[发明专利]单体动力电池精确管理实现方法和系统及智能电池模块

说明书

技术领域

本发明涉及通过精确管理单体动力电池实现的电池管理方法和电池管理系统、以及智能单体动力电池模块，并且更具体而言涉及通过对单体动力电池的精确管理、实现电池组在接入例如电动汽车或储能系统运行期间不需要为其配备充放电均衡操作单元的精确电池管理方法和电池管理系统，以及在前述电池管理方法和系统中使用的智能单体动力电池模块。 

本发明的智能单体动力电池模块(例如可以包括在智能电池中)、电池管理方法和电池管理系统可应用于新能源汽车如电动汽车、储能系统以及电动汽车的充放电站。本发明所述实现单体电池精确管理的智能电池模块，其与单体动力电池结合(可外置或内置实施)，使单体动力电池具备了实现自学习及更新自身参数的能力，并确保电池组的精确管理。 

背景技术

动力电池及由多个单体动力电池构成的动力电池组是电动汽车的核心部件，因此动力电池组的使用寿命越来越受到关注，并且对于智能电池的研究正在兴起。目前广为研究和推广的动力电池的管理基本上是均衡管理，按均衡功能特点分充电、放电和动态均衡；从能量耗损方式分为能耗型和回馈型两种。 

充电均衡在充电过程中后期，单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小单体电流，以期限制单体电压不高于充电截止电压。与充电均衡类似，放电均衡在电池组输出功率时，通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压。与充电和放电均衡不同，动态均衡不论在充电态、放电态，还是浮置状态，都可 以通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡，实时保持相近的荷电水平SOC(State of Charge)。 

充电均衡的唯一功能是防止过充电，而在放电使用中带来的负面影响使得使用这种均衡得不偿失：不加充电均衡时，容量小的电池被一定程度过充，组内任何单体过放以前，电池组输出Ah计电量略高于单体最小容量。使用充电均衡时，小容量电池没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能，使得该单体电池放电时间更短，过放的可能性就更大了。另外，当电机控制器以组电压降低到一定程度为依据减小或停止输出功率时，由于大容量电池因充电均衡被充入更多电能而表现出较高的平台电压，淹没和淡化了小容量电池的电压跌落，将出现组电压足够高，而小容量单体已经过放。放电均衡与充电均衡情形相似，大容量浅充足放，小容量过充足放，加速单体性能差异性变化的结果是相同的，都不能形成真正实用的产品，动态均衡则集中了两种均衡的优点，尽管单体之间初始容量有差异，能相对弥补充放电强度和深度的差异性，但也无法实现所有电池达到共同的寿命终点的目标。 

能耗型指给各单体电池提供并联电流支路，将电压过高的单体电池通过分流转移电能达到均衡目的，实现电流支路的装置可以是可控电阻，或经能量变换器带动空调、风机等耗电设备，其实质是通过能量消耗的办法限制单体电池出现过高或过低的端电压，适合在静态均衡中使用，其高温升等特点降低了系统可靠性，并且增加了系统的能源消耗。与能耗型不同，回馈型通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体。理论上，当忽略转换效率时，回馈不消耗能量，可实现动态均衡。回馈型具有较高的研究价值和使用价值，有可能达到实用化设计。 

上面有可能实现实用化设计的均衡方式是动态回馈类型，其实现的途径目前主要如下：一种是英飞凌科技公司汽车系统工程部门在E-Cart(一种可驾驶的混合动力汽车)上用多路变压器实现主动均衡的技术方法，如图6所示的多路变压器主动均衡管理的结构图， 每12个电池单元串联后组成模块(block)，初级线圈(primary side)与整个电池组相连，次级线圈(secondary side)与每个电池单元相连。但这种电池管理系统的缺点是制造工艺要求十分高，制造和控制成本都很高。另外一种是用电容器“飞容”实现电池间电荷搬运的技术方法，图7是这种结构的示意图，其缺点是开关阵列复杂，电荷搬运效率与系统可靠性设计是个两难问题，系统制造和控制成本很高。最后一种是每个电池配备一个能量变换装置，依据高频开关电源(SMPS)的原理和技术设计，充电时小容量电池充入较少能量，分流电路吸收电能，放电时分流电路补充能量，能量变换器应该实现双向变换。原则上各种电源电路经改进设计都可以实现双向，最简单的方案是用双向DC/DC电路设计方案，图8是一种双向集中式变换器拓扑图。实现本方案的缺点主要是硬件成本太高，控制技术比较复杂。