锂电池组充放电均衡装置及均衡方法与流程

本发明属于电池均衡管理技术领域，具体涉及一种锂电池组充放电均衡装置及均衡方法。

背景技术：

锂电池是一类采用锂金属或锂合金作为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池具有高储存能量密度，高比功率，相比于其他种类的电池具有循环使用寿命长、自放电率低、无记忆效应、环境污染小等优点。随着未来电池技术的不断成熟，锂电池将成为最具发展前景的电池之一。然而，单体锂电池的工作电压比较低，一般为3.7v，因此，在实际应用中，为获得较高的工作电压需要将多个单体锂电池串联使用，而多个单体锂电池受自身特性限制，在生产过程中、储存过程中及长期使用过程中无法保证绝对的一致性，因此各自的充放电能力会有所不同。具体表现为，在充电过程中，高电压单体锂电池最先充满，如果继续充电就会出现过冲现象，而此时低电压单体锂电池还未充满；在放电过程中，低电压单体锂电池放电结束，如果继续放电就会出现过放现象，而此时高电压单体锂电池还存储有残余电量，并且，随着充放电循环次数的不断增加，这种单体锂电池之间的不一致性问题会逐渐加深，最终影响整个串联锂电池组的充放电效率及使用寿命。

目前，开关电容均衡装置常被用来解决串联锂电池组中各单体锂电池无法保证一致性的问题。常规的开关电容均衡装置主要包括充当电能转移载体的电容以及设置在电容和单体锂电池之间的开关阵列。在均衡过程中，首先需要明确电池组中的高电压单体锂电池和低电压单体锂电池，并将高电压单体锂电池的电能充入电容，然后将电容中的电能转移到低电压单体锂电池中。上述开关电容均衡方式具有较高的均衡效率，较好的均衡效果，然而在实际应用中仍表现出有缺陷：在锂电池组的放电过程中电容会残留一些电量，而随着放电过程的进行，其中的单体锂电池的端电压会逐渐降低并最终小于电容两端的电压，这种现象所导致的结果就是，在下次均衡过程中高电压单体锂电池的电能会无法通过电容转移到低电压单体锂电池中，从而出现开关电容均衡方式失效的现象。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

技术实现要素：

本发明的首要任务在于提供一种锂电池组充放电均衡装置，用于提高单体锂电池之间的电压一致性。

本发明的另一任务在于提供一种锂电池组充放电均衡方法，该方法步骤简单并且能够保障所述锂电池组充放电均衡装置的所述技术效果的全面体现。

本发明的首要任务是这样来完成的，一种锂电池组充放电均衡装置，其特征在于:包括锂电池组、第一电压监测单元、第二电压监测单元、温度监测单元、电流监测单元、霍尔电流传感器、第一开关阵列、超级电容器、第二开关阵列、耗散电阻以及中心控制单元，所述的锂电池组包括多个单体锂电池，锂电池组分别与第一电压监测单元、温度监测单元以及第一开关阵列连接，第一开关阵列与霍尔电流传感器、超级电容器以及耗散电阻连接，霍尔电流传感器与电流监测单元以及第二开关阵列连接，第二开关阵列与耗散电阻以及超级电容器连接，超级电容器与第二电压监测单元连接，中心控制单元分别与第一电压监测单元、温度监测单元、第一开关阵列、电流监测单元、第二开关阵列以及第二电压监测单元连接。

本发明的另一任务是这样来完成的，一种锂电池组充放电均衡方法，其特征在于，

在锂电池组处于充电阶段时包括如下步骤：

s11)第一电压监测单元采集锂电池组的总电压和各个单体锂电池的电压并传输到中心控制单元，中心控制单元将各个单体锂电池的电压值与锂电池组的平均电压值进行对比，确定高电压单体锂电池；

s12)中心控制单元向第一开关阵列及第二开关阵列发出控制命令，使所述的高电压单体锂电池经通过第一开关阵列以及第二开关阵列与耗散电阻连接导通，由耗散电阻对高电压单体锂电池的充电电流进行分流，减缓高电压单体锂电池的充电速度，实现锂电池组充电阶段的均衡化；

s13)当高电压单体锂电池与锂电池组中各单体锂电池的电压值基本一致时，中心控制单元控制第一开关阵列及第二开关阵列，使高电压单体锂电池与耗散电池之间的连接断开，结束充电阶段的均衡；

在锂电池组处于放电阶段时包括如下步骤：

s21)第一电压监测单元采集锂电池组的总电压和各个单体锂电池的电压并传输到中心控制单元，中心控制单元将锂电池组中各单体锂电池的电压值进行对比，确定高电压单体锂电池和低电压单体锂电池；

s22)中心控制单元向第一开关阵列发出控制命令，使所述的高电压单体锂电池经由第一开关阵列与超级电容器连接导通，高电压单体锂电池对超级电容器进行充电，其上电压值逐渐降低；

s23)电流监测单元采集超级电容器和高电压单体锂电池之间的电流并传输到中心控制单元，当超级电容器与高电压单体锂电池之间的电流值接近为零时，中心控制单元向第一开关阵列发出控制命令，使高电压单体锂电池与超级电容器之间的连接断开；

s24)中心控制单元向第一开关阵列发出控制命令，使所述的低电压单体锂电池经由第一开关阵列与超级电容器连接导通，超级电容器对低电压单体锂电池进行充电，低电压单体锂电池上的电压值随之逐渐升高，同时温度监测单元对该低电压单体锂电池的温度进行采样并将采样数据传输给中心控制单元，

若采样温度值超过低电压单体锂电池可承受的最大温度值，则中心控制单元控制第一开关阵列，使其断开与超级电容器的连接，暂停对低电压单体锂电池进行充电，

若采样温度值未超过低电压单体锂电池可承受的最大温度值，则超级电容器继续给低电压单体锂电池充电；

s25)当超级电容器与低电压单体锂电池之间的电流值接近为零时，中心控制单元向第一开关阵列发出控制命令，使第一开关阵列断开低电压单体锂电池与超级电容器之间的连接；

s26)中心控制单元向第二开关阵列发出控制命令，使第二开关阵列连通超级电容器和耗散电阻，由耗散电阻开始消耗超级电容器的残余电量，同时第二电压监测单元对超级电容器进行采样并将采样数据传输给中心控制单元，

若超级电容器的电压值大于锂电池组平均电压值的四分之三，则耗散电阻会继续消耗超级电容器中的能量，

若超级电容器的电压值小于锂电池组平均电压值的四分之三，则中心控制单元向第二开关阵列发出控制命令，使第二开关阵列断开与超级电容器及耗散电阻的连接，在间隔一小段时间后重新对超级电容器的电压采样并进行判断。

在本发明的一个具体的实施例中，当锂电池组中存在有单体锂电池通过第一开关阵列与超级电容器连接导通时，所述的第二开关阵列断开超级电容器与耗散电阻之间的连接。

本发明由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：利用超级电容器充放电速度快、充放电效率高、可控性好及循环使用寿命长等优点，提高了整个锂电池组的均衡效率及可控性；第二开关阵列连通超级电容器与耗散电阻，使得每次均衡结束后，超级电容器中超出锂电池组平均电压值四分之三的多余电量会被耗散电阻消耗掉，当再次进行均衡时，能够保证高电压单体锂电池与超级电容器之间存在电压差，使高电压单体锂电池的多余电量能够顺利流入超级电容器中，同时又能保证高电压单体锂电池能够迅速将超级电容器充电至与自己相同的电压值，并使超级电容器与低电压单体锂电池之间产生电压差，使电量能够从超级电容器流入低电压单体锂电池中。

附图说明

图1为本发明的电连接框图。

图2为本发明在充电阶段的均衡方法流程图。

图3为本发明在放电阶段的均衡方法流程图。

具体实施方式

申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明涉及一种锂电池组充放电均衡装置，包括锂电池组、第一电压监测单元、第二电压监测单元、温度监测单元、电流监测单元、霍尔电流传感器、第一开关阵列、超级电容器、第二开关阵列、耗散电阻以及中心控制单元，在本实施例中，所述的第一电压监测单元和第二电压监测单元采用串联电池组电压测量芯片ltc6802，所述的温度监测单元采用温度传感器ds18b20，所述的电流监测单元采用adi公司生产的16位ad转换器ad7988，所述的霍尔电流传感器采用北京世特美公司生产的高精度闭环霍尔电流传感器so1tc2.52v1，所述的中心控制单元采用tms320lf2407集成芯片。所述的第一开关阵列和第二开关阵列均由继电器开关构成，具体的结构在现有技术中已有不少公开，此处省略赘述。所述的锂电池组包括多个单体锂电池，锂电池组分别与第一电压监测单元、温度监测单元以及第一开关阵列连接，所述的第一电压监测单元用于采集锂电池组的总电压和锂电池组中各单体锂电池的电压，温度监测单元用于采集锂电池组在充放电过程中的温度值。第一开关阵列又与超级电容器以及耗散电阻连接，用于实现锂电池组中单体锂电池与超级电容器及耗散电阻之间的连通或断开。霍尔电流传感器与第一开关阵列、第二开关阵列以及电流监测单元连接，用于采集超级电容器与单体锂电池之间的电流值。第二开关阵列与耗散电阻以及超级电容器连接，用于实现超级电容器与耗散电阻之间的连通或断开。超级电容器与第二电压监测单元连接，通过第二电压监测单元来采集电压。中心控制单元分别与第一电压监测单元、温度监测单元、第一开关阵列、电流监测单元、第二开关阵列以及第二电压监测单元连接。所述的中心控制单元从第一电压监测单元、温度监测单元、电流监测单元及第二电压监测单元接收数据，并根据接收到的数据来分析判断锂电池组的电压均衡状态，从而发出控制命令信号。

所述锂电池组充放电均衡装置的均衡方法，针对锂电池的充电阶段和放电阶段分别包括不同的步骤。

请参阅图2，所述的锂电池组充放电均衡方法在锂电池组处于充电阶段时包括如下步骤：

s11)第一电压监测单元采集锂电池组的总电压和各个单体锂电池的电压并传输到中心控制单元，中心控制单元对数据进行转换，并将各个单体锂电池的电压值与锂电池组的平均电压值进行对比，确定高电压单体锂电池，所述的高电压单体锂电池指锂电池组中电压最高的电池且电压高于锂电池组平均值；

s12)中心控制单元向第一开关阵列及第二开关阵列发出控制命令，使所述的高电压单体锂电池经通过第一开关阵列以及第二开关阵列与耗散电阻连接导通，高电压单体锂电池与耗散电阻构成回路，由耗散电阻对高电压单体锂电池的充电电流进行分流，减缓高电压单体锂电池的充电速度，实现锂电池组充电阶段的均衡化；

s13)当高电压单体锂电池与锂电池组中各单体锂电池的电压值基本一致时，中心控制单元控制第一开关阵列及第二开关阵列，使高电压单体锂电池与耗散电池之间的连接断开，结束充电阶段的均衡。

请参阅图3，所述的锂电池组充放电均衡方法在锂电池组处于放电阶段时包括如下步骤：

s21)第一电压监测单元采集锂电池组的总电压和各个单体锂电池的电压并传输到中心控制单元，中心控制单元对数据进行转换，并将锂电池组中各单体锂电池的电压值进行对比，确定高电压单体锂电池和低电压单体锂电池，所述的低电压单体锂电池指锂电池组中电压最低的电池且电压低于锂电池组平均值；

s22)中心控制单元向第一开关阵列发出控制命令，使所述的高电压单体锂电池经由第一开关阵列与超级电容器连接导通，高电压单体锂电池与超级电容形成回路，由高电压单体锂电池对超级电容器进行充电，高电压单体锂电池自身的电压值逐渐降低；

s23)电流监测单元采集超级电容器和高电压单体锂电池之间的电流并传输到中心控制单元，当超级电容器与高电压单体锂电池之间的电流值接近为零时，中心控制单元向第一开关阵列发出控制命令，使高电压单体锂电池与超级电容器之间的连接断开；

s24)中心控制单元向第一开关阵列发出控制命令，使所述的低电压单体锂电池经由第一开关阵列与超级电容器连接导通，超级电容器与低电压单体锂电池形成回路，由超级电容器对低电压单体锂电池进行充电，低电压单体锂电池上的电压值随之逐渐升高，同时温度监测单元对该低电压单体锂电池的温度进行采样并将采样数据传输给中心控制单元，

若采样温度值超过低电压单体锂电池可承受的最大温度值，则中心控制单元控制第一开关阵列，使其断开与超级电容器的连接，暂停对低电压单体锂电池进行充电，

若采样温度值未超过低电压单体锂电池可承受的最大温度值，则超级电容器继续给低电压单体锂电池充电；

s25)当超级电容器与低电压单体锂电池之间的电流值接近为零时，中心控制单元向第一开关阵列发出控制命令，使第一开关阵列断开低电压单体锂电池与超级电容器之间的连接；

s26)中心控制单元向第二开关阵列发出控制命令，使第二开关阵列连通超级电容器和耗散电阻，超级电容器与耗散电阻形成回路，由耗散电阻开始消耗超级电容器的残余电量，同时第二电压监测单元对超级电容器进行采样并将采样数据传输给中心控制单元，

若超级电容器的电压值大于锂电池组平均电压值的四分之三，则耗散电阻会继续消耗超级电容器中的能量，

若超级电容器的电压值小于锂电池组平均电压值的四分之三，则中心控制单元向第二开关阵列发出控制命令，使第二开关阵列断开与超级电容器及耗散电阻的连接，在间隔一小段时间后重新对超级电容器的电压采样并进行判断。

在上述过程中，当存在单体锂电池通过第一开关阵列和第二开关阵列与超级电容器连接导通时，所述的第二开关阵列断开超级电容器与耗散电阻之间的连接。

在本实施例中，当锂电池组处于充电阶段时，所述的耗散电阻消耗高电压单体锂电池的能量，以此来保证锂电池组中各单体锂电池之间的电压一致性；而当锂电池组处于放电阶段时，所述的超级电容器成为转移能量的载体，并在能量转移完毕后，进一步通过耗散电阻消耗残余能量，提高锂电池组中各单体锂电池之间的电压一致性。