一种锂电池组集中式动态均衡充电系统及方法

1.本发明属于电池技术领域，涉及一种锂电池组集中式动态均衡充电系统及方法。


背景技术：

2.锂电池通常以串联的方式进行充电，由于制作工艺及外部环境差异，单体电池会存在不一致性，导致各单体电池充电不均衡，从而降低锂电池组的可用容量并存在安全隐患，因此有必要引入有效的电池均衡技术来提高动力锂电池组工作性能以延长使用寿命。
3.均衡技术根据均衡过程中对能量的处理方式不同分为被动均衡与主动均衡。被动均衡是通过在单体电池两端并联耗散电阻的方式耗散掉电池多余能量，其结构简单、控制容易，但均衡电流较小，均衡速度慢，且并联的均衡电阻会产生大量的热量，存在热管理安全问题。主动均衡具有能量利用率高、均衡速度快等优点，通常利用电容、电感、变压器以及dc-dc变换器来实现组内电池间的电量转移。根据能量转移方式将主动均衡分为为集中式均衡和分布式均衡两大类。分布式均衡结构中每节单体电池对应一个能量转移电路，通过能量转移电路实现单体电池向锂电池组的能量转移，随着电池数量的增加，会增加分布式均衡的成本和能量转移电路的复杂性。集中式均衡结构中整组电池仅使用一个能量转移电路，成本较低，控制精度高，实用性强，是当前较为常用的均衡方法。
4.基于电容的集中式均衡方法以电容作为能量转移载体，根据组内单体电池间压差实现电池间的电量均衡，但均衡时间较长；基于电感的集中式均衡方法其均衡电流可控，但均衡电路体积较大；基于变压器的集中式均衡方法会随着电池数量的增加，变压器结构趋于复杂；基于dc-dc变换器的集中式均衡方法具有均衡速度快、均衡精度高、均衡电流大等优点，在工程应用中更为广泛。
5.目前基于dc-dc变换器的集中式均衡方法大多是在锂电池组静置状态下完成均衡，均衡结束时未能实现对锂电池组整体容量的提升，不能最大限度地使用锂电池组可用容量。另外，也有在均衡过程中实时与充电器通信实现对锂电池组输入能量的调节，使得充电结束时达到电量一致，但与充电器实时通信的过程中增加了控制难度，同时也增加了控制成本。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂电池组集中式动态均衡充电系统及方法。实现不用控制充电器即可对锂电池组充电能量的控制，避免了未断开充电器长时间对锂电池组充电的安全隐患。
7.实现锂电池组动态均衡充电，对已满充的电池电量保持不变，未满电的电池继续均衡选通充电，充电结束时，整组电池处于满电状态，增加锂电池组可用容量，延长电池寿命。
8.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种锂电池组集中式动态均衡充电系统，该系统包括充电双向开关、前端监控芯
片、锂电池组、双向开关、极性开关、隔离驱动、微控制器mcu和dc-dc变换器；
10.所述锂电池组由n个分别标记为b1、b2、
…
、bn的单体电池串联组成，每节电池两端连接一组所述双向开关，共n+1个；
11.为匹配选通单体电池正负极性，在所述dc-dc变换器的输出端与所述双向开关之间连接四组所述极性开关，所述双向开关和所述极性开关共同组成开关阵列；
12.所述dc-dc变换器的输入端连接至所述锂电池组的正负极，输出端配合开关阵列选通连接到组内任一单体电池；每节单体电池两端连接到所述前端监控芯片，所述微控制器mcu与所述前端监控芯片信号连接，用于监控组内各单体电池状态；所述mcu配合所述隔离驱动对开关阵列选通及所述dc-dc变换器工作进行控制；
13.所述锂电池组的充电回路中加入所述充电双向开关，所述mcu对充电双向开关进行调制，控制锂电池组充入的能量。
14.可选的，所述系统未开启均衡功能时，利用充电器对锂电池组充电，开关阵列处于断开状态，dc-dc变换器停止工作；
15.前端监控芯片监测到锂电池组内某单体电池端压达到均衡开启阈值时，开关阵列选通当前电量最低的单体电池，dc-dc变换器开启工作，能量从锂电池组向选通的单体电池转移；调节充电双向开关开通占空比，使锂电池组充电能量与均衡转移能量匹配，实现充电器为被选通的单体电池充电，被均衡充电单体电池端压达到均衡开启阈值时该单体电池均衡充电结束；经过多次轮询判断组内各单体电池端压是否达到均衡开启阈值并对其进行均衡充电后，整个充电过程结束；
16.设锂电池组中单体电池b1的端压达到均衡开启阈值，开启均衡充电，当前单体电池b3电量最低；记被均衡充电单体电池b3的均衡电流为ib，端压为u
b3
，得单体电池b3的均衡充电功率p
b3
表示为：
17.p
b3
＝u
b3
·
ibꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
18.记能量转移过程中均衡效率为ηo，得锂电池组的转移功率p
shift
表示为：
[0019][0020]
记锂电池组端压为u
bs
，得锂电池组均衡转移电流i
shift
表示为：
[0021][0022]
记均衡充电过程中锂电池组的充电电流为i
bs
，为满足充电能量与均衡转移能量相匹配，联立式(1)、式(2)、式(3)得：
[0023][0024]
充电电流i
bs
与被均衡单体电池的均衡电流、电池端压、锂电池组端压以及dc-dc变换器的转换效率存在对应关系，实时调整充电电流i
bs
即可实现锂电池组充电能量与均衡转移能量的动态匹配；
[0025]
充电器输出电流平均值计算公式如式(5)所示；式(5)中t
sc
为pwm调制信号的一个开关周期，t
on
为一个开关周期内充电双向开关的开通时间，dc为一个周期内充电双向开关
开通占空比；
[0026][0027]
dc-dc变换器由前级反激变换器与后级buck变换器组成两级式结构；dc-dc变换器的输入侧连接至锂电池组，均衡过程中，反激变换器先将锂电池组电压通过前级降压到v
o1
，然后v
o1
通过buck变换器以恒定电流i
o2
为选通的电池充电。
[0028]
基于所述系统的锂电池组集中式动态均衡充电方法，该方法包括以下步骤：
[0029]
s1：判断锂电池组当前是否处于保护状态；
[0030]
充电器接通锂电池组前，充电双向开关断开，充电回路处于开路状态；前端监控芯片采集组内各单体电池端压，任一电池处于欠压或过压状态时，充电双向开关一直断开，不对锂电池组充电，同时开关阵列和dc-dc变换器均不工作；
[0031]
s2：锂电池组开启充电；
[0032]
判断锂电池组未进入保护状态后，打开充电双向开关按照预设充电倍率对锂电池组充电；
[0033]
s3：判断是否开启均衡充电；
[0034]
锂电池组充电过程中前端监控芯片检测是否有单体电池端压达到均衡开启阈值，若存在某单体电池端压达到均衡开启阈值，则执行s4；否则，保持当前充电状态继续充电，直到检测到某电池端压达到均衡开启阈值；
[0035]
s4：均衡充电；
[0036]
开启均衡充电判断功能；微控制器mcu首先判断端压极差是否在设定允许值内，在设定值之内则不执行均衡充电，不在设定值内则开启均衡充电；开启均衡充电功能后，首先调节充电双向开关使得充电器以均衡充电的充电倍率对锂电池组充电，当组内某单体电池端压再次达到均衡开启阈值时，微控制器mcu对当前组内各电池端压从大至小排序，dc-dc变换器的输出侧通过开关阵列选通至当前端压最低的单体电池，微控制器mcu控制锂电池组能量向被选通的单体电池转移，实时计算锂电池组均衡过程中转移的电流，调整充电双向开关的脉冲宽度，使得每个开关周期内的流入锂电池组的能量等于其均衡转移的能量，使得已达到均衡开启阈值的电池能量不再增加，被选通的单体电池继续充电；
[0037]
s5：判断当前选通电池均衡充电是否结束；
[0038]
均衡充电过程实时检测组内各单体电池端压，当检测到被均衡充电电池的端压达到均衡开启阈值时视为该单体电池均衡充电结束；
[0039]
s6：轮询均衡充电；
[0040]
轮询对余下所有单体电池判断是否需要均衡充电，当检测单体电池端压与均衡开启阈值小于设定值时，不进行均衡充电，否则开启均衡充电，直到所有单体电池都完成查询并判断是否开启均衡充电；
[0041]
s7：判断均衡充电完成；
[0042]
轮询充电结束后监测各电池端压是否处于均衡开启阈值，若处于则进入s8，否则回到s6直到所有电池端压达到均衡开启阈值；
[0043]
s8：充电完成；
[0044]
上报充电完成信号，记录下整个充电过程中电压变化数据，结束充电。
[0045]
本发明的有益效果在于：
[0046]
1、本发明系统不用与充电器通信，通过控制充电双向开关的开通和关断时间控制锂电池组的充电能量，简化了控制。
[0047]
2、本发明系统保证锂电池组充电过程中端压达到均衡开启阈值的电池不再继续充电，其余电池能继续被选通充电，通过这种充电方式可以延长电池寿命，避免电池过充电的风险。
[0048]
3、本发明方法在充电结束时，每节电池处于相同的预设均衡条件下，电性能一致性相近，最大限度提高锂电池组整体使用容量，延长电池使用寿命。
[0049]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0050]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0051]
图1为集中式动态全均衡充电系统结构；
[0052]
图2为均衡充电过程中能量流动关系；
[0053]
图3为dc-dc变换器；
[0054]
图4为均衡充电各单体电池端压变化过程。
具体实施方式
[0055]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0056]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0057]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0058]
均衡充电系统结构：本发明提供的锂电池组集中式动态全均衡充电系统结构图1
所示。
[0059]
锂电池组由n个分别标记为b1、b2、
…
、bn的单体电池串联组成，每节电池两端连接一组双向开关，共n+1个。为匹配选通单体电池正负极性，在dc-dc变换器输出端与双向开关之间连接了四组极性开关，双向开关和极性开关共同组成开关阵列。dc-dc变换器输入端连接至锂电池组的正负极，输出端配合开关阵列选通连接到组内任一单体电池。每节单体电池两端连接到前端监控芯片，微控制器mcu与前端监控芯片通信，监控组内各单体电池状态。另外，mcu配合隔离驱动对开关阵列选通及dc-dc变换器工作进行控制。锂电池组充电回路中加入了充电双向开关，mcu直接对其进行调制，控制锂电池组充入的能量。
[0060]
均衡充电原理：锂电池组整个均衡充电过程如图2所示。未开启均衡功能时，充电器直接对锂电池组充电，开关阵列处于断开状态，dc-dc变换器停止工作，如图2中回路1所示。前端监控芯片监测到组内某单体电池端压达到均衡开启阈值时，开关阵列选通当前电量最低的单体电池，dc-dc变换器开启工作，此时能量从锂电池组向选通的单体电池转移，如图2中回路2和回路3所示。同时调节充电双向开关开通占空比，使锂电池组充电能量与均衡转移能量匹配，即回路1与回路2的能量抵消，达到充电器直接为被选通的单体电池充电的目的，被均衡充电单体电池端压达到均衡开启阈值时此节电池均衡充电结束。经过多次轮询判断组内各单体电池端压是否达到均衡开启阈值并对其进行均衡充电后，整个充电过程结束。
[0061]
现假设锂电池组中1号单体电池端压已达到均衡开启阈值，此时开启均衡充电，当前3号电池电量最低。记此时被均衡充电3号电池的均衡电流为ib，端压为u
b3
，得3号电池的均衡充电功率p
b3
可表示为：
[0062]
p
b3
＝u
b3
·
ibꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0063]
记能量转移过程中均衡效率为ηo，得锂电池组的转移功率p
shift
可表示为：
[0064][0065]
记锂电池组端压为u
bs
，由式(2)可得锂电池组均衡转移电流i
shift
可表示为：
[0066][0067]
记均衡充电过程中锂电池组的充电电流为i
bs
，为满足充电能量与均衡转移能量相匹配，联立式(1)、式(2)、式(3)可得：
[0068][0069]
由式(4)可知，充电电流i
bs
与被均衡单体电池的均衡电流、电池端压、锂电池组端压以及dc-dc变换器的转换效率存在对应关系，实时调整充电电流i
bs
即可实现锂电池组充电能量与均衡转移能量的动态匹配。
[0070]
充电器输出电流平均值计算公式如式(5)所示。式(5)中t
sc
为pwm调制信号的一个开关周期，t
on
为一个开关周期内充电双向开关的开通时间，dc为一个周期内充电双向开关开通占空比。
[0071][0072]
dc-dc变换器结构图3所示，由前级反激变换器与后级buck变换器组成两级式结构。变换器输入侧连接至锂电池组，均衡过程中，反激变换器先将锂电池组电压通过前级降压到v
o1
，然后v
o1
通过buck变换器以恒定电流i
o2
为选通的电池充电。
[0073]
方案实施步骤如下：
[0074]
s1：判断锂电池组当前是否处于保护状态
[0075]
充电器接通锂电池组前，充电双向开关断开，充电回路处于开路状态。前端监控芯片采集组内各单体电池端压，任一电池处于欠压或过压状态时，充电双向开关一直断开，不对锂电池组充电。同时开关阵列和dc-dc变换器均不工作。
[0076]
s2：锂电池组开启充电
[0077]
判断锂电池组未进入保护状态后，打开充电双向开关按照预设充电倍率对锂电池组充电。
[0078]
s3：判断是否开启均衡充电
[0079]
锂电池组充电过程中前端监控芯片检测是否有单体电池端压达到均衡开启阈值，若存在某单体电池端压达到均衡开启阈值，则执行s4。否则，保持当前充电状态继续充电，直到检测到某电池端压达到均衡开启阈值。
[0080]
s4：均衡充电
[0081]
控制系统开启均衡充电判断功能。控制器首先判断端压极差是否在设定允许值内，在设定值之内则不执行均衡充电，不在设定值内则开启均衡充电。开启均衡充电功能后，首先调节充电双向开关使得充电器以均衡充电的充电倍率对锂电池组充电，当组内某单体电池端压再次达到均衡开启阈值时，控制器对当前组内各电池端压从大至小排序，dc-dc变换器的输出侧通过开关阵列选通至当前端压最低的单体电池，控制器控制锂电池组能量向被选通的单体电池转移，实时计算锂电池组均衡过程中转移的电流，调整充电双向开关的脉冲宽度，使得每个开关周期内的流入锂电池组的能量等于其均衡转移的能量，使得已达到均衡开启阈值的电池能量不再增加，被选通的单体电池继续充电。
[0082]
s5：判断当前选通电池均衡充电是否结束
[0083]
均衡充电过程实时检测组内各单体电池端压，当检测到被均衡充电电池的端压达到均衡开启阈值时视为本节电池均衡充电结束。
[0084]
s6：轮询均衡充电
[0085]
轮询对余下所有电池判断是否需要均衡充电，当检测单体电池端压与均衡开启阈值小于设定值时不需均衡充电，否则需开启均衡充电，直到所有电池都被查询并判断是否开启均衡充电。
[0086]
s7：判断均衡充电完成
[0087]
轮询充电结束后监测各电池端压是否在均衡开启阈值附近，若在则进入s8，否则回到s6直到所有电池端压达到均衡开启阈值。
[0088]
s8：充电完成
[0089]
上报充电完成信号，记录下完整充电过程中电压变化数据，结束充电。
[0090]
以24串磷酸铁锂电池组为实验对象进行案例说明
[0091]
单体磷酸铁锂电池型号为ifr32135-15ah
[0092]
具体实验操作步骤：
[0093]
s1：判断锂电池组当前是否处于保护状态
[0094]
充电器接通锂电池组前，充电双向开关断开，充电回路处于开路状态。前端监控芯片采集组内各单体电池端压，任一电池处于欠压(2.0v)或过压(3.7v)状态时，充电双向开关一直断开，不对锂电池组充电。同时开关阵列不选通、dc-dc变换器不工作。
[0095]
s2：锂电池组开启充电
[0096]
判断锂电池组未进入保护状态后，打开充电双向开关按照预设0.5c(7.5a)充电倍率对锂电池组充电。
[0097]
s3：判断是否开启均衡充电
[0098]
锂电池组充电过程中前端监控芯片检测是否有单体电池端压达到均衡开启阈值(3.55v)，若存在某单体电池端压达到均衡开启阈值(3.55v)，则执行s4。否则，保持当前充电状态继续充电，直到检测到某电池端压达到均衡开启阈值(3.55v)。
[0099]
s4：均衡充电
[0100]
控制器开启均衡充电判断功能。控制器首先判断端压极差是否在设定允许值内(10mv)，在设定值之内则不执行均衡充电，不在设定值内则开启均衡充电。开启均衡充电功能后，首先调节充电双向开关使得充电器以0.2c(3a)充电倍率对锂电池组充电，当组内某单体电池端压再次达到均衡开启阈值(3.55v)时，控制器对当前组内各电池端压从大至小排序，dc-dc变换器的输出侧通过开关阵列选通至当前端压最低的单体电池，控制器控制锂电池组能量向被选通的单体电池转移，实时计算锂电池组均衡过程中转移的电流，调整充电双向开关的脉冲宽度，使得每个开关周期内的流入锂电池组的能量等于其均衡转移的能量，使得已达到均衡开启阈值的电池能量不再增加，被选通的单体电池继续充电。
[0101]
拟取当前被均衡充电的单体电池端压ub为3.4v，dc-dc变换器输出的均衡电流ib为3a，得被均衡充电电池的充电功率pb表示为：
[0102]
pb＝ub·
ib＝10.2w
[0103]
取能量转移过程中均衡效率ηo为80％，得锂电池组的转移功率p
shift
表示为：
[0104][0105]
记此时锂电池组端压为u
bs
为70v，得锂电池组均衡转移电流i
shift
表示为：
[0106][0107]
记均衡充电过程中锂电池组的充电电流为i
bs
，为满足充电能量与均衡转移能量相匹配，联立pb、p
shift
、i
shift
可得：
[0108][0109]
充电电流i
bs
与被均衡单体电池的均衡电流、电池端压、锂电池组端压以及dc-dc变换器的转换效率存在对应关系，实时调整充电电流i
bs
即可实现锂电池组充电能量与均衡转移能量的动态匹配。
[0110]
充电器输出电流平均值计算公式如下：
[0111][0112]
式中t
sc
为pwm调制信号的一个开关周期，t
on
为一个开关周期内充电双向开关的开通时间，dc为一个周期内充电双向开关开通占空比。
[0113]
s5：判断当前选通电池均衡充电是否结束
[0114]
均衡充电过程实时检测组内各单体电池端压，当检测到被均衡充电电池的端压达到均衡开启阈值时视为本节电池均衡充电结束。
[0115]
s6：轮询均衡充电
[0116]
轮询对余下所有电池判断是否需要均衡充电，当检测单体电池端压与均衡开启阈值小于设定值(5mv)时不需均衡充电，否则需开启均衡充电，直到所有电池都被查询并判断是否开启均衡充电。
[0117]
s7：判断均衡充电完成
[0118]
轮询充电结束后监测各电池端压是否在均衡开启阈值附近，若在则进入s8，否则回到s6直到所有电池端压达到均衡开启阈值。
[0119]
s8：充电完成
[0120]
上报充电完成信号，结束充电。
[0121]
对整个充电过程电池端压变化进行采集，其结果如图4所示。由图看出，充电结束时各电池端压其余一致，完成了锂电池组均衡充电。
[0122]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种锂电池组集中式动态均衡充电系统，其特征在于：该系统包括充电双向开关、前端监控芯片、锂电池组、双向开关、极性开关、隔离驱动、微控制器mcu和dc-dc变换器；所述锂电池组由n个分别标记为b1、b2、
…
、b
n
的单体电池串联组成，每节电池两端连接一组所述双向开关，共n+1个；为匹配选通单体电池正负极性，在所述dc-dc变换器的输出端与所述双向开关之间连接四组所述极性开关，所述双向开关和所述极性开关共同组成开关阵列；所述dc-dc变换器的输入端连接至所述锂电池组的正负极，输出端配合开关阵列选通连接到组内任一单体电池；每节单体电池两端连接到所述前端监控芯片，所述微控制器mcu与所述前端监控芯片信号连接，用于监控组内各单体电池状态；所述mcu配合所述隔离驱动对开关阵列选通及所述dc-dc变换器工作进行控制；所述锂电池组的充电回路中加入所述充电双向开关，所述mcu对充电双向开关进行调制，控制锂电池组充入的能量。2.根据权利要求1所述的一种锂电池组集中式动态均衡充电系统，其特征在于：所述系统未开启均衡功能时，利用充电器对锂电池组充电，开关阵列处于断开状态，dc-dc变换器停止工作；前端监控芯片监测到锂电池组内某单体电池端压达到均衡开启阈值时，开关阵列选通当前电量最低的单体电池，dc-dc变换器开启工作，能量从锂电池组向选通的单体电池转移；调节充电双向开关开通占空比，使锂电池组充电能量与均衡转移能量匹配，实现充电器为被选通的单体电池充电，被均衡充电单体电池端压达到均衡开启阈值时该单体电池均衡充电结束；经过多次轮询判断组内各单体电池端压是否达到均衡开启阈值并对其进行均衡充电后，整个充电过程结束；设锂电池组中单体电池b1的端压达到均衡开启阈值，开启均衡充电，当前单体电池b3电量最低；记被均衡充电单体电池b3的均衡电流为i
b
，端压为u
b3
，得单体电池b3的均衡充电功率p
b3
表示为：p
b3
＝u
b3
·
i
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)记能量转移过程中均衡效率为η
o
，得锂电池组的转移功率p
shift
表示为：记锂电池组端压为u
bs
，得锂电池组均衡转移电流i
shift
表示为：记均衡充电过程中锂电池组的充电电流为i
bs
，为满足充电能量与均衡转移能量相匹配，联立式(1)、式(2)、式(3)得：充电电流i
bs
与被均衡单体电池的均衡电流、电池端压、锂电池组端压以及dc-dc变换器的转换效率存在对应关系，实时调整充电电流i
bs
即可实现锂电池组充电能量与均衡转移能量的动态匹配；
充电器输出电流平均值计算公式如式(5)所示；式(5)中t
sc
为pwm调制信号的一个开关周期，t
on
为一个开关周期内充电双向开关的开通时间，d
c
为一个周期内充电双向开关开通占空比；dc-dc变换器由前级反激变换器与后级buck变换器组成两级式结构；dc-dc变换器的输入侧连接至锂电池组，均衡过程中，反激变换器先将锂电池组电压通过前级降压到v
o1
，然后v
o1
通过buck变换器以恒定电流i
o2
为选通的电池充电。3.基于权利要求1所述系统的锂电池组集中式动态均衡充电方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：s1：判断锂电池组当前是否处于保护状态；充电器接通锂电池组前，充电双向开关断开，充电回路处于开路状态；前端监控芯片采集组内各单体电池端压，任一电池处于欠压或过压状态时，充电双向开关一直断开，不对锂电池组充电，同时开关阵列和dc-dc变换器均不工作；s2：锂电池组开启充电；判断锂电池组未进入保护状态后，打开充电双向开关按照预设充电倍率对锂电池组充电；s3：判断是否开启均衡充电；锂电池组充电过程中前端监控芯片检测是否有单体电池端压达到均衡开启阈值，若存在某单体电池端压达到均衡开启阈值，则执行s4；否则，保持当前充电状态继续充电，直到检测到某电池端压达到均衡开启阈值；s4：均衡充电；开启均衡充电判断功能；微控制器mcu首先判断端压极差是否在设定允许值内，在设定值之内则不执行均衡充电，不在设定值内则开启均衡充电；开启均衡充电功能后，首先调节充电双向开关使得充电器以均衡充电的充电倍率对锂电池组充电，当组内某单体电池端压再次达到均衡开启阈值时，微控制器mcu对当前组内各电池端压从大至小排序，dc-dc变换器的输出侧通过开关阵列选通至当前端压最低的单体电池，微控制器mcu控制锂电池组能量向被选通的单体电池转移，实时计算锂电池组均衡过程中转移的电流，调整充电双向开关的脉冲宽度，使得每个开关周期内的流入锂电池组的能量等于其均衡转移的能量，使得已达到均衡开启阈值的电池能量不再增加，被选通的单体电池继续充电；s5：判断当前选通电池均衡充电是否结束；均衡充电过程实时检测组内各单体电池端压，当检测到被均衡充电电池的端压达到均衡开启阈值时视为该单体电池均衡充电结束；s6：轮询均衡充电；轮询对余下所有单体电池判断是否需要均衡充电，当检测单体电池端压与均衡开启阈值小于设定值时，不进行均衡充电，否则开启均衡充电，直到所有单体电池都完成查询并判断是否开启均衡充电；s7：判断均衡充电完成；轮询充电结束后监测各电池端压是否处于均衡开启阈值，若处于则进入s8，否则回到
s6直到所有电池端压达到均衡开启阈值；s8：充电完成；上报充电完成信号，记录下整个充电过程中电压变化数据，结束充电。

技术总结
本发明涉及一种锂电池组集中式动态均衡充电系统及方法，属于电池技术领域。该系统包括充电双向开关、前端监控芯片、锂电池组、双向开关、极性开关、隔离驱动、微控制器MCU和DC-DC变换器；本发明系统不用与充电器通信，通过控制充电双向开关的开通和关断时间控制锂电池组的充电能量，简化了控制。本发明系统保证锂电池组充电过程中端压达到均衡开启阈值的电池不再继续充电，其余电池能继续被选通充电，通过这种充电方式可以延长电池寿命，避免电池过充电的风险。本发明方法在充电结束时，每节电池处于相同的预设均衡条件下，电性能一致性相近，最大限度提高锂电池组整体使用容量，延长电池使用寿命。长电池使用寿命。长电池使用寿命。


技术研发人员：陈艳 敖川 章治国 柏科
受保护的技术使用者：重庆理工大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/1