电池均衡系统、方法及终端、存储介质与流程

1.本技术涉及车辆的电池管理技术，尤其涉及一种电池均衡系统、方法及终端、存储介质。


背景技术：

2.电池均衡是储能系统中实现电池管理的重要手段；它是一种将多余能量向欠缺能量的单体中转移，通过削峰填谷，改善电池单体间的不一致性的技术手段。
3.由于锂离子电池在使用过程中严禁过充，因此串联锂离子电池组大多采用有源均衡方法实现各电池单体间的均衡。在相关技术中，通常采用单体到整个电池组的二阶均衡拓扑结构。其中，第一阶电路用于实现放过充功能，具体地，每个电池单体均与一个反激变换器相连，以将过充单体中多余的能量单独地释放到公共输出的电容器中。第二阶反激变换器电路将能量反馈到整个电池组。该均衡结构可以有效地预防电池过充，同时可以解决电路中功率器件的高电压应力问题。然而，由于采用了大量的变压器，电路体积较大且成本较高。


技术实现要素：

4.本技术实施例中提供了一种电池均衡系统、方法及终端、存储介质，用于克服相关技术中由于采用大量的变压器导致电路体积较大且成本较高的问题。
5.本技术第一方面实施例提供一种电池均衡系统，包括：
6.发射端，具有相串联的逆变器、恒压电源、发射线圈及发射电容；
7.多个接收端，每一接收端具有相串联的接收线圈、双向开关、接收电容及整流器；各所述接收端用于电连接于电池单体；各所述接收端的接收线圈用于与所述发射端的发射线圈互感；
8.控制模块，用于确定电池组中待均衡的电池单体，控制与所述待均衡的电池单体电连接的双向开关导通，且在所述待均衡的电池单体达到均衡状态时控制双向开关断开。
9.在其中一种可能的实现方式中，所述电池均衡系统还包括检测件，所述检测件用于检测所述电池单体的端电压；所述控制模块用于根据所述检测件的检测结构确定电池组中待均衡的电池单体。
10.在其中一种可能的实现方式中，所述双向开关呈矩阵分布。
11.在其中一种可能的实现方式中，所述恒压电源的输出端及输入端分别电连接有所述逆变器。
12.在其中一种可能的实现方式中，所述双向开关为mosfet开关。
13.在其中一种可能的实现方式中，所述控制模块为数字信号处理器。
14.在其中一种可能的实现方式中，所述控制模块用于确定所述电池单体的端电压与预设标准值的方差，将所述方差与阈值进行比较，在所述方差大于或等于阈值时确定所述电池单体为待均衡的电池单体，在所述方差小于阈值时确定所述电池单体处于均衡状态。
15.本技术第二方面实施例提供一种电池均衡方法，包括：
16.获取电池组中各电池单体的端电压；
17.根据所述各电池单体的端电压确定待均衡的电池单体；
18.控制与所述待均衡的电池单体电连接的双向开关导通，且在所述待均衡的电池单体达到均衡状态时控制双向开关断开。
19.在其中一种可能的实现方式中，所述根据所述各电池单体的端电压确定待均衡的电池单体，包括：
20.确定所述电池单体的端电压与预设标准值的方差；
21.将所述方差与阈值进行比较，若所述方差大于或等于阈值，则确定所述电池单体为待均衡的电池单体；
22.所述电池均衡方法还包括：若所述电池单体的端电压与预设标准值的方差小于阈值，则确定所述电池单体处于均衡状态。
23.在其中一种可能的实现方式中，在所述根据所述各电池单体的端电压确定待均衡的电池单体之后，还包括：
24.对所述待均衡的电池单体进行排序；
25.所述控制与所述待均衡的电池单体电连接的双向开关导通，包括：
26.根据排列后的序列控制与所述待均衡的电池单体电连接的双向开关导通。
27.本技术第三方面实施例提供一种终端，包括：
28.存储器；
29.处理器；以及
30.计算机程序；
31.其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如前述任一项所述的方法。
32.本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如前述任一项所述的方法。
33.本技术实施例提供一种电池均衡系统、方法及终端、存储介质，电池均衡系统包括接收端和发射端，接收端和发射端均采用ss拓扑结构，系统的结构较简单，利于减小系统体积及重量，降低系统成本，且能量能够直接从接收端传递到任何位置的低电压电池，实现电池单个均衡或多电池串联均衡，利于提高平衡速度。
附图说明
34.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
35.图1为本一示例性实施例提供的电池均衡系统的结构示意图；
36.图2为本一示例性实施例提供的接收端与发射端组成的拓扑电路的结构示意图；
37.图3为本一示例性实施例提供的拓扑电路处于状态1时的示意图；
38.图4为本一示例性实施例提供的拓扑电路处于状态2时的示意图；
39.图5为本一示例性实施例提供的拓扑电路处于状态2时的等效电路示意图；
40.图6为本一示例性实施例提供的电池均衡方法的流程示意图。
具体实施方式
41.为了使本技术实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
42.为了解决能源危机和环境污染等问题，新能源应运而生。作为绿色环保的储能电源，锂离子电池单体电压通常在3.3v左右，对于更高的功率和能量密度，许多电池供应商己经做出了很多努力来增加电池电压和电池容量，然而，由于化学特性和结构问题，单体电池电压和电池容量仍然受到限制。因此为了满足应用的高电压要求，电池需要串联连接。然而当电池反复充电或放电时，由于各个电池的初始容量差异、衰减特性不对称、温度分布不均匀等现象，电池在化学和电学特性方面具有不可避免的差异而导致充放电不均衡。当电池在没有任何控制的情况下，长期工作在这种不均衡状态时，其能量储存能力会严重下降。
43.为使电池单体工作在最佳性能状态、充分利用电池组容量，延长其使用寿命，采取措施减小电池单体间参数的不一致性对整个串联电池组性能的提高是至关重要的，为此电池均衡技术应运而生。由于锂离子电池在使用过程中严禁过充，因此串联锂离子电池组大多采用有源均衡的手段实现各电池单体间的均衡。在相关技术中，通常采用单体到整个电池组的二阶均衡拓扑结构。其中，第一阶电路用于实现放过充功能，具体地，每个电池单体均与一个反激变换器相连，以将过充单体中多余的能量单独地释放到公共输出的电容器中。第二阶反激变换器电路将能量反馈到整个电池组。该均衡结构可以有效地预防电池过充，同时可以解决电路中功率器件的高电压应力问题。然而，由于采用了大量的变压器，电路体积及重量较大，成本较高，扩展性差。
44.此外，还有基于电容的均衡技术及基于电感的均衡技术。其中，基于电容的均衡技术通常需要较多的开关器件，均衡电路较为复杂，且均衡能力受电池单体间电压差异的影响。基于电感的均衡技术，其均衡能力虽不受电池单体间电压差异的影响，但该方案中的能量只能在相邻单体中传递，若待均衡单体位置不相邻，则均衡时间长，均衡效率低。
45.为了克服上述问题，本实施例提供一种电池均衡系统、方法及终端、存储介质，电池均衡系统包括接收端和发射端，接收端和发射端均采用ss拓扑结构，系统的结构较简单，利于减小系统体积及重量，降低系统成本，且能量能够直接从接收端传递到任何位置的低电压电池，实现电池单个均衡或多电池串联均衡，利于提高平衡速度。
46.下面结合附图对本实施例提供的电池均衡系统的结构、功能及实现过程进行举例说明。
47.本实施例提供的电池均衡系统，基于无线电能传输wpt，采用单体到整个电池组的拓扑结构，如图1所示，包括：发射端11、多个接收端12及控制模块13。发射端11分别与多个接收端12对应。控制模块13用于控制各接收端12的工作状态。
48.其中，如图2所示，发射端11具有相串联的逆变器dc、恒压电源u
in
、发射线圈l
s
及发射电容c
s
，发射电容c
s
为发射线圈l
s
的谐振电容。恒压电源的输出端及输入端分别电连接有逆变器。
49.每一接收端12具有相串联的接收线圈、双向开关、接收电容及整流器；接收电容为接收线圈的谐振电容。各接收端12用于电连接于电池单体。各接收端12的接收线圈用于与
发射端11的发射线圈互感。
50.另，图2中battery n表示第n个电池单体；l
n
、s
n
、c
n
、rectifier分别为对应于battery n的接收线圈、双向开关、接收电容、整流器。n的具体数值与电池单体的数量相适配。
51.逆变器和恒压电源用于将直流电逆变成高频的交流电。发射线圈、发射电容、接收线圈、接收电容及整流器用于实现能量的无线传输并且将交流电整流为直流输出。双向开关用于实现能量的定向转移，以完成电池恒流均衡。
52.控制模块13用于确定电池组中待均衡的电池单体，控制与待均衡的电池单体电连接的双向开关导通，且在待均衡的电池单体达到均衡状态时控制双向开关断开。控制模块13通过控制双向开关的通断来控制接收端12的工作状态。
53.如图2所示，图2为发射端11与n个接收端12组成的拓扑结构示意图。其中，n为电池组中电池单体的数量。
54.在本示例中，当电池组中有多个电池单体不均衡时，将不均衡的电池单体作为待均衡的电池单体；打开待均衡的电池单体对应的双向开关，在均衡过程中，能量由电源流到双向开关，再流入端电压较低的电池单体，实现不均衡电池能量的上升。而当均衡中单体电池电压达到阈值时，断开对应的双向开关，从而实现电池组的快速均衡。
55.此外，当发射线圈与接收线圈出现偏移后，如果回路中有电流，通过双向开关也能实现均衡，能避免发射线圈与接收线圈出现偏移导致部分接收绕组的互感减小、电流下降的问题，从而减少接收线圈偏移对均衡效果的影响，提高系统的抗偏移性。
56.下面不妨以电池组具有三个电池单体为例，对本实施例的实现过程进行举例说明。基于三个电池单体的拓扑结构如图3及图4所示。设v
battery1
>v
battery2
>v
battery3
，其中互感m1＝m2＝m3＝8.56*10-6
。副边多绕组的参数相同l1＝l2＝l3＝10uh，c1＝c2＝c3＝2.5nf。其中ls为18uh，cs为1.4nf。谐振频率为1mhz。双向开关s1、s2、s3分别对应电池单体battery1、battery2、battery3。
57.如图3所示，对应于状态1(t
0-t1)：闭合双向开关s2与s3，断开双向开关s1，t0开始，系统通过s2、l2与c2为低电压电池单体battery2进行充电，同时系统通过s3、l3与c3为低电压电池单体battery3进行充电。图3所示的均衡路径是实现电池battery2、battery3的恒流均衡。图3中i对应的箭头用于示意电流走向。
58.在具体实现时，可同时对battery2、battery3进行均衡。或按照端电压从大到小的顺序，依次对battery2、battery3进行均衡，此时，当电池battery2电压等于battery1后，s3导通；s2断开。或按照端电压从小到大的顺序，依次对battery3、battery2进行均衡，此时，当电池battery3电压等于battery1后，s2导通；s3断开。
59.如图4所示，对应于状态2(t
1-t2)：闭合双向开关s3，断开双向开关s1和s2，t1开始，系统通过开关s3、l3与c3为低电压电池单体battery3进行充电。图4所示的均衡路径是实现电池battery3的恒流均衡。当电池battery3电压等于battery1后，s3断开。图4中i对应的箭头用于示意电流走向。
60.如图5所示，为状态2对应的等效电路。对状态2对应的等效电路进行分析，其中rs、rp分别为发射线圈和接收线圈的寄生电阻；zs，zp和zm分别是发射端11、接收端12及互感的阻抗；c
s
、c
p
分别为发射线圈和接收线圈的谐振电容；ls，lp和lm分别是发射端11的电感、接
收端12的电感及互感系数。各支路阻抗如式(1)所示。
[0061][0062][0063]
z
m
＝jωl
m
ꢀꢀꢀ
(1)
[0064]
其中，ω是以rad/s测量的角度，操作频率j是虚数单位。为了简化分析，将电感器和电容器设置为理想状态，将互感设置为受控源。如图6所示，根据基尔霍夫电压定律(kvl)，可以描述系统如式(2)所示。
[0065][0066][0067]
其中u1和i
i
是逆变器输出电压和输出电流基波谐波的相量。v
o
和i
o
分别是接收器输出电压和输出电流的相量。r是等效负载电阻。求解式(2)后，输出电流可以用下列等式(3)表示：
[0068][0069]
然后，输入电压与输出电流的比值如下式(4)所示。
[0070][0071]
其中，为了使输出电流与等效内阻毫无关联，就必须在分母中抵消r的变量，原副边补偿电容也即谐振电容与线圈电感谐振可以抵消r变量，ss拓扑电路实现来自电压源的cc输出。
[0072][0073][0074]
当线圈和补偿电容谐振后联立公式(5)、(6)带入式(3)后求解得：
[0075][0076]
i
o
是输出电流，可以看出输出电流与频率、互感、输入电压有关。所以输出电流仅与输入电压、系统频率与耦合互感有关，可以实现恒流均衡。以电压源作为输入，当z
s
＝-z
m
时可以获得cc输出。系统输出电流与负载的阻抗无关。本示例无需为对线圈设置副边磁芯，进一步减小了接收端12的重量。
[0077]
如此，通过均衡拓扑结构仿真和实验分析等验证了本实施例提供的电池均衡系统具有实际应用价值且可靠性较高，能够广泛应用于大容量串联电池组。
[0078]
在其中一种可能的实现方式中，各电池单体对应的双向开关呈矩阵式分布，以进一步利于减少系统的体积及占用空间。示例性地，双向开关具有多排及多列，多排双向开关之间的距离相等，且每排内的双向开关均匀分布。可选地，双向开关设置于接收线圈；也即双向开关与接收线圈集成设置，利于提高系统的紧凑性，进一步利于减少系统的体积及占用空间。
[0079]
可选地，双向开关为mosfet开关；其中，mosfet的英文全称为metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，中文简称为金氧半场效晶体管。控制模块13为数字信号处理器dsp；dsp功耗低、体积小、实时性反应速度，利于进一步减小系统的体积且利于确保均衡效果。
[0080]
在其中一种可能的实现方式中，电池均衡系统还包括检测件，检测件用于检测电池单体的端电压；控制模块13用于根据检测件的检测结构确定电池组中待均衡的电池单体。
[0081]
其中，检测件可实时获取相应电池单体的端电压，或间隔预设时间后获取相应电池单体的端电压。检测件为常见的电压检测器件，如电压检测电路或芯片等，本实施例此处不做具体限定。
[0082]
可选地，控制模块13用于确定电池单体的端电压与预设标准值的方差，将方差与阈值进行比较，在方差大于或等于阈值时确定电池单体为待均衡的电池单体，在方差小于阈值时确定电池单体处于均衡状态。
[0083]
本实施例提供一种电池均衡方法，其执行柱体可以为前述实施例中的控制模块，本实施例的实现过程与前述实施例相同或相似之处，不再赘述。
[0084]
本实施例提供的电池均衡方法，如图6所示，包括：
[0085]
s101、获取电池组中各电池单体的端电压；
[0086]
s102、根据各电池单体的端电压确定待均衡的电池单体；
[0087]
s103、控制与待均衡的电池单体电连接的双向开关导通，且在待均衡的电池单体达到均衡状态时控制双向开关断开。
[0088]
可选地，步骤s102包括：
[0089]
确定电池单体的端电压与预设标准值的方差；
[0090]
将方差与阈值进行比较，若方差大于或等于阈值，则确定电池单体为待均衡的电池单体；
[0091]
电池均衡方法还包括：若电池单体的端电压与预设标准值的方差小于阈值，则确定电池单体处于均衡状态。
[0092]
可选地，在步骤s102之后，还包括：
[0093]
对待均衡的电池单体进行排序；
[0094]
控制与待均衡的电池单体电连接的双向开关导通，包括：
[0095]
根据排列后的序列控制与待均衡的电池单体电连接的双向开关导通。
[0096]
其中，排序可以按照端电压从大到小的顺序排列，或按照端电压从小到大的顺序排列，或按照方差从大到小的顺序排列，或按照方差从小到大的顺序排列。
[0097]
本实施例提供一种种终端，包括：
[0098]
存储器；
[0099]
处理器；以及
[0100]
计算机程序；
[0101]
其中，计算机程序存储在存储器中，并被配置为由处理器执行以实现前述实施例中的方法。
[0102]
存储器用于存储计算机程序，处理器在接收到执行指令后，执行计算机程序，前述相应实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。
[0103]
存储器可能包含高速随机存取存储器(ram：random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器可通过至少一个通信接口(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
[0104]
处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，实施例一揭示的方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的相应方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0105]
结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件单元组合执行完成。软件单元可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0106]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；计算机程序被处理器执行以实现前述实施例中的方法。
[0107]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0108]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0109]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或
多个方框中指定的功能。
[0110]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0111]
在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0112]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0113]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。