鋰離子電池組靜置狀態下的主動均衡方法
2023-06-08 18:44:21
專利名稱：：鋰離子電池組靜置狀態下的主動均衡方法
技術領域：
：本發明涉及一種串聯鋰離子在靜置狀態下的電池組電壓均衡方法，可以用於大容量動力串聯鋰離子電池組的電壓均衡。
背景技術：
：鋰離子電池以下簡稱鋰電池是一種具有高能量密度、高工作電壓、無記憶效應、循環壽命長、無汙染、重量輕、自放電小的電池，目前廣泛應用於各行各業。由於鋰電池的工作電壓一般在2.54.2V左右(不同材料的鋰電池有所不同)，實際應用中需要將幾隻、幾十隻甚至幾百隻單體鋰電池串聯起來，以提高工作電壓。但是由於鋰電池生產工藝的限制，鋰電池單體之間存在容量、電壓、內阻及自放電率等不一致，即使在同一批次的電池中也會存在差異。在實際使用中，這種差異會嚴重影響鋰電池的使用壽命，所以有必要對串聯鋰電池組以下簡稱鋰電池組進行均衡管理。目前，鋰電池組均衡方法主要有兩種被動均衡和主動均衡。被動均衡主要是在充電過程通過均衡電阻給電壓高的單體電池放電，使整組電池的電壓達到一致。這種方法的缺點在於浪費能源，且由於放電電流的限制，不適合於大容量的鋰電池組。主動均衡方法有電感和電容兩種電量轉移方式，電感轉移方式中使用最多的是基於Boost/buck的電感均衡，這種方式在相鄰電池之間進行電量傳遞，電量從電壓高的電池轉移到電壓低的電池，電量傳遞的效率可以達到80%以上。這種方式的缺點在於只能在相鄰鋰電池之間進行電量傳遞，對於非相鄰鋰電池需進行多次電量傳遞，才能達到均衡的目的，這極大的降低了電量傳遞效率。而且由於單個均衡模塊只能對兩個相鄰電池進行均衡，那麼對於多串鋰電池組，則需要多個均衡模塊，這也極大的增加了系統的複雜性。電容轉移方式由於鋰電池組中電壓差異在幾毫伏和幾十毫之間，單次轉移的電量極少，所以這種方式的轉移效率也是非常低。
發明內容為了解決上述所存在的問題，本發明提供了一種新的主動均衡方法，該技術結合了電感和電容的電量轉移技術，可對鋰電池組中的任意兩節電池進行電量傳移，且單次轉移的電量要比傳統純電容方式要高的多。在本技術說明書中，將鋰電池組中單體電池電壓偏離平均電壓的值定義為偏壓。鋰電池組中任何電池的偏壓高於一定的值，則定義鋰電池組為不一致，需要對鋰電池組進行均衡，而這個值則定義為偏壓限。本發明主要包括了以下幾個部分電壓檢測單元、開關陣列、法拉電容、電容控制單元以及主控單元。電壓檢測單元用於檢測鋰電池組中各個單體的電壓；開關陣列用於鋰電池組中不同電池的選通；法拉電容作為電量轉移的中間介質；電容控制單元用於控制法拉電容的充放電過程；主控單元通過控制開關陣列、法拉電容、電容控制單元，對整個均衡過程進行控制。電容控制單元包括電容充電控制MOS管、電容電壓檢測4單元、Boost控制MOS管、Boost電感以及相關開關的驅動機構。電容充電控制MOS管為控制電容的充放電的操作機構，同時MOS管的寄生二極體也作為Boost續流二極體；電容電壓檢測單元檢測電容電壓並傳遞給主控單元，為Boost的佔空比的設置提供依據；Boost控制MOS管、Boost電感及電容充電控制MOS管的寄生二極體構成一個完整的Boost升壓電路，通過Boost升壓電路使電容給電池充電。本均衡方法工作過程可分為以下幾個過程首先電壓檢測單元檢測鋰電池組單體電池的電壓，主控單元根據單體電池的電壓判斷鋰電池組是否滿足啟動均衡裝置，如果滿足即啟動均衡裝置，從電壓最高的電池向電壓最低的電池進行電量傳遞。電量傳遞可分為兩個部分l)電容充電部分，首先開關陣列選通電壓高的電池，然後打開電容充電控制MOS管，由電池給電容充電。電容充電控制MOS管嚴格控制充電電流，在電容電壓達到預設值時，關閉電容充電控制MOS管，同時關閉開關陣列對電池的選通。2)電容放電部分，首先開關陣列選通電壓低的電池，通過電容控制單元中的Boost升壓電路使電容給電池充電，在這個過程中，主控單元根據電容電壓調整Boost控制MOS管控制信號的佔空比，在電容電壓下降到設定的放電終止電壓，停止電容放電。重複這兩個過程，直到均衡條件不再滿足。本均衡方法的要點在於開關陣列、電容充放電區間的控制及Boost控制MOS控制信號佔空比的控制。開關陣列要求在對某一電池均衡時，不影響其他電池，由於在本技術方案中儲能器件是法拉電容，單次傳遞的能量高，電容充放電的時間較長(具體根據電容的容量和均衡電流的大小)，所以開關的頻率比較低，可以使用雙通道繼電器做開關陣列，且開關陣列是在無負載情況下進行開關動作，不必考慮繼電器的壽命對均衡電路的影響。在電容充電初期，電容與電池的壓差比較大，此時需要對充電電流進行控制，可以調整電容充電控制MOS管的柵級電壓達到控制電流的目的。在電容充電末期，隨著電容與電池電壓的接近，電流隨之減小，在實際情況中，由於充電迴路中存在開關導通阻抗以及電容本身直流等效內阻，無法在較短的時間內把電容電壓充到與電池電壓一致。實驗證明，3.8V的電池給初始電壓為0的20F的法拉電容充電時，如果充電迴路中如果存在200mQ的阻抗，且不控制充電電流，電容從0V充至3.0V需要6秒，充至3.7V需要15秒。電容充電時間的計算可以根據公式(l)來計算。所以適當減小電容充電終止電壓可以極大地減少充電時間，《4i1/=丘-^.-rfC/￡(l)其中F為電容容量、R為充電迴路中的等效電阻、Ue為電池電壓、Uc為電容電壓。Uc。為電容初始電壓、Ua為電容充電終止電壓Boost控制MOS管控制信號的佔空比直接影響電容放電電流和均衡效率。控制信號的佔空比可以根據公式(2)來計算。在電容放電初期，電容電壓低於被均衡電池的電壓，且兩者差異比較小，此時需要比較低的佔空比，而隨著Z)max=1--S二))Vc5電容電壓，Vb電池電壓電容放電時間的增加，電容的電壓與電池的壓差越來越大，此時如果不調整佔空比，放電電流會降低，從而造成放電時間增加。這時可以根據公式(2)實時調整佔空比，把放電電流控制在一定的範圍內。在電容電壓降低到設定的電容放電終止電壓停止電容的放電。本技術方案中一些關鍵參數的設置及元器件的選擇(l)法拉電容法拉電容的容量影響單次傳遞的電量，單次傳遞的電量可由公式來計算。C=(UC1-UC。)F(3)其中UC1為充電終止電壓，Uc。為放電終止電壓兩個電壓的差值越大，單次傳遞的電量越大(2)電容放電終止電壓Uc。由於法拉電容本身的特性及放電效率的考慮，Uc。可設置為2V。(3)電容充電終止電壓UC1:UC1設置為給電容充電電池電壓的值減去0.3。這樣既保證了單次轉移的電量，同時也減少了電容的充電時間。比如給電容充電電池的電壓為3.8V，可以把Ud設為3.5V，根據公式l計算，電容從2V充至2.5V所需的時間為7.2秒。(4)電感電感的值可根據公式(4)來計算0.3./,,-/(4)其中Vc皿為電容放電終止電壓，Vm為Boost控制MOS管的壓降，I。為平均放電電流，f為Boost控制頻率電感的峰值電流由公式(5)為確定30%T"'1—D(5)Boost控制Mos管Boost控制Mos管需選擇導通阻抗低的MOS管。(6)開關陣列開關陣列可以使用小型雙通道繼電器。本技術方案可以用於鋰電池組0.2C以下的小電流放電、恆流充電和靜置三種情況下的均衡。l)小電流放電在本技術說明中，小電流放電的定義為0.2C以下，且放電電流波動較小的放電。在小電流放電過程中，可以設置一個偏壓限，當電池組的某一單體電壓偏離電池組的平均電壓超過偏壓限時，啟動均衡裝置，從電壓高的電池到電壓低的電池進行電量傳遞。2)靜置均衡在靜置情況下，由於降低能耗等方面考慮，電池管理系統在絕大部分時間處於休眠狀態，只是周期性的對鋰電池組電壓進行檢測，周期可以設為一個小時或者半個小時，當檢測到鋰電池組中任何一個電池的偏壓超過偏壓限時，啟動均衡裝置，直到電池組的電壓基本一致，則停止均衡。3)恆流充電鋰電池組的充電可以分為快充和慢充兩種模式。在快充模式中，不進行均衡，其中任何一個電池達到限充電壓，整個電池組充電結束。在慢充模式中，電池組充電過程可分為恆流和恆壓兩個過程，本技術只工作在恆流充電過程中，其均衡策略有兩種。策略1:在鋰電池放電截止電壓和充電截止電壓之間設幾個電壓檢查點，把充電截止電壓設為最後一個電壓檢查點。當其中任何一個電池達到電壓檢查點時，檢查電池組是否滿足均衡條件，如果滿足，則停止充電，或者以小電流進行恆流充電，啟動均衡裝置進行均衡，從電壓較高的電池到電壓較低的電池進行電量傳遞，在一定時間後，電壓達到一致，再以大電流恆流充電。當電池組中某一電池電壓達到最後一個電壓檢測點(即充電截止電壓)時，如果電池組存在不一致的話，肯定有電池的電壓未達到截止電壓，從高到低進行電量轉移，如果電壓相差不是太多的話，均衡完成後，整個電池組的電池電壓均在截止電壓附近，我們或者可以對電池組進行恆流補充電，或者直接對電池組進行恆壓充電。策略2:同前面兩種情況，在鋰電池組的恆流充電過程中，實時對電池的電壓進行監測，當檢測到某一電池的偏壓達到偏壓限時，停止充電或者以小電流恆流充電，啟動均衡裝置，待鋰電池組電壓達到一致再以大電流恆流充電。當鋰電池組中任何一個電池達到截止電壓時，停止恆流充電，啟動均衡裝置使電池組電壓達到一致，然後對鋰電池組進行補充電，直到鋰電池組的電池均達到截止電壓，最後進行恆壓充電。與現有的技術相比，本發明具有以下特點(l)控制靈活，本技術可以對電池組中任意兩節電池進行電量傳遞，而傳統的電感均衡方法只能在相鄰的電池之間進行電量傳遞。(2)電量轉移效率高，單次綜合電量傳遞的效率可達到84%，而且對於非相鄰的兩節電池不需要進行多次能量傳遞。(3)由於採用了大容量的法拉電容，且電容放電的深度大，所以單次轉移的電量高。附圖1是均衡管理系統的構成示意圖附圖2是電容控制單元的構成圖具體實施例方式以下結合附圖綜合描述本發明的實施例。如圖1所示，一個完整的鋰電池均衡管理系統(注僅僅指均衡管理系統，而非通常意義上的鋰電池組管理系統)應包括以下幾個部分開關陣列1、電容控制單元2、法拉電容3、相關的驅動機構4、主控單元5及電壓檢測單元6。如圖2所示，電容控制單元主要包括以下幾個部分電容充電控制MOS管1、Boost電感2、電容電壓檢測單元3及Boost控制MOS管5。實施方案1:6串鋰電池組充電過程中的均衡元器件及參數的設定1)電容的放電電流為2A，放電終止電壓為2V，充電終止電壓為電池電壓值減去0.3的值。根據公式(l)計算，當電池電壓為3.8V時，電容充電終止電壓為3.5V，此時電容充電時間為7.2s，充電平均電流為4.1A。2)法拉電容選擇兩個20F串聯的法拉電容模塊，耐壓在5.4V左右。3)電感根據公式4和公式5，選擇電感量為330iiH且通過4.5A以上電流不會飽和的電感器。4)Boost控制頻率設定為2kHz。5)電容充電控制MOS管和Boost控制MOS管選擇P型MOS管，型號為IRML6401。電容容量為8Ah，充電截止電壓為4.2V，電池組初始電壓為19.382V。充電過程中對電池電壓進行採樣的周期為l分鐘。電池組的電壓檢查點為3.5、4、4.2，且偏壓限設為20mV。均衡策略採用充電過程中均衡的策略l:tableseeoriginaldocumentpage8實施方案2:小電流放電過程中的均衡元器件及參數的設定1)電容的放電電流為2A，放電終止電壓為2V，充電終止電壓為電池電壓值減去0.3的值。根據公式(l)計算，當電池電壓為3.8V時，電容充電終止電壓為3.5V，此時電容充電時間為7.2s，充電平均電流為4.1A。2)法拉電容選擇兩個20F串聯的法拉電容模塊，耐壓在5.4V左右。3)電感根據公式4和公式5，選擇電感量為330iiH且通過4.5A以上電流不會飽和的電感器。4)Boost控制頻率設定為2kHz。5)電容充電控制MOS管和Boost控制MOS管選擇P型MOS管，型號為IRML6401。電容容量為8Ah，電池組初始電壓為22.551V。在小電流放電電流為1A，放電過程中對電池電壓進行採樣的周期為l分鐘，電池放電終止電壓為3.2V，且偏壓限設為20mV。tableseeoriginaldocumentpage8實施方案3:靜置過程中的均衡元器件及參數的設定1)電容的放電電流為2A，放電終止電壓為2V，充電終止電壓為電池電壓值減去0.3的值。根據公式(l)計算，當電池電壓為3.8V時，電容充電終止電壓為3.5V，此時電容充電時間為7.2s，充電平均電流為4.1A。2)法拉電容選擇兩個20F串聯的法拉電容模塊，耐壓在5.4V左右。3)電感根據公式4和公式5，選擇電感量為330iiH且通過4.5A以上電流不會飽和的電感器。4)Boost控制頻率設定為2kHz。5)電容充電控制MOS管和Boost控制MOS管選擇P型MOS管，型號為IRML6401。電容容量為8Ah，電池組初始電壓為21.892V。靜置情況下對電池電壓進行採樣的周期為1小時。且偏壓限設為20mV。tableseeoriginaldocumentpage9權利要求一種鋰電池組靜置狀態下的均衡方法及系統，該方法在鋰電池組靜置狀態下，在檢測到鋰電池組電壓不一致時，從電壓最高的電池向電壓最低的電池進行電量傳遞，其特徵在於包括電容充電和電容放電兩個部分，電容充電部分中選通電池組中電壓最高的電池，由該電池對電容充電；電容放電部分選通電壓最低的電池，基於boost原理，利用電容對所述該電池進行電量補充，重複這兩個過程，直至均衡條件不再滿足。2.權利要求1所述的鋰電池組靜置狀態下的均衡方法，其特徵在於所述電容充電部分中，在電容充電的初期，控制充電電流，並且按照公式(l)formulaseeoriginaldocumentpage2其中F為電容容量，R為充電迴路中的等效電阻，UB為電池電壓，Uc為電容電壓，Uc。為電容初始電壓，UC1為電容充電終止電壓，計算電容充電時間，並加以控制，以控制總均衡過程時間。3.權利要求1所述的鋰電池組靜置狀態下的均衡方法，其特徵在於預先設定的均衡啟動條件為電池組中偏壓超過了偏壓限。4.權利要求1所述的鋰電池組靜置狀態下的均衡方法，其特徵在於所述電容放電部分中，基於boost原理，隨著電容放電時間增加，根據電容與電池的壓差，按照公式(2)調整boostPWM佔空比^Lax=1--^(2)Vc電容電壓，Vb電池電壓通過控制佔空比影響放電電流，在電容電壓降低至設定的電壓下限，停止電容的放電。5.根據權利要求l-4所述鋰電池組靜置狀態下的均衡方法，其特徵在於所述電容為法拉電容。6.根據權利要求5所述鋰電池組靜置狀態下的均衡方法，其特徵在於電容的充電終止電壓為電池電壓值減去0.3的值，電容放電終止電壓為2V。7.根據權利要求6所述鋰電池組靜置狀態下的均衡方法，其特徵在於所述電壓最高的電池和電壓最低的電池在電池組中排列的位置彼此相鄰或者不相鄰。8.—種按照權利要求1-7所述鋰電池組靜置狀態下的均衡方法對鋰電池組進行均衡的系統，由開關陣列、法拉電容、電容控制單元以及主控單元組成，開關陣列用於鋰電池組中不同電池的選通；法拉電容作為電量轉移的中間介質；電容控制單元控制電容充放電過程；主控單元通過控制開關陣列、法拉電容和電容控制單元，對整個均衡過程進行控制。9.權利要求8所述系統，其特徵在於開關陣列用於選通電壓最高的電池為電容充電，和選通電壓最低的電池為其進行電量補充。10.權利要求8或9所述系統，其特徵在於電容控制單元包括電容充電控制MOS管、電容電壓檢測單元、Boost控制MOS管、Boost電感以及相關開關的驅動機構。電容充電控制MOS管為控制電容的充放電的操作機構，同時MOS管的寄生二極體也作為B00St續流二極體；電容電壓檢測單元檢測電容電壓並傳遞給主控單元，為b00St的佔空比的設置提供依據；boost控制MOS管、Boost電感及電容充電控制MOS管的寄生二極體構成一個完整的Boost升壓電路，通過Boost升壓電路使電容給電池充電。11.權利要求10所述系統，其特徵在於使用雙通道繼電器做開關陣列。12.權利要求8-10所述系統，其特徵在於所述電容為法拉電容。全文摘要本發明公開了一種鋰電池組主動均衡方法，該技術基於boost技術和法拉電容，該技術可用於大容量的串聯鋰電池組靜置時的電壓均衡。傳統的主動均衡技術存在電量傳遞效率及控制複雜等問題。本技術發明結合了電感和電容的電量轉移技術，可以對鋰離子電池組中任何兩個電池進行電量傳遞，達到鋰離子電池組電壓均衡的目的，且綜合效率可以達到84％左右。本技術發明具體控制靈活和電量轉移效率高等特點。文檔編號H01M10/44GK101692508SQ20091017666公開日2010年4月7日申請日期2009年9月25日優先權日2009年9月25日發明者雲峰,張金頂,徐少禹,方申,雷晶晶,龍澤申請人:北京北方專用車新技術發展有限公司