一种矿用锂离子蓄电池电源的均衡模块及均衡方法与流程

[0001]
本申请属于锂电池技术领域，尤其是涉及一种矿用锂离子蓄电池电源的均衡模块及均衡方法。


背景技术：

[0002]
资源短缺、环境污染、生态破坏是全球性的三大危机，这些危机的产生与燃油汽车对资源的消耗和汽车尾气的排放有不可分割的关系。随着汽车工业及工业机器人的发展，以锂电池为动力的汽车及机器人的出现与普及成了缓解这些危机问题的一个重要举措。
[0003]
而锂电池在制造过程中，由于工艺问题材质的不均匀，使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别，这种电池内部结构和材质上的不一致性，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻和电压等参数值不可能完全一致。而且在电池装车使用时，由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数的不一致。因此，需要对电池进行均衡，来实现电池参数的一致性。
[0004]
目前，对锂电池进行均衡的方式有主动均衡和被动均衡：
[0005]
1、主动均衡是通过电池间能量的转移来使各电池电压和剩余容量趋于一致，实现均衡目的。
[0006]
主动均衡适用于电池一致性较差的情况，其优点是均衡效率高，发热小，但主动均衡有可能会引起过均衡的情况发生。
[0007]
2、被动均衡是通过对比最低电压高的电池进行放电，使电池组内各单体锂电池与最低电压趋于一致，实现均衡目的。
[0008]
被动均衡适用于电池一致性相对较好的情况，其优点是电路简单易实现，但被动均衡存在效率低、耗时长的缺点。


技术实现要素：

[0009]
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中对于电池均衡的方式，若采用主动均衡，则有可能会引起过均衡，若采用被动均衡，则存在效率低、耗时长度的问题。
[0010]
为解决上述技术问题，本发明提供一种矿用锂离子蓄电池电源的均衡模块及均衡方法，本发明采用主动均衡和被动均衡相结合的混合均衡方式，依据单体锂电池电压及单体锂电池soc为均衡目标，实现了锂电池的精细均衡，被动均衡与主动均衡可同时进行，大幅提高均衡效率。
[0011]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0012]
本发明第一方面提供一种矿用锂离子蓄电池电源的均衡模块，包括主动均衡控制单元和被动均衡控制单元，所述主动均衡控制单元包括电池充电模块、与各单体锂电池对应的主动均衡控制支路；所述被动均衡控制单元包括与各单体锂电池对应的被动均衡控制支路；
[0013]
所述主动均衡控制支路的输入端连接至电池充电模块，所述主动均衡控制支路的输出端连接至对应的单体锂电池的两端，所述主动均衡控制支路的控制信号输入端连接至bms的信号输出端；
[0014]
所述被动均衡控制支路的输入端连接至对应单体锂电池的正极端，所述被动均衡控制支路的输出端连接至对应单体锂电池的负极端，所述被动均衡控制支路的控制信号输入端连接至所述bms的信号输出端；
[0015]
所述bms根据监测到的各单体锂电池的电压或soc状态，当判定单体锂电池间的最大电压差或最大soc差大于设定阈值时，控制相应的主动均衡控制支路工作，否则，控制相应的被动均衡控制支路工作。
[0016]
本发明第二方面提供一种矿用锂离子蓄电池电源的均衡方法，包括：
[0017]
采集锂离子电池组中各单体锂电池的电压；
[0018]
计算单体锂电池的最大电压差；
[0019]
在所述最大电压差大于第一电压设定阈值的情况下，判断所述最大电压差是否大于第二电压设定阈值，如果大于第二电压设定阈值，则对电压最低的单体锂电池开启主动均衡，同时对锂电池组中所有与所述最低电压的电压差超过所述第二电压设定阈值的不相邻单体锂电池开启被动均衡；否则，对锂电池组中所有与最低电压的电压差大于所述第一电压阈值的不相邻单体锂电池开启被动均衡，所述第一电压设定值小于第二电压设定值；
[0020]
主动均衡和被动均衡过程中，实时监测单体锂电池的最大电压差，如果监测到所述最大电压差小于第三电压设定阈值，则均衡结束，所述第三电压设定阈值小于第一电压设定阈值。
[0021]
进一步地，本发明第二方面提供的均衡方法还包括通过监测soc荷电量对锂电池进行均衡的步骤：
[0022]
采集锂离子电池组中各单体锂电池的soc荷电量；
[0023]
计算单体锂电池的最大soc荷电量差；
[0024]
在所述最大soc荷电量差大于第一soc设定阈值的情况下，判断所述最大soc荷电量差是否同时大于第二soc设定阈值，如果大于第二soc设定阈值，则对soc荷电量最低的单体锂电池开启主动均衡，同时对锂电池组中所有与所述最低soc荷电量的soc荷电量差超过所述第二soc设定阈值的不相邻单体锂电池开启被动均衡；否则对锂电池组中所有与最低soc荷电量的soc荷电量差大于所述第一soc设定阈值的不相邻单体锂电池开启被动均衡，所述第一soc设定阈值小于第二soc设定阈值；
[0025]
主动均衡和被动均衡过程中，实时监测单体锂电池的最大soc荷电量差，如果监测到所述最大soc荷电量差小于第三soc设定阈值，则均衡结束，所述第三soc设定阈值小于第一soc设定阈值。
[0026]
本发明的均衡方法可以同时监测锂电池的电压或soc荷电量，只要有一个满足均衡开启条件，则开启对锂电池的均衡。
[0027]
本发明的有益效果是：将锂离子电池主动与被动均衡相结合技术应用在矿用锂离子蓄电池电源，依据电池单体电压及单体soc为均衡目标，实现了锂电池的精细均衡，被动均衡与主动均衡可同时进行，大幅提高均衡效率。
附图说明
[0028]
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
[0029]
图1是本申请实施例的均衡模块结构原理图；
[0030]
图2是本申请实施例的均衡模块电路图；
[0031]
图3是本申请实施例的均衡方法流程图。
具体实施方式
[0032]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
[0034]
实施例1
[0035]
本实施例提供一种矿用锂离子蓄电池电源的均衡模块，如图1所示，包括：
[0036]
主动均衡控制单元和被动均衡控制单元，所述主动均衡控制单元包括电池充电模块、与各单体锂电池对应的主动均衡控制支路；所述被动均衡控制单元包括与各单体锂电池对应的被动均衡控制支路；
[0037]
所述主动均衡控制支路的输入端连接至电池充电模块，所述主动均衡控制支路的输出端连接至对应的单体锂电池的两端，所述主动均衡控制支路的控制信号输入端连接至bms(电池管理系统)的信号输出端；
[0038]
所述被动均衡控制支路的输入端连接至对应单体锂电池的正极端，所述被动均衡控制支路的输出端连接至对应单体锂电池的负极端，所述被动均衡控制支路的控制信号输入端连接至所述bms的信号输出端；
[0039]
所述bms根据监测到的各单体锂电池的电压或soc(荷电状态)状态，当判定单体锂电池间的最大电压差或最大soc差大于设定阈值时，控制相应的主动均衡控制支路工作，否则，控制相应的被动均衡控制支路工作。
[0040]
本实施例采取的是主动均衡和被动均衡相结合的混合均衡模块，每一节单体锂电池均对应连接有被动均衡控制支路和主动均衡控制支路，bms根据监测到的单体锂电池电压或soc状态，根据单体锂电池间最大电压差以及最大soc差，判断相应的单体锂电池采取主动均衡还是被动均衡，从而控制对应的被动均衡控制支路或主动均衡控制支路工作，实现相应单体锂电池的主动均衡或被动均衡。
[0041]
主动均衡时，电池充电模块通过主动均衡控制支路为相应的单体锂电池充电；被动均衡时，相应的单体锂电池通过对应的被动均衡控制支路放电。
[0042]
采用本实施例的均衡模块可以在同一时刻给不相连的多节单体锂电池进行均衡，即同一时刻可以有多节单体锂电池进行被动均衡，有且只有一节单体锂电池进行主动均衡。
[0043]
本实施例的均衡模块依据单体锂电池电压及单体锂电池soc为均衡目标，实现了锂电池的精细均衡，被动均衡与主动均衡可同时进行，大幅提高均衡效率。
[0044]
可选的是，所述被动均衡控制支路包括mos管开关电路、被动开关控制电路、第一电阻和第二电阻，所述mos管开关电路的输入端通过所述第一电阻连接至对应单体锂电池的正极端，所述mos管开关电路的输出端通过第二电阻连接至对应单体锂电池的负极端，所
述被动开关控制电路的输出端连接mos管开关电路的控制端，所述被动开关控制电路的输入端连接至所述bms的信号输出端，所述被动开关控制电路用于根据所述bms输出的控制信号，控制所述mos管开关电路的通断。
[0045]
优选的是，所述mos管开关电路包括反并联二极管的p通道mos管，所述p通道mos管的源极通过所述第一电阻连接至对应单体锂电池的正极；所述p沟道mos管的漏极通过所述第二电阻连接至对应单体锂电池的负极；所述p沟道mos管的栅极连接至被动开关控制电路。
[0046]
如图2，以单体锂电池n为例，p通道mos管q
n
的源极通过电阻r
n
连接至单体锂电池n的正极，p通道mos管q
n
的漏极通过电阻r
n+1
连接至单体锂电池n的负极，p通道mos管q
n
的栅极通过电阻r
mn
连接被动开关控制电路的信号输出端。
[0047]
当所述bms判定需要对单体锂电池n进行被动均衡，则发送控制信号给单体锂电池n对应的被动开关控制电路，该被动开关控制电路控制p通道mos管q
n
导通，从而单体锂电池n通过电阻r
n
、p通道mos管q
n
、电阻r
n+1
组成的放电回路进行放电，实现被动均衡。
[0048]
在其他实施例中，也可以选择n沟通mos管，对于n沟道mos管，其漏极通过电阻r
n
连接至单体锂电池n的正极，源极通过电阻r
n+1
连接至单体锂电池n的负极。当然，也可以选择其他三极管开关电路。
[0049]
本实施例所述被动开关控制电路可以为mos管驱动芯片。本实施例选用的是现有的mos管驱动芯片，mos管驱动芯片有很多，实际工作中可以根据需要进行选择。
[0050]
可选的是，所述主动均衡控制支路包括选择开关和主动开关控制电路，所述电池充电模块的充电端口通过所述选择开关、所述第一电阻和所述第二电阻连接至所述对应单体锂电池的两端，所述主动开关控制电路的信号输入端连接至所述bms的控制输出端，所述主动开关控制电路控制输出端连接至选择开关的控制端，所述主动开关控制电路用于根据所述bms输出的控制信号，控制选择开关的动作。
[0051]
优选的是，所述选择开关为继电器，所述主动开关控制电路连接所述继电器线圈，所述电池充电模块的充电端口通过所述继电器的两个常开触点，以及所述第一电阻和所述第二电阻连接至相应单体锂电池的两端。
[0052]
如图2所示，示出了锂电池组中n节串联的锂电池的均衡模块，以单体锂电池n为例:
[0053]
电池充电模块的正充电端口charge+通过继电器k
n
的一个常开触点、电阻r
n
连接至单体锂电池n的正极端，电池充电模块的负充电端口charge-通过继电器k
n
的另一个常开触点、电阻r
n+1
连接至单体锂电池n的负极端。
[0054]
当所述bms判定需要对单体锂电池n主动均衡，则发送控制信号给单体锂电池n对应的主动开关控制电路，主动开关控制电路控制继电器k
n
线圈得电，k
n
两个常开触点闭合，从而电池充电模块开始为单体锂电池n充电，实现主动均衡。
[0055]
同理，若bms判定需要对单体锂电池n-1主动均衡，则控制继电器k
n-1
线圈得电，k
n-1
两个常开触点闭合，从而电池充电模块开始为单体锂电池n-1充电，实现主动均衡。
[0056]
同样地，若判定其他单体锂电池需要主动均衡，则控制对应的继电器线圈得电即可。
[0057]
本实施例所述主动开关控制电路可以为用于驱动继电器的三极管驱动电路。该三
极管驱动电路为本领域熟知的技术，在此不再赘述。
[0058]
本实施例将锂离子电池主动均衡与被动均衡相结合的混合均衡技术应用在矿用锂离子蓄电池电源，依据锂电池单体电压及锂电池单体soc为均衡目标，实现了锂电池的精细均衡，被动均衡与主动均衡可同时进行，大幅提高均衡效率。
[0059]
实施例2
[0060]
本实施例提供一种矿用锂离子蓄电池电源的均衡方法，如图3所示，包括：
[0061]
采集锂离子电池组中各单体锂电池的电压；
[0062]
计算单体锂电池的最大电压差；
[0063]
在所述最大电压差大于第一电压设定阈值的情况下，判断所述最大电压差是否大于第二电压设定阈值，如果大于第二电压设定阈值，则对电压最低的单体锂电池开启主动均衡，同时对锂电池组中所有与所述最低电压的电压差超过所述第二电压设定阈值的不相邻单体锂电池开启被动均衡；否则，对锂电池组中所有与最低电压的电压差大于所述第一电压阈值的不相邻单体锂电池开启被动均衡，所述第一电压设定值小于第二电压设定值；
[0064]
主动均衡和被动均衡过程中，实时监测单体锂电池的最大电压差，如果监测到所述最大电压差小于第三电压设定阈值，则均衡结束，所述第三电压设定阈值小于第一电压设定阈值。
[0065]
进一步地，本实施例还包括通过监测soc荷电量对锂电池进行均衡的步骤：
[0066]
采集锂离子电池组中各单体锂电池的soc荷电量；
[0067]
计算单体锂电池的最大soc荷电量差；
[0068]
在所述最大soc荷电量差大于第一soc设定阈值的情况下，判断所述最大soc荷电量差是否同时大于第二soc设定阈值，如果大于第二soc设定阈值，则对soc荷电量最低的单体锂电池开启主动均衡，同时对锂电池组中所有与所述最低soc荷电量的soc荷电量差超过所述第二soc设定阈值的不相邻单体锂电池开启被动均衡；否则对锂电池组中所有与最低soc荷电量的soc荷电量差大于所述第一soc设定阈值的不相邻单体锂电池开启被动均衡，所述第一soc设定阈值小于第二soc设定阈值；
[0069]
主动均衡和被动均衡过程中，实时监测单体锂电池的最大soc荷电量差，如果监测到所述最大soc荷电量差小于第三soc设定阈值，则均衡结束，所述第三soc设定阈值小于第一soc设定阈值。
[0070]
本实施例矿用锂离子蓄电池电源的均衡方法的具体实现，依赖于实施例1中的均衡模块。
[0071]
可选的是，所述第一电压设定阈值为20mv，所述第二电压设定阈值为30mv，所述第三电压设定阈值为15mv。
[0072]
可选的是，所述第一soc设定阈值为2.5％，所述第二soc设定阈值为3％，所述第三soc设定阈值为2％。
[0073]
对于本实施例的均衡方法，若某个时间点，bms监测到单体锂电池最大电压差超过规定的最大值20mv，且最大电压差大于30mv，则判断此刻所有比最低单体电池电压高30mv的单体锂电池，如果此刻5号单体锂电池为单体锂电池电压最低，而8号单体锂电池、6号单体锂电池和3号单体锂电池的电压均比5号锂电池的电压高30mv，则控制5号单体锂电池对应的主动均衡控制支路工作，同时控制8号单体锂电池、6号单体锂电池和3号单体锂电池对
应的被动均衡控制支路工作，对5号单体锂电池进行主动均衡的同时，实现8号单体锂电池、6号单体锂电池和3号单体锂电池的被动均衡；
[0074]
如果单体锂电池最大电压差小于30mv，若此刻5号单体锂电池的电压最低，而8号单体锂电池、6号单体锂电池和3号单体锂电池的电压相比5号单体锂电池的电压差均高于20mv，则同时控制8号单体锂电池、6号单体锂电池和3号单体锂电池对应的被动均衡控制支路工作，同时对8号单体锂电池、6号单体锂电池和3号单体锂电池进行被动均衡。
[0075]
本实施例也可以同时监测各单体锂电池的soc荷电量，当监测到荷电量满足主动均衡或被动均衡条件时，根据本实施例所述的“通过监测soc荷电量对锂电池进行均衡的步骤”实现锂电池的均衡，具体均衡过程如上所述，不再赘述。
[0076]
本实施例给出的第一电压设定阈值、第二电压设定阈值、第三电压设定阈值、第一soc设定阈值、第二soc设定阈值和第三soc设定阈值只是本实施例列举的一个最优实施例，在其他实施方式中，电压和soc的具体设定阈值可根据需要进行设置，并不受限于本实施例给出的具体值。
[0077]
本实施例在同一时刻可以同时给不相连的不同单体锂电池进行均衡，即在同一时刻可以有多节单体锂电池进行被动均衡，有且只有一节单体锂电池进行主动均衡。
[0078]
本实施例将锂离子电池主动均衡与被动均衡相结合的混合均衡技术应用在矿用锂离子蓄电池电源，依据锂电池单体电压及锂电池单体soc为均衡目标，实现了锂电池的精细均衡，被动均衡与主动均衡可同时进行，大幅提高均衡效率。
[0079]
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。