[发明专利]一种低损耗大电流动力电池均衡方法

说明书

本发明属于电池管理系统中的均衡技术领域，主要涉及的是一种低损耗大电流动力电池均衡方法。

在动力电池作为能量存储单元的应用场合，为了满足大功率、大容量的需要，通常将电池串联成组使用。然而，由于单体电池间必然存在不一致性，导致了一系列的问题，诸如循环寿命缩短、利用效率降低、管理维护困难等。尤其对于充放电电压要求严格的锂动力电池来说，这些问题表现得尤为突出，一定程度上影响了新能源产业的发展。因此，利用均衡技术有效地解决不一致性所带来的问题，改善电池的使用状态，是电池应用研究中的一项重要课题。

按照均衡开启过程中能量的损耗程度，可将均衡分为损耗型和无损型(并非完全无损，指低损耗)。其中，损耗型主要基于功率电阻可控分流的方法，一般用于实现充电均衡，每个单体电池均并联有分流支路，需要时可将电池的能量以热的形式散发出去，由于发热量大，该方式无法实现大电流均衡，通常均衡电流不大于2A。无损型则主要基于变压器、电感、电容等储能元件进行能量转移，可在充电、放电、或静态下工作，均衡过程中能量损耗较少，从而发热量小，均衡电流一般可以做到5A以上。目前常见的低损耗型均衡方法主要有跨接电容法、多次级变压器法、DC/DC变换法等，然而也存在着控制电路复杂、结构不灵活、成本高等或多或少的问题。另外，对于要求快速充电的应用场合，现在所能达到的均衡电流无法满足要求。

针对以上这些问题，本发明基于低损耗分流原理提出了一种充放电均衡电流可达30A的动力电池均衡方法。从而使得电池组在充电后期仍能够以较大电流进行充电，大大缩短了充电时间。在放电过程中，通过均衡放电充分利用电池组中每节电池的容量，延长放电时间，进而达到延长电池使用寿命的效果。

本发明实现上述目的采取的技术方案是：均衡电路在拓扑上完全对称，其中，节点A和K分别连接单体电池的正负极；能量存储单元L为感性元件，具体可以是软磁芯变压器、或耦合线圈等；Q1和Q2为低通态阻抗功率MOSFET，用作通断控制开关，以降低通态损耗；吸收器S1和S2分别连接于储能单元的两端，用于抑制MOSFET在断开电流信号时所产生的电压尖峰；由于工作在较高的开关频率，必须增加开关管驱动电路以提供合适的门极电压和驱动电流。

本发明的工作原理是：当均衡器工作时，Q1闭合，与之连接的变压器原边电流逐渐增大，能量储存在磁芯和气隙中，在磁芯饱和之前，将Q1断开，同时闭合Q2，改变均衡器的电流方向，通过变压器副边将部分能量转移至电池，当电流减小至0时，可以选择断开Q2，完成一个均衡周期。为了避免Q1和Q2发热不均匀，下一个均衡周期将与Q2相连的部分看作原边，首先Q2导通，然后在断开Q2的同时闭合Q1。如此循环交替运行，即可实现稳定的均衡电流。均衡电流的调节通过改变均衡周期的大小实现，在一个正常的均衡周期结束后插入可变的间歇时间即可，如果间歇时间为0，则达到最大的均衡电流。均衡周期的示意图如图2所示。T为一个完整均衡周期，Toff为间歇时间。

由以上描述可知，Q1和Q2两边的工作状态完全相同，因而不存在发热不均的问题，在控制上也不严格区分原边和次边，操作更加简单。

在应用时，每个单体电池安装1个均衡器，彻底实现了模块化，使得电池成组的灵活性达到最优。

以下对充电和放电过程中均衡器的工作原理进行说明。

图1为本发明充电均衡系统工作原理示意图。

图2为本发明控制时序原理示意图。

图3a为本发明没有启动均衡的状态原理示意图。

图3b为均衡电流原理示意图。

图3c为均衡电流等于充电电流的状态原理示意图。

图4为放电均衡系统工作原理示意图，

图5为均衡器的系统结构框图。

以下是本均衡方法的一个具体实施例。

为了配合均衡电路的可靠运行，均衡器本身还必须具备单体电池参数的监测功能，主要包括电池电压、温度的监测，另外还必须有通讯接口，可以和BMS控制器进行通讯。

图3a为没有启动均衡的状态，流过电池组中每个单体电池的电流均为I₀；在充电后期，由于电池的不一致性，总有个别电池的电压升高较快，率先达到均衡点，此时需要开启均衡，控制电压的上升，使大电流充电过程得以继续。