[发明专利]一种动力电池组双向平衡电路

说明书

技术领域

本发明涉及动力电池组电池管理系统，尤其是一种动力电池组双向平衡电路。

背景技术

由于电动车与不断电系统等产品的耗能较大，为避免过高的电流，电池的串并联应用成了普遍的现象。串联锂离子电池组是由2个或者更多个电池串联构成的。在这种结构中，电池电压等于单个电池电压之和。加上负载之后，即在电池组的放电过程中，负载的电流是由串联的所有电池共同提供。如果对电池进行充电，充电器需要向串联的电池组提供充电电流。在这两种情况下，所有电池的放电和充电电流是相同的。在整个生命周期内，电池可能会进行数百次甚至数千次的充放电。此时，各个电池的老化程度会有所不同。有些电池会变得与其它电池有些失配（或者更严重一些）。当电池组的电池之间差异愈加显著，电池组的使用效率就愈差，导致电池组的使用寿命也随之降低。如果这种现象没有得到改善，一个或多个电池可能会欠充电或过充电，这两种现象都会导致电池组所储存的电能浪费或者发生危险。改善这种状况的方法被称为均衡。均衡是强制所有电池具有相同电压的过程，这是通过均衡电路实现的。对于电动车来说，电池均衡的目的就是使得电动车可以从电池中获得最大可用容量。在电池充电的过程中，不均衡的电池可能过早达到充电截止电压而迫使充电器关闭，电池均衡电路通过控制使得所有电池的电压差不多相等时才关闭充电器。

按照电池均衡的功能特点，可以分为充电、放电和动态双向均衡。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，均衡电路开始工作以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。而双向动态均衡则不论在充电状态、放电装态还是浮置状态，都可以通过能量转换的方式实现组中单体电压的均衡，实时保持相近的SOC（state of charge,荷电状态）。

对动力锂电池组来说，任何小电流均衡或大电流只做充电均衡而放电不均衡，皆无实际使用意义。单向充电均衡功能的确可以使得电池组的充电效率增加并且防止过充，但是对于只进行充电均衡的电池组来说，在放电使用中带来的负面影响使得这种均衡经常得不偿失。只使用充电均衡时，小容量的电池没有过充，能放出的电量小于不用均衡器轻度过充所能释放的电能，使得该单体电池放电时间更短，过放的可能性反而更大了。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的情况。当然，只使用放电均衡也有类似情形发生，大容量电池浅充足放，小容量电池过充足放，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。只有动态双向均衡集中了两种均衡的优点，尽管单体电池之间初始容量有差异，工作中却能保证相对的充放电强度和深度的一致性，渐进达到共同的寿命终点。

均衡控制的方案不同，BMS（Battery Management System,电池管理系统）复杂程度也不同。被动均衡相对来说电路简单，但是均衡能力也最差，通常会造成不少的能量浪费；主动均衡可以将剩余电能较多的电池的电能转移到能量较少的电池，从而达到电能平衡的目的。现有技术中存在以下技术方案：

现有技术1：

使用电阻分流的被动均衡方式；形式有多样，或者是采用专用集成电路实现，或者是使用分立元件实现；

该技术中由于使用了电阻作为电池的旁路；充电时，减少SOC相对较高的电池的充电电流，放电时增加SOC相对较高的电池的放电电流；好处是可以实现电池包的每一块电池都可以同时充满，同时放完；但这样，并没有提升电池包的实际容量，而是降低了充电效率和放电效率。

现有技术2：

使用电容、电感或者电池，作为电池之间能量转移的载体；

该技术中由于使用了电感和电容，导致了BMS系统的体积过大，而且这些高容量的元件，价格很不菲；

使用了额外的电池所谓能量转移的载体，一方面给该电池充放电都会存在额外的损耗；另一方面，对该电池的相对频繁的充放电，该电池的寿命也会缩短，反而影响电池系统的使用寿命。

现有技术3：

使用DC/DC模块，能量从整串电池转移到剩余电量最低的电池；

由于均衡电流是通过DC/DC直接输出至单块电池的，所以，有可能会形成瞬间很大的电流，这会影响电池的寿命；

市场上成熟的DC/DC模块，基本上都是恒压输出；如果恒压输出，给锂电池充电时，其充电电流是随着电池的变化而变化的，可以用下面的公式计算：