一种锂电池组分布式动态均衡充电系统及方法

本发明属于电池，涉及一种锂电池组分布式动态均衡充电系统及方法。

背景技术：

1、锂电池在实际使用过程中通常需要将多节单体锂电池串联成组使用以满足不同用电设备电压等级和功率需求。由于电池制作工艺及外部使用环境差异，组内电池间会出现不一致性现象，串联使用时会导致锂电池组可用容量降低、循环寿命缩短以及存在安全隐患，因此有必要对串联锂电池组进行均衡管理和安全管理。

2、目前锂电池组均衡方案中根据能量的处理方式不同分为被动均衡和主动均衡。被动均衡是通过在单体电池两端并联耗散电阻的方式耗散掉电池多余能量，其结构简单、控制容易，但均衡电流较小，均衡速度慢，且并联的均衡电阻会产生大量的热量，存在热管理安全问题。主动均衡具有能量利用率高、均衡速度快等优点，通常利用电容、电感、变压器以及dc-dc变换器来构建能量转移电路实现组内电池间的电量转移。

3、主动均衡根据能量转移电路结构可分为集中式均衡和分布式均衡两大类。集中式均衡结构中整个锂电池组公用一个能量转移电路，对能量转移电路的利用率较高，电路设计较为复杂，随着电池数量的增加整体均衡时间会增加，适用于较少串数的锂电池组，且不易扩展和维护。分布式均衡结构中每节电池对应一个能量转移电路，可同时对多节单体电池进行能量转移，能量转移速率较高，控制灵活，可以方便实现各种均衡控制策略，易于扩展，是当前较为常用的均衡方法。

4、基于电容的分布式均衡方法是以电容作为能量转移载体，根据组内单体电池间压差实现电量均衡，当相邻电池电压差较大时，均衡电流较大，并且每次均衡过后，电容会存在剩余转移能量，容易引起发热问题，可靠性不高。基于电感的分布式均衡方法其均衡电流可控，但会带来能量转移电路体积较大的问题。基于变压器的分布式均衡方法会随着电池数量的增加，变压器结构趋于复杂，体积和成本都会随之增加。基于dc-dc变换器的分布式均衡方法可以将变换器设计为同一输入输出参数，从而简单复用变换器电路，运行可靠性较高，维护方便，且多变换器可同时运行，均衡速率高，在工程应用中更为广泛。

5、目前基于dc-dc变换器的分布式均衡方法中大多是在锂电池组充电情况下均衡，将已达到均衡条件的单体电池能量转移到锂电池组中，但是这种方式还是有能量流入已达到均衡条件的单体电池中，造成其电压继续升高，存在电池过充的安全隐患，同时无法实现所有电池均充满电，不能最大限度使用锂电池组可用容量。另外，也有在均衡过程中实时与充电器通信实现对锂电池组输入能量的调节，使得充电结束时组内各单体电池电量达到一致，但与充电器实时通信增加了控制难度，同时也增加了控制成本。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂电池组分布式动态均衡充电系统及方法，以实现不用控制充电器即可对锂电池组充电能量的控制，避免了未断开充电器长时间对锂电池组充电的安全隐患。还能实现锂电池组动态均衡充电，对已满充的电池电量保持不变，未满电的电池继续均衡充电，充电结束时，整组电池处于满电状态，增加锂电池组可用容量，延长电池寿命。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种锂电池组分布式动态均衡充电系统，该充电系统包括锂电池组、能量转移电路、隔离控制器、控制系统、驱动电路和充电双向开关；

4、所述锂电池组由n个分别标记为cell1、cell2、…、celln的单体电池串联组成；每个单体电池两端均连接能量转移模块，共n个，记为能量转移模块1、能量转移模块2、…、能量转移模块n；n个能量转移模块组成能量转移电路；

5、所述能量转移模块的输入侧连接到单体电池的正负端，输出端连接至锂电池组的正负端；

6、所述控制系统通过隔离控制器对每个能量转移模块进行控制，使得单体电池能量往锂电池组转移；

7、所述锂电池组充电回路中设置有充电双向开关，控制系统配合驱动电路对其进行调制，控制锂电池组的充入能量。

8、可选的，所述充电系统未开启均衡功能时，充电器按照预先设定对锂电池组充电，能量转移电路不工作，充电双向开关处于全开状态；

9、当锂电池组内单体电池达到均衡开启阈值时，对应单体电池通过能量转移电路转移至锂电池组中，同时通过控制充电双向开关占空比的方式调整输入能量与单体电池能量转移电路配合，使得锂电池组中达到阈值的单体电池在开启能量转移电路以后，均衡变量保持不变，均衡结束时，所有单体电池均衡变量趋近一致；

10、所述锂电池组在充电过程中，充电过程中单体电池端压反应能量，设定单体电池电压达到最大电压即为电池充满，选用电池端压均衡变量；在动力锂电池组充电末期，控制锂电池组的输入能量配合单体电池转移能量，使得端压达到均衡阈值的单体电池能量不再增加，端压维持不变，其余单体电池能量继续增加，端压上升直至达到均衡阈值，最终所有单体电池端压均达到均衡阈值，实现充电结束时所有单体电池端压一致的均衡目标；

11、设锂电池组中单体电池cell1的端压首先达到均衡阈值，开启均衡，单体电池cell1能量转移电路启动，能量通过能量转移电路从单体电池cell1向整组电池流动，记所有能量转移电路效率均为η，则有：

12、δe’1＝η·δe1    (1)

13、在串联锂电池组中，由于充电电流相同，且单体电池端压相差不大的情况下，单体电池cell1输入的能量为e1：

14、

15、设单体电池cell1的能量流出与能量输入相等，单体电池cell1保有能量不变，得：

16、δe1＝e1    (3)

17、联立式(1)、(2)、(3)得：

18、ein＝e-δe'1＝ne1-ηδe1＝(n-η)δe1    (4)

19、通过测量均衡器输入能量δe1，得到充电器需要输入的能量ein；调整输入能量ein使开启均衡的单体电池在整个剩余充电过程中能量保持不变；输入能量平均值<ein>的计算公式为：

20、

21、式中ein为一段时间内不变的输入能量，t为一个pwm周期，ton为一个开关周期内充电双向开关的开通时间，d为一个周期内充电双向开关开通占空比；通过调节充电开关导通时间，控制输入能量的平均值大小；导通时间越长，输入能量平均值越大，反之输入能量平均值越小；

22、通过控制能量转移电路使能开关，让单体电池cell1的端压在von与voff之间波动，能量在eon与eoff间波动，保证输入单体电池cell1中的能量e1_in满足：

23、e1_in≤δe1    (6)

24、在式(6)条件下单体电池cell1能量转移电路开启时，单体电池cell1能量减少，端压下降；当单体电池cell1的能量转移电路关闭时，单体电池cell1的能量增加，端压升高；通过改变能量转移电路使能信号使单体电池cell1的端压在von与voff之间波动，能量在eon与eoff间波动；

25、von-voff＜vσ    (7)

26、eon-eoff＜eσ    (8)

27、当式(7)、(8)中的vσ、eσ为一个极小值时，认为单体电池cell1的在均衡过程t0～tm过程中端电压不变，能量不变，实现单体电池cell1的能量在均衡过程中相对不变；

28、en_in≤δen    (9)

29、在满足式(9)的条件下，使所有单体电池均达到该能量，完成对所有单体电池的均衡；

30、所述能量转移电路由dc-dc变换器组成，是由前级boost电路与后级反激电路组成两级式结构；前级boost电路将单体电池初步升压至10v，作为后级反激电路的输入；后级反激电路进行电路隔离并将输入电压升高到锂电池组电压，结合断续工作反激增益公式，做恒功率输出控制，其输出最大额定功率5w。

31、基于所述系统的锂电池组分布式动态均衡充电方法，该方法包括以下步骤：

32、s1：判断锂电池组当前是否处于保护状态；

33、充电器接通锂电池组前，充电双向开关断开，充电回路处于开路状态；控制系统检测组内各单体电池端压，任一电池处于欠压或过压状态时，充电双向开关一直断开，不对锂电池组充电，同时能量转移电路不工作；

34、s2：锂电池组开启充电

35、判断锂电池组未进入保护状态后，打开充电双向开关按照预设充电倍率对锂电池组充电；

36、s3：判断是否开启均衡充电

37、锂电池组充电过程中控制系统检测是否有单体电池端压达到均衡开启阈值，若存在某单体电池端压达到均衡开启阈值，则执行s4；否则，保持当前充电状态继续充电，直到检测到某电池端压达到均衡开启阈值；

38、s4：均衡充电

39、开启均衡充电功能；控制系统查询并筛选出达到均衡阈值的单体电池，开启能量转移电路，然后查询开启能量转移电路的单体电池端压，计算当前单体电池端压和上一采样时刻该单体电池端压差值，即均衡单体电池端压增量；如果所有均衡单体电池端压增量不为正，则加大充电开关占空比，增大输入能量功率；如果存在均衡单体电池端压增量为正，则减小充电开关占空比，减小输入能量功率；

40、s5：判断均衡充电完成

41、重复s4的查询和控制方式，直至所有单体电池均达到均衡阈值后关闭充电开关和所有能量转移电路，锂电池组中所有单体电池端压在此时处于均衡开启阈值与均衡关闭阈值之间，均衡充电完成；

42、s6：充电完成

43、上报充电完成信号，记录下完整充电过程中电压变化数据，结束充电。

44、本发明的有益效果在于：

45、(1)不用与充电器通信，通过控制充电双向开关的开通和关断时间控制锂电池组的充电能量，简化了控制。

46、(2)保证锂电池组中每节电池充满后不再继续充电，锂电池组中其他电池不受均衡电池的影响仍能继续充电。通过这种充电方式可以延长电池寿命，避免电池过充电的风险。

47、(3)本方法在充电结束时，每节电池处于相同的预设均衡条件下，电性能一致性相近，最大限度提高锂电池组整体使用容量，延长电池使用寿命。

48、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。