串联电池组电压均衡管理系统、串联电池组及其控制方法与流程

本发明属于电子电源领域，涉及一种电池管理技术，具体涉及一种串联电池组电压均衡管理系统、串联电池组及其控制方法。

背景技术：

随着电池的小型化和能量比不断提高，出现了各种依靠电池供电的电动设备，例如无人机、电动汽车、电瓶车等，以电动汽车为例，电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。电动汽车的续行里程之长短取决于车载动力电池容量之大小，车载动力电池之重量取决于选用何种动力电池如铅酸、锌碳、锂电池等，以及电池的比重、比功率、比能量等指标。

但在电池使用过程中，由于工业化生产过程造成的电池输出电压的差异，导致电池输出功率不均，并且在使用过程中，这种差异由于电池的放电原理会被持续放大，例如对于输出电压的电池，输出电流较大，输出电流大导致电池发热增加，电池发热后导致内阻降低，进一步导致电流增大，形成正反馈使得电池持续发热并超负荷供电，电池寿命大幅缩小。

现有技术中，采用与串联电池组的每一电池并联一个开关阻抗及电压检测器的处理方式，当检测到电池电压过高时，则将开关阻抗并入电路，使得电池并联电阻下降，电压降低，多余功耗全部消耗在开关阻抗上，这种处理方式对电池电量消耗增加，响应速度慢，而且对于电压检测器检测精度要求极高，提高了产品成本。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种串联电池组电压均衡管理系统、串联电池组及其控制方法。

本发明所述串联电池组电压均衡管理系统，应用于串联形式的多个单一电池，包括多个电压检测装置和数字信号处理装置，每一单一电池正极与一个电压检测装置输入端连接，所述检测装置输出信号为数字信号,各个电压检测装置的输出端与数字信号处理装置连接，所述串联电池组还包括一个开关网络和电压提升装置；每一所述单一电池正极连接开关网络，所述开关网络还连接电压提升装置的电压输入端和电压输出端；

所述开关网络能够通过开关切换，选择任意一个单一电池的正极与电压提升装置的电压输入端或电压输出端连接；所述数字信号处理装置与开关网络的各个开关控制连接，所述数字信号处理装置具备如下功能：根据电压检测装置输入的数字信号，检测出正负极压差最大和最小的单一电池。

优选的，所述电压提升装置为boost升压结构电路或包括一级boost升压结构电路的两级升压电路。

优选的，所述开关网络包括分别连接每一单一电池正极的多个均衡开关，所述均衡开关的另一端均与电压切换端连接；所述电压提升装置的电压输入端和电压输出端分别通过低压开关和高压开关与电压切换端连接。

优选的，所述开关网络包括分别连接每一单一电池正极的多个输入开关，所述输入开关的另一端均与电压提升装置的电压输入端连接，所述开关网络还包括分别连接每一单一电池正极的多个输出开关，所述输出开关的另一端均与电压提升装置的电压输出端连接。

优选的，所述数字信号处理装置内置有时钟发生器。

本发明还公开了一种串联电池组，采用了如上任意一项所述的均衡管理系统。

本发明还公开了一种串联电池组控制方法，基于如上任意一项所述的均衡管理系统，数字信号处理装置根据电压检测装置输入的数字信号，即时检测出正负极压差最大和最小的单一电池,利用开关网络的控制，使压差最大的单一电池正极与电压提升装置的电压输入端连接，压差最小的单一电池正极与电压提升装置的电压输出端连接。

具体的，基于如前所述第二种优选方式所述的均衡管理系统，数字信号处理装置检测出正负极压差最大和最小的单一电池之后，先仅将与压差最大单一电池连接的均衡开关及低压开关闭合一个设定时长，再仅将与压差最小单一电池连接的均衡开关及高压开关闭合一个设定时长。

具体的，基于如前所述第三种优选方式所述的均衡管理系统，数字信号处理装置检测出正负极压差最大和最小的单一电池之后，仅将与压差最大单一电池连接的输入开关和与压差最小单一电池连接的输出开关闭合。

具体的，基于如前所述第四种优选方式所述的均衡管理系统，所述数字信号处理装置对于数字信号的识别判断及各个开关的切换，在时钟发生器产生的时钟信号的每一周期边沿开始同步进行。

采用本发明所述的串联电池组电压均衡管理系统、串联电池组及其控制方法，具有如下优越性：

一.利用开关网络实现了对串联电池组各个单一电池电压的均衡管理，动态响应速度快，采用多路复用，时分复用的即时控制方式，使电池电压随时均衡，有效提高了电池使用寿命。

二.高电压电池能量被收集用于补充低电压电池，提高了电池利用效率，延长了电池单次充电使用时间。

三.利用升压装置提升充电电压，有效缩短了均衡时间，均衡效果大幅改善，可以实现在很短时间内完成高低压电压之间的均衡。

四.全部单一电池仅需采用一组电池升压装置，同时对电压检测装置的检测精度要求大幅降低，降低了均衡管理硬件成本。

附图说明

图1为本发明所述串联电池组电压均衡管理系统的一种具体实施方式结构示意图，图2为本发明所述串联电池组电压均衡管理系统的又一种具体实施方式结构示意图，图中附图标记名称为adc-模数转换器，dsp-数字信号处理装置，vo-供电端，vup-电压提升装置，vg-电压切换端，k-均衡开关，k1-输入开关，k2-输出开关,kl-低压开关，kh-高压开关，c1、c2、c3、c4表示仅不同的单一电池。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述串联电池组电压均衡管理系统，应用于串联形式的多个单一电池，包括多个电压检测装置和数字信号处理装置dsp，每一单一电池正极与一个电压检测装置输入端连接，所述检测装置输出信号为数字信号,各个电压检测装置的输出端与数字信号处理装置连接，所述串联电池组还包括一个开关网络和电压提升装置vup；每一所述单一电池正极连接开关网络，所述开关网络还连接电压提升装置的电压输入端和电压输出端；

所述开关网络能够通过开关切换，选择任意一个单一电池的正极与电压提升装置的电压输入端或电压输出端连接；所述数字信号处理装置与开关网络的各个开关控制连接，所述数字信号处理装置具备如下功能：根据电压检测装置输入的数字信号，检测出正负极压差最大和最小的单一电池。

如图1所示，给出一个基于四单一电池的串联电池应用方式，图1中，采用模数转换器adc作为电压检测装置，将四个单一电池c1、c2、c3、c4的正极电压模拟信号转化为数字信号输入到数字信号处理装置，从图1可见，c2、c3、c4电池的正极电压也是c1、c2、c3的负极电压，数字信号处理装置根据收到的数字信号，易于计算得出各个电池正极电压之间的差值，从而得到各个单一电池即时的输出电压，并比较选择出最高和最低压差的单一电池。

数字信号处理装置控制开关网络，使最高压差单一电池与电压提升装置的电压输入端连接，利用最高压差单一电池正极作为输入电源提升电压，提升电压后以提升后的电压对最低压差单一电池进行充电，实现以高压电池电量弥补低压差电池。

图1和图2分别给出了开关网络的两种具体实施方式，图1所示的具体实施方式中，开关网络包括分别连接每一单一电池正极的多个均衡开关k，所述均衡开关的另一端均与电压切换端连接；所述电压提升装置的电压输入端和电压输出端分别通过低压开关kl和高压开关kh与电压切换端vg连接。

假设数字信号检测装置检测出单一电池c1压差最高，单一电池c3压差最低，则首先闭合与c1连接的均衡开关及低压开关，其他开关均断开，形成c1正极到电压提升装置电压输入端的通路，进行充电升压操作，随后闭合与c3连接的均衡开关及高压开关，其他开关均断开，形成c3正极到电压提升装置电压输出端的通路，进行放电操作，利用输出高压对单一电池c3正极进行充电，完成电压均衡。闭合高压开关和低压开关的时间根据预先设定值决定，一般在微秒级别。

现有技术中，实现电压升压有boost、buck-boost、电荷泵等成熟架构，考虑到本发明中电压升压可能需要达到近百倍级别，优选采用boost升压结构，或采用两级升压结构，例如先利用电荷泵升压一次，再以boost结构再举升电压，实现高倍升压。

图1所示的开关网络实施方式使用的开关数量较少，但对充电和放电需要分时进行，响应速度较慢；图2所示的开关网络实施方式可以提高响应速度。

图2所示的具体实施方式中，所述开关网络包括分别连接每一单一电池正极的多个输入开关k1，所述输入开关的另一端均与电压提升装置的电压输入端连接，所述开关网络还包括分别连接每一单一电池正极的多个输出开关k2，所述输出开关的另一端均与电压提升装置vup的电压输出端连接。

仍然假设数字信号检测装置检测出单一电池c1压差最高，单一电池c3压差最低，数字信号处理装置检测到后，控制与c1连接的输入开关及与c3连接的输出开关闭合，其他开关均断开，形成c1正极到电压提升装置电压输入端的通路及c3正极到电压提升装置电压输出端的通路，电压提升装置以c1正极为充电电源提升电压，提升后的电压输出到c3正极充电，完成电压均衡；图2所示的具体实施方式，对于开关切换及电池选择可以即时进行，提高了响应速度。

电池电压检测装置除adc外，也可以采取更多部件，例如先用运算放大器将检测电压信号与一个基准值误差放大后再输入adc进行采样，或在电池上串联一个电流采样电阻，通过对采样电阻两端压差检测表征电池电压；由于实际使用的各个单一电池都是标定性能相同的电池，电池输出电压及电流之间的差值不会太大，检测电池电压本身的绝对值并无太大意义，但是由于差值的存在，仍然可能导致电池寿命的急剧缩短，因此检测装置的作用主要是检测出一个能表征电池电压值的数字值，从而挑选出电压最高和电压最低的两个单一电池。

本发明中，由于只关心单一电池之间的电压差值，且采用动态平衡，使得对adc检测精度的要求大幅降低，即使adc检测存在误差，该误差也被差值计算所抵消，并且由于动态平衡方式，使得adc的检测误差几乎不会对平衡状态产生实质性影响，降低了产品成本。

本发明中，数字信号处理装置采用即时检测技术，随时切换各个开关的工作状态，例如前述电池c1和c3实现电压均衡时，各个adc仍然持续检测各个单一电池电压，实现电压均衡后，单一电池c2可能变成四个电池中正负极压差最高的电池，单一电池c4可能变成四个电池中正负极压差最低的电池，此时数字信号处理装置则控制连接单一电池c1和c3的相应开关断开，并闭合连接单一电池c2和c4的相应开关，实现c2和c4之间的电压均衡。实现动态均衡控制和即时检测的过程中，可以利用在数字信号处理装置中增加时钟发生器产生时钟信号，对检测电压及切换开关动作进行同步管理，减少误动作及操作冲突发生的可能性，例如可以设置在时钟信号上升沿开始新的电压检测，检测后在本周期下降沿或下一周期的上升沿对各个开关进行控制切换，从而更好的实现时序正确。

本发明所述的具体实施方式虽然只公开了四个单一电池串联的情况，但显然本领域技术人员可以根据本发明公开内容任意增加电池串联个数，实现更多个单一电池的串联电池网络结构。

本发明中，数字信号处理装置实现的根据数字信号排序选择最高值和最低值，并控制对应的开关，在本领域内为非常简单的程序编制，属于现有技术，本领域技术人员可以轻松实现。

采用本发明所述的串联电池组电压均衡管理系统、串联电池组及其控制方法，具有如下优越性：

一.利用开关网络实现了对串联电池组各个单一电池电压的均衡管理，动态响应速度快，采用多路复用，时分复用的即时控制方式，使电池电压随时均衡，有效提高了电池使用寿命。

二.高电压电池能量被收集用于补充低电压电池，提高了电池利用效率，延长了电池单次充电使用时间。

三.利用升压装置提升充电电压，有效缩短了均衡时间，均衡效果大幅改善，可以实现在很短时间内完成高低压电压之间的均衡。

四.全部单一电池仅需采用一组电池升压装置，同时对电压检测装置的检测精度要求大幅降低，降低了均衡管理硬件成本。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。