[发明专利]一种锂电池组分布式动态均衡充电系统及方法

权利要求书

1.一种锂电池组分布式动态均衡充电系统，其特征在于：该充电系统包括锂电池组、能量转移电路、隔离控制器、控制系统、驱动电路和充电双向开关；

所述锂电池组由n个分别标记为Cell₁、Cell₂、…、Cell_n的单体电池串联组成；每个单体电池两端均连接能量转移模块，共n个，记为能量转移模块1、能量转移模块2、…、能量转移模块n；n个能量转移模块组成能量转移电路；

所述能量转移模块的输入侧连接到单体电池的正负端，输出端连接至锂电池组的正负端；

所述控制系统通过隔离控制器对每个能量转移模块进行控制，使得单体电池能量往锂电池组转移；

所述锂电池组充电回路中设置有充电双向开关，控制系统配合驱动电路对其进行调制，控制锂电池组的充入能量。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池组分布式动态均衡充电系统，其特征在于：所述充电系统未开启均衡功能时，充电器按照预先设定对锂电池组充电，能量转移电路不工作，充电双向开关处于全开状态；

当锂电池组内单体电池达到均衡开启阈值时，对应单体电池通过能量转移电路转移至锂电池组中，同时通过控制充电双向开关占空比的方式调整输入能量与单体电池能量转移电路配合，使得锂电池组中达到阈值的单体电池在开启能量转移电路以后，均衡变量保持不变，均衡结束时，所有单体电池均衡变量趋近一致；

所述锂电池组在充电过程中，充电过程中单体电池端压反应能量，设定单体电池电压达到最大电压即为电池充满，选用电池端压均衡变量；在动力锂电池组充电末期，控制锂电池组的输入能量配合单体电池转移能量，使得端压达到均衡阈值的单体电池能量不再增加，端压维持不变，其余单体电池能量继续增加，端压上升直至达到均衡阈值，最终所有单体电池端压均达到均衡阈值，实现充电结束时所有单体电池端压一致的均衡目标；

设锂电池组中单体电池Cell₁的端压首先达到均衡阈值，开启均衡，单体电池Cell₁能量转移电路启动，能量通过能量转移电路从单体电池Cell₁向整组电池流动，记所有能量转移电路效率均为η，则有：

ΔE′₁＝η·ΔE₁     (1)

在串联锂电池组中，由于充电电流相同，且单体电池端压相差不大的情况下，单体电池Cell₁输入的能量为E₁：

设单体电池Cell₁的能量流出与能量输入相等，单体电池Cell1保有能量不变，得：

ΔE₁＝E₁    (3)

联立式(1)、(2)、(3)得：

E_in＝E-ΔE'₁＝nE₁-ηΔE₁＝(n-η)ΔE₁    (4)

通过测量均衡器输入能量ΔE₁，得到充电器需要输入的能量E_in；调整输入能量E_in使开启均衡的单体电池在整个剩余充电过程中能量保持不变；输入能量平均值E_in的计算公式为：

式中E_in为一段时间内不变的输入能量，T为一个PWM周期，t_on为一个开关周期内充电双向开关的开通时间，D为一个周期内充电双向开关开通占空比；通过调节充电开关导通时间，控制输入能量的平均值大小；导通时间越长，输入能量平均值越大，反之输入能量平均值越小；

通过控制能量转移电路使能开关，让单体电池Cell₁的端压在V_ON与V_OFF之间波动，能量在E_ON与E_OFF间波动，保证输入单体电池Cell1中的能量E_{1_in}满足：

E_{1_in}≤ΔE₁     (6)

在式(6)条件下单体电池Cell1能量转移电路开启时，单体电池Cell1能量减少，端压下降；当单体电池Cell₁的能量转移电路关闭时，单体电池Cell₁的能量增加，端压升高；通过改变能量转移电路使能信号使单体电池Cell₁的端压在V_ON与V_OFF之间波动，能量在E_ON与E_OFF间波动；

V_ON-V_OFF＜V_σ    (7)

E_ON-E_OFF＜E_σ    (8)

当式(7)、(8)中的V_σ、E_σ为一个极小值时，认为单体电池Cell₁的在均衡过程t₀～t_m过程中端电压不变，能量不变，实现单体电池Cell₁的能量在均衡过程中相对不变；

E_{n_in}≤ΔE_n    (9)

在满足式(9)的条件下，使所有单体电池均达到该能量，完成对所有单体电池的均衡；

所述能量转移电路由DC-DC变换器组成，是由前级Boost电路与后级反激电路组成两级式结构；前级Boost电路将单体电池初步升压至10V，作为后级反激电路的输入；后级反激电路进行电路隔离并将输入电压升高到锂电池组电压，结合断续工作反激增益公式，做恒功率输出控制，其输出最大额定功率5W。

3.基于权利要求1所述系统的锂电池组分布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；控制系统检测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，同时能量转移电路不工作；

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控制系统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

开启均衡充电功能；控制系统查询并筛选出达到均衡阈值的单体电池，开启能量转移电路，然后查询开启能量转移电路的单体电池端压，计算当前单体电池端压和上一采样时刻该单体电池端压差值，即均衡单体电池端压增量；如果所有均衡单体电池端压增量不为正，则加大充电开关占空比，增大输入能量功率；如果存在均衡单体电池端压增量为正，则减小充电开关占空比，减小输入能量功率；

S5：判断均衡充电完成

重复S4的查询和控制方式，直至所有单体电池均达到均衡阈值后关闭充电开关和所有能量转移电路，锂电池组中所有单体电池端压在此时处于均衡开启阈值与均衡关闭阈值之间，均衡充电完成；

S6：充电完成

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。