一种锂电池主动均衡装置及方法与流程

1.本发明涉及一种锂电池主动均衡装置及方法，属于车辆辅助装备的供电技术领域。


背景技术：

2.锂电池单体之间存在不同的特性，把这种差异叫做电池单体的不一致性。而各电池单体在不同条件下不断重复充放电的情况下，会使锂电池组的健康状况变差，电池单体之间的差异性变化更大，直接导致锂电池组的实际可用容量和循环使用次数大大缩减，正常容量电池的实际使用效率较低不能被充分利用，更有可能引起电池使用过程中温度过高造成严重安全事故的发生。
3.目前解决电池单体不一致的方法是被动均衡，而被动均衡是在电池已经不一致了才去控制，这种方法无法提前获取电池信息，实现提前均衡。
4.可见，为解决上述被动均衡无法提前获取电池信息、实现提前均衡的问题，亟需一种锂电池主动均衡装置及方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种锂电池主动均衡装置及方法，通过数据采集模块对锂电池组的数据进行采集，并通过通讯模块将数据传输给数据处理模块，数据处理模块根据数据采集模块采集的数据，并根据采集的数据制定主动均衡策略和输出均衡控制指令，以通过均衡控制模块将容量高的单体电池能量转移到容量低的单体电池能量中，实现拉高补低的均衡效果，解决了被动均衡无法提前获取电池信息、实现提前均衡的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：第一方面，本发明提供了一种锂电池主动均衡装置，包括锂电池组、数据采集模块、数据处理模块、均衡控制模块和通讯模块；所述数据采集模块，用于采集锂电池组的数据，并通过通讯模块传输给数据处理模块；所述数据处理模块，用于处理数据采集模块采集的数据，并根据采集的数据制定主动均衡策略和输出均衡控制指令；所述均衡控制模块，用于根据数据处理模块所制定的主动均衡策略和输出的均衡控制指令，将锂电池组中容量高的单体电池能量转移到容量低的单体电池中。
7.进一步的，所述锂电池组至少包括两个电池单体。
8.进一步的，所述数据采集模块包括电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块，用于采集锂电池组的电压、电流与温度信息，并将采集到的数据信号转换为模拟信号输入到数据处理模块中。
9.进一步的，所述均衡控制模块包括均衡主回路和均衡驱动电路；
所述均衡控制模块通过均衡主回路将锂电池组中容量高的单体电池能量转移到容量低的单体电池中；所述均衡驱动电路用于向均衡主回路输出控制信号。
10.进一步的，所述均衡主回路包括均衡电池、均衡电路、切换开关、开关网络和场效应管；所述均衡电池用于锂电池组中单体电池容量的拉高或补低，所述开关网络通过切换开关与均衡电池或均衡电路相连接，所述均衡电路用于降低回路中的压降，所述场效应管用于调节均衡电路输出电流的大小；所述均衡驱动电路用于控制均衡主回路的开关网络中开关的开闭、切换开关的状态以及场效应管的导通与关闭。
11.进一步的，所述均衡主回路还包括保护网络，所述保护网络串联于开关网络与电池组之间，用于避免因开关失效而导致的锂电池组内电池短路。
12.进一步的，所述均衡驱动电路包括光耦、场效应管、稳压二极管、电阻r和电阻rs，所述电阻r串接于数据处理模块与光耦之间，所述电阻rs串接于光耦与场效应管之间；当数据处理模块的i/o引脚的电平为有效电平时，光耦的输出端导通，为场效应管的栅极提供电流，场效应管的漏极与源极导通，并与开关网络、锂电池组及地形成导电回路；所述稳压二极管用于保护场效应管。
13.第二方面，本发明提供了一种锂电池主动均衡控制方法，包括以下步骤，以锂电池组内荷电状态的均值及单体电池间荷电状态的差值为标准，判断锂电池组内所需均衡电流的大小；将pid算法与模糊控制算法结合，根据荷电状态均值与荷电状态差值，动态调节pid参数；基于动态调节的pid参数，控制均衡控制模块中开关的占空比，调节均衡电流的大小和时间。
14.进一步的，所述锂电池组内所需均衡电流的大小的判断方法包括以下步骤，判断荷电状态均值所在的区间，根据判断的荷电状态均值所在的区间，确定单体电池可承受均衡电流的大小；确定单体电池间荷电状态的差值，根据差值的大小，确定所使用均衡电流的大小。
15.进一步的，所述pid参数的动态调节方法包括以下步骤，将模糊控制算法中的e以及ec作为模糊控制算法的输入量；根据荷电状态均值与荷电状态差值在均衡时实时变化的值，确定合适的比例增益、积分增益、微分增益。
16.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明提供的锂电池主动均衡装置及方法，通过数据采集模块对锂电池组的数据进行采集，并通过通讯模块将数据传输给数据处理模块，数据处理模块根据数据采集模块采集的数据，并根据采集的数据制定主动均衡策略和输出均衡控制指令，以通过均衡控制模块将容量高的单体电池能量转移到容量低的单体电池能量中，实现拉高补低的均衡效果；本发明提供的锂电池主动均衡装置及方法，为提高锂电池主动均衡时的安全性，
均衡主回路处设置有保护网络，保护网络串联于开关网络与电池组之间，用于避免因开关失效而导致的锂电池组内电池短路；本发明提供的锂电池主动均衡装置及方法，通过将 pid 算法与模糊控制算法结合，通过对两种算法的结合使用，发挥了两者的优势，模糊控制适用于整体系统控制，pid 算法中的积分能有效克服模糊算法中存在偏差的不足。通过动态调节pid 参数，控制均衡电路中开关管（即场效应管）的占空比，进而调节均衡电流的大小和时间，有效的缩减了均衡时间。
附图说明
17.图1是本发明实施例一提供的一种锂电池主动均衡控制装置；图2是本发明实施例一提供的一种均衡主回路控制的流程图；图3是本发明实施例一提供的一种均衡主回路的电路图；图4是本发明实施例一提供的一种均衡驱动电路的电路图；图5是本发明实施例二提供的一种锂电池主动均衡控制方法的流程图；图6是本发明实施例二提供的一种锂电池主动均衡控制方法的原理图。
具体实施方式
18.下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
19.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
20.实施例一：如图1-4所示，本发明实施例一提供了一种锂电池主动均衡装置，包括锂电池组、数据采集模块、数据处理模块、均衡控制模块和通讯模块；所述数据采集模块，用于采集锂电池组的数据，并通过通讯模块传输给数据处理模块；所述数据处理模块，用于处理数据采集模块采集的数据，并根据采集的数据制定主动均衡策略和输出均衡控制指令；所述均衡控制模块，用于根据数据处理模块所制定的主动均衡策略和输出的均衡控制指令，将锂电池组中容量高的单体电池能量转移到容量低的单体电池中。
21.在上述技术方案中，数据处理模块可以采用中央处理器，例如stm32单片机，但不限于此，还可以是其它型号的单片机，只要能实现上述功能即可，如：hc32f460；通讯模块可以采用spi总线通信，但不限于此，还可以是其它的传输方式，只要能实现信号的传输即可，如：uart；均衡控制模块可以采用多种控制方式，可以将能量通过电容、电感元件或者电池转换实现在锂电池组、或单体电池间的能量转换。
22.在一些实施例中，为满足不同情况下的实际需求，所述锂电池组至少包括两个电
池单体，但不限于此，可根据实际情况进行调整，当对于电动叉车所用的锂电池组，一般选取4-10个电池单体组成。
23.在一些实施例中，为实现数据采集模块对锂电池组数据的采集，所述数据采集模块包括电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块，用于采集锂电池组的电压、电流与温度信息，并将采集到的数据信号转换为模拟信号输入到数据处理模块中。
24.在一些实施例中，为实现均衡控制模块对锂电池组中单体电池能量的转移，所述均衡控制模块包括均衡主回路和均衡驱动电路；所述均衡控制模块通过均衡主回路将锂电池组中容量高的单体电池能量转移到容量低的单体电池中；所述均衡驱动电路用于向均衡主回路输出控制信号。
25.在一些实施例中，如图3所示，所述均衡主回路包括均衡电池、均衡电路、切换开关、开关网络和场效应管；所述均衡电池用于锂电池组中单体电池容量的拉高或补低，所述开关网络通过切换开关与均衡电池或均衡电路相连接，所述均衡电路用于降低回路中的压降，所述场效应管用于调节均衡电路输出电流的大小；均衡主回路的工作原理是：通过数据处理模块判断锂电池组不一致性的状态，确定均衡方式，确定该采取哪种回路，从而正确控制切换开关的动作以及合理配置mos管的占空比及频率，同时确定需要被均衡的电池号，正确控制开关网络中各开关的开闭，从而给该电池进行补充充电或补充放电。
26.为了实现拉高补低的均衡效果，采取非相邻单体电池之间的能量转移的方式，通过并联额外一节均衡电池的方式实现，通过该额外的一节均衡电池对锂电池组进行拉高或补低；为了提高均衡电流，保证在任何状态下均衡电流均比较大，引入均衡电路，降低回路中开关两端的压降，因此开关网络中的开关采用隔离型的继电器。图3中开关s0~sn、s、st均是属于继电器。
27.值得一提的是，为实现对电池信息的收集，还包括电池管理系统，收集到信息，可以传给仪表，或者上传到电脑，以实现对电池管理。收集的信息可以是单体或者总体电池温度、电池电量；整个电池管理系统的供电电源来自锂电池组，均衡电路采用dc-dc电源模块，通过降压型的dc-dc电源模块将锂电池组总电压转换成5v电压输出，dc-dc电源一方面给电池管理系统的mcu供电，另一方面用于均衡，所以单体电池与电池组之间能量转移的均衡电路使用dc-dc电源模块。
28.在考虑dc-dc电源模块的输出功率的情况下，为防止其输出电流过大而损坏dc-dc电源模块，在其输出回路上串联一个场效应管，并通过调节pwm信号的占空比来调节dc-dc电源模块的输出电流的大小。
29.开关网络中的开关s0~sn可以选用单刀单掷继电器，开关s和切换开关st选用的是双刀双掷继电器，场效应管选用的是pmos管，其过电流能力达到74a，开关频率高。
30.均衡主回路不仅考虑了锂电池主动均衡控制装置的可行性、可靠性及安全性，同时结构简单，控制方式简单。
31.所述均衡驱动电路用于控制均衡主回路的开关网络中开关的开闭、切换开关的状态以及场效应管的导通与关闭，以控制均衡主回路中各开关的开闭和开关时间，控制均衡主回路是否工作和工作时间。
32.在一些实施例中，为提高锂电池主动均衡的安全性，所述均衡主回路还包括保护
网络，所述保护网络串联于开关网络与电池组之间，用于避免因开关失效而导致的锂电池组内电池短路。
33.在一些实施例中，如图4所示，所述均衡驱动电路包括光耦ud、场效应管qn、稳压二极管di、电阻r和电阻rs，所述电阻r串接于数据处理模块与光耦ud之间，所述电阻rs串接于光耦ud与场效应管qn之间；当数据处理模块的i/o引脚的电平为有效电平时，光耦ud的输出端导通，为场效应管qn的栅极提供电流，场效应管qn的漏极与源极导通，并与开关网络、锂电池组及地形成导电回路；具体而言，当驱动信号为有效电平（低电平）时，驱动光耦ud的输出端导通，为场效应管qn的栅极提供电流，使其漏极与源极导通，并与继电器（即开关网络中的开关）线圈、5v及地gndj形成导电回路，从而使继电器的线圈有电流通过，驱动继电器开关闭合。
34.所述稳压二极管di用于保护场效应管qn；稳压二极管di对三级管qn的保护是这样实现的：稳压二极管di为继电器线圈提供一个通路，当驱动信号由低电平变为高电平的瞬间，场效应管qn瞬间断开，线圈会瞬间产生一个很高的反向感应电动势，远大于场效应管qn所能承受的电压，如果没有稳压二极管di为其提供释放通路，则会击穿场效应管qn。
35.场效应管(mos管）是一种单极型电压控制器件，其输入阻抗高，导通电阻小，开关频率高，多用于开关电源中。本实施例所采用mos管驱动电路是通过光耦直接耦合驱动，图4中，qn为pmos管，其导通的条件是源极与栅极之间的电压vsg大于开启电压vt(一般为0.7v左右），当pwm信号为低电平时，光耦输出端导通，将mos管的栅极电位拉低至地gndj，即vsg=5v》vt，mos管导通，相反pwm信号为高电平时，mos管不导通。pwm信号由mcu的i/o引脚输出，通过控制其pwm信号的占空比即可调节mos的导通时间，即可调节主回路中通过mos管的均衡电流。
36.本发明实施例一提供的一种锂电池主动均衡装置，通过数据采集模块对锂电池组的数据进行采集，并通过通讯模块将数据传输给数据处理模块，数据处理模块根据数据采集模块采集的数据，并根据采集的数据制定主动均衡策略和输出均衡控制指令，以通过均衡控制模块将容量高的单体电池能量转移到容量低的单体电池能量中，实现拉高补低的均衡效果；优化了锂电池组中由于各单体电池实际容量不相同，会降低充放电周期的可用容量，并缩短了电池寿命周期的问题；同时为了防止干扰的影响，使驱动电路工作在正常状态时，对驱动电路采用了隔离的措施，减小通断的时间，降低开关管（即场效应管）通断带来的能量损耗，提高均衡电路系统的运行效率以及稳定性。
37.实施例二：如图5-6所示，本发明实施例二提供了一种锂电池主动均衡控制方法，包括以下步骤，以锂电池组内荷电状态的均值及单体电池间荷电状态的差值为标准，判断锂电池组内所需均衡电流的大小；将pid算法与模糊控制算法结合，根据荷电状态均值与荷电状态差值，动态调节pid参数；基于动态调节的pid参数，控制均衡控制模块中开关的占空比，调节均衡电流的大小和时间。
38.在一些实施例中，所述锂电池组内所需均衡电流的大小的判断方法包括以下步
骤，判断荷电状态均值所在的区间，根据判断的荷电状态均值所在的区间，确定单体电池可承受均衡电流的大小；确定单体电池间荷电状态的差值，根据差值的大小，确定所使用均衡电流的大小。
39.具体而言，令单体电池荷电状态的差为soc，电池组荷电状态的均值为；当电池在荷电状态均值为20%到 80%之间时，电池荷电状态的改变对于端电压的影响较小，电池可承受较大的均衡电流。电池荷电状态均值在 20% 以内时，端电压会受到荷电状态的变化较大影响，然而这时端电压较小，也是能够承受均衡大电流。电池荷电状态均值在80%以上时，端电压随电池荷电状态值的变化影响最为剧烈，应使用足够小的均衡电流。当两节电池荷电状态的差值较大时，可以使用较大的均衡电流缩减均衡时间，当差值较小时，使用较小均衡电流保护电路。
40.在一些实施例中，如图6所示，所述pid参数的动态调节方法包括以下步骤，将模糊控制算法中的e以及ec作为模糊控制算法的输入量；根据荷电状态均值与荷电状态差值在均衡时实时变化的值，确定合适的比例增益、积分增益、微分增益。
41.具体而言，比例增益、积分增益和微分增益的确定过程是这样的：在初始状态时，和soc误差大，采用较大的比例增益k
p
，较小的积分增益ki，较小微分增益kd；在和soc接近设定值时，采用较小的比例增益k
p
，积分增益ki应较小或取零，较大的微分增益kd；，在和soc超调时，为了避免过大的均衡电流，使均衡电流快速减小，采用大小合适的比例增益k
p
，较大微分增益kd。
42.本发明实施例二提出了一种锂电池主动均衡方法，通过将 pid 算法与模糊控制算法结合，通过对两种算法的结合使用，发挥了两者的优势，模糊控制适用于整体系统控制，pid 算法中的积分能有效克服模糊算法中存在偏差的不足。通过动态调节pid 参数，控制均衡电路中开关管（即场效应管）的占空比，进而调节均衡电流的大小和时间，有效的缩减了均衡时间。
43.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。