一种电池包的主动均衡电路及其控制方法与流程

本技术涉及储能电池，具体涉及一种电池包的主动均衡电路及其控制方法。

背景技术：

1、在现有应用中，电池包通常包括多个串联连接的电芯，由于各电芯的电化学特性的一致性较差，各电芯之间都需要进行均衡控制以维持电芯之间的性能参数平衡，比如电压平衡。以电压平衡为例，均衡控制分为被动均衡和主动均衡两类，其中，典型的被动均衡是通过与电芯并联的可控旁路对电芯的充放电电流进行调节以达到电芯之间的电压平衡；相应的，典型的主动均衡是利用电荷泵的原理，将电荷在相邻两个电芯之间转移，也有通过为每个电芯提供一个独立的充电电路实现的主动均衡。

2、中国专利cn110247456a即公开一种图1a所示的应用于串联电芯的开关型均衡电路，该均衡电路采用电荷泵原理将电荷在两个相邻的电芯之间转移进而实现两个电芯之间的电压均衡。结合图1a所示可以看出，该均衡电路在高电压电芯需要向低电压电芯送充电过程，首先需要进行放电，一部分电流消耗在电芯的内阻和外部线路阻抗上，另一部分储存在电感中，等储能过程完成，关闭高电压端的开关，就形成一个电荷泵，将储存在电感中的电荷泵到更高电压；然后，打开低电压电芯对应的开关，将电荷泵中的部分电荷向低电压的电芯充电，当然，电荷泵中的电荷不能全部转移到低电压电芯中，剩下的电荷只能在下次电荷泵充电时候消耗掉。

3、中国专利cn111987759b提供一种于高频电力电子变压器的主动均衡拓扑及方法。图1b所示拓扑通过多绕组变压器及其控制电路对单个电芯进行主动均衡控制，其效能相比电荷泵方法提升很多。其方法中提出了剩余容量(state of charge，soc)以及健康状态(state of health，soh)作为均衡的条件。但是，该方案拓扑结构复杂、体积大、成本高、静态电流大，具有相当的理论学术价值，但从产品化以及小型化、可靠性方面，特别是对于电池包要求极低的静态功耗不能满足；不具备产业化的价值，无法有效解决现实中大量储能电池包的问题。其提出的soh以及soc算法，方案记载模糊不清，不具备实际操作性。

4、由此可见，现有技术中无论是基于电荷泵原理实现的主动均衡电路还是基于多绕组变压器的方法，均无法同时满足产品化所需的“可靠、成本和能效”三大要素、难以实用化为社会带来进步。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术致力于提供一种电池包的主动均衡电路及其方法，替代现有成熟技术中被动均衡电路，提高电池包的均衡效率，延长电池包的循环寿命以满足实际储能行业中磷酸铁锂以及钠电池包延长寿命以及发挥电池包最大效能的应用需求。

2、第一方面，本技术提供一种电池包的主动均衡电路，所述电池包包括多个串联连接的电芯，所述电路包括：均衡电源、采样电路、多个均衡控制电路以及均衡控制器，其中，

3、每个所述均衡控制电路的输出端并联一个所述电芯，且各所述均衡控制电路连接的电芯互不相同；

4、所述均衡电源的输出端分别与各所述均衡控制电路的输入端电连接，所述均衡电源的输入端与所述电池包的电极电连接；

5、所述采样电路的采样端分别与各所述电芯相连，所述采样电路的输出端与所述均衡控制器相连；

6、所述均衡控制器分别与各所述均衡控制电路的控制端以及所述均衡电源的控制端相连；

7、所述采样电路用于采集各所述电芯的电气数据；

8、所述均衡控制器用于根据各所述电芯的电气数据确定需要均衡的目标电芯并控制与所述目标电芯相连的目标均衡控制电路以及所述均衡电源导通，以对所述目标电芯进行均衡处理。

9、可选的，所述均衡电源包括：隔离型功率变换电路和第一电子开关，其中，

10、所述隔离型功率变换电路的输入端经所述第一电子开关与所述电池包相连；

11、所述隔离型功率变换电路的输出端作为所述均衡电源的输出端；

12、所述第一电子开关的控制端与所述均衡控制器相连，并受所述均衡控制器控制。

13、可选的，所述均衡控制电路包括：第二电子开关、第三电子开关以及控制电路，其中，

14、所述第二电子开关的一端作为所述均衡控制电路的正极输入端，所述第二电子开关的另一端作为所述均衡控制电路的正极输出端；

15、所述第三电子开关的一端作为所述均衡控制电路的负极输入端，所述第三电子开关的另一端作为所述均衡控制电路的负极输出端；

16、所述第二电子开关以及所述第三电子开关的控制端分别与所述控制电路的输出端相连，所述控制电路的控制端作为所述均衡控制电路的控制端；

17、所述控制电路用于响应于所述均衡控制器的控制信号，控制所述第二电子开关以及所述第三电子开关的通断状态。

18、可选的，所述控制电路包括：驱动子电路和控制子电路，其中，

19、所述驱动子电路分别与所述第二电子开关以及所述第三电子开关的控制端相连；

20、所述控制子电路的控制端作为所述控制电路的控制端；

21、所述驱动子电路将所述控制子电路的控制信号功率放大，以驱动所述第二电子开关和所述第三电子开关；

22、所述控制子电路与所述第二电子开关和所述第三电子开关电气隔离。

23、可选的，本发明第一方面提供的电池包的主动均衡电路，还包括：电压检测电路，其中，

24、所述电压检测电路的检测端与所述均衡电源的输出端电连接，所述电压检测电路的输出端与所述均衡控制器相连；

25、所述电压检测电路用于检测所述均衡电源与任一所述均衡控制电路之间的连接点的电压并输出检测信号；

26、所述均衡控制器用于根据所述检测信号确定所述均衡电源与任一所述均衡控制电路之间的连通状态。

27、可选的，所述电压检测电路包括：检测电路、信号耦合隔离电路和信号输出电路，其中，

28、所述检测电路的输入端与所述均衡电源的输出端电连接；

29、所述检测电路的输出端与所述信号耦合隔离电路的输入端电连接；

30、所述信号输出电路的输入端与所述信号耦合隔离电路的输出端电连接；

31、所述信号输出电路的输出端与所述均衡控制器电连接；

32、所述检测电路与所述信号输出电路电气隔离。

33、第二方面，本发明提供一种电池包的均衡方法，应用于本发明第一方面任一项所述的电池包的均衡电路，所述方法包括：

34、获取所述电池包内各电芯的电气数据；

35、根据所述电气数据判断是否满足预设均衡条件；

36、若满足所述预设均衡条件，根据所述电气数据在各所述电芯中确定需要进行均衡的目标电芯；

37、控制所述均衡电路中的均衡电源以及与所述目标电芯相连的目标均衡控制电路导通，以对所述目标电芯进行均衡处理。

38、可选的，所述电气数据包括当前电芯电压；

39、根据所述电气数据判断是否满足预设均衡条件，包括：

40、确定各所述当前电芯电压中的最大电芯电压和最小电芯电压；

41、若所述最大电芯电压与所述最小电芯电压的差值大于预设电压阈值，判定满足预设均衡条件；

42、若所述最大电芯电压与所述最小电芯电压的差值小于等于所述预设电压阈值，判定不满足预设均衡条件；

43、根据所述电气数据在各所述电芯中确定需要进行均衡的目标电芯，包括：

44、确定所述最小电芯电压对应的电芯为需要进行均衡的目标电芯。

45、可选的，控制所述均衡电路中的均衡电源以及与所述目标电芯相连的目标均衡控制电路导通，包括：

46、控制所述均衡电路中与所述目标电芯相连的目标均衡控制电路导通；

47、获取所述均衡电路中电压检测电路反馈的检测信号；

48、若所述检测信号表征所述目标均衡控制电路与所述均衡电源连通，控制所述均衡电源导通，对所述目标电芯进行均衡，直至所述目标电芯的电芯电压达到预设电压值。

49、可选的，获取所述电池包内各电芯的电气数据，包括：

50、获取自所述电池包内任一电芯的电芯电压达到第一预设电压至当前充电过程结束的过程中，各所述电芯的充电数据。

51、可选的，所述充电数据包括电芯电压；

52、根据所述电气数据判断是否满足预设均衡条件，包括：

53、若至少一个电芯的当前电芯电压小于所述第一预设电压，或者，各电芯的当前电芯电压均大于等于所述第一预设电压且至少一个电芯的当前电芯电压小于所述第二预设电压，判定满足预设均衡条件；

54、若各电芯的当前电芯电压均大于等于所述第二预设电压，判定不满足所述预设均衡条件；

55、其中，所述第二预设电压大于所述第一预设电压。

56、可选的，在至少一个电芯的当前电芯电压未达到第二预设电压且至少一个电芯的当前电芯电压未达到所述第一预设电压情况下，根据所述电气数据在各所述电芯中确定需要进行均衡的目标电芯，包括：

57、确定各电芯对应的当前电芯电压中的最大电芯电压和最小电芯电压；

58、若所述最大电芯电压与所述最小电芯电压的差值大于预设电压阈值，确定所述最小电芯电压对应的电芯为需要进行均衡的目标电芯。

59、可选的，在至少一个电芯的当前电芯电压未达到所述第二预设电压且各电芯的当前电芯电压均达到所述第一预设电压情况下，根据所述电气数据在各所述电芯中确定需要进行均衡的目标电芯，包括：

60、根据所述充电数据，计算自任一电芯的电芯电压达到所述第一预设电压至当前充电过程结束过程中，各电芯的充电电量；

61、按照充电电量由高到低的顺序，分别将所述电池包内未达到所述第二预设电压的电芯作为需要进行均衡的目标电芯。

62、可选的，控制所述均衡电路中的均衡电源以及与所述目标电芯相连的目标均衡控制电路导通，包括：

63、在所述电池包处于充电过程，或者，充电过程终止且未处于放电过程的情况下，确定各电芯的充电电量中的最大充电电量；

64、基于所述最大充电电量、所述目标电芯的充电电量以及预设均衡电流，确定所述目标电芯的均衡时长；

65、在所述均衡时长内，控制所述均衡电路中的均衡电源以及与所述目标电芯相连的目标均衡控制电路导通。

66、可选的，所述电气数据包括基于所述电池包上一放电过程确定的第一放电数据，所述第一放电数据包括：均衡时长以及放电终止电压，所述放电终止电压为电芯在放电结束时刻的电芯电压；

67、根据所述电气数据判断是否满足预设均衡条件，包括：

68、若至少一个电芯的放电终止电压大于第四预设电压，或者，至少一个电芯的均衡时长不为零，判定满足预设均衡条件；

69、若各电芯的放电终止电压均小于等于所述第五预设电压，或者各电芯的均衡时长为零，判定不满足预设均衡条件；

70、其中，所述第四预设电压大于所述第五预设电压。

71、可选的，所述电气数据还包括当前电芯电压；

72、在至少一个电芯的放电终止电压大于第四预设电压的情况下，根据所述电气数据在各所述电芯中确定需要进行均衡的目标电芯，包括：

73、确定各电芯对应的当前电芯电压中的最大电芯电压和最小电芯电压；

74、若所述最大电芯电压与所述最小电芯电压的差值大于预设电压阈值，确定所述最小电芯电压对应的电芯为需要进行均衡的目标电芯。

75、可选的，在至少一个电芯的均衡时长不为零的情况下，根据所述电气数据在各所述电芯中确定需要进行均衡的目标电芯，包括：

76、将各均衡时长不为零的电芯分别作为目标电芯，所述均衡时长是所述电池包放电过程中进行均衡的时长。

77、可选的，确定电芯的均衡时长的过程，包括：

78、在所述电池包内各电芯均达到满充电容量fcc的情况下，获取自所述电池包开始放电至放电结束过程中的第二放电数据；

79、基于所述第二放电数据，分别计算各电芯自开始放电至电芯电压降低至所述第四预设电压过程中的放电电量；

80、根据各电芯的放电电量以及预设均衡电流，确定各电芯的均衡时长。

81、可选的，所述根据各电芯的放电电量以及预设均衡电流，确定各电芯的均衡时长，包括：

82、确定各电芯的放电电量中的最大放电电量；

83、分别计算所述最大放电电量与各电芯的放电电量的差值，得到各电芯的放电电量差值；

84、分别计算各电芯的放电电量差值与预设均衡电流的商，得到各电芯的均衡时长。

85、基于上述内容，本技术提供的均衡电路包括均衡电源、采样电路、多个均衡控制电路以及均衡控制器，均衡控制电路与电芯一对一连接，均衡电源的输入端连接电池电极，输出端分别与各均衡控制电路电连接，采样电路连接于各电芯以及均衡控制器之间，采集各电芯的电气数据并反馈给均衡控制器，均衡控制器分别与各均衡控制电路以及均衡电源相连，均衡控制器根据各电芯的电气数据确定需要均衡的目标电芯并控制与目标电芯相连的目标均衡控制电路以及均衡电源导通，实现对目标电芯的均衡处理。

86、通过本技术提供的均衡电路，电能直接通过电池包正负极经均衡电源在通过均衡控制电路到达目标电芯；相较于现有技术中基于电荷泵原理实现的均衡电路，不存在电能的多次转移导致电能浪费；相较多绕组变压器电路，控制简单，静态能耗为零，高效，体积小、可靠性高，可装入狭小的电池包内；同时，提供的均衡方法，能够极大提高电池包的循环寿命组包率(电池包的循环寿命组包率＝电池包循环寿命/单电芯循环寿命，目前，铁锂在储能行业，这参数最高为60％左右，主要是电芯的一致性和循环过程中的满充容量稳定性和自放电一致性导致)，比目前现有技术提升30％以上.因此，可以极大的减少电能浪费，有效提高均衡效率。