一種電池均衡控制裝置及方法與流程

2023-06-16 18:34:06 2

本發明涉及電氣設備及電氣工程領域，具體說涉及一種電池均衡控制裝置及方法。

背景技術：

動力鋰離子電池在使用過程中，為提高其電壓平臺和增大容量，多使用串並聯的方法將多個電池單體組成電池模組。經過一定次數的充放電循環後，電池模組中的電池單體會出現電壓不一致的情況，從而導致充放電異常。例如在充電時某個電池單體過早達到截止電壓導致整組電池無法再繼續充電。最終影響電池模組容量和使用壽命。

在現有技術中，通常採用電池均衡技術來解決上述電池單體的電壓不一致的情況。目前鋰離子電池均衡技術主要分兩種，主動均衡和被動均衡。主動均衡大多使用能量轉移的方法，將單體電壓較高的電池電量轉移到單體電壓較低的電池中。這種方法結構較為複雜，效率較低，成本較高，不易實現。被動均衡則為查找單體電壓較高的單體，對其放電，達到單體電壓一致的目的。這種方法結構簡單，成本較低，容易實現，且可靠性也較高。

然而現有技術中的被動均衡控制策略較為簡單，僅僅將電壓高於某一閥值的電池單體放電，不僅在閥值的選取上沒有充分考慮電池單體的實際情況而且在均衡過程中也未考慮到某些特殊情況的發生，比如過溫、通信丟失等。

因此，針對現有技術中的被動均衡控制策略較為簡單的問題，需要一種新的電池均衡控制裝置及方法以達到更為理想的電池均衡控制效果。

技術實現要素：

針對現有技術中的被動均衡控制策略較為簡單的問題，本發明提供了一種電池均衡控制裝置，所述裝置包含主控板以及從控板，其中：

所述從控板包含電壓採集單元，所述電壓採集單元與電池單體相連，用以獲 取並輸出所述電池單體的單體電壓；

所述主控板包含主均衡控制單元，所述主均衡控制單元與所述裝置內所有從控板上的電壓採集單元相連，以接收所述單體電壓並基於所述單體電壓輸出系統均衡命令；

所述從控板還包含從均衡控制單元，所述從均衡控制單元與位於同一從控板上的所述電壓採集單元以及所述主均衡控制單元相連，用於在所述主控板與所述從控板通信錯誤時基於所述單體電壓輸出單板均衡命令；

所述從控板還包含放電單元，所述放電單元與位於同一從控板上的所述電壓採集單元、所述從均衡控制單元以及相應的所述電池單體相連，用於基於所述系統均衡命令或所述單板均衡命令對所述電池單體進行放電操作。

在一實施例中，所述系統/單板均衡命令包含均衡電壓，所述主/從均衡控制單元包含均衡電壓計算器，所述均衡電壓計算器用於根據所述主/從均衡控制單元接收到的單體電壓按照特定規則計算並輸出所述均衡電壓。

在一實施例中，所述主/從均衡電壓計算器包含：

第一電壓篩選器，用於從所述主/從均衡控制單元接收到的所有單體電壓中篩選出處於正常採集電壓範圍內的單體電壓；

第二電壓篩選器，其與所述第一電壓篩選器相連，用於對所述第一電壓篩選器的輸出做二次篩選，當所述處於正常採集電壓範圍內的單體電壓的電壓個數大於特定值時，從所述處於正常採集電壓範圍內的單體電壓中去掉數值最高的單體電壓以及數值最低的單體電壓並輸出剩下的所述單體電壓；

平均計算器，其與所述第二電壓篩選器相連，用於計算並輸出所述第二電壓篩選器輸出的單體電壓的平均值，所述平均值為所述均衡電壓。

在一實施例中，所述裝置還包含溫度採集單元，所述溫度採集單元用於獲取並輸出所述電池單體的單體溫度和/或所述裝置內特定組件的溫度。

在一實施例中，所述裝置還包含電池狀態判斷單元，其用於判斷並輸出所述電池單體的充放電狀態。

在一實施例中，所述裝置還包含交互模塊，所述交互模塊包含操作單元，所述操作單元與所述主控板和/或所述從控板相連，用於根據用戶操作輸出相應的均衡控制命令從而控制所述主控板和/或所述從控板的詳細工作模式。

在一實施例中，所述交互模塊還包含顯示單元，所述顯示單元用於收集並顯 示所述裝置的相關信息。

本發明還提供了一種電池均衡控制方法，所述方法包含以下步驟：

電池信息採集步驟，獲取連接到電池均衡控制裝置的電池單體的電池信息，所述電池信息包含所述電池單體的單體電壓；

系統均衡命令生成步驟，基於獲取到的所述單體電壓生成並輸出系統均衡命令；

單板均衡命令生成步驟，當所述電池均衡控制裝置中主控板與從控板之間的通信發生錯誤時，基於連接到相應從控板上的電池單體的單體電壓生成並輸出單板均衡命令；

均衡命令執行步驟，基於所述系統均衡命令或所述單板均衡命令對相應的電池單體執行放電操作。

在一實施例中，所述電池信息還包含電池溫度和/或電池充放電狀態，在所述系統均衡命令生成步驟或所述單板均衡命令生成步驟中，基於相應的電池溫度和/或電池充放電狀態生成並輸出所述系統均衡命令或單板均衡命令。

在一實施例中，所述方法還包含均衡模式設定步驟，根據使用者的具體需求設定所述電池均衡控制裝置的工作模式，從而在所述系統均衡命令生成步驟或單板均衡命令生成步驟中基於具體的所述工作模式生成相應的所述系統均衡命令或所述單板均衡命令。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

本發明的電池均衡控制裝置以及方法在進行電池均衡的過程中不僅更加全面的考慮到了電池單體的實際情況，還基於多種意外情況構建了應對措施，從而實現了更為安全有效的電池均衡控制，達到了更為理想的電池均衡控制效果。

本發明的其它特徵或優點將在隨後的說明書中闡述。並且，本發明的部分特徵或優點將通過說明書而變得顯而易見，或者通過實施本發明而被了解。本發明的目的和部分優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的步驟來實現或獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例共同用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是根據本發明一實施例的系統結構簡圖；

圖2是根據本發明一實施例的執行流程圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此本發明的實施人員可以充分理解本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程並依據上述實現過程具體實施本發明。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。

為了獲得更為理想的電池均衡控制效果。本發明公開了一種電池均衡控制裝置，本發明的電池均衡控制裝置使用被動均衡策略(對電壓較高的單體進行放電，使整組電池電壓趨於一致，從而降低電池容量衰減速度，延長使用壽命)並採用了主從分布式結構。

本發明的電池均衡控制裝置包含主控板以及從控板。從控板收集連接到其上的電池單體的信息並輸出給主控板，主控板基於從控板收集到的信息生成並發送相應的均衡命令給從控板，從而對相應的電池單體執行放電操作，達到電池均衡控制的目的。

如圖1所示，本實施例的裝置包含主控板120以及連接到主控板120的2個從控板130和140。從控板130連接到電池單體101、102以及103，從控板140連接到電池單體104、105以及106。

這裡需要說明的是，在本實施例中，裝置包含2個從控板，每個從控板連接3個電池單體。但本發明的裝置中的從控板以及電池單體的數目不限於此。在同一裝置中，主控板可以連接到一個或多個從控板，每個從控板可以連接到一個或多個電池單體。主控板連接的從控板的數目以及從控板連接的電池單體的數目由用戶實際需要以及具體的硬體環境決定。

本實施例的裝置的工作原理是對電池單體中電壓超過特定閾值的電池單體進行放電，從而達到均衡控制的目的。為達到上述目的，從控板130(140)包含電壓採集單元134(144)。電壓採集單元134(144)與電池單體101、102以及103(104、105以及106)相連，用於獲取電池單體的單體電壓。

主控板120包含主均衡控制單元122，電壓採集單元134以及144連接到主 均衡控制單元122並將獲取到的電池單體的單體電壓輸出到主均衡控制單元122。主均衡控制單元122根據接收到的所有電池單體的單體電壓生成並輸出系統均衡命令。在本實施例中，系統均衡命令包含均衡開關命令以及均衡電壓。

從控板130(140)包含放電單元133(143)。放電單元133(143)連接到電壓採集單元134(144)以及相應的電池單體101、102、103(104、105、106)上。放電單元133(143)基於來自主均衡控制單元122的系統均衡命令對相應的電池單體進行放電操作。

在本實施例中，在從控板130(140)上的放電單元133(143)基於開關控制器以及放電電阻構建。放電電阻通過採集線和控制開關與電池單體串聯。控制開關可由開關控制器控制通斷。控制開關接通時電池單體通過放電電阻放電，控制開關斷開時不放電。為防止放電電阻發熱量過大，當同一塊從控板上同時均衡放電的電池單體數大於某一特定數值時(本實施例中設定為6)，則對需要均衡的單體電壓按高低排序，取單體電壓最高的特定數目的(本實施例中設定為6)電池單體進行放電均衡。

在本實施例中，主均衡控制單元122生成的系統均衡命令是針對系統中所有從控板發出的。主控板120以一定時間周期(本實施例中為500毫秒)向從控板130以及140發送系統均衡命令。在實際使用中，主控板120與從控板130(140)之間存在發生通信錯誤的情況。此時相應的從控板(130或140)就不能正常的執行電池均衡操作，從而造成電池電壓不均衡。

在本實施例中，通信錯誤主要考慮以下幾種狀況：

1)系統均衡命令丟失，即一個或多個從控板接收不到系統均衡命令；

2)系統均衡命令錯誤，即從控板接收到的系統均衡命令是錯誤的(格式不完全以致無法執行)

針對上述情況，為了儘量減小通信錯誤對電池均衡控制的影響。本實施例的裝置設定了兩種均衡模式，系統均衡模式以及單板均衡模式。當裝置正常運行時，裝置處於系統均衡模式，即所有的從控板接受系統均衡命令並執行相應的放電操作。當發生系統均衡命令丟失或系統均衡命令錯誤時，相應的從控板(接收不到系統均衡命令或接收到錯誤系統均衡命令的從控板)進入單板均衡模式，對連接到其上的電池單體自主的進行放電操作。

在本實施例中，當從控板超過特定時長(本實施例中設定為5秒)沒有接收 到系統均衡命令時視為系統均衡命令丟失。當從控板在特定時長內(本實施例中設定為5秒)一直接收到錯誤的系統均衡命令使視為系統均衡命令錯誤。

這裡需要指出的是，當從控板發送到主控板的單體電池信息發生錯誤或者無法將單體電池信息發送到主控板時。本實施例的主控板即不會發送系統均衡命令到相應的從控板，此時視為系統均衡命令丟失的情況。

為了實現單板均衡模式，本實施例的從控板130(140)包含從均衡控制單元132(142)，從均衡控制單元132(142)與主均衡控制單元122、放電單元133(143)以及電壓採集單元134(144)相連。當發生系統均衡命令沒有丟失且系統均衡命令沒有錯誤時，從控板上的從均衡控制單元將接收到的系統均衡命令轉發給相應的放電單元。當發生系統均衡命令丟失或系統均衡命令錯誤時，相應的從控板上的從均衡控制單元基於同一從控板上的電壓採集單元獲取的單體電壓生成單板均衡命令。

類似系統均衡命令，單板均衡命令也包含均衡開關命令以及均衡電壓。放電單元133(143)接收到單板均衡命令後，當單板均衡命令中的均衡開關命令為開時，放電單元基於同一塊從控板上電壓採集單元134(144)採集到的所有連接到該從控板的電池單體101、102以及103(104、105以及106)的單體電壓，對所有超過單板均衡命令中的均衡電壓的電池單體進行放電直到其達到均衡電壓。

在電池的正常使用中(充放電過程)以及電池的均衡過程中，電池單體會發熱。不難理解，電池單體過熱會造成整個電池系統的故障。為了儘量避免電池單體過熱，本實施例的裝置構建了溫度監控。在電池單體的溫度超過某一特定閾值(在本實施例中設定為50攝氏度)時不執行放電操作。

為了實現溫度監控，本實施例的裝置包含溫度採集單元160。溫度採集單元160連接到主均衡控制單元122，其監控所有與裝置連接的電池單體的溫度並將溫度數據發送給主均衡控制單元122。主均衡控制單元122基於獲取的溫度數據根據具體的均衡策略生成相應的系統均衡命令。具體到本實施例即是，當電池單體的溫度超過特定閾值時，主均衡控制單元122生成的系統均衡命令中的均衡開關命令被設置為關。

為了在單板均衡模式中也可以實現溫度監控，本實施例的溫度採集單元160還連接到每塊從控板(130以及140)的從均衡控制單元(132以及142)上。從而使得任一從控板(130或140)進入單板均衡模式時可以獲取到相應的電池單 體溫度。當電池單體的溫度超過某一特定閾值時，從均衡控制單元132或142生成的從均衡命令中的均衡開關命令被設置為關。

在本實施例中，為了簡化系統內部結構布局，將溫度採集單元160分為多個部分，每個從控板上構造溫度採集單元160的一部分。每個從控板上的溫度採集單元監控連接到該從控板的電池單體的溫度。

在本實施例中，從控板上的電壓採集單元、溫度採集單元以及放電單元的開關控制器均利用電源管理晶片構造。即每塊從控板上包含一電源管理晶片，在電源管理晶片內構造從控板上的電壓採集單元、溫度採集單元以及放電單元的開關控制器。

考慮到在實際使用中，從控板上的電源管理晶片也會發熱。為了儘可能的避免電源管理晶片過熱，在本實施例中，每個從控板上的電源管理晶片所構造的溫度採集單元還監控自身的電源管理晶片的溫度。當電源管理晶片的溫度超過某一特定閾值(在本實施例中設定為85攝氏度)時，主/從均衡控制單元生成的主/從均衡命令中的均衡開關命令被設置為關。

充電、放電以及空置，正常工作的電池一般為上述三個狀態中的一個，在某些具體應用情況中，在執行均衡操作時需要考慮電池的狀態。例如在電池處於放電狀態時，是無需執行電池均衡(放電)操作的。

考慮到上述情況，本實施例的裝置還包含電池狀態判斷單元150，其用於判斷並輸出電池單體的充放電狀態。在本實施例中，電池狀態判斷單元150連接到主均衡控制單元122以及每一個從均衡控制單元(132或142)。主均衡控制單元122以及從均衡控制單元(132或142)基於來自電池狀態判斷單元150的電池狀態輸出相應的主/從均衡命令(將均衡開關命令設置為開或關)。

本實施例中的電池狀態判斷單元150基於霍爾電流傳感器構建，其通過電流採集來判斷當前電池充放電狀態，當同一狀態持續時間大於特定時間(本實施例中為10秒)時才確認為該狀態，否則認為是原狀態不變。

在本實施例中，放電單元133(143)在主/從均衡命令中的均衡開關命令設置為開時，基於主/從均衡命令中的均衡電壓進行放電操作。具體為，放電單元133(143)基於電壓採集單元134以及144採集到的所有電池單體(101、102、103、104、105以及106)的單體電壓，對所有超過均衡電壓特定數值(本實施例中設定為100毫伏)的電池單體進行放電直到其單體電壓達到均衡電壓。

放電操作是目的是將超過均衡電壓的電池單體的電壓降到均衡電壓從而實現電池電壓的均衡操作。因此均衡電壓的取值直接影響到最終的電池均衡效果。為了達到理想的均衡效果，本發明採用了特殊的均衡電壓計算方法，其具體包含以下步驟：

從用於生成系統/單板均衡命令的對應的電池單體的單體電壓中篩選出處於正常採集電壓範圍(0-5伏)內的單體電壓；

當處於正常採集電壓範圍內的單體電壓的電壓個數大於特定值(本實施例中取5)時，從處於正常採集電壓範圍內的單體電壓中去掉數值最高的單體電壓以及數值最低的單體電壓並計算剩下的單體電壓的平均值，最終定義獲取到的平均值為均衡電壓。

為了實現上述均衡電壓的獲取，本實施例的主(122)/從(132、142)均衡控制單元包含均衡電壓計算器。均衡電壓計算器用於根據主(122)/從(132、142)均衡控制單元接收到的單體電壓按照上述特定規則計算並輸出均衡電壓。

在本實施例中，均衡電壓計算器包含：

第一電壓篩選器，用於從主(122)/從(132、142)均衡控制單元接收到的所有單體電壓中篩選出處於正常採集電壓範圍內的單體電壓；

第二電壓篩選器，其與第一電壓篩選器相連，用於對第一電壓篩選器的輸出做二次篩選，當處於正常採集電壓範圍內的單體電壓的電壓個數大於特定值時，從處於正常採集電壓範圍內的單體電壓中去掉數值最高的單體電壓以及數值最低的單體電壓並輸出剩下的單體電壓；

平均計算器，其與第二電壓篩選器相連，用於計算並輸出第二電壓篩選器輸出的單體電壓的平均值，此平均值即為均衡電壓。

為了適應用戶的不同需要，本實施例的裝置被構造為可以基於用戶需要調整自身的均衡模式。為實現這一功能，本實施例的裝置包含交互模塊110。交互模塊110包含操作單元112，操作單元112與主控板120(主均衡控制單元122)和從控板130以及140(從均衡控制單元132以及142)相連，用於根據用戶操作輸出相應的均衡控制命令從而控制主控板120和從控板130以及140的詳細工作模式。在本實施例中，詳細工作模式包含：與電池單體溫度對應的閾值；與電源管理晶片溫度對應的閾值；以及與電池充放電狀態對應的均衡狀態設定(在電池處於充電/放電/空置狀態下是否可以進行均衡操作)。

操作單元112也可以直接控制主控板120和從控板130以及140的均衡模式的開關。例如直接設定系統均衡模式關閉，那麼此時主/從均衡控制單元生成的系統/單板均衡命令中的均衡開關命令被設置為關。

在本實施例中，主控板120和從控板130以及140之間、主控板120和交互模塊110之間、從控板130以及140和交互模塊110之間均為控制器區域網總線(Controller Area Network，CAN)通信。當然的，在本發明其他實施例中，為簡化系統結構，操作單元112也可只連接到主控板120或採取間接方式連接到從控板130以及140。

這裡需要指出的是，在本實施例中系統/單板均衡命令中的均衡開關命令是可以即時更新的。即系統可以根據實際情況及時改變均衡開關命令從而立即控制放電模塊。例如當放電模塊正在執行放電操作時，如果電源管理晶片或者電池單體過熱則可以通過改變均衡開關命令來立刻終止放電模塊的放電操作。

為了實現本發明的裝置的多種詳細工作模式。在本實施例的主控板120、從控板130以及140中構造有用於保存工作模式的存儲器121、131以及141。存儲器121、131以及141分別與主均衡控制單元122、從均衡控制單元132以及142相連，從而存儲來自操作單元112的均衡控制命令。主均衡控制單元122、從均衡控制單元132以及142正常工作時從存儲器121、131以及141中讀取相應的均衡控制命令。

當需要改變系統工作模式時，可通過操作單元112對存儲器121、131以及141存儲的均衡控制命令進行修改。操作單元112發送均衡控制命令給主均衡控制單元122、從均衡控制單元132以及142。主均衡控制單元122、從均衡控制單元132以及142收到均衡控制命令後將均衡控制命令寫入存儲器121、131以及141。

為防止寫入過程出錯，當寫入完成後將重新讀取該參數，與收到信息比較，若相同則寫入成功，否則寫入失敗。當寫入失敗時，主/從均衡控制單元嘗試進行第二次寫入，若還未寫入成功，則停止寫入動作。主均衡控制單元122、從均衡控制單元132以及142將最終結果上報給交互模塊110。同時若寫入成功，則按照新的工作模式工作，若寫入失敗，則繼續按原工作模式運行。

當裝置的工作模式被設定好後即可進入自主運行狀態，此時交互模塊110可以關閉。在本發明的其他實施例中，系統中的從控板以及主控板可以在構造裝置 時設定固定的工作模式，從而在裝置中可以不構建交互模塊。

為了便於用戶操作，交互模塊110還包含顯示單元111。在本實施例中顯示單元111與主控板120中的主均衡控制單元122相連。其收集並顯示裝置的相關信息。在本實施例中，上述相關信息包含連接到裝置的所有電池單體的信息(單體電壓、電池單體/電源管理晶片溫度或電池狀態)、主/從控板的均衡模式狀態(均衡模式開/關狀態、均衡電壓或溫度閾值)。

綜上，本發明的電池均衡控制裝置在進行電池均衡的過程中不僅更加全面的考慮到了電池單體的實際情況，還基於多種意外情況構建了應對措施，從而實現了更為安全有效的電池均衡控制，達到了更為理想的電池均衡控制效果。

基於本發明的裝置，本發明還提出了一種電池均衡控制方法。下面結合本實施例的系統來詳細描述本發明的方法的執行流程。以下的描述將涉及具體的流程圖，附圖的流程圖中示出的步驟可以在包含諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行。雖然在流程圖中示出了各步驟的邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同於此處的順序執行所示出或描述的步驟。

如圖2所示，不難理解，執行本發明的電池均衡控制方法首先要執行步驟S200，均衡模式設定步驟，根據使用者的具體需求設定電池均衡控制裝置的工作模式。具體到本實施例，即是與電池單體溫度對應的閾值；與電源管理晶片溫度對應的閾值；以及與電池充放電狀態對應的工作設定(在電池處於充電/放電/空置狀態下是否可以進行均衡操作)。更進一步的，在本實施例中，與電池單體溫度對應的閾值為50攝氏度，電源管理晶片溫度對應的閾值為85攝氏度。

接下來就可以執行電池信息採集步驟，獲取連接到電池均衡控制裝置中的從控板上的電池單體的電池信息。在本實施例中，電池信息包含電池單體的單體電壓、電池單體溫度、電源管理晶片溫度以及電池充放電狀態。即步驟S211(溫度採集步驟)、步驟S212(電壓採集步驟)以及步驟S213(充放電狀態判斷步驟)。

然後就可以執行步驟S220，系統均衡命令生成步驟。在本實施例的步驟S220中，按照步驟S200中獲取的工作模式基於連接到電池均衡控制裝置中所有的電池單體的單體電壓、電池溫度以及電池充放電狀態生成並輸出系統均衡命令。

系統均衡命令被發送到從控板後，從控板執行步驟S230，通信錯誤判斷步驟，判斷是否發生通信錯誤。

當步驟S230中判斷發生通信錯誤時，相應的從控板即執行步驟S240，單板 均衡命令生成步驟，按照步驟S200中獲取的工作模式基於連接到相應的從控板的電池單體的單體電壓、電池溫度以及電池充放電狀態生成並輸出單板均衡命令。

最後就可以執行步驟S250，均衡命令執行步驟，基於系統均衡命令或單板均衡命令對相應的電池單體執行放電操作。

綜上，本發明的電池均衡控制裝置以及方法在進行電池均衡的過程中不僅更加全面的考慮到了電池單體的實際情況，還基於多種意外情況構建了應對措施，從而實現了更為安全有效的電池均衡控制，達到了更為理想的電池均衡控制效果。

雖然本發明所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本發明而採用的實施方式，並非用以限定本發明。本發明所述的方法還可有其他多種實施例。在不背離本發明實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變或變形，但這些相應的改變或變形都應屬於本發明的權利要求的保護範圍。