锂离子电池组静置状态下的主动均衡方法技术

本发明专利技术公开了一种锂电池组主动均衡方法，该技术基于ｂｏｏｓｔ技术和法拉电容，该技术可用于大容量的串联锂电池组静置时的电压均衡。传统的主动均衡技术存在电量传递效率及控制复杂等问题。本技术发明专利技术结合了电感和电容的电量转移技术，可以对锂离子电池组中任何两个电池进行电量传递，达到锂离子电池组电压均衡的目的，且综合效率可以达到８４％左右。本技术发明专利技术具有控制灵活和电量转移效率高等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种串联锂离子在静置状态下的电池组电压均衡方法，可以用于大容量动力串联锂离子电池组的电压均衡。
技术介绍
锂离子电池以下简称锂电池是一种具有高能量密度、高工作电压、无记忆 效应、循环寿命长、无污染、重量轻、自放电小的电池，目前广泛应用于各行各业。由 于锂电池的工作电压一般在2.5 4.2V左右(不同材料的锂电池有所不同)，实际应用中需 要将几只、几十只甚至几百只单体锂电池串联起来，以提高工作电压。但是由于锂电池 生产工艺的限制，锂电池单体之间存在容量、电压、内阻及自放电率等不一致，即使在 同一批次的电池中也会存在差异。在实际使用中，这种差异会严重影响锂电池的使用寿 命，所以有必要对串联锂电池组以下简称锂电池组进行均衡管理。 目前，锂电池组均衡方法主要有两种被动均衡和主动均衡。被动均衡主要是 在充电过程通过均衡电阻给电压高的单体电池放电，使整组电池的电压达到一致。这种 方法的缺点在于浪费能源，且由于放电电流的限制，不适合于大容量的锂电池组。主动 均衡方法有电感和电容两种电量转移方式，电感转移方式中使用最多的是基于Boost/buck 的电感均衡，这种方式在相邻电池之间进行电量传递，电量从电压高的电池转移到电压 低的电池，电量传递的效率可以达到80%以上。这种方式的缺点在于只能在相邻锂电池 之间进行电量传递，对于非相邻锂电池需进行多次电量传递，才能达到均衡的目的，这 极大的降低了电量传递效率。而且由于单个均衡模块只能对两个相邻电池进行均衡，那 么对于多串锂电池组，则需要多个均衡模块，这也极大的增加了系统的复杂性。电容转 移方式由于锂电池组中电压差异在几毫伏和几十毫之间，单次转移的电量极少，所以这 种方式的转移效率也是非常低。
技术实现思路
为了解决上述所存在的问题，本专利技术提供了一种新的主动均衡方法，该技术结 合了电感和电容的电量转移技术，可对锂电池组中的任意两节电池进行电量传移，且单 次转移的电量要比传统纯电容方式要高的多。 在本技术说明书中，将锂电池组中单体电池电压偏离平均电压的值定义为偏 压。锂电池组中任何电池的偏压高于一定的值，则定义锂电池组为不一致，需要对锂电 池组进行均衡，而这个值则定义为偏压限。 本专利技术主要包括了以下几个部分电压检测单元、开关阵列、法拉电容、电容 控制单元以及主控单元。电压检测单元用于检测锂电池组中各个单体的电压；开关阵 列用于锂电池组中不同电池的选通；法拉电容作为电量转移的中间介质；电容控制单元 用于控制法拉电容的充放电过程；主控单元通过控制开关阵列、法拉电容、电容控制单 元，对整个均衡过程进行控制。电容控制单元包括电容充电控制MOS管、电容电压检测4单元、Boost控制MOS管、Boost电感以及相关开关的驱动机构。电容充电控制MOS管 为控制电容的充放电的操作机构，同时MOS管的寄生二极管也作为Boost续流二极管； 电容电压检测单元检测电容电压并传递给主控单元，为Boost的占空比的设置提供依据； Boost控制MOS管、Boost电感及电容充电控制MOS管的寄生二极管构成一个完整的 Boost升压电路，通过Boost升压电路使电容给电池充电。本均衡方法工作过程可分为以下几个过程首先电压检测单元检测锂电池组单体电池的电压，主控单元根据单体电池的电压判断锂电池组是否满足启动均衡装置，如 果满足即启动均衡装置，从电压最高的电池向电压最低的电池进行电量传递。电量传递可分为两个部分l)电容充电部分，首先开关阵列选通电压高的电池，然后打开电容充电控制MOS管，由电池给电容充电。电容充电控制MOS管严格控制充电电流，在电容 电压达到预设值时，关闭电容充电控制MOS管，同时关闭开关阵列对电池的选通。2) 电容放电部分，首先开关阵列选通电压低的电池，通过电容控制单元中的Boost升压电路 使电容给电池充电，在这个过程中，主控单元根据电容电压调整Boost控制MOS管控制 信号的占空比，在电容电压下降到设定的放电终止电压，停止电容放电。重复这两个过 程，直到均衡条件不再满足。本均衡方法的要点在于开关阵列、电容充放电区间的控制及Boost控制MOS控制信号占空比的控制。开关阵列要求在对某一电池均衡时，不影响其他电池，由于在本 技术方案中储能器件是法拉电容，单次传递的能量高，电容充放电的时间较长(具体根据 电容的容量和均衡电流的大小)，所以开关的频率比较低，可以使用双通道继电器做开关 阵列，且开关阵列是在无负载情况下进行开关动作，不必考虑继电器的寿命对均衡电路 的影响。 在电容充电初期，电容与电池的压差比较大，此时需要对充电电流进行控制， 可以调整电容充电控制MOS管的栅级电压达到控制电流的目的。在电容充电末期，随 着电容与电池电压的接近，电流随之减小，在实际情况中，由于充电回路中存在开关导 通阻抗以及电容本身直流等效内阻，无法在较短的时间内把电容电压充到与电池电压一 致。实验证明，3.8V的电池给初始电压为0的20F的法拉电容充电时，如果充电回路中 如果存在200mQ的阻抗，且不控制充电电流，电容从0V充至3.0V需要6秒，充至3.7V 需要15秒。电容充电时间的计算可以根据公式(l)来计算。所以适当减小电容充电终止 电压可以极大地减少充电时间，《4i 1 / =丘-^. -rfC/￡ (l)其中F为电容容量、R为充电回路中的等效电阻、Ue为电池电压、Uc为 电容电压。Uc。为电容初始电压、Ua为电容充电终止电压 Boost控制MOS管控制信号的占空比直接影响电容放电电流和均衡效率。控制 信号的占空比可以根据公式(2)来计算。在电容放电初期，电容电压低于被均衡电池的电压，且两者差异比较小，此时需要比较低的占空比，而随着Z)max = 1--S二))Vc5电容电压，Vb电池电压 电容放电时间的增加，电容的电压与电池的压差越来越大，此时如果不调整占 空比，放电电流会降低，从而造成放电时间增加。这时可以根据公式(2)实时调整占空 比，把放电电流控制在一定的范围内。在电容电压降低到设定的电容放电终止电压停止 电容的放电。 本技术方案中一些关键参数的设置及元器件的选择 (l)法拉电容法拉电容的容量影响单次传递的电量，单次传递的电量可由公式 来计算。 C = (UC1-UC。) F (3)其中UC1为充电终止电压，Uc。为放电终止电压 两个电压的差值越大，单次传递的电量越大 (2)电容放电终止电压Uc。由于法拉电容本身的特性及放电效率的考虑，Uc。可 设置为2V。 (3)电容充电终止电压UC1 : UC1设置为给电容充电电池电压的值减去0.3。这样 既保证了单次转移的电量，同时也减少了电容的充电时间。比如给电容充电电池的电压 为3.8V，可以把Ud设为3.5V，根据公式l计算，电容从2V充至2.5V所需的时间为7.2秒。 (4)电感电感的值可根据公式(4)来计算 0.3./,,-/ (4)其中Vc皿为电容放电终止电压，Vm为Boost控制MOS管的压降，I。为平 均放电电流，f为Boost控制频率 电感的峰值电流由公式(5)为确定 30%T' 1 —D(5) Boost控制Mos管Boost控制Mos管需选择导通阻抗低的MOS管。(6) 开关阵列开关阵列可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂电池组静置状态下的均衡方法及系统，该方法在锂电池组静置状态下，在检测到锂电池组电压不一致时，从电压最高的电池向电压最低的电池进行电量传递，其特征在于包括电容充电和电容放电两个部分，电容充电部分中选通电池组中电压最高的电池，由该电池对电容充电；电容放电部分选通电压最低的电池，基于ｂｏｏｓｔ原理，利用电容对所述该电池进行电量补充，重复这两个过程，直至均衡条件不再满足。

【技术特征摘要】
一种锂电池组静置状态下的均衡方法及系统，该方法在锂电池组静置状态下，在检测到锂电池组电压不一致时，从电压最高的电池向电压最低的电池进行电量传递，其特征在于包括电容充电和电容放电两个部分，电容充电部分中选通电池组中电压最高的电池，由该电池对电容充电；电容放电部分选通电压最低的电池，基于boost原理，利用电容对所述该电池进行电量补充，重复这两个过程，直至均衡条件不再满足。2. 权利要求1所述的锂电池组静置状态下的均衡方法，其特征在于所述电容充电部分 中，在电容充电的初期，控制充电电流，并且按照公式(l)<formula>formula see original document page 2</formula>其中F为电容容量，R为充电回路中的等效电阻，UB为电池电压，Uc为电容电 压，Uc。为电容初始电压，UC1为电容充电终止电压，计算电容充电时间，并加以控制，以控制总均衡过程时间。3. 权利要求1所述的锂电池组静置状态下的均衡方法，其特征在于预先设定的均衡启 动条件为电池组中偏压超过了偏压限。4. 权利要求1所述的锂电池组静置状态下的均衡方法，其特征在于所述电容放电部分 中，基于boost原理，随着电容放电时间增加，根据电容与电池的压差，按照公式(2)调 整boost PWM占空比^Lax =1--^(2)Vc电容电压，Vb电池电压通过控制占空比影响放电电流，在电容电压降低至设定的电压下限，停止电容的放电。5. 根据权利要求l-4所述锂电池组静置状态下的均衡方法，其特征在于所述电容为法拉电容。...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙泽，雷晶晶，张金顶，徐少禹，方申，云峰，
申请(专利权)人：北京北方专用车新技术发展有限公司，
类型：发明
国别省市：11[]