一种锂电池包串联均衡控制装置及方法

摘要

本发明公开了一种锂电池包串联均衡控制装置及方法，包括分别并联在每个电池两端的滤波电容，连接在串联电池包的电池中点的电感，还包括电流采样电阻、两个开关管、信息采集模块、均衡使能模块和状态机，电流采样电阻连接在串联电池包的电池中点与电感之间，信息采集模块与电流采样电阻两端以及串联电池包连接，两个开关管的栅极与均衡使能模块连接，两个开关管的另外两极分别与串联电池包的上端电池和下端电池并联，信息采集模块和均衡使能模块均与状态机连接，信息采集模块还与均衡使能模块连接。本发明采用状态机的控制方法，通过合理设置状态切换阈值电压即可有效避开锂电池电压平台两端的离散型不一致性区域，规避均衡误动作导致的系统风险。

权利要求

1.一种锂电池包串联均衡控制装置，用于至少一组串联电池包中，包括分别并联在每个电池两端的滤波电容，一端连接在串联电池包的电池中点的电感，其特征在于：还包括电流采样电阻、两个开关管、信息采集模块、均衡使能模块和状态机，所述电流采样电阻连接在串联电池包的电池中点与电感之间，信息采集模块与电流采样电阻两端以及串联电池包连接，两个开关管的栅极与均衡使能模块连接，两个开关管的另外两极分别与串联电池包的上端电池和下端电池并联，信息采集模块和均衡使能模块均与状态机连接，信息采集模块还与均衡使能模块连接，所述状态机包括低功耗状态位、电池信息监控标志位和均衡使能状态位，所述低功耗状态位默认为低功耗模式，所述电池信息监控标志位默认为非监控模式，所述均衡使能状态位默认为非均衡模式，信息采集模块对串联电池包的电池信息进行采集并根据串联电池包的电压信息进行状态机的标志位更改；

所述两个开关管包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的漏极与串联电池包的正极连接，源极与电感另一端连接，第二开关管的漏极与串联电池包的负极连接，源极与电感另一端连接。

2.根据权利要求1所述的锂电池包串联均衡控制装置，其特征在于：所述开关管为MOSFET管。

3.根据权利要求1所述的锂电池包串联均衡控制装置，其特征在于：所述低功耗状态位默认状态为1代表低功耗模式，在低功耗状态位为0时退出低功耗模式，在该低功耗模式下关闭驱动、通讯、显示、监控功能；均衡使能状态位默认状态为0代表非均衡模式，在均衡使能状态位为1时进入均衡模式，在该均衡模式下使能均衡控制器根据两组电池的电压关系进行电流矢量控制；电池信息监控标志位默认为0代表非监控模式，在电池信息监控标志位为1时进入监控模式，在该监控模式下对串联电池包进行监控。

4.一种根据权利要求1‑3任意一项所述的锂电池包串联均衡控制装置的控制方法，其特征在于：该控制方法包括以下步骤，

首先、判断Vpack1+Vpack2＞Vstart时，装置启动；

然后、判断Vpack1＞Vset1且Vpack2＞Vset1时，低功耗状态位退出低功耗模式，均衡使能状态位保持非均衡模式，电池信息监控标志位进入监控模式；

其次、再判断|Vpack1‑Vpack2|＞V1时，均衡使能状态位进入均衡模式，电池信息监控标志位保持监控模式；

最后、再判断|Vpack1‑Vpack2|＜V2时，均衡使能状态位进入非均衡模式，电池信息监控标志位保持监控模式；

其中，V2＜V1，Vpack1为串联电池包的上端电池电压，Vpack2为串联电池包的下端电池电压Vpack2。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在电池信息监控标志位为监控模式时实时监测电池电压，当满足Vpack1＜Vset2或Vpack2＜Vset2、或Vpack1＜Vset3且Vpack2＜Vset3时，低功耗状态位进入低功耗模式、均衡使能状态位进入非均衡模式且电池信息监控标志位进入非监控模式。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在均衡使能状态位为均衡模式时，驱动输出第一开关管Q1和第二开关管Q2的驱动波形初始状态为50％占空比，若Vpack1>Vpack2则加大第二开关管Q2的占空比使电流为正，若Vpack1

说明书

一种锂电池包串联均衡控制装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电化学能以及电源技术领域，更具体地说，特别涉及一种锂电池包串联均衡控制装置及方法。

背景技术

[0002] 动力电池的应用范围已经非常的广泛，封装起来的电池PACK往往需要串并联以实现所需要的系统电压及系统容量。在串并联后，电池包的不均衡常常导致系统容量下降，系
统寿命降低，严重时甚至导致系统风险。为了减缓系统容量的衰减以提高系统的寿命，需要
用到电池包的均衡控制及装置。现有的技术主要存在以下缺点：

[0003] 1、已有的均衡方案多以电芯作为被均衡对象。电芯分容后组成PACK带来不一致性主要原因为电芯的自耗电，其数值非常低，采用被动均衡来消除此一致性偏差已经足够，且
更安全。而在PACK中存在BMS管理系统，其所带来的耗电不一致性较高，仅靠被动均衡难以
实现均衡目的，如果加入较大功率的被动均衡存在发热量大，能量浪费严重的问题。本发明
所提供的均衡方案是通过能量在不均衡的电池包之间流动以实现均衡，均衡能力更强，且
系统效率更高。

[0004] 2、现有方案要么过于简单如授权专利CN200510038762，所能提供的均衡电流过小(常为毫安级别)不满足电池包层面的均衡需要，要么过于复杂如授权专利
CN201110352469，其并联于BT2的R4,R8会造成BT2持续的放电，本身引入了不平衡的消耗，
且其消耗值远大于电芯本身自耗电，反而给系统带来的不均衡，为系统安全性引入过多不
确定性。

[0005] 3、现有方案多数只给出硬件连接，未能结合详细的控制时序或控制逻辑，电池的均衡需要结合考虑电池的荷电状态，充放电状态，温度等因素，而后者才是均衡技术的核
心。最主要锂电池的化学特性决定了在电压两端存在离散性，电压差并不能全范围准确反
应实际容量，存在实际不满足放电条件时放电，导致系统风险。

[0006] 综上所述，目前还未有在电池包层面切实可行的均衡方案。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种锂电池包串联均衡控制装置及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

[0008] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0009] 一种锂电池包串联均衡控制装置，用于至少一组串联电池包中，包括分别并联在每个电池两端的滤波电容，连接在串联电池包的电池中点的电感，其还包括电流采样电阻
R1、两个开关管、信息采集模块、均衡使能模块和状态机，所述电流采样电阻连接在串联电
池包的电池中点与电感之间，信息采集模块与电流采样电阻两端以及串联电池包连接，两
个开关管的栅极与均衡使能模块连接，两个开关管的另外两极分别与串联电池包的上端电
池和下端电池并联，信息采集模块和均衡使能模块均与状态机连接，信息采集模块还与均
衡使能模块连接，所述状态机包括低功耗状态位、电池信息监控标志位和均衡使能状态位，
所述低功耗状态位默认为低功耗模式，所述电池信息监控标志位默认为非监控模式，所述
均衡使能状态位默认为非均衡模式，信息采集模块对串联电池包的电池信息进行采集并根
据串联电池包的电压信息进行状态机的标志位更改。

[0010] 进一步地，所述开关管为MOSFET管。

[0011] 进一步地，所述两个开关管包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的漏极与串联电池包的正极连接，源极与电感另一端连接，第二开关管的漏极与串联电池包的
负极连接，源极与电感另一端连接。

[0012] 进一步地，所述低功耗状态位默认状态为1代表低功耗模式，在低功耗状态位为0时退出低功耗模式，在该低功耗模式下关闭驱动、通讯、显示、监控功能；均衡使能状态位默
认状态为0代表非均衡模式，在均衡使能状态位为1时进入均衡模式，在该均衡模式下使能
均衡控制器根据两组电池的电压关系进行电流矢量控制；电池信息监控标志位默认为0代
表非监控模式，在电池信息监控标志位为1时进入监控模式，在该监控模式下对串联电池包
进行监控。

[0013] 本发明还提供一种根据上述的锂电池包串联均衡控制装置的控制方法，该控制方法包括以下步骤，

[0014] 首先、判断Vpack1+Vpack2＞Vstart时，装置启动；

[0015] 然后、判断Vpack1＞Vset1且Vpack2＞Vset1时，低功耗状态位退出低功耗模式，均衡使能状态位保持非均衡模式，电池信息监控标志位进入监控模式；

[0016] 其次、再判断|Vpack1‑Vpack2|＞V1时，均衡使能状态位进入均衡模式，电池信息监控标志位保持监控模式；

[0017] 最后、再判断|Vpack1‑Vpack2|＜V2时，均衡使能状态位进入非均衡模式，电池信息监控标志位保持监控模式；

[0018] 其中，V2＜V1，Vpack1为串联电池包的上端电池电压，Vpack2为串联电池包的下端电池电压Vpack2。

[0019] 进一步地，在电池信息监控标志位为监控模式时实时监测电池电压，当满足Vpack1＜Vset2或Vpack2＜Vset2、或Vpack1＜Vset3且Vpack2＜Vset3时，低功耗状态位进
入低功耗模式、均衡使能状态位进入非均衡模式且电池信息监控标志位进入非监控模式。

[0020] 进一步地，在均衡使能状态位为均衡模式时，驱动输出第一开关管Q1和第二开关管Q2的驱动波形初始状态为50％占空比，若Vpack1>Vpack2则加大第二开关管Q2的占空比
使电流为正，若Vpack1

[0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明以串联电池包中点作为控制地，有效解决现有技术本身对电池包带来不均衡影响的问题；同时，本发明基于状态机进行策略控
制，通过控制开关管占空比以实现对被控量电感电流的矢量控制，进而实现基于电池监控
信息的能量流动的控制。将不均衡的能量转移低能量电池包中，相对于现有的被动均衡技
术其可实现的均衡能力更强，效率更高；本发明通过调整串联电池包之间的能量不均衡的
问题提升系统有效容量，延长系统使用寿命。相对于现有均衡方案，由于该方案具有更大的
均衡能力，使系统安装时对各电池包的初始荷电状态要求更低，大大降低了生产成本，减少
对高精度生产设备的依赖，降低了对生产一致性的要求。而本发明采用状态机的控制方法，
通过合理设置状态切换阈值电压即可有效避开锂电池电压平台两端的离散型不一致性区
域，规避均衡误动作导致的系统风险。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。

[0023] 图1是本发明锂电池包串联均衡控制装置的原理图。

[0024] 图2是本发明锂电池包串联均衡控制方法的流程图。

[0025] 图3是本发明中均衡控制程序流程图。

[0026] 图4是本发明中均衡电流与偏差电压关系示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

[0028] 参阅图1所示，本发明公开了一种锂电池包串联均衡控制装置，用于至少一组串联电池包中，包括分别并联在每个电池两端的滤波电容C1、C2，连接在串联电池包的电池中点
的电感L，其还包括电流采样电阻R1、两个开关管、信息采集模块、均衡使能模块和状态机，
电流采样电阻R1连接在串联电池包的电池中点与电感L之间，信息采集模块与电流采样电
阻R1两端以及串联电池包连接，两个开关管的栅极与均衡使能模块连接，两个开关管的另
外两极分别与串联电池包的上端电池和下端电池并联，信息采集模块和均衡使能模块均与
状态机连接，信息采集模块还与均衡使能模块连接，状态机包括低功耗状态位、电池信息监
控标志位和均衡使能状态位，低功耗状态位默认为低功耗模式，所述电池信息监控标志位
默认为非监控模式，均衡使能状态位默认为非均衡模式，信息采集模块对串联电池包的电
池信息进行采集并根据串联电池包的电压信息进行状态机的标志位更改。

[0029] 所述两个开关管包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，所述第一开关管Q1的漏极与串联电池包的正极连接，源极与电感L另一端连接，第二开关管Q2的漏极与串联电池包的负
极连接，源极与电感L另一端连接。

[0030] 所述的开关管为MOSFET管。

[0031] 所述低功耗状态位默认状态为1代表低功耗模式，在低功耗状态位为0时退出低功耗模式，在该低功耗模式下关闭驱动、通讯、显示、监控功能；均衡使能状态位默认状态为0
代表非均衡模式，在均衡使能状态位为1时进入均衡模式，在该均衡模式下使能均衡控制器
根据两组电池的电压关系进行电流矢量控制；电池信息监控标志位默认为0代表非监控模
式，在电池信息监控标志位为1时进入监控模式，在该监控模式下对串联电池包进行监控。

[0032] 参阅图2‑图3所示，本发明还提供一种根据上述的锂电池包串联均衡控制装置的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

[0033] 首先、判断Vpack1+Vpack2＞Vstart时，装置启动；

[0034] 然后、判断Vpack1＞Vset1且Vpack2＞Vset1时，低功耗状态位退出低功耗模式(置为0)，均衡使能状态位保持非均衡模式(置为0)，电池信息监控标志位进入监控模式(置为
1)；

[0035] 其次、再判断|Vpack1‑Vpack2|＞V1(本实施例为100mV)时，均衡使能状态位进入均衡模式(置为1)，电池信息监控标志位保持监控模式(置为1)；

[0036] 最后、再判断|Vpack1‑Vpack2|＜V2(本实施例为50mV)时，均衡使能状态位进入非均衡模式(置为0)，电池信息监控标志位保持监控模式(置为1)；

[0037] 其中，V2＜V1，Vpack1为串联电池包的上端电池电压，Vpack2为串联电池包的下端电池电压Vpack2。

[0038] 在电池信息监控标志位为监控模式时实时监测电池电压，当满足Vpack1＜Vset2或Vpack2＜Vset2、或Vpack1＜Vset3且Vpack2＜Vset3时，低功耗状态位进入低功耗模式
(置为1)，此时设备关机、均衡使能状态位进入非均衡模式(置为0)且电池信息监控标志位
进入非监控模式(置为0)。Vset2与Vset3的保护值设置，成功解决了现有均衡技术开启条件
忽略锂电池平台电压下端离散性所带来的电压差异问题。

[0039] 本实施例中，Vset1、Vset2、Vset3、V1、V2均可以根据不同的电池初始状态进行相应得更改。

[0040] 在均衡使能状态位为均衡模式时(即置为1时)，驱动输出第一开关管Q1和第二开关管Q2的驱动波形初始状态为50％占空比，若Vpack1>Vpack2则加大第二开关管Q2的占空
比使电流为正，若Vpack1与压差关系如图4所示，当均衡使能标志位为0，电池监测标志位为1时，关掉驱动，持续监测
电池信息，当均衡使能标志位为0，电池检测标志位为0时，设备进入低功耗模式。

[0041] 本发明在具体应用时，接线非常简单，安全可靠，并且成功解决了电池系统在串联应用中的不均衡问题，解决了现有被动均衡技术中的效率低，发热大，应用场景局限等问
题。本发明方法可以通过调节主功率回路的功率等级实现均衡能力的调节，成功降低了电
池包串联对欲串联之电池包初始荷电条件一致性的苛刻要求，本发明以电池中点为控制
地，两端对称设计，解决了现有主动均衡技术本身带来的不均衡耗电问题。当串联电池包在
放空状态下，电芯离散性是电池的化学特性，压差大但并不具备放电条件，本发明基于状态
机的控制逻辑通过使能阈值电压的设置成功避免均衡装置本身造成电池包过放的危险。

[0042] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，例如将代表标志位的数据进行调换等，只要不超过本发明
的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。