一種串聯蓄電池組均衡系統及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種串聯蓄電池組均衡系統及其控制方法，包括充電變換器、串聯蓄電池組、放電變換器和控制電路；充電變換器給串聯蓄電池組充電，串聯蓄電池組通過放電變換器給負載供電；控制電路獲取串聯蓄電池組中每個蓄電池單元的電壓值，找出電壓上線超值和電壓下限超值蓄電池單元；控制電路控制每個蓄電池單元的旁路開關和斷路開關，使蓄電池單元工作于第一工作狀態或第二工作狀態。控制電路根據串聯蓄電池組中蓄電池單元的狀態數，控制充電變換器的充電電壓和充電電流，使串聯蓄電池組實現均衡充電和均衡放電。本發明的串聯蓄電池組均衡系統及其控制方法耗能少；蓄電池單元可以使用很大容量；電路簡單。
【專利說明】一種串聯蓄電池組均衡系統及其控制方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于串聯蓄電池均衡控制【技術領域】，更具體地，涉及一種串聯蓄電池組均衡系統及其控制方法。

【背景技術】
[0002]蓄電池按其使用的電化學材料可分為鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池、鎳鎘電池。依據其電化學特性，各種蓄電池單體的電壓各不相同，如鉛酸蓄電池單體電壓額定值為2V，鋰電池單體電壓額定值3.7V。
[0003]蓄電池可以由一個蓄電池單體組成；也可以由多個單體并聯以增加蓄電池的安時容量；也可以由多個單體串聯而成，以提高蓄電池的電壓；或者多個蓄電池單體串聯和并聯混合增加蓄電池的安時容量且提高蓄電池的電壓。
[0004]將多個蓄電池單元串聯連接可以滿足更高電壓應用的要求，稱為串聯蓄電池組。如內燃機汽車使用的串聯蓄電池組電壓是12伏或24伏，電動自行車使用的串聯蓄電池組電壓是24伏或36伏或48伏，電動汽車使用的串聯蓄電池組的電壓甚至高于300伏。
[0005]串聯蓄電池組中的每個蓄電池單體并非完全相同，即使是嚴格篩選的蓄電池，蓄電池組中各個蓄電池單體的溫度、內部阻抗和放電狀態均不相同。隨著充放電吃數的增加和使用時間的延長，這些差異會越來越明顯，若不加以均衡管理，某個蓄電池單元會首先發生故障導致整個串聯蓄電池組不能提供電能。
[0006]對串聯蓄電池組進行充電和放電時，如何保證充放電過程中蓄電池單元的均衡，是保證蓄電池的安全性和可靠性的一項關鍵技術。當串聯蓄電池組中，某個蓄電池單元損壞時，能讓串聯蓄電池組繼續工作，是充分發揮蓄電池效能的一項實用技術。


【發明內容】

[0007]針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供了一種串聯蓄電池組均衡系統及其控制方法，旨在解決串聯蓄電池組在充放電過程中存在均衡的問題。
[0008]本發明提供了一種串聯蓄電池組均衡系統，包括充電變換器、串聯蓄電池組、放電變換器和控制電路；所述充電變換器的充電輸出端與串聯蓄電池組的輸入端連接，所述放電變換器的輸入端連接至所述串聯蓄電池組的輸出端，所述放電變換器的輸出端用于連接負載；所述充電變換器用于給所述串聯蓄電池組充電，所述串聯蓄電池組通過所述放電變換器給負載供電；所述控制電路的控制端連接至所述串聯蓄電池組的反饋端，用于從所述串聯蓄電池組的反饋端獲取所述串聯蓄電池組中每個蓄電池單元的電壓值參數、所述串聯蓄電池組的整體電壓值以及充電電流值；所述控制電路的第一輸出端連接所述充電變換器的充電控制端，用于控制所述充電變換器的充電電壓；所述控制電路的第二輸出端連接所述放電變換器的放電控制端，用于控制所述放電變換器的放電電壓。
[0009]其中，所述串聯蓄電池組包括多個串聯連接的蓄電池單元，每一個蓄電池單元包括單元開關控制器、驅動電路、數據采集電路、斷路開關K1、旁路開關K2以及蓄電池；所述蓄電池與所述斷路開關Kl串聯后再與所述旁路開關K2并聯；所述單元開關控制器的控制輸入端用于與所述控制電路連接，所述單元開關控制器的信號輸入端連接至所述數據采集電路的輸出端，所述數據采集電路的輸入端與所述蓄電池連接；所述驅動電路的輸入端連接至所述單元開關控制器的輸出端，所述驅動電路的第一輸出端連接至所述斷路開關Kl的控制端，所述驅動電路的第二輸出端連接至所述旁路開關K2的控制端。
[0010]其中，每一個蓄電池單元還包括與所述斷路開關并聯連接的第一二極管D1，以及與所述旁路開關并聯連接的第二二極管D2。
[0011]其中，所述蓄電池由多個單體蓄電池串、并聯而成。
[0012]本發明還提供了一種基于上述的串聯蓄電池組均衡系統的充電控制方法，包括一個或多個恒流充電子過程或恒壓充電子過程。
[0013]其中，恒流充電子過程包括下述步驟:
[0014]獲取串聯蓄電池組的電壓V和電流I ;
[0015]判斷所述電壓V是否小于0-101^1，若是，則置恒流充電標志并以!1111恒流充電；若否，則結束#為單體蓄電池的總數，k為N個單體蓄電池中被旁路的個數，η為蓄電池單元中串聯的單體蓄電池的個數，nVl為恒流轉換為恒壓充電的轉換電壓。
[0016]其中，恒壓充電子過程包括下述步驟:
[0017]獲取串聯蓄電池組的電壓V、電流I和蓄電池組狀態數(Ν-k)；
[0018]根據所述蓄電池組狀態數(N-k)獲得充電電壓(N_k)nV2 ；
[0019]判斷所述電流I是否小于mil，若是，則置恒壓充電標志并恒壓充電，若否，則結束仰為蓄電池單元中并聯的單體蓄電池的個數，mil為恒流充電電流，nV2為恒壓充電電壓，N為單體蓄電池的總數，k為N個單體蓄電池中被旁路的個數。
[0020]本發明還提供了一種基于上述的串聯蓄電池組均衡系統的控制方法，包括下述步驟:
[0021]S200:獲取各個蓄電池單元的電壓值、電池單元的電壓平均值以及各個蓄電池單元的電壓值與平均值之間的差值；
[0022]S201:判斷差值的絕對值與平均值的比值是否大于設定的第一閾值；若是，則轉入步驟S202，若否，則令蓄電池單元的上限超值數k = O并轉入步驟S210 ；
[0023]S202:判斷所述差值是否大于零，若是，則轉入步驟S203，若否，則轉入步驟S204 ；
[0024]S203:標記該蓄電池單元為上限超值；
[0025]S204:標記該蓄電池單元為下限超值；
[0026]S205:判斷該蓄電池是否放電，若是，則轉入步驟S207，若否，則轉入步驟S209 ；
[0027]S206:判斷該蓄電池是否充電，若是，則轉入步驟S208，若否，則轉入步驟S209 ；
[0028]S207:傳遞控制信號使得下限超值的蓄電池單元工作在第二工作狀態；
[0029]S208:傳遞控制信號使得上限超值的蓄電池單元工作在第二工作狀態；
[0030]S209:獲得蓄電池單元的上限超值數k ;該1^值也是需要工作于第二工作狀態的蓄電池單元的數值。
[0031]S210:傳遞N-k的值至充電控制器并返回至步驟S200。
[0032]其中，所述第一閾值為0.5%?％ 10。
[0033]其中，所述第二工作狀態是指斷路開關Kl斷開且旁路開關K2接通，該狀態下該蓄電池單元所包含的蓄電池不能充電且不能放電，但電流可以通過旁路開關流過該蓄電池單
J Li ο
[0034]本發明的串聯蓄電池組均衡方法具有以下優勢:(I)沒有電阻耗能，所以該方法耗能少；(2)所能使用的開關可以很大電流，因此蓄電池單元可以使用很大容量；(3)不用加入電感電容等儲能元件，電路簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是本發明實施例提供的串聯蓄電池組均衡系統的原理框圖；
[0036]圖2是本發明實施例提供的串聯蓄電池組均衡系統中串聯蓄電池組的結構示意圖；
[0037]圖3是本發明實施例提供的串聯蓄電池組均衡系統中充電變換器的結構示意圖；
[0038]圖4是本發明提供的串聯蓄電池組均衡系統的充電控制方法中恒流充電子流程的實現流程圖；
[0039]圖5是本發明提供的串聯蓄電池組均衡系統的充電控制方法中恒壓充電子流程的實現流程圖；
[0040]圖6是本發明實施例提供的串聯鋰電池組均衡系統的充電控制方法的實現流程圖；
[0041]圖7是本發明實施例提供的串聯蓄電池組均衡系統控制方法的實現流程圖。

【具體實施方式】
[0042]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0043]如圖1所示，本發明串聯蓄電池組均衡系統，包括充電變換器11、串聯蓄電池組12、放電變換器13和控制電路14 ;充電變換器11連接串聯蓄電池組12給蓄電池充電，串聯蓄電池組12連接放電變換器13給負載供電，控制電路14連接串聯蓄電池組12，從串聯蓄電池組12獲取串聯蓄電池組中每個蓄電池單元的電壓值參數，控制電路14也采樣串聯蓄電池組12整體電壓值和充電電流值。控制電路14連接充電變換器11，用于控制充電變換器11的充電電壓。
[0044]如圖2所示，本發明的串聯蓄電池組12由多個蓄電池單元串聯而成，每個蓄電池單元包括蓄電池124、斷路開關K1、旁路開關K2、驅動電路122、單元開關控制器121和數據采集電路123。斷路開關Kl和旁路開關K2，與蓄電池連接方式是，蓄電池124與斷路開關Kl串聯，然后一起再與旁路開關K2并聯。單元開關控制器121給驅動電路122控制信號，驅動電路122驅動斷路開關Kl和旁路開關K2，使其導通或關斷；數據采集電路123采樣蓄電池124的電流和電壓，這些數據傳給單元開關控制器121，單元開關控制器121再將數據傳送給串聯蓄電池組的系統控制電路14或系統總線控制單元。
[0045]在本發明實施例中，斷路開關Kl和旁路開關K2可以是電磁開關器件比如繼電器或接觸器，也可以是雙極型晶體管、功率MOS、IGBT、GTO等電子開關器件。
[0046]在本發明實施例中，包括斷路開關Kl和旁路開關K2的蓄電池單元，有以下兩種工作狀態:第一種工作狀態是斷路開關Kl接通且旁路開關K2斷開，該狀態下該蓄電池單元所包含的蓄電池能夠充電和放電；當串聯蓄電池組中所有的蓄電池單元電壓和容量均衡時，蓄電池單元工作在這種狀態下，蓄電池單元主要時間工作在這種狀態。第二種工作狀態是斷路開關Kl斷開且旁路開關Κ2接通，該狀態下該蓄電池單元所包含的蓄電池不能充電且不能放電，但電流可以通過旁路開關Κ2流過該蓄電池單元。
[0047]斷路開關Kl和旁路開關Κ2不能同時導通，稱為死區。為使本發明的蓄電池單元正常工作，必須解決蓄電池兩個工作狀態之間轉換的死區時間內，流經蓄電池的電流的續流問題，為此斷路開關Kl和旁路開關Κ2各自反向并聯了二極管。在充電過程中，當蓄電池單元由第一狀態轉換為第二工作狀態時，斷路開關Kl的反并聯二極管為充電電流提供通道；在放電過程中，當蓄電池單元由第一工作狀態轉換為第二工作狀態時，旁路開關Κ2的反并聯二極管為放電電流提供通道。
[0048]在進行充電均衡和放電均衡控制時，首先需要判斷蓄電池單元是否存在“不均衡上限超值”和“不均衡下限超值”，標記該蓄電池“不均衡上限超值”和“不均衡下限超值”狀態，以待在均衡充電和均衡放電時使用。判斷方法是計算各個蓄電池單元的與所有蓄電池單元電壓平均值的電壓差值，當某個蓄電池單元電壓值比平均值高0.5%—% 10時，則該蓄電池單元不均衡上限超值；當某個蓄電池單元電壓值比平均值低0.5% — % 10時，則該蓄電池單元不均衡下限超值。
[0049]串聯蓄電池組均衡充電方法是:在充電階段，周期性的采樣每個蓄電池單元的電壓值，當串聯蓄電池組中某個蓄電池單元出現不均衡上線超值時，使該蓄電池單元工作在第二工作狀態，該蓄電池單元將不再充電，而其余蓄電池單元仍工作于第一工作狀態進行充電；隨著串聯蓄電池組整體充電過程的繼續，當該蓄電池單元不再出現不均衡上限超值時，串聯蓄電池組電能達到均衡，該蓄電池單元工作于第一工作狀態。用這種方法使串聯蓄電池組充電均衡。
[0050]串聯蓄電池組均衡放電方法是:在放電階段，周期性的采樣每個蓄電池單元的電壓值，當串聯蓄電池組中某個蓄電池單元出現不均衡下限超值時，使該蓄電池單元工作在第二工作狀態，該蓄電池單元將不再放電，而其余蓄電池單元仍工作于第一工作狀態進行放電；隨著串聯蓄電池組整體放電過程的繼續，當該蓄電池單元不再出現不均衡下限超值時，串聯蓄電池組電能達到均衡，該蓄電池單元工作于第一工作狀態。用這種方法使串聯蓄電池組放電均衡。
[0051]串聯蓄電池均衡系統還包括系統控制電路，該控制電路采樣每個蓄電池單元的電壓參數，經過處理判斷，據需要驅動每個蓄電池單元的斷路開關或旁路開關，控制對應的斷路開關和旁路開關接通和斷開。
[0052]系統控制電路還要控制充電變換器，根據串聯蓄電池組中蓄電池單元個數不同進行不同的充電控制。
[0053]目前串聯蓄電池組的均衡管理可以通過電壓轉移的方式來調節蓄電池單元的電壓，將電壓多的蓄電池單元能量可以在電阻上消耗；或者存儲于電感電容中，向電壓少的蓄電池放電。通過電阻的分流將蓄電池單元能量釋放會造成電阻的發熱量大，均衡電流受到限制，只適合容量小、串聯的蓄電池單元數量少的蓄電池組。而通過電感電容將電能轉移到低容量的蓄電池單元上，思路復雜，元器件多，控制復雜程度很高。
[0054]串聯蓄電池組的另一個問題是，當某一個電池單元損壞時，整個串聯蓄電池組就不能提供電流也就是串聯蓄電池不能工作。如果強行工作可能會導致故障蓄電池單元過熱。目前，當串聯蓄電池組中的某一個蓄電池單元發生故障時，整體串聯蓄電池組將停止工作。
[0055]本發明的串聯蓄電池組的另一個優勢是:當串聯電池組中一個蓄電池單元損壞時，將其旁路掉，只要其他的蓄電池單元能正常充放電，整體串聯蓄電池單元仍然可以繼續工作。
[0056]如圖1所示串聯蓄電池組均衡系統，包括充電變換器11、串聯蓄電池組12、放電變換器13、控制電路14。充電變換器連接串聯蓄電池組給蓄電池充電，串聯蓄電池組12連接放電變換器13給負載供電，系統控制電路14連接串聯蓄電池組12，從串聯蓄電池組獲取串聯蓄電池組中每個蓄電池單元的電壓值參數，系統控制電路14也采樣串聯蓄電池組整體電壓值和充電電流值。系統控制電路14連接充電變換器11，控制充電變換器的充電電壓。
[0057]串聯蓄電池組12有多個蓄電池單元串聯而成，蓄電池單元如圖2所示:包括蓄電池124、斷路開關K1、二極管D1、旁路開關K2、二極管D2、驅動電路122、數據采集電路123、單元開關控制器121。斷路開關Kl與二極管Dl并聯再與蓄電池124串聯，然后整體與旁路開關K2并聯，旁路開關K2又與二極管D2并聯。數據采集電路123與蓄電池124連接，采集蓄電池電壓電流數據；數據采集電路123連接單元開關控制器121，將采集到的電池電壓電流數據，通過單元開關控制器121傳送給系統控制電路14。系統控制電路14給出控制信號給單元開關控制器121，單元開關控制器121通過驅動電路122控制旁路開關K2和斷路開關Kl的通斷。
[0058]在本發明實施例中，串聯蓄電池組12有兩種工作狀態:第一種工作狀態是斷路開關Kl接通且旁路開關K2斷開，該狀態下該蓄電池單元所包含的蓄電池124能夠充電和放電，屬于蓄電池單元的工作常態，蓄電池單元主要時間工作在這種狀態。第二種工作狀態是斷路開關Kl斷開且旁路開關K2接通，該狀態下該蓄電池單元所包含的蓄電池124不能充電且不能放電，但電流可以通過旁路開關流過該蓄電池單元。
[0059]由這種蓄電池單元多個串聯起來組成蓄電池組，該蓄電池組均衡方法分為充電均衡方法和放電均衡方法。
[0060]充電均衡方法是:充電階段，當某個蓄電池單元與其它蓄電池單元相比出現電壓過高時，該蓄電池單元由第一工作狀態轉變為第二工作狀態；此時，該工作在第二階段的蓄電池不再充電，其余工作于第一階段的蓄電池繼續充電。充電階段這種方法能防止串聯蓄電池組中某一個蓄電池單元過充電導致電壓過高。
[0061]放電均衡方法是:放電階段，當某個蓄電池單元與其他蓄電池單元相比出現電壓過低時，該蓄電池單元由第一工作狀態轉換為第二工作狀態；此時，該工作在第二階段的蓄電池不再放電，其余工作于第一階段的蓄電池繼續放電。放電階段，這種方法能防止串聯蓄電池組中某一個蓄電池單元過放電導致電壓過低。
[0062]為使本發明的蓄電池單元正常工作，必須解決蓄電池兩個工作狀態之間轉換時，流經蓄電池的電流的續流問題。如圖1所示，在蓄電池單元中，斷路開關Kl和旁路開關K2若同時導通時會導致蓄電池短路，為了防止這兩個開關同時導通，在一個開關關斷過渡到另一個開關導通期間，設定兩個開關都處于關斷狀態時時間，稱為死區時間。在死區時間里，若電流沒有通道則會在斷路開關Kl和旁路開關K2上產生大的電壓尖峰，使開關器件損壞。充電階段和放電階段都存在死區時間。在蓄電池單元處于充電階段的死區時間里，二極管Dl導通，為充電電流提供通道；在蓄電池單元處于放電階段的死區時間里，二極管D2導通，為放電電流提供通道。
[0063]本發明中的斷路開關和旁路開關，可以采用繼電器、接觸器等機械觸點開關，也可以采用MOS、IGBT等電子開關。
[0064]蓄電池的充電過程包括恒流充電過程、恒壓充電過程，或者充電過程包含多個恒流充電、恒壓充電過程。也就是說，蓄電池的充電過程可分為恒流充電和恒壓充電兩種子過程，每種蓄電池的充電過程包含有一個或者多個這樣的子過程。如鉛酸蓄電池充電過程包含一個恒流充電子過程和一個恒壓充電子過程，鋰電池充電包含兩個恒流充電子過程和一個恒壓充電子過程。本發明對串聯蓄電池組充電過程的改變，可以從恒流充電和恒壓充電這兩個子過程的改變來加以說明。
[0065]如圖4所示，每個恒流充電子過程都有一個進入條件，那就是判斷串聯蓄電池組中每一個蓄電池單體的電壓是否小于VI，若小于Vl則進入恒流充電過程，給出恒流充電電流Ii;恒流充電子過程的結束條件是判斷單體電壓是否大于VI，當電壓大于Vl時恒流充電結束。對于某種蓄電池單體的充電過程，I1、Vi有確定的數值范圍。有的串聯蓄電池組充電過程中有多個恒流充電子過程，也就是有不同的I1、Vl值。本發明中的串聯蓄電池組有多個蓄電池單元串聯，每個蓄電池單元又可能由多個單體串聯并聯而成。設蓄電池單元中單體的并聯個數為m串聯個數為n，然后再N個這樣的蓄電池單元串聯，則該串聯蓄電池組恒流充電電流為ml I，充電過程中需要判斷的這個電壓值是NnVI。本發明對串聯蓄電池恒流充電過程的改變是:當串聯的N個蓄電池單體中有k個蓄電池單體被旁路，不影響恒流充電過程的充電電流值mil，但恒流充電過程中需要判斷的串聯蓄電池組電壓值變成(N-k)nVl。
[0066]如圖5所示，對于串聯蓄電池組中的每個蓄電池單體，其恒壓充電子過程首先是給出恒壓充電電壓V2，然后需要判斷單體電流是否小于12，當電流小于12時該恒壓充電子過程結束。對于某種蓄電池單體的充電過程，V2、12有確定的數值范圍。有的蓄電池單體的充電過程包括兩個或多個恒壓充電子過程，每個恒壓充電子過程有不同的V2、12取值。本發明中的蓄電池單元可能由多個單體串聯并聯而成，設蓄電池單元中單體的并聯個數為m，串聯個數為n，然后再N個這樣的蓄電池單元串聯，則該串聯蓄電池組恒壓充電電壓為NnV2，充電過程中需要判斷的電流值是mI2。本發明對串聯蓄電池恒流充電過程的改變是:當串聯的N個蓄電池單體中有k個蓄電池單元被旁路，該串聯蓄電池組恒壓充電電壓為(N-k)nV2，充電過程中需要判斷的電流值是mI2，當充電電流小于mI2時，充電過程結束。
[0067]下面以充電過程比較復雜的鋰電池為例來具體說明。實際過程中鋰電池的充電過程可能與此實例略有不同，但不同的充電過程中，本發明對鋰電池充電過程的改變都是相同的。除此之外，鉛酸電池、鎳氫電池等其它蓄電池的充電過程雖然有不同，但同樣分為恒流充電恒壓充電等過程，本發明對它們充電過程的改變和對鋰電池恒流充電恒壓充電等充電過程的改變是相同的。
[0068]對于鋰電池一個單體而言，充電過程分為三個階段，第一階段和第二階段是屬于兩個不同的恒流充電階段，第三階段是恒壓充電階段。
[0069]如圖6所示，先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進入第一階段進行預充電，充電電流為ι/1C恒流充電。C是電池容量的安時數值，若100maH鋰電池充電電流1/10C為100mA。電壓升到3V后，進入第二階段標準充電階段，其充電過程為:以設定電流0.2C至1.0C之間進行恒流充電，電池電壓升到4.20V時，進入充電第三階段恒壓充電，保持充電電壓為4.20V。此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的1/10C時，充電結束。本發明中的蓄電池單元可能由多個單體串聯并聯而成，設鋰電池單元中單體的并聯個數為m串聯個數為n，然后再N個這樣的鋰電池單元串聯，其中有k個蓄電池單元被芳路。
[0070]以串聯蓄電池組中的蓄電池為鋰電池為典型實施實例，本發明的串聯蓄電池組充電過程如下:流程圖如圖6所示，先檢測待充電串聯蓄電池組的電壓，如果電壓低于3(N-k)n，要先進入第一階段進行預充電，充電電流為l/10mC恒流充電，C是電池的安時數值。串聯蓄電池組電壓升到3(N-k)n后，進入第二階段標準充電階段，其充電過程為:以設定電流0.2mC至1.0mC之間進行恒流充電，串聯蓄電池組電壓升到4.20 (N_k)η時，進入充電第三階段恒壓充電，保持串聯蓄電池組充電電壓為4.20(N-k)n。此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的l/10mC時，充電結束。
[0071]充電變換器11的特點是，當串聯蓄電池組12中有蓄電池單元工作于第二工作狀態時，充電變換器11充電的蓄電池單元個數會變少。當串聯蓄電池組處于恒流充電時，若有蓄電池單元工作于第二工作狀態，恒流充電的電流值和所有蓄電池單元均工作于第一工作狀態時的恒流充電電流值相同。當串聯蓄電池組處于恒壓充電時，整體的充電電壓值等于所有處于第一工作狀態的蓄電池單元恒壓充電電壓值之和；也就是，若有蓄電池單元工作于第二工作狀態，串聯蓄電池組恒壓充電的電壓值會降低。當串聯蓄電池組處于浮充充電時，整體的充電電壓值等于所有處于第一工作狀態的蓄電池單元浮充充電電壓值之和；也就是，若有蓄電池單元工作于第二工作狀態，串聯蓄電池組浮充充電的電壓值會降低。因此，系統控制電路32通過綜合判斷控制各個蓄電池單元的參數和工作狀態，給出控制信號控制充電變換器33的電壓，適應不同個數的蓄電池單元的充電過程。上述各類電壓的改變可以通過改變給定值以調整占空比來完成。
[0072]圖3是充電變換器原理示意圖。充電變換器11包括充電控制器111、充電主電路112，充電控制器111采樣串聯蓄電池組12的充電電流和充電電壓，由系統控制器14給充電控制器111傳送電池工作狀態數N-k值，N是串聯蓄電池組12中蓄電池單元的個數，k是串聯蓄電池組中工作于第二工作狀態的蓄電池單元的個數。充電控制器111輸出PWM控制信號給充電主電路112，以控制充電電壓值和充電電流值。充電主電路112由DC/DC變換器完成，充電控制器111由微控制器或模擬電路來完成。
[0073]充電主電路112，根據實際應用情況可以是降壓DC/DC變換器、升壓DC/DC變換器、對于橋式非隔離變換器、單端反激變換器、單端正激變換器、半橋或全橋隔離變換器。這些變換器都能通過PWM方式控制為穩壓工作方式和穩流工作方式。穩壓方式還是問柳方式的選擇、穩壓工作方式的電壓值以及溫流工作方式的電流值，都是由充電控制器111給出。
[0074]圖6是以鋰電池為例的充電控制器功能流程圖。首先充電控制器采樣電池充電電壓、電池充電電流，并從系統控制電路獲得電池狀態數N-k，然后判斷電池電壓是否小于3 (N-k) n，若是，則給出恒流電流值l/10mC通過PWM輸出控制充電主電路進行恒流充電，直到電池電壓大于等于3 (N-k) η,給出充電電流為0.2mC—1.0mC,直到電池電壓不小于4.20 (N-k) η時，充電控制器給出4.20 (N-k) η電壓值對串聯蓄電池組進行恒壓充電，直到充電電流小于l/10mC后充電結束，其中C是單體蓄電池容量的安時值。
[0075]圖7是系統控制器進行均衡充電控制和均衡放電控制的流程圖。系統控制器首先采樣各個蓄電池單元的電壓值，求出平均電壓值，將各個蓄電池單元電壓值與平均電壓值求差，當某個蓄電池單元電壓值比平均值高0.5% — % 10時，則該蓄電池單元不均衡上限超值；當某個蓄電池單元電壓值比平均值低0.5%—% 10時，則該蓄電池單元不均衡下限超值。標記該蓄電池“不均衡上限超值”和“不均衡下限超值”狀態，控制各個蓄電池單元控制器，通過電池單元控制器控制各個蓄電池單元的工作狀態。系統控制器計算蓄電池單元不均衡上限超值數k，然后達到電池工作狀態數N-k，將N-k傳送至充電控制器，有充電控制器控制串聯蓄電池組充電。這一過程反復進行，就會使電壓高的蓄電池單元放電時間比其它蓄電池單元時間長，電壓低的蓄電池單元充電時間比其它蓄電池單元長，使他們的電壓達到均衡。
[0076]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種串聯蓄電池組均衡系統，其特征在于，包括充電變換器(11)、串聯蓄電池組(12)、放電變換器(13)和控制電路(14)； 所述充電變換器(11)的充電輸出端與串聯蓄電池組(12)的輸入端連接，所述放電變換器(13)的輸入端連接至所述串聯蓄電池組(12)的輸出端，所述放電變換器(13)的輸出端用于連接負載；所述充電變換器(11)用于給所述串聯蓄電池組(12)充電，所述串聯蓄電池組(12)通過所述放電變換器(13)給負載供電； 所述控制電路(14)的控制端連接至所述串聯蓄電池組(12)的反饋端，用于從所述串聯蓄電池組(12)的反饋端獲取所述串聯蓄電池組中每個蓄電池單元的電壓值參數、所述串聯蓄電池組(12)的整體電壓值以及充電電流值； 所述控制電路(14)的第一輸出端連接所述充電變換器(11)的充電控制端，用于控制所述充電變換器(11)的充電電壓； 所述控制電路(14)的第二輸出端連接所述放電變換器(13)的放電控制端，用于控制所述放電變換器(13)的放電電壓。
2.如權利要求1所述的串聯蓄電池組均衡系統，其特征在于，所述串聯蓄電池組(12)包括多個串聯連接的蓄電池單元，每一個蓄電池單元包括單元開關控制器(121)、驅動電路(122)、數據采集電路(123)、斷路開關K1、旁路開關K2以及蓄電池(124)； 所述蓄電池(124)與所述斷路開關Kl串聯后再與所述旁路開關K2并聯； 所述單元開關控制器(121)的控制輸入端用于與所述控制電路(14)連接，所述單元開關控制器(121)的信號輸入端連接至所述數據采集電路(123)的輸出端，所述數據采集電路(123)的輸入端與所述蓄電池(124)連接； 所述驅動電路(122)的輸入端連接至所述單元開關控制器(121)的輸出端，所述驅動電路(122)的第一輸出端連接至所述斷路開關Kl的控制端，所述驅動電路(122)的第二輸出端連接至所述旁路開關K2的控制端。
3.如權利要求2所述的串聯蓄電池組均衡系統，其特征在于，每一個蓄電池單元還包括與所述斷路開關并聯連接的第一二極管D1，以及與所述旁路開關并聯連接的第二二極管D2。
4.如權利要求2所述的串聯蓄電池組均衡系統，其特征在于，所述蓄電池(124)由多個單體蓄電池串、并聯而成。
5.一種基于權利要求1-4任一項所述的串聯蓄電池組均衡系統的充電控制方法,其特征在于，包括一個或多個恒流充電子過程或恒壓充電子過程。
6.如權利要求5所述的充電控制方法，其特征在于，所述恒流充電子過程包括下述步驟: 獲取串聯蓄電池組的電壓V和電流I ; 判斷所述電壓V是否小于(N-k)nVl，若是，則置恒流充電標志并以軋恒流充電；若否，則結束； 其中，N為單體蓄電池的總數，k為N個單體蓄電池中被旁路的個數，η為蓄電池單元中串聯的單體蓄電池的個數，nVl為恒流轉換為恒壓充電的轉換電壓。
7.如權利要求5所述的充電控制方法，其特征在于，所述恒壓充電子過程包括下述步驟: 獲取串聯蓄電池組的電壓V、電流I和蓄電池組狀態數(N-k)； 根據所述蓄電池組狀態數(N-k)獲得充電電壓(N-k)nV2 ； 判斷所述電流I是否小于HiI1，若是，則置恒壓充電標志并恒壓充電，若否，則結束； 其中，m為蓄電池單元中并聯的單體蓄電池的個數，HiI1為恒流充電電流，nV2為恒壓充電電壓，N為單體蓄電池的總數，k為N個單體蓄電池中被旁路的個數。
8.一種基于權利要求1-4任一項所述的串聯蓄電池組均衡系統的控制方法，其特征在于，包括下述步驟: 5200:獲取各個蓄電池單元的電壓值、電池單元的電壓平均值以及各個蓄電池單元的電壓值與平均值之間的差值； 5201:判斷差值的絕對值與平均值的比值是否大于設定的第一閾值；若是，則轉入步驟S202，若否，則令蓄電池單元的上限超值數k = O并轉入步驟S210 ； 5202:判斷所述差值是否大于零，若是，則轉入步驟S203，若否，則轉入步驟S204 ； 5203:標記該蓄電池單元為上限超值； 5204:標記該蓄電池單元為下限超值； 5205:判斷該蓄電池是否放電，若是，則轉入步驟S207，若否，則轉入步驟S209 ； 5206:判斷該蓄電池是否充電，若是，則轉入步驟S208，若否，則轉入步驟S209 ； 5207:傳遞控制信號使得下限超值的蓄電池單元工作在第二工作狀態； 5208:傳遞控制信號使得上限超值的蓄電池單元工作在第二工作狀態； 5209:獲得蓄電池單元的上限超值數k ; 5210:傳遞N-k的值至充電控制器并返回至步驟S200。
9.如權利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第一閾值為0.5%?10%。
10.如權利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第二工作狀態是指斷路開關Kl斷開且旁路開關K2接通，該狀態下該蓄電池單元所包含的蓄電池不能充電且不能放電，但電流可以通過旁路開關流過該蓄電池單元。
【文檔編號】H02J7/00GK104362695SQ201410627674
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】危立輝 申請人:中南民族大學