs，单体电池平均电压的均值uvs＝(uv1+uv2+…+uvk)/k；

(a2)判断

充电时，判断(uvs-uoac)*ih/ivs+uoac是否大于uhc，并且与uhc差值在一定范围内，则认为电池组符合ac区域特征，

放电时，判断(uvs-uoad)*ih/ivs+uoad是否小于uhd，并且与uhd差值在一定范围内，则认为电池组符合ad区域特征；

如果符合，则执行下一步(a3)，如果不符合，则不作处理，继续执行(a1)采样和计算；

(a3)计算soc偏差值

第n个单体电池充电时与电池组平均soc偏差值secn

＝(uvn-uvs)*ih/(ivs*rhc)，

第n个单体电池放电时与电池组平均soc偏差值sedn

＝(uvn-uvs)*ih/(ivs*rhd)，

根据上述公式，可得到所有单体电池相对与电池组平均soc的充电偏差和放电偏差数组分别为

{sec1,sec2,…,seck}，

{sed1,sed2,…,sedk}；

均衡执行定时执行，步骤为：

(b1)判断是否获取全新的一组充电和放电soc偏差数组，如果是，则计算每个电池所需均衡电量，并执行均衡，如果不是，则不作处理；

(b2)计算均衡电量，执行均衡

根据第n个单体电池均衡电量的计算公式qon＝(secn-sedn)*c0*h/2，其中0<h<1，根据工程情况调整数值，计算得到所有单体电池所需均衡电量{qo1,qo2,…,qok}，

根据-qd<qon<qc判断所有单体电池是否需要均衡，如果qon符合则第n个单体电池不需要均衡，否则使用均衡电路执行均衡电量，电量为正则放电，为负则充电，其中qd和qc的值根据工程测试情况调整。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明之权利范围，因此对发明的具体实施方式进行的种种变更、修改或等同替换均在本发明的权利要求范围之内。