一种电池均衡充电装置及方法 【技术领域】
本发明涉及电池充电技术，具体的说，涉及一种电池均衡充电装置及方法。
背景技术
现有的电池均衡技术，大体可分为旁路法和能量转移法。旁路法是在当某个单体电芯电压过高时，在其上加一旁路电阻，放掉多余的能量，使整体电压达到平衡，这种方法属于完全的能量损耗型，且由于旁路电阻产生的热量，不可能应用于大容量的电池，这种方法在小容量电池管理系统上较常见，一般旁路电流在200mA以内。能量转移法是当某只电芯电压过高时将其能量通过内部DC-DC(直流-直流)电路转移到其它电压较低的电芯之上，这种方法的转换效率取决于DC-DC变换电路的效率和转换算法，在极差情况下，如需要将电芯第一节的能量转移到最后一节，其能量将几乎都损耗在转换电路中，此外其电路复杂、故障率较高等不利因素，也导致该项技术难以普及。均衡技术始终是现在电池管理系统的一个技术瓶颈。
【发明内容】
有鉴于上述背景，本发明提供了一种电池均衡充电装置及方法，可以无损均衡方式实现电池均衡充电，且均衡速度快。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种电池均衡充电装置，用于为含有至少一个电池包的电池充电，所述电池包串联有多个电芯，所述装置包括对所述电池进行整体充电的主电源、对所述电池包进行补充充电的辅助电源、将所述辅助电源选通性连接到所述电池包中的每一电芯的充电选通电路、以及采集控制电路，所述采集控制电路用于采集所述电池包中的各个电芯的电压值并根据采集结果确定待均衡电芯组，所述待均衡电芯组包含电池包内的一个电芯，或者包含电池包内的两个或两个以上的邻接电芯，以及用于控制所述充电选通电路将所述辅助电源与所述待均衡电芯组接通，并控制辅助电源输出电压值调整为待均衡电芯组所需充电电压，以对所述待均衡电芯组进行充电。
在上述装置的一种实施例中，所述电池含有多个电池包，每一电池包连接一个所述辅助电源。
在上述装置的一种实施例中，所述采集控制电路包括可编程控制器或单片机。
在上述装置的一种实施例中，所述充电选通电路包含可控开关，所述可控开关为三极管、MOS管或继电器。
在上述装置的一种实施例中，所述充电选通电路还包含与所述可控开关串接的保险丝、二极管、或保险丝和二极管的串联组。
在上述装置的一种实施例中，所述电池为动力锂离子电池。
本发明还公开了一种电池均衡充电方法，用于为含有至少一个电池包的电池充电，所述电池包串联有多个电芯，包含如下步骤：
A、采集控制电路采集电池包中的各个电芯的电压值并根据采集结果确定待均衡电芯组，所述待均衡电芯组包含电池包内的一个电芯，或者包含电池包内的两个或两个以上的邻接电芯；
B、采集控制电路控制充电选通电路将辅助电源与所述待均衡电芯组接通，并控制辅助电源输出电压值调整为待均衡电芯组所需充电电压；
C、辅助电源对所述待均衡电芯组进行补充充电。
在上述方法的一种实施例中，当待均衡电芯组包含多个时，辅助电源优先对最大待均衡电芯组进行补充充电，所述最大待均衡电芯组为含有的电芯数量最多的待均衡电芯组。
在上述方法的一种实施例中，在辅助电源与待均衡电芯组断开时，首先关闭所述辅助电源。
在上述方法的一种实施例中，在辅助电源与待均衡电芯组接通时，首先设置辅助电源输出电压值与待均衡电芯组的当前电压值相同。
在上述方法的一种实施例中，采集控制电路与辅助电源充电电路分离，采集控制电路采集各个电芯的电压值时，辅助电源停止充电。
在上述方法的一种实施例中，均衡启动电压值与均衡停止电压值两者之间设置有回差电压。
在上述方法的一种实施例中，待均衡电芯为其电芯电压差大于等于均衡启动电压值的电芯，所述电芯电压差等于电池包内所有电芯的平均电压与该待均衡电芯的电压差值，或者等于电池包内所有电芯中的电压最高值与该待均衡电芯的电压差值。
本发明通过采集控制电路确定待均衡电芯组，通过充电选通电路选通辅助电源对待均衡电芯组进行补充充电，从而实现电池的均衡充电。一方面，由控制器对电芯的电压采集结果而确定待均衡电芯组，并相应实施均衡，从而可仅对需要均衡的电芯提供适宜的均衡能量，做到无损均衡，因而充电能耗小；另一方面，通过充电选通电路选通连接待均衡电芯组，且辅助电源可在采集控制电路控制下调整自身输出电压，以适应补充充电的电压需求，可以实现同时对多个电芯补充充电，加快了电池充电的均衡速度。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式的辅助电源补充充电结构示意图；
图2是本发明具体实施方式的辅助电源的输出电压调整控制图；
图3是本发明具体实施方式的均衡充电装置结构示意图；
图4是本发明具体实施方式的均衡充电方法流程示意图；
图5是本发明具体实施方式的采集控制电路与辅助电源充电电路分离结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
本发明主要用于对电池进行均衡充电，被充电电池，例如可以是动力锂离子电池，其可以含有一个或多个电池包，每一电池包中，串联有多个电芯(单体电池)。
参见图1和图3，图3示出了本发明示例的均衡充电装置的总体结构，其中，主电源4的正负极分别对应连接在串联有多个电池包1(电池包1、电池包2......、电池包n)的电池的正负极，对电池进行整体充电。
为实现均衡充电，在装置中设置辅助电源2对电池包1进行补充充电，每一电池包1都连接一个辅助电源2(图3为简略起见，仅示出了一个辅助电源2，本领域技术人员在参照图1和下文描述的一个辅助电源与一个电池包地连接方式后，能够轻易得知每一电池包如何与其对应的辅助电源进行连接，不再另行说明)。补充充电的实施过程由采集控制电路5控制进行，采集控制电路5通过控制总线6，与主电源4、辅助电源2、电池包3连接，对主电源4、辅助电源2、电池包3实施控制。采集控制电路5可以采用可编程控制器或者单片机，以便执行整个均衡充电的控制过程。
如图1所示，辅助电源2通过充电选通电路3选通性连接到电池包中的每一电芯，在图1中，示例性的描述了N个电芯BT1、BT2、BT3、......BTn。相应的，设置了2N条充电选通电路3。充电选通电路3中包含可控开关31，以便可控地接通本条充电选通电路，或者断开本条充电选通电路。2N条充电选通电路3的可控开关分别是K1、K2、K 3、K4、K5、K6......、K2n-1、K2n。可控开关可以是三极管、MOS管、继电器等。每两条充电选通电路3为一对，分别连接在一个电芯的正极和负极，并相应连接在辅助电源2的正极和负极，如图1，以可控开关代称其所在的充电选通电路，从而对各条充电选通电路进行区分，则充电选通电路K1和充电选通电路K2构成一对，分别连接在电芯BT1的负极和正极；充电选通电路K1和充电选通电路K2构成一对，分别连接在电芯BT1的负极和正极；充电选通电路K3和充电选通电路K4构成一对，分别连接在电芯BT2的负极和正极；充电选通电路K5和充电选通电路K6构成一对，分别连接在电芯BT3的负极和正极；充电选通电路K2n-1和充电选通电路K2n构成一对，分别连接在电芯BTn的负极和正极；所有与电芯正极相连的充电选通电路连接到辅助电源的正极，所有与电芯负极相连的充电选通电路连接到辅助电源的负极。为提高安全性，在与电芯正极相连的每一充电选通电路3(例如，图1示出的K2、K4、K6、K2n)中也串联有保险丝32和/或二极管33，也即可以只包含保险丝32、或只包含二极管33、或者包括保险丝32和二极管33的串联组，以防止反向电压和/或电流过大。
均衡充电过程在采集控制电路5控制下进行，下文以一个电池包进行说明。首先，由采集控制电路5采集该电池包中的各个电芯的电压，根据采集结果确定电池包内的哪些电芯需要均衡。
确定需要均衡的电芯后，对待均衡电芯进行分组，每一待均衡电芯组可以包含一个电芯，例如图1示出的BT1，也可以包含两个或两个以上的邻接电芯，例如图1示出的邻接的两个电芯BT2和BT3。
如图1所示，在确定了待均衡电芯组后，采集控制电路5对充电选通电路3进行控制，控制充电选通电路5接通辅助电源2与待均衡电芯组，建立辅助电源2与待均衡电芯组的充电回路，使得辅助电源2可以对待均衡电芯组进行充电。假设图1中的电芯BT2、BT3需要均衡，则在采集控制电路5控制下，充电选通电路K3和K6各自闭合其电路上的可控开关K3、K6，从而形成辅助电源2对待均衡电芯组(电芯BT2和BT3的串联)的充电回路；同时，采集控制电路5对辅助电源2的输出电压值进行调整，假设每一电芯需要4.2V电压充电，由于待均衡电芯组包括两个电芯BT2、BT3，故辅助电源2的输出电压值应当是2*4.2V，即8.4V。当一个电池包内含有多个待均衡电芯组时，可以根据多个待均衡电芯组内的电芯数量进行从多到少排序，即含有的电芯数量最多的待均衡电芯组具有最高优先级，首先对该待均衡电芯组进行充电，再按电芯数量从多到少顺序依次对其他待均衡电芯组进行充电。由于在对一个待均衡电芯组补充充电时，电池包内的各个电芯电压还在发生变化，因而有可能在对一个待均衡电芯组补充充电完成后，待均衡电芯发生变化，需要重新确定待均衡电芯组以及最大待均衡电芯组(即含有的电芯数量最多的待均衡电芯组)，而后对该最大待均衡电芯组进行补充充电，以提高电池均衡速度。
如图2所示，图中示出了辅助电源2的电压控制环结构，由采集控制电路5根据待均衡电芯组的充电电压需求，通过其MCU(微控制器)的DA(数模转换)转换输出模拟信号以给出参考电压，参考电压在比较器21处与反馈25返回的辅助电源输出电压比较，确定电压调节值，由调节器22进行相应的调节，PWM(脉宽调制)功放23进行功率放大，主电路24输出调整后的电压，从而使辅助电源输出电压在额定范围内线性可调，以适应同时均衡多节电芯的目的。
如图4所示，本发明实施例的均衡充电方法，其主要流程包括步骤：
1、采集控制电路采集电池包中的各个电芯的电压值并根据采集结果确定待均衡电芯组，所述待均衡电芯组包含电池包内的一个电芯，或者包含电池包内的两个或两个以上的邻接电芯；
2、采集控制电路控制充电选通电路将辅助电源与所述待均衡电芯组接通，并控制辅助电源输出电压值调整为待均衡电芯组所需充电电压；
3、辅助电源对所述待均衡电芯组进行补充充电。
本发明实施例的均衡充电，是一种无损均衡，通过采集控制电路采集电芯电压，确定待均衡电芯组，相应地通过辅助电源进行均衡补充，不需要耗费多余的能量，因而整个过程的能耗小。辅助电源可以同时对多节电芯进行补充充电，提高了电池均衡的速度。
本发明的均衡方法属于完全的无损均衡，均衡电路本身不会损耗电池能量。并且均衡速度快。同时，辅助电源可以同时对多个电芯实施均衡充电，使得整个均衡过程速度快，耗时短。其整个均衡充电效果与现有技术的比较可参见下面的表1。
表1
比较项目 旁路电阻法 能量转移法 本发明 体积 中 大 大 均衡电路效率 全损耗 10％-95％依转换 路径 100％ 均衡电流 200mA 5A 可大于10A 发热量 大 根据不平衡情 况 无 成本 低 高 中 电路复杂度 较简单 复杂 较简单
在均衡充电过程中，充电选通电路需要经常实施切换，以便使辅助电源与待均衡电芯组建立或断开电连接。在本发明的实例中，在辅助电源与待均衡电芯组断开电连接时，首先关闭所述辅助电源，保证在开关断开时，充电回路上没有电流。在辅助电源与待均衡电芯组建立电连接时，首先设置电压值与该电芯组的当前电压值相同，保证在开关接通时，充电回路上没有电压差，不会产生电流，而后在开关接通以后，再提高辅助电源的输出电压到该电芯组所需要的充电电压。通过这种主动设置方式，使得开关切换时，充电回路没有电流，从而不会在开关切换时出现拉弧现象，因而可以提高开关寿命。
可以设定采集控制电路采集各个电芯的电压值时，电源停止充电。如此，可以提高采集控制电路的电压值采集准确度，保证均衡可以更准确的进行。另一方面，在整个均衡充电装置中，采集电路(即用于采集控制电路的各个电芯的电压值采集)与辅助电源的充电电路分离。如图5所示，图中以虚线示出了采集控制电路的线路，称为采集线，包括L1、L2、L4、......、L2n。图5的示例中，电芯BT1的电压通过采集线L1、L2采集，电芯BT2的电压通过采集线L2、L4采集，电芯BT3的电压通过采集线L4、L6采集，电芯BTn的电压通过采集线L2(n-1)、L2n采集。图5示出的电池包，为BT1、BT2、BT3......、BTn的n个电芯的串联组，故对于电池包而言，其正极是位于串联组一端的BTn的正极，其负极是位于串联组另一端的BT1的负极，可以看到，采集线包括n+1条，即采集线数量为电芯数量加一，采集线L1连接在电芯BT1的负极，也即电池包负极，采集线L2、L4、L6、......、L2n分别连接在电芯BT2、BT3、......、BTn的正极，也就是说，n+1条采集线的连接设置是其中一条连接在电池包的一极，另n条则分别连接在电池包内各电芯的另一极。采集线直接连接在电芯的正负极，而不经过辅助电源充电电路的可控开关，即采集控制电路与辅助电源的充电电路分离，不受辅助电源的充电电路接通与否的影响。
可以在均衡启动电压值与均衡停止电压值两者之间设置回差电压。设：单个电芯电压差＝平均电压-单个电芯电压，即在一个电池包中，某一电芯的电压差，等于电池包内所有电芯的平均电压与该电芯的电压差值。某一电芯是否需要均衡，其条件是该电芯的电压差是否在规定范围内，如是，则无需均衡，否则，该电芯即为需要均衡的电芯。所有的均衡都只是相对的，各个电芯的电压不可能做到绝对一致，因此在实际的均衡充电中，各个电芯电压的所谓一致，是指其单个电芯电压差在规定范围内。例如假定单个电芯电压差＜a V被认为是平衡的，则均衡启动条件为单个电芯电压差＞＝a V，但在本发明的示例中，均衡结束条件并非为单个电芯电压差＜a V，而是设置为单个电芯电压差＜(a-b)V，，也即均衡启动电压值与均衡停止电压值之间设置有回差电压b(b＜a)。
例如，a为0.1v，b为0.05v，则在未设置回差时，在单个电芯电压差大于0.1v时，均衡启动，在单个电芯电压差小于0.1v时，均衡结束。回差设置后，均衡启动不变，但单个电芯电压差小于0.05v时，均衡才结束，如此，可以使得均衡不会在一个点频繁跳动(即避免电压在0.1V波动而导致反复的均衡，停止，均衡...)。
单个电芯电压差的计算也可以采用下述公式：单个电芯电压差＝最高电芯电压-单个电芯电压，即在一个电池包中，某一电芯的电压差，等于电池包内所有电芯中的电压最高值与该电芯的电压差值。这种均衡方式可使最终的均衡效果更好，例如在一个包含10节电芯的电池包中，一节电芯为4.1V，其它电芯都是4.0V，采用前述平均值计算法，则其它9节电芯的电压差是0.01V，均衡无法启动。而如果按最高值计算法，其它9节电芯的电压差是0.1V，均衡启动，从而可以继续对其他电芯进行均衡。
均衡工作不受主电源有无输出的影响，主电源在任意一节电芯电压达到设定上限时停止。理想状态下，各个电芯的电压应当一致，到达其设定上限，但受检测、充电等因素影响，均衡一般仅为相对均衡，假设电芯电压的设定上限为cV，则均衡后的各个电芯的电压处于[c-a，c]这一电压区间，可以看到，a越小，则均衡精度越高。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，但这只是为便于理解而举的实例，不应认为本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以做出各种可能的等同改变或替换，这些改变或替换都应属于本发明的保护范围。