专利名称：基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及到如电动车等各个领域中串联电池组的一种电池动态电量计算方法，和基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充电和均匀放电装置。
背景技术：
蓄电池广泛应用于各个领域，特别是近年来在电动车中，动力电池如锂离子电池、镍氢电池等被视为关键部件之一。对以串联方式工作的这些电池组进行充电时，如何保证充电过程中电池组的快速高效的自动均衡充电，是保证锂离子电池、镍氢电池安全性和可靠性以及充分发挥其效能的一项关键技术。
近年来对串联电池组进行充放电的装置和方法不断改进，以图对串联电池组充电更加快速、高效、节能和自动均衡。例如专利申请号02100307.6的专利说明书公开了一种串联电池组自动均衡充电装置。在该装置中，采用由MOS管和功率电阻构成的放电网络，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同步升高，同时充足，安全可靠，达到串联电池组的自动均衡。但采用功率电阻放电，发热量大，充电器能量利用率不太高。
充好电的电池组(蓄电池)目的是为设备做动力，如做电动车的动力能源。传统的放电方法，是在其中某一个电池达到最小端电压时，整个蓄电池组停止放电，这时其它的电池中还有剩余电量没有释放出来，极大地影响电池组的使用效率。
在已知传统的电池组放电方法，是对串联电池组的整体电压进行监测，不监测各个单体电池的端电压。这种方法简单易行，但由于使用过程中各个单体电池的电量不均匀，长期循环使用，差异会更大，于是电量较小的单体电池的过放电使寿命大大缩短，影响整个电池组的使用。这种放电方法往往设定一个放电终止电压，当监测到串联电池组的电压低于这个设定值时，终止放电。终止电压不能反映电池组中单体电池的电压，所以终止放电时，有些电池出现‘过放电’，有些电池可能还有剩余电量没有使用，电池使用率低。
传统的放电方法均是以电池电压为衡量依据，当电池电压达到一定值时，就停止放电，在不同的使用环境下，如环境温度较高时，电池中可能还有剩余电量没有释放出来，而当温度较低时，就会出现电池‘过放电’现象。对电池造成损害。最新的一项名为《可充蓄电池组输出平衡器》的专利，专利号为00240952.6。当电池组放电时，如单体电池电压低于电压保护点时，该平衡器工作，使电池电压持续稳定在电压保护点上，而其余电池照常放电直至所有电池电压均达到保护点电压。该平衡器认为各个单体电池的电压达到一致，电池组就达到平衡状态是不精确的，事实上电池的电量还要受电池温度、充放电次数、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，电池组充满电时能储存并放出的电量是不同的，充满电时的端电压也是不同的，如低温下电池组能储存的电量较�。渎缡钡亩说缪菇细�。要最大限度地利用电池，就需要充放电装置能在不同的环境下，将电池电量充满，并能将电池中储存的电量全部释放出来供给负载。另外，电池组各个单体电池由于制造工艺等原因，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逐渐增大，影响整个电池组的正常工作，这就要求充放电装置能消除这种差异。使电池组在充放电过程中始终保持均衡状态。
本发明的目的是提供一种与现有技术相比更科学、更充分地利用电池组能量的方法与装置，是以各个单体电池的电量为衡量依据，在充电过程中，当发现电池组中的单体之间电量差异较大，就对电量值较高的单体电池进行适量放电，放出的电量回馈到充放电母线，为电池组辅助充电，实现充电过程的自动均衡；同样在接通负载放电使用过程中，电量多的单体电池通过充放电母线为放电供负载使用或为整个电池组辅助充电，实现放电过程的自动均衡，最终达到真正的电池组高效、安全的自动均衡充放电。
发明内容本发明是一种新型的基于电池动态电量差异补偿的串联电池组自动均衡充放电的方法与装置，按照本发明的方法是，用充放电电流和时间来计算单体电池充放电过程中的动态电量的大�。钡ヌ宓绯刂涞亩缌坎钜旖洗笫保徒械缌烤猓⑶沂贾湛刂频ヌ宓绯囟缌恐翟诔涞缡辈淮笥谧畲蟮缌恐担诜诺缡辈恍∮诹�。
在使用电池前，由大量实验得到电池在不同的使用温度、充放电循环次数、端电压下的初始电量SOC0和最大电量SOCM，可以得到一个初始电量SOC0和最大电量SOCM的数据表，并存储在非易失性存储器(16)中。值得注意的是，这种表格因电池的不同而不同。
充放电开始后，非易失性存储器(16)中存储的数据表、充放电过程控制程序和电量计算方法调入电量计算单元(15)。首先由电量计算单元(15)计算当前使用环境下的最大电量SOCM，和充放电前的电池初始电量值SOC0，计算方法可以采用查表法。
然后再根据充放电流I和时间计算各个单体电池的动态电量SOC，计算公式如下所示，SOC＝SOC0+K1∫I充dt-K2∫(I放+ΔI)dt式中，SOC0是该单体电池初始电量值；I充是充电电流的大�。琄1为小于1的充电系数，K2为大于1的放电系数，K1、K2与电池的种类、工作温度、电池端电压、充放电电流等因素有关，可根据试验确定；I放是放电电流的大�。弧襂充dt是充电电流对时间的积分，∫I放dt是放电电流对时间的积分；ΔI是通过相应的DC/DC�？榉懦龅牡缌鳎姚dt是该电流对时间的积分。
实现该方法的装置包括待充电的串联电池组(1)、电池电压信号实时采集与隔离电路(2)、主控制板(3)、逆变式充电电源(4)、电池电量显示电路(6)、温度传感器(7)、电流传感器(17)、隔离驱动电路(8)、充放电母线(12)、终止放电保护管(13)。在主控制板(3)中设置了非易失性存储器(16)和电量计算单元(15)。其特征在于由DC/DC变换器�？�(11)构成并联的放电网络，每一个DC/DC变换器�？榈氖淙攵擞氪绯刈�(1)的单体电池并联，而�？榱硪欢擞氤浞诺缒赶�(12)相联。DC/DC变换器�？�(11)由隔离驱动电路(8)的输出分别控制。其特征还在于，电量计算方法和一些参数是存储在非易失性存储器(16)中，电量计算单元根据电池的温度、充放电循环次数、端电压来计算电池的最大电量、充电前的初始电量，并且，根据充放电电流和时间来计算充放电过程中的动态电量值。
该装置中待充电的串联电池组可以是锂离子充电电池组，也可以是镍氢电池组等。每个单体电池的容量可以是几百毫安时或几百安时，电池组中单体数量不限。
电池电压信号实时采集与隔离电路通过导线采集每一个单体电池的端电压，经放大处理，光电隔离后送至主控制板。
主控制板由非易失性存储器(16)和电量计算单元(15)及其它逻辑控制电路和接口电路构成。非易失性存储器中存有充放电次数、电池电量计算方法及需要用到的图表和数据；接口电路接收电池电压信号实时采集与隔离电路传来的每一个单体电池的端电压信号、温度传感器传来的电池组的温度信号。电量计算单元执行计算功能，根据上述数据计算电池的最大电量、初始电量和电池的动态电量，逻辑控制电路根据电量计算结果控制充电电源的输出电流和输出电压，并控制充放电过程的自动均衡过程。
充电电源是一种逆变式充电电源，主功率器件采用了IGBT(绝缘门栅极晶体管)�？椋鞯缏酚蒊GBT逆变电路组成，通过对输出电流、电压反�。墒迪侄猿涞绲缭吹氖涑鐾馓匦钥刂疲佣迪侄猿涞绲缌骱统涞绲缪沟目刂�。充电电源的输出电流、电压视电池组的状态决定。
并联的放电回路由DC/DC变换器�？楣钩�。该变换器由逆变电路和脉宽调制电路(PWM)构成，具有较宽的电压输入范围，其输出电流的大小受主控板隔离控制，主控板根据这个单体电池的电量，控制DC/DC变换器�？榈氖涑觯哑涫涑霾⒘谡龅绯刈樯希媒诘绯胤诺缒芰烤蒁C/DC变换后对整体电池组实现辅助充电，可实现能量回收。DC/DC�？榈幕乩〉缌鞯拇笮〖笆奔溆芍骺匕蹇刂�。主控制板的输出信号通过隔离驱动电路(8)送至脉宽调制电路，脉宽调制电路根据信号的大小调节主功率开关VT的占空比，调节回馈电流的大小。
DC/DC变换器的逆变电路可以采用单端反激逆变电路或单端正激逆变电路。以单端反激逆变电路为例，是由主功率开关管、中频变压器、整流二极管、滤波电容等组成。与其他逆变电路如半桥式或全桥式相比，这种电路具有体积小、元器件少等特点。
脉宽调制电路(PWM)是在工作频率不变的情况下，通过改变功率开关器件的导通时间或截止时间来改变占空比，从而调节DC/DC变换器�？槭涑龅缌鞯拇笮�。
电池电量显示电路，显示各个单体电池的电量，数码管或液晶显示器显示。
具体充电程序如下充电过程开始后，根据温度传感器传送的温度信号和存储在非易失性存储器中的该电池组充放电循环次数，由电量计算单元计算该各单体电池在当前环境下使用的最大电量SOCM，然后采集各个单体电池的端电压信号，计算各个单体电池在充放电前的初始电量值SOC0，充电过程中，采集充放电电流信号，计算各个单体电池的动态电量SOC值，比较动态电量SOC与SOCM的大小。当动态电量SOC小于SOCM的情况下，就可以进行充电操作，所有单体电池的动态电量SOC都等于SOCM时，停止充电操作。
在充电的整个过程中，当发现单体电池之间的电量差异大于设定值，就进行电量均衡化过程。电量均衡化过程如下所述，主控板控制相应的DC/DC变换器模块对电量较高的单体电池的进行微量放电，所放出的电流经充放电母线回馈至电池组，为电池组辅助充电。保证串联电池组中电池的电量同步上升，最终同时充电到最高电量SOCM，从而实现电池组均衡充电。
本发明充电过程中，电池组的各个单体电池电量同步上升，实现了电池组的均衡化，同时充电过程始终保持较高的充电电流，充电速度高。充电过程实现了智能化和自动化。
均匀放电过程如下所述，当接通负载，电池组通过充放电母线将电流输出至负载，根据电量计算单元计算得到的各个单体电池电量的大�。狈⑾值绯刂械ヌ宓绯丶涞亩缌坎钜旖洗笫保涂刂葡嘤Φ腄C/DC�？槭沟缌拷细叩牡ヌ宓绯胤诺纾诺绲缌魍ü浞诺缒赶呋乩≈恋绯刈榛蚬└涸厥褂茫沟缌拷隙嗟牡ヌ宓绯囟喾诺纾锏降绯刈榉诺绻讨械淖远然５奔觳獾降绯刈樗械绯氐牡缌烤悖虺鱿值绯囟说缪沟陀诒；さ缪故保骺匕蹇刂品诺绫；す�(13)断开，停止放电。
该发明的特点(1)由电量计算单元根据非易失性存储器中的公式和图表以及采集电路得到的温度、充放电循环次数、电池端电压等计算电池的最大电量、充放电前的初始电量，再根据电池的充放电电流和时间计算电池的动态电量。(2)充电过程中采用DC/DC变换器�？槎远缌恐到细叩牡ヌ宓绯亟惺柿糠诺纾沟绯刈橹械母鞲龅ヌ宓绯氐牡缌客缴撸背渥悖锏酱绯刈榈淖远�。(3)充电过程中，对高于平均电量的单体电池放电的同时，充电过程继续进行。(4)对单体电池进行放电时，利用DC/DC变换器，将放电能量回收利用给其他电池的充电，能源利用率高。(5)接通负载放电的过程中也采用同一DC/DC变换器�？槎缘缌拷隙嗟牡ヌ宓绯赝ü浞诺缒赶叻诺绻└涸厥褂没蛭龅绯刈槌涞纾缘缌拷仙俚牡绯亟胁钩�。实现动态过程中电池组电量的均衡。这既可防止个别电池“过放电”，又可充分利用电池组的能量。
图1是现有技术中带有由MOS管和功率电阻构成的放电网络的串联电池组自动均衡充电装置的电路框图；图2是图3中DC/DC变换器�？�11的具体电路图。是由单端反激逆变电路和脉宽调制电路组成。图中T为中频变压器，C为滤波电容，VD为二极管，VT为功率开关器件。
图3是本发明一种基于电池动态电量差异补偿的串联电池组自动均衡充放电方法与装置的电路框图；图4是某种锂离子电池均衡充电过程流程图。
图5是某种锂离子电池均匀放电过程流程图。
在表示现有技术串联电池组自动均衡充电装置电路框图的图1中，由逆变式充电电源(4)直接对串联电池组(1)进行充电，电池电压信号实时采集与隔离电路(2)接收每一个单体电池的端电压信号，并把这些信号传给主控制板(3)，主控制板(3)还接收温度传感器(7)传来的电池组的温度信号，控制逆变式充电电源(4)的输出电流和输出电压，并通过隔离驱动电路(8)控制由MOS管和功率电组构成的放电网络(5)对端电压值较高的单体电池进行适量放电，同时还通过电池电压巡检与显示电路(6)显示各个单体电池的端电压。
(四)实施例1，待充电的电动车用锂离子动力串联电池组共有84支单体电池�？樽槌桑恐Уヌ宓绯啬？槿萘课�3.6V/100Ah。电池组每个单体两端通过导线连接至电压隔离放大电路(2)和DC/DC变换器�？�(11)，电池组连接在充放电母线上。
开机后，非易失性存储器(16)中存储的数据表、充放电过程控制程序和电量计算方法调入电量计算单元(15)。如温度传感器得到当前温度为25摄氏度，该电池充放电池次数为85，某单体电池的端电压为3.3V，首先由电量计算单元(15)查表得到这支电池在当前工作状态下最大电量SOCM＝96安时，充放电前的初始电量值SOC0＝10安时。
充放电开始后，根据充放电电流传感器17传来的充放电流I信号和时间计算电池的动态电量SOC。
充电过程为开始时，电池的动态电量SOC就等于初始电量10安时，小于该单体电池的最大电量(96安时)，开始阶段可以采用较大的充电电流，可以为30安。充电过程中由主控板对每一节电池的电压、电流和温度进行监测，并由电量计算单元根据上述公式计算每个电池的动态电量SOC值。例如，充电1小时后，计算得到动态电量SOC值最大的一支单体电池等于38安时，而动态电量最小的一支单体电池的电量为34安时，电池组中单体电池电量之间的差异大于设定值时(如设为3安时)，就由主控板(3)通过隔离驱动电路(8)驱动相应的DC/DC变换器�？�(11)对电量较高的单体电池进行微量放电，使其接近于平均电量，充电电流的大小根据SOC值的大小实时控制，在保证每个单体电池的端电压不高于最高单体电池安全端电压(例如4.2V)的前提下，尽可能采用较大的充电电流，以便获得较大的充电速度，对电池组继续充电，保证串联电池组中的电池电量同步上升，最终同时充电到最高电量值SOCM＝96安时，停止充电，实现电池组均衡充电。DC/DC变换器�？槭涑龅姆诺绲缌骰乩≈脸浞诺缒赶呱希绯刈楦ㄖ涞纾迪帜芰炕厥�。
最终充电结果为在不同的环境温度下，以及电池组中出现单体电池性能明显差异的情况下，可以实现每一个单体电池的电量充满。不发生‘过充电’现象。
充电过程稳定可靠。
2，该串联蓄电池组电量差异补偿均匀充放电系统作为放电装置时，电池组每个单体电池两端通过导线连接至电压隔离放大电路2和DC/DC变换器�？�4，隔离放大电路2将电压信号经光电隔离后送至主控制板3。主控制板3中的电量计算单元计算各个单体电池的电量，电池的电量大于零时，电池组的放电电流通过充放电母线12输出至负载14。
本实施例中负载(14)为一种电动车的马达，在放电过程中，负载是变化的。正常行驶时负载电流是10～40安培，电池组通过充放电母线串联输出电流约10～40安培，各单体电池经过DC/DC变换器�？榈氖涑龈萜涞缌坑芍骺刂瓢迦范ǎ�0～0.6安培不等。加速行驶或启动时，负载电流为160～240安培，串联输出的电流为130～240安培，各个单体电池经DC/DC�？榈氖涑鑫�0～1.5安培。无论电动车正常行驶、下坡或停车时，只要电量计算单元发现电池组中单体电池的电量差异超过设定值，如设定为3安时。电池组中的电量较高的几个单体电池通过DC/DC变换器�？槭涑觯涸馗ㄖ┑纾蚪缪狗聪蚣釉诖绯刈榈牧蕉耍畹绯刈槌涞纾玫缌魑�0～1安培，使电量较多的单体电池多放电。实现动态过程中电池组电量的均衡。
随着放电过程的继续，当检测到某一个单体电池的电量为零时，停止相应DC/DC变换器模块的输出，而其他电量不为零的单体电池可以继续通过相应的DC/DC变换器�？榉诺纾⒔蟹诺绻痰木然�。直至电池组中所有的单体电池电量均为零。停止电池组放电，电池组的能量得到充分了利用。
本系统放电的结果是放电过程平稳可靠，电池组的电量得到充分利用，并且没有电池发生‘过放电’现象。
本发明充放电过程中对电池电压、电流、电池的温度等因素进行监测，由主控板的电量计算单元计算电池的动态电量，并以动态电量为依据控制充放电过程的进行。在不损害电池的情况下可以充分利用电池的能量。
充电过程中采用DC/DC变换器�？槎缘缌恐到细叩牡ヌ宓绯亟惺柿糠诺纾沟绯刈橹械母鞲龅ヌ宓绯氐牡缌客缴撸背渥悖锏酱绯刈榈淖远猓踩煽浚岣吡说绯刈榈氖褂眯屎褪倜�。充电过程可以使用较高的充电电流，充电效率高。DC/DC变换器�？榈氖涑龅缌骰乩≈脸浞诺缒赶呶绯刈楦ㄖ涞纾迪帜芰炕厥铡�
本发明在接通负载放电过程中对每个单体电池的电压、温度、电流行监测，根据电量计算单元计算得到的各个单体电池动态电量的大�。ü鼶C/DC变换器模块使电量高的电池多放电，减小单体电池间动态电量的差异，使电池组的电量在放电过程中达到动态地均匀化。既防止了个别电池的‘过放电’，延长了电池使用寿命，又使电池组的能量得到充分利用，效率高。因此，本发明具有很高的应用价值。
权利要求
1.一种基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电方法，其特征在于用充放电电流、时间、电池端电压、电池温度、充放电次数等计算单体电池充放电过程中的动态电量的大�。钡ヌ宓绯刂涞亩缌坎钜旖洗笫保徒谐浞诺绲木夤蹋⑶沂贾湛刂频ヌ宓绯囟缌恐翟诔涞缡辈淮笥谧畲蟮缌恐担诺缡辈恍∮诹�。
2.基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电装置，它包括待充放电的串联电池组(1)、电池电压信号采集与隔离电路(2)、主控制电路板(3)、逆变式充电电源(4)、电量显示电路(6)、温度传感器(7)、隔离驱动电路(8)，充放电母线(12)；其特征在于与串联电池组(1)中的每一个单体电池相并联的是由DC/DC变换器�？�(11)构成的放电网络，DC/DC变换器�？�(11)的输入端连接相应的单体电池，控制端连接隔离驱动电路(8)，输出端联接在充放电母线(12)上。
3.根据权利要求2所述的一种基于电池动态电量差异补偿自动均衡充放电装置，其特征在于主控制板(3)含有非易失性存储器(16)及电量计算单元(15)，在非易失性存储器(16)内存储有数据表、计算公式、充放电过程控制程序及电量计算方法等。
4.根据权利要求2所述的一种基于电池动态电量差异补偿自动均衡充放电装置，其特征在于DC/DC变换器�？槭怯赡姹涞缏泛吐龀宓髦频缏�(PWM)构成。
5.根据权利要求4所述的DC/DC变换器�？椋涮卣髟谟贒C/DC变换器�？橹械哪姹涞缏凡捎玫ザ朔醇つ姹涞缏坊虻ザ苏つ姹涞缏�。
全文摘要
本发明公开了一种基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电方法与装置，用充放电电流、时间、电池温度、电池端电压、充放电次数来计算单体电池充放电过程中的动态电量和最高电量的大�。远缌课谰荩词迪值绯卦诔涞缡弊远獾姆椒ǎ渥爸冒ǔ浞诺绲拇绯刈�(1)、电池电压信号采集与隔离电路(2)、主控制电路板(3)、逆变式充电电源(4)、电量显示电路(6)、温度传感器(7)、隔离驱动电路(8)、DC/DC变换器�？�(11)、充放电母线(12)；在主控制电路板(3)内设有电量计算单元(15)和非易失性存储器(16)，在非易失性存储器(16)内储存了计算公式、数据表、充放电过程控制程序和电量计算方法等。
文档编号G01R31/36GK1402375SQ0211642
公开日2003年3月12日 申请日期2002年4月4日 优先权日2002年4月4日
发明者齐铂金, 吴红杰, 宫学庚, 冯涌波, 郑敏信 申请人:北京航空航天大学
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