CN103036258A

CN103036258A - 一种蓄电池组均衡系统及方法

Info

Publication number: CN103036258A
Application number: CN2011103003648A
Authority: CN
Inventors: 张一�; 李思贤
Original assignee: SHANGHAI LIYAO ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI LIYAO ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2011-10-08
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明公开了一种蓄电池组均衡系统及方法，该系统包括多个串联的单体电池、检测模块、正向激励推挽模块和微处理器，每个单体电池上均连接有一独立的充电回路；所述充电回路由与该单体电池连接的磁放大电压调节电路模块以及与该磁放大电压调节电路模块连接的变压器副边绕组构成；微处理器用于根据所述电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块采集的信号，控制所有磁放大电压调节电路模块和所述正向激励推挽模块的工作。该系统达到了真正的电池组高效、安全的动态均衡充电和放电，能最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。

Description

一种蓄电池组均衡系统及方法

技术领域

本发明属于蓄电池的电池保护系统领域，涉及一种蓄电池组均衡系统及方法。

背景技术

蓄电池作为能量存储介质，已经广泛应用于社会的各行各业，特别是近年来在通信电源、UPS电源、各种动力车辆、太阳能发电、风力发电、国家智能电网等行业中，作为动力或电源储能的系统中，磷酸铁锂电池已经被视为最关键的组件之一。电池系统对以串联方式工作的电池组进行充电、放电，在每次充电、放电以后，电池组里各个单体电池的特性都会不一样，如端电压、内阻、老化程度、剩余容量(SOC)、电池健康度(SOH)等等，并且会随着时间的推移进一步加剧单体电池之间的差异性。如何保证电池在充电、放电过程中进行电池组快速高效的动态主动均衡控制，是保证磷酸铁锂电池的安全性、可靠性以及充分发挥其化学效能的一项关键技术。

随着磷酸铁锂电池的使用越来越广泛，近年来对串联磷酸铁锂电池组进行充电、放电的装置和方法得到了不断的改进，以试图对串联在一起的电池组的保护和均衡能更加快速、高效。在磷酸铁锂电池的传统被动均衡方法中，都是利用半导体开关器件和功率电阻构成的放电矩阵网络，这些矩阵施加在每个单体电池两端，对充电时端电压较高的单体电池进行适量放电，使电池组中的各个单体电池的电压尽量以相同的速度一致升高，同时充足，达到串联电池的被动均衡的目的；由于采用的功率电阻要对单体电池进行放电才能达到均衡的目的，电阻的发热量大，因此对电池组前端充电器的能量利用率较低，有较大的电阻发电热损耗。

在传统的电池组放电方法中，当其中的某一个电池芯达到需要保护的最小端电压时，则整个电池组将被强制停止放电，但在这个时候，其它的状态良好的一些电池芯中可能还有很多剩余的能量没有被释放出来，因此这将极大地影响电池组的能量使用率。

在目前见到的传统的磷酸铁锂电池组放电方法中，是对串联在一起的电池组的总电压进行采集，并不监测各个单体电池的端电压；这种做法虽然简单，但是由于在使用过程中各个单体电池的电量并不均匀，假如长期循环使用下去，电量的差异性将会变的更大，所以电量较小的单体电池将会产生过放电，使得它的循环使用寿命大大的减少，因此将影响电池组的使用。上面描述的放电方法往往是设定一个电池组放电终止电压，当采集到电池组的总电压低于这个设定值时，就会终止电池组的放电。由于终止电压并不能反映电池组中所有单体电池的真实端电压，因此在终止放电时，有些单体电池可能会出现过放电的现象，有些单体电池可能还有很多剩余的电量没有使用，电池能量的使用率将大大的降低。

在目前见到的传统的磷酸铁锂电池组放电方法中，都是参照电池的端电压作为判断依据，当电池的端电压达到一定数值时，就强制停止放电，但是在不同的实际使用环境下，如环境温度较高时，电池中可能还有很多剩余的电量没有释放出来，而在环境温度较低时，就会出现电池过放电的现象，因此会对电池造成损害。

传统的磷酸铁锂电池动态主动均衡方法中，都是利用所有串联在一起的单体电池的电压最终达到一致作为均衡工作结束条件的。这样是不精确的。事实上电池的实际存储电量还要受到电池本身的温度、累计充放电次数、老化程度、健康程度、电池本身的化学特性等因素的影响。在不同的温度、充放电循环次数下，磷酸铁锂电池组充满电时能储存并释放出的能量是不相同的，而在充满电时电池的端电压也是不相同的。如在低温环境下，电池组中能存储的能量较小，充满电时的端电压较高，等等。要能最大限度到利用电池组中存储的电量，就需要充电、放电装置能在不同的环境下，能将电池中最大可存储的电量充满，并能够将电池组中储存的电量全部释放出来供给外部负载。值得一提的是，由于磷酸铁锂电池组中各个单体电池制造工艺误差等等的原因，在串联充电时，其电量存在一定的差异，而这种差异会在使用过程中慢慢的逐渐增大，这将影响整个电池组的正常工作，因此，这就需要充电、放电装置能够消除这种差异，使电池组在充电、放电过程中始终保持均衡状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种与现有技术相比更科学、更可靠、更能充分地利用磷酸铁锂电池组能量的均衡系统及方法，以克服现有技术中的不足。

一方面，本发明提供了一种新型的基于各个单体电池动态电量和电压差异补偿的串联电池组均衡充电、放电的电路，具体采用如下技术方案：

一种蓄电池组均衡系统，包括：

蓄电池组，包括多个串联的单体电池，每个单体电池上均连接有一独立的充电回路；所述充电回路由与单体电池连接的磁放大电压调节电路模块以及与该磁放大电压调节电路模块连接的变压器副边绕组构成，且每个充电回路中的变压器副边绕组均来自于同一变压器的不同副边绕组；所述磁放大电压调节电路模块用于调节所述充电回路中的充电电压和充电电流；

检测模块，包括与所述单体电池的个数相同的多个检测单元，每个检测单元分别与一个所述充电回路中的磁放大电压调节电路模块电连接，用于检测每个单体电池的电压、电流和温度；

正向激励推挽模块，与外部充电系统及所述变压器的原边绕组连接，用于将来自于外部充电系统的电量变换成高频电压能量输送给所述变压器的原边绕组；以及

微处理器，用于根据所述检测模块采集的信号，控制所有磁放大电压调节电路模块和所述正向激励推挽模块的工作，以满足整个系统的控制需要。

作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或是这些技术措施的任意组合：

所述正向激励推挽模块还串联于所述蓄电池组的正极和负极之间。

所述均衡系统还包括一功率二极管，所述功率二级管的阳极与所述蓄电池组的正极连接，所述功率二极管的阴极与所述正向激励推挽模块连接。

所述检测单元包括电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路。

所述变压器的每个副边绕组的匝数均相同。

所述单体电池为磷酸铁锂电池。

另一方面，本发明提供了一种新型的基于各个单体电池动态电量和电压差异补偿的串联电池组均衡充电、放电的方法，具体采用如下技术方案：

一种使用上述均衡系统对蓄电池组均衡的方法，其特征在于：所述正向激励推挽模块将来自于外部充电系统的电量变换成高频电压能量输送给变压器的原边绕组，并进一步通过该变压器的副边绕组将该高频电压能量平均分配给每个充电回路；所述微处理器根据所述检测模块采集的信号，通过控制所有磁放大电压调节电路模块调节每个所述充电回路中的充电电压和充电电流。

当所述蓄电池组接通负载放电时：所述蓄电池组两端的总电压反馈至所述正向激励推挽模块，并进一步传递至所述变压器上；所述微处理器根据所述检测模块采集的信号，导通欠压的单体电池所在的充电回路，对该欠压的单体电池进行充电。

当对所述蓄电池组进行充电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不大于其最大允许额定值；当所述蓄电池组接通负载放电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不小于其最小允许额定值；以达到充分保护磷酸铁锂电池及充分利用其存储的电能的最终目的。

所述单体电池为磷酸铁锂电池。

本发明所提供的上述均衡系统及方法，是对每个单体电池进行独立充电，以各个单体电池的动态电量和电压作为判断依据，在蓄电池组充电过程中，由于磁放大电压调节电路模块的调节作用，使得每个单体电池可以分别获得需要的充电电压和电流，实现在充电过程中的动态均衡。在蓄电池组接通负载进行放电的过程中，如某些单体电池出现欠压情况，则可以将蓄电池组两端的总电压反馈至所述正向激励推挽模块导通欠压的单体电池所在的充电回路，对该欠压的单体电池进行充电。最终达到真正的电池组高效、安全的动态均衡充电和放电，能最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。

附图说明

图1是本发明中n个单体电池串联的均衡系统连接结构示意图。

图2是本发明中一个单体电池上连接的充电电路示意图。

图3是本发明中向单体电池CELL-1均衡充电的工作示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

图1是本发明的均衡系统连接结构示意图，其包括：由n个单体电池串联组成的蓄电池组，n个磁放大电压调节电路模块，分别由电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路组成的n个检测模块，一个微处理器30、一个非晶合金变压器10、一个正向激励推挽模块20、一个防止电池组充电的功率二极管40；其中每个单体电池均具备一独立的充电回路。请参见图1及2，以其中第一个单体电池CELL-1为例：充电回路由与单体电池CELL-1连接的磁放大电压调节电路模块1b以及与该磁放大电压调节电路模块1b连接的变压器副边绕组1c构成。单体电池CELL-1还连接有由电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路组成的检测单元1a。检测单元1a与磁放大电压调节电路模块1b电连接。每个单体电池上所连接的充电回路均相同，只是各个充电回路中的变压器副边绕组均来自于非晶合金变压器10上的不同副边绕组。

请参见图1，整个系统的输入端为正向激励推挽模块20，其输入能量来自于220V～交流市电，正向激励挽推模块20把变换后的高频电压能量送给非晶合金变压器10的原边绕组，该非晶合变压器10的副边绕组有多个，它们是平均分配的，匝数一样，从而使得每个充电回路中输入的电压和电流是一致的，能够对单体电池CELL1-CELLn进行单独的充电。微处理器(MCU)30作为总控制器，所有电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路的采集信号都送入微处理器30中，微处理器30根据这些信号控制所有的磁放大电压调节电路模块的工作，用以调节每个充电回路中的充电电压和充电电流，每个单体电池的充电电压从1～3.6V可调，每个单体电池的电流从0～15A可调。通过检测模块对单体电池的电压、电流、温度进行实时采用，并进行实时跟踪，使得每个单体电池的充电电流、充电电压、充电温度补偿等参数趋于一致，这样电池的寿命将大大延长，绝不会由于单体电池的特性不一致的原因，而出现个别电池的过充后损坏甚至爆炸的现象。

当电池处于放电状态时，若不加控制处理，个别单体电池就会出现电压低于同组中其它电池电压的情况，但电池组的总电压并不低，这种情况下，若某些单体电池欠压后还继续放电，那么低压的那些电池将提前损坏。因此本发明还提供了一个优选的实施方式：将所述正向激励推挽模块串联于所述蓄电池组的正极和负极之间。这样可以使得蓄电池组接通负载放电时，蓄电池组两端的总电压反馈至正向激励推挽模块20，并进一步传递到非晶合金变压器10上；通过检测模块采集的信号找出在对外充电过程中欠压的某一个或某几个电池，通过微处理器30导通欠压的单体电池所在的充电回路，对该欠压的单体电池进行充电，最大程度的保证它们与其它电池的电压趋于一致。此外，在正向激励推挽模块20和蓄电池组的正极之间还需串联一功率二极管40，通过这个二极管蓄电池组可以向负载放电，但外部充电系统不能向该蓄电池组进行整体充电，以免破坏对单体电池进行独立充电的设计意图。

图3是本发明中向单体电池CELL-1均衡充电的工作示意图。如图3所示，被充电的单体电池CELL-1的端电压、充电电流、电池温度都将通过与之相连的电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路被进行实时的采集，并将采集到的信息传输给微处理器30，微处理器30根据单体电池之间的电压、容量的差异性实时调整每一单体电池的端电压、充电电流，并控制其温度的变化。在非晶合金变压器10的原绕组正向激励的情况下，该变压器副边的所有绕组都会被感应出相同的电压，理论上它们具有相同的负载驱动能力，但在磁放大电压调节电路模块的干预下，它们向单体电池提供的最终充电电压、充电电流都将收到严格限制和控制，每个单体电池的充电电压从1～3.6V可调，每个单体电池的电流从0～15A可调。在整个电池组向负载放电的过程中，若有少数单体电池即将出现欠压情况，那么非晶合金变压器10将向整个蓄电池组取得电压能量，通过上述实现方法，再对那即将出现欠压的单体电池进行充电，保证其电压和容量不落后于其它电池。

根据上述过程，就完成了某一个单体电池可以进行单独充电的过程，其充电电压、充电电流可以调节，不论电池组正在被充电中，或是电池组正在向外放电中，都可以实现某一个单体电池的单独充电，可以保证串联在一起的单体电池在任何状态下都可以保证电压接近或容量接近，保护在充电过程中不会产生个别单体电池严重过压，同时也保证在放电过程中，不会有个别电池严重欠压，以最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。

本发明的上述描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims

1.一种蓄电池组均衡系统，其特征在于，包括：

微处理器，用于根据所述检测模块采集的信号，控制所有磁放大电压调节电路模块和所述正向激励推挽模块的工作。

2.如权利要求1所述的蓄电池组均衡系统，其特征在于，所述正向激励推挽模块还串联于所述蓄电池组的正极和负极之间。

3.如权利要求2所述的蓄电池组均衡系统，其特征在于，还包括一功率二极管，所述功率二级管的阳极与所述蓄电池组的正极连接，所述功率二极管的阴极与所述正向激励推挽模块连接。

4.如权利要求1所述的蓄电池组均衡系统，其特征在于，所述检测单元包括电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路。

5.如权利要求1所述的蓄电池组均衡系统，其特征在于，所述变压器的每个副边绕组的匝数均相同。

6.如权利要求1-5任一所述的蓄电池组均衡系统，其特征在于，所述单体电池为磷酸铁锂电池。

7.一种使用如权利要求1-6任一所述的蓄电池组均衡系统对蓄电池组均衡的方法，其特征在于：所述正向激励推挽模块将来自于外部充电系统的电量变换成高频电压能量输送给变压器的原边绕组，并进一步通过该变压器的副边绕组将该高频电压能量平均分配给每个充电回路；所述微处理器根据所述检测模块采集的信号，通过控制所有磁放大电压调节电路模块调节每个所述充电回路中的充电电压和充电电流。

8.如权利要求7所述的蓄电池组均衡方法，其特征在于，当所述蓄电池组接通负载放电时：所述蓄电池组两端的总电压反馈至所述正向激励推挽模块，并进一步传递至所述变压器上；所述微处理器根据所述检测模块采集的信号，导通欠压的单体电池所在的充电回路，对该欠压的单体电池进行充电。

9.如权利要求8所述的蓄电池组均衡方法，其特征在于，当对所述蓄电池组进行充电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不大于其最大允许额定值；当所述蓄电池组接通负载放电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不小于其最小允许额定值。

10.如权利要求7-9任一所述的蓄电池组均衡方法，其特征在于，所述单体电池为磷酸铁锂电池。